Forças devido ao vento

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1 Forças devido ao vento Introdução Vento é o fenômeno em que ocorre um grande fluxo de gás. Na natureza, é o resultado da movimentação de massas de ar devido a variações de temperatura entre essas massas, podendo ocorrer de forma diferente para cada região. Estruturas civis estão, durante todo o seu tempo de vida, sujeitas à ação do vento. Mesmo abandonadas ou desocupadas, as estruturas, enquanto existirem, estarão resistindo aos esforços de vento. Estruturas metálicas têm a particularidade de sofrerem mais pelo vento do que, por exemplo, estruturas de concreto. Nos noticiários, é muito raro ver um edifício de concreto ser derrubado por vendavais, enquanto galpões metálicos, postos de gasolina e outras estruturas metálicas são casos recorrentes. Vamos, então, estudar por que é de fundamental importância o entendimento da ação do vento sobre estruturas metálicas? Ao final desta aula, você será capaz de: entender os conceitos e prever os carregamentos devido ao vento para edificações mostrando cada item e suas particularidades citadas na norma vigente. Pressão dinâmica A pressão dinâmica do vento é o esforço dinâmico que uma carga de vento exerce sobre uma área de estrutura. Segundo Leão e Aragão (2010), pode ser obtida a partir da simplificação da equação de Euler, da mecânica dos fluidos, que modela o escoamento de um fluido sem atrito. É uma grandeza proporcional ao quadrado da velocidade do vento, conforme a expressão: Em que representa a densidade do ar e o coeficiente relativo ao ângulo de incidência. A norma técnica que orienta a determinação de cargas de vento no Brasil, a NBR 6123 (1988), permite que se utilize, para superfícies de estruturas civis, a seguinte expressão simplificada: Em que é a velocidade do vento para determinada macrorregião e microrregião

2 Coeficientes de pressão A NBR 6123 (1988) cita que a força do vento é dependente não apenas da pressão que atua sobre uma superfície, mas também da diferença de pressão entre faces opostas da edificação. Para tanto, existem os coeficientes de pressão para superfícies internas e externas, e a pressão efetiva é dada pela diferença entre essas pressões. Em que é o coeficiente de pressão externa e o coeficiente de pressão interna. SAIBA MAIS Para casos correntes de edificações, os coeficientes de pressão e de forma (que serão estudados no próximo item) são apresentados no anexo D da norma NBR 6123 (1988). Lembre-se sempre de que há casos mais específicos que não constam na norma e devem ser estudados de forma particular. Caso o valor da resultante de pressão seja positivo, o efeito de vento é de sobrepressão interna, enquanto que um resultado negativo denota um caso de sucção externa. Coeficientes de forma Assim como no efeito de pressão, o efeito de forma é dado pela diferença entre elemento externo e interno. Segundo a NBR 6123 (1988), a força do vento sobre um elemento de área que atua em direção perpendicular a ele é dada pela diferença entre a força externa e interna: Em que representa o coeficiente de área externo, o coeficiente de área externo e A a área do elemento que recebe o vento

3 FIQUE ATENTO Existem coeficientes de pressão e forma positivos e negativos. Coeficientes positivos indicam que o vento está exercendo sobrepressão, ou seja, a força atua para o interior da estrutura, enquanto os coeficientes negativos representam sucção, ou seja, a força atua para o exterior. Além disso, a norma pondera que a pressão interna é considerada uniformemente distribuída no interior da edificação. Pode-se, a partir dessa condição, dizer que, ou seja, o coeficiente de pressão interna é igual ao coeficiente de forma interna. Efeitos de sucção são tão importantes quanto os efeitos de sobrepressão. Apesar de imaginar que, à primeira vista, a sucção ajuda a estrutura aliviando seu peso, para elementos metálicos, que possuem baixo peso próprio em comparação a elementos de concreto, por exemplo, a sucção pode fazer uma estrutura literalmente voar, como mostra a figura a seguir. Figura 1 - Cobertura de posto de gasolina derrubada por efeito de sucção do vento Fonte: Felix Mizioznikov /Shutterstock Postos de gasolina são ótimos exemplos desse efeito: coberturas com grandes áreas gerando altas forças de forma e o baixo peso próprio da estrutura facilitam a instabilidade por sucção

4 Velocidade característica do vento A velocidade característica do vento é dada pela multiplicação de fatores que correlacionam macro e microrregião. O efeito de macrorregião é a velocidade básica do vento, em função da localidade da obra; e os efeitos de microrregião são os fatores S, sendo o fator topográfico, o fator de rugosidade do terreno, altura de edificação e altura sobre o terreno e o fator de utilização da edificação. Velocidade básica do vento A velocidade básica do vento, segundo a NBR 6123 (1988), é a velocidade de uma rajada de 3 segundos que pode ser excedida em média uma vez em um tempo de 50 anos, a 10 metros acima do terreno. Observe a figura a seguir, que apresenta o mapa de isopletas válidas para o Brasil com velocidades em metros por segundo (m/s)

5 Figura 2 - Isopletas básicas do vento para o Brasil Fonte: NBR 6123, 1988, p. 6. Fator S1 O fator é referente à variação do relevo do terreno e é determinado da seguinte forma, segundo a NBR 6122 (1988): terrenos planos ou com pouca influência de relevo: = 1,0; vales ou locais protegidos da ação do vento em qualquer direção: = 0,9; morros e taludes: deve ser estudado conforme a posição da edificação

6 FIQUE ATENTO A NBR 6122 (1988) deixa claro que em situações nas quais seja necessária uma análise mais detalhada do efeito do relevo, deve-se lançar mão de recursos de ensaios em túneis de vento ou medidas anemométricas obtidas no próprio local. Fator S2 O fator leva em consideração o efeito combinado da rugosidade do terreno, altura e dimensões da edificação. Com relação à rugosidade do terreno, a norma estabelece cinco categorias: categoria I superfícies sem rugosidade e de grandes dimensões (mais de 5 km de extensão) em direção ao vento incidente, como mar, lagos, rios e pântanos sem vegetação; categoria II terrenos com poucos obstáculos isolados, abertos e aproximadamente em nível, como zonas costeiras, pradarias, campos de aviação, fazendas etc; categoria III terrenos planos ou ondulados com obstáculos, contando com edificações baixas e esparsas, muros, sebes e árvores, como subúrbios, casas de campo etc; categoria IV terrenos cobertos com vários obstáculos e pouco espaçados, como zonas arborizadas, áreas industriais, pequenas cidades etc; categoria V terrenos com elevada densidade de grandes obstáculos, altos e numerosos, como florestas densas e grandes centros urbanos. Com relação às dimensões da edificação, a NBR 6123 (1988) estabelece três classes: classe A edificações nas quais a maior dimensão vertical ou horizontal não excede 20 metros; classe B edificações nas quais a maior dimensão vertical ou horizontal esteja em um intervalo entre 20 e 50 metros; classe C edificações nas quais a maior dimensão vertical ou horizontal excede 50 metros. Com relação à altura da edificação, a norma cruza o seu valor de z acima do nível do terreno com dados referentes à categoria e classe respectivas e exprime o fator, conforme a figura a seguir

7 Figura 3 - Coeficiente S2 em função da categoria do terreno, classe da edificação e altura acima do solo Fonte: NBR 6123, 1988, p. 10. Fator S3 O fator leva em consideração o grau de segurança para determinados usos da edificação, que estão apresentados na figura a seguir: Figura 4 - Coeficiente S3 em função da categoria de uso da edificação Fonte: NBR 6123, 1988, p. 10. Com a identificação de todos os parâmetros de regiões, pode-se determinar a velocidade característica do vento, que irá, por sua vez, determinar a pressão causada nas estruturas

8 EXEMPLO Considere a construção de um hospital em Goiânia, em terreno plano, com outros prédios altos ao seu redor. Pelo projeto arquitetônico, o prédio tem projeção horizontal de 20 x 40 metros e possuirá 3 pavimentos acima do nível do solo mais piso técnico, totalizando uma altura de 15 metros. A velocidade característica do vento é dada por V = 30 m/s (macrorregião); fator S = 0 1 1,0; fator S = 0,88 (classe B, categoria IV) e S = 1,10 (hospital) cuja multiplicação de fatores 2 3 resulta em 29,04 m/s. Com a pressão dinâmica verificada, pode-se então determinar a força de vento, analisando cada caso conforme os coeficientes de pressão e forma. Vamos, então, continuar nossos estudos. Coeficientes aerodinâmicos para edificações correntes Os coeficientes aerodinâmicos para estruturas mais usuais estão relacionados na NBR 6122 (1988) e levam em conta os diversos tipos de edificações e direções críticas de vento. Deve-se tomar cuidado com zonas de alta sucção junto a paredes e telhados, nas quais deve-se adotar coeficiente de pressão médio entre os elementos. Além disso, pressões externas em superfícies de edificações cilíndricas são fornecidas pela norma na sua tabela 9, para fluxos de vento acima da região crítica, com número de Reynolds acima de Coberturas isoladas a águas planas A NBR 6122 (1988) cita que para coberturas de grandes dimensões apoiadas sobre suportes de pequenas dimensões como um posto de gasolina, por exemplo em que a ação do vento acontece exclusivamente nas faces superior e inferior da estrutura de cobertura, o coeficiente de pressão de vento é dado conforme as figuras 5 e

9 Figura 5 - Coeficiente de pressão em coberturas isoladas a uma água plana Fonte: NBR 6123,1988, p. 34. Figura 6 - Coeficiente de pressão em coberturas isoladas a duas águas planas Fonte: NBR 6123,1988, p. 34. Para outros tipos de geometrias de águas planas, deve-se elaborar estudos específicos para cada caso. Fechamento Agora você já sabe como se determina fatores relevantes que tratam das cargas de vento em edificações e sua aplicação nas estruturas. Nesta aula, você teve a oportunidade de: entender os conceitos e prever os carregamentos devido ao vento para edificações mostrando cada item e suas particularidades citadas na norma vigente

10 Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Rio de janeiro, NBR 6122: Forças devidas ao vento em edificações. LEÃO, M.; ARAGÃO, M. de. Forças devidas ao Vento em Edificações: Dimensionamento segundo a NBR 8800 (2008). Notas de aula do Instituto Militar de Engenharia. Rio de janeiro,