Como cumprir os requisitos do Eurocódigo utilizando a aplicação de CFD no cálculo de cargas de vento

Introdução

A engenharia eólica é uma área interdisciplinar que se foca na compreensão e análise do comportamento do vento e dos seus efeitos em estruturas, edifícios e ambiente. Desempenha um papel crucial no dimensionamento de infraestruturas seguras, eficientes e sustentáveis, utilizando ao mesmo tempo a força da energia eólica para várias aplicações. A engenharia de vento combina princípios da meteorologia, dinâmica de fluidos, engenharia civil e arquitetura para estudar a interação do vento com as estruturas. O objetivo principal é garantir a segurança e a estabilidade dos edifícios e outras construções sob diferentes condições de vento. Engenheiros e investigadores utilizam modelos matemáticos e testes em túnel de vento para simular cenários do mundo real e recolher dados para desenvolver soluções de dimensionamento eficazes. Neste artigo, iremos analisar a importância da engenharia de vento e o seu papel nas normas e como elas podem ser cumpridas, especialmente na norma EN 1991-1-4 {%>

Figura 1: Simulação de vento numa cidade moderna com o RWIND

Figura 2: Campo de velocidade do vento para uma torre

Figura 3: Wind-Structure Interaction for a Bridge Structure Using RWIND and RFEM

Método de cálculo de cargas de vento

A importância da interação vento-estrutura tem aumentado nos últimos anos devido ao crescente número de estruturas com diferentes alturas e formas. São utilizadas abordagens experimentais e numéricas para determinar a interação. Muitas estruturas estão a ser avaliadas em túneis de vento no âmbito de investigações experimentais. Nesta abordagem, os impactos causados pelas cargas de vento podem ser calculados. Estruturas de grande escala, tais como edifícios altos, pontes e estádios, beneficiam muito dos ensaios em túneis de vento, mas são métodos muito dispendiosos e demorados.

As cargas de vento estruturais também podem ser determinadas através de uma simulação CFD, que é a abordagem mais barata e rápida. É importante notar que com base na ASCE7-22 e na EN 1991-1-4, o que implica que apenas a simulação numérica CFD verificada e validada pode ser utilizada como método eficaz.

Princípios importantes e exemplos de validação

Aqui são alguns critérios importantes que os engenheiros de vento devem considerar quando utilizam a simulação CFD como técnica computacional para estimar o fluxo de fluido em movimento. Existe uma variedade de softwares que podem ajudar com problemas CFD e o RWIND é uma ferramenta muito poderosa e fácil de utilizar para engenheiros de estruturas. O RWIND Simulation é particularmente útil para engenheiros e projetistas que necessitam de compreender como o vento afeta edifícios, pontes, torres e outras estruturas. Ao criar um modelo 3D do fluxo de vento, este software pode ajudar a avaliar as cargas de vento, analisar o conforto do vento e garantir que as estruturas estão dimensionadas para suportar as forças do vento. Os impactos da carga de vento estática nas estruturas podem ser estimados utilizando uma das diferentes normas, sendo também interessante fazer uma comparação com a simulação CFD. Estão disponíveis Exemplos de validação do Eurocódigo utilizando o RWIND para introduzir a configuração mais compatível com a simulação CFD.

Figura 4: Exemplo de Eurocódigo para cuboide retangular de arranha-céus

Normas

O Eurocódigo é frequentemente utilizado para realizar cálculos de vento em países europeus. Para realizar esses cálculos, a carga de vento dinâmica é simplificada para uma carga estática equivalente conservativa com consideração dos fatores de segurança. Uma alternativa ao cálculo de cargas de vento é o teste físico de túnel de vento. A norma EN 1991-1-4 fornece instruções sobre como determinar as forças naturais do vento que necessitam de ser consideradas no dimensionamento estrutural de um edifício ou de outras estruturas para cada uma das regiões carregadas. Esta aplica-se à estrutura completa, aos componentes da estrutura ou aos elementos ligados à estrutura, tais como elementos, unidades de revestimento e respetivas fixações, barreiras de segurança e de ruído {%>

No Capítulo C31 da ASCE 7-22 {%>

A ASCE 49 especifica os requisitos para um teste apropriado num túnel de vento. Para calcular cargas de vento utilizando ensaios numéricos ou reais de túnel de vento, tal norma é necessária. Embora o uso de simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) em aplicações de engenharia de vento esteja a aumentar, a ASCE 49 não lista claramente todos os passos necessários para uma CFD. Qualquer utilização de CFD para estimar o sistema principal de resistência à força de vento (MWFRS), C&C ou outras estruturas' cargas de vento requer um estudo de revisão interpares, verificação e validação (V&V) enquanto espera por uma norma semelhante delineando os procedimentos necessários para obter cargas de vento fiáveis e precisas utilizando ferramentas CFD {%>

Figura 5: Interação vento-estrutura para uma estrutura de construção leve com o RFEM e o RWIND

As simulações numéricas do túnel de vento apenas podem ser consideradas como dados qualitativos na ausência de tal validação. Quando são necessárias informações de dimensionamento para as seguintes tensões induzidas pelo vento, as experiências em túneis de vento são frequentemente utilizadas como última opção.

• Tensões devido a instabilidades, tais como treliças ou galope
• Pressões na parede de cortina resultantes de geometria irregular
• Tensões na direção transversal ao vento e/ou torção
• Cargas periódicas induzidas por desprendimento de vórtices

Utilizar uma simulação CFD para o cálculo da carga de vento no Eurocódigo

O Eurocódigo fornece linhas de orientação (especificamente o Eurocódigo 1, Parte 4: Ações do vento) para determinar as cargas de vento em estruturas. As simulações CFD podem ser utilizadas para determinar os padrões de fluxo do vento em torno dos edifícios e calcular com precisão as cargas de vento que atuam nas diferentes superfícies da estrutura. Veja'como a simulação CFD pode ser utilizada para calcular a carga de vento no Eurocódigo:

1. Compreenda os requisitos do código de construção: cada cidade, estado ou país pode ter diferentes regulamentos de construção. Alguns cumprem normas internacionais, enquanto outros têm diretivas locais mais específicas. Tem de compreender os requisitos específicos da localização do seu projeto.
2. Definir a geometria: O primeiro passo é criar um modelo 3D detalhado do edifício ou estrutura no software CFD. O modelo deve representar com precisão a forma, o tamanho e as características da estrutura, inclusive o terreno envolvente ou os edifícios envolventes que possam influenciar o fluxo de vento. As categorias de terreno no Eurocódigo 1 são utilizadas para definir as características do terreno que, por sua vez, afetam a velocidade do vento e a pressão que atuam sobre a estrutura. Estas categorias são utilizadas para determinar a rugosidade do terreno e o comprimento da rugosidade do solo, os quais afetam o perfil de velocidade do vento e as ações do vento na estrutura. Esta informação é fundamental no planeamento estrutural para garantir que o edifício ou estrutura consegue suportar as cargas de vento esperadas para a sua localização e o terreno envolvente.
3. Definir condições de fronteira: defina as condições de fronteira para a simulação CFD, incluindo a velocidade do vento, a direção e a intensidade de turbulência. Estas condições de fronteira são normalmente baseadas em dados meteorológicos históricos ou em critérios de dimensionamento de vento específicos providenciados no Eurocódigo.
4. Geração de malha: crie uma grelha de malha em torno da geometria do edifício para discretizar o domínio do fluido. A resolução da malha deve ser fina o suficiente para captar as características de fluxo relevantes e os efeitos da camada limite na proximidade das superfícies do edifício.
5. Resolver as equações: O software CFD resolve numericamente as equações de fluxo de fluido determinantes (equações de Navier-Stokes) para as condições de fronteira definidas. O software calcula os campos de velocidade e pressão em torno do edifício.
6. Validação: compare os seus resultados de CFD com testes em túnel de vento ou dados empíricos para validar as suas conclusões.
7. Pós-processamento: assim que a simulação CFD está completa, é realizado um pós-processamento para analisar os resultados. Isso envolve a extração de dados sobre as pressões, forças e velocidades do vento que atuam nas superfícies dos edifícios.
8. Cálculo de cargas de vento: com base na distribuição de pressão obtida a partir de uma simulação CFD, as cargas de vento nas diferentes superfícies do edifício são calculadas de acordo com as diretivas do Eurocódigo. Os coeficientes de pressão são utilizados para determinar as cargas de vento em paredes, coberturas e outros componentes.
9. Combinação de cargas: as cargas de vento calculadas a partir de simulações CFD são depois combinadas com outras cargas relevantes, tais como cargas permanentes, cargas variáveis e cargas de neve de acordo com as regras de combinação de cargas do Eurocódigo.
10. Análise estrutural: as cargas de vento, juntamente com outras cargas, são utilizadas como entrada para a análise estrutural do edifício para avaliar a sua estabilidade e integridade sob vários cenários de carga.
11. Otimização: altere o dimensionamento para mitigar áreas de alta pressão ou outros problemas potenciais identificados pela análise CFD.
12. Revisão entre pares ou verificação por terceiros: dependendo da complexidade do edifício e dos regulamentos locais, pode ser necessário que os seus dimensionamentos e os resultados de CFD sejam analisados por terceiros. Esta é mais uma etapa para verificar se o seu dimensionamento cumpre os requisitos do código de construção.

Conclusão

No contexto de normas de construção e cargas de vento, o CFD pode ser utilizado para simular como o vento interage com um edifício, fornecendo uma compreensão mais detalhada e precisa das cargas de vento do que as fórmulas simples possíveis. É importante notar que as simulações CFD para cálculos de carga de vento requerem experiência em modelação CFD e conhecimento das diretivas do Eurocódigo. Além disso, a precisão da simulação depende da qualidade do modelo de construção, da escolha das condições de fronteira e da resolução da malha. No entanto, é importante notar que, embora a CFD possa fornecer informações valiosas, é uma ferramenta que deve ser utilizada em conjunto com, e não em substituição, dos requisitos e normas definidos nos regulamentos de construção. Também é necessário ter um sólido conhecimento de mecânica dos fluidos e de métodos numéricos para interpretar corretamente os resultados de simulações CFD. Finalmente, os exemplos de validações e os artigos da base de dados de conhecimento são fontes úteis para encontrar a configuração numérica mais compatível com as normas.