Descrição
Normas existentes como EN 1991-1-4 [1], ASCE/SEI 7-16 e NBC 2015 fornecem parâmetros de carga de vento, incluindo o coeficiente de pressão do vento (Cp), para formas estruturais básicas. No entanto, um desafio chave reside em determinar esses parâmetros de maneira mais eficiente e precisa, em vez de depender de abordagens baseadas em fórmulas, que muitas vezes são demoradas e complexas, encontradas nas normas.
Um dos principais aspectos da simulação de CFD é selecionar configurações precisas e compatíveis, como o modelo de turbulência, perfil de velocidade do vento, intensidade da turbulência, condições da camada limite e a ordem de discretização. Esses detalhes numéricos, no entanto, não são explicitamente especificados na EN 1991-1-4.
No exemplo de validação atual envolvendo uma estrutura cilíndrica, propomos um conjunto de configurações de CFD recomendadas que são consistentes com o framework do Eurocódigo. Conforme descrito na EN 1991-1-4, a determinação dos valores de Cp baseia-se em fórmulas complexas que variam com o número de Reynolds, o que pode ser simplificado através de abordagens de CFD bem calibradas.
Solução Analítica
As dimensões do cilindro, como mostrado na Figura 1, são projetadas para atingir um número de Reynolds Re= 2*106 com base na Equação 7.15 da EN 1991-1-4. Nessa equação, b representa o diâmetro do cilindro, ν é a viscosidade cinemática do ar (ν=15*10-6 m2/s) e v(ze) denota a velocidade máxima do vento na altura de referência ze:
As pressuposições e configurações de CFD recomendadas, resumidas na Tabela 1, demonstram uma melhor concordância com o coeficiente de pressão Cp e valores de coeficiente de força fornecidos no exemplo do Eurocódigo:
| Velocidade do Vento | V | 30 | m/s |
| Número de Reynolds (Equação 7.15, EN 1991-1-4) | Re | 2*106 | - |
| Altura | L | 1 | m |
| Diâmetro | D | 1 | m |
| Posição da Pressão Mínima/Separação de Fluxo (Tabela 7.12, EN 1991-1-4) | αmin/αA | 80/120 | grau |
| Valor do Coeficiente de Pressão Mínima (Tabela 7.12, EN 1991-1-4) | Cp0,min | -1.9 | - |
| Coeficiente de Pressão de Base (Tabela 7.12, EN 1991-1-4) | Cp0,h | -0.7 | - |
| Razão de Solidez (Equação 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| Esbeltez Efetiva (Tabela 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 1 | - |
| Fator de Efeito de Extremidade (Figura 7.36 - Equação 7.17, EN 1991-1-4) | ψλ - ψλa | 0.6-(0.6-1) | - |
| Coeficiente de Força (Figura 7.28, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 0.55 | - |
| Densidade do Ar | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Modelo de Turbulência | Steady RANS k-ω SST | - | - |
| Viscosidade Cinemática (Equação 7.15, EN 1991-1-4) | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Ordem do Esquema | Segundo | - | - |
| Valor Alvo do Residual | 10-5 | - | - |
| Tipo de Residual | Pressão | - | - |
| Número Mínimo de Iterações | 800 | - | - |
| Camada Limite | NL | 10 | - |
| Tipo de Função de Parede | Aprimorado / Misturado | - | - |
| Intensidade da Turbulência (Melhor Ajuste) | I | 7.5%-15% | - |
Resultados
Finalmente, o contorno de Cp para intensidade de turbulência de 7.5% é mostrado na Figura 2, e o diagrama correspondente para várias intensidades de turbulência é apresentado na Figura 3. Entre os casos testados, uma intensidade de turbulência de I=7.5% demonstra a melhor concordância na previsão do coeficiente médio de pressão do vento.
No entanto, ao considerar outro parâmetro chave, o coeficiente de força Cf,0 (como listado na Tabela 2 e referenciado na Figura 7.28 da EN 1991-1-4), uma intensidade de turbulência de 15% produz resultados que são mais consistentes com o exemplo do Eurocódigo.
| Intensidade da Turbulência (%) | Fd (N) | ρ (kg/m3) | u (m/s) | A (m2) | Cf,0 |
| 1.00 | 253 | 1.25 | 30 | 1 | 0.45 |
| 5.00 | 226 | 1.25 | 30 | 1 | 0.40 |
| 7.50 | 253 | 1.25 | 30 | 1 | 0.46 |
| 10.00 | 257 | 1.25 | 30 | 1 | 0.46 |
| 15.00 | 303 | 1.25 | 30 | 1 | 0.54 |
| 20.00 | 328 | 1.25 | 30 | 1 | 0.58 |
| 25.00 | 361 | 1.25 | 30 | 1 | 0.64 |
| Eurocódigo | - | - | - | - | 0.55 |
Além disso, o modelo de cilindro com as configurações de CFD recomendadas está disponível para download aqui:
