Há diversos procedimentos para determinação dos carregamentos de vento. A norma NBR 6123/88 pode ser utilizada para determinação desses carregamentos e consequentes esforços para dimensionamento de estruturas. Entretanto há procedimentos não normativos que podem contribuir para determinação desses mesmos carregamentos. Um deles, que é empregado no presente trabalho, é o método do vento sintético. O objetivo desse trabalho é o de fazer uma análise comparativa entre as respostas obtidas na estrutura sujeita aos carregamentos dinâmicos, obtidos através do método do vento sintético, e as respostas obtidas com carregamentos estáticos gerados a partir de considerações da norma NBR 6123/88 – Forças devidas ao vento em edificações. A estrutura em estudo é uma torre de transmissão de energia elétrica, que é modelada no programa computacional RSTAB da Dlubal (DLUBAL, 2015), para determinação de suas características dinâmicas. Os carregamentos dinâmicos do vento para o método do vento sintético são gerados através de um algoritmo, utilizando-se do programa computacional Mathcad Prime, versão 3.0. Os carregamentos estáticos e dinâmicos são lançados na estrutura para determinação de deslocamentos, esforços internos axiais e reações de apoio. Os resultados comparados demonstram que a abordagem que considera carregamentos gerados a partir da NBR 6123/88 é a mais conservadora, com valores de grandezas que excedem em até 132% valores obtidos a partir do método do vento sintético. / There are several procedures to determine the wind loadings. The Brazilian code NBR 6123/88 can be used to determine these loadings and the internal forces for structural design. However, there are non-normative procedures that may contribute to determining those same loads. One of them, which is used in this work, is the method of synthetic wind. The aim of this study is to make a comparative analysis of the responses obtained for the structure when subjected to dynamic loads, obtained through the synthetic wind method, and the responses obtained with static loads generated from considerations of NBR 6123/88 - Forces due to the wind on buildings. The structure under study is a power transmission tower, which is modeled in the software program RSTAB, developed by Dlubal, to determine its dynamic characteristics. Using the software Mathcad Prime 3.0 the dynamic wind loads are generated by an algorithm for the wind synthetic method. Static and dynamic loads are applied to in the structure to determine displacements, axial internal forces and support reactions. The compared results show that the approach that considers loadings generated from the NBR 6123/88 is the most conservative, with magnitude values that exceed up to 132% values obtained from the synthetic wind method.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI)

The atmospheric boundary layer (ABL) is the layer of air directly influenced by the Earth’s surface and is the layer of the atmosphere most important to humans as this is the air we live in. Methods for measuring the properties of the ABL include three general approaches: satellite-based, ground- based and airborne. A major research challenge is that many contemporary methods provide a restricted spatial resolution or coverage of variations of ABL properties such as how wind speed varies across a landscape with complex topography. To enhance our capacity to measure the properties of the ABL, this thesis presents a new technique that involves a small unmanned aircraft system (sUAS) equipped with a customized payload for measuring wind speed and particulate matter. The research presented herein outlines two key phases in establishing the proof-of-concept of the payload and its integration on the sUAS: (1) design and testing and (2) field demonstration. The first project focuses on measuring wind speed, which has been measured with fixed wing sUASs in previous research, but not with a helicopter sUAS. The second project focuses on the measurement of particulate matter, which is a major air pollutant typically measured with ground- based sensors. Results from both proof-of-concept projects suggest that ABL research could benefit from the proposed techniques.

O presente trabalho tem por objetivo aplicar a análise de confiabilidade estrutural a um edifício alto submetido à ação do vento considerando o conforto humano na avaliação dos modos de falha. Para isso, foram consideradas como variáveis aleatórias: a velocidade máxima do vento no topo do edifício cuja distribuição de probabilidade é a distribuição de Gumbel para máximos e o módulo de elasticidade do concreto com modelo de probabilidade normal. Realizou-se a análise para dois modos de falha: o deslocamento excessivo no topo do edifício, com base na NBR 15575-2/2013, e a aceleração máxima para verificação do conforto humano de acordo com a NBR 6123/2013. Posteriormente, foi realizada uma análise conjunta dos modos de falha aplicados em série. O método utilizado foi o FORM – First Order Reliability Method com algoritmo HLRF, implementado em ambiente Matlab, para o edifício teórico CAARC. Verificou-se grandes discrepâncias entre a probabilidade de falha para os dois modos considerados. Para a aceleração máxima, encontrou-se valores práticos de ponto de projeto e probabilidade de falha. No entanto, o deslocamento horizontal de 3 centímetros resultou em uma probabilidade de falha extremamente alta para valores de velocidade de vento baixos, concluindo-se que, para o edifício alto do problema, o limite normativo tende a ser facilmente extrapolado. À vista disso, o parâmetro de deslocamento horizontal baseado na altura total do edifício também foi estudado. Tal análise resultou em uma probabilidade de falha maior que a da aceleração, no entanto, apresentando valores de ponto de projeto consistentes. / The present work aims to apply structural reliability analysis to a tall building subjected to wind load considering human comfort in the evaluation of failure modes. For this purpose, the following random variables were considered: the maximum wind speed at the top of the building whose probability distribution is the Gumbel distribution for maximum and the modulus of elasticity of concrete with normal distribution. The analysis was conducted for two failure modes: excessive displacement on the top of the building, which is based on NBR 15575/2013, and the maximum acceleration for verification of the human comfort according to NBR 6123/2013. A joint analysis of failure modes applied in series was performed. The method used was the FORM - First Order Reliability Method with HLRF algorithm, implemented in Matlab environment, for the theoretical building CAARC. Large discrepancies between the failure probabilities of the two modes considered were found. For maximum acceleration, the design point value and the failure probability found were practical results. However, the horizontal displacement of 3 centimeters resulted in an extremely high probability of failure for low wind speed values, concluding that, for the tall building of the problem, the code limit tends to be easily extrapolated. Hence, the horizontal displacement parameter based on the total height of the building was also studied. Such analysis resulted in a failure probability greater than the acceleration one, however, presenting consistent design point values.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um medidor de velocidade de vento aplicando técnicas da teoria de erros, como a correlação cruzada, bem como sensores de ultrassom. Ele pode ser utilizado em encanamentos, onde se busca obter a velocidade de fluídos, em estações climáticas, em aeroportos, no momento de se aplicar pesticidas assim como em fazendas eólicas, onde o conhecimento da velocidade do vento é necessário, dentre outras aplicações. O sistema desenvolvido é composto pela placa de desenvolvimento de0-nano, uma placa de circuito impresso (PCB) para aquisição de sinais e dois pares de sensores de ultrassom. A PCB também possui circuitos para excitação dos sensores de ultrassom bem como comunicação com o PC para armazenamento dos sinais amostrados. A teoria de erros foi discutida e os resultados do protótipo foram analisados utilizando métodos probabilísticos necessários para verificar a incerteza. Dentro da FPGA da placa de0-nano foi desenvolvido um sistema baseado no processador NIOS, o qual foi construído através da ferramenta QSYS. Além disso, blocos em VHDL foram desenvolvidos para interfaceamento do sistema com o PC. Um pequeno túnel de vento foi construído e um anemômetro de mão foi adquirido para validar o protótipo. Simulações foram realizadas no Microsoft Excel 2007 para comparar a correlação cruzada dada pelo protótipo e a teoria. É comum que DSPs e Microprocessadores estejam dentro de medidores de velocidade do vento, no entanto um sistema desenvolvido com FPGA aumenta a velocidade de processamento devido ao paralelismo. Blocos descritos em VHDL podem ser facilmente replicados dentro da FPGA e existe uma grande coleção de bibliotecas, literatura extensiva e exemplos de código para o NIOS. Com isso há um menor tempo de desenvolvimento de um protótipo/sistema e há facilidade de desenvolver um System on Chip (SoC) de sistemas baseados em FPGA, reduzindo os custos de um futuro produto comercial. / This work describes the development of one axis wind speed measurement equipment applying error theory techniques, as the cross correlation, and ultrasound sensors. It can be used in tubes, where fluid speed knowledge is needed, climate stations, airports, in the moment of applying pesticides and in wind farms, where wind speed knowledge is necessary. The built prototype is a connected set of a de0-nano development board, a signal acquisition printed circuit board and two pairs of ultrasound sensors. The PCB also has circuits for ultrasound sensors exciting and PC communications to store the sampled signals. The error theory was discussed and the prototype's results were developed using probabilistic methods needed to verify the uncertainty. Inside de0-nano board FPGA chip, a system based in NIOS processor was developed and built through QSYS tool. There are some blocks described in VHDL for PCB interfacing. A small wind tunnel was built and a hand anemometer was acquired to validate the proposed system. Simulations were done in Microsoft Excel 2007 to compare the cross correlation given by the prototype and the theory. It is common DSPs and microprocessors inside this type of equipments to measure wind speed, but a system developed with a FPGA increases the processing speed due to parallelism. Blocks described in VHDL can be easily replicated inside the FPGA and there is a large collection of libraries, extensive literature and code examples for NIOS. Thereby there are small system/prototype developing times and there is an easy development of a System on Chip (SOC) of FPGA based systems, reducing the costs for a future commercial product.

O presente trabalho tem por objetivo aplicar a análise de confiabilidade estrutural a um edifício alto submetido à ação do vento considerando o conforto humano na avaliação dos modos de falha. Para isso, foram consideradas como variáveis aleatórias: a velocidade máxima do vento no topo do edifício cuja distribuição de probabilidade é a distribuição de Gumbel para máximos e o módulo de elasticidade do concreto com modelo de probabilidade normal. Realizou-se a análise para dois modos de falha: o deslocamento excessivo no topo do edifício, com base na NBR 15575-2/2013, e a aceleração máxima para verificação do conforto humano de acordo com a NBR 6123/2013. Posteriormente, foi realizada uma análise conjunta dos modos de falha aplicados em série. O método utilizado foi o FORM – First Order Reliability Method com algoritmo HLRF, implementado em ambiente Matlab, para o edifício teórico CAARC. Verificou-se grandes discrepâncias entre a probabilidade de falha para os dois modos considerados. Para a aceleração máxima, encontrou-se valores práticos de ponto de projeto e probabilidade de falha. No entanto, o deslocamento horizontal de 3 centímetros resultou em uma probabilidade de falha extremamente alta para valores de velocidade de vento baixos, concluindo-se que, para o edifício alto do problema, o limite normativo tende a ser facilmente extrapolado. À vista disso, o parâmetro de deslocamento horizontal baseado na altura total do edifício também foi estudado. Tal análise resultou em uma probabilidade de falha maior que a da aceleração, no entanto, apresentando valores de ponto de projeto consistentes. / The present work aims to apply structural reliability analysis to a tall building subjected to wind load considering human comfort in the evaluation of failure modes. For this purpose, the following random variables were considered: the maximum wind speed at the top of the building whose probability distribution is the Gumbel distribution for maximum and the modulus of elasticity of concrete with normal distribution. The analysis was conducted for two failure modes: excessive displacement on the top of the building, which is based on NBR 15575/2013, and the maximum acceleration for verification of the human comfort according to NBR 6123/2013. A joint analysis of failure modes applied in series was performed. The method used was the FORM - First Order Reliability Method with HLRF algorithm, implemented in Matlab environment, for the theoretical building CAARC. Large discrepancies between the failure probabilities of the two modes considered were found. For maximum acceleration, the design point value and the failure probability found were practical results. However, the horizontal displacement of 3 centimeters resulted in an extremely high probability of failure for low wind speed values, concluding that, for the tall building of the problem, the code limit tends to be easily extrapolated. Hence, the horizontal displacement parameter based on the total height of the building was also studied. Such analysis resulted in a failure probability greater than the acceleration one, however, presenting consistent design point values.

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um medidor de velocidade de vento aplicando técnicas da teoria de erros, como a correlação cruzada, bem como sensores de ultrassom. Ele pode ser utilizado em encanamentos, onde se busca obter a velocidade de fluídos, em estações climáticas, em aeroportos, no momento de se aplicar pesticidas assim como em fazendas eólicas, onde o conhecimento da velocidade do vento é necessário, dentre outras aplicações. O sistema desenvolvido é composto pela placa de desenvolvimento de0-nano, uma placa de circuito impresso (PCB) para aquisição de sinais e dois pares de sensores de ultrassom. A PCB também possui circuitos para excitação dos sensores de ultrassom bem como comunicação com o PC para armazenamento dos sinais amostrados. A teoria de erros foi discutida e os resultados do protótipo foram analisados utilizando métodos probabilísticos necessários para verificar a incerteza. Dentro da FPGA da placa de0-nano foi desenvolvido um sistema baseado no processador NIOS, o qual foi construído através da ferramenta QSYS. Além disso, blocos em VHDL foram desenvolvidos para interfaceamento do sistema com o PC. Um pequeno túnel de vento foi construído e um anemômetro de mão foi adquirido para validar o protótipo. Simulações foram realizadas no Microsoft Excel 2007 para comparar a correlação cruzada dada pelo protótipo e a teoria. É comum que DSPs e Microprocessadores estejam dentro de medidores de velocidade do vento, no entanto um sistema desenvolvido com FPGA aumenta a velocidade de processamento devido ao paralelismo. Blocos descritos em VHDL podem ser facilmente replicados dentro da FPGA e existe uma grande coleção de bibliotecas, literatura extensiva e exemplos de código para o NIOS. Com isso há um menor tempo de desenvolvimento de um protótipo/sistema e há facilidade de desenvolver um System on Chip (SoC) de sistemas baseados em FPGA, reduzindo os custos de um futuro produto comercial. / This work describes the development of one axis wind speed measurement equipment applying error theory techniques, as the cross correlation, and ultrasound sensors. It can be used in tubes, where fluid speed knowledge is needed, climate stations, airports, in the moment of applying pesticides and in wind farms, where wind speed knowledge is necessary. The built prototype is a connected set of a de0-nano development board, a signal acquisition printed circuit board and two pairs of ultrasound sensors. The PCB also has circuits for ultrasound sensors exciting and PC communications to store the sampled signals. The error theory was discussed and the prototype's results were developed using probabilistic methods needed to verify the uncertainty. Inside de0-nano board FPGA chip, a system based in NIOS processor was developed and built through QSYS tool. There are some blocks described in VHDL for PCB interfacing. A small wind tunnel was built and a hand anemometer was acquired to validate the proposed system. Simulations were done in Microsoft Excel 2007 to compare the cross correlation given by the prototype and the theory. It is common DSPs and microprocessors inside this type of equipments to measure wind speed, but a system developed with a FPGA increases the processing speed due to parallelism. Blocks described in VHDL can be easily replicated inside the FPGA and there is a large collection of libraries, extensive literature and code examples for NIOS. Thereby there are small system/prototype developing times and there is an easy development of a System on Chip (SOC) of FPGA based systems, reducing the costs for a future commercial product.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Hydraulic wind power transfer systems deliver the captured energy by the blades to the generators differently. In the conventional systems this task is carried out by a gearbox or an intermediate medium. New generation of wind power systems transfer the captured energy by means of high-pressure hydraulic fluids. A hydraulic pump is connected to the blades shaft at a high distance from the ground, in nacelle, to pressurize a hydraulic flow down to ground level equipment through hoses. Multiple wind turbines can also pressurize a flow sending to a single hose toward the generator. The pressurized flow carries a large amount of energy which will be transferred to the mechanical energy by a hydraulic motor. Finally, a generator is connected to the hydraulic motor to generate electrical power. This hydraulic system runs under two main disturbances, wind speed fluctuations and load variations. Intermittent nature of the wind applies a fluctuating torque on the hydraulic pump shaft. Also, variations of the consumed electrical power by the grid cause a considerable load disturbance on the system. This thesis studies the hydraulic wind power transfer systems. To get a better understanding, a mathematical model of the system is developed and studied utilizing the governing equations for every single hydraulic component in the system. The mathematical model embodies nonlinearities which are inherited from the hydraulic components such as check valves, proportional valves, pressure relief valves, etc. An experimental prototype of the hydraulic wind power transfer systems is designed and implemented to study the dynamic behavior and operation of the system. The provided nonlinear mathematical model is then validated by experimental result from the prototype. Moreover, this thesis develops a control system for the hydraulic wind power transfer systems. To maintain a fixed frequency electrical voltage by the system, the generator should remain at a constant rotational speed. The fluctuating wind speed from the upstream, and the load variations from the downstream apply considerable disturbances on the system. A controller is designed and implemented to regulate the flow in the proportional valve and as a consequence the generator maintains its constant speed compensating for load and wind turbine disturbances. The control system is applied to the mathematical model as well as the experimental prototype by utilizing MATLAB/Simulink and dSPACE 1104 fast prototyping hardware and the results are compared.