aÇÃo de vento em estruturas bibliografia: prof. joaquim blessmann profa. michèle pfeil
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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.
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
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 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]
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
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
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