AÇÃO DE VENTO EM ESTRUTURASAÇÃO DE VENTO EM ESTRUTURAS

Bibliografia: Prof. Joaquim Blessmann

Profa. Michèle PfeilProfa. Michèle Pfeil

Principal Causa do Vento NaturalPrincipal Causa do Vento Natural

Aquecimento não uniforme da atmosfera, a partir da energia solar absorvida pela crosta terrestre e irradiada

sob a forma de calor.

Tormentas Sistemas meteorológicos que dão origem a ventos de alta

velocidade, independentemente do

mecanismo de formação.Fraco 0 ~ 9 km/hLeve 10 ~ 40 km/h

Moderado 41 ~ 60 km/hForte (Vendaval) 61 ~ 90 km/h

Muito Forte (Tempestade)

Acima de 91 km/h

Furacão Acima de 115 km/hRef.: UWO, Ontario, Canada

Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h)Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h)

Mau tempo, precipitação e ventos fortes

CiclonesCiclonesBom tempo,

temperaturas altas ou

baixas por longos

períodos.

AnticiclonesAnticiclones

Ciclones Extratropicais:Ciclones Extratropicais: Ventos “bem comportados”, servem de base para as normas de vento. Sustentam a velocidade média por algumas dezenas

de horas. Ciclones Tropicais (Tufão, Ciclones Tropicais (Tufão, Furacão):Furacão):Formação sobre os oceanos, temperatura

da água 270C, entre latitudes 50 e 300 (norte e sul).

Previsão (1990): Risco para a costa do Brasil. (Efeito Estufa)

Taiwan – 4 de julho de 2001

Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h)Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h)Tormentas ElétricasTormentas Elétricas

((ThunderstormThunderstorm, Tormentas TS), Tormentas TS) Oklahoma City - OK

TornadosTornados(Isolados ou em grupo)(Isolados ou em grupo)

Tonovay – KS (1982)

Diâmetro: 100~3000mVelocidade Tangencial: 350km/h Deslocamento: 30~100km/hTrajetória: 10~30kmBrasil: RS, SC (200km/h) SP, RJ (2001)

RajadasRajadas Violentas, Chuva Torrencial, Chuva Torrencial,

Descargas Elétricas.Descargas Elétricas.

Ordens de grandeza dos diferentes Ordens de grandeza dos diferentes fenômenosfenômenos

Ação do vento em estruturasAção do vento em estruturas

2 fatores: Pressão de vento q=Geometria da construção

½ U2

U variável aleatória no tempo e no espaço

U de projeto: valor com uma certa probabilidade de ocorrência uma vez no intervalo de tempo de vida útil da estrutura (50 anos) – tempo de recorrência.

Fatores que influenciam a velocidade de ventoFatores que influenciam a velocidade de vento

1. Intervalo de tempo e dimensão espacial da edificação2. Altura acima do terreno3. Rugosidade de terreno4. Situação topográfica

Medição de velocidade de ventoMedição de velocidade de vento

Anemômetro de Robinson

t)z,u(y,(z)UU(t)

= velocidade média (direção de incidência do vento), média sobre 10 minutos

(z)U

1- Intervalo de tempo e dimensão espacial da

edificação

U máx calculado sobre t pequeno da ordem de poucos segundos

u (t) = flutuação; turbulência

1 -Intervalo de tempo e dimensão espacial da edificação

Turbilhão de longa duração

Turbilhão de curta duração

t para cálculo de U

Dimensão espacial

3 s 20 m5 s 50 m10 s > 50 m

Camada Limite Atmosférica Camada Limite Atmosférica = = Camada junto à superfície terrestre na qual o movimento do ar é retardado pelas forças de arrasto.

Altura da camada limite ou altura gradiente: 250~600m

Dentro da camada limite atmosférica a turbulência de origem mecânica é preponderante. A turbulência de origem térmica pode ser desprezada.

2 - Altura acima do terreno

2 - Variação da Velocidade Média dentro na Camada 2 - Variação da Velocidade Média dentro na Camada LimiteLimite

Lei Potencial: (G.Hellman)

p

gzz

gzUzU

)()(

z,zg: alturas acima do terrenop: expoente relativo à rugosidade superficial

3 – Rugosidade do terreno

Rugosidade do terreno: classificação em categorias

4 – Situação topográfica

Alteração do perfil de velocidades

Climatologia Estatística de Ventos ExtremosClimatologia Estatística de Ventos ExtremosPara a engenharia estrutural, fornece as informações

sobre ventos extremos que poderão afetar uma estrutura durante sua vida útil.

Confiabilidade dos Registros de Vento

Instrumentação calibrada e eventual ajuste de dados, se necessário;Anemômetros afastados de obstruções que possam produzir efeitos locais, documentar possíveis alterações;Atmosfera neutra (Velocidade do vento da ordem de 10m/s na cota 10m e em terreno aberto). Homogeneidade dos Registros de Velocidade do

VentoAltura sobre o Terreno

Rugosidade do Terreno

Tempo de Amostragem

Erros de Amostragem: Conseqüência do tamanho limitado da amostra.

Erros de Modelagem: Escolha inadequada do modelo probabilístico pode levar ao projeto de estruturas com probabilidade de falha elevada e irreal.

Estimativa de Ventos Extremos em Regiões de Estimativa de Ventos Extremos em Regiões de Ventos Bem Comportados Ventos Bem Comportados

Mapa de Isopletas

NBR6123

Ação do vento em estruturasAção do vento em estruturas

2 fatores: Pressão de vento q=Geometria da construção

½ U2

Noções de Aerodinâmica

Propriedades dos fluidosViscosidade dinâmica

U F

uu+du

y

uu+du dy

placa

Tempo t t+dt

d

Variação angular d = du.dt / dy

Em sólidos: = G tensão cisalhante

Em fluidos:= d/dt tensão de deslizamento = viscosidade (associada a velocidade de deformação do fluido)

Lei de Newton: = du/dy ; du/dy = gradiente de velocidade

Escoamento em lâminas

Propriedades dos fluidos

Viscosidade cinemática

ρμυ

Coef. de viscosidade dinâmica ou, simplesmente, viscosidade

Massa específica do fluido

CompressibilidadeT constante, lei Boyle-Mariotte: p V = p1 V1

Coef. Compressibilidade: k = - (dV/V) / dp; k varia com p

Para fluido ar, no âmbito das velocidades naturais do vento nas proximidades do solo

Ar imcompressível

Escoamentos

xy

z

r (posição)

V (velocidade)

Permanente: v = v(r)

Variável (não permanente) : v = v(r,t)

Uniforme ; v = v(t)

Uniforme e permanente : v = constante

Linhas de corrente: tangente em cada ponto ao vetor velocidade

Mecânica dos fluidos: método de Euler

Mecânica dos sólidos: método de Lagrange

PressãoPressão estática: p = lim (a0) N/A

NÁrea A

Teorema de Bernouilli (fluido sem viscosidade, escoamento permanente):

½ u2 + p + g z = constante

Aplicável entre 2 pontos em escoamento irrotacional

Para ar ( pequeno): ½ u2 + p = constantepressão dinâmica = ½ u2

pressão estática = ppressão total = ½ u2 + p

Tubo de Pitot (1732)

Ponto de estagnação

ue=0pe

Medida da pressão total do escoamento:½ u0

2 + p0 = pe

u0

p0

Medida da pressão dinâmicaq= ½ u0

2

q= pe – p0

q= pe – p0

p0

pe

Medidas em túnel de vento

Coeficientes Aerodinâmicos

pem

m

mm

mm

cquu

upp

uupp

pupu

20

2200

20

20

20

20

121

21

21

21

21

Coeficiente de pressão

externacpe

Pressão efetiva

Coeficientes AerodinâmicosMedição da pressão efetiva

estrutura

pem cqpp 0

Tunel de vento

Tunel de vento UFRGS

Vista interna

Modeloreduzido

Coeficientes Aerodinâmicos

Variação do coeficiente cpe

Coeficientes de pressãoExterno cpeInterno cpi

cúpula

Coeficientes de pressãoExterno cpeInterno cpi

Efetivo cp = cpe - cpi

Coeficientes de formaExterno CeInterno Ci

Efetivo C = Ce - Ci

Apee dAc

AC 1

Componentes de força num Componentes de força num corpo arbitrário imerso em escoamento corpo arbitrário imerso em escoamento

bidimensionalbidimensional

M

BρU21

FC2

LL

BρU21

FC2

DD

22M

BρU21

MC

= massa específica do arU = velocidade média de referênciaB = dimensão característica da estrutura

FD

FL

arrasto

sustentação

momento

Coeficientes Aerodinâmicos

Coeficientes de arrasto Coeficientes de arrasto e de sustentação de e de sustentação de

seções transversais em seções transversais em perfis estruturais longos perfis estruturais longos

FaFs

Flvento

Coeficientes Aerodinâmicos

Coeficientes de Força

Coeficiente de arrasto Ca = Fa / (q A)

Coeficiente de sustentação Cs

Coeficiente lateral CL

A = área de referência

Efeitos TridimensionaisEfeitos Tridimensionais

Coeficiente de arrasto de uma placa retangular (=5) em função da direção horizontal do

vento[O. Flaschsbart, 1934]

Efeitos TridimensionaisEfeitos Tridimensionais

=0o

Norma NBR 6123Norma NBR 6123Forças devidas ao vento em edificaçõesForças devidas ao vento em edificações

Velocidade básica de vento: VVelocidade básica de vento: V00

t = 3s (cálculo da média)t = 3s (cálculo da média)H= 10mH= 10mTerreno plano e abertoTerreno plano e abertoTempo de recorrência = 50 anosTempo de recorrência = 50 anos

Norma NBR 6123Norma NBR 6123Forças devidas ao vento em edificaçõesForças devidas ao vento em edificações

Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básica

Vk = V0 S1 S2 S3

S1 – fator topográfico

S2 – dimensões da edificação, rugosidade do terreno e altura acima do terreno

S3 – fator estatístico

Norma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificaçõesNorma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificações

Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básicaFator S1Fator S1

Terreno plano S1 =1Taludes e morros

pontos A e C: S1 =1ponto B : S1 = f(z)

Norma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificaçõesNorma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificações

Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básicaFator S2Fator S2

Rugosidade do terreno: Categorias I a V Dimensões da edificação (cálculo de t): Classes A , B, C Altura acima do terreno: lei potencial

p

rzFbS

102

b , p : correção de rugosidade do terrenoFr : fator de rajada

Norma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificaçõesNorma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificações

Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básicaFator S2Fator S2

<20m >50mI

II

III

IV

V

p

rzFbS

102

p

rzFbS

102

Norma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificaçõesNorma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificações

Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básicaFator S3Fator S3

•Norma NBR 6123 - Forças Norma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em devidas ao vento em edificaçõesedificações

Tabelas de coeficientes Tabelas de coeficientes aerodinâmicos externosaerodinâmicos externos

de pressão de pressão

de forma de forma

de força de força

•Norma NBR 6123 - Forças Norma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em devidas ao vento em edificaçõesedificações

Tabelas de coeficientes Tabelas de coeficientes aerodinâmicos externosaerodinâmicos externos

de pressão de pressão

de forma de forma

de força de força

Pb ~ Pb

Ps~ Ps

Coeficientes internosCoeficientes internos