Study of the methodologies for the calculation of the response of circular cylindrical structures due to vortex shedding phenomenon : updated proposal for the brazilian wind code

Estruturas como torres e chaminés industriais são bastante vulneráveis ao fenômeno de desprendimento de vórtices, devido à sua esbeltez e forma rombuda. Além disso, devido ao baixo amortecimento estrutural que possuem, essas estruturas também têm maiores chances de atingir grandes amplitudes de deslocamento, o que é causado pelo efeito de captura. Apesar de esse tipo de estrutura ser considerado simples dos pontos de vista estrutural e aerodinâmico, o estudo das vibrações transversais nessas estruturas é bastante complicado, pois envolve a interação entre tópicos complexos da mecânica dos fluidos e estrutural, tornando a determinação confiável da resposta estrutural um dos problemas mais difíceis da Engenharia do Vento. Ao longo das últimas cinco décadas, diversos pesquisadores vêm estudando esse fenômeno, buscando uma abordagem que consiga considerar todos os tópicos que envolvem o mecanismo de vibração por desprendimento de vórtices. Entretanto, apesar dos esforços, os modelos existentes para a verificação da resposta da estrutura são de caráter empírico, sendo os dois mais aceitos pela comunidade científica o modelo de comprimento de correlação de Ruscheweyh e o modelo matemático espectral de Vickery e Clark, o qual foi posteriormente aprimorado por Vickery e Basu. Primeiramente, são estudados em detalhe esses dois modelos e seus métodos derivados, os quais são apresentados em normas e códigos. Após isso, é feita uma proposta de cálculo de dimensionamento do deslocamento do topo de tais estruturas baseada no modelo de Vickery e Basu e adaptada às necessidades da NBR- 6123. E finalmente, são apresentados dados de 42 estruturas, as quais atingiram grandes amplitudes de vibração em seu topo. Essas estruturas foram dimensionadas segundo as diretrizes de cada um dos métodos estudados neste trabalho, o que demonstrou o bom desempenho do Método II do Eurocódigo, do Método do CICIND e da Proposta III-B para a NBR-6123. Structures like towers and industrial chimneys are quite vulnerable to the vortex shedding phenomenon, due to their slenderness and non-aerodynamic form. Furthermore, due to their low structural damping, these structures are also more likely to reach large displacement amplitudes, which is caused by the lock-in effect. Although these structures are considered as simple from structural and aerodynamic points of view, the study of cross-wind vibrations in these structures is quite complicated, as it involves the interaction of complex topics of fluid and structural mechanics, turning a reliable determination of the structural response into one of the most complicated problems in Wind Engineering. Over the past five decades, several researchers have been studying this phenomenon, seeking an approach that could consider all topics involving the vibrating mechanism by vortex shedding. However, despite the efforts, the existing models for predicting the response of the structure are empirical, with the two most accepted by the scientific community being the Ruscheweyh’s correlation length model and the Vickery & Clark’s spectral mathematical model, which was further enhanced by Vickery & Basu. Firstly, these two models and their derivative methods, which are reported in standards and codes, are studied in detail. After, a calculation proposal for predicting the top displacement of such structures is presented, which is based on the Vickery & Basu model and adapted to the needs of NBR-6123. Finally, data for 42 real structures which have reached large vibration amplitudes at their tops is presented. These structures were designed according to the guidelines for each of the methods studied in this work, which demonstrated the good performance of the Eurocode II Method, of the CICIND Method and of the NBR-6123 III-B Proposal.