Projeto ótimo de links viscoelásticos considerando os efeitos de temperatura em controle de vibrações

Abstract

Resumo: Links viscoelásticos são um tipo de amortecedor que se caracterizam pela conexão de duas partes de um mesmo sistema, ou de um sistema ao chão, por meio de uma camada de material viscoelástico. Por possuírem elevado fator de amortecimento, materiais viscoelásticos são utilizados em dispositivos para controle de vibrações, atuando na dissipação de energia vibratória. Devido a sua natureza, as propriedades mecânicas de materiais viscoelásticos variam, principalmente, de acordo com a frequência de vibração e temperatura. Variações nas condições ambientes podem levar a funcionamentos não ótimos de dispositivos projetados com este tipo de material. O grupo GVIBS vem desenvolvendo nas últimas décadas uma metodologia para projeto ótimo de neutralizadores dinâmicos em controle passivo de vibrações, alguns dos quais utilizam material viscoelástico. O objetivo deste trabalho é expandir essa metodologia de controle para contemplar dispositivos do tipo links viscoelásticos, bem como estudar e introduzir em software já existente, chamado LAVIBS_ND, o efeito da variação de temperatura no comportamento de dispositivos viscoelásticos. Neste trabalho, links viscoelásticos são modelados utilizando o conceito de parâmetros equivalentes generalizados, de forma equivalente ao aplicado no projeto de neutralizadores. Um código em Fortran é desenvolvido para a otimização dos parâmetros físicos e localização de links viscoelásticos, modificando para isso o software LAVIBS_ND. Nesse software é adicionado o efeito da temperatura nos dispositivos, tanto neutralizadores quanto links viscoelásticos. Otimizações e projetos são realizados para links viscoelásticos em uma estrutura do tipo prédio em escala, e os resultados numéricos comparados com os de neutralizadores para uma mesma estrutura. Um link viscoelástico ótimo conectando o primeiro andar da estrutura ao chão é construído, e experimentos são realizados para validar o modelo numérico. O resultado experimental no controle de vibração é inferior ao numérico, com o link viscoelástico real apresentando uma rigidez e amortecimento menores que o projetado. A diferença é atribuída, dentre outros fatores, ao modelo numérico desconsiderar não linearidades introduzidas por grandes deformações do material viscoelástico. Os resultados exibem um controle de vibração em uma banda larga de frequências, indicando que a metodologia proposta é promissora.

Abstract: Viscoelastic links are a type of damper characterized by the connection of two parts of a same system, or a system to the ground, by a layer of viscoelastic material. Due to a high damping factor, viscoelastic materials are used in vibration control devices, working through dissipation of vibratory energy. By their nature, mechanical properties of viscoelastic materials vary, mainly, according with vibration frequency and temperature. Changes in environmental conditions can lead to a non-optimal behavior of devices designed with those materials. The GVIBS group has been developing over the course of decades a methodology for optimal design of passive vibration control devices, that includes some with viscoelastic materials. The goal of the present study is to expand the group methodology to viscoelastic links, as well as study and introduce into a software, called LAVIBS_ND, the effects of temperature changes on the behavior of viscoelastic materials. Viscoelastic links are modelled by the use of generalized equivalent parameters, in the same way as applied to the design of neutralizers. A Fortran code is developed to optimize the physical parameters and locations of viscoelastic links, modifying the software LAVIBS_ND for that goal. In this software the temperature effect is added both for the neutralizers as for viscoelastic links. Optimizations and designs of viscoelastic links for a scale building structure are made, and the numerical results are compared with the ones of neutralizers for the same structure. An optimal viscoelastic link connecting the first floor of the structure to the ground is built, and experiments are done in order to validate the numerical model. The experimental result in vibration control is inferior to the numeric result, with the actual viscoelastic link displaying a smaller stiffness and damping than the ones designed. The difference is attributed to, among other factors, the numerical model not taking into account nonlinearities introduced by large displacements of the viscoelastic material. The results present a vibration control in a wide range of frequencies, indicating that the methodology proposed is promising.