Análise estática e dinâmica de torres metálicas estaiadas

139 Pages·2002·0.62 MB·Portuguese

ANÁLISE ESTÁTICA E DINÂMICA DE TORRES
METÁLICAS ESTAIADAS
RENATO CÉSAR GAVAZZA MENIN
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM ESTRUTURAS E CONSTRUÇÃO CIVIL
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL
FACULDADE DE TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL
ANÁLISE ESTÁTICA E DINÂMICA DE TORRES
METÁLICAS ESTAIADAS
o
ENG CIVIL RENATO CÉSAR GAVAZZA MENIN
ORIENTADOR: JOSÉ LUIS VITAL DE BRITO
COORIENTADOR: ATHAIL RANGEL PULINO FILHO
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM ESTRUTURAS E
CONSTRUÇÃO CIVIL
PUBLICAÇÃO: E.DM–009A/2002
BRASÍLIA / DF: ABRIL DE 2002.
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL
ANÁLISE ESTÁTICA E DINÂMICA DE TORRES
METÁLICAS ESTAIADAS
ENGo CIVIL RENATO CÉSAR GAVAZZA MENIN
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
CIVIL E AMBIENTAL DA FACULDADE DE TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE
BRASÍLIA, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO
GRAU DE MESTRE EM ESTRUTURAS E CONSTRUÇÃO CIVIL.
APROVADA POR:
________________________________________________
JOSÉ LUIS VITAL DE BRITO, Doutor (UnB)
(ORIENTADOR)
________________________________________________
ATHAIL RANGEL PULINO FILHO, Doutor (UnB)
(COORIENTADOR)
________________________________________________
LINEU JOSÉ PEDROSO, Dr.Ing (UnB)
(EXAMINADOR INTERNO)
________________________________________________
ACIR MÉRCIO LOREDO SOUZA, PhD (UFRGS)
(EXAMINADOR EXTERNO)
DATA: BRASÍLIA/DF, 8 de Abril de 2002
ii
FICHA CATALOGRÁFICA.
MENIN, RENATO CÉSAR GAVAZZA
Análise Estática e Dinâmica de Torres Metálicas Estaiadas [Distrito Federal]
2002.
xx, 118 p., 297mm (ENC/FT/UnB, Mestre, Estruturas, 2002).
Dissertação de Mestrado – Universidade de Brasília.
Faculdade de Tecnologia. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental.
1. Torres Estaiadas 2. Análise Estrutural
3. Análise Dinâmica 4. Não Linearidade.
I. ENC/FT/UnB II. Título (série)
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA.
MENIN, R.C.G. (2002). Análise Estática e Dinâmica de Torres Metálicas Estaiadas,
Publicação E.DM–009A/2002, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade
de Brasília, Brasília, DF, xx, 118 p..
CESSÃO DE DIREITOS
NOME DO AUTOR: Renato César Gavazza Menin
TÍTULO DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO: Análise Estática e Dinâmica de Torres
Metálicas Estaiadas
GRAU: Mestre em Estruturas e Construção Civil ANO: 2002
É concedida à Universidade de Brasília permissão para reproduzir cópias desta dissertação
de mestrado e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e
científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta dissertação
de mestrado pode se reproduzida sem a autorização por escrito do autor.
_______________________________________________
Renato César Gavazza Menin
SHIN, QI 10, Conjunto 01, Casa 07 – Lago Norte
CEP: 71525-010 – Brasília/DF, Brasil.
iii
DEDICATÓRIA
Gostaria de dedicar este trabalho aos meus pais César e Sonia,
ao meu irmão Eduardo, à minha avó Antonia, à Karine e à Ilma,
que estiveram sempre ao meu lado nos bons e maus momentos,
me dando o apoio e compreensão necessários para que eu
pudesse chegar ao fim de mais uma difícil jornada.
iv
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer primeiramente aos professores da Pós-Graduação em Estruturas da
UnB: Luciano Mendes Bezerra, Lineu José Pedroso, Paul Willian Partridge, Graciela Doz de
Carvalho, Willian Mathias Taylor e Eldon Londe Mello, que muito me incentivaram nesses
dois anos vividos na comunidade da UnB, despertando o meu interesse pela pesquisa.
Em especial gostaria de agradecer à dedicação, amizade e paciência demonstradas pelos
professores José Luis Vital de Brito e Athail Rangel Pulino Filho, que assumiram a orientação
deste trabalho, conduzindo-o de forma segura e tranqüila, mesmo nos momentos mais difíceis,
sendo de fundamental importância para a sua conclusão.
Finalmente, gostaria também de agradecer à amizade e compreensão dos meus colegas de
mestrado e doutorado: Jonathan, Neres, Nélvio, Márcio, Milton, Miguel, Andréia, Gustavo,
Ricardo, Glauceny, Jonas, Frederico, Carlos Magno, Cleyton, Ludimar, Patrícia, Danielle,
Donaldson, Nilo, Alessandro, Felipe, Sthefan, Alexandre, Diogo, Luiz Otávio, Aarão,
Arlindo, Carla, Renata, Patrícia, Gláucio, João Pedro, Nielsen, Petrúcio e Vladimir. Em
especial gostaria de agradecer ao Marlos José Ribeiro Guimarães, pela grande amizade e
ajuda, sempre dando conselhos construtivos para o melhor andamento e estruturação do
trabalho, bem como retirando uma grande quantidade de dúvidas de ordem prática à respeito
de torres em geral, além de disponibilizar uma grande quantidade de textos e materiais de
referência sobre o assunto.
v
ANÁLISE ESTÁTICA E DINÂMICA DE TORRES
METÁLICAS ESTAIADAS
RESUMO
Este trabalho descreve um estudo do comportamento de torres metálicas estaiadas submetidas
à carregamentos de vento, considerando-se fatores construtivos e de estabilidade.
Inicialmente é feito um estudo estático do principal carregamento, representado pelo vento,
segundo o procedimento descrito na norma NBR 6123 (1988), utilizando-se modelos
matemáticos lineares e não lineares que permitem alongamentos nos elementos de cabo para a
introdução das forças de pré-tensionamento.
Na análise modal, as freqüências e os modos naturais de vibração da estrutura são
determinados a partir de uma expressão linearizada da equação de equilíbrio dinâmico,
admitindo-se pequenas oscilações em torno da posição de equilíbrio estático.
Completando o estudo, é empregado o método de simulação de Monte Carlo, para o
desenvolvimento de uma análise dinâmica do vento que permita computar o efeito da parcela
flutuante do vento (rajadas) e com isso obter uma avaliação mais realista do comportamento e
do desempenho estrutural.
vi
STATIC AND DYNAMIC ANALYSIS
OF GUYED METALLIC TOWERS
ABSTRACT
The research described here considers the behavior of guyed metallic towers subjected to
wind loads, taking into consideration stability and constructive factors. Initially, a static
analysis of the wind load is carried out, according to the procedure described in the Brazilian
Wind Code - NBR 6123 (1988). The towers are modeled using linear and nonlinear
approaches, admiting stretching of cables to describe the initial tension.
In the modal analysis, the natural frequencies and modal shapes are calculated by linearization
of the dynamic equilibrium equation, admiting small oscilations around the static equilibrium
configuration.
Besides the static and modal analysis, a dynamic wind analysis is also performed, making use
of the simulation method of Monte Carlo, which permits the computation of the fluctuating
portion of the wind (gusts). This tecnique allows a more realistic evaluation of the structural
response of towers.
vii
ÍNDICE
Capítulo Página
1. INTRODUÇÃO
1.1 GENERALIDADES 1
1.2 MOTIVAÇÃO 1
1.3 NATUREZA DO TRABALHO 2
1.4 OBJETIVOS 3
1.5 CONTEÚDO 3
2. TIPOLOGIA ESTRUTURAL
2.1 TIPOS DE TORRES DE SUSTENTAÇÃO 5
2.2 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS TORRES ESTAIADAS QUADRADAS 7
2.3 CABOS DE ESTAIS 12
2.4 TIPOS DE ANTENAS 14
3. MODELOS MATEMÁTICOS
3.1 ANÁLISE ESTÁTICA 15
3.1.1 Modelo Não Linear para Cabo Tensionado 16
3.1.1.1 Deformação Longitudinal 16
3.1.1.2 Energia Potencial Total 19
3.1.1.3 Gradiente da Energia Potencial Total 19
3.1.2 Modelo Linear para Cabo Tensionado 23
3.1.2.1 Deformação Longitudinal 23
3.1.2.2 Energia Potencial Total 24
3.1.2.3 Gradiente da Energia Potencial Total 24
3.1.3 Modelo Linear Clássico de Treliça Espacial 27
3.1.3.1 Energia Potencial Total 27
3.1.3.2 Gradiente da Energia Potencial Total 27
viii
3.2 ANÁLISE MODAL 29
3.2.1 Equação de Equilíbrio Dinâmico 29
3.2.2 Problema de Autovalores e Autovetores 30
3.2.3 Matriz Hessiana do Elemento 32
3.2.4 Normalização dos Autovetores 36
3.3 ANÁLISE DINÂMICA 37
3.3.1 Integração da Equação de Movimento 37
3.3.2 Matriz de Amortecimento 39
3.3.3 Matriz de Massa Consistente 40
3.3.4 Esforços Internos 41
4. ANÁLISE ESTÁTICA DO VENTO SEGUNDO NBR 6123
4.1 FORÇA DE ARRASTO 42
4.2 PERFIL CONTÍNUO E DECOMPOSIÇÃO DA FORÇA DE ARRASTO 43
4.3 DETERMINAÇÃO DE FORÇAS ESTÁTICAS 48
4.4 TEORIA ELÁSTICA DE DIMENSIONAMENTO 48
4.5 DIMENSIONAMENTO DOS PERFIS 50
4.6 DIMENSIONAMENTO DOS CABOS 53
5. ANÁLISE DINÂMICA DO VENTO – MÉTODO DE MONTE CARLO
5.1 HISTÓRICO DO ESTUDO DOS EFEITOS DINÂMICOS DO VENTO 55
5.2 MÉTODO DE MONTE CARLO 57
5.2.1 Resumo do Processo 57
5.2.2 Vento Médio e Rajadas 58
5.2.3 Espectro de Velocidades Flutuantes 60
5.2.4 Espectro de Pressões Flutuantes 62
5.2.5 Decomposição da Pressão Flutuante 63
5.2.6 Correlação Espacial de Velocidades e Pressões Flutuantes 68
5.2.7 Análise no Tempo e Resposta Característica 70
5.3 ANÁLISE ESTATÍSTICA DE EXTREMOS 71
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