BR102014027499B1 - Disposição construtiva aplicada a amortecedor de massa sintonizado com controle de variação da massa, da rigidez e do amortecimento - Google Patents

Abstract

DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA A AMORTECEDOR DE MASSA SINTONIZADO COM CONTROLE DE VARIAÇÃO DA MASSA, DA RIGIDEZ E DO AMORTECIMENTO. A presente invenção trata sobre a disposição construtiva de um amortecedor de massa sintonizado para o controle de vibrações em estruturas de lajes ou pisos de concreto, por meio da dissipação da energia vibracional mediante forças de atrito. Destina-se a aplicações em lugares que exijam dimensões reduzidas, flexibilidade no tamanho do sistema de amortecimento e aplicações que requeiram ajuste da variação da massa, da rigidez e do amortecimento. É composta por uma base superior (2), responsável pela fixação do amortecedor à estrutura por meio de chumbadores (1 ), ligada a uma base inferior (11) através de eixos de sustentação (3), além de conter placas metálicas (4), parafusos de acondicionamento (5), anéis guia (9), molas (10), alinhadores (12), eixos dissipadores (6), parafusos reguladores de atrito (7) e blocos dissipadores (8).

Description

CAMPO DE INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se à disposição utilizada na construção de dispositivos de controle de vibração estrutural. Particularmente, refere-se à construção de amortecedores de massa sintonizados para o controle de vibrações verticais, produzidas principalmente por movimentos do corpo humano sobre um piso. Especificamente, trata-se de um sistema massa-mola-amortecedor conectado à estrutura principal, com a finalidade de dissipar a energia vibracional de estruturas, reduzindo a amplitude de vibração do sistema e melhorando o conforto humano em estruturas com problemas de vibração.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] A maior parte dos prédios modernos é projetada para cargas de ocupação e carregamentos estáticos devido aos efeitos da gravidade, uma vez que estes estão sempre atuando nas edificações. As magnitudes destes carregamentos podem ser facilmente determinadas pelo próprio peso da estrutura e requerimentos de ocupação. Outros tipos de carregamentos que precisam, em alguns casos, serem levados em consideração são os dinâmicos.

[003] Por outro lado, sabe-se que a tendência é que as estruturas modernas sejam cada vez mais esbeltas, flexíveis e com vão maiores, configuração que apresenta frequências naturais de vibração cada vez mais baixas. Especificamente, uma maior flexibilidade implica em vibrações com maiores amplitudes, fazendo com que estas sejam transmitidas à estrutura e às pessoas que a utilizam, gerando desconforto e interferência em suas atividades, por exemplo, podendo comprometer a visão e os movimentos das mãos e dos pés. Sabe-se que em casos de fortes vibrações, podem ainda ocorrer alterações das funções fisiológicas como, por exemplo, aumento da frequência cardíaca, alterações neuromusculares, alterações cardiovasculares, respiratórias, endócrinas e metabólicas, alterações sensoriais e do sistema nervoso central, dentre outras.

[004] Para corrigir este tipo de problema em estruturas com elevadas vibrações como, por exemplo, escritórios, áreas comerciais, academias, estúdios de dança, laboratórios, teatros e passarelas entre outras, são utilizados dispositivos de controle estrutural como amortecedores de massa sintonizados (AMS). Os AMS são sistemas massa-mola-amortecedor projetados para que a sua frequência fundamental seja próxima à frequência da estrutura à qual estão vinculados, de modo que seja transmitida para ele parte da energia do sistema principal, reduzindo assim as amplitudes de vibrações excessivas. Este tipo de amortecedor tem sido utilizado com sucesso em lajes de concreto.

[005] O amortecedor de massa sintonizado é posicionado estrategicamente no ponto de maior deslocamento da forma modal da estrutura principal, e posteriormente é sintonizado numa frequência específica, a fim de melhorar seu desempenho na redução de vibrações.

[006] Atualmente, para o controle de vibrações em estruturas vêm sendo amplamente utilizados os amortecedores do tipo viscofluido e viscoelástico. Entretanto, estes amortecedores agregam elevado custo de fabricação e manutenção.

[007] Os amortecedores do tipo viscofluido requerem um maquinário com maior tecnologia para a sua fabricação, além de materiais especializados como, por exemplo, a utilização de um fluido com propriedades especiais que interfere diretamente no desempenho do amortecedor. Estes dois aspectos fazem com que este tipo de amortecedor seja mais caro.

[008] No caso dos amortecedores do tipo viscoelástico, o desempenho do amortecedor pode ser alterado pelos incrementos de temperatura, provenientes da dissipação de energia que é convertida em calor através do material de fabricação do mesmo, quando submetido a solicitações cisalhantes. Periodicamente, é necessário que haja observação e substituição do material viscoelástico para evitar a perda de eficácia do amortecedor.

[009] Alguns documentos patentários publicados recentemente, que tratam de amortecedores de massa sintonizados para controle de vibrações em estruturas, descrevem sistemas com geometrias bastante complexas. Estes amortecedores geralmente apresentam um maior número de peças para fabricação e montagem, além de que estas necessitam de maior precisão na sua construção para evitar vazamentos, visto que a dissipação de energia é realizada mediante a utilização de um fluido. Consequentemente, a construção de tais equipamentos necessita de altos investimentos em materiais, geralmente importados, mão de obra mais especializada e maquinário de maior complexidade para construção dos amortecedores.

[010] O pedido de patente de invenção chinês CN103074947 refere-se a um amortecedor de massa sintonizado que possui ajuste de freqüências e amortece as vibrações em estruturas de edifícios e pontes nas três direções do sistema de coordenadas cartesianas, e em três diferentes freqüências naturais. Este sistema dispõe de flexibilidade de ajuste de acordo com as necessidades impostas, por exemplo, determinar diferentes freqüências naturais para cada coordenada do sistema. O dispositivo faz uso de amortecedor viscofluido para dissipar a energia proveniente das vibrações, o que requer a escolha de óleo com características específicas, que preserve sua viscosidade mesmo com incrementos de temperatura. Os elementos que compõem este sistema de amortecimento requerem elevada precisão e confiabilidade de projeto e de construção para vedação, a fim de evitar vazamentos de óleo. A presente invenção apresenta um projeto com geometria simples e de fácil construção, constituída de dois eixos verticais usinados nos quais são pressionados parafusos. Sendo que a energia vibracional é dissipada por meio do atrito destas peças. Em relação à tecnologia citada, a disposição construtiva da presente invenção apresenta forma de dissipação de energia e elementos mecânicos diferentes, que possibilitam a redução do custo e facilitam a sua fabricação e manutenção, bem como utiliza materiais facilmente encontrados no mercado.

[011] O pedido de patente de invenção chinês CN103276664 descreve um amortecedor de massa sintonizado que gera energia utilizando um material piezoelétrico. É um tipo de amortecedor semi-ativo, que facilita o controle de vibrações e que, além de controlar as vibrações em uma ponte, gera pulsos de energia a partir de material piezoelétrico, com o qual retroalimenta um circuito elétrico para melhorar o desempenho do amortecedor. Possui circuitos eletrônicos para a retroalimentação do sistema, necessitando de maior conhecimento técnico de operação e manutenção do equipamento. Já a presente invenção apresenta simplicidade na fabricação e montagem de um amortecedor de massa sintonizado (AMS), fato que diminui o custo de fabricação de seus componentes. Ao contrário do pedido de patente referido, todas as suas peças são mecânicas, ou seja, não apresentam problemas eletrônicos de operação e de construção, o que possibilita o emprego de mão de obra menos especializada na fabricação.

[012] O pedido de patente de modelo de utilidade chinês CN202611007 trata de um amortecedor de massa sintonizado do tipo suspenso para controle e atenuação de vibrações. É utilizado para reduzir as vibrações verticais em edifícios, provenientes de terremotos, vibrações por efeito do vento, veículos de transporte, ferrovias e atividades rítmicas do corpo humano, através de um sistema de amortecimento viscoso. Em contrapartida, a presente invenção realiza a dissipação de energia por meio do atrito em seco, que é obtido através do contato metálico entre as peças do sistema de amortecimento.

[013] O pedido de patente de modelo de utilidade chinês CN203174802 refere-se a um amortecedor de massa sintonizado para controle de vibrações em três dimensões e em diferentes frequências de ressonância. Este amortecedor pode ser utilizado em edifícios, torres marítimas e estruturas em balanço de grandes vãos, para diminuir as amplitudes de vibração nas estruturas provocadas por terremotos e ações do vento. Controla as amplitudes de vibração nos três eixos cartesianos e pode ser sintonizado em diferentes frequências naturais. Seu sistema apresenta duas caixas principais que contêm molas e amortecedores viscofluidos. Por realizar o controle de vibração nos três eixos, o sistema exige maior quantidade de elementos, requerendo maior quantidade de molas para suprir as eventuais vibrações nas três dimensões. A sua elevada quantidade de peças e a sua complexidade implicam na fabricação e montagem mais precisas, como se observa na forma em que as duas caixas devem ser acopladas, a posição estratégica das molas, dentre outras. A dissipação da energia proveniente das vibrações é realizada através de amortecedores viscofluidos. No caso da presente invenção a dissipação de energia é realizada através do atrito em seco, que é obtido por meio do contato metálico entre as peças do sistema de amortecimento. Desta forma, a tecnologia contém geometria simples e de fácil fabricação.

[014] A presente invenção é uma alternativa simples e de fácil acesso para aplicações que envolvam controle de vibrações em estruturas, em especial com o uso de amortecedores de massa sintonizados. Neste sentido, podemos destacar as seguintes: 1. A utilização junto à estrutura da laje e do piso, sendo posicionado sobre o forro de teto, de maneira que não interfira no visual do ambiente. Possui dimensões reduzidas, configurando-se como compacto, e pode mudar suas dimensões variando-se a quantidade e o tamanho de seus componentes; 2. Projeto com geometria simples e de fácil montagem que pode ser fabricado com um único material, e é constituído por duas peças principais para a dissipação da energia vibracional, eixo e parafuso. Esta configuração reduz o custo de fabricação e possibilita o processo de usinagem em torno mecânico simples, empregando mão de obra menos especializada.

DESCRIÇÃO SUCINTA DAS FIGURAS

[015] A Figura 1 expõe a representação da vista frontal do amortecedor, que é constituído por: chumbador (1), base superior (2), eixo de sustentação (3), placa metálica (4), parafuso de acondicionamento (5), eixo dissipador (6), parafuso regulador de atrito (7), bloco dissipador (8), anel guia (9), mola (10), base inferior (11), alinhador (12).

[016] A Figura 2 exibe uma representação das vistas superior (13), frontal (14), lateral (15) e isométrica (16).

[017] A Figura 3 exemplifica a localização do amortecedor sob uma estrutura.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[018] A presente invenção trata sobre a disposição construtiva de um amortecedor de massa sintonizado para o controle de vibrações em estruturas, que possui geometria simples e dimensões reduzidas em relação aos modelos já existentes. O amortecedor é instalado junto à estrutura de uma laje ou piso e realiza a dissipação da energia por meio do atrito a seco, através do contato metálico entre as peças do sistema.

[019] Adicionalmente, a presente invenção permite que se possa realizar um ajuste da variação da massa do sistema de amortecimento, realizado através da modificação da quantidade e das dimensões de placas metálicas (4) inseridas ou retiradas do sistema. Além disso, dispõe de um controle dos valores de rigidez e do amortecimento por meio da variação da quantidade de molas do sistema e da pressão exercida pelas peças metálicas de dissipação de energia, respectivamente.

[020] Nesta disposição construtiva a massa do sistema é representada pelas placas metálicas (4), a rigidez é representada pelas molas (10), e o conjunto dissipador de energia é representado pelos eixos dissipadores (6), os parafusos reguladores de atrito (7) e os blocos dissipadores (8).

[021] O amortecedor (Figura 1) é constituído por uma base superior (2), responsável pela fixação do amortecedor à estrutura por meio de chumbadores (1), e uma base inferior (11), que são ligadas através de eixos de sustentação (3). Já os parafusos de acondicionamento (5), os anéis guia e os alinhadores (12) asseguram o posicionamento das placas metálicas (4), das molas (10) e dos eixos de sustentação (3), respectivamente. E os eixos dissipadores (6), os parafusos reguladores de atrito (7) e os blocos dissipadores (8) dissipam a energia vibracional por meio do atrito em seco gerado pelo contato destas peças.

[022] Os materiais de fabricação dos componentes são selecionados de forma a resistir aos esforços e carregamentos aos quais o amortecedor será submetido. Portanto, não necessitando conter nenhuma propriedade mecânica específica, apenas ser um metal. Um exemplo de material que atende a estes requisitos é o aço.

[023] As placas metálicas (4) que compõem a massa vibrante do amortecedor são fabricadas utilizando um dispositivo de corte como a guilhotina. Após o corte das placas metálicas (4) nas dimensões corretas, são usinados furos que permitem o posicionamento dos eixos de sustentação (3).

[024] A base superior (2) tem a função de sustentar os elementos mecânicos do amortecedor, com o auxílio dos eixos de sustentação (3) e da base inferior (11), que, por sua vez, também apoia as molas do sistema. A estrutura das bases é simples e pode ser fabricada por processos de fabricação como, fundição e usinagem.

[025] Os eixos de sustentação (3) têm a função de conectar a base superior (2) a base inferior (11), sustentando juntos as placas metálicas (4), as molas (10) e o sistema de dissipação de energia. Sua estrutura é lisa, sendo que apenas uma parte de cada uma das extremidades é roscada. Podem ser fabricados por processo de usinagem em torno mecânico, onde o diâmetro, o passo da rosca e o comprimento variam de acordo com as solicitações mecânicas exigidas. O diâmetro deve ser escolhido de maneira a evitar interferência, ou seja, que haja forças de atrito entre os eixos de sustentação (3) e os furos das placas metálicas (4).

[026] Como forma de assegurar o posicionamento correto dos eixos de sustentação (3), de maneira a evitar o atrito entre estes e as placas metálicas (4), foram fabricados alinhadores (12) que, ao serem posicionados no amortecedor, ajudam a manter os eixos de sustentação (3) fixos em relação à base superior (2) e à base inferior (11) do amortecedor, evitando possíveis deslocamentos dos eixos durante a vibração e oscilação da massa do sistema.

[027] Desta forma, os alinhadores (12) devem ser rosqueados nas extremidades do eixo de sustentação (3) e encaixados em furos específicos nas bases superior (2) e inferior (11) do amortecedor. Para fabricar os alinhadores (12) é necessário apenas usinar a parte externa de uma porca compatível com o diâmetro do eixo de sustentação.

[028] Os anéis guia (9) têm a função de manter as molas na posição correta, deixando-as concêntricas em relação aos furos da massa vibrante e aos eixos de sustentação (3). Desta forma, o anel impede um possível deslocamento das molas (10) quando são comprimidas, evitando a flambagem e restringindo o seu movimento verticalmente, aumentando o seu desempenho. Cada mola (10) conta com dois anéis, um em cada extremidade.

[029] O presente invento conta com um sistema de dissipação de energia por meio do atrito em seco, que é obtido através do contato entre as peças metálicas: eixo dissipador (6), parafuso regulador de atrito (7) e bloco dissipador (8). A fabricação destes elementos se dá através de um processo de torneamento ou a possibilidade de uso de eixos e parafusos comercialmente disponíveis. Entretanto, estas peças devem possuir o mesmo material, ou seja, coeficientes de atrito iguais e atender os requisitos de montagem.

[030] O controle do amortecimento pelo sistema de dissipação de energia ocorre por meio da regulagem da força de atrito entre os elementos dissipadores, através do aumento da pressão exercida pelo parafuso regulador de atrito (7) e do bloco dissipador (8) no eixo dissipador (6).

[031] O processo para montagem da massa vibrante do sistema é realizado com o auxílio de gabaritos, para o posicionamento das placas metálicas (4). Os gabaritos são eixos metálicos com o mesmo diâmetro dos furos das placas metálicas (4) para o encaixe dos eixos de sustentação (3), que possuem a finalidade de posicioná-las concentricamente. Após o posicionamento, os parafusos de acondicionamento (5) são fixados às placas metálicas e os gabaritos são retirados. Posteriormente, fixam- se também a estes parafusos, os blocos dissipadores (8).

[032] Para a montagem do sistema são inseridos os eixos de sustentação (3), com seus respectivos alinhadores (12), na base superior (2) do sistema, que é fixada à estrutura por meio dos chumbadores (1). Em seguida, adicionam-se as placas metálicas (4), unidas pelo parafuso de acondicionamento (5), posicionando seus furos concentricamente com os eixos de sustentação (3) e com as molas (10). Posteriormente, encaixa-se a base inferior (11) à extremidade livre do eixo de sustentação (3) e conecta-se o eixo dissipador (6) à base superior (2) do amortecedor, passando-o pelo bloco dissipador (8).

[033] A quantidade e as dimensões de eixos de sustentação (3), placas metálicas (4), eixos dissipadores (6) e molas (10) irá variar de acordo com os parâmetros de massa, amortecimento e rigidez necessários para que o amortecedor absorva as vibrações da estrutura. Estes parâmetros podem ser calculados através de uma análise numérica realizada antes da construção do amortecedor.

[034] O amortecedor deve ser sintonizado com as frequências naturais da estrutura. Os parâmetros de massa, rigidez e amortecimento dependem do valor de sintonização da frequência.

[035] A presente invenção caracteriza-se por possuir dimensões reduzidas, configurando-se como compacta em relação aos modelos já existentes, podendo ser fixada diretamente na estrutura, de preferência, entre o forro dos pisos da edificação. Dispõe de flexibilidade de sua altura e comprimento por possibilitar a variação das dimensões e da disposição das placas metálicas (4). Por exemplo, é possível reduzir a altura do amortecedor diminuindo a quantidade de placas metálicas (4) sobrepostas. A variação da quantidade de molas (10) e do tamanho dos elementos que constituem o sistema dissipador de energia também contribuem para uma flexibilidade na utilização do sistema de amortecimento, seja esta relacionada às dimensões do dispositivo ou a sua capacidade de absorver vibrações.

[036] Para a correta montagem devem-se conhecer previamente as dimensões do local selecionado para abrigar o amortecedor.

Claims (8)

1. DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA A AMORTECEDOR DE MASSA SINTONIZADO COM CONTROLE DE VARIAÇÃO DA MASSA, DA RIGIDEZ E DO AMORTECIMENTO, caracterizada por ser constituída por uma base superior (2), responsável pela fixação do amortecedor à estrutura por meio de chumbadores (1), ligada a uma base inferior (11) através de eixos de sustentação (3), além de conter parafusos de acondicionamento (5), anéis guia (9), alinhadores (12), eixos dissipadores (6), parafusos reguladores de atrito (7) e blocos dissipadores (8), a serem fabricados conforme os parâmetros de massa, amortecimento e rigidez necessários para que o amortecedor absorva as vibrações da estrutura.

2. DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA A AMORTECEDOR DE MASSA SINTONIZADO COM CONTROLE DE VARIAÇÃO DA MASSA, DA RIGIDEZ E DO AMORTECIMENTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por suas peças serem fabricadas em material metálico, preferencialmente, em aço.

3. DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA A AMORTECEDOR DE MASSA SINTONIZADO COM CONTROLE DE VARIAÇÃO DA MASSA, DA RIGIDEZ E DO AMORTECIMENTO, de acordo com as reivindicações de 1 e 2, caracterizada por compreender um sistema de dissipação de energia por meio do atrito em seco, que é obtido através do contato entre as peças metálicas: eixo dissipador (6), parafuso regulador de atrito (7) e bloco dissipador (8).

4. DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA A AMORTECEDOR DE MASSA SINTONIZADO COM CONTROLE DE VARIAÇÃO DA MASSA, DA RIGIDEZ E DO AMORTECIMENTO, DA RIGIDEZ E DO AMORTECIMENTO, de acordo com as reivindicações de 1 a 3, caracterizada por possibilitar a variação no tamanho do sistema de amortecimento, alterando a quantidade e as dimensões de eixos de sustentação (3), placas metálicas (4), eixos dissipadores (6) e molas (10), de acordo com as dimensões do local.

5. DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA A AMORTECEDOR DE MASSA SINTONIZADO COM CONTROLE DE VARIAÇÃO DA MASSA, DA RIGIDEZ E DO AMORTECIMENTO, de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizada por possuir ajuste e controle dos valores da massa do sistema por meio da variação da quantidade e das dimensões de placas metálicas (4).

6. DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA A AMORTECEDOR DE MASSA SINTONIZADO COM CONTROLE DE VARIAÇÃO DA MASSA, DA RIGIDEZ E DO AMORTECIMENTO, de acordo com as reivindicações de 1 a 5, caracterizada por alinhadores (12) que mantém os eixos de sustentação (3) fixos em relação à base superior (2) e à base inferior (11) do amortecedor.

7. DISPOSIÇÃO CONSTRUTIVA APLICADA A AMORTECEDOR DE MASSA SINTONIZADO COM CONTROLE DE VARIAÇÃO DA MASSA, DA RIGIDEZ E DO AMORTECIMENTO, de acordo com as reivindicações de 1 a 6, caracterizada por as molas (10) do sistema possuírem anéis guia (9), que mantém as molas concêntricas em relação aos furos das placas metálicas (4) e aos eixos de sustentação (3).

8. Uso do AMORTECEDOR DE MASSA SINTONIZADO COM CONTROLE DE VARIAÇÃO DA MASSA, DA RIGIDEZ E DO AMORTECIMENTO, conforme a reivindicação 1, caracterizado por ser no controle de vibrações em estruturas de lajes ou pisos de concreto.

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