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Unesp – Universidade Estadual Paulista
“Júlio de Mesquita Filho”
Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira
ESTUDO NUMÉRICO PARA A DETERMINAÇÃO DAS
PRESSÕES DEVIDAS À AÇÃO DO VENTO EM EDIFÍCIOS
INDUSTRIAIS
Dissertação de Mestrado apresentada a Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, da Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Civil com ênfase em estruturas.
Candidato : Eng.° Stéfano Torres Manfrim
Orientador: Prof. Dr. Renato Bertolino Jr
Ilha Solteira, SP, Agosto de 2006
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AGRADECIMENTOS
A Deus pelo voto de confiança, espero nunca decepcioná-lo.
Ao Prof. Dr. Renato Bertolino Júnior que orientou este trabalho até o final.
Gostaria de registrar aqui a maneira delicada, generosa e pertinente de sua
orientação na condução dessa dissertação. Pela contribuição dada a minha
formação acadêmica e profissional, e, sobretudo, pela amizade.
A CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior –
pelo apoio financeiro ao trabalho.
À Universidade Estadual Paulista por colocar a minha disposição sua
estrutura.
Aos amigos do Departamento de Engenharia Civil FEIS/UNESP pelos bons
momentos proporcionados.
Como sempre um agradecimento especial para minha família e minha
namorada.
ABSTRACT
The present work shows the pressures distributions values due the wind action in the
walls and in the roofs on industrial buildings. The pressures distributions in the walls
and in the roofs are determinate by numerical simulation environment, used the
ANSYS 9.0 program, considering the interaction fluid-structure. For the numerical
simulation, the geometry was considering in 3D dimensions, without opening in the
industrial building. The pressures distributions were determined for the industrial
buildings with geometry relations in floor by length and width ratio equal 1.0, 1y .5,
2.0, 4.0. In elevation, for geometric relations by width and height ratio was
considered equal to o.5, 1.0, 1.5, 2.0. The roof slope was considering constant like
15 degrees and the wind incidence like zero degrees, that is, in front of the industrial
building.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
- INTRODUÇÃO...................................................................................................... LISTA DE TABELAS
- 1.1. Justificativa
- 1.2. Objetivo
- 1.3. Estruturação do Trabalho
- RECENTES PESQUISAS.....................................................................................
- AÇÕES DEVIDAS AO VENTO
- 3.1. Ações Locais
- 3.2. Inclinação do Telhado......................................................................................
- 3.3. Formas e Proporções da Edificação................................................................
- 3.4. Pressões Flutuantes
- 3.5. Ventos Naturais
- 3.6. Velocidade do Vento........................................................................................
- FUNDAMENTOS TEÓRICOS BÁSICOS..............................................................
- 4.1. Teorema da conservação de massa................................................................
- 4.2. Teorema de Bernoulli
- 4.3. Pressão Estática..............................................................................................
- 4.4. Pressão Total
- 4.5. Pressão de Obstrução
- EFEITO ESTÁTICO DEVIDO AO VENTO
- 5.1. Coeficientes de Pressão..................................................................................
- 5.2. Coeficientes de Forma.....................................................................................
- 5.3. Coeficientes de Força......................................................................................
- 5.4. Coeficientes de Torção....................................................................................
- 5.5. Coeficientes de Pressão Interna......................................................................
- DESCRIÇÃO DOS MODELOS NUMÉRICOS
- ENSAIOS NUMÉRICOS
- 7.1. Comparação entre Resultados
- 7.2. Interação Fluido-Estrutura
- CONCLUSÕES.....................................................................................................
- REFERÊNCIAS
- CARACTERÍSTICA DO VENTO...................................................................... ANEXO A – COEFICIENTES S 1 , S 2 E S 3 PARA O CÁLCULO DA VELOCIDADE
- ANEXO B - VELOCIDADE NORNALIZADA S 2 E INTERVALO DE TEMPO
- ANEXO C – MUDANÇA DE RUGOSIDADE DO TERRENO....................................
- DE EDIFICAÇÃO DE m ANOS........................................................................ ANEXO D – FATOR ESTATÍSTICO S 3 PARA A PROBABILIDADE P,m E VIDA ÚTIL
- TODO O TERRITÓRIO NACIONAL ............................................................... ANEXO E – GRÁFICO DE ISOPLETAS PARA O ESTADO DE SÃO PAULO E PARA
Figura 30 – Diagrama dos coeficientes de pressão na edificação em um plano vertical a 0,5 metros da face da cumeeira......................................................... 58 Figura 31 – Diagrama dos coeficientes de pressão na edificação, em um plano horizontal........................................................................................................... 58 Figura 32 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (32-a) e pela NBR – 6123: 1988 (32-b) ................................................ 59 Figura 33 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (33-a) e pela NBR – 6123: 1988 (33-b) na região A1 B1 ..................... 59 Figura 34 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (34-a) e pela NBR – 6123: 1988 (34-b) na região A2 B2 ..................... 60 Figura 35 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (35-a) e pela NBR – 6123: 1988 (35-b) ................................................ 60 Figura 36 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (36-a) e pela NBR – 6123: 1988 (36-b) na região A1 B1 ..................... 60 Figura 37 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (37-a) e pela NBR – 6123: 1988 (37-b) na região A2 B2 ..................... 61 Figura 38 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (38-a) e pela NBR – 6123: 1988 (38-b) ................................................ 61 Figura 39 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (39-a) e pela NBR – 6123: 1988 (39-b) na região A1 B1 ..................... 61 Figura 40 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (40-a) e pela NBR – 6123: 1988 (40-b) na região A2 B2 ..................... 62 Figura 41 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (41-a) e pela NBR – 6123: 1988 (41-b) ................................................ 62 Figura 42 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (42-a) e pela NBR – 6123: 1988 (42-b) na região A1 B1 ..................... 62 Figura 43 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (43-a) e pela NBR – 6123: 1988 (43-b) na região A2 B2 ..................... 63 Figura 44 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (44-a) e pela NBR – 6123: 1988 (44-b) ................................................ 63 Figura 45 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (45-a) e pela NBR – 6123: 1988 (45-b) na região A1 B1 ..................... 63 Figura 46 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (46-a) e pela NBR – 6123: 1988 (46-b) na região A2 B2 ..................... 64 Figura 47 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (47-a) e pela NBR – 6123: 1988 (47-b) ................................................ 64 Figura 48 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (48-a) e pela NBR – 6123: 1988 (48-b) na região A1 B1 ..................... 64 Figura 49 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (49-a) e pela NBR – 6123: 1988 (49-b) na região A2 B2 ..................... 65 Figura 50 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (50-a) e pela NBR – 6123: 1988 (50-b) ................................................ 65 Figura 51 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (51-a) e pela NBR – 6123: 1988 (51-b) na região A1 B1 ..................... 65 Figura 52 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (52-a) e pela NBR – 6123: 1988 (52-b) na região A2 B2 ..................... 66 Figura 53 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (53-a) e pela NBR – 6123: 1988 (53-b) ................................................ 66 Figura 54 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (54-a) e pela NBR – 6123: 1988 (54-b) na região A1 B1 ..................... 66
Figura 55 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (55-a) e pela NBR – 6123: 1988 (55-b) na região A2 B2 ..................... 67 Figura 56 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (56-a) e pela NBR – 6123: 1988 (56-b) ................................................ 67 Figura 57 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (57-a) e pela NBR – 6123: 1988 (57-b) na região A1 B1 ..................... 67 Figura 58 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (58-a) e pela NBR – 6123: 1988 (58-b) na região A2 B2 ..................... 68 Figura 59 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (59-a) e pela NBR – 6123: 1988 (59-b) ................................................ 68 Figura 60 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (60-a) e pela NBR – 6123: 1988 (60-b) na região A1 B1 ..................... 68 Figura 61 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (61-a) e pela NBR – 6123: 1988 (61-b) na região A2 B2 ..................... 69 Figura 62 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (62-a) e pela NBR – 6123: 1988 (62-b) ................................................ 69 Figura 63 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (63-a) e pela NBR – 6123: 1988 (63-b) na região A1 B1 ..................... 69 Figura 64 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (64-a) e pela NBR – 6123: 1988 (64-b) na região A2 B2 ..................... 70 Figura 65 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (65-a) e pela NBR – 6123: 1988 (65-b) ................................................ 70 Figura 66 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (66-a) e pela NBR – 6123: 1988 (66-b) na região A1 B1 ..................... 70 Figura 67 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (67-a) e pela NBR – 6123: 1988 (67-b) na região A2 B2 ..................... 71 Figura 68 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (68-a) e pela NBR – 6123: 1988 (68-b) ................................................ 71 Figura 69 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (69-a) e pela NBR – 6123: 1988 (69-b) na região A1 B1 ..................... 71 Figura 70 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (70-a) e pela NBR – 6123: 1988 (70-b) na região A2 B2 ..................... 72 Figura 71 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (71-a) e pela NBR – 6123: 1988 (71-b) ................................................ 72 Figura 72 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (72-a) e pela NBR – 6123: 1988 (72-b) na região A1 B1 ..................... 72 Figura 73 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (73-a) e pela NBR – 6123: 1988 (73-b) na região A2 B2 ..................... 73 Figura 74 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (74-a) e pela NBR – 6123: 1988 (74-b) ................................................ 73 Figura 75 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (75-a) e pela NBR – 6123: 1988 (75-b) na região A1 B1 ..................... 73 Figura 76 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (76-a) e pela NBR – 6123: 1988 (76-b) na região A2 B2 ..................... 74 Figura 77 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (77-a) e pela NBR – 6123: 1988 (77-b) ................................................ 74 Figura 78 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (78-a) e pela NBR – 6123: 1988 (78-b) na região A1 B1 ..................... 74 Figura 79 – Comparação entre os coeficientes de pressão obtidos pelo Programa ANSYS (79-a) e pela NBR – 6123: 1988 (79-b) na região A2 B2 ..................... 75
1. INTRODUÇÃO
Nos dias atuais, com o aumento da industrialização no Brasil, houve um
aumento considerável de edifícios industriais instalados pelo país.
Nos grandes centros industriais, e até em zonas rurais, as edificações estão
fazendo parte da paisagem e tendem a se espalhar cada vez mais pelo país,
integrando uma categoria estrutural das mais utilizadas em nossos dias.
Edifícios industriais são construções que tem por finalidade cobrir grandes
áreas destinadas a diversos fins, como fábricas, oficinas, almoxarifados, depósitos,
hangares, etc. Geralmente são construídos de concreto armado, concreto protendido
e de perfis de aço, possuindo cobertura metálica que podem ser do tipo: uma água,
duas águas, quatro águas, coberturas curvas e também tipo shed.
A Figura 1 ilustra a concepção de um edifício industrial:
Figura 1 – Concepção básicas de um edifício industrial
Os edifícios industriais projetados estão normalmente submetidos a ações
permanentes e variáveis. As ações permanentes (composta pelo peso próprio da
estrutura e pelo peso dos materiais de acabamento) são usualmente fáceis de
serem tratadas, pois dependem somente das seções transversair e dos elementos
do telhado
contraventamento
longarina
contraventamento lateral
terça do telhado
viga do pórtico
pilar
lateral
fechamento
cobertura
cumeeira
que compoem a estrutura. Já as ações variáveis, sobrecarga, vento ou de outras
causas, apresentam um maior grau de dificuldade, pois dependem do tipo de
edificação a ser construida e de sua geometria.
Por meio da análise estrutural determinam-se quais são os perfis estruturais a
serem utilizados nos elementos estruturais (pilares, vigas e etc) dos edifícios
industriais.
Para garantir um bom funcionamento do sistema estrutural deve-se executar
corretamente o projeto da edificação, dentro das atuais tecnologias e dos atuais
desenvolvimentos científicos dos quais deu origem a atualização nas normas
técnicas.
Nem sempre a velocidade mais desfavorável é a velocidade máxima prevista
para o vento, NBR 6123 (ABNT,1988). Para baixas velocidades, o regime de
escoamento é laminar e os efeitos resultantes são praticamente, de natureza
estática. A partir de velocidades da ordem de 25 m/s (90 km/h) o regime torna-se
turbulento e atua por rajadas sucessivas, podendo ter caráter periódico, segundo
Oliveira (1974).
A norma brasileira NBR 6123 (ABNT,1988), Forças Devidas ao Vento em
Edificações, permite que as ações dinâmicas do vento que atuam em edifícios
esbeltos, sejam consideradas como ações estáticas, bastando determinar a
freqüência e conseqüentemente o período fundamental da edificação, dispensando
a análise dinâmica propriamente dita, se o mesmo for inferior a um segundo.
O efeito estático da ação do vento leva em consideração apenas o coeficiente
de arrasto e a pressão de obstrução, enquanto que o efeito dinâmico do vento é
devido à turbulência atmosférica.
Essa resposta dinâmica da estrutura à ação do vento depende não só de sua
forma externa, mas também dos materiais empregados, do amortecimento e da
rigidez da estrutura.
Os valores dos esforços solicitantes devidos ao efeito dinâmico da ação do
vento são superiores aos valores dos efeitos estáticos, e isso mostra que para
projetos onde se procura minimizar os custos de construção oferecendo maiores
níveis de segurança, deve-se obrigatoriamente submetê-las aos efeitos dinâmicos
da ação do vento para obter-se uma análise estrutural mais próxima da realidade,
Bertolino et al (2000).
1.3. Estruturação do Trabalho
Para atingir os objetivos propostos, esta dissertação foi dividida em nove itens
cujos conteúdos são apresentados na seqüência:
Seção 1: Apresenta uma introdução sobre o assunto que é objeto de estudo deste
trabalho de pesquisa, assim como a proposta do presente trabalho;
Seção 2: Relaciona as pesquisas realizadas sobre o tema;
Seção 3: Apresenta pesquisa bibliográfica;
Seção 4: Apresenta os fundamentos teóricos básicos para um bom entendimento
dos efeitos do vento na edificação;
Seção 5: Apresenta os efeitos estáticos devidas à ação do vento;
Secao 6: Apresenta a descrição dos modelos numéricos utilizados para a simulação
numérica do modelo das edificações;
Seção 7: Apresenta os ensaios numéricos, assim como os resultados e a
comparação entre os valores obtidos pelo programa ANSYS e os valores obtidos
pela NBR-6123;
Seção 8: Apresenta as conclusões finais sobre os estudos efetuados e também
algumas propostas para a confecção de trabalhos futuros;
Seção 9: Referências.
2. RECENTES PESQUISAS
Vários pesquisadores realizaram estudos da ação dos ventos em edificações,
onde esses têm apresentado resultados interessantes da ação estática do vento em
edifícios em modelo reduzido.
Estudos muito interessantes foram realizados em Blessmann (2004) em
telhados a quatro águas.
Outros pesquisadores, em trabalhos semelhantes, já tinham constatado que a
utilização de telhado a quatro águas resiste melhor à ação do vento do que telhados
a duas águas.
Foi verificado por Blessmann (2004) que quando se utiliza telhado a quatro
águas, os pontos de sucção em alguns casos chegam a reduzir á metade do seu
valor, evitando assim a ocorrência do arrrancamento de telhas como no caso de
telhados em duas águas. Ele ressalta que uma das vantagens da utilização de
telhado de quatro águas é que esses distribuem a ação do vento nas quatro
paredes, enquanto que telhados de duas águas distribuem apenas nas suas laterais.
Em sua pesquisa, Blessmann (2004) também examinou a influência causada
pelas platibandas e pelos beirais, assim como a influência da inclinação do telhado e
da altura das paredes na análise da ação do vento na edificação. Ele constatou que
menores valores (algébricos) aparecem nas coberturas com inclinação igual a 30°, a
sotavento. Tanto em paredes baixas quanto em paredes altas, verificou-se que o
menor valor ocorreu em coberturas com beirais.
Quanto à influência das platibandas, Blessmann (2004) averiguou que para
certas incidências do vento e em certas regiões da cobertura, as sucções atingiram
valores superiores quando se utilizou platibandas pequenas, em relação a telhados
sem platibandas. Com relação a pontos de ocorrência de sucção, foi observado que
os maiores valores ocorrem em modelos com paredes altas e com inclinação do
telhado igual a 15°. Observou-se também que a utilização das platibandas traz um
efeito benéfico para a estrutura.
Loredo-Souza et al (2004) também realizou alguns trabalhos muito
interessantes do ponto de vista aerodinâmico. Por não existirem coeficientes
aerodinâmicos específicos para as configuração e disposições das edificações em
normas de vento, Loredo-Souza et al (2004) realizou ensaios em túnel de vento no
No estudo do edifício de 120 metros de altura que será construído na cidade
de São Paulo, Loredo-Souza et al (2004) relata que a presença de edifícios altos na
vizinhança aumenta consideravelmente as respostas tanto na direção do vento
quanto na direção transversal. Ele também observou essa presença no edifício
Citibank, na Avenida Paulista, em São Paulo, onde a presença dos edifícios vizinhos
chegou a aumentar cerca de 125% os efeitos do vento para certas condições de
incidência do vento, com relação ao que sofreria se eles não existissem.
Loredo-Souza et al (2004) ainda cita que algumas modificações
aerodinâmicas na forma da edificação, tal como eliminação das arestas vivas, pode
trazer benefícios, diminuindo em até 40% a resposta na direção do vento.
Com relação à proposta para a cobertura do Estádio Castelão, localizado em
Fortaleza/Ceará, Loredo-Souza et al (2004) diz que os coeficientes de pressão
obtidos no ensaio são coerentes do ponto de vista aerodinâmico com relação à
forma da estrutura. Ele observou que em zonas restritas da edificação (próxima às
bordas) aparecem valores elevados de sucção externas em algumas incidências do
vento, porém esses valores elevados de sucções não aparecem ao mesmo tempo
em toda região e são usadas principalmente para verificação, ancoragem e
dimensionamento de elementos de vedação e da estrutura secundária.
Com relação à ação estática do vento sobre o conjunto de 4 edifícios altos de
concreto armado a serem construídos em Alphaville, Barueri-SP, Loredo-Souza et al
(2004) ressalta que os valores dos coeficientes de força e de torção obtidos dos
ensaios em túnel de vento são coerentes do ponto de vista aerodinâmico com
relação à forma do prédio estudado e de sua vizinhança, da mesma forma que foi
observado em outros estudos efetuados por ele.
Normalmente coeficientes aerodinâmicos referem-se a construções isoladas.
Entretanto, edificações situadas nas proximidades podem causar efeitos
ponderáveis de interação, aumentando as sucções, forças e momentos de torção.
Próximos ao modelo instrumentado foram reproduzidos as edificações mais
próximas, na escala do modelo, para que as condições de escoamento próximas ao
edifício correspondessem o mais fielmente possível às condições reais às quais a
edificação estará sujeita depois de concluída (figura 4).
Figura 4 – Modelo Reduzido do Edifício e sua Vizinhança no Interior do Túnel de Vento Fonte: Loredo-Souza (2004)
Com o decorrer dos anos, Loredo-Souza et al (2004) adverte que existe uma
tendência de aumento da rugosidade das zonas construídas devido a prováveis
futuras urbanizações, o que poderá causar alguma redução nos esforços estáticos
em algumas zonas da edificação. Por outro lado, possíveis efeitos nocivos de
vizinhanças futuras também podem ocorrer. Ele ainda cita que a presença de
edifícios altos na vizinhança pode aumentar as respostas tanto na direção do vento
como transversalmente a esse, além dos efeitos de torção, em geral em torno de
30% a 40%, podendo, entretanto resultar em aumentos muitíssimo superiores para
certas posições críticas de separação do escoamento, bem como de seu
posicionamento e forma.
Carril et al (2004) apresentou um trabalho sobre o estudo da ação do vento na
cobertura do Centro de Eventos Esportivos e Culturais Pe. Vitor Coelho que está
sendo construído em Aparecida do Norte, São Paulo.
Devido a não existência de coeficientes aerodinâmicos específicos para a
forma dessa edificação em normas de vento, seu ensaio foi realizado no Túnel de
Vento de camada limite do centro de metrologia de fluidos do Instituto de Pesquisas
Tecnológicas (IPT) de São Paulo.
