Simulação da pressão do vento em edifícios – Eurocódigo 1
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Estuda o impacto do vento na estrutura dos teus edifícios
A EOLIOS efectua estudos CFD para avaliar as cargas aerodinâmicas nos edifícios.
- Cálculo dos coeficientes de pressão
- Estudo de impacto estrutural
- Cálculo das cargas da parede cortina
- Estudo de cenários de falhas críticas
- Eurocódigos
- Resistência ao vento do mobiliário urbano
- Edifícios altos
- Estudo do ruído do vento
- Estudo da pressão máxima de entrada dos sistemas de tratamento de ar
Ventos fortes: uma ação estrutural complexa e perigosa
A ação do vento nos edifícios é intrinsecamente tridimensional e altamente dependente do contexto. Os ventos fortes geram cargas aerodinâmicas que podem afetar não só a estrutura de suporte, mas também a envolvente do edifício, o equipamento técnico, os sistemas de fixação e os acessórios exteriores.
Para além das forças globais, os efeitos locais são o principal fator de risco. A combinação da altura, da geometria (ângulos agudos, recuos, coberturas complexas), da porosidade das fachadas e do ambiente imediato (presença de obstáculos, outros edifícios, relevo, etc.) gera fenómenos aerodinâmicos avançados: sobrepressões e depressões intensas, gradientes de pressão elevados, acelerações locais do vento, efeitos Venturi entre volumes construídos, vórtices de canto e zonas de recirculação instáveis.
Estes fenómenos podem conduzir a tensões extremas em áreas muito localizadas, que são frequentemente mal representadas por métodos de normas globais. Em ambientes urbanos densos, as interações entre edifícios amplificam estes efeitos, tornando a avaliação do vento particularmente sensível aos pressupostos de cálculo.
A incompreensão destes mecanismos pode levar a :
- subdimensionamento local de elementos da fachada ou do telhado,
- equipamento técnico a ser arrancado,
- riscos para os utilizadores em zonas pedonais expostas,
- deterioração prematura das estruturas e elevados custos de reparação.
O controlo dos efeitos do vento é, portanto, uma questão de segurança, de sustentabilidade e de controlo económico do projeto.
CFD: uma ferramenta de engenharia avançada para a gestão do risco eólico
A simulação numérica de fluxos (CFD) proporciona uma abordagem física realista da ação do vento, ultrapassando os limites dos métodos padrão simplificados. Fornece uma representação tridimensional, local e contínua dos fluxos de ar em torno dos edifícios, incorporando a geometria real do projeto e o seu ambiente imediato.
A CFD permite não só quantificar as forças, mas sobretudo compreender os mecanismos físicos subjacentes às tensões. Esta compreensão é crucial para orientar as escolhas de design, ajustar as formas arquitectónicas, posicionar equipamentos e definir soluções de construção adequadas.
Uma análise local e direcional das tensões
Ao contrário das abordagens baseadas nos coeficientes médios do Eurocódigo, o CFD permite :
- mapeia com precisão as pressões e depressões em todas as paredes,
- identificar as zonas de picos de pressão ligadas aos efeitos de canto e de aresta,
- analisa as acelerações locais do vento e as zonas de cisalhamento,
- caraterizar as interações aerodinâmicas entre edifícios vizinhos.
Esta abordagem local é particularmente relevante para edifícios altos, formas arquitectónicas não convencionais, projectos urbanos densos e locais sujeitos a ventos dominantes fortes.
Apoio à decisão integrado no processo de conceção
Quando o CFD é integrado na fase a montante, torna-se uma verdadeira ferramenta de projeto. Pode ser utilizado para comparar diferentes variantes (layout, massa, orientação, telas, corta-ventos), paraotimizar o dimensionamento dos elementos expostos e para justificar tecnicamente as escolhas feitas perante as autoridades de inspeção e as seguradoras.
O feedback mostra que a integração precoce do CFD reduz significativamente o risco de retrabalho subsequente e os custos adicionais associados.
Um quadro de normas controladas: integração rigorosa do Eurocódigo 1
Os estudos realizados pela EOLIOS inscrevem-se estritamente no quadro normativo doEurocódigo 1 – Acções do Vento (NF EN 1991-1-4) e do seu Anexo Nacional. Este documento constitui uma ferramenta essencial para a conceção de edifícios resistentes ao vento.
A DFC não é utilizada aqui como alternativa às normas, mas como um instrumento complementar, coerente e justificável.
Caraterísticas do terreno
O quadro seguinte, retirado do anexo nacional do Eurocódigo, apresenta os valores de z0(altura da rugosidade aparente) em função da natureza do local. No âmbito dos estudos urbanos, a rugosidade imposta para os cálculos corresponde a uma rugosidade urbana de tipo IV.
Esta rugosidade condiciona diretamente o perfil da velocidade do vento, um elemento fundamental na definição das condições de entrada para o modelo CFD.
Definição da velocidade de referência
A velocidade de base vb,0 corresponde a um fenómeno de vento extremo mas raro (período médio de retorno de cerca de 50). Esta velocidade é definida durante um período de 10 minutos a 10 m acima do solo numa zona de campo aberto. Depende, portanto, da zona geográfica e é, por conseguinte, definida pela zonagem do Eurocódigo.
A velocidade de base vb,0 pode ser corrigida de acordo com o contexto específico do projeto, utilizando 2 coeficientes representativos para constituir a velocidade de referência vb:
- O coeficiente de direçãocdir: tem em conta o facto de os ventos mais fortes nem sempre soprarem na direção mais desfavorável. Por outras palavras, permite reduzir a velocidade de referência quando as direcções críticas do vento são improváveis.
- Coeficiente de estação cseason: Tem em conta o facto de os ventos extremos não ocorrerem regularmente ao longo do ano. Para estruturas permanentes, o coeficiente mantém um valor de 1 (máximo). Por outro lado, para estruturas temporárias, como andaimes, o coeficiente pode assumir um valor mais baixo.
A velocidade de referência pode, portanto, ser corrigida da seguinte forma:
Vb =cdir x cseason x vb,0
Coeficiente orográfico c0 (z)
O coeficiente orográfico tem em conta ainfluência do relevo do terreno (colinas, cumes, escarpas) na velocidade do vento. Os efeitos da orografia podem ser negligenciados se a inclinação média do terreno em relação ao vento for inferior a 3°, caso em queco(z)=1.
Coeficiente de rugosidade cr (z)
O coeficiente de rugosidadeCr(z) é um coeficiente que tem em conta a rugosidade aparente do terreno (edifícios, árvores, cidades) para calcular a variação média da velocidade em função da altitude. Obtém-se a partir de uma equação com os parâmetros :
- z0 o comprimento de rugosidade para a categoria de solo utilizada
- zmin o limite inferior de validade do aspeto logarítmico do coeficiente de rugosidade
- zmax a altura máxima da zona de estudo
- kr o fator terreno
O coeficiente de rugosidade é então regido pela seguinte equação :
Cr(z) = kr*ln(z/z0) para zmin ≤ z ≤ zmax
Cr(z) =Cr(zmin) para z ≤ zmin
Velocidade média
A velocidade média Vm(z) tem em conta a velocidade de referência Vb e os parâmetros de rugosidade aparente associados a um terreno de categoria IV. É calculada de acordo com o Eurocódigo, utilizando a seguinte fórmula:
Vm (z) = Vb *Cr(z) *Co(z)
Através da iteração desta equação, é possível obter um perfil logarítmico da velocidade.
Ventos tempestuosos
Uma vez determinado o perfil da velocidade média do vento, é possível calcular o perfil da velocidade máxima das rajadas para o projeto. Este perfil tem em conta aintensidade turbulenta e a variabilidade temporal do vento. Este perfil é obtido através da seguinte fórmula:
Vr(z) = sqrt[1+7*kl/ln(z/z0)]*Vm(z)
Onde z é a altura, z0 é o comprimento de rugosidade para a categoria de terreno em consideração, kl é o coeficiente de turbulência para a categoria de terreno em consideração e Vm(z) é a velocidade média determinada acima.
Produz então um segundo perfil de velocidade. Este será utilizado comoentrada no domínio para futuras simulações.
Modelação CFD: uma abordagem robusta e controlada
Reconstrução do ambiente construído
A área de estudo é modelada num perímetro suficiente para garantir o desenvolvimento completo dos fluxos. Os edifícios circundantes são incluídos para captar os efeitos de mascaramento, canalização e interação aerodinâmica.
As simplificações geométricas são efectuadas de forma controlada, a fim de preservar os mecanismos físicos, assegurando simultaneamente a estabilidade numérica dos cálculos.
Modelação da camada limite atmosférica
O vento pode ser descrito pela noção de camada limite atmosférica, que se divide em 3 subcamadas:
- A camada exterior, ou subcamada inercial, tem cerca de um quilómetro de espessura (variando de 0,5 a 3 km).
- A camada limite superficial, com 10 a 100 m de espessura. Representa cerca de 10% da espessura da camada limite atmosférica. É onde existe um gradiente significativo na velocidade do vento e na temperatura. A direção do vento mantém-se relativamente constante com a altura.
- A subcamada rugosa, com alguns metros de espessura. Os fluxos aqui são tridimensionais, desordenados e fortemente afectados por obstáculos.
No solo, o vento é abrandado por obstáculos e pela rugosidade do terreno. Acima do solo, nas camadas de vento geostróficas não perturbadas (cerca de 5 km de altura), o vento já não é influenciado pelo estado da superfície terrestre. Entre estas duas camadas, a velocidade do vento varia com a altitude acima do solo, seguindo um perfil logarítmico. Este fenómeno é conhecido como cisalhamento vertical do vento.
Análise direcional multi-caso
As simulações são efectuadas para as oito direcções principais da rosa dos ventos, correspondentes a uma rajada de vento extrema segundo o Eurocódigo 1. Esta abordagem multi-caso permite identificar as orientações mais penalizadoras e caraterizar os efeitos direcionais do local.
Os valores das direcções intermédias (NNE, NEE, SEE, etc.) podem ser estimados por interpolação linear das direcções simuladas mais próximas.
Utilização avançada dos resultados e validação
Análise física e interpretação de peritos
Para além dos resultados, a competência da EOLIOS reside na interpretação física dos fluxos. As simulações permitem identificar com precisão a origem dos picos de pressão, compreender os seus mecanismos (stalling, interação vórtice/estrutura, canalização) e propor alavancas de otimização.
Os resultados incluem:
- mapas de pressão e coeficientes de pressão,
- análises direcionais comparativas,
- identificação de áreas críticas,
- recomendações de conceção.
O CFD permite a análise detalhada de dados para geometrias simples e complexas, e a identificação tridimensional de tensões e efeitos no local.
Referência cruzada com a abordagem analítica do Eurocódigo
A fim de validar os cálculos efectuados. É possível efetuar cálculos analíticos de acordo com o Eurocódigo em geometrias muito simplificadas, a fim de fornecer uma ordem de grandeza das dimensões.
De facto, é possível calcular uma estimativa da pressão dinâmica de pico através do Eurocódigo, o que permitirá estabelecer valores médios de pressão aerodinâmica nas faces, associando a pressão dinâmica de pico aos coeficientes de pressão normalizados específicos para as diferentes faces dos edifícios, disponíveis nos ábacos do Eurocódigo.
A pressão dinâmica de pico pode ser calculada através da seguinte fórmula:
qp(z) = [1 + 7 *Iv(z)] * 0,5 * ρ * vm(z)2
Além disso, para h> 2b onde h é a altura da torre e b é o comprimento da sua base na direção perpendicular do vento, qp(z)=qp(h) é assumido para h-b < z < h. Segue-se, então, para z > h-b:
qp = [1 + 7 *Iv(h)] * 0,5 * ρ * vm(h)2
O coeficiente de pressão varia em função da dimensão da superfície considerada. O seu valor máximo é cpe,1, o coeficiente de pressão para uma superfície A<1m2, o que, na prática, permite calcular pequenos elementos de fixação.
As tabelas do Eurocódigo fornecem estes coeficientes de pressão em função da geometria encontrada.
Finalmente, a pressão média máxima sobre 1m2 é determinada utilizando a seguinte fórmula: P = qp*cpe.
Experiência ao serviço de projectos controlados
Combinando um conhecimento detalhado dos requisitos das normas, um conhecimento avançado de CFD e a capacidade de interpretar fisicamente os resultados, a EOLIOS ajuda os seus clientes a garantir e otimizar os seus projectos face aos riscos relacionados com o vento.
A CFD torna-se assim uma ferramenta estratégica para a redução dos riscos, a justificação técnica e o controlo económico, ao serviço de edifícios seguros, sustentáveis e de elevado desempenho.
Porquê complementar o Eurocódigo com um estudo CFD?
O Eurocódigo 1 fornece um quadro normativo indispensável para a avaliação das acções do vento, baseado em geometrias idealizadas e coeficientes globais. Garante a conformidade regulamentar, mas atinge os seus limites assim que o projeto se insere num contexto real complexo.
A simulação CFD permite ultrapassar estes limites, integrando :
- a geometria real do edifício (formas complexas, reentrâncias, ângulos, telhados atípicos),
- oambiente urbano e os efeitos no local (edifícios vizinhos, máscaras, cânions urbanos, efeitos Venturi),
- uma análise local e direcional das tensões, destacando os picos de pressão e as zonas críticas,
- consideração pormenorizada da turbulência e das rajadas de vento, essencial para a conceção de elementos sensíveis.
Combinado com o Eurocódigo, o CFD torna-se uma ferramenta de engenharia para a tomada de decisões, permitindo assegurar as escolhas de projeto, justificar tecnicamente os pressupostos de dimensionamento e limitar os riscos de sub-dimensionamento local ou de excesso de conservadorismo.
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