Controle semi-ativo de vibrações em estruturas utilizando amortecedor magnetorreológico

Abstract

O aumento da flexibilidade estrutural, devido à tendência de construírem-se estruturas cada vez mais altas e com vãos maiores, implica em estruturas mais vulneráveis à ocorrência de vibrações excessivas provocadas por carregamentos dinâmicos, tais como: terremotos, ventos e ocupação humana. Neste contexto, o controle estrutural é uma forma de proteção e pode ser classificado em passivo, ativo, híbrido e semi-ativo. Particularmente, o controle semi-ativo alia a confiança e a simplicidade típicas de sistemas passivos à adaptabilidade dos sistemas ativos. Os amortecedores magnetorreológicos (MR) são um tipo de dispositivo semi-ativo que possuem a capacidade de mudar, reversivelmente, suas propriedades por meio da aplicação de um campo magnético. Esses amortecedores apresentam um comportamento não-linear, histerético e de difícil modelagem. O objetivo desta tese de doutorado é verificar a eficiência do controle semi-ativo, utilizando amortecedores MR, e compará-lo aos controles passivo e ativo. Neste trabalho, avalia-se, numericamente, a eficiência do controle aplicado a um modelo de um edifício de dois andares submetido a uma aceleração na base. Desenvolve-se um modelo numérico tridimensional para representar as propriedades da estrutura. Inicialmente, o modelo é controlado por amortecedores MR em configuração passiva. Analisa-se também o desempenho do controle ativo, empregando a estratégia do regulador linear quadrático (LQR). Posteriormente, projeta-se um controlador semi-ativo do tipo clipped optimal baseado no LQR. As forças geradas pelos amortecedores são comandadas indiretamente, modificando-se as voltagens aplicadas nos dispositivos MR. Realiza-se um estudo da influência das matrizes de ponderação no desempenho dos controles ativo e semi-ativo. Por fim, considera-se a dificuldade de medir todas as variáveis de estado da estrutura numa situação real, a presença de ruído nas medições e um possível retardo na modificação das propriedades dos amortecedores. Define-se um observador para estimar o estado completo a partir de informações parciais das medidas de saída e propõe-se uma estratégia de controle semi-ativa que utiliza o regulador linear quadrático gaussiano (LQG). O controle semi-ativo demonstra-se eficiente em reduzir os deslocamentos e acelerações do edifício. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The increasing structural flexibility due to the tendency to build taller and longer structures leads to structures much more vulnerable to excessive vibrations caused by dynamic loads, such as earthquakes, wind and human induced loads. In this context, structural control is a form of protection and can be classified as passive, active, hybrid and semi-active. Particularly, semi-active control devices combine the reliability and simplicity typical of passive systems with the adaptability of active systems. Magnetorheological (MR) dampers are a type of semi-active device which are capable of reversibly change their properties when exposed to a magnetic field. These dampers present a nonlinear, hysteretic behavior that is difficult to be modeled. The objective of this thesis is to evaluate the efficiency of semi-active control, using MR dampers, and to compare it to passive and active control. In the present work, control efficiency is numerically investigated on a twostory building subjected to base acceleration. A three-dimensional model is developed to represent the structural properties. At first, the model is controlled by MR dampers under passive configuration. Active control performance is also investigated using the linear quadratic regulator (LQR) strategy. Afterwards, a type of clipped optimal semi-active controller is designed based on LQR. The forces generated by the dampers are commanded indirectly through changes on the voltage applied to the MR devices. A parametric study is conducted to evaluate the influence of the weighting matrices on both active and semiactive control performances. Finally, the work considers the difficulty of obtaining all state variables in real problems, the presence of noise in the measurements and a possible time delay in the change of the properties of MR dampers. An observer is constructed to estimate the complete state from partial output measures and a semi-active strategy is proposed by means of the linear quadratic gaussian (LQG) regulator. Semi-active control demonstrates to be efficient in reducing displacements and accelerations of the building.