A acção do vento em edifícios altos tem sido estudada nas últimas décadas por diversos investigadores. Como consequência, têm surgido resultados e modelos importantes com aplicação prática no domínio do projecto.
Esta acção é geralmente muito complexa e de difícil descrição. O máximo carregamento a que uma estrutura está sujeita durante o seu período de vida útil e as sensações que os seus movimentos podem provocar nos seus ocupantes, dependem das propriedades estatísticas da velocidade do vento, direcção e local, da forma da estrutura, orientação, bem como da rugosidade ou topografia do terreno, além das características dinâmicas do edifício ou mesmo da interferência dos edifícios vizinhos.
A descrição matemática deste fenómeno exige consoante o objectivo do estudo, a adopção de várias hipóteses simplificativas quer nas teorias de mecânica de fluidos quer na dinâmica estrutural. Estas duas ciências não são dissociáveis no domínio dos edifícios altos. A esbelteza e vulnerabilidade destes edifícios a cargas horizontais originam fenómenos aerodinâmicos e aeroelásticos.
A necessidade de prever o comportamento de uma estrutura alta sujeita à acção do vento tem conduzido ao desenvolvimento de vários métodos e ferramentas de análise. Umas caracterizadas por rapidez, outras por qualidade nos resultados, outras ainda pela flexibilidade e acessibilidade com que podem ser utilizadas obrigam a um conhecimento no mínimo genérico das potencialidades de cada uma, já que raramente são substituíveis devendo complementar-se em todo o percurso de projecto de um edifício. Por isto, e não obstante da utilização dos métodos e ferramentas abordadas, revela-se de facto interessante no panorama de estudo prévio, possuir uma ferramenta que auxilie a definição das propriedades geométricas e dinâmicas de um edifício.
138 Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil A complexidade dos fenómenos e da descrição matemática das flutuações e interacções acção-resposta limita geralmente grande parte das abordagens. Por isto, todas as abordagens devem ser assentes num conjunto de postulados concretos e cientes das suas limitações. Neste contexto, a introdução de conceitos e teorias já largamente estudados no domínio da aerodinâmica de asas revela-se interessante. As hipóteses simplificativas e o comportamento bem caracterizado da acção do vento em torno das asas deve ser tido em conta quando adoptado na análise em edifícios.
Além desta análise é necessário introduzir outros fenómenos característicos unicamente de “bluff-bodies” e da escala dos edifícios. As teorias da libertação de turbilhões e efeitos da viscosidade visam complementar as teorias iniciais dos campos potenciais e irrotacionais, característicos dos métodos de painéis de análise em asas.
Os principais regulamentos internacionais apresentam abordagens bastante idênticas, com base nos métodos mais vulgares para descrição matemática da acção do vento e resposta do edifício na direcção do escoamento. Os métodos dos factores de rajada são as ferramentas mais vulgares e acessíveis para predição da interacção do escoamento com o edifício. A sua aplicação nos regulamentos diverge nos factores de caracterização da velocidade média, espectro e intensidade de turbulência adoptados por cada código. A divergência nos valores obtidos da aplicação de cada regulamento é considerável, na ordem dos 20%. É por isso importante perceber a origem destes valores e definir parâmetros equivalentes nos vários códigos, já que poderão existir consequências estruturais, de conforto ou mesmo financeiras.
A direcção perpendicular à acção de vento e a torção dos edifícios não se encontra ainda bem descrita por estes métodos. Neste aspecto, ferramentas como o túnel de vento revelam-se mais fiáveis. Contudo, existem já algumas abordagens desenvolvidas. Estas abordagens pecam geralmente na flexibilidade da sua aplicação, uma vez que estão geralmente associadas a formas de secções ou dependentes de resultados experimentais. Nesta direcção os fenómenos revelam-se muito mais complexos e as teorias de bandas utilizadas na direcção do vento perdem a validade. O Eurocode 1: Actions on structures - Part 1-4: General actions -Wind actions apresenta por exemplo algumas expressões para quantificação de alguns dos fenómenos na direcção perpendicular do vento.
Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil 139 Da acção do vento sobre um edifício, resultam geralmente condicionantes em serviço de grande importância no projecto. As vibrações estruturais que se desenvolvem principalmente nas duas direcções principais devem ser analisadas nas suas três principais grandezas, deslocamentos, velocidades e acelerações. Se o deslocamento assume especial importância para a avaliação da deformabilidade dos materiais utilizados nos edifícios, a velocidade e acelerações assumem geralmente grande preponderância no conforto dos seus ocupantes. Vários métodos geralmente gráficos e limites admissíveis têm sido propostos nos últimos anos. Alguns regulamentos apresentam algumas linhas de cálculos auxiliares com base nesses modelos.
Apesar da abordagem bastante simplificativa e preliminar, o modelo de simulação proposto apresenta boa concordância com os valores referidos nas referências bibliográficas revelando-se uma ferramenta útil. Esta permite facilmente introduzir alterações geométricas e dinâmicas de forma acessível, não exigindo conhecimentos de maior na área. Contudo, a simplicidade da abordagem exige que o utilizador esteja consciente das suas limitações.
O método dos painéis é um método bastante poderoso na mecânica de fluidos na área da aeronáutica e desde que bem justificado e analisado convenientemente resulta numa ferramenta bastante interessante no domínio da engenharia civil, neste caso no domínio dos edifícios altos. Os resultados revelaram-se assim animadores apesar de ainda exigirem um longo trabalho para construção de uma base matemática mais sólida. Como consequência da sua simplicidade, deixa-se em aberto um longo percurso de investigação com o objectivo de desenvolver esta ferramenta, dotando-a de maior precisão e englobando novas teorias na descrição dos fenómenos.
A análise no domínio do tempo, apesar de matematicamente não acrescentar nada de novo, isto porque a sua ligação ao domínio da frequência encontra-se claramente desvendada nas referências matemáticas de análise de sinais, é importante por permitir uma análise acima de tudo mais intuitiva. Por outro lado, recorde-se que recorrendo a um programa de cálculo largamente utilizado no meio e com uma interface acessível concede ao analista algum à vontade na análise feita. Com recurso a este programa, o analista tem a possibilidade de aplicar as mais diversas opções estruturais no modelo sem com isso condicionar a análise feita com a abordagem proposta, posteriormente interligada pela interface desenvolvida.
140 Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil Com este trabalho encerra-se um ciclo onde se formou um conjunto de informação acima de tudo básica para a Engenharia do Vento, concretamente na sua interacção com os edifícios altos. Esta informação é essencial para futuras análises e desenvolvimentos na área.
A ferramenta destinada ao apoio ao projecto em fase de concepção que se procurou aqui inicial revela-se promissora num futuro próximo.
A título ilustrativo enumeram-se um conjunto de possíveis objectivos de estudo no futuro:
• Desenvolvimento do modelo de cálculo, procurando descrever o escoamento em torno do edifício através de funções matemáticas mais completas, englobando por exemplo os efeitos da viscosidade do ar em contacto com a superfície do edifício; • Desenvolvimento de um modelo matemático para predição do efeito de asa nos
edifícios, englobando este fenómeno com as oscilações introduzidas pelo efeito do desprendimento de vórtices na esteira do edifício.
• Análise da influência da variabilidade do vento em torno do edifício de acordo com um diagrama de ventos predominantes;
• Análise de efeitos locais do vento em torno do edifício, i.e. os seus efeitos sobre o revestimento bem como o ruído provocado pelo vento nos pisos mais elevados e sujeitos a maiores velocidades;
• Introdução no modelo de cálculo a modelação e optimização de sistemas de amortecimento enumerados neste documento;
• Desenvolvimento da interface do programa, introduzindo um modelo tridimensional à semelhança dos modelos de CFD, sem nunca esquecer o âmbito da análise pretendida com esta ferramenta;
• Comparar os resultados obtidos com modelos experimentais em túnel de vento, variando geometrias e alturas de edifícios, procurando consolidar um conjunto de dados que permita o desenvolvimento de trabalhos e análises futuras.
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