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3 - AÇÕES DO VENTO EM EDIFICAÇÕES
3.1 – Introdução
O vento não é um problema em construções baixas e pesadas com paredes grossas, porém em estruturas esbeltas passa a ser uma das ações mais importantes a determinar no projeto de estruturas. As considerações para determinação das forças devidas ao vento são regidas e calculadas de acordo com a NBR 6123/1988 “Forças devidas ao vento em edificações”.
A maioria dos acidentes ocorre em construções leves, principalmente de grandes vãos livres, tais como hangares, pavilhões de feiras e de exposições, pavilhões industriais, coberturas de estádios, ginásios cobertos. Ensaios em túneis de vento mostram que o máximo de sução média aparece em coberturas com inclinação entre 8^0 e 12^0 , para certas proporções da construção, exatamente as inclinações de uso corrente na arquitetura em um grande número de construções.
As principais causas dos acidentes devidos ao vento são: a) falta de ancoragem de terças; b) contraventamento insuficiente de estruturas de cobertura; c) fundações inadequadas; d) paredes inadequadas; e) deformabilidade excessiva da edificação
Muitos casos não são considerados dentro da NBR 6123, porém quando a edificação, seja por suas dimensões e ou forma, provoque perturbações importantes no escoamento ou por obstáculos na sua vizinhança, deve-se recorrer a ensaios em túnel de vento, onde possam ser simuladas as características do vento natural.
É importante definir alguns dos aspectos que regem as forças devidas ao vento, antes de passar a seu cálculo. O vento é produzido por diferenças de temperatura de massas de ar na atmosfera, o caso mais fácil de identificar é quando uma frente fria chega na área e choca-se com o ar quente produzindo vento, esse tipo de fenômeno pode ser observado antes do início de uma chuva. Define-se o termo barlavento com sendo a região de onde sopra o vento (em relação a edificação), e sotavento a região oposta àquela de onde sopra o vento (veja-se Fig. 3.1). Quando o vento sopra sobre uma superfície existe uma sobrepressão (sinal positivo), porem em alguns casos pode acontecer o contrário, ou seja existir sucção (sinal negativo) sobre a superfície. O vento sempre atua perpendicularmente a superfície que obstrói sua passagem (vide Fig. 3.1).
BARLAVENTO SOTAVENTO
VENTO
VENTO
Superfície frontal perpendicular à direção do vento Figura 3.1 – Definições básicas do vento
Os cálculos são determinados a partir de velocidades básicas determinadas experimentalmente em torres de medição de ventos, e de acordo com a NBR6123 a 10 metros de
altura, em campo aberto e plano. A velocidade básica do vento é uma rajada de três segundos de duração, que ultrapassa em média esse valor uma vez em 50 anos, e se define por V 0.
Essas velocidades foram processadas estatisticamente, com base nos valores de velocidades máximas anuais medidas em cerca de 49 cidades brasileiras. A NBR6123 desprezou velocidades inferiores a 30 m/s. Considera-se que o vento pode atuar em qualquer direção e no sentido horizontal. A Fig. 3.2 representa os valores de velocidade básica através de curvas isopletas (mesma velocidade do vento). Como uma indicação do que acontece na região de Passo Fundo, apresenta-se na Tab. 3.1 as velocidades máximas e médias medidas na Estação Agro - Meteorológica da EMBRAPA Trigo.
Tabela 3.1 – Velocidades máximas e médias medidas na Estação meteorológica da EMBRAPA Trigo, no período 1977-1994, tendo como referência a altura de 10m (Fonte: CUNHA, 1997).
Velocidade média (ms) e direção considerada 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, Duração (^) NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE
Velocidade máxima (m/s) e direção da velocidade máxima Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Velocidade (^) 28,8 27,2 26,5 31,0 34,1 28,7 40,0 24,8 41,3 38,8 39,0 27, Duração (^) N NW NW N S N NW W N S SW W N=Norte, NE=Nordeste, NW=Noroeste, S=Sul, W=Oeste e SW=Sudoeste.
3.2 – Determinação da pressão dinâmica ou de obstrução
A Velocidade característica Vk : é a velocidade usada em projeto, sendo que são considerados os fatores topográficos (S 1 ), influência da rugosidade(obstáculos no entorno da edificação) e dimensões da edificação (S 2 ) e o fator de uso da edificação (que considera a vida útil e o tipo de uso). A velocidade característica pode ser expressa como:
Vk = Vo S 1 S 2 S (^3) Onde: V (^) o : velocidade básica S 1 : fator topográfico S 2 : fator de rugosidade e dimensões da edificação S 3 : fator estatístico
Tabela 3.2 –Definição de categorias para determinação do coeficiente S 2
Definição de categorias de terreno segundo NBR6123/ Categoria Descrição do ambiente I mar calmo, lagos, rios, pântanos II campos de aviação, fazendas III casas de campo, fazendas com muros, subúrbios, com altura média dos obstáculos de 3,0m IV cidades pequenas, subúrbios densamente construídos, áreas industriais desenvolvidas, com muros, subúrbios, com altura média dos obstáculos de 10,0m V florestas com árvores altas, centros de grandes cidades, com altura média igual ou superior a 25,0m
As classes definem-se através das dimensões da edificação de acordo com a Tab. 3.3.
Tabela 3.3 – definição de classes de edificação para determinação de S 2
Classe Descrição A (^) Maior dimensão da superfície frontal menor ou igual a 20 metros B Maior dimensão da superfície frontal entre 20 e 50 metros C Maior dimensão da superfície frontal que 50 metros
O cálculo de S 2 é expresso por S 2 = b.Fr(z/10)p
onde z é a altura total da edificação(no caso, a cumeeira) e os parâmetros b, Fr e p são obtidos da Tab. 3.4.
Tabela 3.4 – Parâmetros meteorológicos (NBR6123) Categoria z (^) g Classes (m)
Parâmetros A B C I 250 b 1,10 1,11 1, p 0,06 0,065 0, b 1,00 1,00 1, Fr (^) 1,00 0,98 0,
II 300
p 0,085 0,09 0, III 350 b 0,94 0,94 0, p 0,10 0,105 0, IV 420 b 0,86 0,85 0, p 0,12 0,125 0, V 500 b 0,74 0,73 0, p 0,15 0,16 0,
O fator estatístico S3 é definido dependendo do uso da edificação, e normalmente especificando a vida útil da mesma para 50 anos. Os valores mínimos que podem ser adotados estão definidos na Tab. 3.5.
Tabela 3.5 – valores mínimos para o coeficiente S 3
Grupo Descrição S (^3) 1 Edificações cuja ruína total ou parcial pode afetar a segurança ou possibilidade de socorro a pessoas após uma tempestade destrutiva (hospitais, quartéis de bombeiros, centrais de comunicação, etc.)
2 Edificações para hotéis e residências. Edificações para comércio e indústria com alto fator de ocupação
3 Edificações e instalações industriais com baixo fator de ocupação (depósitos, silos, construções rurais, etc.)
4 Vedações (telhas, vidros, painéis de vedação, etc.) 0, 5 Edificações temporárias. Estruturas dos grupos 1 a 3 durante a construção
A pressão dinâmica ou de obstrução do vento, em condições normais de pressão (1 Atm = 101320MPa) e temperatura a 15 0 , é dada pela expressão:
q = 0,613Vk^2 (N/m 2 )
3.3 – Determinação das forças estáticas devidas ao vento
A força devido ao vento depende da diferença de pressão nas faces opostas da parte da edificação em estudo (coeficientes aerodinâmicos). A NBR6123 permite calcular as forças a partir de coeficientes de pressão ou coeficientes de força. Os coeficientes de forma têm valores definidos para diferentes tipos de construção na NBR6123, que foram obtidos através de estudos experimentais em túneis de vento. A força devida ao vento através dos coeficientes de forma pode ser expressa por:
F = (C (^) pe – C (^) pi ) q A
Onde C (^) pe e C (^) pi são os coeficientes de pressão de acordo com as dimensões geométricas da edificação, q é a pressão dinâmica obtida de acordo com o item 3.2 e A a área frontal ou perpendicular a atuação do vento. Valores positivos dos coeficientes de forma ou pressão externo ou interno correspondem a sobrepressões, e valores negativos correspondem a suções.
A força global do vento sobre uma edificação ou parte dela (Fg) é obtida pela soma vetorial das forças que aí atuam. A força global na direção do vento (Fa ), é expressa por:
Fa = C (^) a q Ae onde C (^) a = coeficiente de arrasto (coeficiente de força) Ae = área frontal efetiva
Toda edificação tem aberturas, sua localização e tamanho determinam os coeficientes de pressão interna à edificação. A NBR6123, no seu anexo D, apresenta os detalhes necessários para determinação do coeficiente de pressão interna. Se a edificação for totalmente impermeável ao ar, a pressão no interior da mesma será invariável no tempo e independente da velocidade da corrente de ar externa. Portanto o coeficiente de pressão interna depende da permeabilidade da edificação, o índice de permeabilidade de uma parte da edificação é definido pela relação entre a área das aberturas e a área total desta parte. São considerados impermeáveis os seguintes elementos construtivos e vedações: lajes e cortinas de concreto armado ou protendido, paredes de alvenaria, de pedra, tijolos, de blocos de concreto e afins, sem portas, janelas ou quaisquer outras aberturas. Os demais elementos construtivos são considerados permeáveis. A permeabilidade deve-se à presença de aberturas tais como: juntas entre painéis de vedação e entre telhas, frestas em portas e janelas, ventilações em telha e telhados, vão abertos de portas e janelas, chaminés, lanternins, etc. A própria NBR6123 apresenta para edificações com paredes internas permeáveis, valores que podem ser adotados para o coeficiente de pressão interna:
(a) duas faces opostas igualmente permeáveis; as outras duas impermeáveis:
- Vento perpendicular a uma face permeável Cpi = +0,
- Vento perpendicular a uma face impermeável Cpi = -0,
(b) Quatro faces igualmente permeáveis Cpi = -0,3 ou 0, deve-se considerar o valor mais nocivo.
Nenhuma das faces poderá ter índice de permeabilidade maior que 30%, para poder usar as considerações acima expostas.
Coeficiente de arrasto C (^) a
Usado principalmente na avaliação da força global na estrutura, sendo determinado conforme item 6.3 da NBR6123 e pode variar de: 0,7 ≤ Ca ≤ 2,2, dependendo da forma da edificação. A força de arrasto é dada por:
Fa = Ca q A (^) o , onde: A (^) o = área de referência.
Coeficiente de atrito C (^) f
Em determinadas obras deve ser considerada a força de atrito representada por: F’ = Cf A q, onde 0,01 ≤ Cf ≤ 0,
Esta força é usada para edificações com l/h > 4 ou l1/l2 >4, sendo definida no item 6.4 d NB6123.
3.5 – Efeitos Dinâmicos e Edificações Esbeltas e Flexíveis
Os efeitos do vento são de caracter dinâmico, porém na maioria das construções esses efeitos podem ser substituídos por ações estáticas equivalentes. Em edificações esbeltas e flexíveis, principalmente aquelas com baixas freqüências naturais de vibração
(f < 1,0 Hz), os efeitos dinâmicos devem ser considerados. A seguir apresentam-se de maneira sucinta alguns dos possíveis efeitos dinâmicos devidos ao vento.
Desprendimento de vórtices
Efeitos de Golpe
Galope : movimento da edificação e forma. Maiores que os dos vórtices.
Drapejamento : acoplamento de vibrações em diferentes graus de liberdade. Ocorre em estruturas esbeltas (seção alongada).
F
F
F
F
Tabela 3.6 – Coeficientes de pressão e forma, externos, para paredes de edificações de planta retangular
Notas: a) Para a/b entre 3/2 e 2, interpolar linearmente. a) Para vento a 0o, nas partes A 3 e B 3 o coeficiente de forma C (^) e tem os seguintes valores: Para a/b = 1 : o mesmo valor das partes A 2 e B 2 Para a/b => 2 : Ce= -0, Para 1 < a/b < 2 : interpolar linearmente. b) Para cada uma das duas incidências do vento ( 0o^ e 90^0 ) o coeficiente de pressão médio externo, C (^) pe médio , é aplicado à parte de barlavento das paredes paralelas ao vento, em uma distância igual a 0,2B ou H, considerando-se o menor destes dois valores. c) Para determinar o coeficiente de arrasto, C (^) a, deve ser usado o gráfico da Fig. XX (vento de baixa turbulência) ou da Fig. XX (vento de alta turbulência).
Tabela 3.7 – Coeficientes de pressão e forma, externos, para telhados com duas águas, simétricos, em edificações de planta retangular
Notas: a) O coeficiente de forma C (^) e na face inferior do beiral é igual ao da parede correspondente. b) Nas zonas em torno de partes de edificações salientes (chaminés, reservatórios, etc.) ao telhado deve ser considerado um coeficiente de forma de C (^) e = 1,2, até uma distância igual a metade da dimensão da diagonal da saliência vista em planta. c) Na cobertura de lanternins, Cpe médio = -2. d) Para vento a 0o, nas partes I e J o coeficiente de forma C (^) e tem os seguintes valores: a/b = 1 : mesmo valor das partes F e H; a/b => 2 : Ce = -0.2. Interpolar linearmente para valores intermediários de a/b.
Classe C (item 5.3.2 - NBR 6123)
- obtenção do fator S2: pode ser obtido pela fórmula
S2= b x Fr x (z / 10)p^ , considerando os valores da Tabela 1 ou diretamente da Tabela 2, do item 5.3.3 - NBR 6123.
S2= b x Fr x (z / 10)p^ , onde: z= altura da edificação S2= 0.93 x 0.95 x (7.76 / 10)0.115^ = 0.
- fator estatístico S3: S3= 0.95 (edifício com baixo fator de ocupação – depósito Grupo 3 – Tabela 3 NBR 6123)
Vk = S1 x S2 x S3 x V (^0) Vk = 1.0 x 0.858 x 0.95 x 45= 36.68m/s
3- Pressão dinâmica q:
q= 0.613 x Vk^2 q= 0.613 x (36.68)^2 q= 825 N/m 2
b) Coeficientes de pressão e forma, externos, para as paredes laterais e frontais.
- valores de acordo com Tabela 4 - NBR 6123
a
b h
a= 60m h/b= 6/20= 0. b= 20m a/b= 60/20= 3. h= 6m
h/b≤ 1/2 e 2< a/b≤ 4 (0.3) (3.0) (0.4)
Valores de Ce
A1 e B1 A2 e B2 C D A B C1 e D1 C2 e D
Cpe (^) médio
-0.8 -0.4 +0.7 -0.3 +0.7 -0.5 -0.9 -0.5 -1.
0°
90°
-0.
-0.
-0.
-0.
-0.
-0.
-0.
+0.7 -0.
+0.
-0. -0.
-0.
-0.
h
b ou a
c) Coeficientes de pressão e forma, externos, para a cobertura
valores de acordo com a Tabela 5 - NBR 6123
h/b= 0.3 - h/b≤ ½
Para efeito de cálculo deste exemplo, desprezamos a possibilidade de abertura dominante em qualquer face e consideramos conforme o item 6.2.5.a, que é geralmente o mais usado para galpão desde que as aberturas não sejam exageradas, logo:
Cpi= +0.2 ou Cpi= -0.3 (adotar o mais nocivo)
+0.2 -0.
Cpi= +0.2 Cpi= -0.
e) Coeficientes de pressão para dimensionamento de terças, telhas e ancoragens.
Seção 1
-1.
-1.
-1.
-1.4 (^) -1.
+0.7 (^) -0.
Seção 2
-1.2 (^) -1.2 (^) -0.
f) Coeficientes de pressão para estrutura principal (pórticos)
Para o dimensionamento da estrutura principal, adota-se a combinação entre as pressões externas e internas mais crítica.
1° Caso: Ce(0°)+Cpi(+0.2)
0.9 0.
2° Caso: Ce(0°)+Cpi(-0.3)
3° Caso: Ce(90°)+Cpi(+0.2) 4° Caso: Ce(90°)+Cpi(-0.3)
Obs.: Para o cálculo de um pórtico isolado, multiplica-se esses coeficientes pela pressão dinâmica q e pela distância entre os pórticos d.
Carga: Coeficiente x q x d [N/m]
Para o contraventamento, adota-se os valores das pressões atuando perpendicularmente aos pórticos, ou seja, neste caso, α= 0°.
b) Coeficientes de pressão e forma, externos, para as paredes laterais e frontais
- Valores de acordo com a tabela 4 - NBR 6123
b
a
h
a= 36m h/b= 14/30= 0.47 h/b< ½ b= 30m c= 8 + 6= 14m a/b= 36/30= 0.1.20 1 ≤h/b≤3/
Valores de Ce
A1 e B1 A2 e B2 C D A B C1 e D1 C2 e D
Cpe (^) médio
-0.8 -0.5 +0.7 -0.4 +0.7 -0.4 -0.8 -0.4 -0.
0°
-0.
+0.
90°
+0.
-0.
-0.5 (^) -0.
-0.44 -0.
-0.
-0.
-0.
-0.
-0.
-0.
h
b ou a
c) Coeficientes aerodinâmico para a cobertura
- Valores de acordo com o anexo E – NBR 6123
f / l 2 = 6 / 30= 0,2 (1/5) h / l^2 = 8 / 30= 0,267 (1/3,75) ≈ (1/4)
Cpe Vento ⊥ Geratiz Vento // Geratriz Vento Oblíquo 1 2 3 4 5 6 A1+A2 B C D1+D2 A1 A -0,9 -0,6 -0,8 -0,8 -0,4 -0,2 -0,8 -0,6 -0,3 -0,2 -1,8 -1,
Vento
Vento
A A B
C D D
l2/
l2/
l1= 30m
l2= 36m
l2/
l2/
1 2 3 4 5 6 Largura: l1 h
l Vento Geratriz
Vento Geratriz
l2/4= 36/4= 9m 0.1xl1= 0.1x30= 3m
