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AÇÃO DE VENTO EM ESTRUTURAS
Profa. Michèle Pfeil AÇÃO DE VENTO EM ESTRUTURAS Bibliografia: Prof. Joaquim Blessmann
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Principal 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/h Leve 10 ~ 40 km/h Moderado 41 ~ 60 km/h Forte (Vendaval) 61 ~ 90 km/h Muito Forte (Tempestade) Acima de 91 km/h Furacão Acima de 115 km/h Ref.: UWO, Ontario, Canada
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Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h)
Mau tempo, precipitação e ventos fortes Ciclones Bom tempo, temperaturas altas ou baixas por longos períodos. Anticiclones 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, 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
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Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h)
Tormentas Elétricas (Thunderstorm, Tormentas TS) Tornados (Isolados ou em grupo) Tonovay – KS (1982) Diâmetro: 100~3000m Velocidade Tangencial: 350km/h Deslocamento: 30~100km/h Trajetória: 10~30km Brasil: RS, SC (200km/h) SP, RJ (2001) Oklahoma City - OK Rajadas Violentas, Chuva Torrencial, Descargas Elétricas.
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Ordens de grandeza dos diferentes fenômenos
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Ação do vento em estruturas
2 fatores: Pressão de vento q= Geometria da construção ½ r 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.
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Medição de velocidade de vento
Anemômetro de Robinson Fatores que influenciam a velocidade de vento Intervalo de tempo e dimensão espacial da edificação Altura acima do terreno Rugosidade de terreno Situação topográfica
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1- Intervalo de tempo e dimensão espacial da edificação
z, u(y, (z) U U(t) + = = velocidade média (direção de incidência do vento), média sobre 10 minutos u (t) = flutuação; turbulência U máx calculado sobre Dt pequeno da ordem de poucos segundos
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1 -Intervalo de tempo e dimensão espacial da edificação
Turbilhão de longa duração Turbilhão de curta duração Dt para cálculo de U Dimensão espacial 3 s 20 m 5 s 50 m 10 s > 50 m
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2 - Altura acima do terreno
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. Camada Limite Atmosférica = Camada junto à superfície terrestre na qual o movimento do ar é retardado pelas forças de arrasto.
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2 - Variação da Velocidade Média dentro na Camada Limite
z,zg: alturas acima do terreno p: expoente relativo à rugosidade superficial Lei Potencial: (G.Hellman)
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3 – Rugosidade do terreno
Rugosidade do terreno: classificação em categorias
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4 – Situação topográfica
Alteração do perfil de velocidades
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Climatologia Estatística de Ventos Extremos
Para 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 Vento Altura 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.
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Estimativa de Ventos Extremos em Regiões de Ventos Bem Comportados
Mapa de Isopletas NBR6123
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Ação do vento em estruturas
2 fatores: Pressão de vento q= Geometria da construção ½ r U2
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Noções de Aerodinâmica Propriedades dos fluidos
Viscosidade dinâmica U y F placa Escoamento em lâminas u+du dq t u+du dy u u t Tempo t t+dt Variação angular dq = du.dt / dy Em sólidos: t = G g tensão cisalhante Em fluidos: t = m dq/dt tensão de deslizamento m = viscosidade (associada a velocidade de deformação do fluido) Lei de Newton: t = m du/dy ; du/dy = gradiente de velocidade
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Propriedades dos fluidos
Viscosidade cinemática Coef. de viscosidade dinâmica ou, simplesmente, viscosidade Massa específica do fluido Compressibilidade T 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
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Linhas de corrente: tangente em cada ponto ao vetor velocidade
z V (velocidade) Escoamentos y r (posição) x 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
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N Pressão Área A Pressão estática: p = lim (Da0) DN/DA Teorema de Bernouilli (fluido sem viscosidade, escoamento permanente): ½ r u2 + p + r g z = constante Aplicável entre 2 pontos em escoamento irrotacional Para ar ( r pequeno): ½ r u2 + p = constante pressão dinâmica = ½ r u2 pressão estática = p pressão total = ½ r u2 + p
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Medidas em túnel de vento
Tubo de Pitot (1732) u0 p0 p0 Ponto de estagnação ue=0 pe q= pe – p0 pe Medida da pressão total do escoamento: ½ r u02 + p0 = pe Medida da pressão dinâmica q= ½ r u02 q= pe – p0
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Coeficientes Aerodinâmicos
Coeficiente de pressão externa cpe Pressão efetiva
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Coeficientes Aerodinâmicos Medição da pressão efetiva
Tunel de vento UFRGS Tunel de vento estrutura Vista interna Modelo reduzido
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Coeficientes Aerodinâmicos
Variação do coeficiente cpe
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Coeficientes de pressão
Externo cpe Interno cpi cúpula
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Coeficientes de pressão
Externo cpe Interno cpi Efetivo cp = cpe - cpi Coeficientes de forma Externo Ce Interno Ci Efetivo C = Ce - Ci
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Coeficientes Aerodinâmicos
Componentes de força num corpo arbitrário imerso em escoamento bidimensional M FL sustentação FD arrasto momento = massa específica do ar U = velocidade média de referência B = dimensão característica da estrutura
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Coeficientes de arrasto e de sustentação de seções transversais em perfis estruturais longos
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Coeficientes Aerodinâmicos
Coeficientes de Força Coeficiente de arrasto Ca = Fa / (q A) Coeficiente de sustentação Cs Coeficiente lateral CL A = área de referência
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Efeitos Tridimensionais
Coeficiente de arrasto de uma placa retangular (=5) em função da direção horizontal do vento [O. Flaschsbart, 1934]
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Efeitos Tridimensionais
=0o
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Norma NBR 6123 Forças devidas ao vento em edificações
Velocidade básica de vento: V0 Dt = 3s (cálculo da média) H= 10m Terreno plano e aberto Tempo de recorrência = 50 anos
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Correções da velocidade básica
Norma NBR 6123 Forças devidas ao vento em edificações Correções 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
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Correções da velocidade básica Fator S1
Norma NBR Forças devidas ao vento em edificações Correções da velocidade básica Fator S1 Terreno plano S1 =1 Taludes e morros pontos A e C: S1 =1 ponto B : S1 = f(z)
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Correções da velocidade básica Fator S2
Norma NBR Forças devidas ao vento em edificações Correções da velocidade básica Fator S2 Rugosidade do terreno: Categorias I a V Dimensões da edificação (cálculo de Dt): Classes A , B, C Altura acima do terreno: lei potencial b , p : correção de rugosidade do terreno Fr : fator de rajada
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Correções da velocidade básica Fator S2 I
Norma NBR Forças devidas ao vento em edificações Correções da velocidade básica Fator S2 I II III IV V <20m >50m
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Correções da velocidade básica Fator S3
Norma NBR Forças devidas ao vento em edificações Correções da velocidade básica Fator S3
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Norma NBR Forças devidas ao vento em edificações Tabelas de coeficientes aerodinâmicos externos de pressão de forma de força
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Norma NBR Forças devidas ao vento em edificações Tabelas de coeficientes aerodinâmicos externos de pressão de forma de força
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Coeficientes internos
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