Forças de Atrito - Amortecedores de vibração por atrito em edificações

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Adriano Martins
Edilane Cunha dos Santos
Força de Atrito na Engenharia Civil
Amortecedores de vibração por atrito em edificações
INTRODUÇÃO
Devido à sua importância, o efeito das vibrações em estruturas, tais como edifícios, torres entre outras, causadas por cargas dinâmicas como sismos, a força do vento, máquinas localizadas nas mesmas, entre outras, tem sido foco de estudo por vários pesquisadores, assim como os métodos utilizados para a dissipação da energia transmitida destas forças dinâmicas para a estrutura, evitando danos estruturais ou colapso da mesma.
No caso de estruturas que são submetidas a vibrações provocadas por um tremor de terra, por exemplo, é conveniente a utilização de dispositivos de amortecimento para permitir a dissipação de energia. 
NECESSIDADE DO USO DE AMORTECEDORES
Com a falta de terrenos nas grandes cidades e o custo do metro quadrado cada vez mais elevado, a tendência atual é construir edificações mais altas, os conhecidos “arranha- céus”. Contudo, deve-se lembrar que edifícios altos, mais esbeltos, com massa reduzida, são mais suscetíveis a problemas de vibração. Vibrações acima de certos níveis causam desconforto em seus usuários ou até mesmo dano na estrutura. Portanto faz-se necessário o uso de artifícios que reduzam essas oscilações.
 As vibrações de edifícios altos e de estruturas esbeltas podem ser efetivamente amortecidas pelo emprego, no local apropriado, de amortecedores mecânicos. Amortecedores são projetados para que parte da energia mecânica do movimento da edificação seja convertida em calor, o que resulta em uma redução da amplitude do movimento vibratório.
Assim como os edifícios altos, muitas outras estruturas tais como pontes, torres de transmissão, ginásios de esportes, academias, entre outras, também necessitam de amortecedores para diminuir suas amplitudes de vibração. Essas oscilações podem ser causadas por vários fatores, tais como ação do vento, tráfego de veículos ou pedestres, ação sísmica, ou uso de algumas máquinas e equipamentos, etc.
TIPOS MAIS USUAIS DE AMORTECEDORES
Os amortecedores podem ser classificados em três grupos: passivos, semiativos e ativos.
Os sistemas ativos são aqueles que trabalham com uma retroalimentação, necessitando de informações sobre o comportamento da estrutura e de energia externa.
Devido à introdução da energia externa, os amortecedores ativos possuem um custo mais elevado que os passivos e, além disso, pode haver amplificação das vibrações da estrutura se algum problema operacional ocorrer. 
Por outro lado, os controladores de movimento estrutural semiativos, são aqueles que requerem informações sobre o comportamento da estrutura, mas não energia externa.
A presente apresentação tratará apenas dos amortecedores passivos, os quais não necessitam nem de informações sobre o comportamento da estrutura nem de energia externa. Tratar-se-á, mais precisamente, daqueles que utilizam o mecanismo de atrito sólido para dar a desejada dissipação de energia, chamados de amortecedores de vibração por atrito.
Porém, além dos amortecedores por atrito, existem hoje no mercado vários outros tipos de amortecedores passivos, dentre os quais os mais usados são:
Amortecedores por massa sintonizada (AMS)
É um dispositivo passivo de controle de vibrações clássico da engenharia constituído basicamente por uma massa, uma mola e um amortecedor que é ligado à estrutura. O AMS geralmente localiza-se no topo da estrutura com o objetivo de atenuar as vibrações devidas ao primeiro modo, o que predomina em edifícios altos. A frequência natural do AMS é sintonizada em torno da frequência deste primeiro modo o qual se deseja controlar. Assim, quando a estrutura vibra, o AMS vibra com a mesma frequência e absorve parte da energia do sistema. 
 
Amortecedor viscoso ou visco-elástico
O amortecedor visco-elástico é um dos melhores dispositivos de dissipação. Este tipo de amortecedor dissipa a energia mecânica do edifício, convertendo-a em calor. Vários fatores, tais como temperatura ambiente e a frequência de carregamento irão afetar o desempenho, e a eficácia do sistema de amortecimento.
A seguir, pode-se observar este tipo de amortecedor:
a)b) 
a) Amortecedor visco-elástico por cisalhamento 
b) Amortecedor visco- elástico com configuração de suporte diagonal. 
É constituído por camadas de material visco-elástico (copolímeros ou substância vítrea) aglomeradas com placas de aço. A energia de vibração é dissipada através da deformação por cisalhamento do material visco-elástico prensado entre placas de aço.
ALGUMAS APLICAÇÕES PRÁTICAS NA ENGENHARIA
Os amortecedores são utilizados para dissipar energia, diminuindo a amplitude de vibração. Estádios de futebol é um bom exemplo de estruturas sujeitas a vibrações.
O Estádio Cícero Pompeu de Toledo, mais conhecido como Morumbi, em SP, de propriedade do São Paulo Futebol Clube (SPFC), passou por um processo de recuperação estrutural em 1998. Tentava-se elaborar um projeto de adequação dinâmica das arquibancadas para reduzir as vibrações induzidas pelo público, procurando obter níveis de conforto adequados aos seus usuários.
Então foi instalado um sistema passivo de dissipação de energia (molas e amortecedores), para aumentar o poder de amortecimento da estrutura. O estádio recebeu 60 amortecedores, posicionados no topo das arquibancadas e presos por tirantes.
As pontes são também um exemplo de estruturas submetidas a grandes vibrações. Na Ponte Rio-Niterói foram instalados amortecedores do tipo AMS para reduzir as oscilações que ocorrem no vão central da ponte. 
AMORTECEDORES DE VIBRAÇÃO POR ATRITO
No capítulo anterior tratou-se da necessidade do uso de amortecedores, dos seus tipos principais, de algumas aplicações práticas destes na engenharia civil e de alguns dispositivos em desenvolvimento. No presente capítulo concentra-se o estudo nos amortecedores de vibração por atrito, iniciando-se com seu conceito e alguns princípios básicos sobre o atrito, passando-se, posteriormente, a discutir a importância e história do fenômeno do atrito.
Os amortecedores de vibração por atrito, os quais utilizam o mecanismo de atrito sólido para dar a desejada dissipação de energia, são cada vez mais utilizados em muitas edificações. 
DEFINIÇÃO
Amortecedores de vibração por atrito são artifícios que utilizam o mecanismo do atrito sólido para dar a desejada dissipação de energia a fim de diminuir a amplitude de vibração do sistema. Considera-se o atrito desenvolvido entre dois corpos sólidos deslizando um em relação ao outro.
Os dispositivos dependem da resistência desenvolvida entre duas interfaces de sólidos deslizantes em relação ao outro. Durante excitações sísmicas, o dispositivo desliza a uma carga pré-determinada, proporcionando a dissipação de energia desejada. Um desses dispositivos é o Slotted Bolted Connection (SBC), como mostrado na figura abaixo.
De acordo com estudos que têm sido feitos, os dispositivos de amortecimento por atrito tem um desempenho sísmico adequado para edifícios de vários andares. Em outras palavras, os amortecedores por atrito podem efetivamente reduzir o deslocamento dos andares das estruturas, bem como dissipar a energia de um terremoto.
É válido mencionar que os amortecedores por atrito absorvem a energia liberada ou transferida a partir do sismo através do solo para a estrutura do edifício, reduzindo assim a carga que a estrutura do edifício estaria submetida durante o terremoto. 
A seguir, exemplos de amortecedores por atritos instalados em estruturas:
 a) Suporte em X b) Suporte Chevron.
Três esboços de uma armação pertencente a um edifício de vários andares, com dissipadores de energia. As configurações apresentadas são:
a) Chevron Braces, b) Diagonal Braces e c) X-Braces
Na Biblioteca McConnel da Universidade Concórdia em Montreal, Canadá, que consiste de dois prédios de seis e dez pavimentos interconectados por uma galeria foram empregados um total de 143 amortecedores por atrito. Propositadamente, os arquitetos resolveram expor60 destes amortecedores devido a sua estética atraente, conforme se observa a seguir:
A força de atrito nesses amortecedores variou entre 600-700kN, dependendo da localização dentro da estrutura. 
OS AMORTECEDORES POR ATRITO TÊM VÁRIAS VANTAGENS:
Baixo custo de fabricação, instalação e manutenção.
A alta capacidade de dissipação de energia por ciclo (em dada amplitude) e capacidade de dissipação total (limitado principalmente pelo desgaste das superfícies deslizantes).
A força de atrito é controlada.
Apresentam insensibilidade ao número de ciclos de carga e não há efeitos da fadiga. Como virtualmente não há nenhuma tensão, o único efeito relevante no transcurso do tempo é a alteração do coeficiente de atrito (por exemplo, devido à corrosão e ao desgaste das superfícies de deslizamento, o que não chega a ser um problema, pois os sismos apresentam curta duração).
CONTUDO, ESSES AMORTECEDORES APRESENTAM ALGUMAS DESVANTAGENS, COMO:
A energia dissipada por ciclo é apenas proporcional ao deslocamento máximo. Este fato pode ser relevante para pulsos repentinos e entradas mais fortes do que os esperados. Além disso, os picos de ressonância podem não ser devidamente cortados.
Devido às mudanças frequentes e repentinas nas condições de aderência e deslizamento, respostas de alta frequência podem ser geradas. Isso é relevante para o conforto humano e para a segurança de elementos não estruturais, porque acelerações altas podem aparecer.
A durabilidade também é um assunto controverso, principalmente devido à alta sensibilidade do coeficiente de atrito para as condições nas superfícies deslizantes.
CONCLUSÃO
Pesquisas sobre amortecedores por atrito feito pela Sociedade Canadense de Engenharia Civil mostram que, assim que as estruturas sofrem pequenas deformações, os amortecedores por atrito são ativados e começam a dissipar a energia. Uma vez que os amortecedores dissipam uma grande parte da energia sísmica, as forças que atuam sobre a estrutura são consideravelmente reduzidas. Além disso, a maior capacidade de dissipação de energia dos amortecedores por atrito compensa a falta de ductilidade e mitiga os danos a outros componentes não estruturais. 
Eles descobriram também que a dissipação de energia do amortecedor por atrito é o maior em comparação com outros dispositivos de amortecimento passivo, tais como dispositivos viscosos ou visco elástico.
Como resultado das propriedades anteriores do amortecedor por atrito, menos amortecedores por atrito são necessários para fornecer uma determinada quantidade de amortecimento suplementares. Ao contrário de outros dispositivos, a força máxima de um amortecedor por atrito é pré-definida e continua sendo a mesma para qualquer tremor futuro de terra. Portanto, eles não precisam de inspeção regular, manutenção, reparação ou substituição antes ou depois do terremoto.
SALVADOR
2019