An experimental and numerical evaluation of the geometric stiffness effect on the dynamic response of slender structures under wind excitation.

Por uma escolha política e economicamente pragmática, o Brasil optou por desenvolver a telefonia celular, com intenção de abreviar uma etapa de desenvolvimento. Tomada a decisão, a implantação foi feita num ritmo explosivo a partir da década de 1990, com instalação de dezenas de milhares de estações. Apesar da disparidade de custo entre os sistemas eletrônicos e as obras civis, pouco se investiu na engenharia estrutural envolvida, resultando em projetos e construções realizados com metodologia duvidosa e na herança de uma grande quantidade de problemas estruturais. Represada por considerações de ordem ambiental e estética, a instalação indiscriminada de torres, vive-se uma nova demanda para a engenharia estrutural na análise do aproveitamento dos locais existentes para suporte de novas cargas. Nesse sentido, o que se observa, via de regra, são estruturas compostas apenas de um poste em balanço de análise enganosamente simples. O que se esquece, quase sempre, é a extraordinária esbelteza desses elementos, que ao engenheiro deveria sugerir a imediata necessidade de considerar a não-linearidade geométrica forçosamente existente. Além disso, o carregamento mais importante e dominante é o do vento, de características eminentemente dinâmicas e aleatórias, desaconselhando análises estáticas ou dinâmicas determinísticas, preconizadas em Normas. Assim que, o objetivo deste trabalho é avaliar a influência da rigidez geométrica na resposta dinâmica de estruturas esbeltas sujeitas à excitação de vento. Para tanto, foi desenvolvido um modelo matemático simplificado, com características dinâmicas estabelecidas por uma técnica tipo Rayleigh, que evidencia a presença significativa da não-linearidade geométrica devida à esbelteza das peças. Para a validação dos resultados teóricos foi realizado um conjunto de ensaios dinâmicos em laboratório com modelos de barras e monitorada uma estrutura real em campo. A formulação proposta também foi aferida por métodos analíticos e numéricos como a solução de Euler para a carga crítica de flambagem e o Método dos Elementos Finitos. Os resultados obtidos validaram a proposta para o cálculo da freqüência fundamental de vibração de estruturas em balanço. A influência da rigidez geométrica na resposta das estruturas sob ação de vento foi também avaliada por meio de cálculos comparativos utilizando os modelos preconizados pela norma brasileira. Verificou-se que, dependendo das cargas existentes, a consideração da rigidez geométrica pode ter significativo efeito redutor na capacidade de os postes de telecomunicações possuírem área de exposição ao vento para a instalação de antenas.Due to a politically and economically pragmatic decision, Brazil has chosen to intensely develop its cellular phone system, in order to bypass a stage of development. Once the decision has been taken, implementation was set in an explosive pace in the 1990s decade by installing tens of thousands of stations. As the electronic systems are usually more expensive than the civil constructions, very little has been invested on the involved structural engineering, resulting in designs and constructions done with doubtful methodologies and in the heritage of great amounts of structural problems. Impounded by esthetical and environmental considerations, the indiscriminate installation of towers occurs. Thus, there is a new demand for the structural engineering in the analysis of the utilization of existing installation sites for bearing new loads. In this manner, what it can usually be observed are structures composed of just one cantilever pole of misleading simple analysis. What it is quite often ignored is the extraordinary slenderness of these elements, which should suggest to the designer the immediately necessity to consider the intrinsic existing geometric nonlinearity. Moreover, the wind is the most important and dominant load, of dynamic and random nature, misadvising either static or deterministic dynamic analysis, usually recommended by Codes and Standards. In doing so, the objective of this thesis is to evaluate the influence of the geometric stiffness on the dynamic response of slender structures subjected to wind excitation. As a first step, a simplified analytical model was developed, with dynamic characteristics established by a Rayleigh type technique, which enhances the intrinsic existing geometric nonlinearity due to the slenderness of the elements. As a second step, for validating the theoretically obtained results, a series of dynamic tests was carried out in laboratory, using models of cantilever bars, and a real structure was monitored in the field. The proposed analytical model was also checked by other analytical and numerical methods, such as the Eulers solution for the critical buckling load and the Finite Element Method. The influence of the geometric stiffness in the structure response to wind loads was also evaluated by comparative calculations among the different models recommended by the Brazilian Wind Code. It was verified that, depending on the existing loads, the consideration of geometric stiffness can have significant reductive effect on the capacity of the telecommunication poles have exposition area to wind for installation of antennas