Introdução
À medida que os métodos computacionais continuam a evoluir, a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) tornou-se uma alternativa ou complemento promissor aos testes em túnel de vento na engenharia estrutural de ventos. No entanto, para que o CFD obtenha aceitação generalizada entre engenheiros, autoridades e revisores, sua confiabilidade deve ser assegurada por meio de procedimentos rigorosos de verificação e calibração. Este artigo descreve as etapas e princípios-chave por trás desses processos.
De acordo com a Seção 1.5 da EN 1991-1-4, simulações numéricas podem ser usadas como um complemento para cálculos e testes físicos em túnel de vento, desde que sejam comprovadas e/ou devidamente validadas. Isso permite aos engenheiros obter informações confiáveis sobre carga e resposta, usando modelos precisos tanto da estrutura quanto do ambiente de vento natural. De forma semelhante, o ASCE 7-22, através da referência ao ASCE 49, reconhece que, embora o CFD seja cada vez mais aplicado na engenharia de ventos, seu uso deve ser cuidadosamente controlado. Como atualmente não existe uma norma dedicada detalhando os procedimentos completos para o CFD neste contexto, o ASCE enfatiza que qualquer aplicação de CFD para determinar cargas de vento no Sistema Principal de Resistência à Força do Vento (MWFRS), Componentes e Revestimentos (C&C) ou outras estruturas deve passar por revisão por pares e um estudo de Verificação e Validação (V&V) para garantir a precisão e confiabilidade dos resultados.
1. Por Que a Verificação e a Calibração São Necessárias
As simulações de CFD são altamente sensíveis a diversos fatores, incluindo:
- Modelos de turbulência
- Condições de contorno de entrada
- Qualidade e resolução da malha
- Configurações do solver e esquemas numéricos
Sem a devida verificação e calibração, os resultados de CFD podem parecer visualmente convincentes, mas podem ser enganosos ou não conservadores em aplicações estruturais do mundo real. Tanto a EN 1991-1-4 quanto o ASCE 7-22 reconhecem o potencial dos métodos numéricos, como o CFD, para determinar cargas de vento, desde que esses métodos sejam devidamente validados e verificados.
2. Verificação vs. Validação vs. Calibração: Definições
É essencial distinguir entre estes termos, que são comumente usados em lugar uns dos outros:
- Verificação assegura que o modelo de CFD está resolvendo as equações corretamente (ou seja, o código e a configuração numérica estão livres de erros).
- Validação avalia se o modelo representa com precisão o comportamento físico do sistema do mundo real (tipicamente através da comparação com dados de túnel de vento ou de escala completa).
- Calibração envolve o ajuste de parâmetros do modelo para alinhar os resultados de CFD com dados conhecidos ou medidos.
3. Procedimento de Verificação
A verificação envolve checar se:
- A malha está suficientemente refinada (estudo de sensibilidade da malha)
- O passo de tempo e o esquema numérico são apropriados
- As condições de contorno são implementadas corretamente
- O solver converge consistentemente
Isso inclui:
- Análise do Índice de Convergência de Grade (GCI)
- Monitoramento de resíduos e verificações de estabilidade média no tempo
- Comparação código a código (comparação de benchmark contra solvers confiáveis)
4. Validação com Dados Experimentais e Normas
O aspecto mais crítico da aceitação de CFD é a validação contra resultados de testes físicos, tais como:
- Medições em túnel de vento
- Monitoramento de campo em escala real (por exemplo, sensores de pressão, anemômetros)
Etapas chave incluem:
- Reproduzir a configuração do teste: Geometria, rugosidade do terreno e turbulência de entrada devem coincidir com o experimento.
- Comparar quantidades de interesse: Coeficientes de pressão médios e de pico, coeficientes de força/momento, ou características do campo de fluxo.
- Análise estatística: Uso de erro RMS, coeficientes de correlação, ou métricas de desvio normalizado como:
A validação deve ser específica para a estrutura, especialmente para geometrias típicas e incomuns, como:
- Exemplos de antenas em colaboração com a Universidade RWTH Aachen
- Baseado em formas típicas definidas em códigos de projeto (EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7, NBC 2020) e estudos experimentais (TPU, AIJ)
5. Estratégia de Calibração
Se existirem pequenas divergências após a validação, a calibração pode ser realizada ajustando:
- Intensidade e escalas de comprimento de turbulência de entrada
- Constantes do modelo de turbulência (com cautela)
- Rugosidade da superfície e funções de parede
No entanto, a supercalibração deve ser evitada, pois pode levar a um modelo que é ajustado para um caso, mas não confiável em outros casos.
6. Documentação e Rastreabilidade
Para que os resultados de CFD sejam aceitos pelas autoridades de construção ou engenheiros certificadores, o processo deve ser:
- Transparente: Todos os parâmetros de entrada, configurações do solver e premissas documentadas
- Repetível: Outros especialistas devem ser capazes de reproduzir os resultados
- Rastreável: Casos de validação devem estar vinculados a benchmarks publicados ou referências experimentais
7. Integração no Fluxo de Trabalho de Projeto Estrutural
Finalmente, para que o CFD seja aceito na determinação de cargas estruturais:
- As saídas de CFD (por exemplo, distribuições de pressão) devem ser transferidas para software FEM (por exemplo, RFEM)
- As combinações de carga devem seguir combinações de projeto LRFD ou EN
- Os dados de pressão devem representar ações de vento estatisticamente válidas (por exemplo, período de retorno de 50 anos)
Conclusão
O CFD possui grande potencial para o futuro da engenharia de ventos, oferecendo insights econômicos, flexíveis e detalhados sobre o comportamento aerodinâmico. No entanto, sua aceitação depende inteiramente de verificação disciplinada, validação robusta e calibração cuidadosa. Quando realizado de maneira sistemática, o CFD pode se tornar um componente confiável de uma abordagem "projeto por análise", apoiada por normas e melhores práticas de engenharia.