Estudo de uma plataforma vibratória destinada à realização de ensaios laboratoriais

ESTUDO DE UMA PLATAFORMA VIBRATÓRIA DESTINADA À REALIZAÇÃO DE ENSAIOS LABORATORIAIS NUNO ANDRÉ SOARES PEREIRA Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM ESTRUTURAS Orientador: Professor Doutor Carlos Manuel Ramos Moutinho JULHO DE 2015 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2014/2015 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446 * m[email protected] Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440 * [email protected] ü http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2014/2015 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2015. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais Aos meus Pais e Avós If you can dream it, you can do it Walt Disney Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais i AGRADECIMENTOS Ao fim de cinco anos de muito trabalho, dá-se por concluído um ciclo de estudos de grande importância para a vida profissional que aí vem. Muitas foram as pessoas importantes ao longo destes anos de vida universitária e todas elas merecem uma palavra de agradecimento. Primariamente, aos responsáveis principais por me permitirem estar onde estou, os meus pais, pelo apoio constante em todas as vertentes da minha vida e pelos valores que me transmitiram e que fizeram de mim o homem que sou hoje. Um agradecimento muito especial aos meus segundos pais, os meus avós, por todos os momentos passados com eles e pelas lições de vida que me passaram, só possíveis pela experiência de vida de ambos. Agradeço a todos os amigos que ficaram desde os primeiros anos de faculdade até esta etapa. Todas as aventuras vividas, as boémias, as horas de estudo, etc. Estão dentro de mim guardados grandes momentos que permanecerão para o resto da vida. Um agradecimento a todos os professores que contribuíram para a minha formação ao longo de todos os ciclos de estudo, permitindo-me ter chegado a este patamar. A todos os professores desta faculdade que contribuíram de forma direta ou indireta para que um mínimo de conhecimento pudesse ser embebido por mim e que foi cimentando as minhas capacidades. De salientar a importância maior do orientador da presente dissertação, o professor Doutor Carlos Moutinho. A ele, um muito obrigado por todo o tempo despendido no acompanhamento desta dissertação de modo a esta estar o mais completa possível e por todos os novos conhecimentos que me transmitiu ao longo deste semestre. A todos, o meu Obrigado. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais ii Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais iii RESUMO Esta dissertação aborda essencialmente a análise de uma plataforma vibratória de modo a simular a ação provocada por sismos em estruturas. Para as análises efetuadas, foram consideradas estruturas porticadas constituídas por perfis metálicos. Inicialmente, o trabalho foca-se na análise de uma variedade de mesas sísmicas a nível nacional e internacional, obtendo as características essenciais de cada uma, servindo de base para as análises posteriores. Após este estudo introdutório, é feito um estudo das frequências naturais do conjunto de estruturas abordadas, às quais se fazem variar a massa do patamar e dimensões dos perfis, obtendo uma gama variada de frequências naturais do 1º modo de vibração. A análise seguinte aborda o estudo dos deslocamentos dos pisos de cada plataforma, com o objetivo de obter as forças elásticas dos pisos de modo a ser possível retirar as forças basais. Para tal, são utilizados o método modal com recurso a espectros de resposta e a formulação de espaço de estado. A partir daqui obtêm-se os resultados essenciais para caracterizar a componente atuadora de uma plataforma sísmica, tais como a força máxima a atuar na mesa e os valores máximos de deslocamento, velocidade e aceleração permitida à mesa. PALAVRAS-CHAVE: plataforma vibratória, Eurocódigo 8, resposta sísmica, ação sísmica, pórticos metálicos Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais iv Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais v ABSTRACT This thesis focuses on the analysis of a shaking table, built to simulate the structural response caused by earthquakes. For the analyses, frame structures consisting of metal profiles were considered. Initially, the work contains a small study of diverse shaking tables situated around the world, obtaining their essential features to complement the further analysis. After this point, one studies the natural frequencies of the estimated structures, to which vary the dimensions of the profiles and the amount of mass situated at the diverse floors of the structure, obtaining a wide range of first mode vibration frequencies, which already gives some feedback of what kind of structures may be tested in that shaking table. The following analysis focuses on the study of diverse floor displacement for each structure, so as to calculate baseline forces resulting from this movements. To achieve this objective, different methods are used to calculate this forces, such as the state-space representation and modal analysis. From this point on, it is possible to obtain the features that are able to describe the actuating component of a shaking table, such as the maximum force cause by the actuators and the maximum displacement, velocity and acceleration allowed on the table. KEYWORDS: shaking table, Eurocode 8, seismic response, seismic forces, metallic building frames Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais xii Figura 26 – Sobreposição dos gráficos dos dois métodos para deslocamento do piso “rígido” .......... 46 Figura 27 – Sobreposição dos gráficos dos dois métodos para deslocamentos do piso “flexível” ...... 46 Figura 28 – Distribuição geográfica das Zonas Sísmicas em Portugal Continental............................ 48 Figura 29 – Forma de espectro de resposta elástica ...................................................................... 49 Figura 30 – Espectro de resposta de uma ação sísmica Tipo 1 ....................................................... 58 Figura 31 – Espectro de resposta de uma ação sísmica Tipo 2 ....................................................... 58 Figura 32 – Forças basais para estruturas de um piso para uma ação sísmica tipo 1 segundo FEE .. 60 Figura 33 – Forças basais para estruturas de um piso para uma ação sísmica tipo 2 segundo FEE .. 60 Figura 34 – Forças basais para estruturas de dois pisos para uma ação sísmica tipo 1 segundo FEE ............................................................................................................................................ 61 Figura 35 – Forças basais para estruturas de dois pisos para uma ação sísmica tipo 2 segundo FEE ............................................................................................................................................ 61 Figura 36 – Forças basais para estruturas de um piso para uma ação sísmica tipo 1 segundo uma análise espectral .......................................................................................................................... 63 Figura 37 – Forças basais para estruturas de um piso para uma ação sísmica tipo 2 segundo uma análise espectral .......................................................................................................................... 63 Figura 38 – Forças basais para estruturas de dois pisos para uma ação sísmica tipo 1 segundo uma análise espectral .......................................................................................................................... 64 Figura 39 – Forças basais para estruturas de dois pisos para uma ação sísmica tipo 2 segundo uma análise espectral .......................................................................................................................... 64 Figura 40 – Exemplo de um acelerograma de ação sísmica tipo ..................................................... 66 Figura 41 – Gráfico das velocidades obtido através de acelerograma de ação sísmica tipo 1............ 67 Figura 42 – Gráfico dos deslocamentos obtido através de acelerograma de ação sísmica tipo 1 ....... 67 Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais xiii ÍNDICE DE QUADROS Quadro 1 - Especificidades da plataforma sísmica triaxial do LNEC.................................................. 4 Quadro 2 - Especificidades da plataforma vibratória do laboratório NIED E-Defense ......................... 5 Quadro 3 - Especificidades da plataforma vibratória de alta performance da EUCENTRE .................. 6 Quadro 1 - Especificidades da plataforma vibratória da NEES - UCSD ............................................. 7 Quadro 5 - Perfis metálicos e respetivos momentos de inércia ........................................................15 Quadro 6 - Acelerações máximas de projeto de referência para cada zona sísmica..........................48 Quadro 7 - Coeficientes de Importância (γI)....................................................................................50 Quadro 8 - Parâmetros S, TB, TC e TD para cada tipo de terreno e ação sísmica...............................51 Quadro 9 - Massas modais efetivas e percentagens em relação à massa total .................................52 Quadro 10 - Coeficientes utilizados no cálculo de acelerações espectrais ........................................54 Quadro 11 - Aceleração espectral elástica e coordenadas modais...................................................54 Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais xiv Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais xv SÍMBOLOS, ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS - matriz de amortecimento da estrutura [t/s] ! - matriz de massa da estrutura [t] " - matriz de rigidez da estrutura [kN/m] # – amortecimento generalizado para o modo $ [t/s] !# – massa generalizada para o modo $ [t] % – momento de inércia [cm4] & - aceleração gravítica [m/s2] ' - massa de cada piso [t] (# – frequência angular do modo $ [rad/s] ()* - frequência amortecida [rad/s] + – frequência de vibração [Hz] , – matriz dos modos de vibração ,# – modo de vibração $ - - matriz diagonal de amortecimentos generalizados !- - matriz diagonal de massas generalizadas ./01 – vetor de estado 2/01 – vetor de entrada 3/01 – vetor de saída 4 – matriz de estado 5 – matriz de entrada – matriz de saída 627 – variação dos deslocamentos 6287 – variação das velocidades 6297 – variação das acelerações 6:7 – variação das forças exteriores + ; – força elástica < – período de vibração =;/<1 – aceleração espectral elástica > – fator de correção do amortecimento ?@ – coeficiente de importância da estrutura = – fator do terreno Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais xvi ! – fator modal de excitação sísmica para o modo de vibração " #$% – aceleração de pico de referência #$ – aceleração de projeto em rocha &! – coordenada modal '! – deslocamento modal DEC - Departamento de Engenharia Civil FEUP – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto PaP - Passo-a-Passo gdl - grau de liberdade EC8 – Eurocódigo 8 Fig. - Figura Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 1 1 INTRODUÇÃO 1.1. ENQUADRAMENTO DO PROBLEMA EM ANÁLISE As plataformas vibratórias, também conhecidas como mesas sísmicas, são equipamentos utilizados em laboratórios de engenharia civil com o objetivo de analisar o comportamento de certos materiais, estruturas ou edifícios (no caso de mesas sísmicas de grande dimensão) quando sujeitos a ações basais, geralmente ações sísmicas. A origem desta dissertação advém essencialmente da necessidade de adquirir uma plataforma vibratória para colocação no Laboratório de Estruturas do DEC, na FEUP. Já existem plataformas vibratórias na faculdade, no entanto estas possuem dimensões reduzidas (só permitindo análises a modelos de pequena escala) e são limitadas no número de graus de liberdade admitidos. Devido a esse facto, houve a necessidade de implementar um equipamento laboratorial de dimensões superiores capaz de simular estruturas também elas maiores do que as testadas até então nas plataformas de menor dimensão. Prevêse que as estruturas futuramente estudadas sejam estruturas porticadas com recurso a dispositivos de controlo (amortecedores, etc.). De modo a poder implementar este equipamento, existe a necessidade de calcular certos parâmetros, entre os quais, as forças basais a exercer na mesa, os limites de deslocamento, velocidade e aceleração permitidos à mesa, tudo isto dependente de condições externas tais como o espaço disponível em laboratório. 1.2. OBJETIVOS DESTE ESTUDO O objetivo principal desta dissertação é fornecer dados concretos das estruturas que possam ser analisadas na plataforma a ser desenvolvida, e obter, através de simulações numéricas, informações suficientes para a caracterização do sistema atuador a ser implementado na mesa sísmica. Este estudo incide na análise de estruturas porticadas de um e dois pisos, considerando estes como rígidos ou flexíveis (módulo de elasticidade variável), com o objetivo inicial de retirar as frequências naturais do 1º modo de vibração da respetiva estrutura de modo a ter uma ideia das possíveis estruturas a ser montadas e testadas na mesa. Os resultados obtidos para as frequências serão ainda uteis em capítulos posteriores. No que diz respeito às características do sistema atuador, o objetivo passa, para além da já referida obtenção dos valores, por comprovar que os métodos utilizados para o cálculo destes são viáveis, apresentando várias alternativas de cálculo que comprovam os diversos valores. Outro objetivo muito importante desta dissertação é tentar provar a utilidade dos espectros de resposta elásticos no cálculo da resposta sísmica das estruturas estudadas, contrapondo esta análise com uma idêntica realizada através Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 2 da Formulação de Espaço de Estado, e tentar provar que a simplicidade do método modal com recurso a espectros pode, mesmo assim, dar resultados muito aceitáveis quando comparado com o outro método já referido. Ainda relacionado com as forças a aplicar pelo atuador, é ainda feita uma análise com o objetivo de esclarecer qual a contribuição da massa da mesa para o valor final das forças a aplicar. 1.3. ORGANIZAÇÃO DA TESE A presente tese inicia-se com o estado da arte desenvolvido nesta área das plataformas vibratórias, anotando-se os detalhes essenciais para o funcionamento destas, nomeadamente o tipo de sistema atuador, o número de graus de liberdade que a mesa possui e o conjunto de valores máximos das forças, acelerações, velocidades e deslocamentos reproduzidos no corpo através do sistema atuador. No capítulo seguinte, são apresentadas a plataforma sísmica e as estruturas tipicamente estudadas nesta. São explicadas as características, dimensões e número de graus de liberdade da plataforma idealizada. A análise aos pórticos estudados é caracterizada pelo tipo de perfis utilizados, massa dos patamares, número de pisos e pelo cálculo das frequências do 1º modo de vibração para cada combinação de estruturas. Através desta análise das frequências é possível ficar a perceber quais as estruturas capazes de ser analisadas “sismicamente” na plataforma. O capítulo seguinte aborda novamente as estruturas estudadas anteriormente e retira, através de métodos passo-a-passo, os deslocamentos dos pisos de cada estrutura de modo a ser possível calcular, indiretamente, as forças basais da estrutura, representando estas as forças a aplicar pelo sistema atuador à mesa. São ainda calculados os deslocamentos a partir dos espectros de resposta obtidos segundo o Eurocódigo 8. No último capítulo de desenvolvimento, é essencialmente feito o cálculo dos parâmetros caracterizadores do sistema de atuação, abordando as forças do atuador e aceleração, velocidade e deslocamento máximos necessários para a simulação do sismo por parte da plataforma. No final da dissertação, são expostas as conclusões do estudo efetuado. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 3 2 PLATAFORMAS VIBRATÓRIAS E SISTEMAS DE ATUAÇÃO 2.1. INTRODUÇÃO As plataformas vibratórias (também chamadas de mesas sísmicas) são muito utilizadas para simulação do comportamento de estruturas quando solicitadas por ações sísmicas. Existem com diversas especificidades e dimensões, sendo estes fatores determinantes para a escolha das estruturas e estudos que podem ser levados a cabo nessas plataformas. Essencialmente são constituídas por três componentes principais: corpo, sistema de guiamento e sistema atuador. O corpo é a estrutura principal sobre a qual vai ser colocado o espécime a analisar. O sistema atuador é, como o nome indica, responsável por transmitir forças ao corpo através de atuadores de modo a criar o movimento necessário (abordado mais adiante neste capítulo). Por fim, o sistema de guiamento é todo o mecanismo que garante que a ação imposta pelos atuadores ao corpo traduzem exatamente o movimento previsto inicialmente, evitando efeitos extra como rotações indesejadas. Ainda neste capítulo são apresentadas algumas plataformas vibratórias e suas componentes, bem como as características relevantes para o trabalho efetuado. É também importante abordar o tópico de sistemas de atuação de uma plataforma sísmica, o seu funcionamento e quais os critérios que influenciam a escolha de atuadores no dimensionamento da mesa sísmica. 2.2. PLATAFORMAS VIBRATÓRIAS NACIONAIS 2.2.1. PLATAFORMA SÍSMICA TRIAXIAL DO LNEC A nível nacional, a plataforma mais conhecida encontra-se no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), em Lisboa. Outrora a maior da Europa, esta mesa sísmica triaxial (eixos ortogonais entre si: longitudinal, transversal e vertical) é constituída por um prisma triangular (corpo) que contém uma área útil de 4,6x5,6 m2 onde são fixados os modelos estruturais para análise. No sistema de guiamento foram integrados dispositivos mecânicos capazes de eliminar as rotações indesejadas dos três restantes graus de liberdade teoricamente não permitidos pela plataforma, mas que poderão mesmo assim ocorrer quando aplicadas as forças nos atuadores. Esta solução é contemplada na figura 1, sendo conseguida adaptando bielas a um tubo com elevada resistência à torção. Esta abordagem é considerada passiva, uma vez que não existem quaisquer dispêndios de energia acrescidos, ao contrário do que é mais comum noutras plataformas, em que são utilizados um maior número de atuadores, que levam a um maior consumo de energia. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 4 Fig. 1– Representação das ações no sistema de guiamento [8] Qualquer binário instalado nas bielas devido a uma rotação imposta na base da plataforma é anulada devido ao binário de reação que é criado pela barra de torção. O sistema atuador é composto por atuadores óleo-hidráulicos e sistemas de controlo que monitorizam o movimento destes. A plataforma está conectada a quatro cilindros hidráulicos: um atuador para o eixo longitudinal, tendo capacidade de atuação de 1000 kN, um outro para o eixo vertical, com capacidade de 300 kN, e ainda dois atuadores na direção transversal, em funcionamento “push-pull”, isto é, quando um “puxa”, o outro “empurra”, também com 300 kN de capacidade. No quadro seguinte, estão descritas outras especificidades técnicas desta plataforma: Quadro 2 – Especificidades da plataforma sísmica triaxial do LNEC [13] A [m2 ] M [t] Graus de Liberdade Deslocamentos / velocidades / acelerações Frequência Máxima [Hz] X Y Z 5, 6x4,6 40 3 145 mm 145 mm 145 mm 0,1 – 40,0 0,42 a 0,74 m/s 0,70 a 1,21 m/s 0,42 a 0,73 m/s 25 m/s 2 15 m/s 2 7,5 m/s 2 Na seguinte figura, podemos identificar os sistemas de guiamento e atuador conectados ao corpo da plataforma: Fig. 2 – Vista em perspetiva da plataforma vibratória triaxial do LNEC [8] Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 5 2.3. PLATAFORMAS VIBRATÓRIAS INTERNACIONAIS 2.3.1. NIED “E-DEFENSE” LABORATORY Este laboratório fica situado no Japão, um dos países mais desenvolvidos no campo da engenharia sísmica a nível mundial, muito devido ao facto de o país se encontrar situado na junção de quatro placas tectónicas, sendo este facto responsável por inúmeros desastres naturais no país. Altamente classificado para qualquer tipo de estudo nesta área tecnológica, o laboratório contém a maior plataforma sísmica do mundo, capaz de executar simulações em estruturas de edifícios à escala real. A plataforma base tem 20x15 m2 de área, aguentando com um total de 1200 t de massa do espécime em estudo. Fig. 3 – Vista da plataforma com pormenores do corpo e sistema de atuação [12] O sistema de atuação é constituído por atuadores electro-hidráulicos servo-controlados, contendo 10 atuadores horizontais (5 em cada uma das direções longitudinal e transversal) e 14 atuadores verticais. Estes atuadores possuem uma particularidade interessante: uma vez que há a ocorrência de movimentos nas três dimensões, a secção posterior aos atuadores é constituída por bielas com rótulas nas extremidades que permitem rotações nas várias direções simultaneamente. No quadro seguinte, são expostas as especificidades da mesa sísmica em análise. Quadro 3 – Especificidades da plataforma vibratória do laboratório NIED E-Defense [12] A [m2 ] M [t] Graus de Liberdade Deslocamentos / velocidades / acelerações Frequência Máxima [Hz] X Y Z 20x15 1200 6 1,0 m 1,0 m 0,5 m 15 2,0 m/s 2,0 m/s 0,7 m/s >9,0 m/s2 >9,0 m/s2 >15,0 m/s2 Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 12 Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 13 3 CARACTERIZAÇÃO DA PLATAFORMA VIBRATÓRIA E DOS MODELOS 3.1. INTRODUÇÃO Como foi visto no capítulo anterior, cada plataforma vibratória tem características muito diferentes, variando desde o corpo até ao sistema de atuação. Estas características são dependentes de inúmeros fatores como o ambiente em que a plataforma se insere e o espaço disponível neste, o tipo de estruturas a estudar e as massas destas, o número de graus de liberdade da plataforma, entre outros. Neste capítulo, é feita uma breve análise superficial às características “físicas” que compõem a plataforma vibratória que se pretende construir no Laboratório de Estruturas da FEUP, uma vez que não é esse o aspeto central desta dissertação. É ainda realizado um estudo à dinâmica das estruturas que poderão ser analisadas na plataforma, abordando as suas matrizes de massa e rigidez, com o objetivo principal de obter as frequências naturais das estruturas de modo a ter uma base de dados para a escolha de estruturas a estudar na plataforma. 3.2. CARACTERÍSTICAS DA PLATAFORMA SÍSMICA 3.2.1. LOCALIZAÇÃO E CONDICIONANTES O dimensionamento da plataforma vibratória tem como primeira limitação a determinação da ancoragem das fixações presentes no laboratório, uma vez que estas se situam entre si a uma distância de 1m, condicionando as escolhas de localização e dimensão da plataforma. Por outro lado, as limitações em altura determinam que o conjunto “plataforma + estrutura” seja inferior a 5m. Dada a presença de outras maquinarias no espaço em volta, concluiu-se que a plataforma deveria ser afixada numa área de 2x2 m2, fazendo com que a mesa tenha dimensões consideráveis e seja permitido o estudo de estruturas com alturas na ordem dos 4 m. 3.2.2. DIMENSÕES DA MESA Definidas as fixações de 2 em 2 metros, inicia-se o dimensionamento da mesa, assumindo que as fixações delimitam a estrutura base do corpo da mesa. Tendo em conta as distâncias entre os apoios fixadores, desde logo se prevê que a plataforma terá de ter mais de 2 metros de largura e comprimento de modo a acomodar de forma correta as estruturas a serem analisadas. Além da medida extra para a base superficial do corpo da mesa, é ainda necessário acomodar o deslocamento máximo causado pelos atuadores e dimensionar os apoios deslizantes que possam exercer esse deslocamento. Para que seja Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 14 possível atribuir dimensões à mesa, assume-se que o curso máximo do corpo da mesa não ultrapassa os 0,2m para cada lado. Tendo isto em conta, chegou-se à conclusão de que a plataforma vibratória deveria ter 3,0x3,0 m2 de dimensão em planta. Após se ter uma ideia da estrutura da plataforma, considerou-se que esta deveria ter uma massa mobilizada a rondar os 1000 kg. Este valor será importante mais adiante na dissertação, quando for necessário considerar a massa da mesa na ação imposta pelos atuadores a esta. 3.2.3. GRAUS DE LIBERDADE DA PLATAFORMA A plataforma vibratória funciona segundo dois graus de liberdade (ambos horizontais) ortogonais entre si. Tendo em conta que as forças principais que atuam em caso de sismo são forças horizontais, concluiuse que não seria justificável fazer um investimento superior e apostar num sistema de atuação mais sofisticado uma vez que não existe intenção em estudar possíveis deslocamentos verticais ou momentos derrubadores. Cada grau de liberdade tem um atuador associado de modo a causar deslocamentos lineares nessa direção. Tendo em conta que a plataforma tem formato quadrangular e possui liberdade de movimento nas duas direções horizontais, os testes executados d’ora em diante são aplicáveis a qualquer destas direções. O modo como a plataforma é construída permite ainda efetuar estudos nas duas direções em simultâneo. 3.3. ANÁLISE AOS PÓRTICOS Os tipos de estrutura alvos de estudo nesta plataforma sísmica são pórticos de um e dois pisos, como os que estão representados na figura 10. A escolha de estruturas a estudar foi resumida a estes dois tipos de pórtico devido às condições espaciais do laboratório, à necessidade de analisar estruturas com diferentes números de pisos e por a maior parte das estruturas de engenharia civil serem genericamente pórticos. Estes são constituídos por quatro perfis metálicos verticais conectados entre si por vigas, onde é colocado uma laje de massa a definir. Fig. 10 – Pórticos de um e dois pisos alvos de estudo Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 15 A massa de cada piso é atribuída às vigas respetivas, uma vez que não está a ser considerada a existência “física” de lajes sobre as vigas. Considerando lajes e sua rigidez, a análise proposta seria de difícil execução, uma vez que o valor real da rigidez do piso estaria situada entre o valor da rigidez da viga flexível e o valor de uma viga de rigidez infinita. Também por isso, ao longo desta dissertação, são considerados os dois casos, para abranger os resultados obtidos e tornar a análise mais real. Como tal, para estudar as frequências naturais destas estruturas, foi criado um programa em Matlab [9] que devolve os valores das frequências do 1º modo de vibração de pórticos com 2 m de largura, comprimento e altura (por piso) fazendo uma combinação entre os vários perfis e massas dos pisos. Esta verificação além de ser útil para ter uma ideia das frequências das estruturas-tipo a ser analisadas na plataforma, é ainda utilizada para verificar se as matrizes de rigidez e massa calculadas estão corretas, comparando-as com respetivas matrizes de pórticos com apenas um grau de liberdade por piso e viga com rigidez infinita, com o objetivo de proceder ao estudo dos capítulos 4 e 5 de modo fiável. No entanto, para uma análise mais completa a cada pórtico, foram considerados mais do que um grau de liberdade por piso. Com estes graus de liberdade por piso, é possível fazer um estudo mais minucioso das frequências naturais da estrutura, assumindo que a viga não tem rigidez infinita. No entanto, é importante referir que a frequência real da estrutura se situará entre dois valores dependentes da rigidez da viga, um valor máximo quando a viga é infinitamente rígida e outro valor mínimo quando esta tem a rigidez equivalente à dos pilares. Para as simulações executadas, foram utilizadas massas de 1 a 10 t em intervalos de 0,5 t, dando um total de 19 valores diferentes. Isto quer dizer que a plataforma pode aguentar até 20 t, se tivermos em conta os pórticos de dois pisos. Para este estudo foram considerados dois tipos de perfis metálicos distintos: Tubos metálicos quadrados de secção oca (Celsius® 355 Hot Finished Square Hollow Sections, vulgo SHS) e perfis HEB. No seguinte quadro encontram-se os modelos utilizados e os seus momentos de inércia, relevantes para o estudo efetuado. Quadro 6 – Perfis metálicos e respetivos momentos de inércia SHS HEB Modelo I [cm 4 ] Modelo Iy [cm 4 ] Iz [cm 4 ] 1 100x100x6,3 336 100 449,5 167,3 2 120x120x6,3 603 120 864,4 317,5 3 140x140x8,0 1195 140 1509 549,7 4 150x150x8,0 1491 160 2492 889,2 5 160x160x8,0 1831 180 3831 1363 6 180x180x10,0 3196 200 5696 2003 7 200x200x10,0 4471 - - - Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 16 3.3.1. PÓRTICOS DE 1 PISO Como referenciado anteriormente, para uma análise mais realista dos pórticos, foi considerado essencial assumir um número maior de graus de liberdade por piso, sendo o gdl 1 o deslocamento do piso, o gdl 2 a rotação presente no nó 1 e o gdl 3 a rotação no nó 2. Fig. 11 - Pórtico de um piso e respetivos graus de liberdade 3.3.1.1. CÁLCULO DAS MATRIZES DE RIGIDEZ E MASSA A matriz de rigidez do pórtico de um piso com 3 graus de liberdade e com as dimensões anteriormente descritas é a seguinte !"#$%&=2×'3() 1,5() 1,5() 1,5() 4() () 1,5() () 4()*"+-/. Em que (=200"678 é o módulo de elasticidade do aço. A matriz principal é multiplicada por 2 devido aos dois pórticos que constituem a estrutura numa só direção. Com base em [4], considerando que a massa está concentrada apenas nas vigas e que a massa nos pilares é nula, a matriz de massa do pórtico de um piso com 3 graus de liberdade é dada por 9!"#$%& = : ; < ; > . 0 0 0?. 210 @. 35 0 @. 35 ?. 210 A ; B ; C "D Para esta análise, não foi considerada a presença de amortecimento na estrutura pois o valor a ser utilizado (5%) não é um valor que interfira de forma relevante com a frequência. Outra razão é o facto de o amortecimento não ser necessário para a confirmação dos valores das matrizes de massa e rigidez. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 17 3.3.1.2. VERIFICAÇÃO DE CÁLCULO Para verificar que as matrizes de rigidez e massa estão bem formuladas, basta modificar os valores das células da matriz de rigidez que são afetadas pela rigidez da viga, aumentando o momento de inércia desta para um valor muito superior, mais facilmente igualando Iv = 1, e comparar o valor da frequência do 1º modo de vibração com a frequência obtida através da equação (3). =!" # (3) Com Iv = 1, está-se a assumir que a viga é rígida, podendo-se comparar com um sistema de um grau de liberdade. Caso contrário, pretendendo-se considerar vigas flexíveis, estas devem ter um valor de inércia conforme o perfil adotado. Como exemplo, adotando o perfil SHS 100x100x6,3 e um patamar com massa de 10 t, tem-se: $=%4032 2016 2016 2016 800002688 400000000 2016 400000000 800002688&'"(/# )=%10 0 0 0 0,3810 *0,2857 0 *0,2857 0,3810&'+ -=.01 *)9:×$ *)9:×;< (4) >= ? @ A @ B *C:× :± D:E *CF× F± DFE G *CH9:× H9:± DH9:E *CH× H± DHE (5) Em que: I= ×D= ×J1*CF (6) Utilizando a Matriz de Estado A (4) – abordada no capítulo 4 – e assumindo C = 0, matriz de amortecimento 3x3, retira-se então a frequência natural do 1º modo de vibração, sendo este o menor valor das componentes complexas do vetor próprio de A (5), com n pares conjugados, num total de 2n valores próprios. Como se pode verificar, a componente imaginária dos valores próprios é constituída Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 18 pela frequência amortecida do modo n, sendo este valor igual à frequência ω quando não se considera amortecimento na estrutura. = ! " ! # 0+112249,85$ 0%112249,85$ 0+20,08$ 0%20,08$ 0+24494,98$ 0%24494,98$ O menor valor próprio retirado do vetor é &=20,0798'()*/-. Calculando a frequência “hertziana”, esta é igual a .=3,1958'6:. Verificando agora a estrutura de piso “rígido”, através de (3), e assumindo que a rigidez da estrutura que influencia a frequência advém dos quatro pilares. ;=4×12×<×> 2?=4032';@/A &=B4032 10 =20,0798'()*/- .=20,0798 2C =3,1958'6: Verifica-se assim que o cálculo das matrizes de massa e rigidez para o pórtico de um piso está correto. 3.3.1.3. CÁLCULO DAS FREQUÊNCIAS O cálculo das frequências vai ser semelhante ao executado em 3.3.1.2, com a diferença de atribuirmos uma rigidez à viga igual à dos pilares, podendo analisar as frequências de um modo mais realista, uma vez que pisos com rigidez infinita não existem, embora possam ter um comportamento muito semelhante. Com estes resultados, executando todas as combinações possíveis de massas e inércias, são obtidos gráficos de barras 3D, retirados do Matlab [9], permitindo observar os graus de grandeza de cada combinação. Os gráficos apresentados de seguida são constituídos por três eixos: o eixo X contém seis (no caso de perfis HEB) ou sete valores (no caso de perfis SHS) estando a legenda do eixo diretamente relacionada com os números dos perfis presentes no Quadro 5; o eixo Y contém os dezanove valores das massas possíveis para cada patamar, em ordem crescente de 0,5 em 0,5 t, iniciando em 1 t até 10 t; o eixo Z contém o valor das frequências do 1º modo de vibração relativo à combinação de valores de X e Y. Os valores das frequências encontram-se tabelados no Anexo 1. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 19 É necessário ter em conta que não foram efetuados quaisquer cálculos de viabilidade estrutural às combinações anteriores, podendo estas não ser realistas nem aptas para testes no equipamento laboratorial a desenvolver. No entanto, o objetivo principal é catalogar a gama de frequências que se obtêm destas combinações, de modo a facilitar a escolha posterior das estruturas a serem alvo de estudos na plataforma sísmica. Fig. 12 – Frequências naturais do 1º modo para perfis SHS (Pórtico 1) Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 20 Fig. 13 – Frequências do 1º modo para perfis HEB com momento de inércia segundo Y (Pórtico 1) Fig. 14 - Frequências do 1º modo para perfis HEB com momento de inércia segundo Z (Pórtico 1) Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 21 3.3.2. PÓRTICOS DE 2 PISOS No caso de pórticos de dois pisos, existem seis graus de liberdade a avaliar, novamente três por piso. Os três primeiros graus de liberdade são idênticos aos do pórtico de um piso, sendo o gdl 4 relativo ao deslocamento do piso 2, o gdl 5 referente à rotação do nó 3 e o gdl 6 a rotação do nó 4. Fig. 15 – Pórtico de dois pisos e respetivos graus de liberdade De novo, é ainda avaliada a frequência natural do 1º modo de vibração da estrutura e compara-se com o valor obtido através da análise executada para um grau de liberdade por piso para a mesma estrutura. 3.3.2.1. CÁLCULO DAS MATRIZES DE RIGIDEZ E MASSA A matriz de rigidez da estrutura, havendo agora seis graus de liberdade, será uma matriz 6x6. Para as dimensões esboçadas na Fig. 9, a matriz é a seguinte: !"#$%&% = ' ( ( ( ( ) 6*+ 3*+ 3*+ 3*+ 6*+ *+ 3*+ *+ 6*+ ,3*+ ,1-5*+ ,1-5*+ ,1-5*+ *+ 0 ,1-5*+ 0 *+ ,3*+ ,1-5*+ ,1-5*+ ,1-5*+ *+ 0 ,1-5*+ 0 *+ 3*+ 1-5*+ 1-5*+ 1-5*+ 4*+ *+ 1-5*+ *+ 4*+ . / / / / 2 A matriz de massa será idêntica à do caso de um pórtico de um piso devido à massa dos pilares não ser considerada, fazendo com que a interação piso a piso não exista [4]. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 28 Fig. 19 – Representação das forças de inércia causadas pela aceleração na base da estrutura As forças de inércia são aplicadas no sentido contrário ao da aceleração de base, resultando na multiplicação do valor simétrico da massa do piso pela aceleração basal. Estas forças resultantes terão valores diferentes a cada instante por estarem dependentes da variação de aceleração na base da estrutura. Para executar o cálculo dos deslocamentos por piso, estas forças são utilizadas como variáveis de entrada. 4.3. FORMULAÇÃO ESPAÇO DE ESTADO 4.3.1. OBTENÇÃO DA MATRIZ DE AMORTECIMENTO Antes de se poder proceder ao cálculo através da formulação espaço-estado, é necessário definir a matriz de amortecimento da estrutura. Uma vez que todas as estruturas são constituídas por materiais que ao longo do tempo tendem a amortecer os movimentos nelas causados, é necessário ter em conta o amortecimento natural presente na estrutura. De modo a que as análises efetuadas de agora em diante sejam corretas, é necessário então a introdução de uma matriz de amortecimento cujo cálculo será exposto após esta breve introdução. As estruturas porticadas analisadas anteriormente são constituídas por perfis metálicos, cuja constituição é essencialmente aço. Normalmente para as estruturas constituídas por este tipo de material, é considerado um coeficiente de amortecimento de 1%. No entanto, devido ao facto de um dos objetivos da plataforma sísmica ser estudar estruturas com o auxílio de dispositivos de controlo (amortecedores viscosos, etc.), cujos coeficientes de amortecimento podem chegar a valores elevados na ordem dos 20/30%, para as estruturas estudadas, foram considerados coeficientes ligeiramente superiores aos considerados normais em estruturas metálicas, com o valor de 5%. Os pórticos analisados têm mecanismos de amortecimento similares ao longo da estrutura, sendo ideal neste caso considerar correta a obtenção de uma matriz de amortecimento clássica. O método utilizado para obter a matriz de Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 29 amortecimento da estrutura é a formulação por Sobreposição das Matrizes de Amortecimento Modais [1]. Obtidos os coeficientes de amortecimento modais (todos eles iguais a 5%), pode-se assumir !" = !# (9) Em que C* é uma matriz diagonal com n elementos diagonais com a seguinte forma !$= %$× (2 × &$'$) (10) !#= * + + + , !-0 0 !./ 0 1 3 1 0/!$40 0 !$ 5 6 6 6 7 (11) Mn e ωn são, respetivamente, a massa generalizada e a frequência amortecida para o modo n. Mn obtémse a partir da matriz diagonal M* &#= " &" (12) De modo a obter a matriz de amortecimento C, basta inverter a equação (9) isolando C e obtendo-se assim a matriz de amortecimento clássica ! = (" )4-!#"4- (13) Após a obtenção da matriz de amortecimento, é possível então proceder-se ao cálculo dos deslocamentos por piso utilizando o método da formulação de espaço de estado. 4.3.2. INTRODUÇÃO À FORMULAÇÃO DE ESPAÇO DE ESTADO Essencialmente, este método pode ser utilizado no cálculo de deslocamentos quando as forças exteriores que atuam na estrutura variam em intervalos discretos ao longo do tempo, como é o caso presente neste estudo, uma vez que a variação das forças sísmicas não é conhecida ao longo do tempo. É ainda muito utilizado em situações em que seja necessário obter diversos resultados para cada instante. Por exemplo, no caso em que é necessário interagir as forças elásticas no pórtico com as forças aplicadas à mesa de modo a obter um valor máximo “real” e não uma mera combinação quadrática dos dois máximos das forças (abordado mais adiante). Este método funciona passo a passo, isto é, existem variáveis no passo n que influenciam as variáveis no passo n+1, levando a que o processo esteja sempre dependente do passo anterior de modo a chegar a uma solução. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 30 Existem três tipos de variáveis nesta formulação: variáveis de entrada, de estado e de saída. As forças atuantes influenciam os valores das variáveis de entrada que, sabendo as variáveis de estado para o instante t0 = 0, é possível determinar a resposta de um sistema para qualquer instante t > t0, bastando saber os valores das variáveis de entrada durante esse intervalo de tempo. As variáveis de saída têm a ver com a possibilidade das variáveis de entrada ou estado estarem disponíveis ou não para serem medidas. Nos casos em que não há possibilidade de medir todos os estados ou entradas, a informação de comportamento do sistema é organizada através do vetor de saída y(t) [3]. O vetor u(t), designado por vetor de entrada, é constituído pelas variáveis de entrada do sistema, que representam as forças aplicadas a este. O vetor de estado x(t) é constituído pelas variáveis de estado, variáveis estas que podem ser representadas através de um ponto no chamado espaço de estado, de dimensão n cujos eixos estão em correspondência com as n variáveis de estado [3]. No caso de a estrutura ter n graus de liberdade, o vetor x(t) será um vetor de dimensão 2n compostas por n deslocamentos e n velocidades, referentes aos graus de liberdade implícitos. (!)= " # $ # % &(!) ' * (!) + & (!) ' +*(!) , # - # . (14) O vetor u(t) (não confundir com deslocamento) é um vetor constituído por m variáveis de entrada, estando m relacionado com o número de forças a atuar no sistema. (!)="#$(!) % #&(!)' (15) Embora não seja relevante para o caso em estudo, uma vez que se tem conhecimento de todos os estados e entradas no sistema, o vetor y(t) é também ele constituído por p variáveis de saída. *(!)=+*$(!) % *,(!)- (16) Para caracterizar a Formulação Espaço de Estado, são necessárias as matrizes de Estado (A) (4), de Entrada (B) e de saída (C). Importante referir a distinção que existe entre a matriz de saída e a matriz de amortecimento (ambas denominadas por C). .=/0 12$×34 (17) Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 31 A matriz J é uma matriz de localização de variáveis de entrada, sendo constituída por linhas referentes aos graus de liberdade da estrutura e por uma quantidade de colunas igual ao número de variáveis de entrada do sistema, podendo as células tomar valores de 0 e 1. O objetivo desta matriz é identificar em que graus de liberdade atuam as diversas variáveis de entrada. A matriz é essencialmente composta por valores nulos, sendo o valor unitário colocado nas células em que se pretende afirmar que a variável de entrada m atua no grau de liberdade n. Com isto, conclui-se que a matriz B é então constituída por 2n linhas e m colunas. O objetivo deste método é o cálculo dos deslocamentos de uma estrutura porticada através da formulação passo a passo, isto é, o cálculo da resposta em certo instante vai depender da resposta no instante anterior. A equação (18) respeita, como se vê, o dito anterior já que o vetor de estado no instante seguinte é dependente do instante anterior. (!+"!)=#× (!)+$×%(!) (18) Para iniciar a equação convém, no entanto, conhecer o estado inicial do sistema (normalmente em repouso). A matriz E é constituída por 2n x 2n células, em que n é o número de graus de liberdade, e é dependente da matriz de estado (A) e do intervalo de tempo Δt. A matriz G depende além da matriz de estado e do intervalo de tempo, também da matriz de entrada B. Essencialmente, esta matriz consiste na integração da matriz E entre 0 e Δt, em ordem ao intervalo de tempo, multiplicada pela matriz B [6]. #=&"'×* (19) $=,- # "' ./"!0×1=2345×&"'×*6. "' ×1=2345×7&"'×* 89: × ! =["#$ ×(% & ')] × ! (20) Em que I é a matriz identidade. 4.3.3. EXEMPLOS DE APLICAÇÃO Como exemplo de aplicação e de modo a obter resultados mais fiáveis quanto à possível resposta da estrutura segundo a Formulação Espaço de Estado, de seguida é feita uma análise à mesma estrutura utilizada no capítulo anterior – pórticos de um piso utilizando perfis SHS 100x100x6,3 e massa de 10 toneladas na laje – considerando duas hipóteses: viga rígida (% * +) e viga com rigidez igual à dos pilares. O intervalo de tempo com que se executa a análise é de 0,01 s. A análise é executada com recurso a software informático (Matlab) de modo a tornar o processo mais célere. Com recurso a dois programas de código concebidos pelo autor desta dissertação, consegue-se simular a resposta da estrutura para os dois casos anteriormente falados. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 32 4.3.3.1. AÇÃO A ATUAR NA BASE DA ESTRUTURA Para haver uma resposta da estrutura, é necessário ser-lhe exercida uma ação. A resposta a uma ação sísmica é de difícil interpretação dada a discrepância de valores que se verificam em curtos intervalos de tempo. Como tal, a análise comparativa dos dois tipos de estruturas é dificuldade elevada, optandose por exercer uma aceleração unitária em degrau com duração de 0,1 segundos a começar no instante ! = !0,1!". Apesar de a aceleração estar a atuar na base, só se pode retirar os seus efeitos se esta estiver a atuar no piso, sendo necessário multiplicar pelo valor simétrico da massa do piso de modo a obter a força a atuar neste. Fig. 20 – Gráfico da aceleração imposta na base da estrutura em análise 4.3.3.2. PÓRTICO COM UM GRAU DE LIBERDADE No caso da estrutura de piso “rígido”, foi só considerado um grau de liberdade – deslocamento horizontal do piso – tal como no anterior capítulo no cálculo das frequências. O cálculo da rigidez é simplesmente # = 4 × 12 × $ × % 2&= 4032!#'/( Em que = 200!"#$ é o módulo de elasticidade do aço e I é o momento de inércia do perfil SHS. Para calcular o valor do amortecimento da estrutura, basta calcular a frequência amortecida desta, seguido do cálculo do amortecimento através de uma expressão semelhante a (9) % = 2 × & × ' × ( (21) % = 2 × 0,05 × 20,055 × 10 = 20,055!)/* Sabido o amortecimento, calcula-se a matriz de Estado A, conforme (4), e a matriz de entrada B, como em (17): Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 33 =!0 1 "403,2 "2,0055# $=%0 1 &'=!0 0,1# Após os cálculos das matrizes de Estado e de entrada, calculam-se as matrizes E (19) e G (20) (=)*+×- =!0,9800 0,0098 "3,9651 0,9603# .=/0,0050 0,98347×10:; Agora, a partir da expressão (18) é possível iniciar o processo passo a passo de modo a obter a resposta do piso 1 da estrutura porticada. Com os estados obtidos a cada intervalo de tempo, é possível montar um gráfico dos deslocamentos do piso, selecionando o respetivo elemento do vetor de estado x(t) referente ao deslocamento pretendido Fig. 21 – Resposta do piso do pórtico “rígido” para a solicitação resultante da aceleração da fig. 19 Em que no eixo horizontal se situa o tempo (em s) e no eixo vertical se situa o deslocamento do piso (em m). Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 34 4.3.3.3. PÓRTICO COM TRÊS GRAUS DE LIBERDADE Quando se trata de uma estrutura porticada com três graus de liberdade como a retratada na fig. 10, as matrizes de rigidez, massa e amortecimento terão dimensões quadradas, de igual número aos graus de liberdade, 3x3. As matrizes de massa e rigidez serão calculadas através das matrizes presentes no capítulo 3.3.1.1, sendo novamente identificadas de seguida: =!4032 2016 2016 2016 5376 1344 2016 1344 5376"#$%/& '=!10 0 0 0 0,3810 (0,2857 0 (0,2857 0,3810"#) Para construir a matriz de amortecimento, utiliza-se o método exposto em 4.3.1. Numa primeira fase, recorre-se à matriz de Estado A 6x6 de modo a retirar uma matriz diagonal D de valores próprios e uma matriz V de vetores próprios cujas colunas são os correspondentes vetores próprios direitos, de modo que *×+=+×-. *= . 9 9 9 9 : 0 0 0 (403,2 (21168 (21168 0 0 0 (201,6 (38304 (32256 0 0 0 (201,6 (32256 (38304 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 ; < < < < > -= . 9 9 9 9 : 265,86? 0 0 0 0 0 0 (265,86? 0 0 0 0 0 0 16,7@? 0 0 0 0 0 0 (16,7@? 0 0 0 0 0 0 77,77? 0 0 0 0 0 0 (77,77? ; < < < < > += . 9 9 9 9 : 0 (0,0027? (0,0027? 0,0041 0,7071 0,7071 0 0,0027? 0,0027? 0,0041 0,7071 0,7071 (0,0547? 0,0165? 0,0165? 0,@184 (0,2766 (0,2766 0,0547? (0,0165? (0,0165? 0,@184 (0,2766 (0,2766 0 0,00@1? (0,00@1? 0 (0,7070 0,7070 0 (0,00@1? 0,00@1? 0 (0,7070 0,7070 ; < < < < > A matriz D possui nas suas diagonais os pares conjugados de (5), cuja componente imaginária revela o valor das frequências para cada modo. As três últimas células de cada coluna da matriz V são compostas pelos modos de vibração da estrutura (componentes reais), uma vez que as componentes imaginárias Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 35 dizem apenas respeito com o atraso de fase. Retirando as frequências de cada modo e construindo nova matriz reduzida já com os valores essenciais das frequências, vem: =!265,86 0 0 0 16,79 0 0 0 77,77"#$%/& De modo a calcular as frequências amortecidas, multiplica-se a matriz anterior pela componente de amortecimento d. '= ×%=!265,86 0 0 0 16,79 0 0 0 77,77"×(1)0,05*=!265,53 0 0 0 16,76 0 0 0 77,67"#$%/& Através da matriz V, obtém-se a seguinte matriz dos modos de vibração, composta por: +=!0,0041 0,9184 0 0,7071 )0,2766 )0,7070 0,7071 )0,2766 0,7070" Tendo as frequências de cada modo, calcula-se a matriz diagonal das massas modais M* através de (12). -.=!0,0954 0 0 0 8,4488 0 0 0 0,6666" Com estes dados é possível construir a matriz de amortecimento modal seguindo (10), (11) e (13). :.=!2,5331 0 0 0 14,1641 0 0 0 5,1773" :=!17,1937 0,7124 0,7124 0,7124 3,8514 )1,3267 0,7124 )1,3267 3,8514 " Calculando de novo a matriz de Estado A já com a contribuição do amortecimento na estrutura, obtémse Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 36 = ! ! ! ! " 0 0 0 #403,2 #21168 #21168 0 0 0 #201,6 #38304 #32256 0 0 0 #201,6 #32256 #38304 1 0 0 #1,7194 #7,4799 #7,4799 0 1 0 #0,0712 #17,1385 #9,3713 0 0 1 #0,0712 #9,3713 #17,1385 $ % % % % & A matriz J é constituída por uma coluna, uma vez que existe apenas uma variável de entrada no sistema, estando essa variável a atuar no primeiro modo de vibração, ficando com: '=(1 0 0) Após a obtenção de J, é possível construir a matriz de entrada B utilizando (17) *= ! ! ! ! " 0 0 0 0,1 0 0 $ % % % % & Com estes dados, é possível então obter as matrizes E e G, de modo a proceder ao método passo-a-passo += ! ! ! ! " 0,9830 #0,0050 #0,0050 #0,5231 #0,0155 #0,7352 #0,5231 #0,7352 #0,0155 0,0099 #2,39×10-. #2,39×10-. #0,0025 0,0051 #0,0036 #0,0025 #0,0036 0,0051 #2,9641 #0,3040 #0,3040 #31,921 #80,630 #28,129 #31,921 #28,129 #80,630 #0,9664 #0,0051 #0,0051 #0,5304 #0,0696 #0,7220 #0,5304 #0,7220 #0,0696 $ % % % % & /= ! ! ! ! ! " 4,96×10-: #7,46×10-; #7,46×10-; 9,86×10-< #2,50×10-< #2,50×10-< $ % % % % % & Tendo sido obtidas estas duas matrizes, é possível proceder ao cálculo dos estados passo-a-passo através da equação (18). Sendo o vetor de estado x(t) constituído pelos deslocamentos e velocidades dos diferentes graus de liberdade para o determinado instante, executa-se o gráfico seguinte para todos os instantes de tempo para o determinado deslocamento do piso 1: Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 37 Fig. 22 - Resposta do piso do pórtico “flexível” para a solicitação resultante da aceleração da fig. 19 4.3.3.4. COMPARAÇÃO DOS PÓRTICOS Para uma completa análise aos efeitos causados pela variação de rigidez nas vigas dos pisos, é necessário fazer uma comparação dos deslocamentos obtidos nos gráficos anteriores. De modo a comparar os gráficos de deslocamentos do piso do pórtico de viga rígida e do pórtico de viga flexível, sobrepuseramse as duas figuras para uma análise mais facilitada. Analisando a figura 23, verifica-se que a frequência do pórtico com vigas flexíveis (a verde) é menor que no caso do pórtico com vigas rígidas (a cião), tal como já tinha sido comprovado no capítulo 3. O deslocamento máximo é maior também no caso do pórtico de vigas flexíveis devido à menor rigidez geral da estrutura porticada, ou seja, para a mesma força, quanto maior a rigidez, menor será o deslocamento e vice-versa. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 44 As condições iniciais de deslocamento, velocidade e aceleração são as seguintes: != "!= #!=$0 0 0% São vetores 3x1 devido aos três graus de liberdade que constituem a estrutura, e preenchidas com valores nulos uma vez que o sistema se encontra em repouso. Para representar o intervalo da variação das forças ΔPt, que inicia no instante t com duração de Δt, é necessário fazê-lo através de um vetor também 3x1. Para o caso do intervalo inicial da variação das forças, o vetor em causa é nulo. &'!=$0 0 0% De seguida, calcula-se os valores fixos do método passo-a-passo de modo a descobrir a variação de deslocamentos em cada intervalo de tempo. A equação (32) tem agora uma forma diferente, uma vez que é calculada sob a forma matricial ( )=(*+, -&./*+1 -2&.345*=$6910708:6 0 0 0 11;<<877 0 0 0 6<<118:>% A equação (33) é agora construída da seguinte forma &'?@=&'@+A1 -&.5*+, -/*B "@+C1 7-5*+&.A, 7-D1B/*E #@ De modo a calcular a variação dos deslocamentos, utiliza-se a seguinte formulação idêntica à expressão (34), mas com aplicação às matrizes & @=( )FG&'?@ (36) Através deste método é possível obter a variação dos deslocamentos para cada passo, tornando possível o cálculo das variações de velocidade e aceleração através de expressões equivalentes a (29) e (28), respetivamente, alterando apenas as variáveis para vetores 3x1. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 45 No final do processo passo-a-passo, obtém-se um gráfico com o deslocamento do piso ao longo do tempo, como é visível de seguida Fig. 25 - Deslocamento do piso da estrutura porticada com vigas “flexíveis” segundo o Método de Newmark 4.5 COMPARAÇÃO DAS RESPOSTAS OBTIDAS PELA FORMULAÇÃO DE ESPAÇO DE ESTADO E PELO MÉTODO DE NEWMARK Como referido inicialmente, o Método de Newmark é utilizado nesta dissertação para certificar que os valores obtidos pela Formulação de Espaço de Estado estão corretos. Neste sentido, faz-se uma sobreposição dos gráficos das respostas da mesma estrutura calculados por ambos os métodos. Se se verificar que o gráfico da resposta do pórtico calculado através da Formulação de Espaço de Estado coincide com o gráfico referente ao cálculo através do Método de Newmark, isto equivale a dizer que o programa desenvolvido em Matlab baseado na Formulação de Espaço de Estado permite calcular a resposta correta para determinada estrutura, pois fica comprovado que ambos os métodos obtêm a mesma resposta. De seguida, faz-se a então a sobreposição das respostas das estruturas porticadas: primeiro para os pórticos de vigas rígidas e depois para os pórticos de vigas flexíveis, resultando nas duas figuras seguintes. O eixo Y corresponde às amplitudes atingidas pelos deslocamentos enquanto X regista o instante de tempo da análise. A resposta obtida através da Formulação de Espaço de Estado é representada a laranja, sendo a linha azul representativa do Método de Newmark. Como se pode verificar em ambas as imagens, existe um ligeiro desfasamento da resposta obtida através do Método de Newmark devido aos valores tomados pelos parâmetros dependentes das acelerações β e γ. Sendo um erro insignificante e causado por valores arbitrados, é de todo impossível afirmar que a resposta obtida através da formulação de Espaço de Estado está incorreta, a juntar ao facto de as respostas serem praticamente idênticas. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 46 Fig. 26 – Sobreposição dos gráficos dos dois métodos para deslocamento do piso “rígido” Fig. 27 – Sobreposição dos gráficos dos dois métodos para deslocamentos do piso “flexível” Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 47 4.6. CÁLCULO DAS FORÇAS BASAIS ATRAVÉS DOS DESLOCAMENTOS DOS PISOS A utilização dos métodos de cálculo de deslocamentos dos pisos só é útil no contexto desta dissertação como modo de calcular as forças basais das estruturas, para que se possam conhecer as forças a que a mesa vibratória pode ficar sujeita. Obtendo os deslocamentos/rotações em cada grau de liberdade da estrutura através da Formulação de Espaço de Estado, é possível calcular as forças elásticas exercidas em cada grau de liberdade, em cada instante, através da seguinte expressão: !="×# (37) Tendo em conta que só é necessário calcular o valor da força correspondente ao deslocamento do piso – referente ao 1º grau de liberdade – da estrutura, e para o instante em que a força é máxima, no caso utilizado em 4.3., obtém-se: !$={4032 2016 2016}×%&0,0049 0,0015 0,0015'=&13,7595()* O cálculo das forças basais é executado através do somatório das forças elásticas calculadas anteriormente. Como no caso utilizado a estrutura era composta apenas por um piso, a força basal será igual à força elástica do piso. No caso de estruturas de dois pisos, a força basal resulta também esta na força elástica calculada apenas para o primeiro piso. 4.7. ESPECTROS DE RESPOSTA DO EUROCÓDIGO 8 Os espectros de resposta são representações do comportamento de uma determinada estrutura sujeita a uma solicitação sísmica. O sismo vai exercer, através de deslocamentos do solo, acelerações na base transmitindo-as à estrutura através de forças de inércia. Neste trabalho, são utilizadas acelerações espectrais, isto é, espectros que fornecem as acelerações máximas que atuam numa determinada estrutura. Existem também espectros de resposta de deslocamentos e velocidades, consistindo estes num registo dos valores máximos respetivos, dependendo sempre das características do sismo e da estrutura. 4.7.1. CARACTERIZAÇÃO DOS ESPECTROS PELO EUROCÓDIGO 8 Os sismos podem ser de tipo 1 ou tipo 2. O sismo tipo 1 é normalmente um sismo afastado, causado pelo movimento interplacas e com uma magnitude superior a 5,5 na escala de Richter, enquanto o sismo tipo 2 é geralmente um sismo mais próximo com origem no interior das placas tectónicas (sismo intraplacas) e magnitude igual ou inferior a 5,5. Através do tipo de ação sísmica, é possível determinar o zonamento sísmico, com recurso ao Anexo Nacional, através da seguinte figura (dados referentes apenas a Portugal Continental) Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 48 Fig. 28 – Distribuição geográfica das Zonas Sísmicas em Portugal Continental [2] Para cada zona sísmica, e dependendo do tipo de ação sísmica, existe uma aceleração de pico em rocha, medida em m/s2, conhecida como aceleração máxima de projeto de referência agR. No quadro seguinte estão referenciadas as acelerações máximas de projeto de referência para cada zona sísmica. Quadro 7 – Acelerações máximas de projeto de referência para cada zona sísmica Ação Sísmica Tipo 1 Ação Sísmica Tipo 2 Zona Sísmica a gR Zona Sísmica a gR 1.1 2,5 2.1 2,5 1.2 2,0 2.2 2,0 1.3 1,5 2.3 1,7 1.4 1,0 2.4 1,1 1.5 0,6 2.5 0,8 1.6 0,35 - - A aceleração de pico de referência agR é multiplicada pelo coeficiente de importância da estrutura de modo a obter a aceleração de projeto em rocha (terreno tipo A) ag utilizado, como se vê na figura seguinte, para escalar o espectro de resposta elástica exemplificativo. !"= # × !"$ (38) Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 49 Fig. 29 – Forma de espectro de resposta elástica [2] Na figura acima, verifica-se que as acelerações espectrais escaladas para ! são obtidas no eixo vertical para um determinado valor do período de vibração da estrutura retirado do eixo horizontal. Os espectros utilizados nesta tese são espectros elásticos porque, como já referenciado anteriormente, o objetivo primordial da plataforma sísmica é analisar estruturas com dispositivos de controlo (amortecedores, entre outros) e não levar as estruturas à rotura, entrando em regime não linear plástico, uma vez que as estruturas com dispositivos de controlo são obrigadas a trabalhar em regime elástico [5]. Os valores do espectro de resposta elástico em aceleração Se(T) variam ao longo do eixo XX, estando esta variação relacionada com o período de vibração da estrutura. Observando a fig. 28, é possível ver que o espectro está dividido em quatro secções com características distintas. A primeira parte, em que 0" # " #$ é referente ao tramo em transição linear para a aceleração do solo. A secção seguinte consiste no intervalo de períodos entre os quais a aceleração é constante e máxima, situando-se no intervalo #$" #" #%. De seguida, existe um intervalo de períodos de vibração #%" # "#& para os quais a velocidade do solo é constante, sendo que a partir de #& o deslocamento do solo passa a ser constante. De salientar ainda que a análise efetuada nesta dissertação envolve apenas a ação sísmica de componente horizontal, sendo por isso o valor de '(=2,5. Os quatro tramos do espectro de resposta elástica apresentam as seguintes expressões: 0" # " #$:)*+-#.= !×*×/13 # #$×-2,5461.7 (39) #$" # " #%:*+-#.= !×*×2,58 (40) Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 50 !" " #:$%( )= &'×$×2,5* ×+ ! - (41) . #:$%( )= &'×$×2,5*×+ ! # /- (42) Em que S é o fator do terreno e η é o fator de correção do amortecimento, com valor unitário para 5% de amortecimento, dado pela seguinte fórmula: =! 10 5+"#0,55 (43) O coeficiente de importância, referido anteriormente, vai depender da classe de importância da estrutura que vai de I a IV. A classe I refere-se a edifícios com importância menor global, como por exemplo, edifícios agrícolas. A classe IV é dada aos edifícios de extrema importância para a segurança pública, como hospitais, centrais elétricas, etc. As classes intermédias II e III são associadas aos edifícios correntes de engenharia civil (classe II) e a edifícios algo relevantes devido às consequências associadas ao seu colapso (classe III, exemplos: escolas, instituições culturais, etc.). No quadro seguinte, encontram-se os valores dos coeficientes de importância, consoante a respetiva classe e tipo de sismo [2]. Quadro 8 – Coeficientes de Importância (γI) Classe de Importância Ação sísmica Tipo 1 Ação sísmica Tipo 2 Portugal Continental Açores I 0,6 0,8 0,8 II 1,0 1,0 1,0 III 1,6 1,3 1,2 IV 2,1 1,6 1,4 Os parâmetros S, TB, TC e TD são dependentes do tipo de sismo e do terreno em que a estrutura está inserida. Os tipos de terreno abordados no Eurocódigo 8 são terrenos constituídos por rocha (terreno Tipo A), terrenos rijos (Tipo B), solos médios e brandos (Tipo C e D) e formações brandas assentes em maciços rígidos com grande contraste de rigidez (terreno Tipo E). Os quadros seguintes, presentes no Anexo Nacional do Eurocódigo 8, registam os valores dos respetivos parâmetros para cada tipo de terreno e ação sísmica. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 51 Quadro 9 – Parâmetros S, TB, TC e TD para cada tipo de terreno e ação sísmica Ação Sísmica Tipo 1 Tipo de Terreno Smáx TB T C T D Ação Sísmica Tipo 2 Tipo de Terreno Smáx T B T C T D A 1,0 0,1 0,6 2,0 A 1,0 0,1 0,25 2,0 B 1,35 0,1 0,6 2,0 B 1,35 0,1 0,25 2,0 C 1,6 0,1 0,6 2,0 C 1,6 0,1 0,25 2,0 D 2,0 0,1 0,8 2,0 D 2,0 0,1 0,3 2,0 E 1,8 0,1 0,6 2,0 E 1,8 0,1 0,25 2,0 4.7.2. CÁLCULO DA FORÇA BASAL RESULTANTE DA AÇÃO SÍSMICA Através dos espectros de resposta elástica obtidos do EC 8, é possível calcular o deslocamento por piso da estrutura, permitindo calcular as forças basais nesta, através de um método baseado numa análise modal. A explicação do método vai ser acompanhada de um exemplo, neste caso da estrutura anteriormente abordada (estrutura porticada de um piso com pilares e vigas constituídos por perfis SHS 100x100x6,3 e com massa do piso de 10 toneladas) considerando as vigas flexíveis. Recuperando os dados já calculados anteriormente em 4.3.3.3. para a mesma estrutura, obtém-se =!4032 2016 2016 2016 5376 1344 2016 1344 5376"#$%/& '=!10 0 0 0 0,3810 (0,2857 0 (0,2857 0,3810"#) *=!17,194 0,712 0,712 0,712 3,851 (1,327 0,712 (1,327 3,851 "#)/+ - = !0,918 0 0,004 (0,277 (0,707 0,707 (0,277 0,707 0,707"######.:=!16,76 0 0 0 77,67 0 0 0 265,53";<>/+ Como se pode verificar através das matrizes φ e ωa, constata-se que o modo de vibração que se traduz na translação horizontal do piso (preponderante para o estudo) é o 1º modo de vibração. Sendo a base do estudo do pórtico uma análise linear elástica através de uma sobreposição modal, é importante saber quais os possíveis modos de vibração a considerar e que afetam os resultados obtidos. Como tal, é referido no EC 8 que todos os modos superiores ao modo em questão são desprezados se o somatório das massas modais efetivas dos modos até ao modo em causa (incluindo-o) seja superior a Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 52 pelo menos 90% da massa total da estrutura. Além desta, existe uma outra condicionante que implica que seja considerado todo o modo cuja massa modal efetiva seja maior ou igual a 5% da massa total da estrutura [5]. Para calcular a massa modal efetiva de cada um dos modos, utiliza-se a seguinte equação (não é necessário normalizar os modos de vibração para já): ! "=#! $ 1#! $ 1 #! $ #! (44) O vetor 1 neste caso é um vetor com a seguinte forma, uma vez que apenas é contabilizada a componente do primeiro grau de liberdade (deslocamento horizontal do piso). 1= 1 0 0! No quadro seguinte, mostram-se os valores das massas modais efetivas para os dois primeiros modos de vibração e a percentagem em relação à massa total: Quadro 10 – Massas modais efetivas e percentagens em relação à massa total Modo de Vibração MME (t) Percentagem em relação à massa da estrutura (%) Percentagem total (%) 1 9,9827 99,83 100 Como é verificado no quadro anterior, o primeiro modo de vibração tem capacidade para obter uma massa modal efetiva com percentagem em relação à massa total da estrutura adequada para perfazer os 90% exigidos, mobilizando-se então praticamente 100% da massa total da estrutura apenas contando com o 1º modo. Através das massas modais efetivas presentes no quadro, conclui-se que para todas as estruturas estudadas com um piso, o único modo de vibração contabilizado para o estudo é o 1º modo. O facto de ser igual para todas as estruturas de um piso dá-se devido à matriz de massa manter o mesmo formato, modificando apenas os valores de forma escalada para ", a massa do piso. De modo a empregar a sobreposição modal é necessário determinar a massa modal #$ para cada modo de vibração, através da formulação (12), com as devidas alterações uma vez que agora são calculadas cada modo de vibração de forma separada. O valor de #$ é influenciado pela normalização dada ao respetivo modo de vibração. Para a normalização, escolhe-se o maior valor presente no vetor do modo de vibração e usa-se como divisor, obtendo vetores com valores normalizados entre -1 e 1. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 53 !="1,0000 #0,3012 #0,3012$%%%%% &="0 #1 1$%%%%% '="0,0057 1,0000 1,0000$ Obtendo-se então as seguintes massas modais através de (12), aplicada apenas ao primeiro modo de vibração uma vez que é o modo que mobiliza a massa da estrutura. (!=10,0173%) Para uma análise à estrutura através da sobreposição modal é necessário calcular ainda o fator modal de excitação sísmica para cada modo de vibração, sendo este fator definido por: *+= +-(1 (45) Obtêm-se então os seguintes valores: *!=9,9426%) Podendo agora avançar para a caracterização dos espectros utilizados na análise, é de referir que apenas foram disponibilizados dois tipos de espectro para análise, um para cada Tipo de Ação Sísmica. A estrutura é classificada como sendo de classe de importância II, encontra-se num terreno tipo D, possui coeficiente de amortecimento de 5% e a zona é classificada como 1.4 e 2.3, para ação sísmica Tipo 1 e 2, respetivamente. Consultando o Eurocódigo 8, confirmam-se os valores tomados pela aceleração máxima de referência para cada as diferentes zonas sísmicas estipuladas no parágrafo anterior ./8 =:1,0; <& >,?.@.%ABC.%<í<;DE.%1F4 1,7; <& >,?.@.%ABC.%<í<;DE.%2F3 O valor de ./, calculado através de (38), é coincidente com o valor registado nas tabelas do EC8 para ./8, causado pelo facto de o coeficiente de importância da estrutura ser unitário por se tratar de um estudo a estruturas de classe de importância II. Recorrendo ao Quadro 8, verifica-se que, para um terreno tipo D, os coeficientes utilizados para o cálculo de acelerações espectrais são os demonstrados no quadro seguinte: Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 60 Fig. 32 – Forças basais para estruturas de um piso para uma ação sísmica tipo 1 segundo FEE Fig. 33 – Forças basais para estruturas de um piso para uma ação sísmica tipo 2 segundo FEE Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 61 5.3.2. ESTRUTURA PORTICADA DE DOIS PISOS Fig. 34 - Forças basais para estruturas de dois pisos para uma ação sísmica tipo 1 segundo FEE Fig. 35 - Forças basais para estruturas de dois pisos para uma ação sísmica tipo 2 segundo a FEE Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 62 5.3.3. CONTRIBUIÇÃO DA MASSA DA MESA PARA A FORÇA A EXERCER PELO ATUADOR De modo a calcular a força máxima a exercer pelo atuador ao corpo da plataforma sísmica, é reformulada a análise executada anteriormente, introduzindo-se a componente das forças de inércia da mesa na equação !" #$% =|&' ( ) |+ *,$%-$ × ./0 (50) Em que a &' ( ) é igual à força elástica calculada para o 1º piso. A força do atuador é então calculada para cada instante de tempo durante a solicitação através da Formulação de Espaço de Estado, sendo escolhido o maior valor registado para a respetiva estrutura. O valor da força basal encontra-se em valor absoluto apenas para uma análise mais fácil. Na realidade, a força necessária para simular o sismo, será sempre agravada pela presença da mesa, daí a escolha de trabalhar com valores absolutos. De modo a facilitar a leitura da dissertação, não são colocados os gráficos de cada análise, sendo apenas registado o valor máximo encontrado para qualquer estrutura, uma vez que é este que vai fornece qual a força máxima a ser aplicada pelo atuador. Como relatado no capítulo 3, é assumido que a massa mobilizável da mesa tem o valor de 1222345. Ao longo de toda esta dissertação, a unidade de massa utilizada tem sido a tonelada (6). Como tal, faz-se a conversão de 1222345 para 136 de modo a calcular as forças do atuador, obtendo o resultado em 47, uma vez que as forças basais já estavam calculadas para esta grandeza. O valor obtido para a força a aplicar pelo atuador ao corpo da mesa é calculada através de uma média desta para os 10 diferentes sismos para a mesma estrutura, obtendo-se o resultado médio máximo de 189:;<347 para uma estrutura de dois pisos sob uma ação sísmica tipo 2. A força média máxima registada sem a contribuição da massa da mesa é de 189:;>347, para o mesmo tipo de estrutura e ação imposta. É verificado então que a consideração da massa da mesa na análise leva a um acréscimo de 2:2;? em relação ao valor máximo da força. Analisando agora o caso de estruturas de um piso solicitadas por uma ação sísmica tipo 1 (das quais resultam as forças máximas mais reduzidas), obtémse uma força máxima sem e com contribuição da mesa de, respetivamente, 8;:>2347 e 8;:<@347, resultando num acréscimo de 2:@?. Fica provado que a contribuição da massa da mesa para as forças a aplicar a esta são relativamente mais importantes quando as forças basais das estruturas são menores. 5.4. FORÇAS APLICADAS À PLATAFORMA ATRAVÉS DA ANÁLISE DE ESPECTROS ELÁSTICOS Em 4.7., foi abordado o método utilizado para calcular as forças resultantes na base de uma estrutura através dos espectros de resposta elásticos regulamentados no Eurocódigo 8, resultando nos espectros das figuras 30 e 31. É altura, agora, de obter os dados das forças basais para a combinação de estruturas abordada anteriormente, para ações sísmicas de tipo 1 e 2. A análise que se segue tem uma abordagem similar à utilizada em 5.3. para o caso da análise através da Formulação de Espaço de Estado. Através de uma análise idêntica à exposta em 4.7.2., são calculadas as forças elásticas de cada piso para estruturas de um e dois pisos e para ambos os tipos de ação sísmica. Nos gráficos seguintes, estão expostos os valores das forças basais para cada combinação de estrutura (tal como em 5.3.), valores estes detalhados nos anexos 7, 8, 9 e 10. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 63 5.4.1. ESTRUTURAS DE UM PISO Fig. 36 – Forças basais para estruturas de um piso para uma ação sísmica tipo 1 segundo uma análise espectral Fig. 37 - Forças basais para estruturas de um piso para uma ação sísmica tipo 2 segundo uma análise espectral Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 64 5.4.2. ESTRUTURAS DE DOIS PISOS Fig. 38 - Forças basais para estruturas de dois pisos para uma ação sísmica tipo 1 segundo uma análise espectral Fig. 39 - Forças basais para estruturas de dois pisos para uma ação sísmica tipo 2 segundo uma análise espectral Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 65 Analisando os gráficos de barras obtidos em 5.4.1. e 5.4.2., é possível registar muitas similaridades com os registados em 5.3.1. e 5.3.2. Não só no que diz respeito à grandeza dos valores obtidos, mas à distribuição progressiva destes. Naturalmente, verifica-se um acréscimo natural das forças basais com o aumento da massa dos pisos, e um decréscimo delas com o aumento da rigidez (mais visível para estruturas com massas reduzidas). Como referenciado anteriormente, verificou-se que diversas estruturas (com a mesma massa nos pisos) quando sujeitas a uma ação sísmica tipo 1 têm valores iguais das forças basais. Tal facto, já não se verifica de forma tão evidente no caso de uma ação sísmica tipo 2, uma vez que o patamar abrange uma menor gama de períodos de vibração. Isto leva a valores mais abruptos, registados, como exemplo, nas estruturas constituídas por perfis HEB com momentos de inércia segundo o eixo Z (perfis 14 a 19). Numa estrutura de dois pisos, existem dois modos de vibração preponderantes (referentes aos deslocamentos horizontais sincronizados de ambos os pisos), ao contrário das estruturas de um piso, em que apenas um modo é condicionante, como verificado em 4.7. Isto acontece devido ao facto de a massa presente nos pilares ser considerada desprezável, o que leva a que a massa nas lajes sobressaia na análise efetuada. De modo a calcular os resultados finais dos deslocamentos e forças elásticas, é necessário fazer uma soma quadrática dos vetores resultantes da análise feita a cada modo de vibração, da seguinte forma: !"#$% =&' " ( (51) 5.4.3. CONTRIBUIÇÃO DA MASSA DA MESA PARA A FORÇA DO ATUADOR PELO MÉTODO MODAL O cálculo da força máxima aplicada ao corpo da mesa quando feito através do Método Modal com recurso a espectros de resposta elásticos é diferente da Formulação de Espaço de Estado. Enquanto neste último a análise é feita passo-a-passo, podendo ser a ação na mesa controlada a cada instante de tempo, no caso do método modal já não funciona da mesma forma. Sendo este um método que trabalha com valores “máximos”, não é possível contabilizar a força de inércia da mesa em cada instante. Como tal, utiliza-se de novo a técnica da soma quadrática de modo a que: !"#!$%& =' (!)!* +,-./%&0% ×1234á56+ (52) Em que 1234á5 é a aceleração máxima do solo para qualquer dos sismos estudados. Utiliza-se a soma quadrática devido ao facto se tratar de uma soma de componentes máximos que não ocorrem em simultâneo. A força basal máxima registada nos gráficos anteriores teve o valor de 789:;<>?@. O valor registado para a aceleração máxima foi de A:<8>.BC+, levando a que o resultado da força de inércia do corpo da mesa seja de A:<8>?@. Calculando a força a exercer pelo atuador segundo a equação (52), obtém-se: !"#!$%& =789:8A>?@ Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 66 Como se verifica, o acréscimo dado pela força inercial da mesa não é significativo através deste método da soma quadrática. Conclui-se ainda que o valor da força máxima aplicada pelo atuador é ligeiramente inferior ao registado quando calculado através da Formulação de Espaço de Estado. 5.5. CÁLCULO DOS DESLOCAMENTOS E SUAS DERIVADAS TEMPORAIS MÁXIMOS Para obter os requisitos a nível dos deslocamentos, velocidades e acelerações máximas que os atuadores têm de suportar de modo a conseguir reproduzir os sismos de forma apropriada, é necessário executarem-se cálculos por forma a obter os gráficos de deslocamentos e velocidades (uma vez que já se possui o gráfico das acelerações). Sendo a aceleração o resultado de uma derivação da velocidade em ordem ao tempo, e esta também uma derivada temporal do deslocamento, a partir de integrações dos acelerogramas é possível obter os desejados gráficos dos deslocamentos e velocidades. Fig. 40 – Exemplo de um acelerograma de ação sísmica tipo 1 Na figura seguinte, encontra-se a integração do acelerograma ilustrado na figura anterior, correspondente então ao gráfico das velocidades instantâneas causadas pelo sismo. Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 67 Fig. 41 – Gráfico das velocidades obtido através de acelerograma de ação sísmica tipo 1 Da mesma forma, integrando o gráfico das velocidades obtido em cima, é possível obter-se o respetivo gráfico agora referente aos deslocamentos causados pelo sismo ao longo do seu tempo de atuação. Fig. 42 – Gráfico dos deslocamentos obtido através de acelerograma de ação sísmica tipo 1 Atualizando este processo para todos os sismos estudados (vinte no total, contabilizando os dois tipos de ação sísmica), é possível então obter o valor máximo registado das três componentes em estudo para qualquer dos sismos. Obteve-se então: !"#$ = 0,133%& Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 68 !"#$% = 0,340&'/( )"#$% = 2,941&'/(* Estudo de uma Plataforma Vibratória Destinada à Realização de Ensaios Laboratoriais 69 6 CONCLUSÃO Ao longo do presente trabalho, foi evidente a preocupação em tratar o objetivo principal inicialmente proposto: obter informação suficiente sobre as estruturas que podem ser ensaiadas na plataforma e, face a estas, estimar os valores das acelerações, velocidades e deslocamentos máximos aplicados ao corpo da mesa, bem como a força máxima que deverá ser desenvolvida. Inicialmente foi proposta a escolha da gama de estruturas a ser analisada, concluindo ser ideal o estudo de pórticos de um e dois pisos, construídos com recurso a perfis metálicos catalogados (HEB e SHS) com massas variáveis de 1 a 10 toneladas nas lajes de cada piso. Através de modulação em Matlab, foi possível obter as frequências naturais dos primeiros modos de vibração, concluindo que as estruturas futuramente estudadas (com recurso a dispositivos de controlo) terão estas frequências entre as gamas de 1 Hz a 5 Hz. No entanto, para tornar o estudo mais completo, foram consideradas todas as combinações de estruturas idealizadas inicialmente. Pelo mesmo método, foi possível comparar ainda as diferentes frequências utilizando vigas de rigidez infinita e vigas de rigidez igual à dos pilares, podendo concluir-se que o valor real da frequência estará inserido entre os dois valores obtidos, uma vez que a rigidez real do sistema é superior devido à laje sobreposta nas vigas. Ao longo desta tese, é ainda possível concluir que se caracteriza um sistema atuador de uma plataforma vibratória através dos seguintes parâmetros: · Força máxima exercida pelo atuador ao corpo da mesa; · Curso máximo do corpo da mesa; · Velocidade máxima atingida pelo corpo; · Aceleração máxima permitida ao atuador; Verificou-se que o estudo das forças basais através do método modal com recurso aos espectros de resposta retornou valores bastante aceitáveis, comprovando os resultados do estudo feito com recurso à Formulação Espaço de Estado, e assegurando o método modal como uma alternativa válida e simplificada para o cálculo das forças aplicadas pelo atuador. Ainda em relação às forças aplicadas à mesa, conclui-se que a massa desta tem uma influência maior no resultado final quando se avaliam estruturas porticadas de um piso sob ações sísmicas tipo 1. Isto é causado pelas reduzidas forças basais resultantes nestas estruturas quando sujeitas a este tipo de ações sísmicas, o que faz com que a força adicional provoque maiores diferenças nos resultados finais, quando comparando com uma estrutura porticada de um piso sujeita a ações tipo 2. 4 Anexo 2 Perfis Massa SHS 100x100 x6,3 SHS 120x120 x6,3 SHS 140x140 x8 SHS 150x150 x8 SHS 160x160 x8 SHS 180x180 x10 SHS 200x200 x10 HEB 100 Inércia Y HEB 120 Inércia Y HEB 140 Inércia Y HEB 160 Inércia Y HEB 180 Inércia Y HEB 200 Inércia Y HEB 100 Inércia Z HEB 120 Inércia Z HEB 140 Inércia Z HEB 160 Inércia Z HEB 180 Inércia Z HEB 200 Inércia Z 1 5,85 7,84 11,04 12,33 13,66 18,04 21,35 6,77 9,39 12,40 15,94 19,76 24,10 4,13 5,69 7,49 9,52 11,79 5,85 1,5 4,78 6,40 9,01 10,07 11,16 14,73 17,43 5,53 7,67 10,13 13,02 16,14 19,68 3,37 4,65 6,11 7,77 9,63 4,78 2 4,14 5,54 7,81 8,72 9,66 12,76 15,10 4,79 6,64 8,77 11,27 13,98 17,04 2,92 4,02 5,29 6,73 8,34 4,14 2,5 3,70 4,96 6,98 7,80 8,64 11,41 13,50 4,28 5,94 7,85 10,08 12,50 15,24 2,61 3,60 4,74 6,02 7,46 3,70 3 3,38 4,53 6,37 7,12 7,89 10,42 12,33 3,91 5,42 7,16 9,20 11,41 13,91 2,38 3,29 4,32 5,50 6,81 3,38 3,5 3,13 4,19 5,90 6,59 7,30 9,64 11,41 3,62 5,02 6,63 8,52 10,56 12,88 2,21 3,04 4,00 5,09 6,30 3,13 4 2,93 3,92 5,52 6,17 6,83 9,02 10,68 3,39 4,69 6,20 7,97 9,88 12,05 2,07 2,84 3,74 4,76 5,89 2,93 4,5 2,76 3,70 5,20 5,81 6,44 8,51 10,07 3,19 4,43 5,85 7,51 9,32 11,36 1,95 2,68 3,53 4,49 5,56 2,76 5 2,62 3,51 4,94 5,51 6,11 8,07 9,55 3,03 4,20 5,55 7,13 8,84 10,78 1,85 2,54 3,35 4,26 5,27 2,62 5,5 2,50 3,34 4,71 5,26 5,83 7,69 9,10 2,89 4,00 5,29 6,80 8,43 10,28 1,76 2,43 3,19 4,06 5,03 2,50 6 2,39 3,20 4,51 5,03 5,58 7,37 8,72 2,76 3,83 5,06 6,51 8,07 9,84 1,69 2,32 3,06 3,89 4,81 2,39 6,5 2,30 3,08 4,33 4,84 5,36 7,08 8,37 2,66 3,68 4,87 6,25 7,75 9,45 1,62 2,23 2,94 3,73 4,62 2,30 7 2,21 2,96 4,17 4,66 5,16 6,82 8,07 2,56 3,55 4,69 6,02 7,47 9,11 1,56 2,15 2,83 3,60 4,46 2,21 7,5 2,14 2,86 4,03 4,50 4,99 6,59 7,80 2,47 3,43 4,53 5,82 7,22 8,80 1,51 2,08 2,73 3,48 4,30 2,14 8 2,07 2,77 3,90 4,36 4,83 6,38 7,55 2,39 3,32 4,39 5,64 6,99 8,52 1,46 2,01 2,65 3,37 4,17 2,07 8,5 2,01 2,69 3,79 4,23 4,69 6,19 7,32 2,32 3,22 4,25 5,47 6,78 8,27 1,42 1,95 2,57 3,27 4,04 2,01 9 1,95 2,61 3,68 4,11 4,55 6,01 7,12 2,26 3,13 4,13 5,31 6,59 8,03 1,38 1,90 2,50 3,17 3,93 1,95 9,5 5,85 7,84 11,04 12,33 13,66 18,04 21,35 6,77 9,39 12,40 15,94 19,76 24,10 4,13 5,69 7,49 9,52 11,79 5,85 10 4,78 6,40 9,01 10,07 11,16 14,73 17,43 5,53 7,67 10,13 13,02 16,14 19,68 3,37 4,65 6,11 7,77 9,63 4,78 5 Anexo 3 Perfis Massa SHS 100x100 x6,3 SHS 120x120 x6,3 SHS 140x140 x8 SHS 150x150 x8 SHS 160x160 x8 SHS 180x180 x10 SHS 200x200 x10 HEB 100 Inércia Y HEB 120 Inércia Y HEB 140 Inércia Y HEB 160 Inércia Y HEB 180 Inércia Y HEB 200 Inércia Y HEB 100 Inércia Z HEB 120 Inércia Z HEB 140 Inércia Z HEB 160 Inércia Z HEB 180 Inércia Z HEB 200 Inércia Z 1 5,25 4,59 3,98 3,74 3,50 3,00 2,77 5,00 4,13 3,71 3,32 2,84 2,72 5,21 5,19 4,63 4,08 3,83 3,40 1,5 7,44 7,56 6,43 6,21 5,95 5,10 4,58 7,83 6,95 6,21 5,41 4,92 4,26 7,36 7,61 7,82 6,94 6,13 5,77 2 10,39 10,43 9,23 9,11 8,19 7,23 6,84 9,90 10,05 9,04 7,93 6,78 6,34 10,07 10,61 9,94 10,01 8,95 8,29 2,5 12,73 12,54 12,57 11,54 11,47 9,82 8,92 12,43 13,05 11,47 10,36 9,19 8,48 12,46 12,49 12,50 13,16 11,61 10,69 3 14,75 15,28 15,18 14,55 13,67 12,55 11,22 15,94 15,52 14,49 12,63 11,78 10,21 14,63 14,86 14,83 15,63 15,04 13,34 3,5 17,31 17,94 18,35 17,51 16,47 14,31 13,74 17,54 17,70 17,58 15,95 14,52 12,56 17,81 17,42 18,55 17,81 17,77 16,17 4 20,14 21,28 20,87 20,67 20,08 17,13 16,34 19,71 20,19 20,49 17,90 16,59 15,19 20,03 20,35 20,57 19,91 20,98 19,36 4,5 22,55 22,89 22,48 23,56 22,65 20,47 18,64 22,24 22,46 23,60 20,80 18,76 17,76 22,51 22,23 22,38 22,81 23,43 22,52 5 24,93 24,88 25,01 26,08 26,08 22,14 20,40 24,86 25,57 26,06 24,23 22,19 20,33 25,20 25,15 24,56 25,04 24,75 25,23 5,5 27,41 27,04 27,67 27,18 28,80 25,50 23,35 27,90 29,14 27,29 27,54 24,86 22,86 27,97 26,87 27,18 29,11 27,85 28,81 6 29,28 29,65 30,52 30,41 31,16 27,98 27,35 30,08 31,36 30,53 30,18 26,57 24,82 29,77 28,97 29,87 31,77 29,61 31,43 6,5 31,53 32,31 32,11 32,08 33,12 31,78 29,22 32,30 32,99 32,19 33,04 30,09 26,64 31,58 32,71 32,67 33,37 32,94 33,76 7 35,53 35,03 36,02 35,49 35,24 35,12 31,00 35,17 34,70 35,37 36,85 32,47 29,71 35,40 35,99 35,65 34,99 35,20 36,11 7,5 38,44 38,14 39,80 38,13 37,79 37,53 34,63 37,05 37,13 38,19 39,26 35,85 33,67 38,34 37,81 37,32 37,19 37,21 37,31 8 40,11 40,25 42,47 39,55 39,47 40,45 36,88 39,05 39,40 39,69 41,51 40,17 36,46 40,32 39,66 39,84 39,21 41,21 40,66 8,5 42,13 41,96 44,04 43,06 42,97 43,71 39,90 41,04 41,96 42,63 44,22 42,53 37,85 42,03 42,52 42,67 42,13 45,07 42,32 9 45,02 44,86 45,65 47,18 45,78 47,34 43,65 44,66 44,52 46,84 45,05 45,04 39,91 44,31 44,92 44,85 44,49 47,88 44,77 9,5 47,44 47,78 47,29 50,34 47,50 49,84 48,07 48,60 47,30 50,42 47,77 47,86 43,76 46,76 47,88 46,39 47,21 49,58 48,19 10 50,37 49,55 49,67 53,07 49,45 51,94 50,00 51,30 50,00 53,20 50,74 50,85 46,10 50,45 51,09 48,60 49,71 51,26 50,93 6 Anexo 4 Perfis Massa SHS 100x100 x6,3 SHS 120x120 x6,3 SHS 140x140 x8 SHS 150x150 x8 SHS 160x160 x8 SHS 180x180 x10 SHS 200x200 x10 HEB 100 Inércia Y HEB 120 Inércia Y HEB 140 Inércia Y HEB 160 Inércia Y HEB 180 Inércia Y HEB 200 Inércia Y HEB 100 Inércia Z HEB 120 Inércia Z HEB 140 Inércia Z HEB 160 Inércia Z HEB 180 Inércia Z HEB 200 Inércia Z 1 8,67 7,91 6,40 6,12 5,55 4,47 3,90 8,53 6,66 6,07 5,09 4,05 3,73 8,87 8,72 7,87 6,58 6,31 5,34 1,5 12,70 13,24 10,71 9,78 9,56 7,94 7,03 13,15 12,00 9,75 8,83 7,52 6,08 12,63 12,91 13,13 11,99 9,90 9,48 2 17,68 17,54 15,92 15,21 13,24 11,73 10,34 16,94 17,08 15,13 12,70 10,80 9,63 16,73 17,91 16,94 17,03 15,19 13,01 2,5 21,48 21,13 21,31 19,92 19,06 15,74 14,18 21,31 21,67 19,76 16,29 15,01 12,83 21,08 21,05 21,22 21,99 19,73 17,80 3 25,27 25,88 26,67 25,09 23,49 19,86 18,37 26,92 25,97 24,97 20,78 18,89 16,27 25,04 25,47 25,29 26,22 25,63 22,65 3,5 29,39 30,51 30,25 30,00 28,44 23,14 22,04 29,64 29,73 29,89 26,81 23,04 20,56 29,30 29,04 31,32 29,89 31,35 27,94 4 33,41 35,92 35,05 35,33 34,26 28,54 26,15 33,70 34,29 35,47 30,69 26,51 25,00 31,25 33,77 34,66 33,82 34,58 33,37 4,5 38,67 38,62 38,04 39,14 39,33 34,45 29,34 38,26 38,06 39,03 35,50 30,40 28,43 32,29 38,81 37,51 38,56 39,44 38,32 5 42,17 41,79 42,22 43,79 43,78 37,64 32,92 41,55 43,51 43,84 41,78 37,24 32,43 34,49 42,95 42,38 42,81 42,34 44,27 5,5 47,09 46,66 47,03 46,59 47,77 44,07 38,85 46,16 49,22 46,54 46,97 42,11 35,95 36,37 46,16 46,77 49,24 46,76 48,21 6 50,16 51,05 51,61 51,03 52,49 48,10 45,63 51,48 52,76 51,16 51,82 45,17 39,79 37,58 48,75 49,80 53,61 50,75 52,09 6,5 52,54 54,07 54,74 54,76 55,67 54,55 49,57 55,55 55,68 54,59 57,99 52,02 42,94 38,58 53,67 54,15 56,24 55,99 56,78 7 58,48 58,09 61,29 60,23 59,46 59,89 52,69 59,99 58,22 60,08 61,60 55,18 49,42 40,60 58,25 59,26 58,96 59,58 60,36 7,5 61,80 63,22 67,13 64,47 63,53 64,31 59,78 63,66 62,76 64,70 65,18 61,72 56,42 42,74 59,23 64,98 62,82 63,53 63,35 8 62,75 68,42 71,73 67,04 67,46 71,03 63,31 66,98 67,88 67,05 69,77 68,15 61,29 43,90 58,79 68,11 67,49 70,12 68,09 8,5 62,17 73,43 73,96 73,60 72,97 75,32 68,79 69,05 72,29 72,91 73,98 72,49 64,28 44,36 61,14 72,63 72,17 76,05 71,51 9 64,72 75,89 77,06 80,24 77,75 79,11 75,26 73,66 75,58 79,70 76,53 77,18 68,26 44,67 62,92 77,06 76,27 80,78 76,11 9,5 66,53 81,60 79,61 85,02 80,51 82,33 81,53 79,80 78,78 85,05 80,64 83,61 75,46 46,58 65,51 79,74 79,16 83,34 81,77 10 69,06 85,22 83,74 89,61 84,32 87,34 85,22 82,62 82,91 89,79 85,07 89,18 79,61 49,01 67,78 83,14 83,05 86,40 86,20 7 Anexo 5 Perfis Massa SHS 100x100 x6,3 SHS 120x120 x6,3 SHS 140x140 x8 SHS 150x150 x8 SHS 160x160 x8 SHS 180x180 x10 SHS 200x200 x10 HEB 100 Inércia Y HEB 120 Inércia Y HEB 140 Inércia Y HEB 160 Inércia Y HEB 180 Inércia Y HEB 200 Inércia Y HEB 100 Inércia Z HEB 120 Inércia Z HEB 140 Inércia Z HEB 160 Inércia Z HEB 180 Inércia Z HEB 200 Inércia Z 1 9,46 9,18 8,44 8,21 7,53 6,75 6,44 8,92 9,10 8,24 7,39 6,54 6,18 9,07 9,53 9,00 8,97 8,14 7,53 1,5 13,47 13,51 14,02 13,53 12,72 11,46 10,37 14,03 13,31 13,42 11,80 11,07 9,85 12,96 13,41 13,79 13,60 13,33 12,18 2 18,18 18,80 18,24 19,16 17,73 16,13 15,33 17,95 18,10 19,17 16,89 14,97 14,00 17,51 17,77 17,66 17,98 19,12 17,96 2,5 22,10 22,06 21,91 22,78 24,00 20,75 19,09 22,86 23,48 22,95 22,51 20,58 19,02 22,75 21,86 22,51 23,35 22,51 23,24 3 25,93 27,02 26,98 26,71 27,64 25,67 24,62 26,26 27,14 26,85 27,57 24,91 22,38 26,24 26,36 27,38 27,78 26,51 28,51 3,5 32,18 31,91 32,97 31,61 31,46 31,06 29,05 30,68 30,83 31,67 33,66 29,64 27,92 32,18 31,84 30,82 30,58 31,32 31,01 4 35,06 34,94 37,32 36,39 35,15 37,30 33,55 34,58 35,91 36,19 37,21 35,98 32,59 35,78 34,69 35,29 35,97 37,69 35,72 4,5 39,15 39,78 39,24 42,77 40,57 43,30 40,58 40,80 40,69 42,58 40,39 41,12 37,66 39,71 39,80 39,29 40,64 42,41 40,43 5 45,47 43,52 44,25 46,57 45,98 46,51 44,74 45,23 45,62 47,02 44,57 47,79 41,73 45,72 45,14 43,18 45,76 43,96 45,01 5,5 48,80 47,56 49,44 48,26 52,20 49,10 50,72 47,90 48,46 48,50 48,74 52,82 48,00 47,96 48,13 49,85 49,42 48,45 50,78 6 52,51 54,18 54,13 52,85 56,74 53,99 57,49 52,21 52,68 52,71 54,17 55,81 53,48 52,46 53,88 54,92 52,57 53,86 56,89 6,5 58,93 59,75 59,25 58,19 58,18 57,53 62,25 58,34 57,45 57,93 58,48 58,63 58,71 58,01 59,83 57,04 57,41 58,23 61,69 7 64,36 61,88 63,74 62,64 60,77 61,66 65,13 63,53 61,20 62,82 65,38 63,00 64,52 62,03 64,39 60,81 61,21 63,14 63,06 7,5 68,93 65,04 66,82 67,68 66,17 67,74 68,32 66,26 64,80 67,53 71,22 67,46 71,78 66,91 67,18 65,14 65,07 68,54 65,46 8 71,62 69,67 70,05 72,61 71,67 71,97 71,44 70,04 69,63 72,55 76,20 70,17 76,95 71,91 70,68 72,13 69,11 72,84 70,38 8,5 75,11 74,86 74,49 77,68 76,27 77,05 76,35 76,36 76,10 77,78 77,91 75,67 80,89 76,67 74,97 77,27 75,20 76,06 75,39 9 79,39 81,88 79,56 81,41 80,83 84,12 80,11 82,07 82,74 81,74 79,82 81,28 83,72 80,83 81,34 79,85 82,10 78,44 80,92 9,5 85,79 85,75 83,04 83,62 85,80 89,82 82,96 87,62 86,61 84,43 82,55 85,56 86,87 84,52 86,85 83,11 87,44 83,42 85,03 10 91,51 88,48 86,86 87,58 91,29 95,13 89,59 91,96 88,53 87,32 88,06 90,00 88,79 87,27 89,17 87,77 90,01 88,41 90,10 8 Anexo 6 Perfis Massa SHS 100x100 x6,3 SHS 120x120 x6,3 SHS 140x140 x8 SHS 150x150 x8 SHS 160x160 x8 SHS 180x180 x10 SHS 200x200 x10 HEB 100 Inércia Y HEB 120 Inércia Y HEB 140 Inércia Y HEB 160 Inércia Y HEB 180 Inércia Y HEB 200 Inércia Y HEB 100 Inércia Z HEB 120 Inércia Z HEB 140 Inércia Z HEB 160 Inércia Z HEB 180 Inércia Z HEB 200 Inércia Z 1 15,96 15,17 14,41 13,72 12,15 10,89 9,89 15,02 15,29 13,69 11,75 10,31 9,30 14,97 15,81 14,67 15,10 13,70 11,99 1,5 22,57 22,68 23,96 22,92 21,57 17,90 16,94 23,13 22,00 22,80 19,32 17,57 15,56 21,66 22,69 23,45 22,47 22,45 20,56 2 29,95 30,92 30,16 31,84 29,93 26,71 24,01 30,07 30,39 31,84 28,76 24,01 22,98 25,81 29,84 29,95 30,22 31,24 30,45 2,5 37,30 37,38 37,01 37,65 39,75 35,44 30,98 37,53 39,74 37,95 38,16 34,22 29,88 29,71 36,99 37,61 39,65 36,72 40,00 3 43,34 44,68 45,30 44,46 45,87 43,66 41,16 44,45 45,52 44,50 47,34 42,53 35,93 33,01 43,74 45,13 46,05 44,77 46,71 3,5 52,21 52,40 55,74 52,93 51,87 52,38 49,61 51,91 52,16 53,15 55,71 50,49 45,89 37,01 50,03 52,17 51,46 52,68 51,15 4 51,91 59,37 61,60 61,70 59,52 63,92 57,30 57,80 60,57 60,97 61,70 60,89 54,62 39,20 49,62 59,18 60,17 63,72 59,30 4,5 53,80 67,21 66,40 71,92 68,10 71,57 68,79 67,30 67,16 71,86 65,84 69,47 64,26 41,40 52,96 66,53 66,98 69,72 67,95 5 59,44 73,64 74,78 76,93 78,22 77,18 75,28 70,62 74,84 77,33 74,11 79,62 71,62 43,42 58,08 72,07 75,01 74,52 75,56 5,5 61,86 79,24 83,18 81,69 87,91 81,06 88,12 69,41 82,00 82,29 82,19 86,76 81,86 43,83 60,71 82,24 81,94 81,82 86,33 6 66,05 89,57 89,21 89,11 93,20 88,77 95,50 71,95 87,48 88,59 90,78 92,62 90,88 46,36 65,26 86,72 88,58 90,11 95,89 6,5 70,58 94,94 97,76 97,51 98,06 96,38 101,82 76,99 97,24 97,46 98,18 96,75 98,78 49,54 69,13 85,11 96,39 98,16 101,48 7 74,05 94,32 104,87 106,03 103,04 104,31 108,05 81,80 103,62 106,05 111,00 102,72 112,13 51,90 73,57 86,59 103,59 104,40 105,95 7,5 78,52 93,63 111,86 111,54 112,09 113,41 112,91 83,12 108,89 111,75 119,88 111,70 119,44 52,90 74,32 88,86 110,04 112,81 110,89 8 78,68 96,42 118,44 119,97 120,04 120,85 116,71 88,06 115,52 119,58 125,60 118,43 127,34 55,02 75,35 94,96 115,40 119,88 118,21 8,5 79,73 100,05 123,94 127,38 128,80 130,11 125,99 92,44 126,26 127,54 129,84 127,43 132,37 56,57 78,33 99,68 124,32 126,62 127,09 9 82,92 106,98 134,66 134,41 134,70 142,81 133,38 96,13 134,28 134,75 135,18 136,10 138,99 58,10 79,94 101,20 134,66 133,82 135,39 9,5 84,45 110,33 140,53 141,60 141,78 151,62 140,58 100,30 136,29 141,74 139,90 143,69 143,62 59,97 82,43 104,92 139,70 138,25 143,59 10 87,12 111,22 146,96 147,95 150,45 158,32 150,66 104,86 135,38 148,48 148,22 151,07 145,78 60,83 82,40 109,48 139,87 148,52 148,73 9 Anexo 7 Perfis Massa SHS 100x100 x6,3 SHS 120x120 x6,3 SHS 140x140 x8 SHS 150x150 x8 SHS 160x160 x8 SHS 180x180 x10 SHS 200x200 x10 HEB 100 Inércia Y HEB 120 Inércia Y HEB 140 Inércia Y HEB 160 Inércia Y HEB 180 Inércia Y HEB 200 Inércia Y HEB 100 Inércia Z HEB 120 Inércia Z HEB 140 Inércia Z HEB 160 Inércia Z HEB 180 Inércia Z HEB 200 Inércia Z 1 5,00 4,66 3,89 3,69 3,53 3,16 2,98 5,00 4,22 3,68 3,31 3,06 2,87 5,00 5,00 4,78 4,19 3,77 3,46 1,5 7,51 7,51 6,47 6,11 5,80 5,12 4,79 7,51 7,08 6,09 5,40 4,94 4,59 7,51 7,51 7,51 7,02 6,25 5,68 2 10,01 10,01 9,34 8,78 8,31 7,27 6,76 10,01 10,01 8,75 7,70 6,98 6,45 10,01 10,01 10,01 10,01 9,00 8,13 2,5 12,51 12,51 12,46 11,68 11,03 9,57 8,86 12,51 12,51 11,64 10,17 9,17 8,42 12,51 12,51 12,51 12,51 11,99 10,76 3 15,01 15,01 15,01 14,78 13,93 12,00 11,07 15,01 15,01 14,73 12,79 11,48 10,50 15,01 15,01 15,01 15,01 15,01 13,58 3,5 17,51 17,51 17,51 17,51 16,99 14,56 13,39 17,51 17,51 17,51 15,56 13,91 12,66 17,51 17,51 17,51 17,51 17,51 16,55 4 20,02 20,02 20,02 20,02 20,02 17,24 15,81 20,02 20,02 20,02 18,46 16,44 14,92 20,02 20,02 20,02 20,02 20,02 19,67 4,5 22,52 22,52 22,52 22,52 22,52 20,03 18,32 22,52 22,52 22,52 21,48 19,07 17,26 22,52 22,52 22,52 22,52 22,52 22,52 5 25,02 25,02 25,02 25,02 25,02 22,91 20,91 25,02 25,02 25,02 24,62 21,79 19,67 25,02 25,02 25,02 25,02 25,02 25,02 5,5 27,52 27,52 27,52 27,52 27,52 25,90 23,59 27,52 27,52 27,52 27,52 24,60 22,16 27,52 27,52 27,52 27,52 27,52 27,52 6 30,02 30,02 30,02 30,02 30,02 28,97 26,35 30,02 30,02 30,02 30,02 27,50 24,71 30,02 30,02 30,02 30,02 30,02 30,02 6,5 32,53 32,53 32,53 32,53 32,53 32,14 29,18 32,53 32,53 32,53 32,53 30,47 27,33 32,53 32,53 32,53 32,53 32,53 32,53 7 35,03 35,03 35,03 35,03 35,03 35,03 32,08 35,03 35,03 35,03 35,03 33,53 30,02 35,03 35,03 35,03 35,03 35,03 35,03 7,5 37,53 37,53 37,53 37,53 37,53 37,53 35,05 37,53 37,53 37,53 37,53 36,66 32,76 37,53 37,53 37,53 37,53 37,53 37,53 8 40,03 40,03 40,03 40,03 40,03 40,03 38,08 40,03 40,03 40,03 40,03 39,86 35,57 40,03 40,03 40,03 40,03 40,03 40,03 8,5 42,53 42,53 42,53 42,53 42,53 42,53 41,19 42,53 42,53 42,53 42,53 42,53 38,43 42,53 42,53 42,53 42,53 42,53 42,53 9 45,03 45,03 45,03 45,03 45,03 45,03 44,35 45,03 45,03 45,03 45,03 45,03 41,35 45,03 45,03 45,03 45,03 45,03 45,03 9,5 47,54 47,54 47,54 47,54 47,54 47,54 47,54 47,54 47,54 47,54 47,54 47,54 44,32 47,54 47,54 47,54 47,54 47,54 47,54 10 50,04 50,04 50,04 50,04 50,04 50,04 50,04 50,04 50,04 50,04 50,04 50,04 47,34 50,04 50,04 50,04 50,04 50,04 50,04 10 Anexo 8 Perfis Massa SHS 100x100 x6,3 SHS 120x120 x6,3 SHS 140x140 x8 SHS 150x150 x8 SHS 160x160 x8 SHS 180x180 x10 SHS 200x200 x10 HEB 100 Inércia Y HEB 120 Inércia Y HEB 140 Inércia Y HEB 160 Inércia Y HEB 180 Inércia Y HEB 200 Inércia Y HEB 100 Inércia Z HEB 120 Inércia Z HEB 140 Inércia Z HEB 160 Inércia Z HEB 180 Inércia Z HEB 200 Inércia Z 1 8,51 7,76 6,09 5,66 5,30 4,50 4,12 8,51 6,81 5,64 4,83 4,28 3,87 8,51 8,51 8,03 6,74 5,83 5,16 1,5 12,76 12,76 10,51 9,73 9,07 7,60 6,89 12,76 11,83 9,69 8,20 7,20 6,44 12,76 12,76 12,76 11,71 10,03 8,80 2 17,01 17,01 15,57 14,35 13,34 11,08 9,98 17,01 17,01 14,29 12,01 10,46 9,30 17,01 17,01 17,01 17,01 14,83 12,93 2,5 21,27 21,27 21,16 19,47 18,06 14,89 13,36 21,27 21,27 19,38 16,19 14,03 12,41 21,27 21,27 21,27 21,27 20,13 17,49 3 25,52 25,52 25,52 25,02 23,17 19,00 16,99 25,52 25,52 24,91 20,71 17,87 15,73 25,28 25,52 25,52 25,52 25,52 22,41 3,5 29,77 29,77 29,77 29,77 28,63 23,38 20,84 29,77 29,77 29,77 25,54 21,96 19,27 28,68 29,77 29,77 29,77 29,77 27,68 4 34,03 34,03 34,03 34,03 34,03 28,01 24,91 34,03 34,03 34,03 30,65 26,27 22,99 30,86 34,03 34,03 34,03 34,03 33,27 4,5 38,28 38,28 38,28 38,28 38,28 32,88 29,18 38,28 38,28 38,28 36,03 30,80 26,88 32,68 38,28 38,28 38,28 38,28 38,28 5 42,53 42,53 42,53 42,53 42,53 37,97 33,64 42,53 42,53 42,53 41,66 35,54 30,94 34,28 42,53 42,53 42,53 42,53 42,53 5,5 46,79 46,79 46,79 46,79 46,79 43,27 38,27 46,79 46,79 46,79 46,79 40,46 35,16 35,89 46,55 46,79 46,79 46,79 46,79 6 50,59 51,04 51,04 51,04 51,04 48,77 43,07 51,04 51,04 51,04 51,04 45,57 39,53 37,53 50,22 51,04 51,04 51,04 51,04 6,5 54,24 55,29 55,29 55,29 55,29 54,46 48,03 55,29 55,29 55,29 55,29 50,85 44,04 39,13 53,74 55,29 55,29 55,29 55,29 7 57,45 59,55 59,55 59,55 59,55 59,55 53,15 59,55 59,55 59,55 59,55 56,30 48,69 40,55 56,07 59,55 59,55 59,55 59,55 7,5 59,74 63,80 63,80 63,80 63,80 63,80 58,42 63,77 63,80 63,80 63,80 61,91 53,47 41,81 58,20 63,80 63,80 63,80 63,80 8 61,85 68,05 68,05 68,05 68,05 68,05 63,84 67,48 68,05 68,05 68,05 67,68 58,38 43,23 60,14 68,05 68,05 68,05 68,05 8,5 63,77 72,31 72,31 72,31 72,31 72,31 69,39 71,14 72,31 72,31 72,31 72,31 63,42 44,52 61,88 72,31 72,31 72,31 72,31 9 65,50 76,56 76,56 76,56 76,56 76,56 75,08 74,75 76,56 76,56 76,56 76,56 68,57 45,87 63,45 76,56 76,56 76,56 76,56 9,5 67,07 80,81 80,81 80,81 80,81 80,81 80,81 77,50 80,81 80,81 80,81 80,81 73,84 47,17 65,09 80,42 80,81 80,81 80,81 10 68,69 85,07 85,07 85,07 85,07 85,07 85,07 79,77 85,07 85,07 85,07 85,07 79,23 48,32 66,75 84,11 85,07 85,07 85,07 11 Anexo 9 Perfis Massa SHS 100x100 x6,3 SHS 120x120 x6,3 SHS 140x140 x8 SHS 150x150 x8 SHS 160x160 x8 SHS 180x180 x10 SHS 200x200 x10 HEB 100 Inércia Y HEB 120 Inércia Y HEB 140 Inércia Y HEB 160 Inércia Y HEB 180 Inércia Y HEB 200 Inércia Y HEB 100 Inércia Z HEB 120 Inércia Z HEB 140 Inércia Z HEB 160 Inércia Z HEB 180 Inércia Z HEB 200 Inércia Z 1 8,55 8,54 8,03 7,54 7,14 6,24 5,80 8,55 8,51 7,52 6,61 5,99 5,53 8,55 8,55 8,54 8,51 7,73 6,98 1,5 12,83 12,83 12,77 12,71 11,97 10,31 9,50 12,83 12,81 12,66 10,99 9,86 9,01 12,83 12,83 12,83 12,81 12,76 11,67 2 17,11 17,11 17,07 17,04 17,02 14,81 13,58 17,11 17,11 17,04 15,86 14,12 12,81 17,11 17,11 17,11 17,11 17,05 16,90 2,5 21,38 21,38 21,38 21,34 21,30 19,69 17,96 21,38 21,38 21,34 21,16 18,72 16,89 21,38 21,38 21,38 21,38 21,36 21,29 3 25,66 25,66 25,66 25,65 25,60 24,90 22,63 25,66 25,66 25,65 25,54 23,63 21,22 25,66 25,66 25,66 25,66 25,66 25,58 3,5 29,93 29,93 29,93 29,93 29,91 29,78 27,56 29,93 29,93 29,93 29,83 28,82 25,79 29,93 29,93 29,93 29,93 29,93 29,89 4 34,21 34,21 34,21 34,21 34,21 34,07 32,73 34,21 34,21 34,21 34,13 34,02 30,56 34,21 34,21 34,21 34,21 34,21 34,20 4,5 38,49 38,49 38,49 38,49 38,49 38,36 38,12 38,49 38,49 38,49 38,44 38,31 35,53 38,49 38,49 38,49 38,49 38,49 38,49 5 42,76 42,76 42,76 42,76 42,76 42,66 42,55 42,76 42,76 42,76 42,76 42,60 40,69 42,76 42,76 42,76 42,76 42,76 42,76 5,5 47,04 47,04 47,04 47,04 47,04 46,96 46,83 47,04 47,04 47,04 47,04 46,89 46,03 47,04 47,04 47,04 47,04 47,04 47,04 6 51,32 51,32 51,32 51,32 51,32 51,27 51,12 51,32 51,32 51,32 51,32 51,19 51,04 51,32 51,32 51,32 51,32 51,32 51,32 6,5 55,59 55,59 55,59 55,59 55,59 55,59 55,42 55,59 55,59 55,59 55,59 55,49 55,32 55,59 55,59 55,59 55,59 55,59 55,59 7 59,87 59,87 59,87 59,87 59,87 59,87 59,72 59,87 59,87 59,87 59,87 59,80 59,61 59,87 59,87 59,87 59,87 59,87 59,87 7,5 64,14 64,14 64,14 64,14 64,14 64,14 64,02 64,14 64,14 64,14 64,14 64,12 63,90 64,14 64,14 64,14 64,14 64,14 64,14 8 68,42 68,42 68,42 68,42 68,42 68,42 68,33 68,42 68,42 68,42 68,42 68,42 68,19 68,42 68,42 68,42 68,42 68,42 68,42 8,5 72,70 72,70 72,70 72,70 72,70 72,70 72,64 72,70 72,70 72,70 72,70 72,70 72,49 72,70 72,70 72,70 72,70 72,70 72,70 9 76,97 76,97 76,97 76,97 76,97 76,97 76,96 76,97 76,97 76,97 76,97 76,97 76,79 76,97 76,97 76,97 76,97 76,97 76,97 9,5 81,25 81,25 81,25 81,25 81,25 81,25 81,25 81,25 81,25 81,25 81,25 81,25 81,09 81,25 81,25 81,25 81,25 81,25 81,25 10 85,53 85,53 85,53 85,53 85,53 85,53 85,53 85,53 85,53 85,53 85,53 85,53 85,40 85,53 85,53 85,53 85,53 85,53 85,53 12 Anexo 10 Perfis Massa SHS 100x100 x6,3 SHS 120x120 x6,3 SHS 140x140 x8 SHS 150x150 x8 SHS 160x160 x8 SHS 180x180 x10 SHS 200x200 x10 HEB 100 Inércia Y HEB 120 Inércia Y HEB 140 Inércia Y HEB 160 Inércia Y HEB 180 Inércia Y HEB 200 Inércia Y HEB 100 Inércia Z HEB 120 Inércia Z HEB 140 Inércia Z HEB 160 Inércia Z HEB 180 Inércia Z HEB 200 Inércia Z 1 14,54 14,50 13,40 12,36 11,48 9,53 8,58 14,54 14,45 12,30 10,33 8,99 7,99 14,54 14,54 14,52 14,45 12,77 11,13 1,5 21,81 21,81 21,69 21,55 19,94 16,35 14,61 21,81 21,77 21,45 17,83 15,37 13,53 21,51 21,81 21,81 21,76 21,67 19,29 2 29,08 29,08 29,01 28,94 28,89 24,11 21,44 29,08 29,08 28,94 26,39 22,61 19,77 26,00 29,08 29,08 29,08 28,97 28,65 2,5 36,35 36,35 36,35 36,26 36,18 32,69 28,95 36,35 36,35 36,26 35,87 30,59 26,62 29,03 36,35 36,35 36,35 36,30 36,16 3 43,04 43,62 43,62 43,61 43,50 41,99 37,07 43,62 43,62 43,60 43,37 39,23 34,02 31,97 42,73 43,62 43,62 43,62 43,46 3,5 48,40 50,89 50,89 50,89 50,84 50,56 45,76 50,89 50,89 50,89 50,67 48,47 41,91 34,53 47,23 50,89 50,89 50,89 50,79 4 52,11 58,16 58,16 58,16 58,16 57,85 54,96 57,41 58,16 58,16 57,99 57,77 50,26 36,88 50,67 58,16 58,16 58,16 58,14 4,5 55,20 65,43 65,43 65,43 65,43 65,15 64,65 63,25 65,43 65,43 65,33 65,05 59,03 39,17 53,58 65,25 65,43 65,43 65,43 5 58,18 72,38 72,70 72,70 72,70 72,47 72,24 67,20 72,70 72,70 72,68 72,34 68,22 41,13 56,57 71,57 72,70 72,70 72,70 5,5 61,00 78,70 79,97 79,97 79,97 79,80 79,53 70,70 79,97 79,97 79,97 79,65 77,78 45,10 59,53 77,32 79,97 79,97 79,97 6 64,06 84,54 87,24 87,24 87,24 87,14 86,83 73,74 87,24 87,24 87,24 86,96 86,65 49,08 62,39 81,32 87,24 87,24 87,24 6,5 66,83 88,58 94,51 94,51 94,51 94,50 94,14 76,67 94,51 94,51 94,51 94,29 93,93 53,05 64,89 84,95 94,51 94,51 94,51 7 69,22 92,28 101,78 101,78 101,78 101,78 101,46 79,64 101,62 101,78 101,78 101,63 101,22 57,02 67,19 88,18 101,78 101,78 101,78 7,5 71,57 95,62 109,05 109,05 109,05 109,05 108,78 82,51 107,98 109,05 109,05 108,99 108,52 60,99 69,58 91,08 108,36 109,05 109,05 8 73,92 98,64 116,32 116,32 116,32 116,32 116,12 85,55 114,26 116,32 116,32 116,32 115,82 64,96 71,86 94,08 114,67 116,32 116,32 8,5 76,20 101,46 123,59 123,59 123,59 123,59 123,47 88,36 120,33 123,59 123,59 123,59 123,14 68,93 74,15 97,06 120,89 123,59 123,59 9 78,50 104,57 130,86 130,86 130,86 130,86 130,83 90,92 124,47 130,86 130,86 130,86 130,46 72,91 76,24 99,81 125,93 130,86 130,86 9,5 80,58 107,45 138,13 138,13 138,13 138,13 138,13 93,20 128,37 138,13 138,13 138,13 137,79 76,88 78,10 102,93 129,96 138,13 138,13 10 82,46 110,30 144,61 145,39 145,39 145,39 145,39 95,58 132,04 145,39 145,39 145,39 145,12 80,84 82,06 105,87 133,75 145,39 145,39