Impacto do vento num edifício de grande altura
Impacto do vento num edifício de grande altura
Ano
2026
Cliente
LA CAENNAISE
Localização
Caen, França
Tipologia
Ar e vento
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Impacto do vento num edifício de grande altura: Torre CASCADES em Caen
CFD: Uma ferramenta para resolver problemas de dimensionamento do vento
No âmbito da construção de uma nova torre em Caen, a EOLIOS efectuou um estudo completo de CFD para analisar os efeitos do vento num meio urbano denso, em termos de velocidades e pressões. A abordagem combina a análise meteorológica do Eurocódigo, os dados da ASHRAE e as simulações numéricas multidireccionais, para garantir a segurança e o conforto dos futuros utilizadores.
A EOLIOS é líder na simulação CFD externa de problemas de vento. Os nossos estudos baseiam-se no feedback de campanhas de medição em condições reais e numa centena de locais simulados em todo o mundo.
Estudo das cargas de vento: quadro e ferramentas de simulação
Contexto e objetivo de um estudo numérico de ventos extremos
A torre CASCADES é um edifício de grande altura situado em Caen (departamento de Calvados). No âmbito da sua construção, foi essencial efetuar uma análise detalhada da influência do vento sobre a estrutura e o seu ambiente imediato. Os resultados deste estudo constituem uma etapa essencial para garantir o desempenho, a segurança e a durabilidade da estrutura face ao vento.
Os principais objectivos da missão eram os seguintes:
- Identifica as condições de vento mais desfavoráveis a que o local pode estar sujeito
- Caracteriza os efeitos no local gerados pela forma do edifício e das estruturas vizinhas;
- Mapeamento das velocidades do ar em torno da torre para oito direcções principais
- Determina as pressões exercidas em todas as paredes da torre (fachadas, janelas, mosaicos, mastros)
- Identifica as zonas de risco e as pressões máximas atingidas
- Avaliação do conforto do vento em terraços em condições de vento médio
Porquê utilizar CFD para estudar o impacto do vento numa torre?
A Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) resolve numericamente as equações diferenciais parciais que regem os fluxos de fluidos. Aplicada aos edifícios, fornece informações precisas sobre as velocidades do ar, as pressões e os fenómenos aerodinâmicos que ocorrem em torno e no interior das estruturas, mesmo em estruturas complexas e tendo em conta o ambiente.
Um modelo 3D especificamente adaptado à resolução digital foi realizado a partir de planos fornecidos pelo cliente e de imagens de satélite. A geometria inclui a torre CASCADES, bem como todos os edifícios circundantes susceptíveis de gerar máscaras aerodinâmicas significativas. Os pormenores geométricos com pouco impacto aerodinâmico são deliberadamente simplificados, a fim de concentrar o poder de cálculo nas áreas de interesse.
Origens e caraterização dos ventos no local
Perfil do vento utilizado para as simulações
O vento observado ao nível do solo é fortemente influenciado pela estrutura vertical da camada limite atmosférica, que se divide em três subcamadas distintas: a subcamada rugosa (alguns metros), a camada limite superficial (10 a 100 m), onde existem fortes gradientes de velocidade, e a camada exterior ou subcamada inercial (até ~1 km), que é pouco afetada pela topografia. A velocidade do vento aumenta com a altitude de acordo com um perfil logarítmico – um fenómeno conhecido como cisalhamento vertical – que está no centro de toda a modelação CFD de locais urbanos.
Cálculo das velocidades extremas do vento durante um período de 50 anos utilizando a norma EUROCODE
As velocidades extremas do vento durante um período de retorno de 50 anos foram determinadas em conformidade com a norma Eurocódigo NF EN 1991-1-4, referência regulamentar para o cálculo das acções do vento sobre as estruturas. Esta abordagem baseia-se na utilização de velocidades de vento de referência definidas à escala nacional, corrigidas em função das caraterísticas locais do sítio: rugosidade do terreno, topografia, altitude e categoria do terreno circundante. Os cálculos permitem obter as velocidades de vento de projeto associadas a um acontecimento meteorológico raro, estatisticamente representativo do tempo de vida da estrutura. Estas velocidades extremas constituem os dados de entrada para as simulações CFD e são utilizadas para conceber as fachadas expostas, os elementos de cobertura e os equipamentos, a fim de garantir a estabilidade e a segurança da torre face aos esforços aerodinâmicos mais severos.
Resultados de estudos numéricos de ventos extremos: Pressões e velocidades
Velocidades do vento, rajadas e efeitos no local
A análise multidirecional evidenciou vários fenómenos aerodinâmicos significativos em torno da torre:
- Aceleração dosbordos:os bordos verticais da torre geram sobrevelocidades localizadas e vórtices turbulentos em todas as direcções do vento.
- Efeito Venturi:a oeste, um corredor formado por edifícios a montante canaliza o fluxo, amplificando significativamente as velocidades e gerando a pressão máxima observada nos mosaicos da fachada.
- Exposição direta:a leste, a ausência de edifícios a montante expõe diretamente a torre ao vento incidente, o que provoca as pressões mais elevadas nos mastros.
- Zonas de proteção: para certas orientações, a presença de edifícios circundantes gera zonas de recirculação que protegem parcialmente a torre da tensão máxima.
A parte inferior da torre beneficia do abrigo proporcionado pelos edifícios circundantes; pelo contrário, os níveis superiores – que se estendem para além do tecido urbano – estão diretamente expostos ao vento incidente, gerando tensões máximas nas fachadas e nos elementos da cobertura.
Estudo das pressões sobre muros e zonas sensíveis
As simulações CFD foram utilizadas para determinar os campos de pressão exercidos pelo vento em todas as superfícies da torre para as diferentes direcções estudadas. Para cada elemento da fachada, foram calculadas as pressões mínimas e máximas, a fim de identificar as cargas extremas susceptíveis de ocorrer durante a fase de funcionamento ou durante eventos de vento severos. Esta abordagem fornece uma envolvente completa das cargas aerodinâmicas aplicadas à estrutura e aos elementos anexos.
Os resultados evidenciam a coexistência de pressões positivas e negativas em função da orientação das fachadas e da dinâmica local do escoamento. As pressões positivas correspondem a zonas de impacto direto do vento sobre a fachada: o fluxo comprime as superfícies e aplica uma força dirigida para o interior do edifício. Inversamente, as pressões negativas reflectem um fenómeno de sucção gerado por separações de fluxo e zonas de recirculação; as forças são então dirigidas para o exterior da estrutura. Esta distinção é particularmente importante no dimensionamento dos elementos de fachada e dos sistemas de fixação, uma vez que alguns componentes são mais sensíveis aos fenómenos de arrancamento do que às forças de compressão.
Assim, foi efectuado um zooming local sobre as zonas consideradas sensíveis no projeto, a fim de obter uma leitura detalhada das tensões aerodinâmicas. Foram efectuadas análises específicas sobre colunas de iluminação, mosaicos de fachada, janelas e guarda-corpos, a fim de caraterizar com precisão os níveis de pressão atingidos e orientar a conceção dos elementos expostos.
Comparação dos resultados numéricos com os valores de origem
A comparação entre os resultados do CFD e os valores analíticos da norma Eurocódigo (NF EN 1991-1-4) num caso simplificado (sem edifícios circundantes, vento de frente) confirma uma boa coerência entre as duas abordagens. As pressões obtidas por simulação numérica estão contidas na gama de pressões calculadas de acordo com a norma, sendo esta última mais conservadora – o que valida a pertinência do dimensionamento regulamentar para a resistência às cargas de vento nos elementos de fachada.
Análise CFD do vento em altura: resumo dos resultados e contributos
Assegurar o conforto dos ocupantes em altura
A comparação entre os resultados do CFD e os valores analíticos da norma Eurocódigo (NF EN 1991-1-4) num caso simplificado (sem edifícios circundantes, vento de frente) confirma uma boa coerência entre as duas abordagens. As pressões obtidas por simulação numérica estão contidas na gama de pressões calculadas de acordo com a norma, sendo esta última mais conservadora – o que valida a pertinência do dimensionamento regulamentar para a resistência às cargas de vento nos elementos de fachada.
O estudo de conforto é efectuado para a velocidade média anual do vento dominante, cenário mais representativo das condições de utilização dos terraços (verão, meia estação). Os campos de velocidade para cada nível de terraço permitem identificar :
- Zonas de conforto ideal, protegidas por elementos arquitectónicos
- Zonas de aceleração locais a ter em conta na conceção (grades, quebra-ventos)
- Os terraços expostos requerem recomendações específicas
Interpretação do conforto eólico segundo a escala de Beaufort (edifícios altos e terraços)
A análise das velocidades do vento nos diferentes terraços é interpretada com base na escala de Beaufort, uma referência internacional para relacionar as velocidades de escoamento com os efeitos sentidos pelos utilizadores. Esta escala, que varia de 0 a 12 níveis, permite avaliar qualitativa e quantitativamente a intensidade do vento, desde condições de calma total até ventos fortes que podem limitar ou mesmo proibir certas actividades ao ar livre.
No contexto de um edifício de grande altura, esta leitura é particularmente pertinente porque permite traduzir os resultados do CFD em critérios de conforto que podem ser utilizados diretamente pelas equipas de conceção e de arquitetura. As zonas identificadas como estando abaixo dos limiares de desconforto correspondem geralmente a espaços de fácil utilização pelos utilizadores, enquanto os níveis mais elevados da escala (Beaufort 5 e superiores) reflectem condições potencialmente desconfortáveis que exigem dispositivos de proteção ou uma reconfiguração das utilizações.
Otimização do conforto aeráulico e recomendações de conceção para os terraços IGH
Para além da simples identificação das zonas de conforto, o estudo CFD fornece orientações sobre os princípios de conceção e de atenuação destinados a melhorar o comportamento aeroeléctrico dos terraços. A análise dos campos de velocidade destaca as zonas de aceleração associadas às saliências do telhado, aos cantos das torres e às descontinuidades geométricas.
Para melhorar o conforto dos utilizadores, podem ser consideradas várias alavancas de conceção: instalação de grades sólidas ou semipermeáveis, adição de corta-ventos arquitectónicos, criação de volumes tampão ou otimização da disposição do mobiliário e dos percursos. Estas medidas reduzem localmente a velocidade do vento e limitam a turbulência, melhorando significativamente o conforto de utilização dos terraços em condições médias anuais de vento. Esta abordagem integrada entre a simulação numérica e as recomendações arquitectónicas garante um equilíbrio entre o desempenho aerodinâmico, a segurança dos utilizadores e a qualidade das utilizações exteriores em altura.
Análise CFD do vento em altura: resumo dos resultados e contributos
Utilizar CFD para compreender os efeitos do vento num edifício de grande altura
O estudo CFD efectuado na torre CASCADES evidenciou os principais comportamentos aerodinâmicos do local, em particular as acelerações locais, os efeitos de canalização, as zonas de recirculação e a elevada exposição no topo da estrutura. Esta abordagem numérica permite uma análise detalhada, espacializada e multidirecional das velocidades e pressões, muito mais pormenorizada do que uma abordagem puramente analítica.
Ao contrário dos métodos do Eurocódigo, que são deliberadamente envelopados e simplificados, o CFD tem em conta a geometria real do projeto e do seu ambiente construído, permitindo uma melhor representação dos efeitos do local e das concentrações locais de tensão. Trata-se, portanto, de uma ferramenta complementar essencial, que permite uma compreensão mais realista e operacional das acções do vento em edifícios altos.
Reduzir o incómodo do vento nos edifícios: os benefícios do CFD e aplicações
Os estudos CFD deste tipo fazem parte da prática corrente aplicada a edifícios altos e a ambientes urbanos complexos, onde são utilizados para o dimensionamento de fachadas, a otimização de elementos expostos e a análise do conforto exterior. São particularmente relevantes quando as abordagens analíticas atingem os seus limites devido à complexidade geométrica e às interações urbanas, oferecendo uma representação tridimensional mais fiel dos fluxos. Estas ferramentas podem ser alargadas a outras questões, como o conforto térmico exterior, a dispersão de poluentes e a otimização energética à escala urbana, confirmando o seu papel crescente na conceção integrada de projectos arquitectónicos e urbanos.
Resumo em vídeo do estudo
Resumo do estudo
No âmbito da construção de uma nova torre em Caen, a EOLIOS efectuou um estudo completo de CFD para analisar os efeitos do vento num meio urbano denso, em termos de velocidades e pressões. A abordagem combina a análise meteorológica do Eurocódigo, os dados da ASHRAE e as simulações numéricas multidireccionais, para garantir a segurança e o conforto dos futuros utilizadores.
Resumo em vídeo da missão
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