Neste trabalho são discutidos os aspectos inerentes à análise não-linear física (NLF) e geométrica (NLG) das estruturas de contraventamento em concreto armado. O estudo proposto tem como base a análise estrutural de pórticos planos de concreto armado, desenvolvendo-se uma ferramenta rigorosa capaz de analisar essas estruturas de forma elaborada e consistente. Com essa ferramenta serão avaliadas as reduções de inércia que ocorrem em pórticos planos de concreto armado, submetidos a diferentes condições de carregamento e a diferentes taxas de armadura, contribuindo para o estabelecimento de estimativas confiáveis dos efeitos da NLF nessas estruturas. Estes resultados, combinados com os parâmetros de estabilidade &#945 e &#947z - capazes de estimar com bastante precisão os efeitos devidos à NLG - permitem o estabelecimento de métodos simplificados para a análise não-linear física e geométrica das estruturas de contraventamento de edifícios em concreto armado, de grande utilidade para os projetistas. / In this work the inherent aspects to the physical nonlinear analysis (PNL) and geometric nonlinear analysis (GNL) of reinforced concrete bracing structures are argued. The considered study is based in the structural analysis of in reinforced concrete plane frames, developing a rigorous tool capable to analyze these structures of elaborated and consistent form. Using this tool, inertia reductions that occurs in reinforced concrete plane frames, submitted the different loading conditions and the different levels of reinforcement will be evaluated, contributing for the establishment of trustworthy estimates to the effects of PNL in these structures. These results, matched with the stability parameters &#945 e &#947z - capable to estimate with sufficient accuracy the effects of GNL - allow the establishment of simplified methods for physical and geometrical non-linear analysis of reinforced concrete buildings bracing structures, of great utility for the designers.

Com a crescente necessidade de projetos cada vez mais econômicos, bem como a valorização dos terrenos nos grandes centros urbanos, que leva a conseqüente necessidade de aumentar o aproveitamento destes, e com o desenvolvimento das técnicas construtivas e dos processos de análise estrutural, as edificações tornaram-se mais altas, leves, flexíveis, menos amortecidas, e, portanto, mais susceptíveis a problemas de vibrações, inclusive as induzidas pela ação do vento. Nessa situação, o amortecimento natural da edificação pode tornar-se insuficiente para reduzir os movimentos causados pela ação do vento, o que pode gerar desconforto aos usuários, quebra de vidros e até mesmo danos à estrutura. Para se atingir a redução destes deslocamentos, em alguns casos, requer-se um suplemento adicional de amortecimento, para evitar tais movimentações excessivas. Tal suplemento de amortecimento é alcançado pela instalação de um sistema de dissipação de energia na edificação. Os atenuadores dinâmicos sintonizados constituem-se em um destes sistemas de dissipação de energia, sendo utilizados para aumentar o amortecimento geral do sistema estrutural. Foram realizados testes com um modelo do edifício alto padrão “CAARC Standard Tall Building”, primeiramente sem nenhum atenuador e após com dois tipos de atenuadores com características diferentes instalados no modelo. No trabalho são apresentados e discutidos os resultados dos ensaios, realizados no Túnel de Vento Professor Joaquim Blessmann, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Os atenuadores dinâmicos sintonizados (amortecedores de massa) mostraram-se eficazes na redução das vibrações transversais por desprendimento de vórtices, validando o túnel de vento como ferramenta de projeto para a prevenção e controle de fenômenos associados às vibrações induzidas pelo vento. / With the increasing need of more economic buildings, as well as the great valorization of the terrains in the center of big cities, which leads to a consequent need to improve the utilization of this terrains, and with the development of the construction techniques and of the structural analysis process, the buildings have become higher, lighter, more flexible and less damped, and, therefore, more susceptible to problems of vibrations, such as those induced by wind action. On this new situation, the natural damping of the building could become insufficient to reduce the motion caused by wind action, which can lead to discomfort to the users, break of glasses and even damage to the structure. In order to obtain a reduction on this displacements, in some cases, an additional supply of damping is needed, to avoid this excessive movements. This supply of damping is obtained by the installation of an energy dissipation system on the building. The tuned mass dampers constitute on one of this systems of energy dissipation, being used to improve the overall damping of the structural system. Tests with a model of the “CAARC Standard Tall Building” were conduced, first with no damper attached to it, and then with two different types of tuned mass dampers installed on the model in each time. The results obtained with these tests, conduced on the Túnel de Vento Professor Joaquim Blessmann, at the Universidade Federal do Rio Grande do Sul are presented and discussed. In the tests, the tuned mass dampers have shown good efficiency in the reduction of the transversal vibration caused by vortex shedding, which validates the wind tunnel as a design tool for the control and prevention of the phenomena of wind-induced vibrations.

Esta pesquisa investiga o desempenho de edifícios altos residenciais e comerciais e seu impacto no espaço urbano onde estão inseridos de acordo com a percepção dos seus usuários. São identificados os motivos relacionados à decisão de ir morar e trabalhar em edifícios altos, a preferência na escolha do pavimento utilizado e os níveis de satisfação com o desempenho das características físico espaciais de edifícios altos de acordo com o pavimento em que o usuário reside ou trabalha. Em complemento, é analisada a relação entre as características físico-espaciais de edifícios altos e os impactos causados na qualidade do contexto urbano onde se inserem. Ainda, é investigado como as características dos usuários interferem nos níveis de satisfação com o desempenho das características físico espaciais desses edifícios de acordo com o pavimento em que o respondente reside ou trabalha e na percepção dos impactos causados na qualidade do contexto urbano em que essas edificações se inserem. Como procedimento metodológico foi realizado um estudo de caso no município de Porto Alegre, RS, onde a altura máxima permitida pelo Plano Diretor é de 52 metros, equivalente a 18 pavimentos. Os métodos de coleta de dados dizem respeito aos aplicados na área Ambiente e comportamento, sistematizados por meio de levantamento de arquivos e levantamento de campo. Os dados foram coletados através de questionários aplicados via internet aos moradores de edifícios altos residenciais e pessoas que trabalham em edifícios altos comerciais. A análise de dados é realizada através de testes estatísticos não paramétricos. Os resultados desta investigação indicam que, em geral, edifícios altos residenciais e comerciais tendem a produzir ambientes que repercutem satisfatoriamente nos níveis de satisfação de seus usuários, atendendo às suas expectativas. No tocante ao desempenho de características físico-espaciais de edifícios altos relacionados à altura total dos edifícios e ao pavimento utilizado constatam-se maiores níveis de satisfação dos usuários de edifícios de 10 pavimentos do que usuários de edifícios de 18 pavimentos. Averiguou-se também que a relação do edifício alto com o contexto urbano adjacente interfere no desempenho de características físico espaciais dos edifícios e na qualidade do espaço urbano em que se inserem. Os resultados revelam ainda que as características dos usuários não interferem nos níveis de satisfação com o desempenho de edifícios altos e na percepção do impacto que geram no contexto urbano. Todavia, são identificados diferentes perfis de usuários, com diferentes necessidades em relação ao edifício onde moram ou trabalham. Por fim, espera-se que os dados desta pesquisa possam contribuir para o planejamento urbano, auxiliando na elaboração de legislações urbanísticas que regulamentam as alturas dos edifícios nas cidades, a fim de garantir um desempenho adequado dessas edificações e uma melhor qualidade urbana do contexto onde se inserem. / This research investigates the development of residential and commercial tall buildings and their impact on the urban space where they are inserted according to the perceptions of their users. Identifies the reasons for the decision to live and work in tall buildings, the preference in the choice of the floor used and the levels of satisfaction with the performance of spatial physical characteristics of tall buildings under the floor where the user resides or works. In addition, it is analyzed the relationship between physical and spatial characteristics of tall buildings and the impacts on the quality of the urban context in which they operate. Also, it is investigated how the characteristics of the users interfere in levels of satisfaction with the performance of spatial physical characteristics of these buildings according to the pavement where the respondent resides or works and perceptions of impacts on the quality of the urban context in which these buildings are inserted. As methodological procedure, a case study in the municipality of Porto Alegre, where the maximum height allowed by the Master Plan is 52 meters, equivalent to 18 floors was conducted. The methods of collecting data are part of those used in Environment and Behavior, systematized through archival records and field surveys. Data were collected through questionnaires via internet to the residents of residential tall buildings and people who work in commercial tall buildings. Data analysis is performed using nonparametric statistical tests. The results of this investigation show that, in general, commercial and residential high rise buildings tend to produce environments that impact satisfactorily on levels of user satisfaction, covering its expectations. Concerning the performance of physical and spatial characteristics of tall buildings related to the total height of buildings and pavement is used it´s realize that up higher levels of satisfaction of users of buildings of 10 floors of that users of building of 18 floors. It was found also that the relation of tall building with the adjacent urban context interferes in the performance of spatial physical characteristics of buildings and the quality of urban space in which they are located. The results also reveal that the characteristics of the users do not interfere on the levels of satisfaction with the performance of tall buildings and the perceived impact generated in the urban context. However, different profiles of users with different needs in relation to the building where they live or work are identified. Finally, it is hoped that data from this research can contribute to urban planning, assisting in the preparation of urban legislation regulating of the heights of buildings in the cities, in order to ensure adequate performance of these buildings and a better quality of urban context where they are inserted.

[pt] O aumento da altura dos edifícios, aliado ao surgimento de materiais mais resistentes, faz com que as estruturas sejam cada vez mais esbeltas. Com isso, a ação do vento se torna um importante fator a ser considerado nesses projetos. A sua característica dinâmica provoca efeitos de vibração nas estruturas que devem ser analisados, em especial em relação ao conforto do usuário, afetado por deslocamentos e acelerações elevadas. Este estudo aborda a utilização de amortecedores fluidos como forma de reduzir a resposta dinâmica das estruturas submetidas a cargas de vento. A carga de vento consiste em um evento aleatório, devendo ser analisada estatisticamente. Desta forma, foi adotado o Método dos Ventos Sintéticos para definir o carregamento de vento aplicado à estrutura. Os amortecedores empregados na estrutura são fluidos, altamente viscosos, portanto seu comportamento pode ser considerado linear. A avaliação do comportamento da estrutura foi realizada pelo programa computacional Robot Structural Analysis. Foi feita uma análise estática afim de realizar o pré-dimensionamento da estrutura. Em seguida, fez-se uma análise dinâmica para a estrutura submetida ao carregamento de vento, com o objetivo de se analisar a influência dos amortecedores. Foram definidos cinco modelos estruturais, com diferentes configurações de amortecedores, de forma a encontrar a sua melhor distribuição na estrutura para reduzir a resposta a níveis aceitáveis de conforto para os usuários. / [en] With the increase in building height and the development of more resistant materials, structures are becoming more flexible. This has made the consideration of wind loads an important factor to be considered in their projects. The dynamic characteristic of these loads causes important vibration effects in these structures due to their low vibration frequencies, which must be considered in design, especially regarding the users comfort, affected by high displacements and acceleration. This study analyses the use of fluid dampers in order to reduce the dynamic response of the structure under wind loading. The wind load is a random phenomenon, and must be studied statistically. In the present work the Synthetic Wind Method has been adopted in order to generate the variation of the wind load in time. The dampers applied to the structure are fluid dampers, highly viscous, so its behavior can be considered linear. The computer software Robot Structural Analysis is used to study the structural behavior. An analysis considering the wind as an equivalent static load is adopted for the preliminary design. Then, a dynamic analysis is conducted, considering the structure under a time varying wind loading, to investigate the effect of the fluid dampers on the response. Five models are investigated, with different configurations for the dampers, in order to define the best configuration and obtain acceptable levels of displacements and acceleration.

Developing a rational method of design has long been the goal of structural engineering. For steel structures, through the development of plastic design and electronic computation, this now seems possible. Several methods have been proposed within the last five years, and one method has been programmed for the digital computer. Five methods are here discussed and compared and the method of Heyman and Prager is investigated in detail. The assumptions and restrictions of the Heyman-Prager method, along with the computer program developed by Kalker, are investigated and discussed. The author attempts to evaluate the usefulness of, and place the Heyman-Prager method in a proper perspective in the overall planning, design, analysis phases of the total structural evolution. It is concluded that a more efficient computer program could be developed to facilitate the structural solution and some methods by which this might be accomplished are suggested. A comprehensive bibliography is provided which traces the development of practical minimum weight, plastic design from its inception up to the present time. / Master of Science

published_or_final_version / abstract / Architecture / Doctoral / Doctor of Philosophy

Assessing tall building oscillation is a multidisciplinary area involving knowledge from different fields of study: structural engineering, wind engineering, reliability, and even human physiology, to name a few. With the modern high strength structural materials and the latest tendencies in tall buildings construction, new structural systems have become slender and new buildings have reached greater heights as time passes. This context leads to a situation where these slender structures are sensitive to dynamic effects from wind loads and where human comfort is often the prevailing criterion for the structural design. This multidisciplinary area with slender structural systems allied to economic and environmental aspects from building construction demands a better integration between the abovementioned fields in order to achieve both human comfort and sustainable buildings (from environmental and economic points of view). This thesis aims at connecting the \"weak links\" of the Davenport\'s chain of wind loading, discussing criteria from each field involved in the oscillation assessment of a tall building: dynamic analysis, finite element modelling, wind climate modelling and comfort assessment. The axis of investigation intends to bring precision to the procedure, whilst creating a reliable set of criteria to perform a dynamic response assessment from the wind tunnel testing of tall buildings. This thesis also aims at connecting these fields of study by bringing understanding from each one of them to all the others, and at validating multidisciplinary interactions in the Davenport\'s chain. Finally, a wide dispersion of results is obtained for two different tall buildings in São Paulo. This dispersion serves to corroborate the deficient integration between these fields of study and to present a set of criteria that brings precision to the procedure, whilst allowing more economic and sustainable designs. / O estudo das oscilações de edifícios altos sob ação do vento é uma área multidisciplinar que envolve conhecimentos de diferentes campos de estudo: engenharia estrutural, engenharia de vento, confiabilidade e até fisiologia humana, para citar apenas alguns. Em paralelo, a criação de novos materiais de construção de alta resistência, aliados às últimas tendências na construção de edifícios altos, permite sistemas estruturais cada vez mais esbeltos aplicados a edifícios cada vez mais altos. Este contexto leva a uma situação em que estes sistemas estruturais são sensíveis aos efeitos dinâmicos das cargas de vento e onde o conforto humano é frequentemente o critério preponderante para o projeto estrutural. Esta área multidisciplinar, com seus sistemas estruturais esbeltos, aliada aos aspectos econômicos e ambientais da construção de edifícios altos, exige uma melhor integração entre os campos acima referidos para se alcançar conforto humano em edifícios sustentáveis (tanto do ponto de vista ambiental quanto do econômico). Esta tese tem como eixo de investigação os \"elos fracos\" da corrente de cargas de vento de Davenport e discute os critérios de cada campo envolvido na avaliação das oscilações de um edifício alto: análise dinâmica, modelagem de elementos finitos, modelagem probabilística de vento e avaliação de conforto. O eixo de investigação proposto visa a trazer precisão ao procedimento, criando um conjunto de critérios confiáveis para a avaliação da resposta dinâmica a partir de ensaios em túnel de vento de edifícios altos. Esta tese também visa a conectar estes campos de estudo, trazendo a compreensão de cada um deles para todos os outros e para validar as interações multidisciplinares na corrente de Davenport. Finalmente, uma grande dispersão de resultados é obtida para dois edifícios altos em São Paulo. Esta dispersão serve para corroborar a deficiência da integração entre estes campos de estudo e para apresentar um conjunto de critérios que traga precisão ao procedimento, permitindo, concomitantemente, projetos mais econômicos e sustentáveis.

Neste trabalho são abordados os aspectos inerentes à análise não linear física e geométrica de núcleos rígidos pertencentes a estruturas de contraventamento de edifícios altos em concreto armado. O trabalho foca a análise estrutural dos núcleos através do uso de uma ferramenta computacional capaz de realizar uma análise não linear rigorosa, estudando modelos usuais com o emprego do método dos elementos finitos. São avaliadas as reduções de inércia que ocorrem nas paredes que compõem os núcleos, dimensionados de forma a apresentarem três taxas de armadura, uma próxima à mínima, uma média e uma próxima à máquina permitida pela NBR 6118. São estabelecidas estimativas simplificadas para os efeitos da não linearidade física sobre esses elementos, que possam ser utilizadas em projetos usuais de maneira simples e prática. / This work deals with nonlinear geometrical and physical analysis of structural cores that take part in the bracing system of multistory reinforced concrete buildings. The study depicts the structural behavior of concrete cores by using a computational tool that performs a strict non-linear analysis, coping with usual models based on the Finite Element Method. The work evaluates the inertia reduction of concrete core\'s walls, considering minimum, medium and maximum geometrical reinforcement ratio prescribed by NBR 6118. Estimations of the physical nonlinearity of those elements are provided aiming at the practical use in actual structural design.

O emprego de pilares mistos formados por tubos de aço preenchidos com concreto de alta resistência, sobretudo em edifícios altos, é uma tendência em diversos países europeus, americanos e asiáticos. A tais elementos são atribuídas vantagens como: alta resistência e ductilidade, economia de materiais e mão-de-obra, redução das dimensões da seção transversal e melhoria no comportamento dos materiais aço e concreto, devido ao efeito de confinamento. Buscando suprir algumas carências de conhecimento, procura-se obter dados experimentais sobre o comportamento de pilares mistos axialmente comprimidos, possibilitando desta forma avaliar parâmetros como influência da forma da seção transversal e da espessura do perfil tubular no seu comportamento. Foram analisadas seções quadradas, circulares e retangulares, preenchidas por concreto com resistência média de 50MPa. A ruína destes elementos caracterizou-se pelo esmagamento do concreto, ocorrendo posteriormente a flambagem local do perfil em diversos pontos. A capacidade resistente prevista por diversas normas resultou em valores muito próximos dos experimentais, embora várias destas normas não considerem o efeito de confinamento. Os ensaios mostraram que o efeito de confinamento contribui de forma decisiva na melhoria do comportamento dos materiais, sobretudo ductilizando o concreto de alta resistência, entretanto seus efeitos não são significativos no aumento da capacidade resistente da seção mista. Alguns critérios para avaliação da ductilidade à compressão foram adaptados e mostraram bons resultados, possibilitando o cálculo do índice de ductilidade. / The use of concrete filled steel tubes especially in tall buildings is a tendency in several european, american and asian countries. The use of these members has several advantages: high resistance and ductility, saving of materials and labour, reduction of cross section dimensions and improvement in behaviour of the materials steel and concrete due the confinement. The main purpose of this study is provide some experimental results of the behaviour of concrete filled steel tubes concentrically loaded. The main experimental parameters considered were the influence of the cross-section shape and thickness of steel tube. Square, circular and rectangular cross-section shapes infilling with concrete of the 50MPa of strength were analyzed. The failure was characterized for crushing of the concrete and later local buckling of the steel section in several points. The strength capacity predicted for several standards showed good agreement with the experimental failure values although this does not consider the confinement of the concrete. The results of tests showed that the confinement effect contributes for improvement behaviour of materials, especially increasing the ductility of the high strength concrete. However the results showed that the triaxial confinement does not increase the axial capacity of the concrete filled steel tubes. Some methods to estimate the ductility of axially compressed concrete columns were adapted and showed good results permitting the calculation of the ductility index of short columns.

Nas últimas décadas, tem-se observado uma forte tendência de edificações cada vez mais altas, esbeltas e flexíveis, o que exigiu novas considerações no cálculo estrutural de edifícios, tornando a ação do vento um elemento de grande relevância nos projetos. Além disso, o denso agrupamento de edificações nos centros de grandes cidades adicionou uma variável para um fenômeno que já era complexo: devido à proximidade, um edifício passa a influenciar o campo aerodinâmico de outros, podendo provocar grandes alterações nas pressões, além de fenômenos dinâmicos difíceis de determinar por métodos analíticos. Instruções normativas, em geral, limitam-se a prédios altos com padrões arquitetônicos regulares, afastando-se da realidade dos projetos construídos na prática, que vêm exibindo geometrias cada vez mais complexas e não convencionais. Este cenário justifica a realização de extensos estudos dentro do tema em questão, a fim de que se obtenha uma melhor compreensão dos fenômenos dinâmicos envolvidos e uma orientação mais abrangente na etapa de pré-dimensionamento da estrutura. Neste contexto, a proposta desta pesquisa consiste em dois estudos de caso, de edifícios construídos no Brasil e ensaiados em túnel de vento, que possuem uma geometria similar (em formato de “V”), mas com dimensões e detalhes arquitetônicos distintos. O objetivo é o de promover uma caracterização aerodinâmica, avaliando os carregamentos atuando global e localmente, tanto para o modelo considerado isolado quanto incluindo as condições de vizinhança. Além das ações, estudou-se o espectro do vento que se aproxima, e determinou-se as funções de admitância aerodinâmica correspondentes. Em ambos os edifícios, verificou-se que a incidência do vento aproximadamente perpendicular a uma das abas corresponde a uma direção crítica em termos de efeitos dinâmicos: os espectros dos carregamentos globais se mostraram muito similares, apresentando picos pronunciados que indicam a possibilidade de desprendimento cadenciado de vórtices; as funções de admitância aerodinâmica também evidenciaram um formato muito semelhante. O estudo em questão oferece um meio de validação para estudos futuros que utilizem modelos de ensaio simplificados, além de servir de referência para uma possível revisão da norma brasileira NBR 6123/1988 – Forças devidas ao vento em edificações, contribuindo com os avanços do conhecimento relativo a efeitos dinâmicos do vento em edifícios altos e irregulares. / In the last decades we observed a strong trend in constructing buildings increasingly tall, slender and flexible, which has asked for new consideration in the structural calculus of buildings, making the wind a relevant element in the design procedures. The grouping of buildings downtown in big cities has added another variable to an already complex phenomenon: due to the proximity, a building influences in the aerodynamic field of others, leading to pressure modifications and dynamic effects hard to determine by analytical methods. Instruction codes, in general, are limited to regular tall buildings, in contrast to the reality of projects built in practice, which have been exhibiting architectonic patterns increasingly complex and unconventional. This scenario justifies extensive studies among aerodynamic of irregular tall buildings, with the purpose of acquiring a better comprehension regarding the dynamic phenomena involved and a more accurate direction on the pre-design phase. In this context, the proposal of this research consists of two case studies about buildings constructed in Brazil and tested in wind tunnel, which have a similar geometry (V-shaped) but different dimensions and architectonic details. The objective is to promote a complete aerodynamic characterization, assessing the loads acting as a whole and also locally, with both isolated and interference conditions. Besides the action, the velocity spectrum of the approaching wind and the corresponding aerodynamic admittance were studied. Either case, it was verified that the wind incidence nearly perpendicular to one of the frontal facades is a critical direction from the perspective of dynamic effects: the spectra of global loads were very similar, with a peak emerging on the graphs, which indicate the possibility of vortex shedding; the admittance function also showed a very close format. This study offers an instrument of validation for future researches that use simplified test models, besides to fit as a reference to a possible revision of the Brazilian code NBR 6123/1988 – Wind load on building structures, contributing to the knowledge advances regarding dynamic effects on irregular tall buildings.