MÓDULO 1 Projeto e dimensionamento de estruturas … · 1 Prof. Dr. Alex SanderClemente de Souza Projeto e Dimensionamento de Estruturas metálicas e mistas de aço e concreto Projeto

1Prof. Dr. Alex Sander Clemente de Souza

Projeto e Dimensionamento de Estruturas metálicas e

mistas de aço e concreto

Projeto e Dimensionamento de Estruturas metálicas e

mistas de aço e concreto

MÓDULO 1

Projeto e dimensionamento de estruturas metálicas em perfis

soldados e laminados


Ação do Vento nas Estruturas

segundo a NBR - 6123/1988

Ação do Vento nas Estruturas

segundo a NBR segundo a NBR -- 6123/19886123/1988


Vento Movimento das massas de ar, decorrente

das diferenças de pressões na atmosfera.

Produz forças nas edificaçõesque causam esforços nos seus elementos

ventocaráter aleatório

Intensidade

Duração

Direção

Ação do VentoAção do VentoIntrodução


Ação do Vento nas Edificações

Aspectos Meteorológicos

Aspectos Aerodinâmicos

Velocidade do Vento

Forma da Edificação

Ação do VentoAção do VentoIntrodução


Característica mais importante para determinaçãodas forças devidas ao vento nas estruturas

Velocidade básica

Velocidade característica

Velocidade de referência Medida do vento natural em estações meteorológicasIsopletas

Medida em terreno plano sem obstáculo a 10m de altura

Velocidade nas proximidades da estrutura É influenciada pelas característica da estrutura e da vizinhança

Ação do VentoAção do VentoVelocidade do

vento


Isopletas da Velocidade Básica


• Local da edificação (Fortaleza, São Paulo, Porto Alegre etc.)

• Dimensões da edificação

• Tipo de terreno (plano, aclive, morro, etc.)

• Rugosidade do terreno (tipo e altura dos obstáculos à passagem do vento)

• Tipo de ocupação da edificação

Velocidade Característica

Fatores intervenientes

Vk = Vo. S1

. S2. S3

Vo = Velocidade Básica

S1 = Fator Topográfico

S2 = Fator Rugosidade do Terreno

S3 = Fator Estatístico


vento


Fator Topográfico (S1)

• Considera os efeitos das variações do relevo do terreno onde a edificação será construída.

– Considera o aumento ou a diminuição da velocidade básica devida a topografia do terreno.

– Considera a aproximação ou o afastamento das linhas de fluxo do vento.


• A +BR 6123 considera basicamente três situações:

Terrenos Planos S1 = 1,0

Vales Protegidos S1 = 0,9

Morros e Taludes S1 = variável


vento



Fator Topográfico (S1)

131,0)d

z5,2(0,1)z(S45

1)3(tg)d

z5,2(0,1)z(S173

0,1)z(S3

1o

o1

oo

1o

≥⋅−+=→≥θ

≥−θ−+=→≤θ≤

=→≤θ


vento


Fator de Rugosidade do Terreno (S2)

• Considera as particularidades da edificação:

– Rugosidade média do terreno - obstáculos

– Dimensões da edificação

– Altura em ralação ao solo


Rugosidade do terreno

• A NBR 6123 cinco categorias de terreno

– Categoria I

– Categoria II

– Categoria III

– Categoria IV

– Categoria V


vento




Categorias de terrenoCategoria I

Categoria II

Superfícies lisas de grandes dimensões, com mais de 5 km de extensão, medida em direção e sentido do vento incidente

• Terrenos abertos em nível ou aproximadamente em nível, com poucos obstáculos isolados, tais como árvores e edificações baixas. Exemplos: zonas costeiras planas, pântanos com vegetação rala, campos de aviação,fazendas sem sebes ou muros

• A cota média dos obstáculos é considerada inferior ou igual a 1,0 m


vento




Categorias de terrenoCategoria III• Terrenos planos ou ondulados com obstáculos, tais como sebes e muros,

poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esparsas.

• Exemplos:casas de campo e fazendas, subúrbios a considerável distância do centro

Categoria IV• Terrenos cobertos por obstáculos numerosos e poucos espaçados, em zona

florestal, industrial ou urbanizada.

• Exemplos: zonas de parques e bosques com muitas árvores, cidades pequenas e seus arredores, subúrbios densamente construídos, áreas industriais plena ou parcialmente desenvolvidas

• A cota média dos obstáculos é considerada igual a 10 m


vento




Categorias de terrenoCategoria V

• Terrenos cobertos por obstáculos numerosos, grandes, altos e poucos espaçados.

• Exemplos:

– florestas com árvores altas

– centros de grandes cidades

– complexos industriais bem desenvolvidos

• A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual ou superior a 25 m.


vento


• Estão diretamente relacionadas com o turbilhão que deveráenvolver toda a edificação.

– Quanto maior for a edificação maior deverá ser a rajada para envolvê-la e menor será a velocidade média.

• A norma define três classes de edificações

– Classe A

– Classe B

– Classe C

Dimensões da Edificação




vento


Classes da Edificação



Classe A: todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e peças individuais de

estruturas sem vedações. Toda edificação ou parte dela na qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal não exceda 20m.

Classe B:toda edificação ou parte dela para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal esteja entre 20 e 50m.

Classe C:toda edificação ou parte dela para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal exceda 50m.


vento



Categoria

Z I II III IV V

(m) Classe Classe Classe Classe Classe

A B C A B C A B C A B C A B C

≤ 5 1,06 1,04 1,01 0,94 0,92 0,89 0,88 0,86 0,82 0,79 0,76 0,73 0,74 0,72 0,67

10 1,10 1,09 1,06 1,00 0,98 0,95 0,94 0,92 0,88 0,86 0,83 0,80 0,74 0,72 0,67

15 1,13 1,12 1,09 1,04 1,02 0,99 0,98 0,96 0,93 0,90 0,88 0,84 0,79 0,76 0,72

20 1,15 1,14 1,12 1,06 1,04 1,02 1,01 0,99 0,96 0,93 0,91 0,88 0,82 0,80 0,76

30 1,17 1,17 1,15 1,10 1,08 1,06 1,05 1,03 1,00 0,98 0,96 0,93 0,87 0,85 0,82

40 1,20 1,19 1,17 1,13 1,11 1,09 1,08 1,06 1,04 1,01 0,99 0,96 0,91 0,89 0,86

50 1,21 1,21 1,19 1,15 1,13 1,12 1,10 1,09 1,06 1,04 1,02 0,99 0,94 0,93 0,89

60 1,22 1,22 1,21 1,16 1,15 1,14 1,12 1,11 1,09 1,07 1,04 1,02 0,97 0,95 0,92


vento




vento

• z = altura acima do terreno

• Fr = fator de rajada (sempre categoria II – classe b)

• b = parâmetro da classe da edificação

• p = parâmetro meteorológico

Classes Categoria zg (m) Parâmetro A B C

I 250 b p

1,10 0,06

1,11 0,065

1,12 0,07

II

300

b Fr

p

1,00 1,00 0,085

1,00 0,98 0,09

1,00 0,95 0,10

III 350 b p

0,94 0,10

0,94 0,105

0,93 0,115

IV 420 b p

0,86 0,12

0,85 0,125

0,84 0,135

V 500 b p

0,74 0,15

0,73 0,16

0,71 0,175

p

r

zFbS

⋅=102


• Está relacionado com a segurança da edificação

– conceitos probabilísticos

– tipo de ocupação da edificação

• A NBR 6123 estabelece como vida útil da edificação o período de 50

anos e uma probabilidade de 63% da velocidade básica ser excedida

pelo menos um vez neste período.

Fator Estatístico (S3)



vento


GRUPO DESCRIÇÃO S3

1

Edificação cuja ruína total ou parcial podeafetar a segurança ou possibilidade de socorroa pessoas após uma tempestade destrutiva(hospitais, quartéis de bombeiros e de forçasde segurança, centrais de comunicação, etc.).

1,10

2Edificações para hotéis e residências.Edificações para comércio e indústria comalto fator de ocupação.

1,00

3Edificações e instalações industriais combaixo fator de ocupação (depósitos, silos,construções rurais, etc.)

0,95

4 Vedações (telhas, vidros, painéis de vedação,etc.).

0,88

5 Edificações temporárias. Estruturas dosGrupos 1 a 3 durante a construção.

0,83

Determinação do Fator Estatístico (S3)


vento


Pressão obstruçãoTeorema da Conservação da Massa - Mecânica dos fluidos

Fluído IncompreensívelRegime de Escoamento Permanente

Teorema da conservação de massa e Teorema de Bernoulli

.2

1 2 constgzPV =++ ρρ

V1

A1

ρρρρ1

Seção 1 V2

A2

ρρρρ2

Seção 2

222111 VAVA ρ=ρ

A soma das pressões estática e piezométrica é constante

Ação do VentoAção do VentoPressão estática

do vento


V2=0

P=P2

V=V3

P=P3

V=Vk

P=P1

(1)

(2)

(3)

Aplicando o teorema de Bernoulli entre os pontos (1) e (2) e desprezando-se a pressão piezométrica

12

222

12 PV

2

1PP)0(

2

1PV

2

111 +ρ=→+ρ=+ρ

qPV2

1PPP 2

k12 =∆→ρ=∆=− 42 m/Ns226,1=ρ

)/(613,0 22 m�Vq k=

Sólido

(1)

(2)

(3)

Perpendicular a superfície

Ação do VentoAção do VentoPressão estática

do vento


Coeficiente de Pressão externa Cpe

V2=0

P=P2

V=V3

P=P3

V=Vk

P=P1

(1)

(2)

(3)

Aplicando o teorema de Bernoulli entre os pontos (1) e (3) e desprezando-se a pressão piezométrica

23

2k233

231

2k V

2

1V

2

1PPPV

2

1PV

2

1ρ−ρ=−→+ρ=+ρ

Sólido

(1)

(2)

(3)

( )23223 VV

2

1PP K −ρ=−

−ρ=∆

2

232

K

KV

V1V

2

1P

−=∆

2

23

KV

V1qP

−=

2

23

peKV

V1C qCP pe=∆

Perpendicular a superfícieSobrepressão ou sucção

Ação do VentoAção do VentoCoeficientes de

pressão


Coeficiente de Pressão externa Cpe

Variação ponto a ponto do Cpe Valores médios Ce (Coef. De Forma)

Ensaios -Túnel

de vento


pressão


Coeficientes de pressão externa para paredes de edificações de planta

retangular- /BR 6118

Vento 0oo

A3 e B3

a/b =1 : mesmo de A2 e B2a/b >2 : Ce = - 0,21 <a/b<2 : interpolar


pressão


Coeficientes de pressão externa para telhados duas águas de edificações

de planta retangular – /BR 6118

Vento 0o o em I e J

a/b =1 : mesmo de F e Ha/b =2 : Ce = - 0,2


pressão


E se tiver aberturas ?


pressão


Coeficientes de pressão interna - Cpi

vKAQ ρ=ρ

∆−∆= ie PP2

v

Sobrepressão interna

Cpi>0

Sucção interna

Cpi<0

Determinado em função

da permeabilidade da

edificação

vazão


pressão



Permeabilidade da edificação

� Elementos impermeáveis

� índice de permeabilidade

�Abertura dominante


pressão

superfície

aberturas

A

AI p =

Abertura com área igual ou maior a

soma das demais.



1 Duas faces opostas permeáveis e a demais impermeáveisVento perpendicular a face permeável............Cpi = +0,2Vento perpendicular a face impermeável............Cpi = - 0,3

2 Quatro faces igualmente permeáveis Cpi = -0,3 ou Cpi = 0 ( usar o mais nocivo)

3 Abertura dominante em uma das faces e as demais com igual permeabilidade

3.1 Abertura dominante a barlavento3.2Abertura dominante a sotavento3.3 Abertura dominante paralela ao vento


pressão



3 Abertura dominante em uma das faces e as demais com igual permeabilidade

3.1 Abertura dominante a barlavento – determinado em função da relação entre a área da abertura dominante (Aad) e a soma das aberturas succionadas nas outras faces (Aas).

+0,86,0

+0,63,0

+0,51,0

+0,31,5

+0,11,0

CpiAad/Aas

Valores de Cpi – abertura dominante a barlavento


pressão


Coeficientes de pressão interna - Cpi3 Abertura dominante em uma das faces e as demais com igual permeabilidade

3.2 Abertura dominante a sotavento – igual ao Ce da face de sotavento que contém a abertura

3.3 Abertura dominante paralela ao vento

-0,9>3

-0,81,5

-0,71,0

-0,60,75

-0,50,5

-0,40,25

CpiAad/Aase(total)

Valores de Cpi – abertura dominante a sotaventoEm área de alta sucção externa


pressão


O efeito do vento nas varias partes de uma edificaçãodepende de sua forma geométrica, ou seja, da sua aerodinâmica

Os coeficientes aerodinâmicos variam ponto a ponto nas estruturas e podem ser determinados em ensaios de túnel de vento a NBR 6123 adota

valores médios

ie PPP −−−−====∆∆∆∆

Pressão em uma superfície da estrutura

(((( )))) qCCP pipe −−−−====∆∆∆∆

Força resultante

Cpe - Coeficiente de pressão externo

Cpi - Coeficiente de pressão interno (função das aberturas)

Ação do VentoAção do VentoForça do Vento


Coeficientes de arrasto

Força global do vento sobre uma edificação

eaa qACF ====

(Força de arrasto)onde

q : pressão de obstrução

Ae : área da superfície na qual o

vento atua

Ca : coeficiente de arrasto

�Corpos de seção constante ou fracamente variável�Planta retangular�Vento perpendicular as fachadas

Aplicação prática

Ação do vento em edifícios de andares múltiplos

Torres

Estruturas isoladas


Arrasto


Determinação do Cavento não turbulento

� Dimensões da edificação� Regime de escoamento do vento

�Turbulento �Não Turbulento

Vento não turbulento

Ausência de obstruções

Campos abertos e planos


Arrasto


Vento turbulento

Grandes cidadescategorias IV e V

Função dos obstáculos na vizinhança da estrutura

Determinação do Cavento turbulento

Condições para vento turbulento


Arrasto


O regime do vento para uma edificação pode ser considerado de alta

turbulência quando sua altura não não excede a duas vezes a altura

média das edificações da vizinhança estendendo-se estas, na direção do

vento incidente a uma distância mínima de :

• 500 m para edificação até 40 m de altura




Condições para consideração de vento turbulento


Arrasto


Excentricidade da força de arrasto


Arrasto

Edificações sem efeito de vizinhança

Edificações com efeito de vizinhança

a075,0ea =

a15,0ea =

b075,0eb =

b15,0eb =

ct

a

b

ea

eb

Efeitos da excentricidade:

Torção no edifício e necessidade de análise tridimensional

Condições de vizinhança:

Obstáculos naturais ou artificiais. Efeitos de difícil avaliação


Exemplo de determinação de ação do vento em

cobertura

Exemplo de determinação de ação do vento em

cobertura

Ação do VentoAção do VentoExemplos


Dimensões da edificação

Elevação lateral

Elevação Frontal

Ação do VentoAção do VentoExemplo

cobertura


Dimensões da edificação


cobertura


• Dados gerais

– Velocidade básica

• São Carlos: v0=40m/s

– Fator topográfico S1=1

• Terreno plano S1=1

– Fator de rugosidade do terreno S2

• Categoria IV – área industrial parcialmente desenvolvida

• Classe A – vento longitudinal 0o (dimensão < 20m)

• Classe B – vento transversal 900 (dimensão entre 20m e 50m)

• Altura sobre o terreno h=6,65m


cobertura


• Velocidade característica

– Fator de rugosidade do terreno S2

Categoria

Z I II III IV V

(m) Classe Classe Classe Classe Classe

A B C A B C A B C A B C A B C

≤ 5 1,06 1,04 1,01 0,94 0,92 0,89 0,88 0,86 0,82 0,79 0,76 0,73 0,74 0,72 0,67

10 1,10 1,09 1,06 1,00 0,98 0,95 0,94 0,92 0,88 0,86 0,83 0,80 0,74 0,72 0,67

15 1,13 1,12 1,09 1,04 1,02 0,99 0,98 0,96 0,93 0,90 0,88 0,84 0,79 0,76 0,72

20 1,15 1,14 1,12 1,06 1,04 1,02 1,01 0,99 0,96 0,93 0,91 0,88 0,82 0,80 0,76

30 1,17 1,17 1,15 1,10 1,08 1,06 1,05 1,03 1,00 0,98 0,96 0,93 0,87 0,85 0,82

40 1,20 1,19 1,17 1,13 1,11 1,09 1,08 1,06 1,04 1,01 0,99 0,96 0,91 0,89 0,86

h=6,65m

S2=0,82 - vento 00

S2=0,79 – Vento 900

• Fator estatístico S3=1 (industria com alto fator de ocupação)


cobertura


– Velocidade característica Vk

– Pressão estática do vento

Vk = Vo. S1

. S2. S3 = 40

. 1 . 0,82 . 1 = 32,8m/s

Vk = Vo. S1

. S2. S3 = 40

. 1 . 0,79 . 1 = 31,6m/s

Vento 00

Vento 900

)m/N(V613,0q 22k====

)m/kN66,0(m/N6598,32613,0q 222 =•=

)m/kN61,0(m/N6126,31613,0q 222 =•=

Vento 00

Vento 900


cobertura


– Coeficiente de pressão externa (Paredes)

07,8

13,215

32

33,015

5

≅

==

==

θb

a

b

h

Vento 0oo

A3 e B3

a/b =1 : mesmo de A2 e B2a/b >2 : Ce = - 0,21 <a/b<2 : interpolar


cobertura


– Coeficientes de pressão externa (Paredes)


cobertura


– Coeficiente de pressão externa (Cobertura)

I e J

a/b =1 : mesmo de F e Ha/b =2 : Ce = - 0,2

07,8

13,215

32

33,015

5

≅

==

==

θb

a

b

h

6 Ações do vento6 Ações do ventoExemplo

cobertura


– Coeficientes de pressão externa (Cobertura)


cobertura


• Ação do vento

– Coeficientes de pressão interna

– a) Quatro faces igualmente permeáveis

• Cpi =-0,3 ou Cpi=0 (usar o mais nocivo)

– b)abertura dominante a barlavento (vento 00)

3,0Cpi5,1Aas

Aad+=→=

estimado


cobertura


– Composição dos coeficientes de pressão

1 vento 0o com Cpi=-0,3 2 vento 0o com Cpi=0

4 vento 0o com Cpi=+0,3

+0,3

-0,5-0,5

-0,5-0,5

-0,8-0,8

-0,8-0,8

-1,1-1,1

-1,1-1,10,10,1

-0,2

-0,2 -0,2

-0,2

3 vento 0o com Cpi=-0,30,10,1


cobertura


– Composição dos coeficientes de pressão

5 vento 90o com Cpi=0 6 vento 90o com Cpi=-0,3

-0,1-0,82

-0,2+1,0

-0,4-1,12

-0,5+0,7


cobertura


– Composição dos coeficientes de pressão: Críticos

Vento 2 – vento 0o com Cpi=+0,3

+0,3

-1,1-1,1

-1,1-1,1

Vento 1 – vento 0o com Cpi=-0,3

0,10,1

-0,2

-0,2 -0,2

-0,2

0,10,1


cobertura


– Composição dos coeficientes de pressão: Críticos

Vento 3 – vento 90o com Cpi=0

-0,4-1,12

-0,5+0,7


cobertura


• Vento 1 vento 0o com Cpi=-0,3, q=0.66kN/m

0,4 0,40,4 0,4 0,45

0,2

0,4 0,40,4

0,40,2

0,26kN/m0,26kN/m

0,10,1

-0,2

-0,2 -0,2

-

0,2

0,10,1

4,05,1466,0)]3,0(2,0[)( =⋅⋅⋅−−−=⋅⋅⋅−= terçaportico ddqcpicpep


cobertura


• Vento 2 vento 0o com Cpi=+0,3 , q=0.66kN/m

4,35 4,354,35 4,35 5,0

2,18

4,354,35 4,35

4,352,18

2,9kN/m2,9kN/m

+0,3

-1,1-1,1

-1,1-1,1


cobertura


• Vento 3 vento 90o com Cpi=0 , q=0.61kN/m

4,0 4,04,0 4,0 3,2

2,0

1,471,47

1,470,73

1,47

1,22kN/m1,71kN/m

-0,4-1,12

-0,5+0,7


cobertura


15m

30m

50m

DV 1

DV 2

Velocidade básica: V0 = 45m/s

Fator topográfico: S1= 1,0 (terreno plano)

Fator estatístico: S3 = 1,0 (alto fator de ocupação)

Fator de rugosidade do terreno S2 =?Classe da edificação: Classe B

Categoria do terreno: categoria II

Dividir a estrutura cinco em trechos

com altura de 10m

Ação do VentoAção do VentoExemplo Edifícios


1

2

3

5

4

10m

20m

30m

40m

50mtrecho H (m) S2 0321k vsssv ====

(m/s)

2kV613,0q ====

(N/m2)

1 10 0,98 44,1 1192

2 20 1,04 46,8 1342

3 30 1,08 48,6 1447

4 40 1,11 49,95 1529

5 50 1,13 50,85 1585

Fator de rugosidade do terreno S2Pressão de obstrução



Coeficiente de arrasto baixa turbulência

Vento direção 1

m50hm15m30 21 ============ ll

67,1h

212

1 ========ll

l

Vento direção 2

33,3h

5,012

1 ========ll

l

Ca =1,35

Ca =1,0

15m

30mDV 1

DV 2

m50hm30m15 21 ============ ll



Força de arrastoVento direção 1

a=15m

b=30mDV 1

DV 2

eaa qACF ====

qbCq aa ====

trecho q (kN/m2) b(m) qa (k+/m)

1 1,19 48,2

2 1,34 54,27

3 1,45 58,73

4 1,53 61,97

5 1,59

30

64,40

Distribuição da ação do vento (k+/m)

64,40

61,97

58,73

54,27

48,2

Ca =1,35



Força de arrastoVento direção 2

a=15m

b=30mDV 1

DV 2

eaa qACF ====qaCq aa ====

Distribuição da ação do vento (k+/m)

23,85

22,95

21,75

20,10

17,85

trecho q (kN/m2) b(m) qa (k+/m)

1 1,19 17,85

2 1,34 20,10

3 1,45 21,75

4 1,53 22,95

5 1,59

15

23,85

Ca =1,0


Documents

MÓDULO 1 Projeto e dimensionamento de estruturas … · 1 Prof. Dr. Alex SanderClemente de Souza Projeto e Dimensionamento de Estruturas metálicas e mistas de aço e concreto Projeto