A Ação do Vento em Edificações – Parte 2

O Vento

É importante definir alguns dos aspectos que regem as forças devidas ao vento, antes de passar a seu cálculo. O vento é produzido por diferenças de temperatura de massas de ar na atmosfera, o caso mais fácil de identificar é quando uma frente fria chega na área e choca-se com o ar quente produzindo vento, esse tipo de fenômeno pode ser observado antes do início de uma chuva. 


Define-se o termo barlavento com sendo a região de onde sopra o vento (em relação a edificação), e sotavento a região oposta àquela de onde sopra o vento). Quando o vento sopra sobre uma superfície existe uma sobrepressão (sinal positivo), porem em alguns casos pode acontecer o contrário, ou seja existir sucção (sinal negativo) sobre a superfície. O vento sempre atua perpendicularmente a superfície que obstrói sua passagem.

O Vento em construções de alvenaria

A alvenaria é um dos materiais de construção mais antigos e difundidos. Sua utilização possibilitou, ao longo da história da humanidade, a realização de obras que aliavam o valor arquitetônico à função estrutural. Por outro lado, durante um longo período de tempo achou-se que se havia exaurido a função portante da alvenaria e ela, destarte, estaria limitada como sistema estrutural.


Graças, contudo, à evolução das técnicas e sistemas construtivos e ao crescente surgimento de pesquisas científicas nesta área, a alvenaria estrutural vem recuperando o nível de confiança como sistema construtivo seguro e de custos relativamente baixos, quando comparado com outras técnica de construção.


O processo construtivo em alvenaria foi trazido para o Brasil nos primórdios dacolonização, sendo àquela época largamente difundida a alvenaria de taipa (ABCI -1990). Posteriormente, foram introduzidos outros tipos de materiais, como por exemplo, o tijolo de barro cozido, evoluindo-se para os blocos estruturais. 


Durante um longo período, a alvenaria ficou restrita a construções de pequeno porte ou a servir de elemento de vedação nos edifícios de múltiplos pavimentos. Porém, a necessidade crescente de se construir edifícios mais altos, aliada à busca de métodos construtivos mais racionais, trouxe de volta o interesse dos Engenheiros pela alvenaria,aproveitando-se as paredes como elementos estruturais. 


Na década de 70, edifícios com até 12 pavimentos já eram construídos, como por exemplo o Conjunto Parque da Lapa,em São Paulo
Em edifícios desse porte as ações do vento tornam-se importantes e o projetista não pode deixar de considerá-las na sua análise estrutural. As técnicas existentes para a análise do efeito do vento nos edifícios são diversas. 


Algumas envolvem cálculos mais simplificados, outras procedimentos mais elaborados, como por exemplo a análise matricial. Quanto aos pavimentos, a hipótese usualmente adotada é a de considerar as lajes como diafragmas rígidos no seu plano. Os deslocamentos dos painéis, em um mesmo pavimento, são iguais e as ações do vento são distribuídas proporcionalmente às suas rigidezes relativas. 


Na análise global dos edifícios, os painéis são associados, de modo a formarem um conjunto resistente às ações do vento. Estas associações podem ser planas ou tridimensionais, dependendo do arranjo estrutural dos painéis.





Nos edifícios de alvenaria estrutural, dada a duplicidade de funções exercidas pelas paredes, é freqüente a presença de aberturas. Os trechos de paredes existentes entre as aberturas são chamados de lintéis. Logo, para a análise do efeito do vento, os painéis podem ser modelados como paredes isoladas ou paredes ligadas por lintéis. As paredes isoladas são similares a vigas verticais, engastadas na base e livre no topo. Desde que os carregamentos atuantes sejam conhecidos, seus deslocamentos e esforços são calculados com facilidade.


Nos casos de edifícios mais altos, devido ao maior impacto dos efeitos do vento, o sistema de contraventamento tem papel fundamental no comportamento da estrutura. Dessa forma, torna-se importante a busca por modelos que representem melhor o comportamento do edifício sob as ações horizontais. Com esse modelo mais representativo é possível obter reduções dos esforços internos condizentes com o comportamento da estrutura. Assim, torna-se possível dimensionar paredes com blocos de menor resistência à compressão, reduzir a quantidade de armadura não-construtiva ou, até mesmo, considerar menos paredes estruturais para o edifício

Acidentes:

O vento não é um problema em construções baixas e pesadas com paredes grossas, porém, em estruturas esbeltas, passa a ser uma das ações mais importantes a determinar no projeto de estruturas. As considerações para determinação das forças devidas ao vento são regidas e calculadas de acordo com a NBR 6123/1988 “Forças devidas ao vento em edificações”. 


A maioria dos acidentes ocorre em construções leves, principalmente de grandes vãos livres, tais como hangares, pavilhões de feiras e de exposições, pavilhões industriais, coberturas de estádios, ginásios cobertos. Ensaios em túneis de vento mostram que o máximo de sução média aparece em coberturas com inclinação entre 8º e 12º, para certas proporções da construção, exatamente as inclinações de uso corrente na arquitetura em um grande número de construções.


As principais causas dos acidentes devidos ao vento são:


a) falta de ancoragem de terças;
b) contraventamento insuficiente de estruturas de cobertura;
c) fundações inadequadas;
d) paredes inadequadas;
e) deformabilidade excessiva da edificação

Casos Famosos

O Tradicional:

Takoma Bridge
A ponte pênsil com 1600 m Tacoma Narrows, em Tacoma, Washington, colapsou em 7 de novembro de 1940, alguns meses depois de ser inaugurada. O colapso ocorreu após um vento de 65 km/s fazê-la vibrar e entrar em ressonância.


Inicialmente, a ponte começou a vibrar em modos longitudinais, isto é, ao longo de seu comprimento.  Mas, logo apareceram os chamados “modos torsionais”, nos quais a ponte balançava para os lados, se torcendo toda. Na ressonância, a amplitude desses modos torsionais aumentou de tal forma que a ponte desabou.

Os Brasileiros:

Pavilhão de São Cristóvão





O Pavilhão de São Cristovão foi projetado pelo Arquiteto Sérgio Bernardes, um, um dos projetos que muitos dos admiradores deste ousado arquiteto talvez considerem à beira da genialidade. Após concluído, o pavilhão abrigou muitos eventos ao longo dos anos.


À sua época, o pavilhão tinha quase 160.000 metros quadrados, tendo sido uma das maiores áreas cobertas do mundo sem vigas ou pilares. O sistema estrutural da cobertura foi pensado como uma superfície ou uma espécie de “rede” suspensa, como a do projeto de Matthew Nowicki, terminado em 1952.
Para tal, centenas de cabos de aço foram fixados nas extremidades da estrutura de concreto armado que circundava o pavilhão, com formas coerentes com a superfície à ser formada. Sobre os cabos de aço existia uma cobertura de material plástico.


Entretanto, um vendaval que não estava nos planos do Arquiteto e certamente não estava também nos planos e planilhas de cálculo dos Engenheiros Calculistas que viabilizaram a estrutura, impiedosamente destruiu a cobertura de plástico.


Posteriormente foram usadas chapas metálicas para a cobertura, e provavellmente esta substituição deve ter alterado para menos as potencialidades de climatização do edifício. Tempos depois, novamente tudo indicou que a cobertura era instável em relação aos ventos.


Até por volta de 1988, o pavilhão ainda era coberto. Mas um novo vendaval resolveu demonstrar que, se os efeitos dos ventos não forem bem considerados, principalmente quanto às formas que podem produzir diferentes tipos de pressão em função dos fluxos de ar em relação às estas formas, o resultado pode ser desastroso. E certamente o vento resolveu novamente desafiar as ideias inovadoras e os cálculos. A cobertura foi novamente arrancada pelo vento.


Após esta data, a cobertura foi então removida, e o pavilhão ficou por muito tempo sem uso, até que em 2003 passou a abrigar a Feira de São Cristóvão, conferindo à mesma um ambiente arquitetônico interessante, curioso e com algumas histórias pregressas. Mas desta vez sem a cobertura.


Ponte Rio-Niterói






Quando os ventos do sentido norte-sul ou sul-norte da baía alcançam os 52 km/h, atingem a freqüência natural da ponte, que começa a oscilar, induzida pelas formações de vórtices (turbilhões), no escoamento do ar que passa pela estrutura. O movimento chega a 300 mm de amplitude, mas acontece só na vertical, porque a própria estrutura da ponte impede a movimentação na horizontal.






Projeto de Atenuadores Dinâmicos Sincronizados (ADS), desenvolvido e patenteado pelo professor Ronaldo Battista, do Programa de Engenharia Civil da COPPE. Agora, as oscilações que ocorrem no vão central da ponte, provocadas pelo vento, terão uma redução de mais de 80%, dando mais segurança e tranqüilidade aos motoristas. 


Ao todo, estão sendo instalados 32 Atenuadores dentro das vigas do vão central da Ponte, com duas toneladas, cada. O ADS tem características únicas, comparado aos poucos instalados no mundo. Trata-se de caixas de aço presas por molas a uma estrutura metálica. Quando a Ponte começar a balançar devido a ação do vento sobre a estrutura, o ADS entrará de imediato em operação, produzindo forças de inércia (de controle) que irão contrabalançar as forças produzidas pela estrutura. 


A maior oscilação registrada na Ponte Rio-Niterói, como explica Ronaldo Battista, teve deslocamento pico-a-pico de 1,20 metros, o equivalente a 60 cm de oscilação para cima e para baixo em relação ao seu estado normal. Com a ação do ADS, a redução dessas oscilações será superior a 80%, resultando em valores estimados de 10 cm pico-a-pico. Uma amplitude baixa como essa, associada a um período de oscilação de cerca de 3 segundos, não causam desconforto aos usuários que trafegam sobre a ponte.





Fonte: http://petcivilufjf.wordpress.com/

Prédio em construção tomba na China

Estão precisando de um engenheiro civil por aí? Tem um desempregado na China…


Em Junho de 2009 um prédio em um condomínio no subúrbio de Xangai, China, decidiu cair durinho.

O edifício de 13 andares estava em construção, portanto, desocupado. Apenas uma pessoa morreu. A causa dessa falha épica veja agora:

O imóvel tal como foi construído:

Foi cavada uma “trincheira” de 4,60 m de profundidade para fazerem uma garagem subterrânea no lado sul, e lançado o material escavado no lado norte numa altura de 10 m.

Isso resultou numa diferença de carga de 3000 toneladas entre o lado sul e o lado norte. Essa diferença foi além do que a fundação poderia suportar.

Veja:

O edifício se tornou instável devido à diferença de pressão. A fundação não suportou e o edifício começou a se inclinar e tombou.

Veja mais imagens:

Fonte: http://petcivilufjf.wordpress.com/

A Ação do Vento em Edificações – Parte 1

Observe estas imagens:

Na sua opinião, qual destas construções, a romana ou a atual deve sofrer maior ação dos ventos?

Breve Histórico

Os estudos iniciais da ação dinâmica do vento em edificações são do final do século XIX, quando Kernot e Mann (1891 a 1894) desenvolveram uma série de pesquisas experimentais em túnel de vento sobre pequenos modelos de cubo, pirâmides, cones, cilindros, etc.

Eiffel fez seus primeiros ensaios no final do século XIX na Torre Eiffel. Deixava seus modelos caírem em queda livre, com um cabo-guia, de uma altura de cerca de 116 m. A partir da chamada “velocidade final” calculava a força de arrasto no modelo.


Mas foi o caso clássico do colapso da Ponte de Tacoma Narrows em 1940 um dos mais importantes acontecimentos que serviu de estímulo para o desenvolvimento desse campo de pesquisa para a engenharia civil.

Como o vento é tratado hoje em dia

Cada vez mais, o assunto Edifícios Altos tem ganhado destaque no âmbito da EngenhariaCivil, uma vez que otimizam espaços e são uma solução para a explosão demográfica nas grandescidades. Ano após ano, edifícios cada vez maiores têm sido construídos, incorporando tecnologiasavançadas e técnicas modernas de construção e de projeto.Na esteira dessa evolução, muitos problemas foram surgindo e sendo solucionados, namedida em que se tornavam impeditivos ao avanço para o alto.


Os primeiros edifícios do século XIX eram construídos em alvenaria, com paredes grossas, sendo extremamente rígidos. Na medida em que subiam, foram impondo a necessidade de paredes cada vez mais robustas, de maneira que os andares inferiores acabavam por ter suas áreas úteis prejudicadas. O aço, o concreto armado e o concreto de alto desempenho – matérias alternativos na época – foram, então, sendo incorporados ao contexto construtivo.

Com o passar dos anos, outros materiais surgiram, levando a uma redução cada vez mais  fachadas leves atuando apenas como tapamento sem contribuição para a resistência e rigidez do conjunto, levaram a edificações mais esbeltas, flexíveis e leves, com amortecimento reduzido. A maior confiança nos métodos de cálculo e nos materiais utilizados contribuiu, ainda, para a redução dos altos coeficientes de segurança utilizados, que camuflavam os efeitos dinâmicos.


Com estas mudanças nos conceitos estruturais, os efeitos dinâmicos do vento começaram a ser sentidos. Sendo assim, um número crescente de casos em que as respostas induzidas pelo vento tornavam-se importantes foi aparecendo.
Até meados dos anos 60, as considerações no projeto estrutural das forças devidas ao vento estáticos, desconsiderando totalmente as características mecânicas e estruturais das edificações, como sua rigidez, seu fator de amortecimento e sua distribuição de massas.


Atualmente, muitas normas de projeto já contemplam procedimentos para a previsão das respostas dinâmicas. Podem-se citar como exemplos a NBR-6123/88 no Brasil, o NBCC/85 no Canadá e o AS1170.2-1989 na Austrália, que estipulam, entre outras coisas, que estruturas com freqüência natural de 1 Hz ou menos devem ser projetadas através de análise dinâmica.


Métodos analíticos alternativos aos procedimentos normalizados têm sido elaborados por diversos pesquisadores, bem como programas computacionais que incorporam alguns deles, a exemplo do SkyDyFe, desenvolvido por van Oosterhout (1996). Porém, a perfeita modelagem analítica das interações vento-estrutura é matematicamente impraticável e, desta forma, aproximações acabam sendo feitas.


Em geral, os métodos analíticos, normalizados ou não, superestimam o valor da resposta, favorecendo a segurança; em contrapartida prejudicam as incorporações, na medida em qu imprimem custos maiores de construção.

Cada vez mais, as estimativas das respostas dinâmicas de edifícios altos frente à ação dos ventos têm sido obtidas com o auxílio de ensaios em túneis de vento, em detrimento dos processos analíticos. 


Desta forma é possível que se obtenha uma previsão mais apurada dos carregamentos, resultando numa racionalização da estrutura, com conseqüente redução nos custos de produção.


Um dos primeiros ensaios em túnel de vento aplicados à engenharia civil data de meados da década de 60, em decorrência do projeto do World Trade Center, em Nova Iorque (1972), sendo considerado um divisor de águas. Desde então, diversos edifícios altos vêm sendo projetados com o seu auxílio, tais como o Sears Towers em Chigaco (1974) e as duas torres gêmeas Petronas em Kuala Lumpur (1998). Porém, estudos teóricos e experimentais aerodinâmicos têm sido conduzidos desde o início do século XIX, ganhando força maior por volta de 1930, época na qual a construção dos arranha-céus deu um salto considerável.


Estas técnicas têm evoluído de maneira veloz e consistente nos últimos anos, após os estudos pioneiros de alguns pesquisadores, citando-se Davenport como exemplo. Destaque à Modelagem Aeroelástica tem sido dado de maneira intensa e diversos dispositivos têm sido desenvolvidos e utilizados em estudos de edifícios altos. 


Entretanto, ainda há muito espaço para pesquisa e desenvolvimento, num campo de extrema importância para a manutenção da segurança e bem–estar dos usuários de um dos mais desafiadores frutos da Engenharia Civil, os edifício altos.

Para um projeto:

Uma das principais inovações introduzidas pela ABNT NBR 6118:2003 diz respeito às exigências para garantir que, independentemente da estrutura projetada, seja alcançada a vida útil prevista, para o ambiente existente, com a manutenção preventiva especificada, dentro das condições de carregamento impostas. Essas exigências devem ser adotadas de comum acordo e referendadas pelo Proprietário ou por Preposto por ele indicado.


É muito importante identificar o grau de agressividade do ambiente, onde a estrutura será implantada , a fim de fixarmos a qualidade do concreto de cobrimento que deverá ser utilizado e também os cobrimentos mínimos a serem adotados para garantir o perfeita proteção das armaduras ao longo do tempo.


Vento

Mapa de Isopletas do Brasil - Curvas de vento de mesma velocidade.

O vento é a principal carga incidental que age sobre as construções. Portanto, seu efeito em edifícios deve ser sempre considerado, devendo o mesmo ser avaliado desde o início da concepção da estrutura.


Para a velocidade básica (Vo) devem ser adotados valores iguais ou superiores aos das velocidades de estabelecidas no gráfico de isopletas no Brasil que consta na norma ABNT NBR 6123:1988 – “Forças devido ao vento em edificações – Procedimento”. Devem ser cuidadosamente determinados:


- O fator topográfico;
- O fator de rugosidade, dimensões da edificação e altura do terreno;
- O fator estatístico;
- Os coeficientes de arrasto em vento de baixa ou alta turbulência.


Como a norma salienta, nos casos de dúvida e em obras de excepcional importância, o projetista da estrutura deve fazer um estudo específico de velocidade e obtenção dos coeficientes de força.



Fonte: http://petcivilufjf.wordpress.com/2010/11/30/a-acao-do-vento-em-edificacoes-parte-1