Analytical and Numerical Investigation of Frequency-Independent Tuned Inerter Outrigger Systems for Seismic and Wind Vibration Control of Tall Buildings

Edifícios altos são prodígios da engenharia moderna, mas sua altura os torna vulneráveis às forças invisíveis da natureza. Quando o solo treme durante um terremoto ou quando ventos fortes circundam um arranha-céu, a estrutura oscila. Para manter esses edifícios seguros e confortáveis para as pessoas em seu interior, os engenheiros frequentemente instalam sistemas que atuam como amortecedores de choque. Uma estratégia comum envolve o posicionamento de uma viga horizontal rígida, conhecida como outrigger, em algum lugar da lateral do edifício para conectar o núcleo central às colunas externas. Essa configuração ajuda o edifício a resistir à flexão. Frequentemente, esses outriggers são pareados com amortecedores — dispositivos que absorvem energia para interromper a oscilação. No entanto, os amortecedores tradicionais têm uma fraqueza significativa: eles são geralmente ajustados para funcionar melhor em uma velocidade de vibração específica. Se o edifício começar a tremer em uma velocidade diferente, ou se múltiplas velocidades ocorrerem ao mesmo tempo, o amortecedor torna-se muito menos eficaz.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia SJB, na Índia, desenvolveu uma nova abordagem para resolver esse problema. Eles projetaram duas versões avançadas do sistema de outrigger que não dependem de uma única velocidade de ajuste. Em vez disso, esses novos sistemas foram projetados para funcionar em uma ampla gama de velocidades de vibração, tornando-os muito mais robustos contra a natureza imprevisível de terremotos e ventos. Os pesquisadores criaram um modelo matemático detalhado para entender como esses sistemas se comportam e, em seguida, testaram-nos em um edifício simulado de sessenta andares. O trabalho deles mostra que, ao combinar componentes mecânicos específicos, é possível criar um sistema que absorve energia de forma muito mais eficiente do que os métodos atuais, independentemente da velocidade com que o edifício está oscilando.

Os pesquisadores focaram em dois designs específicos que chamam de Outrigger de Amortecimento por Inerter Ajustado Independente de Frequência e Outrigger de Amortecimento de Rigidez Negativa Independente de Frequência. Para entender como eles funcionam, ajuda observar os componentes que adicionaram ao outrigger padrão. Primeiro, eles incorporaram um "inerter", um dispositivo que atua como um volante de inércia para a vibração. Em vez de adicionar peso pesado ao edifício, o que seria impraticável, o inerter cria uma sensação de resistência pesada ao movimento através de sua mecânica interna. Isso permite que o sistema reaja fortemente ao movimento sem tornar o edifício mais pesado. Segundo, eles utilizaram um mecanismo de "rigidez negativa". Enquanto a maioria das molas empurra de volta quando você as puxa, um dispositivo de rigidez negativa é projetado para empurrar na mesma direção do movimento por uma curta distância. Esse comportamento incomum ajuda a cancelar a rigidez natural do edifício de uma forma que permite ao amortecedor trabalhar com muito mais força e eficácia. Finalmente, eles substituíram o amortecedor padrão baseado em fluido por um tipo de material que dissipa energia a uma taxa constante, independentemente de quão rápido esteja se movendo.

Em seu estudo, os pesquisadores construíram um modelo computacional de um edifício de sessenta andares, semelhante a arranha-céus do mundo real, e o submeteram a simulações de terremotos e ventos transversais fortes. Eles compararam seus novos sistemas com a configuração tradicional de outrigger. Os resultados foram impressionantes. Sob as condições de terremoto simuladas, o novo sistema aumentou a capacidade do edifício de amortecer seu primeiro modo principal de vibração para uma razão de 24,32 por cento. Em contraste, o sistema tradicional conseguiu atingir apenas 2,89 por cento. Esse enorme melhoria significou que o novo sistema poderia lidar com a trepidação complexa de múltiplas velocidades de um terremoto real muito melhor do que o antigo. Quando os pesquisadores rodaram a simulação através de onze diferentes registros de terremotos de proximidade de falha, o novo sistema reduziu o movimento médio entre os andares em 32,5 por cento e diminuiu a agitação sentida nos andares em 23,45 por cento em comparação com a configuração convencional.

O estudo também observou como esses sistemas performam sob cargas de vento. Edifícios altos frequentemente oscilam porque o vento cria um padrão de ar giratório, conhecido como desprendimento de vórtices, que pode coincidir com o ritmo natural do edifício e fazê-lo tremer violentamente. Como os novos sistemas não são ajustados para uma única velocidade, eles permanecem eficazes mesmo quando a velocidade do vento muda e a frequência de vibração se desloca. As simulações mostraram que os novos outriggers mantiveram sua capacidade de controlar o movimento do edifício em uma ampla gama de condições de vento, enquanto os sistemas tradicionais perderiam sua eficácia se a velocidade do vento se afastasse de seu ponto de ajuste específico. Essa consistência é crucial para edifícios altos e esbeltos, onde múltiplas partes da estrutura podem vibrar em diferentes velocidades simultaneamente.

Os pesquisadores também investigaram qual é o melhor lugar para instalar esses outriggers. Eles descobriram que posicionar o outrigger próximo ao topo do edifício geralmente proporcionava os melhores resultados para o controle da oscilação geral. Eles testaram várias posições e descobriram que, embora o local exato importe, os novos sistemas eram consistentemente superiores aos tradicionais, independentemente da localização. O estudo confirmou que a combinação do inerter, do mecanismo de rigidez negativa e do amortecedor independente de frequência cria um efeito sinérgico. A rigidez negativa ajuda a amplificar o amortecimento, enquanto o inerter fornece a resistência necessária sem adicionar massa, e o material independente de frequência garante que a energia esteja sempre sendo absorvida, não importa como o edifício esteja se movendo.

Embora os resultados das simulações computacionais sejam altamente promissores, os pesquisadores advertem cautelosamente que este trabalho é atualmente uma investigação teórica e numérica. Os modelos utilizados apresentaram comportamento linear, o que significa que assumiram que os materiais do edifício não se dobrariam ou quebrariam permanentemente sob o estresse, e não levaram em conta a interação complexa entre o edifício e o solo abaixo dele. O estudo também se concentrou em uma única direção de agitação e não incluiu os movimentos de torção que podem ocorrer durante um terremoto real. Apesar dessas limitações, a estrutura matemática que desenvolveram fornece uma ferramenta poderosa para engenheiros. Ela permite o design rápido e a otimização desses sistemas avançados antes de serem construídos. As descobertas sugerem que, ao se afastar do ajuste de velocidade única e abraçar esses mecanismos independentes de frequência, a próxima geração de arranha-céus poderá ser significativamente mais segura e confortável para seus ocupantes, mantendo-se firme tanto contra o tremor do solo abaixo deles quanto contra os ventos que sopram ao seu redor.