Wind tunnel experimental determination of the speed-up factor over hills and scarpments

A camada limite atmosférica (CLA) é a região da troposfera que é diretamente influenciada pela superfície terrestre. Nesta região o perfil de velocidades do vento é variável e as velocidades são menores quanto mais próximas estiverem da superfície terrestre devido à influência da rugosidade superficial. Entretanto quando o escoamento do vento incide em terrenos não planos, ou seja, com morros e taludes o perfil de velocidades é influenciado por esta topografia. No cume de morros ou taludes, ocorre o fenômeno do speed-up, que é um aumento das velocidades nesta região. Esta pesquisa tem como foco a investigação do perfil de velocidades em um escoamento turbulento, para topografias isoladas. Para tanto, foram utilizados dois métodos para obtenção do perfil de velocidades: ensaios experimentais em túnel de vento e aplicação de normas e modelos analíticos de carregamento do vento. Os modelos experimentais dos morros têm seção transversal triangular e sinusoidal, com ângulos de 20° e 45°. Quanto à dimensionalidade, podem ser bidimensionais ou tridimensionais. Além do estudo de morros, nesta tese também será desenvolvido o estudo em taludes, neste caso, a seção transversal é triangular bidimensional. Os ângulos analisados são de 20° e 45° e apresentam patamares intermediários a barlavento. Os modelos foram ensaiados para a categoria de terreno I, conforme a Norma Brasileira NBR 6123 (ABNT, 1988): superfícies lisas de grandes dimensões, no túnel de vento Prof° Joaquim Blessmann, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Os modelos analíticos estudados foram: Jackson e Hunt (1975), Lemelin, Surry e Davenport (1988) e as normas estudadas são: NBR 6123 (ABNT, 1988), Eurocode 1 (CEN-TC, 2010), AIJ (AIJ, 2004), NBCC (NRCC, 2010), AS/NZS (AS/NZS, 2011), ASCE (ASCE, 2010). Além disso, uma importante contribuição desta tese é uma proposição para o fator topográfico da NBR 6123.Os resultados para os morros e taludes estudados apresentaram perfis de velocidades a barlavento, cume e sotavento compatíveis com a literatura estudada. Em relação as diferentes características estudadas, no geral, observaramse diferenças significativas entre as variáveis. Para os ângulos estudados observou-se que o ângulo de 45° apresentou maiores incrementos de velocidade no cume. Em relação à seção transversal, os modelos sinusoidais apresentaram maiores incrementos de velocidades no cume. A extensão do cume de 1H e 3H apresentou diferenças significativas tanto para modelos 2D como 3D. Os taludes 2D com patamares intermediários a barlavento apresentou significativa diminuição das velocidades no cume do morro e é influenciado pela quantidades e comprimento destes patamares. Quando comparados os resultados experimentais às normas, observa-se que há uma tendência dos modelos em superestimar os valores dos perfis de velocidades. Além disso, cada modelo possui características próprias e adequadas ao país de origem. Dentre as normas estudadas, a norma brasileira NBR 6123 apresentou os maiores incrementos de velocidades em comparação com as demais normas. A proposição da nova formulação para o fator topográfico apresentou valores bem precisos com os dados experimentais, para os modelos 2D Morros, 3D Morros e 2D Taludes.The atmospheric boundary layer (ABL) is a region of the troposphere that is directly influenced by Earth’s surface. In this region the wind speed profile is variable and the speeds are lower the closer they are to the Earth’s surface due to the influence roughness surface. However, when the wind flow occurs in non-flat terrain, that is, with hills and slopes the wind speed profile is influenced by the topography. In the top of the hills and ridges occur the speed-up phenomenon, which is an increase in speeds closest to the surface. This research focuses on the investigation of the structure of the wind flow, analyzing in detail the speed profile in a turbulent flow, for the isolated topographies. For this, two methods were used to obtain the speed profile: experimental tests in the wind tunnel and application of wind load codes and analytical models. The experimental models of the hills have a triangular and sinusoidal cross section, with angles of 20° and 45°. As for dimensionality, they can two-dimensional or three-dimensional. In addition to the hill study, in this thesis the ridge study will also be developed, in this case, the cross section is two-dimensional triangular. The angles analyzed are 20° and 45°, and have a upwind levels. The models were tested for the terrain category, according to Brazilian Standard NBR 6123 (ABNT, 1988): I – large smooth surfaces, in the wind tunnel Prof° Joaquim Blessmann at Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS). The analytical models studied were: Jackson e Hunt (1975), Lemelin, Surry e Davenport (1988), and the standards studied were: NBR 6123 (ABNT, 1988), Eurocode 1 (CEN, 2010), AIJ (AIJ, 2004), NBCC (NRCC, 2010), AS/NZS (AS/NZS, 2011), ASCE (ASCE, 2010). Furthermore, one important contribution thesis is a proposition for the topographic factor of NBR 6123. The results for the hills and ridges studies presented wind speed profile in the upwind, top and downwind compatible with the studied literature. In relation to the different characteristics studied, in general, were observed significant differences between the variables. For the studied angles it was observed that the 45 ° angle showed greater increments of speed at the summit. In relation to the cross section, the sinusoidal models showed higher increments of speed at the summit. The ridge extension of 1H and 3H showed significant differences for both 2D and 3D models. 2D slopes with intermediate windward levels showed a significant decrease in speed at the top of the hill and is influenced by the number and length of these levels.When comparing the experimental results to the standards, it is observed that there is a tendency of the models to overestimate the values of the wind speed profiles. In addition, each model has its own characteristics and appropriate to the country of origin. Among the studied standards, the NBR 6123 present the largest speed increments compared to the other standards. The proposal of the new formulation for the topographic factor presents very precise values, given by experiments, for the 2D Morros, 3D Morros and 2D Slopes models