Marco Antônio Silva Pinheiro
Resumo
Vibrações transversais à direção principal de ação do vento são muito comuns em torres de seção constante ou variável, devidas ao desprendimento alternado de vórtices. Embora raramente provoquem o colapso imediato da estrutura, ao longo do tempo podem reduzir a vida útil por fadiga de torres metálicas soldadas. O fenômeno de desprendimento de vórtices é bastante complexo, pois envolve mecanismos de interação fluido-estrutura. O estudo desse fenômeno tem sido alvo de intensas pesquisas, principalmente por meio de modelos semi-empíricos considerando os efeitos tridimensionais inerentes ao problema. Este trabalho apresenta a formulação de um modelo analítico, desenvolvido no domínio do tempo, para avaliação de respostas induzidas por desprendimento de vórtices em torres de seção circular. O modelo utiliza descrição matemática não linear da força aeroelástica em escoamento bidimensional, estendendo a condições tridimensionais promovidas pela turbulência do vento, variação da velocidade de vento e do diâmetro da torre ao longo da altura. São apresentadas comparações preliminares com resultados experimentais de ensaios em túnel de vento colhidos da literatura, com obtenção de excelente concordância. Uma torre de telecomunicações que apresenta vibração excessiva foi analisada e os resultados foram comparados às medições realizadas “in situ” na torre sob ação de vento com alta turbulência.
Abstract
Large amplitude across-wind vibrations of chimneys and towers have been frequently reported in the literature, in some cases associated to fatigue cracks in steel towers. These vibrations are mainly due to vortex shedding but also to the lateral component of the atmospheric turbulence. Vortex shedding in slender towers is a complex phenomenum that involves fluid-structure interaction in three dimensional conditions and which can only be fully assessed by “in situ” measurements. Semi-empirical estimation methods for expected maximum displacements in these structures have been proposed but are still under intensive research. This work presents a formulation of a semi-analytical model, developed in time domain, to estimate vortex-induced responses in circular section towers. The model assumes a non-linear 2D mathematical description of the aeroelastic force and extends it to three-dimensional conditions caused by oncoming turbulence, varying wind profiles and tapered cylinders. Preliminary comparisons with results of wind tunnel tests from the literature are presented, showing excellent correlation. A steel tower for telecommunication displaying excessive vibration under high turbulent wind flow was analyzed and the results compared to “in situ” measurements.
