Aplicação da dinâmica computacional de fluidos à análise aeroelástica de estruturas esbeltas

Abstract

A acção do vento é um dos factores mais importantes a considerar na análise do comportamento de estruturas de grandes dimensões e elevada flexibilidade. Principalmente após o colapso da ponte de Tacoma Narrows em 1940, sabe-se que as pontes atirantadas ou suspensas requerem, na fase de projecto, a realização de estudos rigorosos do respectivo comportamento aeroelástico. Tradicionalmente, estes estudos têm sido realizados em túneis de vento sobre modelos físicos. Mais recentemente, têm sido desenvolvidas e aperfeiçoadas paralelamente metodologias empíricas, as quais permitem caracterizar as forças do vento (forças aeroelásticas) com base em importantes simplificações dependentes do fenómeno aeroelástico a considerar na análise. Contudo, estas aproximações analíticas requerem o conhecimento prévio de alguns coeficientes seccionais (força de arrastamento, força de sustentação, momento, derivadas de "flutter", etc.) da estrutura esbelta, os quais podem ser obtidos experimentalmente em ensaios em túnel de vento. O principal objectivo do presente trabalho consiste na apresentação do desenvolvimento de um programa de cálculo computacional para a simulação de fenómenos aeroelásticos em estruturas flexíveis, em particular em pontes de grande vão. Este programa baseia-se em dois algoritmos numéricos trabalhando em conjunto: o primeiro determinando a acção do escoamento e o segundo a resposta estrutural. A simulação do escoamento e a avaliação da acção sobre a estrutura é efectuada com base no Método dos Volumes de Controlo. Recorre-se ao modelo de turbulência k – e de alto Reynolds para simular a turbulência do escoamento. As equações de conservação de massa, da quantidade de movimento e das quantidades turbulentas são resolvidas com base no algoritmo TDMA linha a linha. O algoritmo SIMPLE é utilizado de modo a assegurar a ligação entre os campos de valores de pressão e de velocidade. Por outro lado, recorre-se ao Método dos Elementos Finitos para simular o comportamento dinâmico do sistema estrutural, o qual pode ser caracterizado como geometricamente não linear. A resposta estrutural é avaliada com base nas equações de equilíbrio dinâmico, as quais são resolvidas por recurso ao Método de Newmark, e considerando adicionalmente o domínio dos grandes deslocamentos e das pequenas deformações. O programa de cálculo computacional apresentado começou por ser aplicado à simulação de escoamentos, tendo em vista a determinação dos coeficientes utilizados nas metodologias simplificadas de análise de fenómenos aeroelásticos. Posteriormente, são apresentados estudos aeroelásticos integrais de duas estruturas, sendo os resultados obtidos comparados com os alcançados através de modelos simplificados.