forças devidos a vento em estruturas de aço - prof. zacarias

8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias

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Professor D.Sc. Zacarias Chamberlain15 e 16 de ulho de 2011


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Conteúdo:

•Introdução aos efeitos do vento nas estruturas de aço

(meteorologia, aerodinâmica das construções)

•Palestras sobre uso de Túnel de vento e visita ao túnel do IPT

•Determinação da velocidade do vento (meteorologia)

•A ação estática e dinâmica do vento e seus coeficientes (aerodinâmica)

•Exemplos de aplicação

•Aspectos especiais


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AÇÃO DE VENTO EM ESTRUTURAS AÇÃO DE VENTO EM ESTRUTURAS


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Wing Loads on Low buildingsW.A.DalglieshOtawa, 1981


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Principal Causa do Vento NaturalPrincipal Causa do Vento Natural

Aquecimento não uniforme da atmosfera, a partir da energia solarabsorvida pela crosta terrestre e irradiada sob a forma de calor.

Tormentas Sistemas meteorológicos que dãoorigem 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/hMuito Forte (Tempestade) Acima de 91 km/h

Furacão Acima de 115 km/h

Ref.: UWO, Ontario, Canada


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Força de Coriolis - devido ao

movimento de rotação daterra

Força de Coriolis – influenciana direçao do vento Vento sudoeste no hemisferio

norte 30 a 60º

http://daphne.palomar.edu/pdeen/Animations/34_Coriolis.swf


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Ventos alísios, ou “ventos do leste”Nos trópicos são o fluxo de retorno

baixa altitude da célula equatorialde Hardley

Estrutura global dos ventos muda

diariamente devido a mudanças napressão local

ar quente sobe perto do equadorno hemisfério estivo e descende

Terra

no su - r p co

ar que desce, seca a troposferainibindo convecção desertos

em latitudes subtropicais


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

Mau tempo,precipitação eventos fortes

CiclonesCiclones

Bom tempo,

temperaturasaltas ou baixas

por longosperíodos.

Anticiclones Anticiclones

c ones x ra rop ca s:c ones x ra rop ca s:

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

Ciclones Tropicais (Tufão, Furacão):Ciclones Tropicais (Tufão, Furacão):

Formação sobre os oceanos, temperatura daágua 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) Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h)

Tormentas ElétricasTormentas Elétricas

((Thunderstorm Thunderstorm , Tormentas TS) , Tormentas TS)

TornadosTornados(Isolados ou em grupo)(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)

RajadasRajadas Violentas,Chuva Torrencial,Chuva Torrencial,

Descargas Elétricas.Descargas Elétricas.


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Ordens de grandeza dos diferentes fenômenosOrdens de grandeza dos diferentes fenômenos


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Ação do vento em estruturas Ação do vento em estruturas

2 fatores: Pressão de vento q=Geometria da construção

½ ρ U2

U variável aleatória no tempo e no espaço

ocorrência uma vez no intervalo de tempo de vida útil daestrutura (50 anos) – tempo de recorrência.


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Medição de velocidade de ventoMedição de velocidade de vento

Anemômetro deRobinson

1. Intervalo de tempo e dimensão espacial da edificação

2. Altura acima do terreno

3. Rugosidade de terreno

4. Situação topográfica


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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 daedificação

U máx calculado sobre ∆tpequeno da ordem de poucossegundos

u (t) = flutuação; turbulência


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1 -Intervalo de tempo e dimensão espacial da edificação

Turbilhão de longa duração

Turbilhão de curta duração

∆t para

cálculo de U

Dimensão

espacial3 s 20 m

5 s 50 m

10 s > 50 m


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Camada Limite AtmosféricaCamada Limite Atmosférica == Camada junto à superfície terrestre na qualo 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 origemmecânica é preponderante. A turbulência de origem térmica podeser desprezada.

2 - Altura acima do terreno


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22 -- Variação da Velocidade Média dentro na Camada Limite Variação da Velocidade Média dentro na Camada Limite

Lei Potencial:

(G.Hellman)

p

g z

zg zU zU

= )()(

z,zg: alturas acima do terreno

p: expoente relativo à

rugosidade superficial


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3 – 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 ExtremosClimatologia Estatística de Ventos Extremos

Para a engenharia estrutural, fornece as informações sobreventos extremos que poderão afetar uma estrutura durantesua 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 eem terreno aberto).

Homogeneidade dos Registros de Velocidade do Vento

Altura sobre oTerreno

Rugosidade doTerreno

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 VentosEstimativa de Ventos Extremos em Regiões de VentosBem ComportadosBem Comportados

Mapa de Isopletas

NBR6123


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Ação do vento em estruturas Ação do vento em estruturas

2 fatores: Pressão de vento q=

Geometria da construção

½ ρ U2


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Propriedades dos fluidos

Viscosidade cinemática

ρ

µ υ =

Coef. de viscosidade dinâmica ou, simplesmente, viscosidade

Massa específica do fluido

Com ressibilidade

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 ventonas proximidades do solo

Ar imcompressível


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Escoamentos

x

y

z

r (posição)

V (velocidade)

Permanente: v = v(r)

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

Uniforme ; v = v(t)

n orme e permanen e : v = cons an e

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

N

Área A

Teorema de Bernouilli (fluido sem viscosidade, escoamentopermanente):

½ ρ u2 + p + ρ g z = constante

Aplicável entre 2 pontos em escoamento irrotacional

Para ar ( ρ pequeno): ½ ρ u2 + p = constante

pressão dinâmica = ½ ρ u2pressão estática = p

pressão total = ½ ρ u2 + p


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Tubo de Pitot (1732)

Ponto deestagnação

=

u0

p0p0

Medidas em túnel de vento

e

pe

Medida da pressão totaldo escoamento:½ ρ u02 + p0 = pe

Medida da pressão dinâmicaq= ½ ρ u02q= pe – p0

q= pe – p0 pe


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Coeficientes Aerodinâmicos

Coeficiente depressãoexterna

cpe

pe

m

m

mm

mm

cqu

u

u p p

uu p p

pu pu

=

−=−

−=−

+=+

20

22

00

20

20

20

20

12

1

21

21

2

1

2

1

ρ

ρ ρ

ρ ρ

Pressão efetiva


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Modelo reduzido do edifício BrascanCentury Staybridge Suites no interior do

túnel de vento. Medidas da velocidade dovento, no nível térreo, para condições deconforto de pedestres. Escala do modelo:

1/350


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Variação do coeficiente cpe


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Coeficientes de pressão

Externo cpeInterno cpi

cúpula


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Componentes de força numComponentes de força numcorpo arbitrário imerso em escoamento bidimensionalcorpo arbitrário imerso em escoamento bidimensional

M

BρU2

1FC

2

LL =FL sustentação


BρU21

C2

D

D=

22M

BρU2

1

MC =

ρ = massa específica do ar

U = velocidade média de referência

B = dimensão característica da estrutura

FD arrasto

momento


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Coeficientes de arrasto e deCoeficientes de arrasto e desustentação de seçõessustentação de seções

estruturais longosestruturais longos


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FFs


Coeficientes de Força

Coeficiente de arrasto Ca = Fa / (q A)

Coeficiente de sustentação CsCoeficiente lateral CL

Flvento

A = área de referência


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Efeitos TridimensionaisEfeitos Tridimensionais

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

[O. Flaschsbart, 1934]


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Efeitos TridimensionaisEfeitos Tridimensionais

ααααα=0o

λ

Norma NBR 6123Norma NBR 6123


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

Velocidade básica de vento: V Velocidade 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

N NBR 6123N NBR 6123


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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 doterreno e altura acima do terreno

S3 – fator estatístico

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


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



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


Rugosidade do terreno: Categorias I a V

Dimensões da edificação (cálculo de ∆t): Classes A , B, C Altura acima do terreno: lei potencial

r zF bS

=

102

b , p : correção de rugosidade do terrenoF r : fator de rajada



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o a 6 3o a 6 3 o ças de das ao e to e ed caçõeso ças de das ao e to e ed cações

Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básicaFator S2Fator S250m

I

II

p

r

zF bS

=

102

III

IV

V

pz


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r

zF bS

=

102



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ç çç ç



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••Norma NBR 6123Norma NBR 6123 -- ForçasForçasdevidas ao vento em edificaçõesdevidas ao vento em edificações

Tabelas de coeficientesTabelas de coeficientesaerodinâmicos externosaerodinâmicos externos

de pressãode pressão

de formade forma

de forçade força


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Pb ~ Pb

Coeficientes internosCoeficientes internos

Ps~ Ps

V l d V l id d d V t P F dV l d V l id d d V t P F d


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Valores da Velocidade do Vento para Passo Fundo Valores da Velocidade do Vento para Passo Fundo A seguir, são apresentadas as principais características do regime de ventos em Passo Fundo, RS,determinadas com base em observações realizadas na estação meteorológica da Embrapa Trigo, noperíodo 1977-1994, tendo como referência a altura de 10 m, adotada, em todo o Brasil, pelo InstitutoNacional de Meteorologia.

Velocidade média (m/s) e direçãopredominante

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

Velocidade 4,1 3,9 3,8 4,0 3,9 4,2 4,7 4,4 4,7 4,5 4,3 4,2

Direção NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE

e oc a e m x ma m s e reç o a ve oc a e m x ma

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

Velocidade 28,0 27,2 26,5 31,0 34,1 28,7 40,0 24,8 41,3 38,8 39,0 27,2

Direção N NW NW N S N NW W N S SW W

N = Norte, NW = Noroeste, S = Sul, W = Oeste e SW = Sudoeste, NE = Nordeste.


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