Esse trabalho consiste na determinação das velocidades críticas do vento e das amplitudes das vibrações numa estrutura composta por uma viga engastada suspensa por um estai (cabo), submetida aos efeitos de vento e chuva. Foi considerada a deformação no cabo devido ao carregamento do peso próprio e o acoplamento não-linear das vibrações do cabo e da viga. Três modos de vibração são de especial interesse, chamados de primeiro modo global (flexão da viga e vibração no cabo), primeiro modo local (vibração no cabo, com flexão na viga desprezável) e primeiro modo à torção. O modelo foi reduzido a três graus de liberdade. A modelagem dos carregamentos aerodinâmicos aplicados na viga foi feita segundo procedimentos tradicionais. O carregamento aerodinâmico aplicado ao cabo sob efeito de chuva e vento também foi levado em consideração. Para a redução do modelo matemático, os coeficientes de rigidez e de amortecimento equivalente são definidos e dependem parametricamente da velocidade do vento. Os termos não-lineares são devidos ao acoplamento das vibrações do cabo e da viga à flexão (no plano do cabo) e também aos efeitos aeroelásticos no cabo. Os seguintes regimes instáveis são avaliados: o efeito de galope (galloping) no cabo, o drapejamento (flutter) unimodal na torção e o drapejamento (flutter) do modo de flexão da viga em conjunto com vibrações transversais do cabo. / This paper is concerned with determining wind critical velocities and post-critical vibration amplitudes in a cable-stayed beam, under wind-rain condition. It is considered the cable sag due to the dead load plus the non-linear coupling between the vibration of both the cable and the beam. Three modes are of special interest, namely the first global mode (beam bending & cable vibration), the first local mode (cable vibration & negligible beam bending) and the first torsion mode. A reduced mathematical model, with three degrees of freedom, is also developed. With regard to the modelling of the aerodynamic loads applied to the beam, it can be performed after extension of classical guidelines. The aerodynamic loads applied to the cable under rain are also taken into account. For the reduced mathematical model, equivalent damping and stiffness coefficients will be defined, which depend parametrically on the wind velocity. Non-linear terms appear due to the coupling between the cable and the beam bending vibrations, and also to the aero-elastic non-linear effects on the cable. Different unstable regimes are surveyed such as the cable galloping, the unimodal flutter in torsion and the unimodal flutter with beam bending and cable vibrations coupled.

Esse trabalho consiste na determinação das velocidades críticas do vento e das amplitudes das vibrações numa estrutura composta por uma viga engastada suspensa por um estai (cabo), submetida aos efeitos de vento e chuva. Foi considerada a deformação no cabo devido ao carregamento do peso próprio e o acoplamento não-linear das vibrações do cabo e da viga. Três modos de vibração são de especial interesse, chamados de primeiro modo global (flexão da viga e vibração no cabo), primeiro modo local (vibração no cabo, com flexão na viga desprezável) e primeiro modo à torção. O modelo foi reduzido a três graus de liberdade. A modelagem dos carregamentos aerodinâmicos aplicados na viga foi feita segundo procedimentos tradicionais. O carregamento aerodinâmico aplicado ao cabo sob efeito de chuva e vento também foi levado em consideração. Para a redução do modelo matemático, os coeficientes de rigidez e de amortecimento equivalente são definidos e dependem parametricamente da velocidade do vento. Os termos não-lineares são devidos ao acoplamento das vibrações do cabo e da viga à flexão (no plano do cabo) e também aos efeitos aeroelásticos no cabo. Os seguintes regimes instáveis são avaliados: o efeito de galope (galloping) no cabo, o drapejamento (flutter) unimodal na torção e o drapejamento (flutter) do modo de flexão da viga em conjunto com vibrações transversais do cabo. / This paper is concerned with determining wind critical velocities and post-critical vibration amplitudes in a cable-stayed beam, under wind-rain condition. It is considered the cable sag due to the dead load plus the non-linear coupling between the vibration of both the cable and the beam. Three modes are of special interest, namely the first global mode (beam bending & cable vibration), the first local mode (cable vibration & negligible beam bending) and the first torsion mode. A reduced mathematical model, with three degrees of freedom, is also developed. With regard to the modelling of the aerodynamic loads applied to the beam, it can be performed after extension of classical guidelines. The aerodynamic loads applied to the cable under rain are also taken into account. For the reduced mathematical model, equivalent damping and stiffness coefficients will be defined, which depend parametrically on the wind velocity. Non-linear terms appear due to the coupling between the cable and the beam bending vibrations, and also to the aero-elastic non-linear effects on the cable. Different unstable regimes are surveyed such as the cable galloping, the unimodal flutter in torsion and the unimodal flutter with beam bending and cable vibrations coupled.

As características arquitetônicas e o desempenho estrutural de pontes suspensas, estaiadas ou pênseis, têm determinado a sua crescente utilização em obras de arte destinadas a vencer grandes vãos. Essa utilização crescente que ocorreu no mundo nas últimas décadas se repete agora nos últimos anos no país. Várias dessas obras estão em execução e em projeto. Um dos aspectos relevantes na análise estrutural das pontes suspensas é o de seu comportamento quando submetidas à ação do vento. Apresenta-se o sistema computacional ANA-PSp desenvolvido especialmente para o estudo do movimento de tabuleiros de pontes suspensas sujeitas a esforços aeroelásticos e aerodinâmicos. Esse sistema computacional formado por um conjunto de subsistemas, é elaborado para a análise aeroelástica de pontes suspensas sob a ação de vento e permite análises paramétricas extensas dos fenômenos de drapejamento (flutter) e de martelamento (buffeting). A discretização da estrutura é efetuada pelo método dos elementos finitos e a redução dos graus de liberdade é realizada por superposição modal com modos selecionados que melhor descrevem os movimentos do tabuleiro. Utiliza-se modelo matemático reduzido para a análise multimodal no domínio do tempo e da freqüência. A velocidade crítica ou velocidade de drapejamento é determinada por procedimento de autovalores complexos com a obtenção de freqüências e taxas de amortecimentos modais para várias velocidades do vento. Adicionalmente, o fenômeno do drapejamento é estudado por séries temporais de respostas de coordenadas generalizadas e de deslocamentos selecionados e por análise espectral dessas séries temporais, que permitem a verificação das características de vibração do tabuleiro da ponte no domínio da freqüência. O estudo do fenômeno de martelamento considera esforços aeroelásticos determinísticos e esforços aerodinâmicos estocásticos e apresentam-se resultados em espectros de potência de deslocamentos e em desvios padrão de deslocamentos ao longo do tabuleiro. Para validar o sistema ANA-PSp, apresentam-se estudos de caso para a ponte estaiada da Normandia, para a ponte pênsil colapsada de Tacoma Narrows e para a ponte estaiada projetada, mas não executada, sobre o Rio Tietê e localizada na extremidade do complexo viário Jacu-Pêssego. / The architectonic characteristics and the structural performance of suspension bridges and cable-stayed bridges have determined their growing use on large span bridges. This growing usage, which has occurred world-wide during the last decades, is now being repeated in Brazil during the last few years. Several such bridges are presently either undergoing construction or being designed. One of the outstanding aspects in the structural analysis of suspension bridges is their behavior under wind action. This paper presents the computer system ANA-PSp, specially developed for studying the movement of suspended bridge decks under aeroelastic and aerodynamic forces. This computer system is formed by a group of subsystems and is created for aeroelastic analysis of suspended bridges under wind action. It allows extended parametric analyses of the flutter and the buffeting phenomena. Structural discretization is done by the finite element method and the reduction of degrees of freedom is obtained by modal superposition of the selected modes which best describe the deck movements. A reduced mathematical model is used for the multimodal analysis in the time and frequency domains. Critical velocity or flutter velocity is determined by a procedure of complex eigenvalues which obtains frequencies and damping ratios for different wind speeds. Additionally, the flutter phenomenon is studied by temporal series of answers to generalized coordinate responses and of selected displacements by spectral analysis of such temporal series, which allow us to verify the characteristics of the vibrations of the bridge deck in the frequency domain. The study of the buffeting phenomenon considers deterministic aeroelastic and stochastic aerodynamic forces. The paper presents results in displacement power spectra and in the standard deviation of displacements along the deck. In order to validate system ANA-PSp, case studies are presented for the cable-stayed Ponte de Normandie in Le Havre (France), for the collapsed suspension bridge on Tacoma Narrows and for the cable-stayed bridge, already designed but not built, on Tietê River, located at one end of the highway complex Jacu-Pêssego (São Paulo, SP, Brazil).

As características arquitetônicas e o desempenho estrutural de pontes suspensas, estaiadas ou pênseis, têm determinado a sua crescente utilização em obras de arte destinadas a vencer grandes vãos. Essa utilização crescente que ocorreu no mundo nas últimas décadas se repete agora nos últimos anos no país. Várias dessas obras estão em execução e em projeto. Um dos aspectos relevantes na análise estrutural das pontes suspensas é o de seu comportamento quando submetidas à ação do vento. Apresenta-se o sistema computacional ANA-PSp desenvolvido especialmente para o estudo do movimento de tabuleiros de pontes suspensas sujeitas a esforços aeroelásticos e aerodinâmicos. Esse sistema computacional formado por um conjunto de subsistemas, é elaborado para a análise aeroelástica de pontes suspensas sob a ação de vento e permite análises paramétricas extensas dos fenômenos de drapejamento (flutter) e de martelamento (buffeting). A discretização da estrutura é efetuada pelo método dos elementos finitos e a redução dos graus de liberdade é realizada por superposição modal com modos selecionados que melhor descrevem os movimentos do tabuleiro. Utiliza-se modelo matemático reduzido para a análise multimodal no domínio do tempo e da freqüência. A velocidade crítica ou velocidade de drapejamento é determinada por procedimento de autovalores complexos com a obtenção de freqüências e taxas de amortecimentos modais para várias velocidades do vento. Adicionalmente, o fenômeno do drapejamento é estudado por séries temporais de respostas de coordenadas generalizadas e de deslocamentos selecionados e por análise espectral dessas séries temporais, que permitem a verificação das características de vibração do tabuleiro da ponte no domínio da freqüência. O estudo do fenômeno de martelamento considera esforços aeroelásticos determinísticos e esforços aerodinâmicos estocásticos e apresentam-se resultados em espectros de potência de deslocamentos e em desvios padrão de deslocamentos ao longo do tabuleiro. Para validar o sistema ANA-PSp, apresentam-se estudos de caso para a ponte estaiada da Normandia, para a ponte pênsil colapsada de Tacoma Narrows e para a ponte estaiada projetada, mas não executada, sobre o Rio Tietê e localizada na extremidade do complexo viário Jacu-Pêssego. / The architectonic characteristics and the structural performance of suspension bridges and cable-stayed bridges have determined their growing use on large span bridges. This growing usage, which has occurred world-wide during the last decades, is now being repeated in Brazil during the last few years. Several such bridges are presently either undergoing construction or being designed. One of the outstanding aspects in the structural analysis of suspension bridges is their behavior under wind action. This paper presents the computer system ANA-PSp, specially developed for studying the movement of suspended bridge decks under aeroelastic and aerodynamic forces. This computer system is formed by a group of subsystems and is created for aeroelastic analysis of suspended bridges under wind action. It allows extended parametric analyses of the flutter and the buffeting phenomena. Structural discretization is done by the finite element method and the reduction of degrees of freedom is obtained by modal superposition of the selected modes which best describe the deck movements. A reduced mathematical model is used for the multimodal analysis in the time and frequency domains. Critical velocity or flutter velocity is determined by a procedure of complex eigenvalues which obtains frequencies and damping ratios for different wind speeds. Additionally, the flutter phenomenon is studied by temporal series of answers to generalized coordinate responses and of selected displacements by spectral analysis of such temporal series, which allow us to verify the characteristics of the vibrations of the bridge deck in the frequency domain. The study of the buffeting phenomenon considers deterministic aeroelastic and stochastic aerodynamic forces. The paper presents results in displacement power spectra and in the standard deviation of displacements along the deck. In order to validate system ANA-PSp, case studies are presented for the cable-stayed Ponte de Normandie in Le Havre (France), for the collapsed suspension bridge on Tacoma Narrows and for the cable-stayed bridge, already designed but not built, on Tietê River, located at one end of the highway complex Jacu-Pêssego (São Paulo, SP, Brazil).

[pt] Pontes com vãos superiores a 2.000 m tornam-se muito sensíveis à ação do vento, particularmente ao drapejamento. Nesta tese é estudado um método para a supressão do drapejamento em pontes de grandes vãos através de um controle aerodinâmico ativo. Apresentam-se técnicas analíticas de projeto para o controle ativo do sistema aero elástico constituído pelo tabuleiro e por duas superfícies de controle. Estas técnicas são baseadas em aproximações racionais das cargas aerodinâmicas não permanentes (ou auto-excitadas) no domínio Laplaciano, no qual as equações de movimento são representadas por equações matriciais de coeficientes constantes. A primeira parte da tese é dedicada à formulação matricial das funções racionais conhecida como Minimum State, assim como a aplicações a dados aerodinâmicos obtidos experimentalmente para vários tipos de seções transversais de pontes. A precisão das aproximações é calculada. Desenhos dos derivativos aerodinâmicos, dados sob forma de tabelas, e das respectivas aproximações, são elaborados para fins de comparação. Em seguida, são apresentadas as equações em espaço de estado descrevendo o comportamento aeroelástico de uma seção transversal de ponte. A partir dos dados geométricos e características dinâmicas de uma determinada ponte, (massa, momento de inertia polar, frequências naturais e fatores de amortecimento), e assumindo a semelhança geométrica entre as seções transversais da ponte em verdadeira grandeza e do modelo em escala do qual os derivativos aerodinâmicos foram extraídos, é possível calcular a velocidade crítica desta ponte, utilizando os programas em linguagem MATLAB apresentados no corpo deste trabalho. Esta parte da tese mostra ser possível construir um catálogo com vários perfis de pontes, caracterizados por derivativos aerodinâmicos variáveis em função de frequências reduzidas adimensionais, e das funções racionais correspondentes. A segunda parte é dedicada à fomulação das equações de movimento em espaço de estado, descrevendo o comportamento aeroelástico do sistema tabuleiro - superfícies de controle. As equações resultantes são ampliadas com novos estados aerodinâmicos responsáveis pela modelagem da influência do fluxo de ar sobre o tabuleiro e sobre as superfícies de controle em movimento. As equações de movimento são função da velocidade média do vento incidente. A dependência da equação de movimento à velocidade do vento motivou a aplicação dos conceitos de realimentação de ganhos, constante e variável, ao problema da supressão do drapejamento, os quais são apresentados separadamente em dois capítulos.O enfoque de ganho variável de saída é formulado em termos de minimização de um índice de desempenho dimensionalmente proporcional à soma do trabalho realizado pelas superfícies de controle e da energia cinética proporcional à velocidade vertical do tabuleiro. Apresenta-se também em detalhe um método sistemático para determinar a matriz de controle de ganhos variável, aplicada ao caso hipotético da ponte de Gibraltar. Neste caso, o conceito de realimentação de ganhos variável mostrou-se muito efetivo em suprimir o drapejamento do tabuleiro da ponte. Diferentes características geométricas e dinâmicas de outras pontes podem ser introduzidas nos programas MATLAB apresentados no Apêndice, para obtenção da velocidade crítica nos casos de tabuleiros isolados, tabuleiros com asas estacionárias e tabuleiros com asas giratórias ativamente controladas, para supressão do drapejamento do tabuleiro. / [en] Long span bridges, with main spans beyond 2.000 m become highly sensitive to wind action, particularly to flutter. An active aerodynamic control method of suppressing flutter of very long span bridges is studied in this thesis. Analytical design techniques for active control of the aeroelastic system consisting of the bridge deck and two control surfaces are presented. These techniques are based on a rational approximation of the unsteady aerodynamic loads in the entire Laplace domain, which yieds matrix equations of motion with constant coefficientes. The first part of this thesis is dedicated to the matrix formulation of the rational functions known as Minimum State and to applications to aerodynamic data obtained experimentally for various types of bridge profiles. The precision of the approximations iscalculated, and plots of the approximation functions compared to the available tabular data are drawn. Next, the state-space equations of motion describing the aeroelastic behaviour of a section of a bridge deck is presented. Given the dynamic data of a bridge structure (mass, rotational mass moment of inertia, natural frequencies, stiffness and damping ratios), and assuming that a geometric similitude exists between the profiles of the full-scale bridge deck and the sectional model from which the frequency dependent aerodynamic data was extracted, it is possible to calculate the critical velocity of that particular bridge. This part of the thesis shows that it is possible to build up a catalog of several profiles, characterized by frequency dependent aerodynamic data and the corresponding rational functions. The second part is dedicated to the formulation of the state-space equations of motion describing the aeroelastic behaviour of the entire system consisting of the bridge deck and control surfaces. The resulting equation includes new aerodynamic states which model the air flow influence on the moving deck. The equation of motion is a function of the mean velocity of the incoming wind. The dependence of the equation of motion on the wind velocity motivated the application of a constant and a variable-gain feedback concept to the problem of flutter suppressing, which are presented separatelly. The output variable-gain approach is formulated in terms of minimizing a performance index dimensionally proportional to the sum of the work done by the rotating control surfaces and the kinetic energy of the heaving velocity. A sistematic method to determine the matrix of variable control gains is shown in detail, as applied to the hypothethical case of Gibraltar bridge. Application of the variablegain feedback concept was found to be very effective in suppressing flutter of the bridge deck. Different geometric and dynamic characteristics can be introduced in the MATLAB programs included in this work, in order to obtain the critical velocities of a bridge deck alone, a bridge deck with stationary wings and a bridge with moving wings activelly controled.