Estruturas treliçadas de linhas de transmissão submetidas à ação do vento têm sido utilizadas de forma rotineira em aplicações da engenharia estrutural há mais de um século. Entretanto, o conhecimento dos efeitos do vento sobre este tipo de estrutura é, ainda hoje, imperfeito e as prescrições das normas a respeito destes efeitos são, em muitos casos, mutuamente inconsistentes e em desacordo com os dados experimentais. Partindo deste contexto, no caso particular de estruturas para linhas de transmissão, podemos acrescentar que as normas existentes não são, em princípio, aplicáveis à maior parte das geometrias utilizadas nos projetos das torres. Além disso, maiores níveis de segurança e confiabilidade são atingidos quando a consideração criteriosa dos efeitos do vento é feita a partir da etapa de concepção sendo, geralmente, este o processo de menor custo e de maior eficiência. Sabe-se também que o modelo físico adotado para consideração dos carregamentos difere do real, seja pela forma de atuação ou pela complexidade para estimativa da interação entre fluido-estrutura. Nesse sentido, através do presente trabalho procurou-se: desenvolver e aperfeiçoar instrumentos e técnicas de medição de coeficientes de arrasto; verificar a aplicabilidade dos critérios de estimativa do carregamento devido ao vento sobre trechos de estruturas treliçadas; propor coeficientes de arrasto compatíveis com geometrias tradicionalmente utilizadas em torres de linhas de transmissão determinados a partir da aplicação de dois critérios de área de referência, a saber, área calculada e área projetada; além de comparar os resultados experimentais com outras referências como normas técnicas de projeto. Este trabalho de pesquisa contempla o estudo de duas torres de suspensão autoportantes em túnel de vento. Para a realização dos ensaios, através de modelos reduzidos, cada torre foi dividida em módulos. Os módulos foram ensaiados para diferentes ângulos de incidência do vento e também para diferentes níveis de velocidade do vento. As forças de arrasto sobre os modelos foram determinadas através de uma balança de forças unidirecional instalada na base da câmara de ensaios. / Transmission lines lattice structures submitted to wind action have been widely used in structural engineering applications for more than a century. However, the knowledge of the wind effect on this type of structure is yet imperfect, being the codes recommendations, in several cases, inconsistent and in disagreement with the experimental data. From this point of view, in the particular case of transmission lines structures, we can add that the existing codes are not, in principle, applicable to a large amount of geometries used in the towers design. Furthermore, largest safety and reliability levels are reached when careful consideration of the wind effects is made from the conception stage, being this process, in general, the less costly and the most efficient. It is also known that the physical model adopted for the consideration of the loads differs from the real, either for the way in which the load is really applied or the complexity for an accurate estimate of the fluid-structure interaction. In this sense, the present work had the aim of: developing and improving instrumentation and measurement techniques for drag coefficients; verifying the applicability of the criteria for estimating wind loads on modules of lattice structures; proposing drag coefficients applicable to geometries traditionally adopted in transmission lines towers, obtained from the application of the two reference areas criteria, calculated area and projected area; as well as comparing experimental results with other references such as design codes. The research contemplates wind tunnel studies of two self-supported suspension towers. For the accomplishment of the tests, through scaled models, each tower was divided in modules. The modules had been tested for different angles of incidence of the wind and also for different wind speeds. The drag forces on the models were measured through a unidirectional force balance installed in the base of the models.

Estruturas treliçadas de linhas de transmissão submetidas à ação do vento têm sido utilizadas de forma rotineira em aplicações da engenharia estrutural há mais de um século. Entretanto, o conhecimento dos efeitos do vento sobre este tipo de estrutura é, ainda hoje, imperfeito e as prescrições das normas a respeito destes efeitos são, em muitos casos, mutuamente inconsistentes e em desacordo com os dados experimentais. Partindo deste contexto, no caso particular de estruturas para linhas de transmissão, podemos acrescentar que as normas existentes não são, em princípio, aplicáveis à maior parte das geometrias utilizadas nos projetos das torres. Além disso, maiores níveis de segurança e confiabilidade são atingidos quando a consideração criteriosa dos efeitos do vento é feita a partir da etapa de concepção sendo, geralmente, este o processo de menor custo e de maior eficiência. Sabe-se também que o modelo físico adotado para consideração dos carregamentos difere do real, seja pela forma de atuação ou pela complexidade para estimativa da interação entre fluido-estrutura. Nesse sentido, através do presente trabalho procurou-se: desenvolver e aperfeiçoar instrumentos e técnicas de medição de coeficientes de arrasto; verificar a aplicabilidade dos critérios de estimativa do carregamento devido ao vento sobre trechos de estruturas treliçadas; propor coeficientes de arrasto compatíveis com geometrias tradicionalmente utilizadas em torres de linhas de transmissão determinados a partir da aplicação de dois critérios de área de referência, a saber, área calculada e área projetada; além de comparar os resultados experimentais com outras referências como normas técnicas de projeto. Este trabalho de pesquisa contempla o estudo de duas torres de suspensão autoportantes em túnel de vento. Para a realização dos ensaios, através de modelos reduzidos, cada torre foi dividida em módulos. Os módulos foram ensaiados para diferentes ângulos de incidência do vento e também para diferentes níveis de velocidade do vento. As forças de arrasto sobre os modelos foram determinadas através de uma balança de forças unidirecional instalada na base da câmara de ensaios. / Transmission lines lattice structures submitted to wind action have been widely used in structural engineering applications for more than a century. However, the knowledge of the wind effect on this type of structure is yet imperfect, being the codes recommendations, in several cases, inconsistent and in disagreement with the experimental data. From this point of view, in the particular case of transmission lines structures, we can add that the existing codes are not, in principle, applicable to a large amount of geometries used in the towers design. Furthermore, largest safety and reliability levels are reached when careful consideration of the wind effects is made from the conception stage, being this process, in general, the less costly and the most efficient. It is also known that the physical model adopted for the consideration of the loads differs from the real, either for the way in which the load is really applied or the complexity for an accurate estimate of the fluid-structure interaction. In this sense, the present work had the aim of: developing and improving instrumentation and measurement techniques for drag coefficients; verifying the applicability of the criteria for estimating wind loads on modules of lattice structures; proposing drag coefficients applicable to geometries traditionally adopted in transmission lines towers, obtained from the application of the two reference areas criteria, calculated area and projected area; as well as comparing experimental results with other references such as design codes. The research contemplates wind tunnel studies of two self-supported suspension towers. For the accomplishment of the tests, through scaled models, each tower was divided in modules. The modules had been tested for different angles of incidence of the wind and also for different wind speeds. The drag forces on the models were measured through a unidirectional force balance installed in the base of the models.

Incertezas de modelo invadem todos os estágios de uma análise de confiabilidade estrutural, desde a determinação das ações e do próprio sistema estrutural, até o processo pelo qual o efeito destas ações é avaliado. Neste trabalho, o enfoque é dado nesse último tópico, mais especificamente na avaliação das incertezas de modelo mecânico em torres metálicas treliçadas de linhas de transmissão (LT), o qual tem permanecido ignorado nas estimativas de confiabilidade até então, em parte devido a sua natureza elusiva. Logo, o problema consiste em avaliar as incertezas na predição da resposta estrutural, uma vez que todos os parâmetros que definem as ações externas e o próprio sistema são claramente definidos. A principal motivação deste trabalho partiu de um estudo conduzido pela CIGRÉ sobre torres metálicas treliçadas de LT submetidas a cargas estáticas, o qual sugere que as incertezas de modelo neste tipo de estrutura são relevantes e não podem ser desprezadas, podendo influenciar significativamente na estimativa da confiabilidade. Neste trabalho, são avaliados diferentes modelos mecânicos de torres de LT sujeitos a ações estáticas, além de modelos de torres e trechos de LT submetidos à ação dinâmica de ruptura de cabo, adotada por ser um carregamento dinâmico “bem definido”. Na análise estática, são estudados desde modelos simplificados de torres autoportantes, adotados na prática usual de projeto, até modelos mais aprimorados. A dispersão nos resultados numéricos entre os modelos é usada para quantificar as incertezas relacionadas ao modelo mecânico, e os resultados disponíveis de ensaios estáticos em protótipos são utilizados para encontrar os modelos cuja resposta mais se aproxima dos valores experimentais. A resposta dinâmica de torres metálicas treliçadas de LT submetidas à ruptura de cabo, é comparada entre vários modelos, com diferentes graus de sofisticação e detalhe. São estudados desde o modelo usual de análise e projeto de torres para este tipo de carregamento, passando por modelos relativamente simples, com uma única torre sujeita a uma carga variável no tempo, simulando o efeito da ruptura de um cabo, até modelos mais complexos de trechos de LT, os quais incluem várias torres, cabos e cadeias de isoladores. Diversas fontes de incerteza são avaliadas, considerando a influência de fatores relevantes tais como: a discretização dos elementos de cabo, as condições de contorno dos elementos de cabo das extremidades, as leis constitutivas dos elementos de barra e de cabo e o amortecimento estrutural. Por fim, são discutidas e apresentadas possíveis maneiras de considerar explicitamente a incerteza de modelo na estimativa da confiabilidade e em códigos de projeto de estruturas de linhas de transmissão. / Model uncertainties pervade all stages of a structural reliability analysis, from the description of loads and the system itself, to the process by which the effect of loads on the system is evaluated. In this study, attention is focused on the last issue, specifically in the evaluation of model uncertainties on transmission lines (TL) latticed steel towers, which has remained largely ignored in previous developments of structural reliability, in part due to its elusive nature. In essence, the problem consists of evaluating the uncertainty in response predictions, once all parameters that define the external actions and the system itself have been unequivocally prescribed. The main motivation of this thesis was a study conducted by CIGRÉ on TL latticed steel towers subjected to static loads, among other exploratory assessments, which suggests that model uncertainty is a relevant factor and cannot be disregarded, could significantly influence the outcome of reliability assessments. Herein, different mechanical models of TL self-supporting towers subjected to static loads are evaluated, besides the models of towers and TL segments submitted to dynamic load due to cable rupture, adopted by being a “well defined” loading. In the static analysis, from simplified models of self-supporting towers, like adopted in usual practice of project, to more refined models are studied. The dispersion in the numeric results among the models, together with the data of static prototype tests, are used to quantify model uncertainties. The dynamic response of latticed TL steel towers subjected to cable rupture is predicted by use of various models with different degrees of sophistication or detailing. The predictions of the various models are compared with the aim of quantifying model uncertainty. Several uncertainty sources are evaluated, considering the influence of relevant factors such as: the discretization of the cable elements, the boundary conditions of the end cable elements, the constitutive laws of cables and tower members and the structural damping. Finally, possible ways to explicitly consider model uncertainty in reliability assessments and in code formulations are discussed.

Incertezas de modelo invadem todos os estágios de uma análise de confiabilidade estrutural, desde a determinação das ações e do próprio sistema estrutural, até o processo pelo qual o efeito destas ações é avaliado. Neste trabalho, o enfoque é dado nesse último tópico, mais especificamente na avaliação das incertezas de modelo mecânico em torres metálicas treliçadas de linhas de transmissão (LT), o qual tem permanecido ignorado nas estimativas de confiabilidade até então, em parte devido a sua natureza elusiva. Logo, o problema consiste em avaliar as incertezas na predição da resposta estrutural, uma vez que todos os parâmetros que definem as ações externas e o próprio sistema são claramente definidos. A principal motivação deste trabalho partiu de um estudo conduzido pela CIGRÉ sobre torres metálicas treliçadas de LT submetidas a cargas estáticas, o qual sugere que as incertezas de modelo neste tipo de estrutura são relevantes e não podem ser desprezadas, podendo influenciar significativamente na estimativa da confiabilidade. Neste trabalho, são avaliados diferentes modelos mecânicos de torres de LT sujeitos a ações estáticas, além de modelos de torres e trechos de LT submetidos à ação dinâmica de ruptura de cabo, adotada por ser um carregamento dinâmico “bem definido”. Na análise estática, são estudados desde modelos simplificados de torres autoportantes, adotados na prática usual de projeto, até modelos mais aprimorados. A dispersão nos resultados numéricos entre os modelos é usada para quantificar as incertezas relacionadas ao modelo mecânico, e os resultados disponíveis de ensaios estáticos em protótipos são utilizados para encontrar os modelos cuja resposta mais se aproxima dos valores experimentais. A resposta dinâmica de torres metálicas treliçadas de LT submetidas à ruptura de cabo, é comparada entre vários modelos, com diferentes graus de sofisticação e detalhe. São estudados desde o modelo usual de análise e projeto de torres para este tipo de carregamento, passando por modelos relativamente simples, com uma única torre sujeita a uma carga variável no tempo, simulando o efeito da ruptura de um cabo, até modelos mais complexos de trechos de LT, os quais incluem várias torres, cabos e cadeias de isoladores. Diversas fontes de incerteza são avaliadas, considerando a influência de fatores relevantes tais como: a discretização dos elementos de cabo, as condições de contorno dos elementos de cabo das extremidades, as leis constitutivas dos elementos de barra e de cabo e o amortecimento estrutural. Por fim, são discutidas e apresentadas possíveis maneiras de considerar explicitamente a incerteza de modelo na estimativa da confiabilidade e em códigos de projeto de estruturas de linhas de transmissão. / Model uncertainties pervade all stages of a structural reliability analysis, from the description of loads and the system itself, to the process by which the effect of loads on the system is evaluated. In this study, attention is focused on the last issue, specifically in the evaluation of model uncertainties on transmission lines (TL) latticed steel towers, which has remained largely ignored in previous developments of structural reliability, in part due to its elusive nature. In essence, the problem consists of evaluating the uncertainty in response predictions, once all parameters that define the external actions and the system itself have been unequivocally prescribed. The main motivation of this thesis was a study conducted by CIGRÉ on TL latticed steel towers subjected to static loads, among other exploratory assessments, which suggests that model uncertainty is a relevant factor and cannot be disregarded, could significantly influence the outcome of reliability assessments. Herein, different mechanical models of TL self-supporting towers subjected to static loads are evaluated, besides the models of towers and TL segments submitted to dynamic load due to cable rupture, adopted by being a “well defined” loading. In the static analysis, from simplified models of self-supporting towers, like adopted in usual practice of project, to more refined models are studied. The dispersion in the numeric results among the models, together with the data of static prototype tests, are used to quantify model uncertainties. The dynamic response of latticed TL steel towers subjected to cable rupture is predicted by use of various models with different degrees of sophistication or detailing. The predictions of the various models are compared with the aim of quantifying model uncertainty. Several uncertainty sources are evaluated, considering the influence of relevant factors such as: the discretization of the cable elements, the boundary conditions of the end cable elements, the constitutive laws of cables and tower members and the structural damping. Finally, possible ways to explicitly consider model uncertainty in reliability assessments and in code formulations are discussed.

Incertezas de modelo invadem todos os estágios de uma análise de confiabilidade estrutural, desde a determinação das ações e do próprio sistema estrutural, até o processo pelo qual o efeito destas ações é avaliado. Neste trabalho, o enfoque é dado nesse último tópico, mais especificamente na avaliação das incertezas de modelo mecânico em torres metálicas treliçadas de linhas de transmissão (LT), o qual tem permanecido ignorado nas estimativas de confiabilidade até então, em parte devido a sua natureza elusiva. Logo, o problema consiste em avaliar as incertezas na predição da resposta estrutural, uma vez que todos os parâmetros que definem as ações externas e o próprio sistema são claramente definidos. A principal motivação deste trabalho partiu de um estudo conduzido pela CIGRÉ sobre torres metálicas treliçadas de LT submetidas a cargas estáticas, o qual sugere que as incertezas de modelo neste tipo de estrutura são relevantes e não podem ser desprezadas, podendo influenciar significativamente na estimativa da confiabilidade. Neste trabalho, são avaliados diferentes modelos mecânicos de torres de LT sujeitos a ações estáticas, além de modelos de torres e trechos de LT submetidos à ação dinâmica de ruptura de cabo, adotada por ser um carregamento dinâmico “bem definido”. Na análise estática, são estudados desde modelos simplificados de torres autoportantes, adotados na prática usual de projeto, até modelos mais aprimorados. A dispersão nos resultados numéricos entre os modelos é usada para quantificar as incertezas relacionadas ao modelo mecânico, e os resultados disponíveis de ensaios estáticos em protótipos são utilizados para encontrar os modelos cuja resposta mais se aproxima dos valores experimentais. A resposta dinâmica de torres metálicas treliçadas de LT submetidas à ruptura de cabo, é comparada entre vários modelos, com diferentes graus de sofisticação e detalhe. São estudados desde o modelo usual de análise e projeto de torres para este tipo de carregamento, passando por modelos relativamente simples, com uma única torre sujeita a uma carga variável no tempo, simulando o efeito da ruptura de um cabo, até modelos mais complexos de trechos de LT, os quais incluem várias torres, cabos e cadeias de isoladores. Diversas fontes de incerteza são avaliadas, considerando a influência de fatores relevantes tais como: a discretização dos elementos de cabo, as condições de contorno dos elementos de cabo das extremidades, as leis constitutivas dos elementos de barra e de cabo e o amortecimento estrutural. Por fim, são discutidas e apresentadas possíveis maneiras de considerar explicitamente a incerteza de modelo na estimativa da confiabilidade e em códigos de projeto de estruturas de linhas de transmissão. / Model uncertainties pervade all stages of a structural reliability analysis, from the description of loads and the system itself, to the process by which the effect of loads on the system is evaluated. In this study, attention is focused on the last issue, specifically in the evaluation of model uncertainties on transmission lines (TL) latticed steel towers, which has remained largely ignored in previous developments of structural reliability, in part due to its elusive nature. In essence, the problem consists of evaluating the uncertainty in response predictions, once all parameters that define the external actions and the system itself have been unequivocally prescribed. The main motivation of this thesis was a study conducted by CIGRÉ on TL latticed steel towers subjected to static loads, among other exploratory assessments, which suggests that model uncertainty is a relevant factor and cannot be disregarded, could significantly influence the outcome of reliability assessments. Herein, different mechanical models of TL self-supporting towers subjected to static loads are evaluated, besides the models of towers and TL segments submitted to dynamic load due to cable rupture, adopted by being a “well defined” loading. In the static analysis, from simplified models of self-supporting towers, like adopted in usual practice of project, to more refined models are studied. The dispersion in the numeric results among the models, together with the data of static prototype tests, are used to quantify model uncertainties. The dynamic response of latticed TL steel towers subjected to cable rupture is predicted by use of various models with different degrees of sophistication or detailing. The predictions of the various models are compared with the aim of quantifying model uncertainty. Several uncertainty sources are evaluated, considering the influence of relevant factors such as: the discretization of the cable elements, the boundary conditions of the end cable elements, the constitutive laws of cables and tower members and the structural damping. Finally, possible ways to explicitly consider model uncertainty in reliability assessments and in code formulations are discussed.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The need for transmission lines expansion (TL) is evident in the face of growing electrical energy demand in Brazil as well as the great distances between generation and consumption centers. It is known that numerous failures can interrupt the energy transmission and the towers collapse is among the main reasons, causing huge losses to both electrical energy companies and final users. Thus, it is crucial to understand the mechanical behavior of these structures, considering the different actions that they can act so that the energy transmission can take place in a safe, efficient and economical way. In this context, this paper deals with the static and dynamic response evaluation of guyed lattice metallic towers of TLs submitted to broken conductor and broken lightning-rod cable. For this purpose, numerical models of isolated tower and completed stretch of TL were developed, including all components, towers, insulator chains, lightning-rod cables, conductor cables and prestressed stay cables. The models are subjected to static analysis through "equivalent static loads" application coming from the broken cable and dynamic analysis, in the time domain, using the method of direct integration of equations of motion explicitly, with central finite differences. The static and dynamic responses are given in terms of nodal displacements at the top and normal stresses in the tower bars. Finally, the results of the dynamic analysis in the time domain are compared with those determined by static analysis, employed in the usual design practice, that is, the peak and final values (after the structure stops vibrating) are compared with the static response values in order to verify the validity of the model used in the design practice. / A necessidade da expansão de linhas de transmissão (LTs) fica evidente diante da crescente demanda por energia elétrica no Brasil, além das grandes distâncias entre a geração e os centros consumidores. Sabe-se que inúmeras falhas podem interromper a transmissão da energia, e o colapso de torres está entre as principais, causando enormes prejuízos, tanto as companhias de energia elétrica quanto aos consumidores finais. Dessa forma, torna-se fundamental o conhecimento do comportamento mecânico destas estruturas, frente às diferentes ações que podem atuar, para que o transporte de energia ocorra de maneira segura, eficiente e econômica. Neste contexto, o presente trabalho trata da avaliação da resposta estática e dinâmica de torres metálicas treliçadas estaiadas de LTs submetidas à ruptura de cabo condutor e de cabo para-raios. Para isso, foram desenvolvidos modelos numéricos de torre isolada e de um trecho completo de LT, incluindo todos componentes, torres, cadeias de isoladores, cabos para-raios, cabos condutores e cabos de estais pré-tensionados. Os modelos são submetidos a análises estáticas, através da aplicação de cargas estáticas equivalentes oriundas da ruptura de cabo, e análises dinâmicas, no domínio do tempo, empregando o método de integração direta das equações do movimento, de forma explícita, com diferenças finitas centrais. As respostas estática e dinâmica são dadas em termos de deslocamentos nodais no topo e esforços normais nas barras da torre. Por fim, os resultados da análise dinâmica no domínio do tempo são comparados com os determinados por meio da análise estática, empregada na prática usual de projeto, ou seja, são comparados os valores de pico e os valores finais (após a estrutura parar de vibrar) com os valores da resposta estática, a fim de verificar a validade do modelo empregado na prática de projeto.