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Projetos

Engenharia do vento

Além das reações da estrutura, dos revestimentos e esquadrias, ensaios aerodinâmicos em túnel permitem prever também os efeitos do vento nos arredores

Por Bruno Loturco
Edição 156 - Março/2010

Divulgação: IPT
Ao simular os principais impactos dos ventos nas edificações, o ensaio de modelos reduzidos em túnel de vento permite determinar as pressões atuantes sobre as fachadas e as estruturas, resultando em projetos mais precisos
Embora a NBR 6123 - Forças Devidas ao Vento em Edificações permita prever o comportamento da estrutura perante os efeitos do vento, há situações não consideradas no texto, especialmente quando se trata de estruturas com formas esféricas ou cilíndricas, edificações altas e esbeltas e pontes estaiadas, por exemplo. Nesses casos, para determinar os esforços na estrutura e analisar os efeitos do escoamento ao seu redor, é necessário realizar ensaios em túnel de vento.

"Os ensaios são realizados por motivos de segurança e integridade da estrutura e das pessoas ao redor", explica Marcos Tadeu Pereira, pesquisador do túnel de vento do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicos do Estado de São Paulo). O túnel permite medir a distribuição de pressões na envoltória, pressões internas na edificação, forças e momento nas fundações, frequências de ressonância, amplitude de vibração da estrutura, entre outros efeitos.

Além disso, explica o engenheiro estrutural Francisco Paulo Graziano, diretor da Pasqua & Graziano Associados, "permite a análise das parcelas estática e dinâmica que compõem o efeito do vento, o que significa conhecer melhor como a estrutura responderá e, portanto, como será solicitada". Graziano refere-se, principalmente, às situações em que os esforços transversais são relevantes para o dimensionamento da estrutura, seja de edifício, pontes, coberturas de estádios ou outras.

Em suma, esse tipo de ensaio é solicitado pelo projetista ou contratante da obra quando há incerteza com relação aos efeitos do vento sobre a estrutura. "O desenvolvimento de formas arquitetônicas e sistemas estruturais, a introdução de uma ampla gama de materiais e a formulação de novas metodologias de análise demandam descrições mais exatas do carregamento devido ao vento", explica o professor Acir Mércio Loredo-Souza, diretor do LAC (Laboratório de Aerodinâmica das Construções), da UFRGS (Universidade Federal do Rio Grande do Sul).

Fotos: divulgação LAC UFRGS
Fotos: divulgação LAC UFRGS

A configuração estrutural e arquitetônica real determina o tipo de modelo a ser ensaiado. Quando é necessário reproduzir somente a forma, o modelo é rígido. Nos casos em que é preciso incorporar características de rigidez, massa e amortecimento, como no caso da ponte estaiada Octávio Frias de Oliveira, o modelo é flexível

Influência nos projetos

Não é à toa, portanto, que os resultados possam determinar alterações nos projetos de estrutura e arquitetura quando, por exemplo, as condições do entorno provoquem pressões que demandem reforços estruturais ou que a forma arquitetônica de um edifício leve à aceleração do vento num corredor de passagem entre edifícios. "Deve-se considerar o efeito de grandes estruturas na dispersão dos gases de automóveis nas vizinhanças", exemplifica Pereira. "O mesmo modelo pode ser ensaiado para determinar a carga de vento na estrutura e nas fundações, onde geralmente a pressão média é mais importante, ou para dimensionar as esquadrias, onde os picos de pressão são relevantes", completa.

No entanto, Souza pondera que, usualmente, os ensaios indicam apenas o carregamento para dimensionamento da estrutura e elementos de revestimento. "Os resultados são analisados e entregues aos projetistas e consultores, incluindo os de fundações e revestimento", explica. Dessa forma, o ensaio confirma ou não os dados considerados de forma preliminar a partir da norma. "O ensaio dá confiabilidade aos parâmetros essenciais que regem os efeitos do vento, o que permite análise de segurança mais precisa e possibilita economia", afirma Graziano.

Como exemplo, Graziano cita o caso da obra do edifício Parque Cidade Jardim, para o qual foram simuladas combinações temporais diversas, de modo a determinar a intensidade das forças estáticas equivalentes para os principais modos de vibração da estrutura. "Devido à concepção adequada, os valores obtidos foram menores do que os preconizados pela norma, resultando em economia significativa de aço", conta. Como o afinamento do projeto diminui a probabilidade de acontecerem deformações excessivas e rupturas, por exemplo, os custos de manutenção também tendem a cair durante a vida útil da edificação.

Já Souza lembra o caso da ponte estaiada Octávio Frias de Oliveira, em São Paulo, ensaiada no túnel de vento do LAC, da UFRGS. Ele conta que os ensaios constataram que os deslocamentos transversais do tabuleiro seriam reduzidos à metade com a colocação de dispositivos aerodinâmicos nos extremos laterais do tabuleiro, chamados de narizes de vento. "São dispositivos triangulares que tornam a seção transversal da ponte mais aerodinâmica, melhorando o desempenho frente à ação do vento", elucida. Em outro ensaio, da nova cobertura do Estádio Beira-Rio, do Sport Club Internacional, em Porto Alegre, o projeto arquitetônico original da cobertura e a estrutura inicialmente lançada tiveram que ser modificados para atender às exigências de desempenho frente aos efeitos dinâmicos do vento, que indicavam deslocamentos excessivos.

Uma vez que os resultados dos ensaios podem levar ao reposicionamento dos projetos estrutural e arquitetônico, com alteração nas dimensões dos elementos estruturais, é recomendável que sejam realizados com antecedência em relação à fase de projeto executivo.

Exemplo de distribuição de pressão em fachadas de edifícios

Túnel de Vento Professor Joaquim Blessman* *Professor do Laboratório de Aerodinâmica das Construções, brasileiro do Rio Grande do Sul, autor da norma NBR 6123 e um dos maiores especialistas do mundo

 

Dados resultantes

De acordo com Souza, um ensaio convencional para determinação de forças para cálculo da estrutura e pressões nos elementos de revestimento de um edifício custa em torno de R$ 38 mil no Brasil e o dobro ou mais no exterior. "Há outros tipos de ensaios e diferentes níveis de complexidade em que os preços são determinados conforme a necessidade dos estudos", diz.

Os ensaios podem fornecer dados referentes aos coeficientes de pressão e de força médio, mínimo e máximo. Já ensaios arquitetônicos fornecem os campos de velocidade em pontos determinados pelo solicitante. "Os resultados são apresentados sob a forma de forças globais e forças por pavimento, bem como pressões indicadas para o dimensionamento do revestimento", conta Souza. Outros dados obtidos referem-se a deslocamentos, acelerações, níveis de concentração de poluentes e valores de velocidades do escoamento, por exemplo.

Para tanto, existem ensaios estáticos e dinâmicos. O primeiro, mais simples, é suficiente quando não são constatadas amplificações das respostas da estrutura devido às propriedades dinâmicas - frequências naturais, modos de vibração e níveis de amortecimento. Para esse ensaio basta que o modelo seja rígido e tenha a mesma geometria da estrutura. "Se as deformações forem pequenas, podem ser desprezadas e o escoamento pode ser estudado independentemente da estrutura", afirma Paulo Jabardo, pesquisador do IPT.

Já no caso dos ensaios dinâmicos, são fornecidos também os deslocamentos da estrutura e velocidade crítica do vento. Também chamado de aeroelástico, esse tipo de ensaio exige a reprodução, no modelo flexível reduzido, da distribuição de massa e rigidez, incluindo características de amortecimento da estrutura a ser modelada. "A dificuldade está no fato de ser muito comum a deformação modificar o escoamento, o que, por sua vez, modifica os esforços na estrutura. Assim, os dois devem ser considerados simultaneamente", explica Jabardo.

Apesar de serem capazes de fornecer grande diversidade de dados, os ensaios em túnel de vento nem sempre conseguem medir com precisão a pressão interna de edificações, que depende também de configurações internas dos edifícios muitas vezes não totalmente conhecidas durante o projeto. "Quais portas e janelas estarão abertas e em quais circunstâncias? Essas são questões que afetam diretamente a pressão interna de um edifício e não são facilmente respondidas", explica Jabardo.

Divulgação: LAC UFRGS
Especialmente em áreas urbanas, as características do vento podem ser influenciadas pelas edificações do entorno. Para simular a situação de vento em casos assim, os laboratórios utilizam os chamados modelos de vizinhança, em que os prédios vizinhos também são representados
Modelo reduzido

A escolha pelo tipo de ensaio é determinada por análise do projeto arquitetônico. A etapa seguinte é de projeto e construção do modelo reduzido, em escala e reproduzindo os detalhes geométricos relevantes. Os materiais, de acordo com Antonio Pacífico, pesquisador do túnel de vento do IPT, dependem do tipo de ensaio. "Em um ensaio estático, o material é irrelevante desde que apresente rigidez mínima. No caso de ensaios dinâmicos a densidade do material também é importante", conta. Assim, para o primeiro caso, costuma-se utilizar materiais fáceis de trabalhar, como acrílico, madeira, compensados e aglomerados. Para modelos flexíveis, no entanto, a rigidez do material deve ser escolhida de modo a representar as características dinâmicas da estrutura.

De acordo com Souza, os sensores mais utilizados são transdutores eletrônicos de pressão, que permitem a leitura, em computador, das pressões, para análise dos carregamentos na estrutura e elementos de revestimento. A instrumentação, no entanto, depende do ensaio a ser realizado. "Para ensaiar cargas de vento, os modelos são equipados com sensores de pressão. Já para determinar força e momento, utilizam-se os dados fornecidos pelas balanças. Ensaios aeroelásticos, por sua vez, utilizam extensômetros, acelerômetros e sensores ópticos de deslocamento e vibração", pontua o pesquisador Gilder Nader, do túnel de vento do IPT. Há, ainda, medidores de velocidade pontuais, como anemômetros de fio quente ou anemômetros a laser (LDV) ou medidores instantâneos de campos inteiros de velocidade.

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