A study on wind acting on tension membrane structures.

Atualmente, problemas de interação fluido-estrutura representam um grande desafio em diferentes áreas de engenharia e ciências aplicadas. Dentro das aplicações de engenharia civil, a ação do vento sobre estruturas tem grande relevância principalmente na avaliação de instabilidades elásticas de estruturas muito flexíveis, como pontes e estruturas de membrana. Este trabalho introduz os conceitos principais das estruturas de membrana e da ação do vento em estruturas. A ação do vento em estruturas de membrana será apresentada em capítulo à parte, através de aplicações computacionais para problemas de fluidodinâmica. A ação do vento em estruturas é tratada de forma consistente com as prescrições da norma técnica da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 6123 Forças devidas ao Vento em Edificações, a qual está vigente desde Junho de 1988. Ainda, foi apresentado breve resumo sobre análise dinâmica do vento através de modelos reduzidos em túneis de vento. Devido às estruturas de membrana possuírem formas incomuns e comportamento estrutural diferenciado com relação às estruturas convencionais, as forças devido à ação do vento nestas estruturas não fazem parte do escopo da NBR 6123. Utilizando-se dos conceitos básicos e benchmarks da norma supracitada, a análise fluido-dinâmica das aplicações será tratada computacionalmente. As leis físicas e equações gerais para solução deste tipo de problema são apresentadas em concordância com o software utilizado. Neste trabalho a ação do vento em estruturas de membrana foi solucionada com acoplamento parcial em algumas aplicações tridimensionais, fazendo-se uso do software Ansys versão 11. Aqui entende-se por acoplamento parcial a tratativa do vento e da estrutura em domínios separados. Em primeira análise, foram obtidas as pressões de vento sobre uma malha de elementos infinitamente rígidos e indeslocáveis com a forma geométrica da membrana. As pressões foram então aplicadas sobre a estrutura, obtendo-se deslocamentos e tensões estáticas. Atualizando-se o domínio do vento para a nova geometria, novos processamentos foram realizados sucessivamente até que a variação de tensões ou das pressões na estrutura fosse desprezível.Currently, problems of fluid-structure interaction represent a major challenge in different areas of engineering and applied sciences. Within the civil engineering applications, the action of wind on structures has great importance particularly in the evaluation of elastic instabilities of very flexible structures such as bridges and tension membrane structures. This work introduces the main concepts of tension membrane structures and wind acting on structures. The fluid-dynamic analysis are presented in a separate chapter, focused on computational applications. The wind acting on structures is treated consistently with the prescriptions of the national code ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnics Brazilian Technical Standards Association) NBR 6123 - Wind Forces on Buildings, issued on June 1988. Still, a brief summary was presented on the dynamic analysis of wind using wind tunnels. As tension membrane structures having unusual shapes and different structural behavior compared to conventional structures, the forces due to wind action on membranes are not part of the scope of NBR 6123. Using the basic concepts and benchmarks available, the fluid-dynamics for the applications are treated computationally. The general physical laws and equations for solving this problem are presented in accordance with the software. The wind acting on membrane structures was solved with partial coupling in some three-dimensional applications, using Ansys v.11 software. Here, partial coupling means solving wind problem and structure problem separately. In the first analysis, the wind problem is solved obtaining pressures over a rigid mesh with the geometric shape of the membrane structure. These pressures are then applied on the membrane, resulting on static displacements and stresses. Updating the domains to the new geometry, other analysis are run until the change over the structural tensions is negligible