Authors
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Eduardo de Miranda Batista
Civil Engineering Program, COPPE, Federal University of Rio de Janeiro, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, C.P. 68506, Rio de Janeiro, RJ 21945-972, Brazil
https://orcid.org/0000-0002-6317-6789
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Joao Alfredo de Lazzari
CERIS, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Av. Rovisco Pais 1, 1049–001 Lisboa, Portugal
https://orcid.org/0000-0002-3176-3006
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Gustavo Yoshio Matsubara
Civil Engineering Program, COPPE, Federal University of Rio de Janeiro, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, C.P. 68506, Rio de Janeiro, RJ 21945-972, Brazil
https://orcid.org/0000-0001-8385-3647
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Michèle Schubert Pfeil
Civil Engineering Program, COPPE, Federal University of Rio de Janeiro, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, C.P. 68506, Rio de Janeiro, RJ 21945-972, Brazil
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Renato Nascimento Elias
Civil Engineering Program, COPPE, Federal University of Rio de Janeiro, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, C.P. 68506, Rio de Janeiro, RJ 21945-972, Brazil
https://orcid.org/0000-0001-5151-6451
Abstract
The objective of this research is to present practical solutions for improving structural performance of thin-walled conic polygonal monopoles. The analysis encompasses computational simulations, analytical evaluation, and structural verification of reinforcements for openings and longitudinal folded stiffeners of flat walls. A benchmarked solution is derived from a design involving a 20-sided cold-formed steel polygonal section employed to support telecommunication antennas at a height of 40 meters. The structural verification is performed under the influence of wind loads, with particular attention to the commonly reported basic gust wind speed in Brazil. The conducted analysis encompasses: (i) wind-induced static equivalent dynamic behavior, (ii) parametric elastic buckling analysis, (iii) non-linear finite element analysis of reinforced openings, and (iv) direct strength method (DSM) performance evaluation of stiffened polygonal cross-sections. The importance of combining tailored numerical tools such as the finite strip and finite element methods, as well as wind-induced behavior, is demonstrated through the structural analysis results. In essence, the study's findings reveal the previously overlooked local-distortional buckling interaction in current design guidelines. Moreover, the research demonstrates that incorporating reinforcements and longitudinal stiffeners significantly enhances the flexural capacity of slender structures. Notably, the adoption of a single 4-fold (trapezoid) stiffener shape, per polygonal wall, emerges as a promising effective solution for enhancing the overall flexural capacity. Further full scale experimental structural tests and computational fluid dynamics should be considered for advanced structural analysis and improved design.
Author Biographies
Eduardo de Miranda Batista, Civil Engineering Program, COPPE, Federal University of Rio de Janeiro, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, C.P. 68506, Rio de Janeiro, RJ 21945-972, Brazil
Professor Titular no Departamento de Estruturas da Escola Politécnica e no Programa de Engenharia Civil da COPPE, na Universidade Federal do Rio de Janeiro. Graduado em Engenharia Civil pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (1973), Mestrado em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1979) e Doutorado em Engenharia Civil pela Universidade de Liége - Université de l'Etat a Liège (1988). Tem experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase em Estruturas, atuando principalmente nos seguintes temas: estruturas de aço, estruturas mistas de aço e concreto, perfis de chapa dobrada, estabilidade estrutural, análise estrutural, análise experimental de estruturas. Adicionalmente, orienta pesquisas sobre estruturas formadas por resinas reforçadas com fibra de vidro: perfis pultrudados e outros componentes aplicados em ambientes industriais. Dedicou especial atenção ao desempenho desses componentes em alta temperatura. Tem experiência em atividades de consultorias e serviços técnicos especializados em engenharia de estruturas, dirigidos tanto para a área da construção civil quanto nos setores de grandes equipamentos mecânicos. Essas atividades profissionais se estendem para as aplicações de compósitos em resinas reforçadas por fibras e em aplicações de análise de estruturas com emprego de recursos numéricos, computacionais e experimentais, em laboratório e no campo.
Joao Alfredo de Lazzari, CERIS, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Av. Rovisco Pais 1, 1049–001 Lisboa, Portugal
PhD Researcher at Instituto Superior Técnico from the University of Lisbon. Member of the CORE Group, CERIS (Civil Engineering Research and Innovation for Sustainability). Master of Science at the Federal University of Rio de Janeiro. Emphasis in Structures and Materials, with numerical modelling of thin-walled structures. Civil Engineer graduated from the Federal University of Espirito Santo. Undergraduate exchange program at the University of Minnesota, with a period of academic internship at the Illinois Institute of Technology Armor College of Engineer. Building Construction Technician, with emphasis on building construction, graduated by Federal Institute of Espirito Santo, has experience in construction, specifically in building constructions and in designing architectural projects.
Gustavo Yoshio Matsubara, Civil Engineering Program, COPPE, Federal University of Rio de Janeiro, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, C.P. 68506, Rio de Janeiro, RJ 21945-972, Brazil
Possui graduação em Engenharia Civil pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná (campus Curitiba), mestrado e doutorado em Engenharia Civil (Estruturas e Materiais) pela Universidade Federal do Rio de Janeiro - COPPE. Durante a graduação desenvolveu pesquisas experimentais na área geotécnica como aluno de iniciação científica, além de ter atuado como monitor das disciplinas do departamento de Matemática. Possui experiência como docente na área de estruturas no curso de Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, campus Toledo. Atualmente desenvolve pesquisas relacionadas à estabilidade estrutural de perfis de aço formados a frio.
Michèle Schubert Pfeil, Civil Engineering Program, COPPE, Federal University of Rio de Janeiro, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, C.P. 68506, Rio de Janeiro, RJ 21945-972, Brazil
Graduada em Engenharia Civil pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (1981), M.Sc. em Engenharia Civil-Estruturas pelo Instituto COPPE/ Universidade Federal do Rio de Janeiro (1985) e D.Sc. em Engenharia Civil-Estruturas pelo Instituto COPPE/UFRJ (1993). Atualmente é professora associada da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Especialista em engenharia de estruturas com ênfase em comportamente dinâmico e controle de estruturas de pontes e edificações sob ações de vento, veículos e ações humanas.
Renato Nascimento Elias, Civil Engineering Program, COPPE, Federal University of Rio de Janeiro, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, C.P. 68506, Rio de Janeiro, RJ 21945-972, Brazil
Professor associado II na área de Hidráulica Fluvial e Transporte de Sedimentos, do programa de engenharia civil do Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia (COPPE/UFRJ). Doutor (2007) e mestre (2003) pelo programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ com ênfase em Computação de Alto Desempenho. Graduado em Engenharia Química (1999) pela Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ). Possui experiência profissional como engenheiro de CFD tendo atuado como consultor para a empresa MTL engenharia no período de 1999 a 2003. Seus principais campos de atuação são: mecânica de fluidos computacional (CFD), método dos elementos finitos, Computação Paralela e Computação de Alto Desempenho.
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