ESTUDO EM TÚNEL DE VENTO DA COBERTURA DO ESTÁDIO DO GAMA - BRASÍLIA

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1 ESTUDO EM TÚNEL DE VENTO DA COBERTURA DO ESTÁDIO DO GAMA - BRASÍLIA Acir Mércio Loredo-Souza, Mario Gustavo Klaus Oliveira, Gustavo Javier Zani Núñez, Daniel de Souza Machado, Elvis Antônio Careggiani, Guilherme Martins Siqueira Laboratório de Aerodinâmica das Construções, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil. E_mail: lac@ufrgs.br RESUMO Este trabalho aresenta os resultados do estudo, em modelo reduzido, da ação estática do vento sobre a cobertura do Estádio do Gama, a ser construída na cidade de Brasília, DF. Maiores níveis de segurança e confiabilidade são atingidos quando a consideração criteriosa dos efeitos do vento é feita a artir da etaa de conceção, odendo inclusive levar a alterações arquitetônicas na forma externa da construção. Este rocesso reventivo é, geralmente, o de menor custo e o de maior eficiência. O ensaio em túnel de vento do modelo do Estádio do Gama foi realizado na fase de rojeto. A solicitante foi Estacon Engenharia S.A., o rojeto arquitetônico é do Arq. Ruy Ohtake e os ensaios realizados no Laboratório de Aerodinâmica das Construções da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS. Os valores dos coeficientes de ressão ara a cobertura do Estádio do Gama, obtidos nos ensaios em túnel de vento, são coerentes do onto de vista aerodinâmico com relação à forma do rédio estudado e de sua vizinhança. Foi observada uma grande vorticidade na cobertura central, resonsável ela geração de altos valores de sucção externa em ontos localizados. Uma grande assimetria do carregamento devido ao vento é ercebida ara alguns ângulos de incidência do vento. Em termos de esforços locais, deve-se ressaltar a existência de icos localizados de ressão em certos ontos da cobertura. Para algumas incidências do vento, valores elevados de sucções resultantes aarecem em zonas restritas da cobertura, inclusive com valores de 3,0 kpa. Estas sucções não aarecem simultaneamente em todas estas zonas, e são usadas aenas ara o dimensionamento, verificação e ancoragem de elementos de vedação e da estrutura secundária or elas afetadas (ações locais). O trabalho aresenta a análise dos rinciais resultados do estudo, bem como evidencia os benefícios da utilização do túnel de vento como ferramenta de rojeto ara estruturas, coberturas e fechamentos, viabilizando a construção de edificações com arrojados rojetos arquitetônicos. 1. INTRODUÇÃO Este trabalho aresenta os resultados do estudo, em modelo reduzido, da ação estática do vento sobre a cobertura da étala oeste do Estádio do Gama, a ser construído em Gama, DF (figura 1). A estrutura tem características que a classificam como cobertura isolada e, ortanto, está sujeita aos fenômenos aerodinâmicos inerentes a este tio de

2 edificação. Para coberturas isoladas o vetor velocidade do vento, em um dado instante, ode ter uma direção inclinada no lano vertical, ela comosição da velocidade média, horizontal, com a comonente vertical da turbulência. Assim, ara intervalos de temo de alguns segundos, o vento ode sorar com uma inclinação que se situa entre +10 e -10. Estes limites odem inclusive ser ultraassados em temorais com turbulência muito elevada (Blessmann, 1990). Do onto de vista aerodinâmico, ara coberturas isoladas, ode-se considerar o vento sorando horizontalmente e a cobertura girando de +10 e -10 (isto não é válido ara coberturas sobre aredes). A conseqüência rática deste fenômeno é que diferentes adrões de carregamento são fisicamente ossíveis de ocorrer na mesma estrutura, ara a mesma direção do vento médio incidente. São aresentados três adrões de carregamento, tomando como base fatores de ico e coeficientes de correlação encontrados na literatura, os quais foram alicados aos coeficientes medidos nos ensaios. Para o fator de ico foi adotado um valor igual a 2,0, sendo que ara o coeficiente de correlação entre as ressões externas e internas o valor utilizado foi 0,7 (Ginger e Letchford, 1992). Figura 1 Vista da Cobertura do Estádio do Gama. Maiores níveis de segurança e confiabilidade são atingidos quando a consideração criteriosa dos efeitos do vento é feita a artir da etaa de conceção. Este rocesso reventivo é, geralmente, o de menor custo e o de maior eficiência. Por estas razões e or não existirem coeficientes aerodinâmicos esecíficos ara a forma da cobertura em normas de vento, foi realizado o ensaio em túnel de vento. A solicitante foi ESTACON Engenharia S/A. e os ensaios realizados no Laboratório de Aerodinâmica das Construções da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (Loredo-Souza, 2008). 2. PROJETO DO MODELO Foi construído um modelo rígido reduzido do Estádio do Gama, em escala 1/300, cuja cobertura foi instrumentada com tomadas de ressão disostas de forma a ermitir a medição das ressões instantâneas nas faces externa e interna da mesma. Na figura 2 ode ser visto o modelo reduzido no interior do túnel de vento. Na face externa foram colocadas 82 tomadas de ressão estática e na face interna também foram colocadas 82 tomadas de ressão estática, erfazendo um total de 164 tomadas de ressão. Esta distribuição foi considerada adequada ara a reresentação do camo de ressões atuantes na cobertura, ermitindo o levantamento das ressões girando-se o modelo de 360. As ressões estáticas efetivas foram medidas a cada 15 de incidência do vento, resultando no montante de registros de ressões.

3 Figura 2 Modelo da Cobertura do Estádio do Gama no interior do túnel de vento. Na figura 3 são indicadas as osições das tomadas de ressão no modelo reduzido da cobertura. Foram simulados todos os detalhes significativos da edificação real ara que as condições de semelhança geométrica fossem reservadas. Algumas simlificações foram realizadas no modelo ara que certos detalhes arquitetônicos não afetassem localmente as medidas em determinadas tomadas de ressão, rincialmente devido aos efeitos do número de Reynolds (Re) na distribuição de ressões sobre suerfícies curvas. Figura 3 Distribuição das tomadas de ressão na cobertura do Estádio do Gama. Dimensões em [m]. 3. TÉCNICA EXPERIMENTAL Os ensaios foram realizados no túnel de vento Prof. Joaquim Blessmann da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (Blessmann, 1982 & Cook, 1990), mostrado na figura 4. Figura 4 Túnel de vento Prof. Joaquim Blessmann.

4 Trata-se de um túnel de vento de camada limite de retorno fechado, rojetado esecificamente ara ensaios estáticos e dinâmicos de modelos de construções civis. Este túnel ermite a simulação das rinciais características de ventos naturais. Tem relação comrimento / altura da câmara de ensaios suerior a 10. A velocidade máxima do escoamento de ar nesta câmara, com vento uniforme e sem modelos, é de 150 km/h. A simulação correta das rinciais características do vento natural em túneis de vento é requisito básico ara alicações em Engenharia Civil (Davenort & Isyumov, 1967), sem a qual os resultados obtidos odem se afastar consideravelmente da realidade. O vento foi simulado de acordo com as características do terreno em torno do Aeroorto, tendo erfil otencial de velocidades médias de exoente = 0,23, o qual corresonde a terreno com rugosidade entre as Categorias III e IV da NBR-6123 (1988). Suas características são as seguintes: Categoria III terreno lano ou ondulado com obstáculos, tais como sebes e muros, oucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esarsas. Categoria IV terreno coberto or obstáculos numerosos e ouco esaçados, em zona florestal, industrial ou urbanizada. O vento simulado engloba a gama de rugosidades existente. Considerando-se as características do local em estudo e do terreno róximo ao Estádio do Gama, otou-se or testar o modelo ara um vento incidente com estas características. Com o correr dos anos há tendência de aumento da rugosidade das zonas construídas devido às rováveis futuras urbanizações, o que oderá causar alguma redução nos esforços estáticos em algumas zonas da edificação. Por outro lado, ossíveis efeitos nocivos de vizinhança, ela construção futura de outras edificações nas cercanias imediatas da edificação em estudo, odem ocorrer. As rinciais características do vento simulado (ESDU, 1982) odem ser vistas na figura eixo do túnel eixo do túnel eixo do túnel z [mm] 300 z [mm] 300 z [mm] V(z)/V(450) [%] I1 [%] L1 [mm] (a) (b) (c) Figura 5 Princiais características do vento simulado: (a) erfil vertical das velocidades médias, (b) intensidade da comonente longitudinal da turbulência (I1), (c) macroescala da comonente longitudinal da turbulência (L1).

5 O erfil das velocidades médias mostrado na figura 5(a) é exresso, aroximadamente, ela lei otencial: V ( x ) ( ) 3 / Vref = x3 / x ref (1) Sendo: V ( x 3 ) velocidade média na altura x 3 ; V ref velocidade média em uma altura de referência (no túnel, x ref = 450mm); = 0,23 4. RESULTADOS As ressões no modelo foram registradas or meio de transdutores elétricos de ressão. Foram registradas as ressões instantâneas ara cada onto de medição indicado na figura 3, sendo calculados os valores mínimos, médios, máximos e rms dos coeficientes de ressão. Os coeficientes de ressão externa nas faces da cobertura são definidos or: Coeficiente de ressão média c = 1 T T 0 ( t) dt q Coeficiente de ressão rms c~ = 1 T T 0 ( ( t) ) q 2 dt Coeficiente de ressão máximo ĉ = max q Coeficiente de ressão mínimo ( min c = q (2) (3) (4) (5) sendo: (t) ressão instantânea, na suerfície da edificação, medida em relação à ressão estática de referência; valor médio de (t) ara o eríodo de amostragem T; max valor máximo de (t) ara o eríodo de amostragem T; min valor mínimo de (t) ara o eríodo de amostragem T; t temo; T eríodo de amostragem; 2 q = 1 2 ρv ressão dinâmica de referência; ρ massa esecífica do ar; V velocidade média de referência, medida a uma altura equivalente a 35 m (trinta e cinco metros), em escala real.

6 Foi adotada a seguinte convenção de sinais: coeficientes ositivos: sobreressão (+) coeficientes negativos: sucção (-) Embora as ressões de ico não ajam simultaneamente sobre toda a estrutura, as ressões médias odem ser integradas ara fornecerem valores médios globais do carregamento atuante na cobertura. Estes valores odem ser usados em combinação com fatores de rajada, tais como os da NBR-6123(1988), ara fornecerem as cargas totais equivalentes atuantes na edificação. Os coeficientes de ressão médios calculados ermitem a determinação de coeficientes de forma externos (C), alicáveis a uma suerfície lana de área A, sendo definidos or: ( q A) C = F / (6) sendo F a resultante das ressões externas sobre a suerfície lana (é uma força erendicular a esta suerfície). Conforme (2): F = A da = c A q da Substituindo na (6): 1 C = c da A A (8) Esta última exressão ermite a obtenção de C a artir de c, or integração numérica. Para algumas incidências do vento, valores elevados de sucções externas aarecem em zonas restritas da edificação, zonas estas situadas nas roximidades das bordas. Estas sucções não aarecem simultaneamente em todas estas zonas, e são usadas aenas ara o dimensionamento, verificação e ancoragem de elementos de vedação e da estrutura secundária or elas afetadas (ações locais). Por sua vez, c é dado or c e - c i, sendo c e e c i os coeficientes de ressão na suerfície externa (ou suerior) e interna (ou inferior), resectivamente. Um exemlo da alicação dos adrões de carregamento baseados em fatores de ico e coeficientes de correlação é mostrado na figura 6, ara incidência do vento de 45. (7) 5. FORÇAS DEVIDAS AO VENTO As forças externas devidas ao vento são determinadas or: F = C q A (9) sendo: C coeficiente aerodinâmico; q ressão dinâmica na altura de referência (35m); A área da zona em estudo (ou de sua rojeção) ara a qual está sendo determinada a força F do vento. A ressão dinâmica é obtida or 2 2 q = 0,613 Vk [ q em N / m, Vk em m / s], sendo: V k = Vo S 1 S 2 S 3

7 Figura 6 Distribuição dos coeficientes de forma resultantes ara três adrões de carregamento ângulo de incidência do vento de 45. Tendo sido reroduzido no túnel de vento o erfil vertical de velocidades médias do vento natural no local da obra, e tendo sido adotada a velocidade do vento a 35m de altura ara o cálculo dos coeficientes, S 2 deve ser semre o corresondente a esta altura, na resectiva Classe - Classe A recomendada ara esta estrutura - (a Classe a considerar deende da finalidade do cálculo --- Ver item da NBR-6123 (1988)) e Categoria do terreno. Pode ser adotado um valor ara a velocidade básica do vento ara Gama, DF corresondente a 35m/s, de acordo com a figura das isoletas da velocidade básica do vento indicada na NBR-6123 (1988). O valor de V k assim obtido alica-se a toda edificação, indeendentemente da zona ou região em estudo, mas deendendo da finalidade de cálculo, que fará variar S 2 conforme comentado no arágrafo anterior. A comosição das diversas forças (vento, cargas acidentais, ermanentes, etc.) não é discutida neste trabalho.

8 6. PRESSÕES LOCAIS NA COBERTURA 6.1 Considerações Gerais As flutuações das ressões atuantes nas faces das edificações são devidas tanto às rajadas resentes no vento natural (turbulência atmosférica), como ao caráter flutuante da esteira gerada elo rédio. Normalmente, sucções ou sobreressões de ico, sobre um eríodo de uma hora, odem ter valores consideravelmente maiores do que as corresondentes ressões médias ara aquela mesma hora. As ressões locais eseradas, relevantes ao rojeto dos elementos de revestimento, odem ser determinadas através da combinação dos coeficientes aerodinâmicos medidos em ensaios em túnel de vento, com a estatística do vento na região de construção da edificação. Não há total consenso, dentro do atual estado da arte da engenharia do vento, quanto a qual rocedimento ara determinação das ressões locais é o mais significativo ara o rojeto dos elementos de revestimento. Entretanto, três alternativas são ossíveis: a) O rimeiro utiliza o conceito de fator de ico, g. A ressão de rojeto, o, é dada or: 0 = + g ~ (10) sendo: : carga causada elo vento médio (média sobre uma hora, usualmente); ~ : média quadrática das flutuações em torno da ressão média; g: fator de ico equivalente. O valor de g a ser adotado ode ser escolhido simlesmente como reresentativo de valores exerimentais conservativos, ou ser baseado em roriedades de resistência dos materiais, quando disoníveis. b) A segunda alternativa é utilizar diretamente os valores de ico medidos em túnel de vento, embora estes estejam sujeitos a uma disersão estatística consideravelmente maior do que valores dos coeficientes rms ou valores médios de g. A ressão de rojeto é dada or: ( 0 = q c (11) sendo: q : ressão dinâmica de referência, corresondente à velocidade média de referência, medida sobre um intervalo de aroximadamente uma hora c ( : coeficiente de ressão de ico (mínimo ou máximo, medido). c) A terceira alternativa consiste em utilizar-se valores médios dos coeficientes de ressão combinados com ressões dinâmicas de ico. A ressão de rojeto é dada or: ( 0 = q c (12)

9 sendo: q ( : ressão dinâmica de referência, corresondente à velocidade média de referência, medida sobre um intervalo de aroximadamente três segundos. c : coeficiente de ressão médio (medido no túnel de vento). As ressões de rojeto indicadas acima devem considerar os efeitos das ressões internas, de acordo com o exosto a seguir. 6.2 Pressões Internas Estimativas das ressões internas são necessárias ara a determinação dos carregamentos resultantes devidos ao vento em elementos de vedação e suas fixações, bem como na rória estrutura. Embora de grande imortância, a ressão interna aresenta dificuldades quanto à sua exata determinação. Pressões internas são influenciadas or diversos fatores os quais também aresentam grandes incertezas em sua determinação, tais como o caráter da ermeabilidade da edificação, ou se as janelas ou outras aberturas externas serão deixadas abertas ou serão quebradas durante temestades. A comlexa distribuição esacial das ressões externas e a influência das variações temorais das ressões externas na determinação das ressões internas também devem ser consideradas. Aesar das dificuldades existentes, estimativas razoáveis da ressão interna odem ser obtidas. Para o rojeto dos elementos de vedação e suas fixações é de interesse a diferença entre as ressões externas e internas. Esta diferença reresenta o carregamento ao qual o elemento estará sujeito. No resente estudo, as ressões externas e internas são medidas diretamente no túnel de vento. As ressões internas odem, também, ser determinadas a artir das ressões externas (Blessmann, 1991 e Loredo-Souza, 1995) utilizando-se, or exemlo, a metodologia indicada na NBR-6123 (1988). As ressões internas odem então ser subtraídas das ressões externas ara formar as ressões resultantes. Para o caso esecífico da cobertura do Estádio do Gama, os valores dos coeficientes aerodinâmicos medidos nos ensaios em túnel de vento são válidos somente ara a configuração testada. No caso da ocorrência de diferentes combinações de fechamento das faces laterais e osteriores da estrutura, ou qualquer outra alteração da geometria testada nos ensaios, os coeficientes odem atingir valores consideravelmente distintos dos medidos nos ensaios. 7. CONCLUSÕES Os valores dos coeficientes de ressão ara a cobertura do Estádio do Gama, obtidos nos ensaios em túnel de vento, são coerentes do onto de vista aerodinâmico com relação à forma do rédio estudado e de sua vizinhança. Em termos de esforços locais, deve-se ressaltar a existência de icos localizados de ressão em certos ontos da cobertura. Para algumas incidências do vento, valores elevados de sucções externas aarecem em zonas restritas da cobertura, inclusive com valores de sucções iguais a 3,0 kpa, mostrado na figura 7. Estas sucções não aarecem simultaneamente em todas estas zonas, e são usadas aenas ara o dimensionamento, verificação e ancoragem de elementos de vedação

10 e da estrutura secundária or elas afetadas (ações locais). Para determinação do carregamento nos elementos de revestimento, estas ressões externas devem ser combinadas com valores adequados da ressão interna no local esecífico. O estudo evidencia os benefícios da utilização do túnel de vento como ferramenta de rojeto ara estruturas, coberturas e fechamentos, viabilizando a construção de edificações com arrojados rojetos arquitetônicos. Figura 7 Diagrama de blocos indicando a envoltória das ressões resultantes mínimas ara um eríodo de retorno de 50 anos. Dimensões em [m]. 8. REFERÊNCIAS Associação Brasileira de Normas Técnicas (1988). NBR-6123 Forças devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro. Blessmann, J. (1982). The Boundary Layer Wind Tunnel of UFRGS. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 10: Blessmann, J. (1990) Tóicos de normas de vento. 2ed.atual. Porto Alegre. Editora da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Blessmann, J. (1991). Pressão interna. 3ed. Porto Alegre. Editora da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Cook. N. J. (1990). The designer s guide to wind loading of building structures. Part 2: Static Structures. London, UK. Building Research Establishment. Davenort, A.G. and Isyumov, N. (1967). The Alication of The Boundary Layer Wind Tunnel to the Prediction of Wind Loading. In: Proceedings of the International Research Seminar: Wind Effects on Buildings and Structures. Ottawa, Canada. Setember Vol. 1: Engineering Sciences Data Unit. (1982). Strong winds in the atmosheric boundary layer, Part 1: mean hourly wind seeds. Data item London, ESDU. Ginger, J.D. and Letchford, C.W. (1992). Peak wind loads under delta wing vortices on canoy roofs; J. Wind Eng. Ind. Aerodynamics, 41-44, Loredo-Souza, A.M. (1995). Influence of oening tye on mean internal ressures in low buildings. In: Proceedings of the Ninth International Conference on Wind Engineering. New Delhi, India. v Loredo-Souza, A.M. (2008). Ação Estática do Vento sobre a Cobertura do Estádio do Gama. Relatório Técnico. Laboratório de Aerodinâmica das Construções. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre.