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Com o passar dos anos e a demanda por estruturas cada vez mais esbeltas e de menor custo, tem-se a necessidade de desenvolvimento de sistemas de controle de vibrações eficazes. Dispositivos de dissipação de energia passivos são bem conhecidos devido ao seu bom desempenho para controle de vibrações em edifícios sujeitos a excitações dinâmicas. O amortecedor de massa sintonizado (Tuned Mass Damper - TMD) é um dos dispositivos passivos mais antigos e mais usados para controle de vibrações em edifícios em todo o mundo. No entanto, os melhores parâmetros em termos de rigidez e amortecimento, assim como as melhores posições dos TMDs a serem instalados na estrutura permanecem sendo difícil de determinar, especialmente quando mais de um TMD precisa ser instalado, ou seja, quando há a necessidade de se instalar múltiplos amortecedores de massa sintonizados (Multiple Tuned Mass Dampers - MTMD). Assim, a otimização de parâmetros, quantidade e posições de MTMD é uma área que vem sendo estudada nos últimos anos, buscando projetos ótimos de tal dispositivo, para minimização da resposta dinâmica estrutural. Portanto, nesta tese, propõe-se uma metodologia para otimização simultânea de parâmetros e posições de MTMD em edifícios submetidos a sismos. É importante ressaltar que, diferente da maioria dos trabalhos da literatura, a metodologia de otimização proposta nesta tese considera as incertezas presentes nos parâmetros estruturais, na carga dinâmica (sismos) e também nos parâmetros dos MTMD, ou seja, propõem-se uma metodologia de otimização robusta. Desta forma, obtém-se um projeto ótimo robusto, ou seja, um projeto de MTMD que não é sensível às variações dos parâmetros envolvidos no comportamento dinâmico do sistema. Para fins de ilustração, a metodologia proposta é aplicada em um prédio de 10 andares, confirmando sua eficácia. Adicionalmente, novamente com o objetivo de confirmar a eficácia da metodologia proposta para projeto ótimo robusto de MTMD, avalia-se a resposta dinâmica do edifício em estudo submetido a registros sísmicos reais e equipado com os MTMD otimizados pelo método proposto, confirmando novamente a eficácia da metodologia desenvolvida. Assim, acredita-se que a metodologia proposta pode ser utilizada como uma ferramenta promissora para o projeto de MTMD. Over the years and with the demand for increasingly slender and lower cost structures, there is a need to develop effective vibration control systems. Passive energy dissipation devices are well known for their good performance in controlling vibrations in buildings subject to dynamic excitation. The tuned mass damper (TMD) is one of the oldest and most used passive devices for vibration control in buildings around the world. However, the best parameters in terms of stiffness and damping, as well as the best positions of the TMDs to be installed in the structure remain difficult to determine, especially when more than one TMD needs to be installed, that is, when there is a need to install multiple tuned mass dampers (MTMD). Thus, the optimization of parameters, quantity and positions of MTMD is an area that has been studied in recent years, seeking optimal designs of such a device, to minimize the structural dynamic response. Therefore, in this thesis, a methodology is proposed for the simultaneous optimization of MTMD parameters and positions in buildings subjected to earthquakes. It is important to emphasize that, unlike most works in the literature, the optimization methodology proposed in this thesis considers the uncertainties present in the structural parameters, in the dynamic load (earthquakes) and also in the MTMD parameters, that is, a methodology for robust optimization. In this way, an optimal robust design is obtained, that is, an MTMD design that is not sensitive to variations in the parameters involved in the dynamic behavior of the system. For illustration purposes, the proposed methodology is applied to a 10-story building, confirming its effectiveness. Additionally, again with the objective of confirming the effectiveness of the proposed methodology for robust MTMD design, the dynamic response of the building under study is evaluated, subjected to real seismic records and equipped with the MTMD optimized by the proposed method, again confirming the effectiveness of the methodology developed. Thus, it is believed that the proposed methodology can be used as a promising tool for the MTMD design.

A importância da ação do vento nas estruturas, no contexto em que se busca a máxima esbeltez possível, aumenta de forma direta e proporcional à altura das edificações. Essas edificações cada vez mais altas e esbeltas, respeitados os critérios de segurança, objetivam sempre o custo mínimo. Nesse cenário se insere este trabalho, que teve como objetivo a aplicação de métodos de otimização estrutural combinados com o uso de amortecedores magneto-reológicos (MR) em edifícios altos submetidos à ação dinâmica do vento. A estrutura, idealizada em concreto, foi modelada usando o método dos elementos finitos e, a carga dinâmica do vento, através de um processo estocástico. A otimização da massa da estrutura foi realizada por meio do algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO). Por fim, um conjunto de amortecedores MR (RD-1005-03, Lord Corporation), considerando o modelo reológico de Bouc-Wen modificado, com parâmetros obtidos experimentalmente, foi aplicado na estrutura. Os resultados mostraram que a otimização estrutural aliada ao controle produzido pelos amortecedores MR foi capaz de reduzir a resposta, demonstrando que estruturas que combinam técnicas de otimização e controle semiativo em sua concepção, são uma alternativa promissora. The importance of the wind action in structures, in a context in which the maximum possible slenderness is desired, increases directly and proportionally to the height of the buildings. Those tall and slender buildings, respecting safety criteria, always aim at the minimum cost. This work is part of that scenario, which aimed to apply structural optimization methods combined with the use of Magneto-rheological (MR) dampers in tall buildings under dynamic wind load. The structure, idealized in concrete, was modeled using the finite element method and, the dynamic wind load, through a stochastic process. The optimization of the structure's mass was performed using the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm. Finally, a set of MR dampers (RD- 1005-03, Lord Corporation), considering the modified Bouc-Wen rheological model with parameters obtained experimentally was applied in the structure. The results showed that the structural optimization combined with the control produced by the MR dampers was able to reduce the response, demonstrating that structures which combine optimization techniques and semi-active control in their design, are a promising alternative.

A ação dos sismos sobre edifícios pode provocar vibrações de altas amplitudes e gerar muitos danos, que em alguns casos, levam ao colapso da estrutura. Neste cenário, o controle estrutural mostra-se como uma ferramenta capaz de reduzir as vibrações excessivas e melhorar o desempenho da edificação. O sistema de controle passivo por meio de Atenuador Dinâmico Sincronizado (ADS) é uma técnica bastante utilizada, entretanto, projetar estes dispositivos e posicioná-los na estrutura a ser controlada, de modo que se tenha a melhor redução da resposta dinâmica, não é tarefa fácil. Neste contexto, a presente dissertação apresenta um estudo sobre a otimização de parâmetros de projeto e posições de ADS simples e Múltiplos Atenuadores Dinâmicos Sincronizados (MADS), destinados ao controle de vibrações em edifícios submetidos à excitações sísmicas, objetivando a redução do deslocamento relativo entre pavimentos (story drift), cujo critério limite foi obtido na norma ANSI/AISC 360-16. Para isto, são estudados três edifícios de diferentes alturas, os quais foram submetidos a um conjunto de três sismos reais e a um artificial não-estacionário com frequência de excitação coincidente com a frequência do modo fundamental de cada edifício. Para cada edificação foram propostos diferentes cenários de controle e para realizar as otimizações utilizou-se o algoritmo meta-heurístico Whale Optimization Algorithm (WOA). Os resultados obtidos mostraram que para o Edifício 1, todos os cenários foram eficientes em reduzir o story drift de modo a adequá-lo ao critério adotado e o Cenário 1-Otimizado, que foi equivalente ao Cenário 3 com apenas um único ADS no topo, foi considerado a alternativa mais viável. No Edifício 2, verificou-se novamente que todos os cenários conseguiram controlar a estrutura, garantindo que o story drift não ultrapassasse os valores limites, e o Cenário 1-Otimizado com um único ADS instalado no topo mostrou-se como a melhor solução. Por fim, para o Edifício 3, o Cenário 4-Modificado com massa dos MADS igual a 6% da massa da estrutura, onde os 3 ADS resultantes foram dispostos no plano do edifício, foi o único que teve controle efetivo sobre a resposta do edifício e conseguiu adequá-lo ao critério adotado, sendo portanto seu melhor cenário de controle. The seismic excitation on buildings can cause high amplitude of vibrations and generate many damages that, in some cases, lead to the collapse of the structure. In this scenario, the structural control is a tool that can reduce excessive vibrations and improve the performance of the building. The passive control system with Tuned Mass Damper (TMD) is a widely used technique, however, design their parameters and positions on the structure to be controlled, in order to obtain the best reduction in the dynamic response, is quite complicated. In this context, the present dissertation presents a study on the optimization of design parameters and positions of single TMD and Multiple Tuned Mass Dampers (MTMDs), utilized to the vibrations control in buildings subjected to seismic excitations, aiming to reduce the relative displacement between floors (story drift), in order to limit it to the criterion obtained in the ANSI/AISC 360-16 standard. For this, three buildings of different heights are studied and were submitted to a set of three real earthquakes and a non-stationary artificial earthquake with frequency of excitation equal to the frequency of the fundamental mode of each building. For each building, different control scenarios were proposed and to perform the optimizations, the meta-heuristic algorithm Whale Optimization Algorithm (WOA) was used. The results obtained showed that, for Building 1, all scenarios were effective to reducing the story drift, in order to adapt it to the adopted criterion and the Scenario 1-Optimized, which was equivalent to Scenario 3, with a single TMD at the top floor, it was considered the best alternative. In Building 2, it was found that all scenarios were able to control the structure and the story drift did not exceed the limit values, and Scenario 1-Optimized with a single TMD installed at the top floor, proved to be the best solution for this building. Finally, for Building 3, Scenario 4-Modified, with mass of the MTMDs equal to 6% of the structural mass, with 3 TMD arranged on the building plan, was the only one that had effective control on the response and story drift of structure, adapt it to the adopted criterion, being therefore, its best control scenario.

A busca pelo projeto ótimo de estruturas é o desejo de todos os projetistas, haja vista que os recursos materiais são limitados. Entretanto, ainda é muito comum na prática de projeto os projetistas dimensionarem as estruturas com base em normas técnicas que consideram as cargas dinâmicas como cargas estáticas equivalentes, consequentemente aumentando os custos das mesmas. Este trabalho tem como objetivo otimizar uma estrutura de concreto armado utilizando um algoritmo de otimização. Para isso, utilizou-se o algoritmo Whale Optimization Algorithm (WOA), um algoritmo do grupo dos Meta-Heurísticos, que estão em foco nas pesquisas atuais pela facilidade de implementação computacional. Como objeto de estudo utilizou-se um pórtico adaptado de uma estrutura real de concreto armado, submetido à ação dinâmica de vento gerado artificialmente, com a função objetivo sendo a minimização do volume de concreto na estrutura. Foram utilizadas as dimensões das seções transversais como variáveis de projeto, e o deslocamento máximo no topo imposto pela norma ASCE/SEI 7-16 como restrição lateral, assim como o deslocamento máximo entre pavimentos. Além da otimização realizada na estrutura, foram utilizados Atenuadores de Massa Sintonizados (AMS), em diferentes quantidades, configurações e parâmetros, em busca de diferentes soluções estruturais para a otimização da estrutura de concreto armado. Os resultados mostram que diante de todas as simulações foi possível reduzir em aproximadamente 24% o volume de concreto da estrutura, respeitando o limite máximo de deslocamento no topo exigido pela norma. The search for the optimal design of structures is the desire of all designers, given that material resources are limited. However, it is still very common in design practice for designers to design structures based on technical standards that consider dynamic loads as equivalent static loads, consequently increasing their costs. This work aims to optimize a reinforced concrete structure using an optimization algorithm. For this, the Whale Optimization Algorithm (WOA) algorithm was used, an algorithm from the group of Meta-Heuristics’ Algorithms, which are focused on current research due to the ease of computational implementation. As a study object, a portico adapted from a real reinforced concrete structure was used, submitted to the dynamic action of artificially generated wind, with the objective function of the volume of concrete in the structure. The dimensions of the cross sections were used as design variables, and the maximum displacement at the top imposed by the ASCE / SEI 7-16 standard as a lateral constraint, as well as the maximum story drift between floors. In addition to structural optimization, it was used Tuned Mass Dampers (TMD), in different quantities, settings and parameters, in search of different structural solutions to optimization of reinforced concrete building. The results show that for this situation it was possible to reduce the concrete volume of the structure by approximately 24%, respecting the maximum limit of displacement at the top required by the standard.

Dissipadores metálicos são dispositivos de proteção estrutural que dissipam energia através do mecanismo de deformação plástica dos metais. Esses dispositivos fazem parte de sistemas de dissipação de energia passiva e têm como objetivo proteger os principais componentes estruturais dos efeitos nocivos causados por excitações dinâmicas como eventos sísmicos ou fortes rajadas de vento. Este estudo descreve o processo de otimização da forma de um dissipador de energia metálico cilíndrico vazado ranhurado. Para o seu desenvolvimento foram elaboradas 5 configurações iniciais com 5 tipos diferentes de ranhuras, permitindo determinar de qual configuração o melhor modelo otimizado é obtido. Para o processo de otimização, é elaborado um código computacional utilizando a linguagem de programação Python, o qual contém as instruções a serem executadas no software de elementos finitos Abaqus. Além de conter as instruções para a geração do modelo e sua análise em elementos finitos, o código desenvolvido contém as instruções do algoritmo Simulated Annealing e as heurísticas de mudança, cabendo ao algoritmo comparar a energia dissipada por dois modelos, dependendo do critério de aceitação, uma configuração é selecionada e submetida às heurísticas de mudança de forma para gerar uma nova configuração alterando o material dos elementos de acordo com os valores de tensão obtidos. A partir dos resultados obtidos, determinou-se que através do processo de otimização proposto é possível obter modelos otimizados com comportamento histerético estável e com uma capacidade de dissipação de energia significativamente maior que os modelos iniciais. Finalmente determinou-se que através de ranhuras do tipo vertical é possível obter um modelo otimizado com maior capacidade de dissipação de energia e usando menos iterações no processo de otimização. Metal sinks are structural protection devices that dissipate energy through the plastic deformation mechanism of metals. These devices are part of passive energy dissipation systems and aim to protect the main structural components from the harmful effects that can cause dynamic excitations such as events seismic or strong gusts of wind. This study describes the optimization process of the shape of a metallic cylindrical plate damper. For its development, 5 initial configurations were elaborated with 5 different types of slits to determine from which configuration the best optimized model is obtained. For the optimization process, a code is elaborated using the Python programming language, the code contains the instructions to be executed in the Abaqus finite element software. In addition to containing the instructions for the generation of the model and its analysis in finite elements, the code contains the instructions of the Simulated Annealing algorithm and the change heuristics, and the algorithm must compare the energy dissipated by two models, depending on the acceptance criteria, a configuration is selected and subjected to shape change heuristics to generate a new configuration by changing the material of the elements according to the stress values obtained. From the results obtained, it was determined that through the proposed optimization process it is possible to obtain optimized models with stable hysteretic behavior and with a significantly higher energy dissipation capacity than the initial models. It was finally determined that through slits of the type vertical is possible to obtain the optimized model with greater energy capacity and using fewer iterations in the optimization process.

Earthquakes can cause vibration problems in many types of structures, generating large displacements. The interstory drift is a design criterion very used in seismic analysis and the structural control is an alternative to reduce these displacements and improve the performance of these structures adapting them to the imposed criteria. TMD is a device widely used due to the simple principle of operation and many successful applications in real life practice. This paper investigates the use of optimized TMD for reduction of maximum horizontal displacement at the top floor and interstory drift of a steel building under seismic excitation considering three scenarios: single TMD at the top floor; MTMD horizontally arranged at the top floor; and MTMD vertically arranged on the structure. By a metaheuristic optimization algorithm, the parameters and positions of the devices are obtained. Three real and one artificial earthquakes are employed in the simulations. The results showed that all proposed scenarios are efficient in reducing top floor response and interstory drift to values below of the interstory drift limits allowed by the standard code consulted. However, Scenario 2 presented the best reduction for the top displacement and interstory drift to the critical floor for the worst earthquake considered.

Based on the notions of spectrum sensitivities, proposed by us earlier, we develop a novel optimization approach to deal with robustness in the closed-loop eigenvalues for partial quadratic eigenvalue assignment problem arising in active vibration control. A distinguished feature of this new approach is that the objective function is composed of only the system and the closed-loop feedback matrices. It does not need an explicit knowledge of the eigenvalues and eigenvectors. Furthermore, the approach is applicable to both the state-feedback and derivative feedback designs. These features make the approach viable to design an active vibration controller for practical applications to large real-life structures. A comparative study with existing algorithms and a study on the transient response of a real-life system demonstrate the effectiveness, superiority, and competitiveness of the proposed approach.

Este trabalho apresenta o estudo da efetividade de barreiras de amortecimento para atenuar a vibração causada pela propagação de ondas sísmicas oriundas de detonações. A barreira consta de uma porção do terreno cujas características de propagação são modificadas artificialmente pela detonação de uma linha de furos com parâmetros idênticos aos dos furos de produção. Os resultados obtidos demonstram a efetividade deste recurso, evidenciado pelo coeficiente de redução entre os valores de vibração gerados em situações com e sem o uso de barreira (0,41) e também através da mudança dos coeficientes da equação de previsão via Distância Escalonada, possibilitando em escala de produção o aumento na carga máxima por tempo de retardo ( 4,9 % à 118,9% ), com redução de custos devido ao menor consumo de retardos por furo ( -5,7 % à - 40,7 % ). This work shows a study of damping screens effectiveness to attenuate the vibration caused by blast seismic waves. The screen is a portion of the ground which propagation characteristics are artificially changed by one row of blasted holes with the same parameters of the production holes. The achieved results schow the effectiveness, evidenced for the reduction coeficcients between vibration levels generated in situations with and without screens (-41 %) and also by the change of the scaled distance equation coefficients, allowing in production activity the maximum charge per delay increase (4,9 % à 118,9%), with cost reduction due the lower delay per hole consume (-5,7 % à -40,7 %).