Assessing tall building oscillation is a multidisciplinary area involving knowledge from different fields of study: structural engineering, wind engineering, reliability, and even human physiology, to name a few. With the modern high strength structural materials and the latest tendencies in tall buildings construction, new structural systems have become slender and new buildings have reached greater heights as time passes. This context leads to a situation where these slender structures are sensitive to dynamic effects from wind loads and where human comfort is often the prevailing criterion for the structural design. This multidisciplinary area with slender structural systems allied to economic and environmental aspects from building construction demands a better integration between the abovementioned fields in order to achieve both human comfort and sustainable buildings (from environmental and economic points of view). This thesis aims at connecting the \"weak links\" of the Davenport\'s chain of wind loading, discussing criteria from each field involved in the oscillation assessment of a tall building: dynamic analysis, finite element modelling, wind climate modelling and comfort assessment. The axis of investigation intends to bring precision to the procedure, whilst creating a reliable set of criteria to perform a dynamic response assessment from the wind tunnel testing of tall buildings. This thesis also aims at connecting these fields of study by bringing understanding from each one of them to all the others, and at validating multidisciplinary interactions in the Davenport\'s chain. Finally, a wide dispersion of results is obtained for two different tall buildings in São Paulo. This dispersion serves to corroborate the deficient integration between these fields of study and to present a set of criteria that brings precision to the procedure, whilst allowing more economic and sustainable designs. / O estudo das oscilações de edifícios altos sob ação do vento é uma área multidisciplinar que envolve conhecimentos de diferentes campos de estudo: engenharia estrutural, engenharia de vento, confiabilidade e até fisiologia humana, para citar apenas alguns. Em paralelo, a criação de novos materiais de construção de alta resistência, aliados às últimas tendências na construção de edifícios altos, permite sistemas estruturais cada vez mais esbeltos aplicados a edifícios cada vez mais altos. Este contexto leva a uma situação em que estes sistemas estruturais são sensíveis aos efeitos dinâmicos das cargas de vento e onde o conforto humano é frequentemente o critério preponderante para o projeto estrutural. Esta área multidisciplinar, com seus sistemas estruturais esbeltos, aliada aos aspectos econômicos e ambientais da construção de edifícios altos, exige uma melhor integração entre os campos acima referidos para se alcançar conforto humano em edifícios sustentáveis (tanto do ponto de vista ambiental quanto do econômico). Esta tese tem como eixo de investigação os \"elos fracos\" da corrente de cargas de vento de Davenport e discute os critérios de cada campo envolvido na avaliação das oscilações de um edifício alto: análise dinâmica, modelagem de elementos finitos, modelagem probabilística de vento e avaliação de conforto. O eixo de investigação proposto visa a trazer precisão ao procedimento, criando um conjunto de critérios confiáveis para a avaliação da resposta dinâmica a partir de ensaios em túnel de vento de edifícios altos. Esta tese também visa a conectar estes campos de estudo, trazendo a compreensão de cada um deles para todos os outros e para validar as interações multidisciplinares na corrente de Davenport. Finalmente, uma grande dispersão de resultados é obtida para dois edifícios altos em São Paulo. Esta dispersão serve para corroborar a deficiência da integração entre estes campos de estudo e para apresentar um conjunto de critérios que traga precisão ao procedimento, permitindo, concomitantemente, projetos mais econômicos e sustentáveis.

Atualmente, problemas de interação fluido-estrutura representam um grande desafio em diferentes áreas de engenharia e ciências aplicadas. Dentro das aplicações de engenharia civil, a ação do vento sobre estruturas tem grande relevância principalmente na avaliação de instabilidades elásticas de estruturas muito flexíveis, como pontes e estruturas de membrana. Este trabalho introduz os conceitos principais das estruturas de membrana e da ação do vento em estruturas. A ação do vento em estruturas de membrana será apresentada em capítulo à parte, através de aplicações computacionais para problemas de fluidodinâmica. A ação do vento em estruturas é tratada de forma consistente com as prescrições da norma técnica da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 6123 Forças devidas ao Vento em Edificações, a qual está vigente desde Junho de 1988. Ainda, foi apresentado breve resumo sobre análise dinâmica do vento através de modelos reduzidos em túneis de vento. Devido às estruturas de membrana possuírem formas incomuns e comportamento estrutural diferenciado com relação às estruturas convencionais, as forças devido à ação do vento nestas estruturas não fazem parte do escopo da NBR 6123. Utilizando-se dos conceitos básicos e benchmarks da norma supracitada, a análise fluido-dinâmica das aplicações será tratada computacionalmente. As leis físicas e equações gerais para solução deste tipo de problema são apresentadas em concordância com o software utilizado. Neste trabalho a ação do vento em estruturas de membrana foi solucionada com acoplamento parcial em algumas aplicações tridimensionais, fazendo-se uso do software Ansys versão 11. Aqui entende-se por acoplamento parcial a tratativa do vento e da estrutura em domínios separados. Em primeira análise, foram obtidas as pressões de vento sobre uma malha de elementos infinitamente rígidos e indeslocáveis com a forma geométrica da membrana. As pressões foram então aplicadas sobre a estrutura, obtendo-se deslocamentos e tensões estáticas. Atualizando-se o domínio do vento para a nova geometria, novos processamentos foram realizados sucessivamente até que a variação de tensões ou das pressões na estrutura fosse desprezível. / Currently, problems of fluid-structure interaction represent a major challenge in different areas of engineering and applied sciences. Within the civil engineering applications, the action of wind on structures has great importance particularly in the evaluation of elastic instabilities of very flexible structures such as bridges and tension membrane structures. This work introduces the main concepts of tension membrane structures and wind acting on structures. The fluid-dynamic analysis are presented in a separate chapter, focused on computational applications. The wind acting on structures is treated consistently with the prescriptions of the national code ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnics Brazilian Technical Standards Association) NBR 6123 - Wind Forces on Buildings, issued on June 1988. Still, a brief summary was presented on the dynamic analysis of wind using wind tunnels. As tension membrane structures having unusual shapes and different structural behavior compared to conventional structures, the forces due to wind action on membranes are not part of the scope of NBR 6123. Using the basic concepts and benchmarks available, the fluid-dynamics for the applications are treated computationally. The general physical laws and equations for solving this problem are presented in accordance with the software. The wind acting on membrane structures was solved with partial coupling in some three-dimensional applications, using Ansys v.11 software. Here, partial coupling means solving wind problem and structure problem separately. In the first analysis, the wind problem is solved obtaining pressures over a rigid mesh with the geometric shape of the membrane structure. These pressures are then applied on the membrane, resulting on static displacements and stresses. Updating the domains to the new geometry, other analysis are run until the change over the structural tensions is negligible.

Por uma escolha política e economicamente pragmática, o Brasil optou por desenvolver a telefonia celular, com intenção de abreviar uma etapa de desenvolvimento. Tomada a decisão, a implantação foi feita num ritmo explosivo a partir da década de 1990, com instalação de dezenas de milhares de estações. Apesar da disparidade de custo entre os sistemas eletrônicos e as obras civis, pouco se investiu na engenharia estrutural envolvida, resultando em projetos e construções realizados com metodologia duvidosa e na herança de uma grande quantidade de problemas estruturais. Represada por considerações de ordem ambiental e estética, a instalação indiscriminada de torres, vive-se uma nova demanda para a engenharia estrutural na análise do aproveitamento dos locais existentes para suporte de novas cargas. Nesse sentido, o que se observa, via de regra, são estruturas compostas apenas de um poste em balanço de análise enganosamente simples. O que se esquece, quase sempre, é a extraordinária esbelteza desses elementos, que ao engenheiro deveria sugerir a imediata necessidade de considerar a não-linearidade geométrica forçosamente existente. Além disso, o carregamento mais importante e dominante é o do vento, de características eminentemente dinâmicas e aleatórias, desaconselhando análises estáticas ou dinâmicas determinísticas, preconizadas em Normas. Assim que, o objetivo deste trabalho é avaliar a influência da rigidez geométrica na resposta dinâmica de estruturas esbeltas sujeitas à excitação de vento. Para tanto, foi desenvolvido um modelo matemático simplificado, com características dinâmicas estabelecidas por uma técnica tipo Rayleigh, que evidencia a presença significativa da não-linearidade geométrica devida à esbelteza das peças. Para a validação dos resultados teóricos foi realizado um conjunto de ensaios dinâmicos em laboratório com modelos de barras e monitorada uma estrutura real em campo. A formulação proposta também foi aferida por métodos analíticos e numéricos como a solução de Euler para a carga crítica de flambagem e o Método dos Elementos Finitos. Os resultados obtidos validaram a proposta para o cálculo da freqüência fundamental de vibração de estruturas em balanço. A influência da rigidez geométrica na resposta das estruturas sob ação de vento foi também avaliada por meio de cálculos comparativos utilizando os modelos preconizados pela norma brasileira. Verificou-se que, dependendo das cargas existentes, a consideração da rigidez geométrica pode ter significativo efeito redutor na capacidade de os postes de telecomunicações possuírem área de exposição ao vento para a instalação de antenas. / Due to a politically and economically pragmatic decision, Brazil has chosen to intensely develop its cellular phone system, in order to bypass a stage of development. Once the decision has been taken, implementation was set in an explosive pace in the 1990s decade by installing tens of thousands of stations. As the electronic systems are usually more expensive than the civil constructions, very little has been invested on the involved structural engineering, resulting in designs and constructions done with doubtful methodologies and in the heritage of great amounts of structural problems. Impounded by esthetical and environmental considerations, the indiscriminate installation of towers occurs. Thus, there is a new demand for the structural engineering in the analysis of the utilization of existing installation sites for bearing new loads. In this manner, what it can usually be observed are structures composed of just one cantilever pole of misleading simple analysis. What it is quite often ignored is the extraordinary slenderness of these elements, which should suggest to the designer the immediately necessity to consider the intrinsic existing geometric nonlinearity. Moreover, the wind is the most important and dominant load, of dynamic and random nature, misadvising either static or deterministic dynamic analysis, usually recommended by Codes and Standards. In doing so, the objective of this thesis is to evaluate the influence of the geometric stiffness on the dynamic response of slender structures subjected to wind excitation. As a first step, a simplified analytical model was developed, with dynamic characteristics established by a Rayleigh type technique, which enhances the intrinsic existing geometric nonlinearity due to the slenderness of the elements. As a second step, for validating the theoretically obtained results, a series of dynamic tests was carried out in laboratory, using models of cantilever bars, and a real structure was monitored in the field. The proposed analytical model was also checked by other analytical and numerical methods, such as the Eulers solution for the critical buckling load and the Finite Element Method. The influence of the geometric stiffness in the structure response to wind loads was also evaluated by comparative calculations among the different models recommended by the Brazilian Wind Code. It was verified that, depending on the existing loads, the consideration of geometric stiffness can have significant reductive effect on the capacity of the telecommunication poles have exposition area to wind for installation of antennas.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-23T14:07:45Z No. of bitstreams: 1 157512.pdf: 2081126 bytes, checksum: c0e9dc2ce6d5265e4451dc3296f1d762 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-23T14:07:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 157512.pdf: 2081126 bytes, checksum: c0e9dc2ce6d5265e4451dc3296f1d762 (MD5) Previous issue date: 1982-07 / A maioria das pesquisas publicadas, usa uma versão linearizada do modelo matemático que descreve a dinâmica das oscilações de sub-vão. O problema é sempre reduzido a um problema de “flutter” e qualquer definição sobre as amplitudes dos ciclos limite e sua estabilidade é impossível, através deste enfoque. O presente trabalho, ataca o problema, usando uma análise não linear. Os coeficientes de sustentação e de arraste de um cilindro, dentro da esteira de um outro, são representados por modelos matemáticos, a partir de resultados experimentais obtidos em túnel de vento. Os coeficientes do modelo são escolhidos de forma a fornecerem a melhor representação dos dados, numa região de interesse. As partes lineares das expressões para CL e CD foram usadas para conduzir uma investigação preliminar a fim de determinar as regiões de estabilidade e as velocidades críticas do vento. O modelo utilizado, é não linear e uma análise não linear foi adotada, empregando o método das múltiplas escalas de tempo e a aproximação assintótica de Krylov e Bogoliubov. As expressões para CL e CD foram posteriormente representadas por polinômios de segunda ordem. Eles foram usados, para estudar os ciclos limite e determinar sua estabilidade. Um balanço harmônico sobre o modelo matemático, também provou ser adequado a esta investigação. Algumas simulações, digitais e analógicas foram tentadas, para verificar as previsões analíticas e uma boa concordância foi encontrada. / The majority of the published research used a linearized version of the mathematical model describing the dynamics of sub-span oscillations. The problem was always reduced to a flütter-problem. A definition for the amplitude of the limit cycle and its stability were not possible using this linearized approach. This investigation attacks the problem using nonlinear analysis. The lift and drag coefficients of a cylinder in the wake of another are represented by mathematical models using experimental data which are available from wind-tunnel tests. The coefficients of the model are chosen to give the best representition of the data in the range of interest. The linear parts of the expressions for CL and CD were then used to conduct a preliminary investigation to determine the stability zones as well as the critical wind velocities. The used model was nonlinear and a nonlinear analysis was adopted using multiple-time scale and the asymptotic approximations of Kryloff and Bogoliuboff. The expressions for CL and CD were next represented by second arder polynomials. These were used to study the Limit cycles and, to determine their stability. A harmonic balance proved to be adequate for this investigation. Digital and analog simulation were tried to verify the mathematical predictions. The agreement in trends was confirmed.

Por uma escolha política e economicamente pragmática, o Brasil optou por desenvolver a telefonia celular, com intenção de abreviar uma etapa de desenvolvimento. Tomada a decisão, a implantação foi feita num ritmo explosivo a partir da década de 1990, com instalação de dezenas de milhares de estações. Apesar da disparidade de custo entre os sistemas eletrônicos e as obras civis, pouco se investiu na engenharia estrutural envolvida, resultando em projetos e construções realizados com metodologia duvidosa e na herança de uma grande quantidade de problemas estruturais. Represada por considerações de ordem ambiental e estética, a instalação indiscriminada de torres, vive-se uma nova demanda para a engenharia estrutural na análise do aproveitamento dos locais existentes para suporte de novas cargas. Nesse sentido, o que se observa, via de regra, são estruturas compostas apenas de um poste em balanço de análise enganosamente simples. O que se esquece, quase sempre, é a extraordinária esbelteza desses elementos, que ao engenheiro deveria sugerir a imediata necessidade de considerar a não-linearidade geométrica forçosamente existente. Além disso, o carregamento mais importante e dominante é o do vento, de características eminentemente dinâmicas e aleatórias, desaconselhando análises estáticas ou dinâmicas determinísticas, preconizadas em Normas. Assim que, o objetivo deste trabalho é avaliar a influência da rigidez geométrica na resposta dinâmica de estruturas esbeltas sujeitas à excitação de vento. Para tanto, foi desenvolvido um modelo matemático simplificado, com características dinâmicas estabelecidas por uma técnica tipo Rayleigh, que evidencia a presença significativa da não-linearidade geométrica devida à esbelteza das peças. Para a validação dos resultados teóricos foi realizado um conjunto de ensaios dinâmicos em laboratório com modelos de barras e monitorada uma estrutura real em campo. A formulação proposta também foi aferida por métodos analíticos e numéricos como a solução de Euler para a carga crítica de flambagem e o Método dos Elementos Finitos. Os resultados obtidos validaram a proposta para o cálculo da freqüência fundamental de vibração de estruturas em balanço. A influência da rigidez geométrica na resposta das estruturas sob ação de vento foi também avaliada por meio de cálculos comparativos utilizando os modelos preconizados pela norma brasileira. Verificou-se que, dependendo das cargas existentes, a consideração da rigidez geométrica pode ter significativo efeito redutor na capacidade de os postes de telecomunicações possuírem área de exposição ao vento para a instalação de antenas. / Due to a politically and economically pragmatic decision, Brazil has chosen to intensely develop its cellular phone system, in order to bypass a stage of development. Once the decision has been taken, implementation was set in an explosive pace in the 1990s decade by installing tens of thousands of stations. As the electronic systems are usually more expensive than the civil constructions, very little has been invested on the involved structural engineering, resulting in designs and constructions done with doubtful methodologies and in the heritage of great amounts of structural problems. Impounded by esthetical and environmental considerations, the indiscriminate installation of towers occurs. Thus, there is a new demand for the structural engineering in the analysis of the utilization of existing installation sites for bearing new loads. In this manner, what it can usually be observed are structures composed of just one cantilever pole of misleading simple analysis. What it is quite often ignored is the extraordinary slenderness of these elements, which should suggest to the designer the immediately necessity to consider the intrinsic existing geometric nonlinearity. Moreover, the wind is the most important and dominant load, of dynamic and random nature, misadvising either static or deterministic dynamic analysis, usually recommended by Codes and Standards. In doing so, the objective of this thesis is to evaluate the influence of the geometric stiffness on the dynamic response of slender structures subjected to wind excitation. As a first step, a simplified analytical model was developed, with dynamic characteristics established by a Rayleigh type technique, which enhances the intrinsic existing geometric nonlinearity due to the slenderness of the elements. As a second step, for validating the theoretically obtained results, a series of dynamic tests was carried out in laboratory, using models of cantilever bars, and a real structure was monitored in the field. The proposed analytical model was also checked by other analytical and numerical methods, such as the Eulers solution for the critical buckling load and the Finite Element Method. The influence of the geometric stiffness in the structure response to wind loads was also evaluated by comparative calculations among the different models recommended by the Brazilian Wind Code. It was verified that, depending on the existing loads, the consideration of geometric stiffness can have significant reductive effect on the capacity of the telecommunication poles have exposition area to wind for installation of antennas.

Assessing tall building oscillation is a multidisciplinary area involving knowledge from different fields of study: structural engineering, wind engineering, reliability, and even human physiology, to name a few. With the modern high strength structural materials and the latest tendencies in tall buildings construction, new structural systems have become slender and new buildings have reached greater heights as time passes. This context leads to a situation where these slender structures are sensitive to dynamic effects from wind loads and where human comfort is often the prevailing criterion for the structural design. This multidisciplinary area with slender structural systems allied to economic and environmental aspects from building construction demands a better integration between the abovementioned fields in order to achieve both human comfort and sustainable buildings (from environmental and economic points of view). This thesis aims at connecting the \"weak links\" of the Davenport\'s chain of wind loading, discussing criteria from each field involved in the oscillation assessment of a tall building: dynamic analysis, finite element modelling, wind climate modelling and comfort assessment. The axis of investigation intends to bring precision to the procedure, whilst creating a reliable set of criteria to perform a dynamic response assessment from the wind tunnel testing of tall buildings. This thesis also aims at connecting these fields of study by bringing understanding from each one of them to all the others, and at validating multidisciplinary interactions in the Davenport\'s chain. Finally, a wide dispersion of results is obtained for two different tall buildings in São Paulo. This dispersion serves to corroborate the deficient integration between these fields of study and to present a set of criteria that brings precision to the procedure, whilst allowing more economic and sustainable designs. / O estudo das oscilações de edifícios altos sob ação do vento é uma área multidisciplinar que envolve conhecimentos de diferentes campos de estudo: engenharia estrutural, engenharia de vento, confiabilidade e até fisiologia humana, para citar apenas alguns. Em paralelo, a criação de novos materiais de construção de alta resistência, aliados às últimas tendências na construção de edifícios altos, permite sistemas estruturais cada vez mais esbeltos aplicados a edifícios cada vez mais altos. Este contexto leva a uma situação em que estes sistemas estruturais são sensíveis aos efeitos dinâmicos das cargas de vento e onde o conforto humano é frequentemente o critério preponderante para o projeto estrutural. Esta área multidisciplinar, com seus sistemas estruturais esbeltos, aliada aos aspectos econômicos e ambientais da construção de edifícios altos, exige uma melhor integração entre os campos acima referidos para se alcançar conforto humano em edifícios sustentáveis (tanto do ponto de vista ambiental quanto do econômico). Esta tese tem como eixo de investigação os \"elos fracos\" da corrente de cargas de vento de Davenport e discute os critérios de cada campo envolvido na avaliação das oscilações de um edifício alto: análise dinâmica, modelagem de elementos finitos, modelagem probabilística de vento e avaliação de conforto. O eixo de investigação proposto visa a trazer precisão ao procedimento, criando um conjunto de critérios confiáveis para a avaliação da resposta dinâmica a partir de ensaios em túnel de vento de edifícios altos. Esta tese também visa a conectar estes campos de estudo, trazendo a compreensão de cada um deles para todos os outros e para validar as interações multidisciplinares na corrente de Davenport. Finalmente, uma grande dispersão de resultados é obtida para dois edifícios altos em São Paulo. Esta dispersão serve para corroborar a deficiência da integração entre estes campos de estudo e para apresentar um conjunto de critérios que traga precisão ao procedimento, permitindo, concomitantemente, projetos mais econômicos e sustentáveis.

Atualmente, problemas de interação fluido-estrutura representam um grande desafio em diferentes áreas de engenharia e ciências aplicadas. Dentro das aplicações de engenharia civil, a ação do vento sobre estruturas tem grande relevância principalmente na avaliação de instabilidades elásticas de estruturas muito flexíveis, como pontes e estruturas de membrana. Este trabalho introduz os conceitos principais das estruturas de membrana e da ação do vento em estruturas. A ação do vento em estruturas de membrana será apresentada em capítulo à parte, através de aplicações computacionais para problemas de fluidodinâmica. A ação do vento em estruturas é tratada de forma consistente com as prescrições da norma técnica da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 6123 Forças devidas ao Vento em Edificações, a qual está vigente desde Junho de 1988. Ainda, foi apresentado breve resumo sobre análise dinâmica do vento através de modelos reduzidos em túneis de vento. Devido às estruturas de membrana possuírem formas incomuns e comportamento estrutural diferenciado com relação às estruturas convencionais, as forças devido à ação do vento nestas estruturas não fazem parte do escopo da NBR 6123. Utilizando-se dos conceitos básicos e benchmarks da norma supracitada, a análise fluido-dinâmica das aplicações será tratada computacionalmente. As leis físicas e equações gerais para solução deste tipo de problema são apresentadas em concordância com o software utilizado. Neste trabalho a ação do vento em estruturas de membrana foi solucionada com acoplamento parcial em algumas aplicações tridimensionais, fazendo-se uso do software Ansys versão 11. Aqui entende-se por acoplamento parcial a tratativa do vento e da estrutura em domínios separados. Em primeira análise, foram obtidas as pressões de vento sobre uma malha de elementos infinitamente rígidos e indeslocáveis com a forma geométrica da membrana. As pressões foram então aplicadas sobre a estrutura, obtendo-se deslocamentos e tensões estáticas. Atualizando-se o domínio do vento para a nova geometria, novos processamentos foram realizados sucessivamente até que a variação de tensões ou das pressões na estrutura fosse desprezível. / Currently, problems of fluid-structure interaction represent a major challenge in different areas of engineering and applied sciences. Within the civil engineering applications, the action of wind on structures has great importance particularly in the evaluation of elastic instabilities of very flexible structures such as bridges and tension membrane structures. This work introduces the main concepts of tension membrane structures and wind acting on structures. The fluid-dynamic analysis are presented in a separate chapter, focused on computational applications. The wind acting on structures is treated consistently with the prescriptions of the national code ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnics Brazilian Technical Standards Association) NBR 6123 - Wind Forces on Buildings, issued on June 1988. Still, a brief summary was presented on the dynamic analysis of wind using wind tunnels. As tension membrane structures having unusual shapes and different structural behavior compared to conventional structures, the forces due to wind action on membranes are not part of the scope of NBR 6123. Using the basic concepts and benchmarks available, the fluid-dynamics for the applications are treated computationally. The general physical laws and equations for solving this problem are presented in accordance with the software. The wind acting on membrane structures was solved with partial coupling in some three-dimensional applications, using Ansys v.11 software. Here, partial coupling means solving wind problem and structure problem separately. In the first analysis, the wind problem is solved obtaining pressures over a rigid mesh with the geometric shape of the membrane structure. These pressures are then applied on the membrane, resulting on static displacements and stresses. Updating the domains to the new geometry, other analysis are run until the change over the structural tensions is negligible.