Selon les normes actuelles, les tubes d'arme sont conçus pour résister à la pression des gaz en utilisant les équations de la statique des milieux continus. Mais lors des tirs, les chargements auquel est soumis le tube sont extrêmement rapides, de l'ordre de quelques millisecondes. En effet, le projectile est poussé à travers le tube par la pression des gaz, à ce déplacement est associé la rotation du projectile provoquée par les rayures internes du tube. Le projectile est en contact avec le tube par sa ceinture qui assure une parfaite étanchéité des gaz par son diamètre légèrement supérieur à celui du tube. Ainsi des contraintes dynamiques sont générées par la pression des gaz et par le forcement de la munition. Le but de ces travaux est d'étudier les contraintes dans le tube lors des tirs. Afin d'évaluer les différents phénomènes, dans une première partie, de nombreux essais ont été réalisés sur des armes de moyen calibre. Ces essais ont permis de constituer une base de données sur les déformations circonférentielles du tube. Dans un second temps, un modèle par éléments finis a été développé à l'aide du logiciel LS-Dyna. Le front de pression et le projectile avec sa ceinture ont été simulés. Un modèle tridimensionnel a été choisi afin d'évaluer les contraintes dans le rayage du tube, zones de concentration de contraintes. La corrélation entre les essais et les résultats de calcul est excellente. En effet le pic de déformation dynamique du tube mesuré est très bien prédit par le calcul. Pour déterminer l'influence de ce chargement dynamique, un calcul de durée de vie a été réalisé. Les résultats montrent la nécessité de prendre en compte dans le dimensionnement des tubes d'arme : la pression des gaz et l'action du projectile sur le tube. / According to current standards, gun barrels are designed to resist the maximum firing pressure using static, continuous equations. But during the firings events, complex high speed loads and structural responses arised over very short times. The projectile is pushed towards the tube by the gas pressure, morover the engraving of the tube gives a rotational movement to the ammunition. The contact between the tube and the projectile is ensured by a band or obturator. This obturator had a diameter which is superior to the tube's calibre. Very high stresses are generated during the firing, due to gas pressure and the forcing action of the projectile. The aim of this work was to study the stresses in the tube durings firings. To evaluate firings phenomena, in a first part, many tests were made on medium calibre guns using various configurations. Circumferential strain measurements were obtained. In a second time, a finite element model was developed using the commercial code LS-Dyna. The moving pressure front and the projectile with its obturator were simulated. Three dimensional modeling was chosen in order to evaluate the stresses in the tube rifling where stresses concentration were located. The numerical prediction of the peak of strain measured when the projectile passed the strain gages were excellent. Experiments and calculations showed a peak of strains which was not taken into account in tubes design. To evaluate the impact of this phenomenom, a fatigue life-time study was carried on. The results demonstrated that gas pressure and dynamic coupled actions must all be taken into account in the fatigue design of gun tubes.

Atualmente, o cenário econômico mundial compreende a exploração cada vez mais intensa dos espaços urbanos, através de edificações que buscam maximizar a relação entre área construída e área disponível. Estas edificações, mais flexíveis e mais altas, dependem de avanços no uso de sistemas estruturais inovadores e materiais de elevada resistência com massa reduzida. Como consequência, a sensibilidade à ação dinâmica do vento aumentou. Estruturas esbeltas e flexíveis possuem frequências naturais de vibração livre mais baixas, o que as faz mais suscetíveis a vibrações induzidas pela turbulência atmosférica e pelo desprendimento de vórtices alternados. Essas vibrações têm o potencial de reduzir a segurança estrutural e causar desconforto aos usuários da edificação. A previsão da resposta induzida pela ação dinâmica do vento por métodos analíticos é complexa e de difícil resolução, principalmente para os efeitos transversais no sentido da velocidade média do vento. Em contrapartida, o uso de técnicas experimentais, através de ensaios em túnel de vento com modelos reduzidos, tem se mostrado bastante eficiente em termos de previsão de resultados. Neste contexto, este trabalho apresenta uma investigação numérica e experimental das parcelas estática e flutuante, da resposta nas direções longitudinal e transversal, dos efeitos da ação do vento sobre edifícios altos. O estudo experimental apresenta uma comparação de duas técnicas utilizadas no Túnel de Vento Professor Joaquim Blessmann, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, com um modelo em escala reduzida do CAARC Standard Tall Building. O método experimental de Integração de Pressões em Alta Frequência (HFPI – High Frequency Pressure Integration), está baseado na medição simultânea de pressões dinâmicas no edifício, através de transdutores eletrônicos, e posteriormente na integração dessas pressões para chegar-se a forças dinâmicas que são utilizadas em conjunto com um modelo numérico. A outra técnica consiste no uso de uma base flexível para modelagem aeroelástica de edifícios, através da qual se medem deslocamentos no topo ou momentos fletores na base. Os resultados experimentais são comparados com os resultados teóricos provenientes de formulações analíticas. Utiliza-se a NBR-6123 (1988), Capítulo 9, para a estimativa da resposta dinâmica na direção longitudinal ao vento. Já para a estimativa da resposta na direção transversal ao vento, utilizam-se a metodologia desenvolvida por Liang et al. (2002, pp. 1757-1770), que apresenta um completo modelo analítico para cargas dinâmicas transversais ao vento, e o processo da norma brasileira NBR-6123 Capítulo 10, que considera no cálculo da amplitude à máxima resposta. Demonstra-se que as duas técnicas conduzem a resultados compatíveis para o modelo testado, ao mesmo tempo em que se discutem as respectivas vantagens ou limitações em outras aplicações. / The world economic scenario is presently motivating intense urban land exploration, by means of building technologies that pursue maximizing the relation of built to available area. The buildings are far taller and more flexible than ever, relying on innovative structural systems and materials of improved resistance and reduced weight. As a predictable consequence, the sensitivity of such constructions to the dynamic wind loading has been increased. Such slender and more flexible structures present lower natural vibration frequencies, which makes them more prone to oscillate under atmospheric turbulence and alternate vortex shedding. These vibrations may have the capacity of reducing structural safety or causing discomfort to building users. The estimation of structural response induced by dynamic wind loading through analytical methods is quite complex and unreliable, mainly in respect to across-wind effects. On the other hand, the use of experimental techniques with reduced models tested in wind tunnels has proved to be very accurate and efficient. Within this context, this work presents numerical and experimental investigations of both static (mean) and dynamic (fluctuating) responses for wind loading on tall buildings for both along- and across-wind directions. It is an experimental study consisting of a comparison of two techniques presently used at the Boundary Layer Wind Tunnel "Professor Joaquim Blessmann" at the Federal University of Rio Grande do Sul with the benchmark model CAARC Standard Tall Building. The HFPI (High Frequency Pressure Integration) technique consists in simultaneously measuring the wind induced dynamic pressures at a stiff model surface, with electronic transducers, and integrating these pressures to yield the dynamic wind forces to be used along with a numerical model. The another technique makes use of a flexible base that along with a stiff model compose an aeroelastic model for the building allowing displacements and accelerations of the top and moments of the base to be measured. Experimental results are also compared with theoretical results of analytical procedure. Along-wind response is estimated according to the Brazilian Code NBR-6123 (1988), Chapter 9. The cross-wind response is estimated with the Liang et al. (2002, pp. 1757-1770) model, that it presents a complete analytical model for cross-wind dynamic loads, and the procedure of the Brazilian Code NBR-6123, Chapter 10, which considers to the calculation of the amplitude of the maximum response. It is finally shown that the two experimental techniques conduce to compatible results for the model tested, while advantages and limitations in other applications are also discussed.

Ao contrário de edificações baixas, nas quais os carregamentos verticais são predominantes, nos edifícios altos os carregamentos horizontais devidos à ação do vento possuem grande importância, muitas vezes se tornando as principais solicitações da edificação. Este trabalho aborda o tema de efeitos dinâmicos em edifícios altos devidos à ação do vento, que provocam, principalmente, oscilações devidas ao desprendimento de vórtices, tanto na direção transversal ao escoamento do vento, quanto oscilações torcionais. Estas oscilações, muitas vezes se tornam ressonantes, provocando grandes deslocamentos à estrutura. Um dos edifícios estudados é um modelo criado a fim de permitir a comparação entre diversos estudos realizados em túneis de vento diferentes, possuindo ampla bibliografia, denominado CAARC Standard Tall Building. O outro modelo é de um edifício real (RCA), construído no Brasil, que apresenta arquitetura diferenciada. Busca-se determinar a resposta em termos de suas componentes médias e flutuantes, para deslocamentos longitudinais e transversais à direção do vento e a torção, através do uso de uma balança dinâmica de três graus de liberdade (BD3GDL), dois em flexão, admitindo que são ortogonais entre si e aproximados de forma linear, e um em torção, aproximado de forma constante, e através do método de integração de pressões em alta freqüência, utilizando modelos em escala reduzida em ensaios em túnel de vento. O primeiro apresentou, para ventos perpendiculares às fachadas, boa concordância entre as respostas encontradas através dos métodos experimentais, além de concordarem também com as respostas encontradas por outros autores. O segundo modelo apresentou no geral, também, boa concordância entre as curvas de resposta obtidas nos ensaios experimentais, para ventos perpendiculares às quatro fachadas, e os métodos teórico-numéricos considerados neste estudo. A BD3GDL simulou satisfatoriamente bem o comportamento dos edifícios altos frente à ação do vento, até mesmo efeitos dinâmicos como o desprendimento cadenciado de vórtices, e mostrou-se uma ferramenta útil em ensaios em túnel de vento, pela facilidade em ajustar os parâmetros dinâmicos dos edifícios testados e pelos resultados coerentes com o esperado e com outros autores e métodos analíticos. / Opposite to low buildings, where vertical loads are predominant, in tall buildings horizontal loads due to wind action have great importance, often becoming the main loading of the building. This research approaches the issue of dynamic wind effects in tall buildings, which cause mainly cross-wind and torsional excitations due to vortex shedding. These oscillations often become resonant, causing large displacements of the structure. One of the buildings studied is a model created in order to allow comparison among various studies in different wind tunnels, having wide bibliography, called CAARC Standard Tall Builging. The other model is a real building (RCA), built in Brazil, with distinct architecture. The aim is to determine along-wind, cross-wind and torsional response in terms of their mean and fluctuating components, using a dynamic balance with three degrees of freedom (BD3GDL), two bending, assuming they are orthogonal and linear, and one torsional, which is assumed constant along the height, and through the high frequency pressure integration (HFPI) method, using reduced scale models in wind tunnel tests. The obtained experimental results for CAARC for normal wind acting on the facade were compared with other researchers’ values and they were in good agreement. The obtained experimental results for the Brazilian building for normal wind to the four facades, were compared with values obtained from theoretical-numerical methods considered in this study and they were, generally, also in good agreement. The BD3GDL simulated satisfactorily well the dynamic behavior of tall buildings under wind loading, even for an aeroelastic phenomena such as the resonance due to vortex shedding. The dynamic balance with three degrees of freedom has proved a useful tool in wind tunnel tests, for the facility to adjust the dynamic parameters of buildings tested and the results consistent with expectations as well as with other authors and analytical methods.

Estruturas como torres e chaminés industriais são bastante vulneráveis ao fenômeno de desprendimento de vórtices, devido à sua esbeltez e forma rombuda. Além disso, devido ao baixo amortecimento estrutural que possuem, essas estruturas também têm maiores chances de atingir grandes amplitudes de deslocamento, o que é causado pelo efeito de captura. Apesar de esse tipo de estrutura ser considerado simples dos pontos de vista estrutural e aerodinâmico, o estudo das vibrações transversais nessas estruturas é bastante complicado, pois envolve a interação entre tópicos complexos da mecânica dos fluidos e estrutural, tornando a determinação confiável da resposta estrutural um dos problemas mais difíceis da Engenharia do Vento. Ao longo das últimas cinco décadas, diversos pesquisadores vêm estudando esse fenômeno, buscando uma abordagem que consiga considerar todos os tópicos que envolvem o mecanismo de vibração por desprendimento de vórtices. Entretanto, apesar dos esforços, os modelos existentes para a verificação da resposta da estrutura são de caráter empírico, sendo os dois mais aceitos pela comunidade científica o modelo de comprimento de correlação de Ruscheweyh e o modelo matemático espectral de Vickery e Clark, o qual foi posteriormente aprimorado por Vickery e Basu. Primeiramente, são estudados em detalhe esses dois modelos e seus métodos derivados, os quais são apresentados em normas e códigos. Após isso, é feita uma proposta de cálculo de dimensionamento do deslocamento do topo de tais estruturas baseada no modelo de Vickery e Basu e adaptada às necessidades da NBR- 6123. E finalmente, são apresentados dados de 42 estruturas, as quais atingiram grandes amplitudes de vibração em seu topo. Essas estruturas foram dimensionadas segundo as diretrizes de cada um dos métodos estudados neste trabalho, o que demonstrou o bom desempenho do Método II do Eurocódigo, do Método do CICIND e da Proposta III-B para a NBR-6123. / Structures like towers and industrial chimneys are quite vulnerable to the vortex shedding phenomenon, due to their slenderness and non-aerodynamic form. Furthermore, due to their low structural damping, these structures are also more likely to reach large displacement amplitudes, which is caused by the lock-in effect. Although these structures are considered as simple from structural and aerodynamic points of view, the study of cross-wind vibrations in these structures is quite complicated, as it involves the interaction of complex topics of fluid and structural mechanics, turning a reliable determination of the structural response into one of the most complicated problems in Wind Engineering. Over the past five decades, several researchers have been studying this phenomenon, seeking an approach that could consider all topics involving the vibrating mechanism by vortex shedding. However, despite the efforts, the existing models for predicting the response of the structure are empirical, with the two most accepted by the scientific community being the Ruscheweyh’s correlation length model and the Vickery & Clark’s spectral mathematical model, which was further enhanced by Vickery & Basu. Firstly, these two models and their derivative methods, which are reported in standards and codes, are studied in detail. After, a calculation proposal for predicting the top displacement of such structures is presented, which is based on the Vickery & Basu model and adapted to the needs of NBR-6123. Finally, data for 42 real structures which have reached large vibration amplitudes at their tops is presented. These structures were designed according to the guidelines for each of the methods studied in this work, which demonstrated the good performance of the Eurocode II Method, of the CICIND Method and of the NBR-6123 III-B Proposal.

“Estas vibrações são as primeiras do seu tipo para as pontes tipo viga….elas mostram a alta estabilidade aerodinâmica e confiabilidade da estrutura" (Anishyuk e Antonova, 2010). Esta é uma citação do porta-voz da empresa responsável pela construção da ponte, com vãos 120m e de 7 km de extensão, em Volgograd, na Rússia – que oscilou tão violentamente sob velocidades baixas do vento em maio de 2010, que os motoristas ficaram enjoados e a ponte foi fechada. As filmagens do movimento da ponte podem ser encontradas facilmente na internet, e causam uma visão perturbadora. O que é mais perturbador é que a empresa responsável pelo seu projeto e construção pôde ser tão ignorante da história das aerodinâmicas de pontes e conceitos aerodinâmicos básicos.As vibrações induzidas por vórtices que tinham atormentadas a Ponte Volgograd são agora atenuadas por um sistema avançado de dispositivos de amortecimento mecânico. Se as medidas de segurança tivessem sido tomadas durante a fase do projeto, a necessidade desses dispositivos de amortecimento poderia ter sido evitada. Uma variedade de dispositivos aerodinâmicos passivos tem apresentado ser extremamente eficaz na supressão das vibrações induzidas por vórtices em velocidades baixas do vento para um número de pontes de grande vão Investigações adequadas em túnel de vento realizadas durante a fase do projeto podem alertar os projetistas da existência de instabilidades aerodinâmicas inerente no projeto, e passos podem ser tomados para modificar o formato do tabuleiro para otimizar o seu desempenho dinâmico sob cargas de vento. Investigações experimentais da efetividade na supressão das vibrações induzidas por vórtices, por uma série de dispositivos aerodinâmicos passivos, têm sido realizadas no Túnel de Vento Prof. Joaquim Blessmann, em Porto Alegre. Dispositivos foram projetados com base nas modificações feitas a outros projetos de pontes que sofreram com as vibrações indesejadas da velocidade baixa do vento, tanto no túnel de vento durante a fase do projeto, durante a construção ou após a conclusão da ponte em grande escala. Dispositivos foram testados usando um modelo dinâmico de uma ponte da vida real, e os resultados indicaram que algumas modificações simples a geometria da seção transversal do tabuleiro podem ter um efeito significativo na sua resposta. / “These vibrations are the first of their kind for beam-type bridges….they show the high aerodynamic stability and reliability of the structure” (Anishyuk and Antonova, 2010). This is a quote taken from the spokesman of the company responsible for the construction of the 7km long reinforced concrete bridge in Volgograd, Russia – whose multiple continuous 120 meter spans oscillated so violently under low-wind speed conditions in May of 2010 that motorists became seasick and the bridge was closed. Footage of the bridge’s movement can easily be found on the internet, and makes for disturbing viewing. What is even more disturbing is that the company responsible for its design and construction could be so ignorant to the history of bridge aerodynamics and basic aerodynamic concepts. The vortex-induced vibrations which had plagued the Volgograd Bridge are now mitigated by an advanced system of mechanical damping devices. If proper precautions had been taken during the design stage of the bridge, the necessity of these damping devices could have been avoided. A variety of passive aerodynamic devices have been shown to be extremely effective in the suppression of low wind speed vortex-induced vibrations for a number of long-span bridges Proper wind-tunnel investigations undertaken during the design stage can alert designers to the existence of aerodynamic instabilities inherent to the design, and steps can be taken to modify the shape of the deck to optimise its dynamic performance under wind loads. Experimental investigations of the effectiveness of range of passive aerodynamic devices to suppress vortex-induced vibrations have been conducted at the Professor Joaquim Blessmann Wind-Tunnel, Porto Alegre. Devices were designed based on modifications made to other bridge designs which suffered from unwanted low wind speed vibrations, either in the windtunnel during the design stage, during erection or after completion of the full-scale bridge. Devices were tested using a dynamic section model of a real-life bridge deck design. Results indicate that some simple modifications to the cross-section geometry of the deck can have a substantial effect on its response.

Edifícios altos têm pouca rigidez lateral devido a suas dimensões. Os principais carregamentos laterais nestas estruturas são de sismos e vento. Portanto, suas propriedades dinâmicas e a correta estimativa das mesmas são fundamentais. Todavia, mesmo havendo muita pesquisa nesta área, a predição de frequências naturais de vibração livre de edifícios altos com precisão não é trivial. Métodos computacionais e fórmulas de normas ao redor do mundo divergem, ao passo que cidades brasileiras estão crescendo com a construção de maiores estruturas com frequências naturais estimadas abaixo de valores esperados. Neste trabalho, as incertezas acerca da estimativa de frequências naturais são investigadas através da comparação de resultados de diferentes metodologias. Primeiramente, frequências naturais estimadas ainda na fase de projeto de 8 prédios altos construídos ou em construção no Brasil são comparadas com formulações típicas baseadas em dados experimentais. Em um segundo momento, 3 edifícios altos têm suas primeiras frequências naturais estimadas através de: um método simplificado proposto neste trabalho; 2 programas de MEF diferentes; um modelo em MEF incluindo diagonais de compressão a fim de replicar o comportamento da alvenaria de fechamento e, finalmente, através da aplicação de um fator para calibrar a frequência natural obtida via programação em MEF. Tal fator é oriundo de uma formulação elaborada neste estudo para corrigir a frequência natural estimada sem a consideração do acréscimo de rigidez causado pela alvenaria de fechamento. Os resultados evidenciam que as baixas frequências naturais são semelhantes a medições de resposta sísmica. Também é relatada uma boa convergência para diferentes métodos computacionais enquanto os resultados das análises com alvenaria não estrutural revelam uma ótima convergência. Este estudo apresenta um melhor entendimento das razões para as baixas frequências naturais dos arranha-céus brasileiros enquanto expõe avanços na estimativa de frequências naturais com alta precisão. / Tall buildings have low lateral stiffness due to their dimensions and the main lateral forces on these structures are wind and seismic loads. Therefore, an accurate estimation of their dynamic properties is essential. Nevertheless, even with plenty of studies in this area, predicting natural frequencies of tall buildings is not trivial. Numeric computational methods and simplified procedures around the world diverge, whereas Brazilian cities are growing with the construction of higher buildings with lower estimated values for natural frequencies than the expected. In this work, the uncertainties are investigated through the comparison of different methods of estimating natural frequencies. Firstly, the natural frequencies estimated during project phase of 8 buildings, recently constructed or under construction in Brazil, are compared with formulas based on experimental measurements. Secondly, the natural frequencies of 3 buildings are estimated with different methods: two FEM models made with two computer programs commercially available, a simplified method proposed in this work, a FEM model with diagonal elements representing the masonry infill and a method based on applying a correction factor on the natural frequency obtained with another method. This last method is proposed here in order to consider the effect of infill masonry on the stiffness. The results evince that the low frequencies are similar to the ones measured on seismic response. The different computational methods have a good convergence while the analysis including the infill masonry has an outstanding convergence. This study reveals a better understanding of the reasons for low natural frequencies of the Brazilian tall buildings while presents improvements on estimating natural frequencies with high precision.

Atualmente, o cenário econômico mundial compreende a exploração cada vez mais intensa dos espaços urbanos, através de edificações que buscam maximizar a relação entre área construída e área disponível. Estas edificações, mais flexíveis e mais altas, dependem de avanços no uso de sistemas estruturais inovadores e materiais de elevada resistência com massa reduzida. Como consequência, a sensibilidade à ação dinâmica do vento aumentou. Estruturas esbeltas e flexíveis possuem frequências naturais de vibração livre mais baixas, o que as faz mais suscetíveis a vibrações induzidas pela turbulência atmosférica e pelo desprendimento de vórtices alternados. Essas vibrações têm o potencial de reduzir a segurança estrutural e causar desconforto aos usuários da edificação. A previsão da resposta induzida pela ação dinâmica do vento por métodos analíticos é complexa e de difícil resolução, principalmente para os efeitos transversais no sentido da velocidade média do vento. Em contrapartida, o uso de técnicas experimentais, através de ensaios em túnel de vento com modelos reduzidos, tem se mostrado bastante eficiente em termos de previsão de resultados. Neste contexto, este trabalho apresenta uma investigação numérica e experimental das parcelas estática e flutuante, da resposta nas direções longitudinal e transversal, dos efeitos da ação do vento sobre edifícios altos. O estudo experimental apresenta uma comparação de duas técnicas utilizadas no Túnel de Vento Professor Joaquim Blessmann, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, com um modelo em escala reduzida do CAARC Standard Tall Building. O método experimental de Integração de Pressões em Alta Frequência (HFPI – High Frequency Pressure Integration), está baseado na medição simultânea de pressões dinâmicas no edifício, através de transdutores eletrônicos, e posteriormente na integração dessas pressões para chegar-se a forças dinâmicas que são utilizadas em conjunto com um modelo numérico. A outra técnica consiste no uso de uma base flexível para modelagem aeroelástica de edifícios, através da qual se medem deslocamentos no topo ou momentos fletores na base. Os resultados experimentais são comparados com os resultados teóricos provenientes de formulações analíticas. Utiliza-se a NBR-6123 (1988), Capítulo 9, para a estimativa da resposta dinâmica na direção longitudinal ao vento. Já para a estimativa da resposta na direção transversal ao vento, utilizam-se a metodologia desenvolvida por Liang et al. (2002, pp. 1757-1770), que apresenta um completo modelo analítico para cargas dinâmicas transversais ao vento, e o processo da norma brasileira NBR-6123 Capítulo 10, que considera no cálculo da amplitude à máxima resposta. Demonstra-se que as duas técnicas conduzem a resultados compatíveis para o modelo testado, ao mesmo tempo em que se discutem as respectivas vantagens ou limitações em outras aplicações. / The world economic scenario is presently motivating intense urban land exploration, by means of building technologies that pursue maximizing the relation of built to available area. The buildings are far taller and more flexible than ever, relying on innovative structural systems and materials of improved resistance and reduced weight. As a predictable consequence, the sensitivity of such constructions to the dynamic wind loading has been increased. Such slender and more flexible structures present lower natural vibration frequencies, which makes them more prone to oscillate under atmospheric turbulence and alternate vortex shedding. These vibrations may have the capacity of reducing structural safety or causing discomfort to building users. The estimation of structural response induced by dynamic wind loading through analytical methods is quite complex and unreliable, mainly in respect to across-wind effects. On the other hand, the use of experimental techniques with reduced models tested in wind tunnels has proved to be very accurate and efficient. Within this context, this work presents numerical and experimental investigations of both static (mean) and dynamic (fluctuating) responses for wind loading on tall buildings for both along- and across-wind directions. It is an experimental study consisting of a comparison of two techniques presently used at the Boundary Layer Wind Tunnel "Professor Joaquim Blessmann" at the Federal University of Rio Grande do Sul with the benchmark model CAARC Standard Tall Building. The HFPI (High Frequency Pressure Integration) technique consists in simultaneously measuring the wind induced dynamic pressures at a stiff model surface, with electronic transducers, and integrating these pressures to yield the dynamic wind forces to be used along with a numerical model. The another technique makes use of a flexible base that along with a stiff model compose an aeroelastic model for the building allowing displacements and accelerations of the top and moments of the base to be measured. Experimental results are also compared with theoretical results of analytical procedure. Along-wind response is estimated according to the Brazilian Code NBR-6123 (1988), Chapter 9. The cross-wind response is estimated with the Liang et al. (2002, pp. 1757-1770) model, that it presents a complete analytical model for cross-wind dynamic loads, and the procedure of the Brazilian Code NBR-6123, Chapter 10, which considers to the calculation of the amplitude of the maximum response. It is finally shown that the two experimental techniques conduce to compatible results for the model tested, while advantages and limitations in other applications are also discussed.

“Estas vibrações são as primeiras do seu tipo para as pontes tipo viga….elas mostram a alta estabilidade aerodinâmica e confiabilidade da estrutura" (Anishyuk e Antonova, 2010). Esta é uma citação do porta-voz da empresa responsável pela construção da ponte, com vãos 120m e de 7 km de extensão, em Volgograd, na Rússia – que oscilou tão violentamente sob velocidades baixas do vento em maio de 2010, que os motoristas ficaram enjoados e a ponte foi fechada. As filmagens do movimento da ponte podem ser encontradas facilmente na internet, e causam uma visão perturbadora. O que é mais perturbador é que a empresa responsável pelo seu projeto e construção pôde ser tão ignorante da história das aerodinâmicas de pontes e conceitos aerodinâmicos básicos.As vibrações induzidas por vórtices que tinham atormentadas a Ponte Volgograd são agora atenuadas por um sistema avançado de dispositivos de amortecimento mecânico. Se as medidas de segurança tivessem sido tomadas durante a fase do projeto, a necessidade desses dispositivos de amortecimento poderia ter sido evitada. Uma variedade de dispositivos aerodinâmicos passivos tem apresentado ser extremamente eficaz na supressão das vibrações induzidas por vórtices em velocidades baixas do vento para um número de pontes de grande vão Investigações adequadas em túnel de vento realizadas durante a fase do projeto podem alertar os projetistas da existência de instabilidades aerodinâmicas inerente no projeto, e passos podem ser tomados para modificar o formato do tabuleiro para otimizar o seu desempenho dinâmico sob cargas de vento. Investigações experimentais da efetividade na supressão das vibrações induzidas por vórtices, por uma série de dispositivos aerodinâmicos passivos, têm sido realizadas no Túnel de Vento Prof. Joaquim Blessmann, em Porto Alegre. Dispositivos foram projetados com base nas modificações feitas a outros projetos de pontes que sofreram com as vibrações indesejadas da velocidade baixa do vento, tanto no túnel de vento durante a fase do projeto, durante a construção ou após a conclusão da ponte em grande escala. Dispositivos foram testados usando um modelo dinâmico de uma ponte da vida real, e os resultados indicaram que algumas modificações simples a geometria da seção transversal do tabuleiro podem ter um efeito significativo na sua resposta. / “These vibrations are the first of their kind for beam-type bridges….they show the high aerodynamic stability and reliability of the structure” (Anishyuk and Antonova, 2010). This is a quote taken from the spokesman of the company responsible for the construction of the 7km long reinforced concrete bridge in Volgograd, Russia – whose multiple continuous 120 meter spans oscillated so violently under low-wind speed conditions in May of 2010 that motorists became seasick and the bridge was closed. Footage of the bridge’s movement can easily be found on the internet, and makes for disturbing viewing. What is even more disturbing is that the company responsible for its design and construction could be so ignorant to the history of bridge aerodynamics and basic aerodynamic concepts. The vortex-induced vibrations which had plagued the Volgograd Bridge are now mitigated by an advanced system of mechanical damping devices. If proper precautions had been taken during the design stage of the bridge, the necessity of these damping devices could have been avoided. A variety of passive aerodynamic devices have been shown to be extremely effective in the suppression of low wind speed vortex-induced vibrations for a number of long-span bridges Proper wind-tunnel investigations undertaken during the design stage can alert designers to the existence of aerodynamic instabilities inherent to the design, and steps can be taken to modify the shape of the deck to optimise its dynamic performance under wind loads. Experimental investigations of the effectiveness of range of passive aerodynamic devices to suppress vortex-induced vibrations have been conducted at the Professor Joaquim Blessmann Wind-Tunnel, Porto Alegre. Devices were designed based on modifications made to other bridge designs which suffered from unwanted low wind speed vibrations, either in the windtunnel during the design stage, during erection or after completion of the full-scale bridge. Devices were tested using a dynamic section model of a real-life bridge deck design. Results indicate that some simple modifications to the cross-section geometry of the deck can have a substantial effect on its response.

Ao contrário de edificações baixas, nas quais os carregamentos verticais são predominantes, nos edifícios altos os carregamentos horizontais devidos à ação do vento possuem grande importância, muitas vezes se tornando as principais solicitações da edificação. Este trabalho aborda o tema de efeitos dinâmicos em edifícios altos devidos à ação do vento, que provocam, principalmente, oscilações devidas ao desprendimento de vórtices, tanto na direção transversal ao escoamento do vento, quanto oscilações torcionais. Estas oscilações, muitas vezes se tornam ressonantes, provocando grandes deslocamentos à estrutura. Um dos edifícios estudados é um modelo criado a fim de permitir a comparação entre diversos estudos realizados em túneis de vento diferentes, possuindo ampla bibliografia, denominado CAARC Standard Tall Building. O outro modelo é de um edifício real (RCA), construído no Brasil, que apresenta arquitetura diferenciada. Busca-se determinar a resposta em termos de suas componentes médias e flutuantes, para deslocamentos longitudinais e transversais à direção do vento e a torção, através do uso de uma balança dinâmica de três graus de liberdade (BD3GDL), dois em flexão, admitindo que são ortogonais entre si e aproximados de forma linear, e um em torção, aproximado de forma constante, e através do método de integração de pressões em alta freqüência, utilizando modelos em escala reduzida em ensaios em túnel de vento. O primeiro apresentou, para ventos perpendiculares às fachadas, boa concordância entre as respostas encontradas através dos métodos experimentais, além de concordarem também com as respostas encontradas por outros autores. O segundo modelo apresentou no geral, também, boa concordância entre as curvas de resposta obtidas nos ensaios experimentais, para ventos perpendiculares às quatro fachadas, e os métodos teórico-numéricos considerados neste estudo. A BD3GDL simulou satisfatoriamente bem o comportamento dos edifícios altos frente à ação do vento, até mesmo efeitos dinâmicos como o desprendimento cadenciado de vórtices, e mostrou-se uma ferramenta útil em ensaios em túnel de vento, pela facilidade em ajustar os parâmetros dinâmicos dos edifícios testados e pelos resultados coerentes com o esperado e com outros autores e métodos analíticos. / Opposite to low buildings, where vertical loads are predominant, in tall buildings horizontal loads due to wind action have great importance, often becoming the main loading of the building. This research approaches the issue of dynamic wind effects in tall buildings, which cause mainly cross-wind and torsional excitations due to vortex shedding. These oscillations often become resonant, causing large displacements of the structure. One of the buildings studied is a model created in order to allow comparison among various studies in different wind tunnels, having wide bibliography, called CAARC Standard Tall Builging. The other model is a real building (RCA), built in Brazil, with distinct architecture. The aim is to determine along-wind, cross-wind and torsional response in terms of their mean and fluctuating components, using a dynamic balance with three degrees of freedom (BD3GDL), two bending, assuming they are orthogonal and linear, and one torsional, which is assumed constant along the height, and through the high frequency pressure integration (HFPI) method, using reduced scale models in wind tunnel tests. The obtained experimental results for CAARC for normal wind acting on the facade were compared with other researchers’ values and they were in good agreement. The obtained experimental results for the Brazilian building for normal wind to the four facades, were compared with values obtained from theoretical-numerical methods considered in this study and they were, generally, also in good agreement. The BD3GDL simulated satisfactorily well the dynamic behavior of tall buildings under wind loading, even for an aeroelastic phenomena such as the resonance due to vortex shedding. The dynamic balance with three degrees of freedom has proved a useful tool in wind tunnel tests, for the facility to adjust the dynamic parameters of buildings tested and the results consistent with expectations as well as with other authors and analytical methods.

Edifícios altos têm pouca rigidez lateral devido a suas dimensões. Os principais carregamentos laterais nestas estruturas são de sismos e vento. Portanto, suas propriedades dinâmicas e a correta estimativa das mesmas são fundamentais. Todavia, mesmo havendo muita pesquisa nesta área, a predição de frequências naturais de vibração livre de edifícios altos com precisão não é trivial. Métodos computacionais e fórmulas de normas ao redor do mundo divergem, ao passo que cidades brasileiras estão crescendo com a construção de maiores estruturas com frequências naturais estimadas abaixo de valores esperados. Neste trabalho, as incertezas acerca da estimativa de frequências naturais são investigadas através da comparação de resultados de diferentes metodologias. Primeiramente, frequências naturais estimadas ainda na fase de projeto de 8 prédios altos construídos ou em construção no Brasil são comparadas com formulações típicas baseadas em dados experimentais. Em um segundo momento, 3 edifícios altos têm suas primeiras frequências naturais estimadas através de: um método simplificado proposto neste trabalho; 2 programas de MEF diferentes; um modelo em MEF incluindo diagonais de compressão a fim de replicar o comportamento da alvenaria de fechamento e, finalmente, através da aplicação de um fator para calibrar a frequência natural obtida via programação em MEF. Tal fator é oriundo de uma formulação elaborada neste estudo para corrigir a frequência natural estimada sem a consideração do acréscimo de rigidez causado pela alvenaria de fechamento. Os resultados evidenciam que as baixas frequências naturais são semelhantes a medições de resposta sísmica. Também é relatada uma boa convergência para diferentes métodos computacionais enquanto os resultados das análises com alvenaria não estrutural revelam uma ótima convergência. Este estudo apresenta um melhor entendimento das razões para as baixas frequências naturais dos arranha-céus brasileiros enquanto expõe avanços na estimativa de frequências naturais com alta precisão. / Tall buildings have low lateral stiffness due to their dimensions and the main lateral forces on these structures are wind and seismic loads. Therefore, an accurate estimation of their dynamic properties is essential. Nevertheless, even with plenty of studies in this area, predicting natural frequencies of tall buildings is not trivial. Numeric computational methods and simplified procedures around the world diverge, whereas Brazilian cities are growing with the construction of higher buildings with lower estimated values for natural frequencies than the expected. In this work, the uncertainties are investigated through the comparison of different methods of estimating natural frequencies. Firstly, the natural frequencies estimated during project phase of 8 buildings, recently constructed or under construction in Brazil, are compared with formulas based on experimental measurements. Secondly, the natural frequencies of 3 buildings are estimated with different methods: two FEM models made with two computer programs commercially available, a simplified method proposed in this work, a FEM model with diagonal elements representing the masonry infill and a method based on applying a correction factor on the natural frequency obtained with another method. This last method is proposed here in order to consider the effect of infill masonry on the stiffness. The results evince that the low frequencies are similar to the ones measured on seismic response. The different computational methods have a good convergence while the analysis including the infill masonry has an outstanding convergence. This study reveals a better understanding of the reasons for low natural frequencies of the Brazilian tall buildings while presents improvements on estimating natural frequencies with high precision.