Domando o vento

SOLUÇÕES INOVADORAS
Os autores são
pesquisadores
do Laboratório
de Aerodinâmica
Industrial e Engenharia
do Vento do IPT
GILDER NADER é dr. em
Engenharia - Poli/USP
Domando o vento
Quando se realiza o projeto de uma
edificação, é necessário que as forças do
vento nas paredes e coberturas sejam dimensionadas com muita segurança. Projetos incorretos ocasionam dois problemas típicos:
obras superdimensionadas, que trazem gastos elevados e desnecessários à construção,
ou subdimensionadas, que poderão ruir em
parte ou totalmente, quando ocorrer uma
rajada de vento.
O túnel de vento (Figura 1) é a ferramenta adequada para se determinar com
segurança as ações do vento numa estrutura
da construção
civil. Seu uso
é ainda mais
amplo, pois é
utilizado também para estudos de conforto ambiental, dispersão de
contaminantes e avaliação de projetos de
helipontos sobre edificações.
A Norma Técnica ABNT NBR
6123:1988 – Forças Devidas ao Vento em
Edificações traz os parâmetros para dimensionamento de várias estruturas, tais como casas,
galpões, silos e reservatórios cilíndricos,
chaminés, edifícios de múltiplos pavimentos e estruturas reticuladas (como torres de
transmissão). A norma atende muito bem aos
formatos clássicos dessas construções, pois
estes foram exaustivamente ensaiados em
túneis de vento em diversos países, e então
se estabeleceram os valores padrões de coeficientes de pressão e força nessas estruturas.
Com os aprimoramentos tecnológicos
dos materiais e sistemas construtivos, os
projetos de edificações puderam ser cada vez
mais ousados, apresentando, por exemplo,
superfícies curvas e coberturas que vencem
grandes vãos. Tais aprimoramentos também
permitiram a construção de edifícios cada
vez mais altos e esbeltos, mantendo uma
relação de largura por altura acima de 1/10,
como, por exemplo, edifícios com 13 m de
largura por 130 m de altura, ou edifícios com
alturas superiores a 200 m, havendo uma
tendência a se construírem edifícios com
alturas superiores a 1.000 m. Nestes casos
o comportamento dinâmico da edificação,
devido à ação do vento, pode gerar problemas na estrutura, nos revestimentos, nos
sistemas de vedação das janelas e também de
desconforto (mal-estar) dos usuários devido
às oscilações.
Ensaio avalia também itens como
conforto ambiental e helipontos
PAULO JOSÉ SAIZ
JABARDO é doutor em
Engenharia - Poli/USP
GABRIEL BORELLI
MARTINS é mestrando
em Engenharia - Poli/USP
Envie seus
comentários, críticas,
perguntas e sugestões
de temas para esta
coluna: noticias@
sindusconsp.com.br
40
revista notícias da construção
/ Março 2015
Túnel de vento
Para realização de ensaios de edificações em túnel de vento há necessidade
de se simular o vento natural do local. A
Norma 6123 faz a divisão em cinco tipos de
rugosidade do terreno, que influenciam nas
características do perfil de velocidades do
vento e, consequentemente, na distribuição
de forças que o vento realiza sobre uma
estrutura. As rugosidades do terreno são
divididas entre as Categorias I e V, onde a
primeira se refere ao mar calmo e a última
aos grandes centros de cidades.
Outro fator que altera as características
do perfil de velocidades do vento é a topografia do terreno. Se uma edificação será
construída no alto de um talude ou morro,
por exemplo, haverá um aumento da velocidade do vento nesta região, acarretando
maiores forças do vento na estrutura. Por
outro lado, se for construída em vales protegidos do vento em quaisquer direções, os
esforços serão menores. Para se determinar
Figura 1 - Túnel de vento do IPT
com maior exatidão as ações do vento em
regiões com topografia acidentada, como
as descritas, deve-se construir um modelo
reduzido reproduzindo a topografia do terreno para então realizar o ensaio em túnel
de vento.
A capacidade de modelar as edificações,
a topografia do terreno e o vento natural
do local garantem ao túnel o fornecimento
de valores com boa
exatidão de carregamento estático do
vento e de resposta
dinâmica da edificação, permitindo
dimensionar uma estrutura de forma otimizada e com segurança.
No entanto, a Norma 6123 sugere que se
faça o cálculo do carregamento com o valor
sempre crescente com altura do edifício de
múltiplos pavimentos. Portanto, somente por
este resultado do túnel de vento é possível
perceber que se pode utilizar um menor dimensionamento, por exemplo, nos caixilhos
e janelas, assim como se obtém também um
menor momento fletor.
Figura 2 - Modelo
reduzido posicionado
sobre a mesa giratória do
túnel de vento
Túnel de vento permite edificar
construções altas com segurança
Carregamento estático do vento
Nos ensaios de carregamento estático
do vento são instalados sensores de pressão
e de força no modelo reduzido. Procura-se
ter uma maior concentração de sensores de
pressão próximos às quinas das edificações
e na cobertura, pois nestas regiões ocorrem
sucções elevadas.
Para que se realize o ensaio incidindo o
vento no modelo por todas as direções, este
é fixado sobre uma mesa giratória (Figura
2) e tipicamente são realizados ensaios de
0º até 360º, com medições efetuadas a cada
15º. Assim, determina-se a distribuição de
pressões estáticas sobre o modelo.
Os ensaios em túnel de vento indicam
que na face a barlavento o carregamento
máximo do vento está em cerca de 3/4 e 2/5
da altura do edifício, como indicado pela cor
vermelha na Figura 3. Acima dessa altura o
carregamento diminui (Figura 3).
Ensaios em túneis de vento indicam também regiões onde há um carregamento acima
do calculado por norma, pois muitas vezes a
influência de edificações vizinhas causa um
aumento na sucção ou sobrepressão sobre
uma determinada área da edificação.
A torre da TV Digital de Brasília
(Figura 4), projeto de Oscar Niemeyer,
demonstra a importância do uso de túnel
de vento para determinação com segurança
das forças devidas ao vento. A torre possui
182m de altura por 10m de diâmetro em sua
base. É uma estrutura alta e esbelta. Projetos
deste tipo podem necessitar de fundações
muito bem estruturadas para evitar a queda
da construção devido à ação do vento. Os
resultados obtidos no túnel de vento do IPT
indicaram que os esforços causados pelo
vento eram cerca de 4 vezes menores que os
calculados pelo projetista estrutural, baseado
em normas. Neste caso, a fundação da torre
foi construída com os valores maiores, que
haviam sido calculados previamente, pois
garantiam a segurança da estrutura.
revista notícias da construção
Figura 3 - Mapa de
distribuição de pressão
obtida em túnel de vento
para edifício de 180 m
de altura
/ Março 2015
41
Figura 4 - Modelo da torre da TV Digital de Brasília no túnel de vento
Ensaios dinâmicos
A Norma 6123 afirma que edificações
com frequências naturais abaixo de 1 Hz
podem apresentar significativa resposta flutuante na direção do vento médio e, nestes
casos, devem-se realizar ensaios em túnel
de vento para se obter a resposta dinâmica
da edificação.
tados com excelente exatidão. No entanto,
ela é utilizada somente para edifícios, pois
os deslocamentos devem ser pequenos, de
modo que não haja alterações significativas
na interação do vento com a estrutura.
Utilizando a técnica HFPI se determinam os modos de vibração da edificação
devido à ação do vento. Na Figura 6 são mostrados o primeiro
e o sexto modo de
vibração. Nota-se
que o sexto modo
apresentava torção
da edificação, e
de acordo com os resultados obtidos das
frequências e amplitudes de vibração, podem ser necessários dimensionamentos do
revestimento e dos elementos de vedação
diferentes dos sugeridos por normas, pois
o comportamento dinâmico da estrutura
pode induzir rachaduras e quebras desses
elementos de construção.
Ensaios de estruturas em túnel de vento
são realizados desde o fim do século 19 e
foram aprimorados ao longo das décadas.
Especificamente na década de 1960 foi desenvolvida a metodologia de ensaio de edificações utilizada nos dias atuais. A evolução
desde então se deu nos sensores de pressão e
força, obtendo-se assim resultados cada vez
mais confiáveis e possibilitando a realização
de ensaios em pouco tempo. O que permite
atender uma grande demanda, já que as
edificações atuais têm sido cada vez mais
ousadas e altas, necessitando de ensaios em
túnel para se ter maior segurança e economia
na execução de um projeto.
Figura 5 - Edifício de
múltiplos pavimentos
ao vento e a vizinhança
modelada
Ensaio pode levar a mudanças
no revestimento e nas vedações
Desde o acidente ocorrido com a ponte
de Tacoma Narrows nos EUA em 1940,
que ruiu sob uma ventania a cerca de 60
km/h devido ao fenômeno de drapejamento, todas as pontes pênseis e estaiadas são
ensaiadas previamente em túnel de vento.
Para tais ensaios são construídos modelos
aeroelásticos, que reproduzem, em escala,
as características de inércia, rigidez e amortecimento da ponte. Desta forma, podem ser
determinadas as velocidades críticas em que
ocorrem as vibrações induzidas por vórtices
(VIV), galope, martelamento (ou golpe) e
drapejamento.
No caso de edifícios de múltiplos pavimentos (Figura 5), utilizam-se duas técnicas
para determinação da resposta dinâmica da
edificação: a de modelo aeroelástico, similar
ao utilizado em pontes, e o método denominado High Frequency Pressure Integration
(HFPI). Graças à melhoria dos sensores de
pressão de múltiplos canais, a técnica HFPI
tem sido a mais utilizada e fornece resul-
42
revista notícias da construção
/ Março 2015
Figura 6 - Exemplos dos
modos 1 e 6 de vibração
de um edifício alto e
esbelto ensaiado em
túnel de vento