Estudo numérico de amortecedores passivos metálicos para dissipação de energia sísmica

Abstract

O escoamento de metais como sistema de dissipação passiva de energia tem sido amplamente estudado com o propósito de encontrar soluções econômicas e seguras para o controle de estruturas projetadas em áreas de risco sísmico. Nesse cenário é inserido o projeto de um amortecedor metálico do tipo contraventamento, conhecido como Buckling Restrained Brace (BRB), que dissipa energia através da sua deformação plástica quando submetido a forças axiais. Um tipo de BRB estudado analítica e experimentalmente por Benavent-Climent (2010) consiste em dois tubos vazados inseridos um dentro do outro, unidos por soldas em lugares específicos. Este BRB utiliza como sistema de dissipação um arranjo de tiras formadas por fendas no tubo exterior conhecidas com amortecedor com fendas de aço (SSD, Steel slit damper). Os SSDs dissipam energia através do escoamento por flexão ou cisalhamento das tiras. A configuração deste BRB apresenta vantagens em comparação aos BRB convencionais, pois permite uma fácil inspeção do dispositivo após um evento sísmico e os custos podem ser reduzidos uma vez que o processo de fabricação é muito mais simples. Embora os resultados dos ensaios experimentais encontrados na literatura mostrem um bom comportamento histerético e uma boa capacidade de dissipação de energia, não há na literatura um estudo aprofundado dos parâmetros geométricos de seu sistema de dissipação (SSD). No presente trabalho, esse BRB é modelado utilizando o método dos elementos finitos através do pacote computacional comercial ANSYS. É efetuada uma análise, inicialmente considerando o SSD uma placa plana com fendas, dos parâmetros do sistema de dissipação com elementos do tipo casca (shell). Estes parâmetros são controlados para evitar a flambagem durante o tempo de carregamento segundo as recomendações do trabalho analítico de Hedayat (2015). As condições de contorno para esta análise são baseadas em trabalhos experimentais e analíticos anteriores com o intuito de obter um padrão de referência. Finalmente, aplicando condições de simetria é modelado o dispositivo também com um elemento do tipo shell, adotando a geometria dos parâmetros do SSD resultantes da análise de placa plana. A simulação é aproximada ao modelo experimental e o amortecedor, com a geometria proposta, poderia apresentar um possível melhoramento do seu desempenho de dissipação de energia sísmica.

Abstract : The yielding of metals as a passive energy dissipation system has been extensively studied for the purpose of finding economical and safe solutions for the control of structures designed in areas of seismic risk. In this scenario, it is inserted the design of a metallic damper, known as Buckling Restrained Brace (BRB), which dissipates energy through plastic deformation when subjected to axial forces. One type of BRB analytically and experimentally studied by Benavent-Climent (2010), consists of two hollow tubes inserted into each other and uses as a dissipation system an arrangement of strips formed by slits in the outer tube known as a steel slit damper (SSD). SSDs dissipate energy through flexural/shear yielding of the steel strips between the slits. The configuration of this BRB has advantages compared to conventional BRB, because it allows an easy inspection of the device after a seismic event and costs may be reduced since the manufacturing process is much simpler. Although the results of the experimental tests showed good hysteretic behavior and good energy dissipation capacity, its dissipation system (SSD) does not have an in-depth study of its geometric parameters. In the present work, this BRB is modeled using the finite element method through the commercial computational package ANSYS. An analysis is performed, initially considering the SSD as a flat plate with slits, of the dissipation system parameters with shell elements. These parameters will be controlled to avoid buckling during the loading time as recommended by the analytical work of Hedayat (2015). The boundary conditions for this analysis are based on experimental and analytical work in order to obtain a reference standard. Finally, applying symmetry conditions the device will also be modeled with shell type element, adopting the geometry of the SSD parameters resulting from flat plane analysis. The simulation is approximated to the experimental model and the damper, with the proposed geometry, could make a possible improvement of it performance.