Controlo e Monitorização de Vibrações Estruturais
1 Março, 2011.
As vibrações estruturais podem tornar-se bastante indesejáveis em certas situações, pois elas podem originar vários tipos de problemas, tais como fadiga estrutural, transmissão de vibrações a outros sistemas, perturbações sonoras no ambiente de trabalho, etc. No entanto, é possível limitar os seus efeitos, fundamentalmente graças a técnicas de redução de vibrações.
A primeira é a técnica da anulação, sobretudo utilizada para eliminar o ruído provocado pela vibração, e não a vibração em si, e concretiza-se através da criação duma fonte de ruído secundária que emite o negativo do ruído primário, a fim de se conseguir uma anulação das duas fontes. A segunda é o isolamento, que consiste em eliminar a transmissão de vibrações de um sistema para outro, sem no entanto eliminar as vibrações do sistema emissor. Finalmente, o terceiro grupo de técnicas, ditas de atenuação, é utilizado para diminuir as amplitudes de vibração de um sistema. As técnicas de atenuação consistem em reduzir as amplitudes das vibrações estruturais quando as frequências de excitação se encontram próximas das frequências naturais de vibração da estrutura. Em geral, elas podem ser classificadas de técnicas passivas, activas ou híbridas.
As técnicas passivas de amortecimento de vibrações estruturais recorrem à integração de novos materiais ou sistemas na estrutura, os quais possuem qualidades dissipadoras de energia. Quando esses sistemas ou materiais são acoplados à estrutura, eles introduzem um maior amortecimento na estrutura, originando assim um amortecimento passivo, isto é, sem nenhuma intervenção exterior adicional. Os revestimentos constituídos por materiais poliméricos viscoelásticos constituem tratamentos bastante eficientes na redução das amplitudes de ressonância das estruturas em vibração. Esses materiais possuem a característica de passar de um estado de baixa rigidez, a temperaturas elevadas e baixas frequências, para um outro mais rígido, na situação oposta. Assim, na região de transição entre estes dois estados, onde as suas propriedades variam rapidamente, estes materiais são capazes de transformar a energia de deformação em energia térmica, permitindo assim dissipar na forma de calor a energia vibratória da estrutura na qual os revestimentos são aplicados. Este tipo de revestimento foi demonstrado ser bastante mais eficiente quando eles são cobertos por uma camada elástica de rigidez superior, permitindo assim que deformações de corte sejam criadas, o que dá lugar a uma maior dissipação de energia. Esse tipo de revestimento é denominado por revestimento passivo com camada de restrição.
As técnicas activas permitem controlar a vibração em cada instante, recorrendo a actuadores que agem sobre a estrutura segundo uma lei de comando de forma a minimizar e controlar o índice de vibração medido em determinado(s) ponto(s) da estrutura. É o princípio do controlo activo de vibrações. Essas medições são baseadas numa referência, ou são fornecidas recorrendo a sensores que são integrados na estrutura.
No primeiro caso, o sistema é designado por feedforward, enquanto que no segundo é designado por feedback, em que este último se deve ao feedback das medições efectuadas na est1′utura sobre a forma de uma acção de controlo de vibrações.
Uma estrutura contendo actuadores e sensores colados ou integrados e relacionados por um sistema de controlo é dita inteligente ou adaptativa. De facto, as medições efectuadas pelos sensores são tratadas por um sistema de controlo apropriado, que em seguida transmite aos actuadores um sinal capaz de modificar o comportamento da estrutura, adaptando-a ao comportamento pretendido.
Existem diversas formas de construir uma estrutura inteligente a partir de uma estrutura base. Essa concepção consiste em escolher os actuadores, sensores e sistemas de controlo.
Os actuadores e sensores são normalmente fabricados a partir de materiais ditos inteligentes, capazes de produzir uma acção distribuída, obtida pela relação natural entre as suas deformações ou tensões e diversos factores externos como o campo eléctrico, magnético, temperatura, etc. De entre os materiais ditos inteligentes, os mais utilizados na área das estruturas são os cerâmicos e polímeros piezoeléctricos.
Os actuadores construídos a partir de cerâmicas piezoeléctricas à base de Chumbo, Zircónio e Titânio, deformam-se logo que lhes é aplicada uma determinada diferença de potencial eléctrico (efeito inverso), e induzem uma diferença de potencial eléctrico quando são deformados (efeito directo). Esses actuadores fazem parte de uma família de actuadores distribuídos que, contrariamente aos actuadores pontuais, actuam através de forças distribuídas sobre a sua superfície. Esses materiais podem também funcionar como sensores, fornecendo em cada instante um valor médio das deformações da região da estrutura em contacto com a superfície do sensor. No entanto, outros sensores podem ser utilizados, nomeadamente os ditos sensores discretos do tipo acelerómetro ou óptico. O interesse dos actuadores e sensores distribuídos prende-se com o facto de que eles permitem controlar uma banda de frequência larga através de um sistema de controlo que é integrado na estrutura, o que implica um menor atravancamento, uma vez que eles são integrados na estrutura, apenas necessitando de cabos de conexão com o controlador. Nessa classe de controlo existem vários sistemas de controlo integrados que diferem em função da configuração sensor/actuador/estrutura.
A necessidade de sistemas de controlo fiáveis e robustos, como o controlo passivo, e eficazes e comandáveis, como o controlo activo, motivou muito recentemente o desenvolvimento de sistemas de controlo híbrido activo-passivo, utilizando-se no mesmo tratamento materiais viscoelásticos (técnicas passivas) e piezoeléctricos (técnicas activas). O primeiro assegura a fiabilidade e a robustez, pois em caso de mau funcionamento do controlo activo o sistema permanece amortecido, enquanto que o segundo permite melhorar as performances do sistema para as frequências mais baixas. Os dois sistemas de controlo agem assim em complementaridade.
Os actuadores piezoeléctricos considerados até aqui são colados sobre a superfície das estruturas produzindo deformações de membrana logo que eles são accionados por uma diferença de potencial eléctrico.
Nessa configuração, o campo eléctrico imposto e a polarização do material piezoeléctrico têm a mesma direcção (transversal), e o acoplamento electromecânico dá-se pela constante piezoeléctrica em. Esse mecanismo, denominado mecanismo de acção por extensão, constitui a maioria das aplicações dos actuadores piezoeléctricos no controlo de vibrações. No entanto, diversas configurações dos actuadores e sensores são apresentadas na literatura a fim de se estudar a interacção entre eles e a estrutura base.
Porém, o progresso na fabricação de compósitos suscitou um grande interesse pelos actuadores integrados. Assim, são também utilizados actuadores integrados no controlo de vibrações recorrendo à utilização de fibras piezoeléctricas. No entanto, é conhecido que os actuadores por extensão têm uma melhor performance quando eles estão colocados numa posição mais afastada do plano médio da estrutura, introduzindo momentos mais importantes na estrutura. Nesse caso eles ficam mais susceptíveis à rotura uma vez que eles ficam sujeitos a tensões e deformações mais elevadas.
Recentemente, começam a surgir aplicações em que é proposta a utilização de actuadores por efeito de corte. Esses actuadores, contrariamente aos de extensão, são polarizados longitudinalmente por forma a induzirem deformações de corte quando são accionados por um campo eléctrico transversal.
Autor: César Miguel de Almeida Vasques
Excerto Adaptado
Imagens: Farrat, BHRC
