Perfil da velocidade do vento e intensidade da turbulência para determinação de cargas de vento quase estáticas de acordo com o conceito de rajada

Artigo técnico sobre o tema análise estrutural e utilização do software Dlubal

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Artigo técnico

Dependendo da rigidez, da massa e do amortecimento, as estruturas reagem de forma diferente à ação do vento. É feita uma distinção básica entre os edifícios que são propensos a vibrações e os que não são propensos a vibrações.

Geralmente, as estruturas não são consideradas suscetíveis a vibrações se as deformações sob a ação do vento devido à ressonância de rajadas não forem aumentadas em mais de 10 % [2]. Neste caso, a ação do vento variável com o tempo pode ser descrita como uma carga equivalente estática.

Assumindo que as turbulências dentro do fluxo de vento são muito grandes em relação às dimensões do edifício, uma distribuição estática da pressão p na geometria do edifício pode ser calculada com o RWIND Simulation de acordo com o "método quase estacionário" ou o chamado conceito de rajada[3].

Basicamente, é assumido um campo de fluxo estacionário em torno do modelo de análise para a flutuação da velocidade turbulenta ao longo da duração da rajada [3] . A pressão da flutuação na superfície do modelo a partir da turbulência de entrada é, portanto, vista como um estado estacionário ao longo de um determinado período de tempo t. Assim, as flutuações seguem exatamente o curso dos coeficientes de pressão médios cp, média na superfície do modelo.

A pressão induzida pelo vento resultante Δp(t) nas superfícies do modelo depende puramente da velocidade de entrada v (t).

Pressão induzida pelo vento em função do tempo

Δp(t) = 12 · ρ · v2 (t) · cp,mean

ρ densidade do ar
eq Velocidade de entrada
cp, média coeficiente de pressão médio
t Hora

Assim, o valor do vetor de velocidade de entrada v (t) é:

v (t) ² = (vx, média + vx, flutuação (t)) ² + vy, flutuação (t) ² + vz, flutuação (t) ²

Se os termos quadráticos dão apenas uma pequena contribuição, o resultado é um valor efetivo do vetor de velocidade de entrada v (t):

v (t) ² = vx, média ² + 2 ⋅ vx, média ⋅ vx, flutuação (t)

O uso da velocidade de entrada efetiva na equação da pressão induzida pelo vento resulta em:

Δp (t) = 1/2 ⋅ ρ ⋅ vx, média ² [1 + (2 ⋅ vx, flutuação (t))/vx, média ] ⋅ cp, média

Esta transformação mostra que a flutuação da pressão do vento Δp (t) depende apenas da flutuação da velocidade do vento vx, flutuação (t) na direção principal de entrada x.

Se substituir a flutuação de velocidade variável com o tempo vx, flutuação (t) pela flutuação de velocidade máxima vx, flutuação, máx , remove a variabilidade temporal do sistema.

E se comparar o termo vx, flutuação, máx/vx, média como um múltiplo g da intensidade de turbulência Iv (z),

Intensidade de turbulência em função da altitude

Iv(z) = δvvmean (z)

Δeq
desvio padrão da velocidademédia v média
vmédia (z) velocidade média dependendo da altitude
Z altura acima do solo

pode -se descrever o termo entre parêntesis rectos como fator de rajada G(z). A inserção dos termos na equação de carga de vento nominal resulta em:

Carga de vento nominal

W = 12 · ρ · vmean2 (z) · G(z) · cp,mean

ρ densidade do ar
vdizer velocidade média de entrada
G (z) fator de rajada dependendo da altitude
cp, média coeficiente de pressão médio

Onde

Fator de rajada

G(z) = 1 + 2 · g · Iv (z)

g fator para definir a duração da rajada
Iv (z) intensidade de turbulência em função da altitude
Z altura acima do solo

Por exemplo, na EN 1991-1-4, o fator g é utilizado para descrever a duração da rajada 3,5.

O RWIND Simulation calcula os valores médios das pressões pmédias na superfície do modelo dependendo de uma velocidade de entrada vx (z) através de uma solução estacionária das equações RANS utilizando o algoritmo SIMPLEC. Uma vez que os valores médios dos coeficientes de pressão cp, média é baseada na relação entre os valores de pressão média determinados pmédia para a pressão da velocidade máxima do vento não perturbada na altura da cobertura q (altura da cobertura),

cp,média = pmédia / q (altura da cobertura)

é possível utilizar a velocidade de entrada a partir da pressão da velocidade máxima do vento convertida q (z) sobre a altura para determinar as cargas de vento nominais de acordo com o conceito de rajada [1].

v(z) = √(2 ⋅ q(z) / ρ)

Assim, esta velocidade do vento inclui a velocidade média do vento vmédia e a componente de flutuação máxima vflutuação . Neste caso, a intensidade de turbulência da entrada pode ser definida constantemente acima da altura para um valor muito pequeno de cerca de 5 % [4].

Ao considerar os efeitos das forças atuantes em todo o edifício ou em grandes áreas de superfície, este método providencia uma aproximação muito boa para a carga de vento natural [3]. A razão é que os pequenos efeitos de turbulência mascarados pelo cálculo da média atuam apenas em áreas parciais e não têm qualquer efeito perceptível devido à integração global dos valores de força.

Além disso, o conceito reage muito bem mesmo para pequenas áreas parciais com incidência do vento frontal, uma vez que aqui as flutuações de pressão efetiva já estão muito bem registradas no perfil de velocidade de pico do vento [3].

Por outro lado, o sistema resulta numa convergência mais imprecisa quando comparada com a realidade para superfícies com separação de fluxo (parede lateral e traseira). É especialmente nestas zonas que a turbulência induzida pelo edifício "desvanecimento" através do cálculo da média utilizando o conceito de rajada tem um efeito maior do que o efeito de turbulência de entrada contido no perfil de velocidade de entrada.

Autor

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Dipl.-Ing. (BA) Andreas Niemeier, M.Eng.

Engenheiro de produtos e apoio técnico

O Eng.º Niemeier é responsável pelo desenvolvimento dos programas RSTAB, RFEM, RWIND Simulation e pelos módulos para estruturas de membranas. Além disso, tem também funções na garantia de qualidade e apoio ao cliente.

Palavras-chave

Velocidade máxima do vento Velocidade de rajada do vento Velocidade básica do vento Velocidade média do vento Intensidade de turbulência Pressão do vento

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
[2]   Albert, A.: Schneider - Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen, 22. Auflage. Bochum: Bundesanzeiger, 2016
[3]   Kiefer, H: Windlasten an quaderförmigen Gebäuden in bebauten Gebieten, 2003
[4]   Werth, M.: Vergleichende Studie zu Windlastmodellen im Hochbau: Numerische Strömungsberechnung vs. Druckmessungen im Windkanal, 2019

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  • Atualizado 14 de setembro de 2021

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