AÇÃO DE VENTO EM ESTRUTURAS Profa. Michèle Pfeil AÇÃO DE VENTO EM ESTRUTURAS Bibliografia: Prof. Joaquim Blessmann

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

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

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.

Ordens de grandeza dos diferentes fenômenos

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.

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

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

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

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.

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)

3 – Rugosidade do terreno Rugosidade do terreno: classificação em categorias

4 – Situação topográfica Alteração do perfil de velocidades

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.

Estimativa de Ventos Extremos em Regiões de Ventos Bem Comportados Mapa de Isopletas NBR6123

Ação do vento em estruturas 2 fatores: Pressão de vento q= Geometria da construção ½ r U2

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

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

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

N Pressão Área A Pressão estática: p = lim (Da0) 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

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

Coeficientes Aerodinâmicos Coeficiente de pressão externa cpe Pressão efetiva

Coeficientes Aerodinâmicos Medição da pressão efetiva Tunel de vento UFRGS Tunel de vento estrutura Vista interna Modelo reduzido

Coeficientes Aerodinâmicos Variação do coeficiente cpe

Coeficientes de pressão Externo cpe Interno cpi cúpula

Coeficientes de pressão Externo cpe Interno cpi Efetivo cp = cpe - cpi Coeficientes de forma Externo Ce Interno Ci Efetivo C = Ce - Ci

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

Coeficientes de arrasto e de sustentação de seções transversais em perfis estruturais longos

Coeficientes Aerodinâmicos Coeficientes de Força Coeficiente de arrasto Ca = Fa / (q A) Coeficiente de sustentação Cs Coeficiente lateral CL A = área de referência

Efeitos Tridimensionais Coeficiente de arrasto de uma placa retangular (=5) em função da direção horizontal do vento [O. Flaschsbart, 1934]

Efeitos Tridimensionais  =0o 

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

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

Correções da velocidade básica Fator S1 Norma NBR 6123 - 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)

Correções da velocidade básica Fator S2 Norma NBR 6123 - 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

Correções da velocidade básica Fator S2 I Norma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificações Correções da velocidade básica Fator S2 I II III IV V <20m >50m

Correções da velocidade básica Fator S3 Norma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificações Correções da velocidade básica Fator S3

Norma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificações Tabelas de coeficientes aerodinâmicos externos de pressão de forma de força

Norma NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificações Tabelas de coeficientes aerodinâmicos externos de pressão de forma de força

Coeficientes internos