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Projeto e Dimensionamento de Estruturas metálicas e mistas de aço e concreto Projeto e Dimensionamento de Estruturas metálicas e mistas de aço e concreto MÓDULO 1 Projeto e dimensionamento de estruturas metálicas em perfis soldados e laminados Ação do Vento nas Estruturas segundo a NBR - 6123/1988 Ação do Vento nas Estruturas segundo a NBR - 6123/1988 Vento Movimento das massas de ar, decorrente das diferenças de pressões na atmosfera. Produz forças nas edificações que causam esforços nos seus elementos vento caráter aleatório Direção Duração Intensidade Ação do VentoAção do Vento Introdução Ação do Vento nas Edificações Aspectos Meteorológicos Aspectos Aerodinâmicos Velocidade do Vento Forma da Edificação Ação do VentoAção do Vento Introdução Característica mais importante para determinação das forças devidas ao vento nas estruturas Velocidade básica Velocidade de referência Medida do vento natural em estações meteorológicas Isopletas Medida em terreno plano sem obstáculo a 10m de altura Velocidade característica Velocidade nas proximidades da estrutura É influenciada pelas característica da estrutura e da vizinhança Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Is o p le ta s d a V el o ci d a d e B á si ca Velocidade Característica Fatores intervenientes • Local da edificação (Fortaleza, São Paulo, Porto Alegre etc.) • Dimensões da edificação • Tipo de terreno (plano, aclive, morro, etc.) • Rugosidade do terreno (tipo e altura dos obstáculos à passagem do vento) • Tipo de ocupação da edificação Vk = Vo . S1 . S2 . S3 Vo = Velocidade Básica S1 = Fator Topográfico S2 = Fator Rugosidade do Terreno S3 = Fator Estatístico Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Velocidade Característica Fator Topográfico (S1) • Considera os efeitos das variações do relevo do terreno onde a edificação será construída. – Considera o aumento ou a diminuição da velocidade básica devida a topografia do terreno. – Considera a aproximação ou o afastamento das linhas de fluxo do vento. • A NBR 6123 considera basicamente três situações: Terrenos Planos Vales Protegidos Morros e Taludes S1 = 1,0 S1 = 0,9 S1 = variável Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Velocidade Característica Fator Topográfico (S1) d z d 1 o 1 3o 45 o S (z) 1,0 (2,5 z ) 0,31 1 )tg( 3 ) 1S ( z ) 1,0 (2,5 17o S1( z) 1,0 3 o Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Velocidade Característica Fator de Rugosidade do Terreno (S2) • Considera as particularidades da edificação: – Rugosidade média do terreno - obstáculos – Dimensões da edificação – Altura em ralação ao solo Rugosidade do terreno • A NBR 6123 cinco categorias de terreno – Categoria I – Categoria II – Categoria III – Categoria IV – Categoria V Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Velocidade Característica Fator de Rugosidade do Terreno (S2) Categorias de terreno Categoria I Superfícies lisas de grandes dimensões, com mais de 5 km de extensão, medida em direção e sentido do vento incidente Categoria II • Terrenos abertos em nível ou aproximadamente em nível, com poucos obstáculos isolados, tais como árvores e edificações baixas. Exemplos: zonas costeiras planas, pântanos com vegetação rala, campos de aviação,fazendas sem sebes ou muros • A cota média dos obstáculos é considerada inferior ou igual a 1,0 m Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Velocidade Característica Fator de Rugosidade do Terreno (S2) Categorias de terreno Categoria III • Terrenos planos ou ondulados com obstáculos, tais como sebes e muros, poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esparsas. • Exemplos:casas de campo e fazendas, subúrbios a considerável distância do centro Categoria IV • Terrenos cobertos por obstáculos numerosos e poucos espaçados, em zona florestal, industrial ou urbanizada. • Exemplos: zonas de parques e bosques com muitas árvores, cidades pequenas e seus arredores, subúrbios densamente construídos, áreas industriais plena ou parcialmente desenvolvidas • A cota média dos obstáculos é considerada igual a 10 m Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Velocidade Característica Fator de Rugosidade do Terreno (S2) Categorias de terreno Categoria V • Terrenos cobertos por obstáculos numerosos, grandes, altos e poucos espaçados. • Exemplos: – florestas com árvores altas – centros de grandes cidades – complexos industriais bem desenvolvidos • A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual ou superior a 25 m. Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Velocidade Característica Fator de Rugosidade do Terreno (S2) Dimensões da Edificação • Estão diretamente relacionadas com o turbilhão que deverá envolver toda a edificação. – Quanto maior for a edificação maior deverá ser a rajada para envolvê-la e menor será a velocidade média. • A norma define três classes de edificações – Classe A – Classe B – Classe C Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Classes da Edificação Velocidade Característica Fator de Rugosidade do Terreno (S2) Classe A: todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e peças individuais de estruturas sem vedações. Toda edificação ou parte dela na qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal não exceda 20m. Classe B: toda edificação ou parte dela para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal esteja entre 20 e 50m. Classe C: toda edificação ou parte dela para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal exceda 50m. Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Fator de Rugosidade do Terreno (S2) Z (m) Categoria I II III IV V Classe Classe Classe Classe Classe A B C A B C A B C A B C A B C 5 1,06 1,04 1,01 0,94 0,92 0,89 0,88 0,86 0,82 0,79 0,76 0,73 0,74 0,72 0,67 10 1,10 1,09 1,06 1,00 0,98 0,95 0,94 0,92 0,88 0,86 0,83 0,80 0,74 0,72 0,67 15 1,13 1,12 1,09 1,04 1,02 0,99 0,98 0,96 0,93 0,90 0,88 0,84 0,79 0,76 0,72 20 1,15 1,14 1,12 1,06 1,04 1,02 1,01 0,99 0,96 0,93 0,91 0,88 0,82 0,80 0,76 30 1,17 1,17 1,15 1,10 1,08 1,06 1,05 1,03 1,00 0,98 0,96 0,93 0,87 0,85 0,82 40 1,20 1,19 1,17 1,13 1,11 1,09 1,08 1,06 1,04 1,01 0,99 0,96 0,91 0,89 0,86 50 1,21 1,21 1,19 1,15 1,13 1,12 1,10 1,09 1,06 1,04 1,02 0,99 0,94 0,93 0,89 60 1,22 1,22 1,21 1,16 1,15 1,14 1,12 1,11 1,09 1,07 1,04 1,02 0,97 0,95 0,92 Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Fator de Rugosidade do Terreno (S2) Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento • z = altura acima do terreno • Fr = fator de rajada (sempre categoria II – classe b) • b = parâmetro da classe da edificação • p = parâmetro meteorológico Categoria zg (m) Parâmetro Classes A B C I 250 b p 1,10 0,06 1,11 0,065 1,12 0,07 II 300 b F p 1,00 1,00 0,085 1,00 0,98 0,09 1,00 0,95 0,10 III 350 b p 0,94 0,10 0,94 0,105 0,93 0,115 IV 420 b p 0,86 0,12 0,85 0,125 0,84 0,135 V 500 b p 0,74 0,15 0,73 0,16 0,71 0,175 z p 10 S2 b Fr Velocidade Característica Fator Estatístico (S3) • Está relacionado com a segurança da edificação – conceitos probabilísticos – tipo de ocupação da edificação • A NBR 6123 estabelece como vida útil da edificação o período de 50 anos e uma probabilidade de 63% da velocidade básica ser excedida pelo menos um vez neste período. Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Determinação do Fator Estatístico (S3) GRUPO DESCRIÇÃO S3 1 Edificação cuja ruína total ou parcial pode afetar a segurança ou possibilidade de socorro a pessoas após uma tempestade destrutiva (hospitais, quartéis de bombeiros e de forças de segurança, centrais de comunicação, etc.). 1,10 2 Edificações para hotéis e residências. Edificações para comércio e indústria com alto fator de ocupação. 1,00 3 Edificaçõese instalações industriais com baixo fator de ocupação (depósitos, silos, construções rurais, etc.) 0,95 4 Vedações (telhas, vidros, painéis de vedação, etc.). 0,88 5 Edificações temporárias. Estruturas dos Grupos 1 a 3 durante a construção. 0,83 Ação do VentoAção do Vento Velocidade do vento Pressão obstrução Teorema da Conservação da Massa - Mecânica dos fluidos Fluído Incompreensível Regime de Escoamento Permanente Teorema da conservação de massa e Teorema de Bernoulli 2 1 V 2 P gz const. V1 A1 1 Seção 1 V2 A2 2 Seção 2 1A1V1 2A2V2 A soma das pressões estática e piezométrica é constante Ação do VentoAção do Vento Pressão estática do vento 2V =0 P=P2 V=V3 P=P3 V=Vk P=P1 (1) (2) (3) Aplicando o teorema de Bernoulli entre os pontos (1) e (2) e desprezando-se a pressão piezométrica 12 2 2 2 1 2 22 1 1 1 2 11 (0) P P V PV P 2 1 2 k2 1 P qP P P V 1,226Ns2 /m4 (N /m2 ) k q 0,613V 2 Sólido (1) (2) (3) Perpendicular a superfície Ação do VentoAção do Vento Pressão estática do vento Coeficiente de Pressão externa Cpe V2=0 P=P2 V=V3 P=P3 V=Vk P=P1 (1) (2) (3) Aplicando o teorema de Bernoulli entre os pontos (1) e (3) e desprezando-se a pressão piezométrica 2 3 2 k2 2 3 3 3 2 k 1 2 1 2 1 2 2 1 1 VP VV P PV P Sólido (1) (2) (3) 3 2 2 3 2 2 1 KV V P P 2 K K V V2 2 1 P V2 13 2 K V V2 P q13 pe 2 KV V2 C 13 P Cpe q Perpendicular a superfície Sobrepressão ou sucção Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de pressão Coeficiente de Pressão externa Cpe Variação ponto a ponto do Cpe Valores médios Ce (Coef. De Forma) Ensaios -Túnel de vento Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de pressão Coeficientes de pressão externa para paredes de edificações de planta retangular- NBR 6118 Vento 0o A3 e B3 a/b =1 : mesmo de A2 e B2 a/b >2 : Ce = - 0,2 1 <a/b<2 : interpolar Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de pressão Coeficientes de pressão externa para telhados duas águas de edificações de planta retangular – NBR 6118 Vento 0oo em I e J a/b =1 : mesmo de F e H a/b =2 : Ce = - 0,2 Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de pressão E se tiver aberturas ? Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de pressão Coeficientes de pressão interna - Cpi Q KAv 2 Pe Pi v Sobrepressão interna Cpi>0 Sucção interna Cpi<0 Determinado em função da permeabilidade da edificação vazão Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de pressão Coeficientes de pressão interna - Cpi Permeabilidade da edificação Elementos impermeáveis índice de permeabilidade Abertura dominante Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de pressão superfície A I p Aaberturas Abertura com área igual ou maior a soma dasdemais. Coeficientes de pressão interna - Cpi 1Duas faces opostas permeáveis e a demais impermeáveis Vento perpendicular a face permeável............Cpi = +0,2 Vento perpendicular a face impermeável............Cpi = - 0,3 2 Quatro faces igualmente permeáveis Cpi = -0,3 ou Cpi = 0 ( usar o mais nocivo) 3Abertura dominante em uma das faces e as demais com igual permeabilidade 3.1 Abertura dominante a barlavento 3.2Abertura dominante a sotavento 3.3 Abertura dominante paralela ao vento Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de pressão Coeficientes de pressão interna - Cpi 3 Abertura dominante em uma das faces e as demais com igual permeabilidade 3.1 Abertura dominante a barlavento – determinado em função da relação entre a área da abertura dominante (Aad) e a soma das aberturas succionadas nas outras faces (Aas). Valores de Cpi – abertura dominante a barlavento Aad/Aas Cpi 1,0 +0,1 1,5 +0,3 1,0 +0,5 3,0 +0,6 6,0 +0,8 Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de pressão Coeficientes de pressão interna - Cpi 3Abertura dominante em uma das faces e as demais com igual permeabilidade 2. Abertura dominante a sotavento – igual ao Ce da facede sotavento que contém a abertura 3. Abertura dominante paralela ao vento Valores de Cpi – abert Em área de alta sucçã Aad/Aase(total) ura dominante a sotavento o externa Cpi 0,25 -0,4 0,5 -0,5 0,75 -0,6 1,0 -0,7 1,5 -0,8 >3 -0,9 Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de pressão P Pe Pi P C pe Cpi q Força resultante O efeito do vento nas varias partes de uma edificação depende de sua forma geométrica, ou seja, da sua aerodinâmica Os coeficientes aerodinâmicos variam ponto a ponto nas estruturas e podem ser determinados em ensaios de túnel de vento a NBR 6123 adota valores médios Pressão em uma superfície da estrutura Cpe - Coeficiente de pressão externo Cpi - Coeficiente de pressão interno (função das aberturas) Ação do VentoAção do Vento Força do Vento eFa CaqA Coeficientes de arrasto Força global do vento sobre uma edificação (Força de arrasto) onde q : pressão de obstrução Ae : área da superfície na qualo vento atua Ca : coeficiente dearrasto Corpos de seção constante ou fracamente variável Planta retangular Vento perpendicular as fachadas Aplicação prática Ação do vento em edifícios de andares múltiplos Torres Estruturas isoladas Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de Arrasto Determinação do Ca vento não turbulento Dimensões da edificação Regime de escoamento do vento Turbulento Não Turbulento Vento não turbulento Ausência de obstruções Campos abertos e planos Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de Arrasto Vento turbulento Grandes cidades categorias IV e V Função dos obstáculos na vizinhança da estrutura Determinação do Ca vento turbulento Condições para vento turbulento Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de Arrasto O regime do vento para uma edificação pode ser considerado de alta turbulência quando sua altura não não excede a duas vezes a altura média das edificações da vizinhança estendendo-se estas, na direção do vento incidente a uma distância mínimade : • 500 m para edificação até 40 m de altura • 1000 m para edificação até 55 m de altura • 2000 m para edificação até 70 m de altura • 3000 m para edificação até 80 m de altura Condições para consideração de vento turbulento Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de Arrasto Excentricidade da força de arrasto Ação do VentoAção do Vento Coeficientes de Arrasto Edificações sem efeito de vizinhança Edificações com efeito de vizinhança ea 0,075a ea 0,15a eb 0,075b eb 0,15b ct a b ea eb Efeitos da excentricidade: Torção no edifício e necessidade de análise tridimensional Condições de vizinhança: Obstáculos naturais ou artificiais. Efeitos de difícil avaliação Exemplo de determinação de ação do vento em cobertura Exemplo de determinação de ação do vento em cobertura Ação do VentoAção do Vento Exemplos Dimensões da edificação Elevação lateral Elevação Frontal Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura Dimensões da edificação Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura • Dados gerais – Velocidade básica • São Carlos: v0=40m/s – Fator topográfico S1=1 • Terreno plano S1=1 – Fator de rugosidade do terreno S2 • Categoria IV – área industrial parcialmente desenvolvida • Classe A – vento longitudinal 0o (dimensão < 20m) • Classe B – vento transversal 900 (dimensão entre 20m e 50m) • Altura sobre o terreno h=6,65m Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura • Velocidade característica – Fator de rugosidade do terreno S2 h=6,65 Z (m) Categoria I II III IV V Classe Classe Classe Classe Classe A B C A B C A B C A B C A B C m 5 1,06 1,04 1,01 0,94 0,92 0,89 0,88 0,86 0,82 0,79 0,76 0,73 0,74 0,72 0,67 10 1,10 1,09 1,06 1,00 0,98 0,95 0,94 0,92 0,88 0,86 0,83 0,80 0,74 0,72 0,67 15 1,13 1,12 1,09 1,04 1,02 0,99 0,98 0,96 0,93 0,90 0,88 0,84 0,79 0,76 0,7220 1,15 1,14 1,12 1,06 1,04 1,02 1,01 0,99 0,96 0,93 0,91 0,88 0,82 0,80 0,76 30 1,17 1,17 1,15 1,10 1,08 1,06 1,05 1,03 1,00 0,98 0,96 0,93 0,87 0,85 0,82 40 1,20 1,19 1,17 1,13 1,11 1,09 1,08 1,06 1,04 1,01 0,99 0,96 0,91 0,89 0,86 S2=0,82 - vento 00 S2=0,79 – Vento 900 • Fator estatístico S3=1 (industria com alto fator de ocupação) Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura – Velocidade característica Vk Vk = Vo . S1 . S2 . S3 = 40 . 1 . 0,82 . 1 = 32,8m/s Vk = Vo . S1 . S2 . S3 = 40 . 1 . 0,79 . 1 = 31,6m/s Vento 00 Vento 900 – Pressão estática dovento q 0,613V2 (N/m 2 ) k (0,66kN/ m2 ) (0,61kN/ m2 ) 659N/ m2 612N/ m2 q 0,613 32,82 q 0,613 31,62 Vento 00 Vento 900 Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura – Coeficiente de pressão externa (Paredes) h 5 0,33 b 15 a 32 2,13 b 15 8,70 Vento 0o A3 e B3 a/b =1 : mesmo de A2 e B2 a/b >2 : Ce = - 0,2 1 <a/b<2 : interpolar Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura – Coeficientes de pressão externa (Paredes) Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura – Coeficiente de pressão externa (Cobertura) I e J a/b =1 : mesmo de F e H a/b =2 : Ce = - 0,2 b 15 8,70 h 5 0,33 b 15 a 32 2,13 6 Ações do vento6 Ações do vento Exemplo cobertura – Coeficientes de pressão externa (Cobertura) Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura • Ação do vento – Coeficientes de pressão interna – a) Quatro faces igualmente permeáveis • Cpi =-0,3 ou Cpi=0 (usar o mais nocivo) – b)abertura dominante a barlavento (vento 00) Aas Aad 1,5 Cpi 0,3 estimado Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura – Composição dos coeficientes de pressão +0,3 1 vento 0o com Cpi=-0,3 -0,5 -0,5 -0,5-0,5 2 vento 0o comCpi=0 -0,8 -0,8 -0,8-0,8 4 vento 0o com Cpi=+0,3 -1,1 -1,1 -1,1-1,10,10,1 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 3 vento 0o comCpi=-0,3 0,1 0,1 Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura – Composição dos coeficientes de pressão 6 vento 90o com Cpi=-0,35 vento 90o com Cpi=0 -0,82 -0,1 -0,2+1,0 -1,12 -0,4 -0,5+0,7 Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura – Composição dos coeficientes de pressão: Críticos +0,3 Vento 2 – vento 0o com Cpi=+0,3 -1,1 -1,1 -1,1-1,10,10,1 -0,2 -0,2 -0,2 -0,2 Vento 1 – vento 0o com Cpi=-0,3 0,1 0,1 Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura – Composição dos coeficientes de pressão: Críticos Vento 3 – vento 90o com Cpi=0 -1,12 -0,4 -0,5+0,7 Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura • Vento 1 vento 0o com Cpi=-0,3, q=0.66kN/m 0,4 0,4 0,4 0,4 0,2 0,45 0,4 0,4 0,4 0,4 0,2 0,26kN/m 0,1 0,1 -0,2 -0,2 -0,2 - 0,2 0,1 0,1 p (cpe cpi) q d portico dterça [0,2 (0,3)]0,66 4 1,5 0,40,26kN/m Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura • Vento 2 vento 0o com Cpi=+0,3 , q=0.66kN/m 4,35 4,35 4,35 5,0 2,18 4,35 4,35 4,35 4,35 4,35 2,18 +0,3 -1,1 -1,1 -1,1-1,1 Ação do VentoAção do Vento 2,9kN/m 2,9kN/m 54 Exemplo cobertura • Vento 3 vento 90o com Cpi=0 , q=0.61kN/m 4,0 4,0 4,0 2,0 3,2 1,47 1,47 1,47 0,73 4,0 1,47 1,22kN/m 1,71kN/m -1,12 -0,4 -0,5+0,7 Ação do VentoAção do Vento Exemplo cobertura 15m 3 0 m 5 0 m DV 1 DV 2 Velocidade básica: V0 = 45m/s Fator topográfico: S1= 1,0 (terreno plano) Fator estatístico: S3 = 1,0 (alto fator de ocupação) Fator de rugosidade do terreno S2 =? Classe da edificação: Classe B Categoria do terreno: categoria II Dividir a estrutura cinco em trechos com altura de 10m Ação do VentoAção do Vento Exemplo Edifícios 1 2 3 5 4 10m 20m 30m 40m 50m trecho H (m) S2 vk s1s2s3v0 (m/s) q 0,613V2 k (N/m2) 1 10 0,98 44,1 1192 2 20 1,04 46,8 1342 3 30 1,08 48,6 1447 4 40 1,11 49,95 1529 5 50 1,13 50,85 1585 Fator de rugosidade do terreno S2 Pressão de obstrução Ação do VentoAção do Vento Exemplo Edifícios h 50m Vento direção 1 l 1 30m l 2 15m 2 h 1,67 l 1l 2 l 1 Vento direção 2 0,5 l 1l 2 l 1 Ca =1,35 Ca =1,0 15m 3 0 m Coeficiente de arrasto baixa turbulência DV 2 DV 1 h 50ml 2 30m h 3,33 l 1 15m Ação do VentoAção do Vento Exemplo Edifícios Força de arrasto a=15m b = 3 0 mDV 1 Vento direção 1 DV 2 Fa CaqAe qa Caqb trecho q (kN/m2) b(m) qa (kN/m) 1 1,19 30 48,2 2 1,34 54,27 3 1,45 58,73 4 1,53 61,97 5 1,59 64,40 Distribuição da ação do vento (kN/m) 64,40 61,97 58,73 54,27 48,2 Ca =1,35 Ação do VentoAção do Vento Exemplo Edifícios Força de arrasto a=15m b = 3 0 mDV 1 Vento direção 2 DV 2 Fa CaqAe qa Caqa Distribuição da ação do vento (kN/m) 23,85 22,95 21,75 20,10 17,8 5 trecho q (kN/m2) b(m) qa (kN/m) 1 1,19 15 17,85 2 1,34 20,10 3 1,45 21,75 4 1,53 22,95 5 1,59 23,85 Ca =1,0 Ação do VentoAção do Vento Exemplo Edifícios
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