Carga de vento em componentes estruturais retangulares arredondados

Artigo técnico

A carga de vento em componentes estruturais retangulares arredondados é uma questão complexa. As forças equivalentes da carga de vento dependem da resistência da carga de vento em circulação e da geometria do componente.

A norma de vento EN 1991-1-4 especifica um conceito de cálculo com valores de aerodinâmica e fatores de redução para este caso. Estas especificações finalmente produzem uma força de vento resultante sobre o componente estrutural. 
Uma distribuição da pressão do vento em torno do componente estrutural não está especificada. A força do vento é, portanto, baseada na seguinte relação:

Fw = cscd ⋅ cf ⋅ qp(ze) ⋅ Aref
onde
cscd ... O fator estrutural de duas partes para considerar o facto de que as pressões máximas de vento não ocorrem simultaneamente em toda a superfície (cs), bem como uma contra flecha dinâmica devido a vibrações estruturais do tipo ressonância resultantes da turbulência do vento (cd)
cf ... Coeficiente de força para um objeto de construção ou seção de objeto de construção
qp(ze) ... Pressão de velocidade máxima na altura de referência ze
Aref ... Superfície de referência para um objeto de construção ou seção de objeto de construção

Se o componente estrutural considerado for assumido como sendo um corpo rígido e inflexível sob fluxo constante de vento, a determinação da força do vento é simplificada pela seguinte lei:

Fw = cf ⋅ q ⋅ Aref

Para um componente estrutural não esbelto com uma secção quadrática arredondada, o coeficiente de força cf é determinado de acordo com [1] do seguinte modo:

cf = cf,0 ⋅ Ψr ⋅ Ψλ
onde
cf, 0 ... Coeficiente de força de base das secções com arestas vivas
Ψr ... Fator de redução para considerar os cantos arredondados de uma secção quadrada
Ψλ ... Fator de redução para considerar a esbelteza efetiva λ dependente da razão de solidez φ
φ ... Razão de solidez para considerar a permeabilidade de superfícies de barlavento

Determinação convencional da carga de vento

De acordo com [1], para estas propriedades de componentes

Figura 01 - Esboço do modelo

um coeficiente de força cf = 0,97 resulta como forma de exemplo.

Este valor baseia-se no coeficiente de força básico cf,0 = 2,15, dependente da relação de aspeto d/b = 280 mm/280 mm = 1,

Figura 02 - Coeficiente de força de base para secções transversais rectangulares infinitamente delgadas e com arestas vivas

o fator de redução Ψr = 0,75 depende da relação de aspecto do raio r/b = 28 mm/280 mm = 0,1,

Figura 03 - Fator de redução para a consideração de cantos arredondados de secções quadradas

e finalmente o fator de redução Ψλ = 0,6 dependente da esbelteza λ = 1 assumindo uma superfície de componente totalmente fechada φ = 1.

Figura 04 - Fator de redução para considerar a esbelteza efetiva

A pressão de velocidade q = 563 N/m² aplicada à superfície de referência Aref = 280 mm ⋅ 280 mm = 0,0784 m² resulta na relação:

q = 0,5 ⋅ ρ ⋅ v²
onde
ρ ... Densidade do ar 1,25 kg/m³
v ... Velocidade do vento

Assim, finalmente, uma força de vento Fw = 0,97 ± 563 N/m² ± 0,0784 m² = 43 N atua sobre o componente estrutural na direcção do vento.

Determinação numérica da carga de vento

Se a distribuição da pressão do vento sobre o componente também é necessária para além desta força de vento Fw, pode ser calculada uma distribuição de pressão correspondente no componente, por exemplo através de uma análise CFD. Aqui, assume-se que o componente se encontra num túnel de vento numérico e a distribuição de pressão no componente é determinada dependendo da distribuição de pressão e velocidade resultante à volta do componente.

Figura 05 - Distribuição da pressão do vento na superfície do componente estrutural

O programa RWIND Simulation permite uma simulação numérica dos fluxos de vento em torno de edifícios ou outros objetos com base numa malha de volume finita 3D. A aplicação gera automaticamente esta malha com tamanhos de elementos que se correlacionam mutuamente ajustado-se ao modelo. Quanto mais próximos os elementos finitos de volume se encontrarem da superfície do modelo, mais fina será a malha gerada. O programa utiliza o gerador de malha OpenFOAM (SnappyHexMesh) para este processo. O solucionador estacionário SimpleFOAM para fluxos turbulentos incompressíveis é utilizado para calcular o fluxo de vento e a pressão do vento na superfície do modelo.

Figura 06 - Diagrama da linha de fluxo

Para o exemplo dado, um cálculo de simulação RWIND produz uma força de vento semelhante a Fw = 41 N. Além desta resultante, o programa também exibe a distribuição de pressão e velocidade do vento em torno do componente estrutural, bem como a distribuição de pressão no componente estrutural.

Palavras-chave

Fluxo de vento Linha de fluxo Carga de vento CFD Análise de fluxo

Referência

[1]   Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions - Wind actions; German version EN 1991-1-4:2005 + A1:2010 + AC:2010

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Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Programa autónomo

Programa autónomo para simulações numéricas de fluxos de vento em edifícios ou outros objetos. As cargas de vento atuantes nestes objetos podem ser importadas para os programas RFEM / RSTAB para a realização de análises estáticas e dinâmicas.

Preço de primeira licença
2.690,00 USD