Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
-
Upload
luisuliana -
Category
Documents
-
view
213 -
download
0
Transcript of Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
1/57
Professor D.Sc. Zacarias Chamberlain15 e 16 de ulho de 2011
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
2/57
Conteúdo:
•Introdução aos efeitos do vento nas estruturas de aço
(meteorologia, aerodinâmica das construções)
•Palestras sobre uso de Túnel de vento e visita ao túnel do IPT
•Determinação da velocidade do vento (meteorologia)
•A ação estática e dinâmica do vento e seus coeficientes (aerodinâmica)
•Exemplos de aplicação
•Aspectos especiais
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
3/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
4/57
AÇÃO DE VENTO EM ESTRUTURAS AÇÃO DE VENTO EM ESTRUTURAS
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
5/57
Wing Loads on Low buildingsW.A.DalglieshOtawa, 1981
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
6/57
Principal Causa do Vento NaturalPrincipal Causa do Vento Natural
Aquecimento não uniforme da atmosfera, a partir da energia solarabsorvida pela crosta terrestre e irradiada sob a forma de calor.
Tormentas Sistemas meteorológicos que dãoorigem a ventos de alta velocidade,independentemente do mecanismo
de formação.
Fraco 0 ~ 9 km/h
Leve 10 ~ 40 km/h
Moderado 41 ~ 60 km/h
Forte (Vendaval) 61 ~ 90 km/hMuito Forte (Tempestade) Acima de 91 km/h
Furacão Acima de 115 km/h
Ref.: UWO, Ontario, Canada
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
7/57
Força de Coriolis - devido ao
movimento de rotação daterra
Força de Coriolis – influenciana direçao do vento Vento sudoeste no hemisferio
norte 30 a 60º
http://daphne.palomar.edu/pdeen/Animations/34_Coriolis.swf
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
8/57
Ventos alísios, ou “ventos do leste”Nos trópicos são o fluxo de retorno
baixa altitude da célula equatorialde Hardley
Estrutura global dos ventos muda
diariamente devido a mudanças napressão local
ar quente sobe perto do equadorno hemisfério estivo e descende
Terra
no su - r p co
ar que desce, seca a troposferainibindo convecção desertos
em latitudes subtropicais
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
9/57
Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h) Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h)
Mau tempo,precipitação eventos fortes
CiclonesCiclones
Bom tempo,
temperaturasaltas ou baixas
por longosperíodos.
Anticiclones Anticiclones
c ones x ra rop ca s:c ones x ra rop ca s:
Ventos “bem comportados”, servem de base para as normas de vento.Sustentam a velocidade média por algumas dezenas de horas.
Ciclones Tropicais (Tufão, Furacão):Ciclones Tropicais (Tufão, Furacão):
Formação sobre os oceanos, temperatura daágua 270C, entre latitudes 50 e 300 (norte e sul).
Previsão (1990): Risco para a costa do Brasil.(Efeito Estufa)
Taiwan – 4 de julho de 2001
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
10/57
Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h) Ventos Fortes no Brasil (acima de 60km/h)
Tormentas ElétricasTormentas Elétricas
((Thunderstorm Thunderstorm , Tormentas TS) , Tormentas TS)
TornadosTornados(Isolados ou em grupo)(Isolados ou em grupo)
Tonovay – KS (1982)
Diâmetro: 100~3000m Velocidade Tangencial: 350km/h
Deslocamento: 30~100km/h
Trajetória: 10~30km
Brasil: RS, SC (200km/h)
SP, RJ (2001)
RajadasRajadas Violentas,Chuva Torrencial,Chuva Torrencial,
Descargas Elétricas.Descargas Elétricas.
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
11/57
Ordens de grandeza dos diferentes fenômenosOrdens de grandeza dos diferentes fenômenos
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
12/57
Ação do vento em estruturas Ação do vento em estruturas
2 fatores: Pressão de vento q=Geometria da construção
½ ρ U2
U variável aleatória no tempo e no espaço
ocorrência uma vez no intervalo de tempo de vida útil daestrutura (50 anos) – tempo de recorrência.
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
13/57
Medição de velocidade de ventoMedição de velocidade de vento
Anemômetro deRobinson
1. Intervalo de tempo e dimensão espacial da edificação
2. Altura acima do terreno
3. Rugosidade de terreno
4. Situação topográfica
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
14/57
t)z,u(y,(z)UU(t) +=
= velocidade média(direção de incidência do vento),
média sobre 10 minutos
(z)U
1- Intervalo de tempo e
dimensão espacial daedificação
U máx calculado sobre ∆tpequeno da ordem de poucossegundos
u (t) = flutuação; turbulência
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
15/57
1 -Intervalo de tempo e dimensão espacial da edificação
Turbilhão de longa duração
Turbilhão de curta duração
∆t para
cálculo de U
Dimensão
espacial3 s 20 m
5 s 50 m
10 s > 50 m
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
16/57
Camada Limite AtmosféricaCamada Limite Atmosférica == Camada junto à superfície terrestre na qualo movimento do ar é retardado pelas forças de arrasto.
Altura da camada limite ou altura gradiente: 250~600m
Dentro da camada limite atmosférica a turbulência de origemmecânica é preponderante. A turbulência de origem térmica podeser desprezada.
2 - Altura acima do terreno
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
17/57
22 -- Variação da Velocidade Média dentro na Camada Limite Variação da Velocidade Média dentro na Camada Limite
Lei Potencial:
(G.Hellman)
p
g z
zg zU zU
= )()(
z,zg: alturas acima do terreno
p: expoente relativo à
rugosidade superficial
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
18/57
3 – Rugosidade do terreno
classificação em categorias
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
19/57
4 – Situação topográfica
Alteração do perfil de velocidades
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
20/57
Climatologia Estatística de Ventos ExtremosClimatologia Estatística de Ventos Extremos
Para a engenharia estrutural, fornece as informações sobreventos extremos que poderão afetar uma estrutura durantesua vida útil.
Confiabilidade dos Registros de Vento
Instrumentação calibrada e eventual ajuste de dados, se necessário;
Anemômetros afastados de obstruções que possam produzir efeitos locais,documentar possíveis alterações;
Atmosfera neutra (Velocidade do vento da ordem de 10m/s na cota 10m eem terreno aberto).
Homogeneidade dos Registros de Velocidade do Vento
Altura sobre oTerreno
Rugosidade doTerreno
Tempo de Amostragem
Erros de Amostragem: Conseqüência do tamanho limitado da amostra.
Erros de Modelagem: Escolha inadequada do modelo probabilístico pode
levar ao projeto de estruturas com probabilidade de falha elevada e irreal.
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
21/57
Estimativa de Ventos Extremos em Regiões de VentosEstimativa de Ventos Extremos em Regiões de VentosBem ComportadosBem Comportados
Mapa de Isopletas
NBR6123
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
22/57
Ação do vento em estruturas Ação do vento em estruturas
2 fatores: Pressão de vento q=
Geometria da construção
½ ρ U2
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
23/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
24/57
Propriedades dos fluidos
Viscosidade cinemática
ρ
µ υ =
Coef. de viscosidade dinâmica ou, simplesmente, viscosidade
Massa específica do fluido
Com ressibilidade
T constante, lei Boyle-Mariotte: p V = p1 V1
Coef. Compressibilidade: k = - (dV/V) / dp; k varia com p
Para fluido ar, no âmbito das velocidades naturais do ventonas proximidades do solo
Ar imcompressível
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
25/57
Escoamentos
x
y
z
r (posição)
V (velocidade)
Permanente: v = v(r)
Variável (não permanente) : v = v(r,t)
Uniforme ; v = v(t)
n orme e permanen e : v = cons an e
Linhas de corrente: tangente em cada ponto ao vetor velocidade
Mecânica dos fluidos:
método de Euler
Mecânica dos sólidos:
método de Lagrange
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
26/57
PressãoPressão estática: p = lim (∆a0) ∆N/∆ A
N
Área A
Teorema de Bernouilli (fluido sem viscosidade, escoamentopermanente):
½ ρ u2 + p + ρ g z = constante
Aplicável entre 2 pontos em escoamento irrotacional
Para ar ( ρ pequeno): ½ ρ u2 + p = constante
pressão dinâmica = ½ ρ u2pressão estática = p
pressão total = ½ ρ u2 + p
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
27/57
Tubo de Pitot (1732)
Ponto deestagnação
=
u0
p0p0
Medidas em túnel de vento
e
pe
Medida da pressão totaldo escoamento:½ ρ u02 + p0 = pe
Medida da pressão dinâmicaq= ½ ρ u02q= pe – p0
q= pe – p0 pe
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
28/57
Coeficientes Aerodinâmicos
Coeficiente depressãoexterna
cpe
pe
m
m
mm
mm
cqu
u
u p p
uu p p
pu pu
=
−=−
−=−
+=+
20
22
00
20
20
20
20
12
1
21
21
2
1
2
1
ρ
ρ ρ
ρ ρ
Pressão efetiva
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
29/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
30/57
Modelo reduzido do edifício BrascanCentury Staybridge Suites no interior do
túnel de vento. Medidas da velocidade dovento, no nível térreo, para condições deconforto de pedestres. Escala do modelo:
1/350
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
31/57
Coeficientes Aerodinâmicos
Variação do coeficiente cpe
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
32/57
Coeficientes de pressão
Externo cpeInterno cpi
cúpula
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
33/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
34/57
Componentes de força numComponentes de força numcorpo arbitrário imerso em escoamento bidimensionalcorpo arbitrário imerso em escoamento bidimensional
M
BρU2
1FC
2
LL =FL sustentação
Coeficientes Aerodinâmicos
BρU21
C2
D
D=
22M
BρU2
1
MC =
ρ = massa específica do ar
U = velocidade média de referência
B = dimensão característica da estrutura
FD arrasto
momento
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
35/57
Coeficientes de arrasto e deCoeficientes de arrasto e desustentação de seçõessustentação de seções
estruturais longosestruturais longos
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
36/57
FFs
Coeficientes Aerodinâmicos
Coeficientes de Força
Coeficiente de arrasto Ca = Fa / (q A)
Coeficiente de sustentação CsCoeficiente lateral CL
Flvento
A = área de referência
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
37/57
Efeitos TridimensionaisEfeitos Tridimensionais
Coeficiente de arrasto de uma placa retangular (λ=5)em função da direção horizontal do vento
[O. Flaschsbart, 1934]
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
38/57
Efeitos TridimensionaisEfeitos Tridimensionais
ααααα=0o
λ
Norma NBR 6123Norma NBR 6123
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
39/57
Norma NBR 6123Norma NBR 6123Forças devidas ao vento em edificaçõesForças devidas ao vento em edificações
Velocidade básica de vento: V Velocidade básica de vento: V00
∆∆t = 3s (cálculo da média)t = 3s (cálculo da média)
H= 10mH= 10mTerreno plano e abertoTerreno plano e abertoTempo de recorrência = 50 anosTempo de recorrência = 50 anos
N NBR 6123N NBR 6123
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
40/57
Norma NBR 6123Norma NBR 6123Forças devidas ao vento em edificaçõesForças devidas ao vento em edificações
Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básica
Vk
= V0
S1 S2 S3
S1 – fator topográfico
S2 – dimensões da edificação, rugosidade doterreno e altura acima do terreno
S3 – fator estatístico
Norma NBR 6123Norma NBR 6123 -- Forças devidas ao vento em edificaçõesForças devidas ao vento em edificações
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
41/57
Norma NBR 6123Norma NBR 6123 Forças devidas ao vento em edificaçõesForças devidas ao vento em edificações
Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básicaFator S1Fator S1
Terreno plano S1 =1Taludes e morros
pontos A e C: S1 =1ponto B : S1 = f(z)
Norma NBR 6123Norma NBR 6123 -- Forças devidas ao vento em edificaçõesForças devidas ao vento em edificações
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
42/57
Norma NBR 6123Norma NBR 6123 Forças devidas ao vento em edificaçõesForças devidas ao vento em edificações
Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básicaFator S2Fator S2
Rugosidade do terreno: Categorias I a V
Dimensões da edificação (cálculo de ∆t): Classes A , B, C Altura acima do terreno: lei potencial
r zF bS
=
102
b , p : correção de rugosidade do terrenoF r : fator de rajada
Norma NBR 6123Norma NBR 6123 -- Forças devidas ao vento em edificaçõesForças devidas ao vento em edificações
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
43/57
o a 6 3o a 6 3 o ças de das ao e to e ed caçõeso ças de das ao e to e ed cações
Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básicaFator S2Fator S250m
I
II
p
r
zF bS
=
102
III
IV
V
pz
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
44/57
r
zF bS
=
102
Norma NBR 6123Norma NBR 6123 -- Forças devidas ao vento em edificaçõesForças devidas ao vento em edificações
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
45/57
ç çç ç
Correções da velocidade básicaCorreções da velocidade básicaFator S3Fator S3
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
46/57
••Norma NBR 6123Norma NBR 6123 -- ForçasForçasdevidas ao vento em edificaçõesdevidas ao vento em edificações
Tabelas de coeficientesTabelas de coeficientesaerodinâmicos externosaerodinâmicos externos
de pressãode pressão
de formade forma
de forçade força
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
47/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
48/57
Pb ~ Pb
Coeficientes internosCoeficientes internos
Ps~ Ps
V l d V l id d d V t P F dV l d V l id d d V t P F d
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
49/57
Valores da Velocidade do Vento para Passo Fundo Valores da Velocidade do Vento para Passo Fundo A seguir, são apresentadas as principais características do regime de ventos em Passo Fundo, RS,determinadas com base em observações realizadas na estação meteorológica da Embrapa Trigo, noperíodo 1977-1994, tendo como referência a altura de 10 m, adotada, em todo o Brasil, pelo InstitutoNacional de Meteorologia.
Velocidade média (m/s) e direçãopredominante
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 4,2
Direção NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE
e oc a e m x ma m s e reç o a ve oc a e m x ma
JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ
Velocidade 28,0 27,2 26,5 31,0 34,1 28,7 40,0 24,8 41,3 38,8 39,0 27,2
Direção N NW NW N S N NW W N S SW W
N = Norte, NW = Noroeste, S = Sul, W = Oeste e SW = Sudoeste, NE = Nordeste.
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
50/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
51/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
52/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
53/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
54/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
55/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
56/57
-
8/17/2019 Forças Devidos A Vento Em Estruturas de Aço - Prof. Zacarias
57/57