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SGAS Quadra 913 Conj. B - Asa Sul, Brasília – DF UNIVERSIDADE PAULISTA- UNIP BRASILIA ENGENHARIA CIVIL NOME: RA: TUTMA ABINADABY SOUSA NASCIMENTO B887904-7 EC7P30 APS 7º SEMESTRE: CODIGO DA MATÉRIA: (525X) TRABALHO DE CARGAS DE VENDO SOBRE UMA EDIFICAÇÃO 1 - Introdução Ao projetar de edificações os engenheiros buscam entender as interações ocorrentes na estrutura a qual vão ser trabalhadas, com o intuito de evitar futuros problemas na edificação. Sendo atendidas as solicitações da estrutura, pode ser projetada. A ação do vento em edificação é umas dessas principais forças que complementa nas solicitações da edificação. Em construções baixas e pesadas o vento não é um grande problema, quando se trata de arranha céus ou estruturas mais esbeltas, é uma das principais ações a ser determinada para o projeto da estrutura. A NBR 6123/1998 retificada em 2013 (Força devidas ao vento em edificações) que consiste suas regras e principais considerações para calcular as ações do vento. A NBR 6123/1998 retificada em 2013 (Força devida ao vento em edificações), fixa as condições exigíveis na consideração das forças devidas à ação estática e dinâmica do vento, para efeitos de cálculo de edificações. A referente norma diz em seu item 4 que as forças devida ao vento sobre uma edificação devem ser calculadas separadamente para: a) Elementos de vedação e suas fixações (telhas, vidros, esquadrias, painéis de vedações e etc.); b) Partes da estrutura (telhados, paredes, etc.); c) A estrutura como um todo. 2 - Considerações Os cálculos do seguinte trabalho foi executados já com a edificação amplamente pronta, dificultando assim os cálculos dos componentes ao item 4 da norma 2123/ 1993 retificada. Como a edificação citada nos cálculos é de instituição inteiramente privadas alguns dados não foram autorizados na complementação do referente trabalho. Para calcular as forças estática na edificação devido ao vento, a norma rotula um roteiro na qual é composta por: 2.1 - Velocidade básica (Vo) Sendo a velocidade de uma rajada de 3 segundos, excedida em média uma vez em 50 anos, a 10 m acima do terreno, em campo aberto e plano. Figura 1 - isopletas da velocidade básica Vo (m/s) Fonte: NBR 6123/1998 Retificada 2013. Sendo a velocidade básica do vento calculada com o fator topográfico S1, fatore rugosidade S2 e fator estatístico S3, que por sua vez irão da origem a velocidade característica Vk. Todos essas incógnitas darão origem a pressão dinâmica q, podendo ser determinada aparte da velocidade característica Vk. 2.2 - Velocidade Característica (Vk) A velocidade característica Vk, é a velocidade a ser considerada na determinação da pressão dinâmica exercida pelo vento. Ela representa a velocidade Vo, afetada por uma série de fatores, que consideram a variação topográfica, dimensões da edificação e estatística, sendo obtida pela equação NBR 6123/2013. Vk = Vo.S1.S2.S3 Onde: Vk = velocidade característica do vento (m/s); Vo = velocidade básica do vento (m/s); S1 = fator topográfico; S2 = fator de dimensão da edificação e rugosidade do terreno (varia com a altura da edificação); S3 = fator estatístico. 2.3 - Fator topográfico (S1) Segundo a Norma 6123/2013, o fator topográfico considera o relevo do terreno e suas variações. Para terreno plano ou fracamente acidentado, o valor de S1 = 1,0. Para taludes e morros alongados, nos quais se pode admitir um fluxo bidimensional utiliza - se a figura 3. No ponto A, em morros, e nos pontos A e C, em taludes: S1 = 1,0. No ponto B de morros e taludes o S1 é variável com a altura: para θ ≤ 3°: S1 = 1,0; 6° ≤ θ ≤ 17° o S1 é dado pela equação abaixo, devendo ser maior ou igual a 1: S1(z) = 1,0 + (2,5 – z/d) tg (θ – 3º) Onde: z = altura medida a partir da superfície do terreno no ponto considerado; d = diferença de nível entre a base e o topo do talude ou morro; θ = inclinação média do talude ou encosta do morro. Figura 2: Fator topográfico Fonte: NBR 6123/1998 Retificada 2013. Ainda segundo a Norma, para θ ≥ 45° o S1 é dado pela formula abaixo, também devendo ser maior ou igual a 1: S1(z) = 1,0 + (2,5 – z/d).0,31 Onde: z = altura medida a partir da superfície do terreno no ponto considerado; d = diferença de nível entre a base e o topo do talude ou morro; θ = inclinação média do talude ou encosta do morro. Para 3° ≤ θ ≤ 6° e 17° ≤ θ ≤ 45°, deve-se interpolar linearmente. Por último, para vales profundos protegidos do vento, utiliza-se o valor de S1 = 0,9. Executando-se terreno plano ou fracamente acidentado, os valores dados são apenas uma estimativa aproximada, devendo serem usados com precaução. 2.4 - Fator de rugosidade do terreno, dimensões da edificação e altura sobre o terreno (S2) A Norma 6123/2013, descreve que esse fator de rugosidade considera o efeito combinado da rugosidade do terreno, da variação da velocidade do vento com a altura do terreno e das dimensões da edificação ou parte da edificação em consideração. Em ventos fortes em estabilidade neutra, a velocidade do vento aumenta com a altura acima do terreno. Este aumento depende da rugosidade do terreno e do intervalo de tempo considerado na determinação da velocidade. Este intervalo de tempo está relacionado com as dimensões da edificação, pois edificações pequenas e elementos de edificações são mais afetados por rajadas de curta duração do que grandes edificações. Para a sua determinação, a NBR 6123/2013 divide a rugosidade do terreno em cinco categorias: Categoria I: superfícies lisas de grandes dimensões, com mais de 5 km de extensão, medida na 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; Categoria III: terrenos planos ou ondulados com obstáculos, tais como sebes e muros, poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e ásperas; Categoria IV: terrenos cobertos por obstáculos numerosos e pouco espaçados, em zona florestal, industrial ou urbanizada; Categoria V: terrenos cobertos por obstáculos numerosos, grandes, altos e pouco espaçados. A NBR 6123, divide as dimensões das edificações em três classes: Classe A: todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e peças individuais de estrutura sem vedação. Toda edificação na qual a maior dimensão horizontal ou vertical não exceda 20 m; Classe B: toda edificação ou parte de edificação para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal esteja entre 20 m e 50 m; Classe C: toda edificação ou parte de edificação para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal exceda 50 m. Tendo definido a categoria e a classe, procura-se no quadro 1 os parâmetros a serem inseridos na equação descrita abaixo, para obter o valor de S2. S2 = b.Fr (z/10)p Onde: b = parâmetro meteorológico; Fr = fator de rajada (sempre corresponde à categoria II); z = altura acima do terreno; p = parâmetro meteorológico. Quadro 1: Fator de rugosidade S2 Fonte: NBR 6123/1998 Retificada 2013. 2.5 - Fator estatístico (S3) O fator S3 considera o grau de segurança e a vida útil da edificação. O quadro 2 apresenta os valores mínimos desse fator. Quadro 2: Fator estatístico S3 Fonte: NBR 6123/1998 Retificada 2013. 2.6 - Pressão Dinâmica (q) Tendo definida a velocidade característica (Vk), consegue-se determinar a pressão dinâmica exercida pelo vento através da equação citada abaixo: q = 0,613. Vk² Onde: q = pressão dinâmica (Pa); Vk = velocidade característica do vento (m/s). 3 - Exemplo de calculo, em uma edificação. 3.1 - Especificações da edificação O Edifício considerado no calculo “RECIDENCIAL THE POINT ”, apresentado nesse exemplo. Localização na Rua das Pitangueiras – Lote 3 – Águas Claras – BRASÍLIA – DF. Como a edificação possuisdois tipos de pavimentos foi feito os cálculos para ambos os tipos. Os três primeiros pavimentos são considerados como pavimentos térreos com utilização da garagem. - Número de pavimentos: 18 (3 Pav. de garagem, 1 Pav. Térreo, 13 pav. Tipo, 1 Pav. Cobertura); Os 3 primeiros pavimentos são destinados a garagem, sendo o 4 cobertura, aparte do 5º andar começa os apartamentos tipos, terminando no 17º andar, sendo o 18º de cobertura. - O edifício apresenta dimensões de: Térreos com utilização de garagem: Altura = 10,5 m Largura = 30 m Comprimento = 60 m Pavimentos tipos do 5º ao 16º e cobertura 17º: Altura = 48 m; Largura = 17 m; Comprimento = 41,6 m; Figura 4: Residencial the point. Os cálculos da edificação foram executados segundo a NBR 6123/2013. a) - Velocidade básica do vento (Vo) O valor da velocidade básica do vento Vo, de acordo com o mapa de isopletas, corresponde: Vo = 35 m/s O valor de Vo serve para toda a região do distrito federal. Cálculo para os três primeiros pavimentos Térreos, sendo utilizados como garagem. Sendo usadas as equações a seguir: Velocidade característica do vento Vk Vk = Vo.S1.S2.S3 Vo = 35 m/s b) - Fator topográfico (S1) O fator topográfico S1, como citado antemão, lava em consideração as variações do relevo do terreno, sendo: Terreno plano ou francamente acidentado: S1 = 1,0 c) - Fator (S2) Rugosidade do terreno, dimensões da edificação e altura sobre o terreno. Categoria V: Terreno coberto por obstáculos numerosos, grandes, altos e poucos espaçados. - centros de grandes cidades. Classe C: Toda edificação ou parte da edificação para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal excede a 50 m. Aparte desses dados e utilizando o Quadro 1 : Fator de rugosidade S2. Obtemos os respectivos valores: Fr= 0,95 b = 0,71 p = 0,175 Esses valores são jogados na formulação do fator S2, em função da altura (z), da edificação. S2 = b.Fr.(z/10) ^p Tabela valor S2: Pavimentos: z S2 Altura (m) S2 = b.Fr,(z/10)^p 1° Térreo 3,5 0,561 2° Térreo 7 0,634 3º Térreo 10,5 0,680 d) - Tabela velocidade característica (Vk) Pavimentos: z S1 S2 S3 Vo Vk (m/s) Altura (m) S2 = b.Fr,(z/10)^p [m/s] Vk=Vo.S1.S2.S3 1° Térreo 3,5 1 0,561 1 35 19,65 2° Térreo 7 1 0,634 1 35 22,18 3º Térreo 10,5 1 0,680 1 35 23,81 e) - Pressão dinâmica do vento (q) q = 0,637. Vk² Tabela pressão dinâmica do vento (q): Pavimentos: z S1 S2 S3 Vo Vk (m/s) q (n/m²) Altura (m) S2 = b.Fr,(z/10)^p (m/s) Vk=Vo.S1.S2.S3 q= 0.613.Vk² 1° Térreo 3,5 1 0,561 1 35 19,65 236,58 2° Térreo 7 1 0,634 1 35 22,18 301,54 3º Térreo 10,5 1 0,680 1 35 23,81 347,52 3.2 - Direção x a) - Coeficiente de arrasto (Ca) Para resolução da seguinte tabela, fez-se uso do gráfico de baixa turbulência, obtendo, para coeficiente de arrasto, na direção de x, no valor de 0,8. Tabela coeficiente de arrasto Ca: Vento a 0º Ca Eixo x(m) 0,8 Maior dimensão frontal 60,15 l1 28,93 l2 60,15 h- altura do edificação 10,5 l1/l2 0,48096426 h/l1 0,36294504 Figura 18: Obtenção do coeficiente de arrasto na direção x b) - Força de arrasto (Fa) Fa = Ca.q.Ae Ou Fa = Ca.q.h Tabela 11: Cálculo da força de arrasto Para vento 0º Pavimentos térreo q l1 q'=q.l1 ca Ca.q' h Fa=Ca.q'.h (kN/m²) (m) (kN/m) (kN/m) (m) (kN) 1° Térreo 0,237 28,93 6,844 0,8 5,48 3,5 19,164 2° Térreo 0,302 8,724 6,98 7 48,852 3º Térreo 0,348 10,054 8,04 10,5 84,451 3.3 - Direção y a) - Coeficiente de arrasto (Ca) Para resolução da seguinte tabela, fez-se uso do gráfico de baixa turbulência, obtendo, para coeficiente de arrasto, na direção y, no valor de 1,1. . Vento a 90º Ca Eixo y(m) 1,1 Maior dimensão frontal 60,15 l1 60,15 l2 28,93 h- altura do edificação 10,5 l1/l2 2,079157 h/l1 0,174564 Figura 23: Obtenção do coeficiente de arrasto na direção y b) - Força de arrasto (Fa) Fa = Ca.q.Ae Ou Fa = Ca.q.h Tabela 11: Cálculo da força de arrasto Para vento 90º Pavimentos térreos q l2 q'=q.l1 Ca Ca.q' h Fa=Ca.q'.h (kN/m²) (m) (kN/m) (KN/m) (m) (KN) 1° Térreo 0,237 60,15 14,230 1,1 15,65354 3,5 54,787 2° Térreo 0,302 18,138 19,95139 7 139,660 3º Térreo 0,348 20,903 22,9935 10,5 241,432 3.4 - Cálculo para os pavimentos Tipos. a) - Velocidade característica do vento (Vk) Vk = Vo.S1.S2.S3 Vo = 35 m/s b) - Fator topográfico (S1) O fator topográfico S1, como citado antemão, lava em consideração as variações do relevo do terreno, sendo: Terreno plano ou francamente acidentado: S1 = 1,0 c) - Fator (S2) Rugosidade do terreno, dimensões da edificação e altura sobre o terreno. Categoria V: Terreno coberto por obstáculos numerosos, grandes, altos e poucos espaçados. - centros de grandes cidades. Classe C: Toda edificação ou parte da edificação para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal excede a 50 m. Aparte desses dados e utilizando o Quadro 1 : Fator de rugosidade S2. Obtemos os respectivos valores: Fr= 0,95 b = 0,71 p = 0,175 Esses valores são jogados na formulação do fator S2, em função da altura (z), da edificação. S2 = b.Fr.(z/10)p Tabela valor S2: Pavimentos: z S2 Altura (m) S2 = b.Fr,(z/10)^p 1º Pavimento tipo 13 0,706 2º Pavimento tipo 15,5 0,728 3º Pavimento tipo 18 0,748 4º Pavimento tipo 20,5 0,765 5º Pavimento tipo 23 0,780 6º Pavimento tipo 25,5 0,795 7º Pavimento tipo 28 0,808 8º Pavimento tipo 30,5 0,820 9º Pavimento tipo 33 0,831 10º Pavimento tipo 35,5 0,842 11º Pavimento tipo 38 0,852 12º Pavimento tipo 40,5 0,862 13º Pavimento tipo 43 0,871 14º Pavimento tipo 45,5 0,879 15º Pavimento tipo 48 0,888 d) - Tabela velocidade característica (Vk) Pavimentos: z S1 S2 S3 Vo Vk [m/s] Altura (m) S2 = b.Fr,(z/10)^p [m/s] Vk=Vo.S1.S2.S3 1º Pavimento tipo 13 1 0,706 1 35 24,72 2º pavimento tipo 15,5 1 0,728 1 35 25,49 3º pavimento tipo 18 1 0,748 1 35 26,17 4º pavimento tipo 20,5 1 0,765 1 35 26,77 5º pavimento tipo 23 1 0,780 1 35 27,31 6º pavimento tipo 25,5 1 0,795 1 35 27,81 7º pavimento tipo 28 1 0,808 1 35 28,27 8º pavimento tipo 30,5 1 0,820 1 35 28,69 9º pavimento tipo 33 1 0,831 1 35 29,09 10º pavimento tipo 35,5 1 0,842 1 35 29,47 11º pavimento tipo 38 1 0,852 1 35 29,82 12º pavimento tipo 40,5 1 0,862 1 35 30,15 13º pavimento tipo 43 1 0,871 1 35 30,47 14º pavimento tipo 45,5 1 0,879 1 35 30,78 15º pavimento tipo 48 1 0,888 1 35 31,06 e) - Pressão dinâmica do vento (q) q = 0,637. Vk² Pavimentos: z S1 S2 S3 Vo Vk [m/s] q [n/m²] Altura (m) S2 = b.Fr,(z/10)^p [m/s] Vk=Vo.S1.S2.S3 q= 0.613.Vk² 1° Térreo 3,5 1 0,561 1 35 19,65 236,58 2° Térreo 7 1 0,634 1 35 22,18 301,54 3º Térreo 10,5 1 0,680 1 35 23,81 347,52 1º Pavimento tipo 13 1 0,706 1 35 24,72 374,49 2º pavimento tipo 15,5 1 0,728 1 35 25,49 398,27 3º pavimento tipo 18 1 0,748 1 35 26,17 419,67 4º pavimento tipo 20,5 1 0,765 1 35 26,77 439,21 5º pavimento tipo 23 1 0,780 1 35 27,31 457,26 6º pavimento tipo 25,5 1 0,7951 35 27,81 474,08 7º pavimento tipo 28 1 0,808 1 35 28,27 489,85 8º pavimento tipo 30,5 1 0,820 1 35 28,69 504,74 9º pavimento tipo 33 1 0,831 1 35 29,09 518,85 10º pavimento tipo 35,5 1 0,842 1 35 29,47 532,28 11º pavimento tipo 38 1 0,852 1 35 29,82 545,11 12º pavimento tipo 40,5 1 0,862 1 35 30,15 557,40 13º pavimento tipo 43 1 0,871 1 35 30,47 569,21 14º pavimento tipo 45,5 1 0,879 1 35 30,78 580,58 15º pavimento tipo 48 1 0,888 1 35 31,06 591,55 3.4.1 - Direção x a) - Coeficiente de arrasto (Ca) Para resolução da seguinte tabela, fez-se uso do gráfico de baixa turbulência, obtendo, para coeficiente de arrasto, na direção de x o valor de 0,85. Vento a 0º Ca Eixo x(m) 0,85 Maior dimensão frontal 41,6 l1 17,04 l2 41,6 h- altura do edificação 48 l1/l2 0,40961538 h/l1 2,44131455 Figura 18: Obtenção do coeficiente de arrasto na direção x b) - Força de arrasto (Fa) Fa = Ca.q.Ae Ou Fa = Ca.q.h Tabela 11: Cálculo da força de arrasto Para vento 0º PAVIMENTOS TIPOS q l1 q'=q.l1 Ca Ca.q' h Fa=Ca.q'.h (kN/m²) (m) (kN/m) (kN/m) (m) (kN) 1º Pavimeto tipo 0,374 17,04 6,381316 0,85 5,424118 13 70,514 2º pavimento tipo 0,398 6,786505 5,768529 15,5 89,412 3º pavimento tipo 0,420 7,151143 6,078471 18 109,412 4º pavimento tipo 0,439 7,484175 6,361548 20,5 130,412 5º pavimento tipo 0,457 7,791746 6,622984 23 152,329 6º pavimento tipo 0,474 8,078284 6,866542 25,5 175,097 7º pavimento tipo 0,490 8,347095 7,095031 28 198,661 8º pavimento tipo 0,505 8,600724 7,310615 30,5 222,974 9º pavimento tipo 0,519 8,841174 7,514998 33 247,995 10º pavimento tipo 0,532 9,070056 7,709548 35,5 273,689 11º pavimento tipo 0,545 9,288687 7,895384 38 300,025 12º pavimento tipo 0,557 9,498156 8,073433 40,5 326,974 13º pavimento tipo 0,569 9,699 8,244474 43 354,512 14º pavimento tipo 0,581 9,893138 8,409167 45,5 382,617 15º pavimento tipo 0,592 10,08009 8,568078 48 411,268 3.4.2 - Direção y a) - Coeficiente de arrasto (Ca) Para resolução da seguinte tabela, fez-se uso do gráfico de baixa turbulência, obtendo, para coeficiente de arrasto, na direção y, no valor de 1,35. Vento a 90º Ca Eixo x(m) 1,35 Maior dimensão frontal 41,6 l1 41,6 l2 17,04 h- altura do edificação 48 l1/l2 2,441315 h/l1 1,153846 Figura 18: Obtenção do coeficiente de arrasto na direção y b) - Força de arrasto (Fa) Fa = Ca.q.Ae Ou Fa = Ca.q.h Tabela 11: Cálculo da força de arrasto Para vento 90º PAVIMENTOS TIPOS q l1 q'=q.l1 Ca ca.q' h Fa=Ca.q'.h (kN/m²) (m) (kN/m) (kN/m) (m) (kN) 1° Térreo 0,237 41,6 9,842 1,35 13,287 3,5 46,503 2° Térreo 0,302 12,544 16,934 7 118,541 3º Térreo 0,348 14,457 19,517 10,5 204,924 1º Pavimeto tipo 0,374 15,579 21,031 13 273,408 2º pavimento tipo 0,398 16,568 22,367 15,5 346,685 3º pavimento tipo 0,420 17,458 23,569 18 424,234 4º pavimento tipo 0,439 18,271 24,666 20,5 505,656 5º pavimento tipo 0,457 19,022 25,680 23 590,636 6º pavimento tipo 0,474 19,722 26,624 25,5 678,917 7º pavimento tipo 0,490 20,378 27,510 28 770,284 8º pavimento tipo 0,505 20,997 28,346 30,5 864,554 9º pavimento tipo 0,519 21,584 29,139 33 961,571 10º pavimento tipo 0,532 22,143 29,893 35,5 1061,197 11º pavimento tipo 0,545 22,677 30,613 38 1163,310 12º pavimento tipo 0,557 23,188 31,304 40,5 1267,803 13º pavimento tipo 0,569 23,679 31,967 43 1374,580 14º pavimento tipo 0,581 24,152 32,606 45,5 1483,553 15º pavimento tipo 0,592 24,609 33,222 48 1594,642 4 - Conclusão No presente estudo, ficou evidenciado que a consideração do vento como carga estática é suficiente para edificações abaixo de determinada altura ou esbeltez. Verificamos que a partir de determinada altura (cerca de 100,0 m) ou esbeltez (superior a 5) a consideração do vento como ação dinâmica gera maiores esforços. 5 - Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6123: forças devidas ao vento em edificações: referências – elaboração. Rio de Janeiro, 1988. BLESSMANN, Joaquim. Acidentes Causados Pelo Vento. 3 ª Edição, Porto Alegre, RS, Editora da Universidade/UFRS, 1986. 81p. CARPEGGIANI, Elvis A. Determinação dos Efeitos Estáticos de Torção em Edifícios Altos Devido à Ação do Vento. Dissertação (Mestrado) – Un iversidade Federal do Rio Grande do Sul, Escola de Engenharia, Programa de Pós-Graduaçã o em Engenharia Civil. Porto Alegre, RS, 2004. 160p. MAKOWSKI, Daniela G. Ação do vento em Coberturas Is oladas. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Escola de Engenharia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. Porto Alegre, RS, 20 04. 112p. BRASILIA 2017
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