Orientador: Isaias Vizotto

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo

Resumo: Através do uso de modelos físicos reduzidos e de simulações computacionais, este trabalho tem como objetivo a avaliação do comportamento mecânico das estruturas em casca de formas livres de base hexagonal. Os modelos reduzidos são submetidos a ensaios no túnel de vento de camada limite...

Resumo: Através do uso de modelos físicos reduzidos e de simulações computacionais, este trabalho tem como objetivo a avaliação do comportamento mecânico das estruturas em casca de formas livres de base hexagonal. Os modelos reduzidos são submetidos a ensaios no túnel de vento de camada limite atmosférica, e às correspondentes simulações computacionais, extraindo-se dados dos coeficientes de pressão interna e externa, considerando-se os regimes laminar e turbulento. A obtenção dos coeficientes de pressão permite avaliar o comportamento da estrutura dependendo do posicionamento da abertura dominante nos casos mais críticos de sucção e pressão. A análise dos coeficientes de pressão causados pela ação do vento em edificações é um aspecto fundamental no estudo das forças que atuam em estruturas. No caso particular das construções dos tipos de cascas finas, a análise dos coeficientes de pressão permite analisar e projetar estas estruturas corretamente aproveitando suas características geométricas. Os ensaios desta pesquisa foram realizados no túnel de vento LACAF da UNICAMP, utilizando-se os modelos reduzidos construídos com materiais compostos de fibra de vidro e resina, FERREIRA (2013), e produzidos a partir dos modelos computacionais desenvolvidos por VIZOTTO (1993). Durante os ensaios no túnel de vento, foram realizadas medições de pressão em vários pontos dos modelos, tanto na superfície externa como interna da estrutura submetida à ação do vento em regime laminar e turbulento, nas três situações criticas da abertura: estrutura fechada submetida à ação do vento a 0º e 90º; estrutura com uma abertura submetida à ação do vento a barlavento (0º) e sotavento (180º); e, com duas aberturas, submetida à ação do vento a barlavento (0º) e paralelo às aberturas (90º). Os resultados dos ensaios são apresentados em curvas isobáricas e analisados através do uso de gráficos comparativos para os casos dos regimes laminar e turbulento para cada caso ensaiado. Os modelos computacionais para realizar as simulações foram baseados nos resultados dos experimentos com modelos em túnel de vento, considerando as diversas combinações nos regimes laminar e turbulento, foram gerados através da ferramenta da fluidodinâmica computacional utilizando o modelo de turbulência "SST" no software Ansys (CFX) no laboratório de informática da FEC - UNICAM. Dos resultados obtidos experimentalmente dos coeficientes de pressão pode-se observar a máxima sucção na estrutura para o caso de uma abertura com o vento atingindo à estrutura na direção de barlavento no regime turbulento e a maior pressão é observada para o caso de duas aberturas com o vento atingido paralelo às aberturas. Dos dados obtidos numericamente em relação aos dados experimentais certificasse que existe uma grande semelhança, permitindo o uso da fluodinâmica computacional como ferramenta para a análise da ação do vento em estruturas tipo casca. Cabe notar que a indisponibilidade de dados para os coeficientes de pressão para carregamentos devidos ao vento nas estruturas com este tipo de geometria cria a necessidade de proporcionar e divulgar informações, metodologias e ferramentas, como a configuração dos modelos matemáticos, que permitam aos engenheiros obter as forças devidas ao vento utilizadas para a simulação de carregamentos em projetos reais

Abstract: Through the use of reduced physical models and computer simulations, the objective of this project is to assess the mechanical behavior of free form shell type structures with hexagonal base. The reduced models are subject to atmospheric boundary layer wind tunnel tests, while computer...

Abstract: Through the use of reduced physical models and computer simulations, the objective of this project is to assess the mechanical behavior of free form shell type structures with hexagonal base. The reduced models are subject to atmospheric boundary layer wind tunnel tests, while computer simulations are run in parallel, that provide internal and external pressure coefficient data applicable to the structures in question under the influence of both laminar and turbulent flow regimes. The obtained pressure coefficients allow the assessment of the behavior of the structure as a function of the position of the predominant opening in the most critical suction and pressure cases. The analysis of the pressure coefficients caused by wind loads in construction is a critical area of the structural force analysis in buildings and structures. In the particular case of thin walled shell type constructions, pressure coefficient analysis is the main driver for the correct design and planning of these structures, taking advantage of their geometrical features The tests were conducted in the wind tunnel at LACAF at the UNICAMP using scale models built out of fiberglass and resin, Ferreira (2013), and produced as result of the use of computer models developed by Vizotto (1993). The wind tunnel tests provided pressure measurements at various points of the structures subjected in the three following critical scenarios of predominant aperture: completely closed structure subjected to wind loads at 0 and 90 degrees, structure with one open subjected to wind loads at leeward (180°) and windward (0°) and structure with two opens subjected to wind loads at leeward (180°) and parallel to the apertures (90°). The test results are presented in isobaric graphs and are then analyzed in comparative graphics for each tested scenario. The computer models used to run the simulations are based on the empirical results obtained in wind tunnel tests using reduced size models, considering the various possible combinations, and were generated using the turbulence model "Shear Stress Transport Model" of the dynamic fluid analysis software tool Ansys (CFX) at the IT laboratory of the FEC - UNICAMP. The comparison of the numerical data with the experimental data certifies that there are a lot of similarities. Therefore, computer models can be used in order to project free form shell type structures and evaluate their behavior under wind loads. Finally, it is of significant relevance the fact that pressure coefficient data applicable to structures with this type of geometry subject to wind loads is not readily available. Therefore, it is necessary to provide and divulge information, methodologies and tools, such as the configuration of mathematical models, which will enable engineers to obtain more accurate data of wind-load forces used for the simulation of loads on free form shell type structures