O conhecimento do comportamento aerodinâmico do tabuleiro de uma ponte é um fator determinante em projetos de pontes e na resolução de problemas práticos de engenharia associados. No Brasil ainda são poucas, mas crescentes, as construções de pontes com cabos, sejam elas pênseis ou estaiadas. Estas fazem parte do foco do estudo desta tese de doutorado que visa à obtenção de contribuições para ampliar a base de dados referentes aos parâmetros que influenciam o comportamento aerodinâmico de pontes. Busca-se investigar e quantificar os efeitos de interferência devidos à ação do vento em tabuleiros paralelos (próximos) de pontes, frente à resposta induzida pelo desprendimento de vórtices, gerando subsídios para a elaboração de projetos e solução de problemas da prática da Engenharia Civil. O programa experimental foi realizado nas instalações do Túnel de Vento Prof. Joaquim Blessmann da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Foram realizadas medidas em modelos seccionais reduzidos de um tabuleiro de ponte. Um modelo teve sua secção transversal média instrumentada com tomadas de pressão para determinação do campo de pressões. Foram obtidos campos de pressões para o modelo isolado e para distintas configurações de vizinhança (posicionamento de outro tabuleiro idêntico paralelo ao instrumentado) O outro modelo seccional foi ensaiado com o auxílio de um dispositivo que permite a simulação de dois graus de liberdade, vertical e torcional, utilizado para a determinação do comportamento dinâmico do tabuleiro frente ao desprendimento de vórtices. Nestes testes foram investigadas as condições de vizinhança, de dispositivos aerodinâmicos (nariz de vento) além da variação do nível de amortecimento em relação ao crítico, sendo a seguir realizadas medidas do campo de velocidades no entorno do modelo do tabuleiro. Os efeitos de interferência observados, a partir dos testes com modelos estáticos, variaram de acordo com cada uma das disposições geométricas estudadas. Em determinadas situações foram observados efeitos benéficos de proteção, entretanto, aumentos nos coeficientes também ocorreram. Os resultados obtidos com os modelos dinâmicos indicaram, de uma forma geral, melhora na estabilidade aerodinâmica em relação à situação com modelo isolado. Foi observada a ocorrência de mais de um pico na resposta vertical por desprendimento de vórtices o que ocasionou estudos adicionais aos inicialmente propostos. A partir da verificação da real possibilidade de ocorrência de mais de um pico na resposta, propõe-se a inclusão de novas orientações para o projeto de estruturas suscetíveis a vibrações verticais por desprendimento de vórtices em texto de normas ou recomendações de projeto. / The knowledge of the aerodynamic behavior of a bridge deck is a major factor in the design of bridges and in the solving of related engineering problems. There are still not many suspension or cable stayed bridges in Brazil, although the construction of these kind of structures has been increasing in the last years. This Thesis has the aim of contributing with the broadening of the state of the art in the aerodynamics of cable stayed bridges. The objective is to investigate the effects of aerodynamic interference in closely spaced bridge decks due to vortex shedding. The experimental program was performed in the boundary layer wind tunnel Prof. Joaquim Blessmann of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul. The measurements were obtained through sectional models of bridge decks. One of the models was instrumented with pressure taps for the measurement of the individual pressure field (isolated model) as well as for several vicinity configurations (two closely spaced parallel models). The other sectional model was tested through an experimental device which allows the simulation of two degrees of freedom, vertical and torsional, used for the investigation of the bridge deck behavior under vortex shedding excitation. Several vicinity configurations, aerodynamic devices, damping levels and measurement points around the models were investigated in the wind tunnel tests. The interference effects observed from the static models vary according to each one of the geometric positions studied. For some situations there were beneficial protection effects, although an increase in the value of the coefficients also occurred. The results from the dynamic model have generally indicated an improvement in the aerodynamic stability in relation to the isolated model. It was also observed that more than one peak occurred for the vertical response due to vortex shedding, which lead to additional studies to the initial planned. From these observations, the inclusion of new guidelines for the design of structures susceptible to vertical vibrations due to vortex shedding, in the specific codes, are recommended.

Medições realizadas em edifícios altos, em escala real, têm mostrado que o carregamento devido à ação do vento pode causar importantes efeitos de torção. A atual tendência de construção de prédios com formas e sistemas estruturais mais complexos promove a acentuação das excentricidades entre o centro de massa, centro elástico e o ponto de aplicação instantânea de forças aerodinâmicas. Soma-se a isso o fato de os edifícios altos modernos estarem se tornando cada vez mais esbeltos e leves, o que baixa a velocidade (do vento) de disparo de fenômenos como galope e drapejamento torcional, fazendo com que esta velocidade se aproxime cada vez mais das velocidades do vento consideradas nos projetos. Frente a isso, os efeitos dinâmicos, tanto de flexão como de torção, induzidos pelo vento em edifícios altos representam uma importante consideração nos projetos de estruturas modernas. Os métodos analíticos para determinação da resposta de edifícios altos submetidos à ação do vento, hoje disponíveis, não levam a resultados satisfatórios em casos de geometrias não regulares, bem como não contemplam efeitos torsionais. Seu uso também não é recomendado no caso de estruturas muito flexíveis, cujo movimento afeta as forças aerodinâmicas que nelas atuam. Nessas situações, a melhor opção para os engenheiros é um estudo mais detalhado dos efeitos do vento sobre a estrutura, através de ensaios de modelos em escala reduzida em túneis de vento, que simulem as características do vento natural. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um mecanismo que permita a obtenção da resposta de edifícios altos frente à ação do vento, a partir de ensaios em túnel de vento com modelos em escala reduzida. Busca-se determinar a resposta em termos de suas componentes médias e flutuantes. Admite-se que a parcela dinâmica contempla os dois modos fundamentais de vibração livre em flexão, ortogonais entre si e aproximados de forma linear, e o primeiro modo de torção, aproximado de forma constante. As simplificações adotadas permitem que os modelos tenham baixa complexidade de projeto e construção, diminuindo, assim, o custo da modelagem e tornando o processo experimental mais ágil. Para validar os resultados obtidos com a utilização do mecanismo desenvolvido foram realizados ensaios em escala reduzida do CAARC Standard Tall Building, edifício alto tomado como padrão para calibração de técnicas de modelagem aeroelástica, no Túnel de Vento Professor Joaquim Blessmann, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Os resultados obtidos foram comparados com os valores publicados por outros pesquisadores e com resultados determinados a partir de ensaios de medidas de pressões em alta freqüência. A coerência entre os valores comparados permitiu concluir que o equipamento simula satisfatoriamente o comportamento dinâmico de edifícios altos submetidos à ação do vento, mesmo perante fenômenos aeroelásticos, como a ressonância por desprendimento alternado de vórtices. A partir dos resultados verificou-se também a importância dos efeitos dinâmicos de torção induzidos pela ação do vento, e a necessidade de que sejam apropriadamente considerados nos projetos / Measurements performed in full-scale high rise buildings have shown that wind loading may cause important torsional effects. The current trend of building construction, with new shapes and complex structural systems promotes an increase in the distances (eccentricities) among the center of mass, elastic center and the instantaneous point of application of the resulting wind loads. Furthermore, modern tall buildings are becoming increasingly light and slender, diminishing the trigger wind speed of some phenomena such as galloping and torsional flutter, bringing these velocities closer to the design wind speeds. Therefore, wind induced bending and torsional dynamic effects in tall buildings play an important role in the design of modern structures. The current analytical methods for the response determination of tall buildings under wind loading do not lead to reliable results for the non regular building shapes, as well as do not consider torsional effects. Also, its use is not recommended for the case of very flexible structures, where the structure´s own motion may affect the aerodynamic forces acting on it. In these situations, the best option for engineers is a more detailed study of the wind effects, through boundary layer wind tunnels. The aim of this study is the development of a device that allows the determination of the response of tall buildings under wind loading, through wind tunnel tests with reduced scale models. The goal is the determination of the responses in terms of its mean and fluctuating components. It is assumed that the dynamic parcel contemplates the two fundamental bending modes of vibration, orthogonal and linear, as well as the torsional mode, which is assumed constant along the height. The adopted simplifications allow for a low complexity in the process of model design and construction as well as for a very low modeling cost, making more efficient the whole testing process. To validate the device, tests were performed with a reduced scale model of the CAARC Standard Tall Building, which is taken as a standard for the calibration of aeroelastic modeling techniques, in Prof. Joaquim Blessmann boundary layer wind tunnel of the Federal University of Rio Grande do Sul. The obtained results were compared with other researchers' values as well as with results obtained from pressure measurements, in a rigid model. The agreement among the compared values allows the conclusion that the device simulates satisfactorily well the dynamic behaviour of high rise buildings under wind loading, even for aeroelastic phenomena such as the resonance due to vortex shedding. It was also verified the importance of the wind induced torsional effects and the need for its proper consideration in the design process.

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.

Esta tese propõe um modelo para descrever o campo de velocidade do vento originado numa tormenta elétrica. O escoamento descendente que ocorre durante uma tormenta elétrica madura é modelado como um campo de fluxo axial simétrico. A evolução da velocidade do vento com o tempo é considerada por meio de uma função de modulação empírica. As flutuações da velocidade ao redor da velocidade média em evolução são representadas por um processo aleatório do tipo ruído branco em faixa. Todos os parâmetros utilizados no modelo estão relacionados a variáveis meteorológicas, tais como a altura e diâmetro da nuvem cumulonimbus causadora do evento, a diferença de pressão e a distância entre o solo e a base da nuvem. Adicionalmente considera-se que a nuvem é transportada numa direção pré escolhida pelo vento de fundo, que pode ser devido à circulação geral na região ou a um ciclone extra-tropical. O campo de velocidades do vento resulta da superposição de ambos campos. O modelo é validado comparando as velocidades do vento determinadas em eventos simulados, com registros de estações meteorológicas. Adicionalmente, perfis verticais previstos pelo modelo são comparados com vários perfis para tormentas elétricas propostos na literatura. Finalmente, séries de velocidade máximas anuais a altura padrão de 10m foram simuladas para três estações meteorológicas no sul do Brasil, para as quais dados experimentais são conhecidos, em termos do número médio de tormentas elétricas por ano e das funções distribuição de probabilidade que caracterizam o vento de fundo. A comparação com séries de registros máximos existentes é satisfatória, dando credibilidade adicional ao modelo proposto.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:09:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2744137 bytes, checksum: 602fd10fdb5ece72c39d8c43838bd9e5 (MD5) Previous issue date: 2005-09-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This study verified the possibility of adjusting the structural calculus parameters, namely basic wind velocity (V0) and its effects on buildings, as specified in NBR 6.123, to ventilation conditions in the state of Paraíba. Wind velocity data series collected in meteorological stations of Paraíba were analysed using Frechet s and Gumbel s probability distribution functions. The results demonstrate the need to re-examine those parameters, taking into account not only financial issues, but mainly environmental conservation, raw material waste reduction, and the resulting energy saving / Este trabalho verificou a possibilidade de se ajustarem às condições de ventilação existentes no estado da Paraíba os parâmetros de cálculo estrutural constantes da NBR. 6123, especificamente velocidade básica do vento (Vo) e esforços por ele causados em edificações. Séries de dados de velocidades do vento, colhidas em estações meteorológicas do estado, foram analisadas com base na função de distribuição de probabilidade de Frechet e de Gumbel. Os resultados conduziram ao entendimento da necessidade de se rever tais parâmetros, considerando não só o lado financeiro mas, principalmente, a preservação do meio ambiente, a redução nos consumos de matérias primas e a economia de energia decorrente desses ajustes

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.

O projeto do teto cônico de um tanque atmosférico depende da análise de duas condições de carregamento independentes. Para a condição 1 tem-se a carga de peso próprio mais a carga de equipamentos, passarela e outros. Para a condição 2 tem-se a carga de peso próprio mais a carga de vento. A carga de vento muda à medida que se muda o ângulo de inclinação do teto e, essa relação de carga/inclinação, é diferente para cada relação h/D (altura/diâmetro) do tanque. Portanto, a espessura do teto para uma dada inclinação deste é desconhecida e, consequentemente, o seu peso também. Surge então a necessidade de utilizar uma ferramenta para encontrar o melhor ângulo que minimize o peso do teto. O tanque em estudo é um tanque com altura do costado h de 12 m e diâmetro D de 12 m, sendo, portanto, um tanque com relação h/D = 1. Todas as etapas foram integralmente desenvolvidas dentro da plataforma do programa Ansys Workbench. Para a simulação da condição 2, como primeiro passo são obtidas as pressões exercidas pelo vento sobre o teto do tanque através do programa Ansys CFX; no passo seguinte, através da interação fluido-estrutura, essas pressões são utilizadas como condição de contorno pelo programa Ansys Mechanical. Para a simulação da condição 1 é utilizada uma pressão externa para baixo de 1 kPa mais a carga do peso próprio. Os resultados da simulação estrutural são os deslocamentos nos nós do teto e a tensão de von Mises para as duas condições de carga. O processo de otimização é realizado pela ferramenta Goal Driven Optimization do programa Ansys Workbench com o objetivo de minimizar o peso do teto. As variáveis de projeto são a espessura e o ângulo de inclinação do teto. Como restrições na estrutura do teto, os deslocamentos são limitados a 1 mm e as tensões são limitadas a 145 MPa para as duas condições de carregamento. Os resultados encontrados mostram que, para esse tanque, o ângulo de inclinação ótimo é 29,48º. / The design of the conical roof of an atmospheric tank depends on two independent loading conditions. For the first condition we have a roof dead load plus the load of equipments, walkway and others. For the second condition we have a roof dead load plus the wind load. The wind load on roof changes as the angle of slope of the roof changes and this relationship is different for each h/D (height/diameter) ratio of the tank. If the load is unknown, then the thickness of the roof is unknown too and hence its weight is unknown. Then comes the need to use a tool to find the best angle of slope that minimizes the weight of the roof. The study is carried out in a tank with cilindrical body height h of 12 m and diameter D of 12 m, therefore a tank with ratio h/D = 1. All steps were fully developed within the Ansys Workbench platform. As a first step pressures of the wind over the roof of the tank are obtained through the Ansys CFX. Through the fluid-structure interaction these pressures are used as boundary conditions by Ansys Mechanical for the simulation of the second condition. To simulate the first condition it is used a external downward pressure of 1 kPa plus the roof dead load. The structural simulation results are displacements in the roof nodes and von Mises stresses for the two conditions analyzed. The optimization process is performed by the tool Goal Driven Optimization of Ansys Workbench Program and the goal is to minimize the weight of the roof. The design variables are the thickness and the angle of slope of the roof. As constraint displacements obtained in the two load conditions are limited to 1 mm and stresses are limited to 145 MPa. For the studied tank, the optimum angle of inclination of the roof is 29,48º.

O estudo experimental dos processos de dispersão atmosférica de poluentes permite a análise de problemas específicos e a avaliação dos modelos teórico-numéricos. Os custos da experimentação de campo conduzem à realização de estudos de laboratório em modelos reduzidos. Este trabalho tem por objetivo principal a reprodução dos ventos atmosféricos e dos processos de dispersão em escala reduzida em túnel de vento. Foram estabelecidos os requerimentos gerais de modelagem para os diversos problemas relacionados com o estudo experimental da dispersão de poluentes atmosféricos, incluindo a simulação da camada limite atmosférica e da fonte de emissão. A partir desta análise, foram desenvolvidos e avaliados diversos modelos experimentais dos ventos turbulentos na camada limite atmosférica neutral utilizando velocidades médias muito baixas que permitam cumprir os requerimentos de semelhança do processo de dispersão. As simulações incluem ventos turbulentos sobre terrenos homogêneos a diferentes escalas. Na avaliação experimental foram utilizados dados da literatura e comparações diretas com resultados de campo para a condição de atmosfera em estabilidade neutra. Foram estudados escoamentos turbulentos mais complexos nas proximidades de um modelo simples de uma edificação e em um entorno urbano não homogêneo. Para os estudos da difusão atmosférica, foi estabelecida a prioridade da modelagem de problemas locais de dispersão. Foi modelada uma fonte de emissão pontual de baixa altura representativa de uma chaminé que permita a modificação das condições de empuxo da pluma. A análise do processo de dispersão e das concentrações foi realizada considerando diversas configurações que incluem a fonte de emissão isolada num escoamento homogêneo, a consideração dos efeitos da esteira próxima ao modelo de uma edificação, e finalmente de um terreno urbano não homogêneo. Foram determinadas as concentrações médias e as flutuações de concentração na pluma. Estes resultados permitiram obter os campos de concentração e, a partir das funções de densidade de probabilidade e funções de densidade espectral, analisar as zonas de intermitência no campo de concentração. Comparações com resultados da literatura e com modelos teóricos complementam o estudo realizado. É dada ênfase na análise das flutuações de concentração e na intermitência dos processos de dispersão, dada a importância do seu conhecimento para o desenvolvimento de modelos bem como à escassa informação experimental na bibliografia. Os resultados deste trabalho permitem estabelecer a viabilidade da simulação da camada atmosférica neutral e dos estudos de dispersão em túnel de vento, determinando vantagens e limitações dos modelos reduzidos. A influência das características do escoamento turbulento, das configurações próximas do terreno e das características da emissão no processo de dispersão foi estudada. Finalmente, são analisadas as condições de intermitência associadas aos escoamentos turbulentos e, em particular, aos campos de concentração próximos a uma fonte de emissão. / The experimental study of the pollutant dispersion processes allows the analysis of specific problems as well as the evaluation of theoretical models. The costs related to full scale measurements make the experimental studies over reduced scaled models a better research tool. This work has the aim of modeling some kinds of atmospheric winds and related dispersion processes in wind tunnels. The general modeling laws related to the experimental study of pollutants dispersion were followed, including the boundary layer simulation and the emission source. Several experimental models of the turbulent winds in neutral boundary layers were developed and evaluated by using very low wind velocities, allowing the fulfillment of the similitude laws of the dispersion process. The simulations include turbulent winds over homogeneous terrains at different scales. Literature data were used in the experimental evaluation as well as direct comparisons with field results for the atmosphere under neutral stability conditions. Also, more complex turbulent flows were studied in the close proximities of a simple building model in a non homogeneous surrounding. For the atmospheric diffusion studies, it was decided to model local dispersion situations. A single, punctual type of emission source was modeled, representing the conditions at a low height chimney and allowing the modification of the plume buoyancy conditions. The analysis of the dispersion process and concentrations was performed under several configurations including the isolated source emission in a homogeneous flow, the consideration of the wake effects close to a building model, and finally of a non homogeneous urban terrain. The mean and fluctuating components of the plume concentration were obtained. These results allowed the characterization of the concentration fields. From the probability and spectral density functions it was possible to analyze the intermittence of the concentration field. Comparisons with literature results and with theoretical models complement the study. Special care is taken in the analysis of the fluctuations of the concentration and in the intermittence of the dispersion processes, due to its importance to the development of theoretical models as well as the lack of experimental information in the open literature.

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.

O estudo experimental dos processos de dispersão atmosférica de poluentes permite a análise de problemas específicos e a avaliação dos modelos teórico-numéricos. Os custos da experimentação de campo conduzem à realização de estudos de laboratório em modelos reduzidos. Este trabalho tem por objetivo principal a reprodução dos ventos atmosféricos e dos processos de dispersão em escala reduzida em túnel de vento. Foram estabelecidos os requerimentos gerais de modelagem para os diversos problemas relacionados com o estudo experimental da dispersão de poluentes atmosféricos, incluindo a simulação da camada limite atmosférica e da fonte de emissão. A partir desta análise, foram desenvolvidos e avaliados diversos modelos experimentais dos ventos turbulentos na camada limite atmosférica neutral utilizando velocidades médias muito baixas que permitam cumprir os requerimentos de semelhança do processo de dispersão. As simulações incluem ventos turbulentos sobre terrenos homogêneos a diferentes escalas. Na avaliação experimental foram utilizados dados da literatura e comparações diretas com resultados de campo para a condição de atmosfera em estabilidade neutra. Foram estudados escoamentos turbulentos mais complexos nas proximidades de um modelo simples de uma edificação e em um entorno urbano não homogêneo. Para os estudos da difusão atmosférica, foi estabelecida a prioridade da modelagem de problemas locais de dispersão. Foi modelada uma fonte de emissão pontual de baixa altura representativa de uma chaminé que permita a modificação das condições de empuxo da pluma. A análise do processo de dispersão e das concentrações foi realizada considerando diversas configurações que incluem a fonte de emissão isolada num escoamento homogêneo, a consideração dos efeitos da esteira próxima ao modelo de uma edificação, e finalmente de um terreno urbano não homogêneo. Foram determinadas as concentrações médias e as flutuações de concentração na pluma. Estes resultados permitiram obter os campos de concentração e, a partir das funções de densidade de probabilidade e funções de densidade espectral, analisar as zonas de intermitência no campo de concentração. Comparações com resultados da literatura e com modelos teóricos complementam o estudo realizado. É dada ênfase na análise das flutuações de concentração e na intermitência dos processos de dispersão, dada a importância do seu conhecimento para o desenvolvimento de modelos bem como à escassa informação experimental na bibliografia. Os resultados deste trabalho permitem estabelecer a viabilidade da simulação da camada atmosférica neutral e dos estudos de dispersão em túnel de vento, determinando vantagens e limitações dos modelos reduzidos. A influência das características do escoamento turbulento, das configurações próximas do terreno e das características da emissão no processo de dispersão foi estudada. Finalmente, são analisadas as condições de intermitência associadas aos escoamentos turbulentos e, em particular, aos campos de concentração próximos a uma fonte de emissão. / The experimental study of the pollutant dispersion processes allows the analysis of specific problems as well as the evaluation of theoretical models. The costs related to full scale measurements make the experimental studies over reduced scaled models a better research tool. This work has the aim of modeling some kinds of atmospheric winds and related dispersion processes in wind tunnels. The general modeling laws related to the experimental study of pollutants dispersion were followed, including the boundary layer simulation and the emission source. Several experimental models of the turbulent winds in neutral boundary layers were developed and evaluated by using very low wind velocities, allowing the fulfillment of the similitude laws of the dispersion process. The simulations include turbulent winds over homogeneous terrains at different scales. Literature data were used in the experimental evaluation as well as direct comparisons with field results for the atmosphere under neutral stability conditions. Also, more complex turbulent flows were studied in the close proximities of a simple building model in a non homogeneous surrounding. For the atmospheric diffusion studies, it was decided to model local dispersion situations. A single, punctual type of emission source was modeled, representing the conditions at a low height chimney and allowing the modification of the plume buoyancy conditions. The analysis of the dispersion process and concentrations was performed under several configurations including the isolated source emission in a homogeneous flow, the consideration of the wake effects close to a building model, and finally of a non homogeneous urban terrain. The mean and fluctuating components of the plume concentration were obtained. These results allowed the characterization of the concentration fields. From the probability and spectral density functions it was possible to analyze the intermittence of the concentration field. Comparisons with literature results and with theoretical models complement the study. Special care is taken in the analysis of the fluctuations of the concentration and in the intermittence of the dispersion processes, due to its importance to the development of theoretical models as well as the lack of experimental information in the open literature.