Influência das direções do vento nos resultados da simulação de vento e do cálculo estrutural

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

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Artigo técnico

A direção do vento desempenha um papel crucial na formação dos resultados das simulações da dinâmica de fluidos computacional (CFD) e no cálculo estrutural de edifícios e infraestruturas. É um fator determinante para avaliar como as forças do vento interagem com as estruturas, influenciando a distribuição das pressões do vento e, consequentemente, as respostas estruturais. A compreensão do impacto da direção do vento é essencial para o desenvolvimento de projetos que resistam a diferentes forças do vento, garantindo assim a segurança e a durabilidade das estruturas. Dito de uma forma simples, a direção do vento ajuda a ajustar as simulações CFD e a orientar os princípios do dimensionamento estrutural para obter um desempenho e uma resistência ideais contra os efeitos induzidos pelo vento.

1. Introdução

A direção do vento desempenha um papel crucial nas simulações da dinâmica de fluidos computacional (CFD) e no cálculo estrutural de edifícios, pontes, veículos e outros objetos sujeitos a forças aerodinâmicas. Quando engenheiros civis e engenheiros de estruturas trabalham no desenvolvimento de uma estrutura, é essencial compreender a influência da direção do vento para garantir a estabilidade, a segurança e o desempenho (Figura 01).

Nas simulações CFD, a direção do vento determina como o ar flui em torno de uma estrutura, afetando a distribuição da pressão, o arrasto, a sustentação e outras forças aerodinâmicas. Estas simulações permitem aos engenheiros de estruturas prever como as alterações na direção do vento podem originar diferentes respostas na estrutura, influenciando, assim, o seu dimensionamento para resistir a diferentes condições de vento. Por exemplo, a forma de um edifício pode ser otimizada para minimizar as cargas de vento em condições de vento comuns ou uma ponte pode ser dimensionada para evitar a ressonância com os ventos predominantes.

Do ponto de vista do planeamento estrutural, o efeito da direção do vento é um fator essencial na determinação das trajetórias de carga e dos requisitos de resistência de diferentes elementos estruturais. As estruturas são frequentemente dimensionadas para resistir às cargas de vento mais rigorosas que podem ser esperadas durante o seu tempo de vida útil. Isso envolve a compreensão dos padrões de vento predominantes, incluindo direção, velocidade e frequência, para determinar a orientação, a forma e o reforço estrutural.

Além disso, a direção do vento pode afetar a ventilação, a eficiência energética e até os níveis de conforto no interior dos edifícios, influenciando, por seu lado, os aspetos arquitetónicos do planeamento estrutural. Em alguns casos, também pode ter impacto sobre a erosão do solo em torno da estrutura, afetando as fundações e a estabilidade. Aqui estão alguns dos principais efeitos da direção do vento na simulação de vento:

2. Simulações CFD

  • Análise aerodinâmica: as simulações CFD permitem a análise do fluxo de ar em torno das estruturas. Alterar as direções do vento afeta a distribuição da pressão em torno de um edifício ou de uma estrutura.
  • Modelação de turbulência: diferentes direções do vento podem causar diferentes efeitos de turbulência, os quais podem ser analisados e modelados através de CFD.
  • Esteira: a esteira é uma zona de fluxo perturbado por trás da estrutura que pode ser muito sensível à direção do vento. Isto tem consequências para estruturas situadas a jusante ou para o dimensionamento de conjuntos de edifícios onde o fluxo de ar entre as estruturas necessita de ser considerado.
  • Ventilação e qualidade do ar: a direção do vento influencia a ventilação natural e a distribuição da poluição em torno dos edifícios e o CFD pode ajudar a analisar esses efeitos.
  • Validação e calibração: para que as simulações CFD sejam eficazes, estas necessitam de ser validadas e calibradas com medidas do mundo real. A compreensão das direções predominantes do vento é crucial para este processo.

3. Cálculo estrutural

  • Cálculo de carga: a direção do vento afeta a carga de vento nas estruturas. Os engenheiros de estruturas têm de considerar os piores cenários, envolvendo várias direções do vento, para garantir que as estruturas suportam as cargas mais elevadas.
  • Resposta dinâmica: as estruturas respondem de forma diferente a cargas de vento provenientes de diferentes direções, o que afeta a sua resposta dinâmica. A compreensão destas respostas é crucial para o dimensionamento de estruturas estáveis.
  • Desprendimento de vórtices: dependendo da direção do vento, pode ocorrer o desprendimento de vórtices, causando oscilações em estruturas, especialmente em estruturas esbeltas, como chaminés e torres.
  • Fenómenos aeroelásticos: em estruturas como pontes, a direção do vento pode originar fenómenos aeroelásticos, tais como vibrações, que podem ser graves se não forem mitigados durante o dimensionamento.

4. Interação entre direção do vento, CFD e cálculo estrutural

  • Abordagem interdisciplinar: é frequente a colaboração entre arquitetos, engenheiros de estruturas e analistas de CFD, utilizando os resultados de CFD para a tomada de decisões de cálculo estrutural.
  • Otimização do planeamento: as simulações CFD podem ajudar a otimizar a forma e a orientação dos edifícios para minimizar as cargas de vento e melhorar o desempenho aerodinâmico.
  • Dimensionamento de fachadas: as informações sobre a direção do vento e a distribuição de pressões são utilizadas para dimensionar fachadas resistentes a diferentes cargas de vento.
  • Conforto para os peões: os estudos também garantem que as condições de vento ao nível do solo não comprometem o conforto e a segurança para os peões.

5. Caso de estudo

Como exemplo, é escolhida uma forma de edifício simples (Figura 02) para avaliar o efeito da direção do vento sobre o mesmo. Os valores de Fd, Fx, Fy e Fz são relativos às forças de arrasto totais, à força na direção x, à força na direção y e à força na direção z, assim como Cp,max,pos e Cp,min,neg são relativos à pressão positiva máxima do vento e à pressão mínima do vento (Figura 03 e Tabela 01).

Wind Directions(θ) Fd (kN) Fx (kN) Fy (kN) Fz (kN) Cp,max,pos Cp,min,neg
θ=0 199,39 195,12 -14,43 38,40 0,97 -1,29
θ=15 184,28 180,34 10,88 36,30 0,97 -2,07
θ=30 236,40 230,56 -33,69 39,91 0,99 -4,39
θ=45 240,63 237,00 0,912 41,63 1,00 -3,84
θ=60 236,71 230,62 35,72 39,62 0,99 -4,48
θ=75 178,40 172,40 -28,80 35,74 0,98 -1,99

6. Conclusão

A direção do vento é um componente fundamental no cálculo e dimensionamento de estruturas. Através de simulações CFD, os engenheiros podem prever e mitigar os efeitos do vento, adaptando os seus projetos para resistir à natureza instável dos padrões de vento. À medida que ampliamos os limites da arquitetura e da engenharia, a harmonização da estrutura com a direção do vento através de uma simulação avançada torna-se uma prova do nosso crescente domínio sobre as forças que moldam o ambiente construído. No atual estudo de caso, foi demonstrado que o ângulo de 45° é o cenário mais crítico em relação às forças de arrasto.

O impacto da direção do vento não se limita apenas às pressões externas; também afeta o comportamento aerodinâmico, incluindo o desprendimento de vórtices e zonas de esteira, o que pode induzir cargas oscilatórias. A compreensão pormenorizada dos efeitos dinâmicos é fundamental para garantir a integridade estrutural e o estado limite de utilização de edifícios, pontes e outras infraestruturas. Portanto, ao incorporar a variabilidade da direção do vento nas simulações CFD, os engenheiros podem prever os possíveis cenários que podem afetar uma estrutura ao longo da sua vida útil. Isto resulta em estruturas mais robustas e eficientes para suportar as instabilidades do vento, garantindo segurança, desempenho e durabilidade.

Autor

Mahyar Kazemian, M.Sc.

Mahyar Kazemian, M.Sc.

Marketing e engenharia de produto

O Sr. Kazemian é responsável pelo desenvolvimento de produtos e marketing da Dlubal Software, em particular do programa RWIND 2.

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  • Atualizado 20 de dezembro de 2023

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