UNIVERSIDADE CATÓLICA DE SANTOS – UNISANTOS
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS,
ARTES E HUMANIDADES
Curso de Engenharia Civil
Christian César Matos dos Santos
AÇÃO DO VENTO E ESTABILIDADE GLOBAL EM ESTRUTURAS DE
CONCRETO ARMADO
SANTOS
2013
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AÇÃO DO VENTO E ESTABILIDADE GLOBAL EM ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO, Notas de estudo de Engenharia Civil
AÇÃO DO VENTO E ESTABILIDADE GLOBAL EM ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO
Tipologia: Notas de estudo
2014
1 / 50
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UNIVERSIDADE CATÓLICA DE SANTOS – UNISANTOS
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS,
ARTES E HUMANIDADES
Curso de Engenharia Civil
Christian César Matos dos Santos
AÇÃO DO VENTO E ESTABILIDADE GLOBAL EM ESTRUTURAS DE
CONCRETO ARMADO
SANTOS
UNIVERSIDADE CATÓLICA DE SANTOS – UNISANTOS -
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS,
ARTES E HUMANIDADES
Curso de Engenharia Civil
Christian César Matos dos Santos
AÇÃO DO VENTO E ESTABILIDADE GLOBAL EM ESTRUTURAS DE
CONCRETO ARMADO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de graduação em Engenharia Civil da Universidade Católica de Santos como exigência parcial para obtenção do grau de engenheiro civil. Orientador: Profº MSC. Armando Diório Filho
SANTOS
Christian César Matos dos Santos
AÇÃO DO VENTO E ESTABILIDADE GLOBAL EM ESTRUTURAS DE
CONCRETO ARMADO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de graduação em Engenharia civil da Universidade Católica de Santos como exigência parcial para obtenção do grau de engenheiro civil Orientador(a): MSC. Armando Diório Filho
BANCA EXAMINADORA
MSC. Armando Diório Filho (Orientador) - Unisantos
MSC. Carlos Eduardo M.Gouveia - Unisantos
MSC. Silvio Venturini Neto - Unisantos
Data de aprovação:_____/_____/_____
SANTOS
DEDICATÓRIA
Agradeço à Deus, o que seria de mim sem a fé que eu tenho nele.
Aos meus pais, a toda minha família que, com muito carinho e apoio, não mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa de minha vida.
Ao Professor Mestre Armando Diório Filho, pela paciência na orientação e por seu apoio e inspiração no amadurecimento dos meus conhecimentos e conceitos que me levaram a execução e conclusão deste caderno. Aos amigos e colegas, pelo incentivo e pelo apoio constante, e todos os professores da Universidade Católica de Santos.
ABSTRACT
When construct a slim building (high), a priori we should take some itens into account as, for example, the action of the Wind and the questions of global stability. The wind focus in turbulent gust or not, that will depend on the shape of the ground which localize the building, and also obstacles experienced in your influence area. In order to facilitate considerations in relation to second-round global effects, we come broach in this job, studies by the Wind action, global stability and the better position and section from pillars that involve the structure, and that happens through calculations of the parameters of α instability and a ϒz coefficient, to conclude if whether or not be taken into consideration the effects which are caused mainly by the action of the Wind on the structure.
Key Words: wind action, global stability, concrete structures.
LISTA DE SIGLAS E SÍMBOLOS
Ae : área efetiva ABNT : Associação brasileira de normas técnicas NBR : Norma brasileira Ca : Coeficiente de arrasto Ec : Módulo de elasticidade do concreto F : Força horizontal aplicada Fa : Força de arrasto H : Altura total da edificação I : Inércia do pilar equivalente Nk : Somatória das cargas verticais qvento : Pressão de obstrução do vento S1 : Fator topográfico S2 : Fator de rugosidade S3 : Fator estatístico V 0 : Velocidade básica do vento Vk : Velocidade característica do vento α : Parâmetro de instabilidade M1.totd : Momento de tombamento ∆M.totd : Produto das forças verticais ϒz : Coeficiente ϒz δmáx : Deslocamento máximo l 1 : largura da edificação(dimensão horizontal perpendicular à direção do vento). l 2 : é a profundidade da edificação(dimensão na direção do vento). b : é a largura em planta na direção do vento h : é a altura do andar z : é a altura acima do terreno; Fr : é o fator de rajada correspondente sempre à categoria II; b : é um parâmetro meteorológico usado na determinação; p : é o expoente da lei de variação de S 2
- INTRODUÇÃO
- 1.1 Tema da Pesquisa
- 1.2 Delimitação do Tema........................................................................................
- 1.3 Formulação da questão de estudo
- 1.4 Objetivo geral
- 1.5 Objetivos específicos.......................................................................................
- 1.6 Justificativas
- REVISÃO DE LITERATURA
- 2.1 Ações do vento
- 2.1.1 Determinação da pressão dinâmica ou de obstrução(qvento)
- 2.1.2 Velocidade básica do Vento( Vo)
- 2.1.3 S1 (Fator topográfico)......................................................................................
- 2.1.4 S2 (Fator de rugosidade e dimensões da edificação)
- 2.1.5 S3 (Fator estatístico)
- 2.1.6 Coeficiente de arrasto (Ca)
- 2.1.7 Velocidade característica do vento (Vk)
- 2.1.8 Pressão de obstrução (qvento)
- 2.1.9 Força de arrasto do vento (Fa)
- 2.2 Associação de Pórticos
- 2.3 Inércia Equivalente de um Pilar
- 2.4 Estabilidade Global
- 2.4.1 Parâmetro de instabilidade (α)
- 2.4.2 Coeficiente ( z)................................................................................................
- METODOLOGIA
- 3.1 Classificações da Pesquisa.............................................................................
- 3.1.1 Planejamentos da pesquisa
- 3.2 Procedimento de coleta e interpretação dos dados
- 3.3 Estudo de Caso
- 3.3.1 Análise dos Dados
- RESULTADOS......................................................................................................
- 4.1 Ações do Vento que atuam na Edificação
- Velocidade Característica do Vento :
- 4.1.1 Cálculo da pressão de obstrução (qvento) que atua na edificação
- 4.1.2 Cálculo do coeficiente de arrasto (Ca) que atua na edificação
- 4.2 Análise da situação proposta 1.......................................................................
- 4.2.1 Deslocamentos horizontais do edifício na situação proposta
- 4.2.2 Parâmetro de instabilidade α da situação proposta 1......................................
- 4.2.3 Coeficiente ϒz da situação proposta
- 4.3 Análise da situação proposta 2.......................................................................
- 4.3.1 Deslocamentos horizontais do edifício na situação proposta
- 4.3.2 Inércia do pilar equivalente da situação proposta
- 4.3.4 Parâmetro de instabilidade α, da situação proposta 2.....................................
- 4.3.5 Coeficiente ϒz da situação proposta
- 4.4 Análise da situação proposta 3.......................................................................
- 4.4.1 Deslocamentos horizontais do edifício na situação proposta
- 4.4.2 Inércia do pilar equivalente da situação proposta
- 4.4.3 Parâmetro de instabilidade α, da situação proposta 3.....................................
- 4.4.4 Coeficiente ϒz da situação proposta
- 4.5 Análise da situação proposta
- 4.5.1 Deslocamentos horizontais do edifício da situação proposta
- 4.5.2 Inércia do pilar equivalente da situação proposta
- 4.5.3 Parâmetro de instabilidade α, da situação proposta 4......................................
- 4.5.4 Coeficiente ϒz da situação proposta
- ANÁLISE DOS RESULTADOS
- COSIDERAÇÕES FINAIS
- 6.1 Conclusões.........................................................................................................
- 6.1.1 Sugestões para trabalhos futuros
- BIBLIOGRAFIA
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1. INTRODUÇÃO
1.1 Tema da Pesquisa
Ação do vento e estabilidade global em estruturas de concreto armado.
1.2 Delimitação do Tema
Análise da incidência do vento na edificação verificando se há estabilidade ou não dos pórticos que compõem a estrutura, considerando os posicionamentos e seção dos pilares a fim de dar maior rigidez e estabilidade estrutural. Quando se fala em estabilidade global do edifício, significa fazer um estudo de ações e efeitos que possam deixar à estrutura propensa a instabilidade, e essas instabilidades podem surgir principalmente de forças horizontais geradas pelas rajadas de vento que atingem a edificação.
1.3 Formulação da questão de estudo
Atualmente, com o “boom” da construção civil, é comum avistarmos um edifício esbelto (alto) sendo construído, principalmente nas grandes cidades onde a área ocupada passa a ser cada vez mais valorizada. Quando se fala em edifício alto, o vento influenciará muito na estabilidade da estrutura, e por isso a estabilidade global sempre é o primeiro fator que vem a ser analisado nos projetos de engenharia com a finalidade de garantir a estabilidade do arranjo estrutural e a segurança dos usuários. As mudanças climáticas que vem ocorrendo em nosso planeta fazem com que ventos fortes e turbulentos atinjam as grandes cidades, e consequentemente nossas edificações ficam vulneráveis e propensas à instabilidade. Por isso, pergunta-se: qual seriam o melhor posicionamento e seção dos pilares para que o arranjo estrutural tenha maior rigidez e estabilidade?
1.4 Objetivo geral
O objetivo geral é fazer a análise da ação do vento nos edifícios e isso é feito determinando as forças de arrasto do vento perpendicularmente, principalmente, a maior dimensão do edifício. Com isso, calcula-se o deslocamento horizontal que o
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2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Ações do vento
Segundo Carvalho & Pinheiro (2009) os ventos são deslocamentos de massas de ar decorrentes das diferenças de temperatura e, principalmente, pressão na atmosfera. Esses efeitos, em estruturas de grande altura ou em edificações em que a relação entre a altura e a maior dimensão em planta é grande essas forças são muito importantes, podendo até a desencadear instabilidade na estrutura. Embora muitas estruturas tenham rigidez suficiente para que possam ser desprezados os efeitos de segunda ordem atuantes na estrutura, se houverem ações de vento significativas agindo sobre a estrutura esses efeitos necessitam ser levados em consideração no cálculo.
2.1.1 Determinação da pressão dinâmica ou de obstrução(qvento)
Conforme a NBR 6123 (1988) da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) as forças do vento devem ser calculadas separadamente: os elementos de vedação, partes estrutura e depois a estrutura como um todo. O primeiro parâmetro a se determinar é a velocidade característica do vento (Vk), que é determinada a partir da seguinte fórmula: Vk = Vo.S1.S2..S Onde: Vo :Velocidade básica do Vento S1: Fator topográfico S2: Fator de rugosidade e dimensões da edificação S3: Fator estatístico
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2.1.2 Velocidade básica do Vento( Vo)
Segundo a NBR 6123-1988 (Norma Brasileira) a velocidade básica do vento é um fator determinado através do mapa das isopletas. Esse mapa é resultado de anos de pesquisa, onde foram determinadas as velocidades máximas médias que o vento pode alcançar em 3 segundos em um período de retorno de 50 anos em uma altura de 10 metros do nível do terreno para todo o território brasileiro.
Mapa das isopletas- figura 1
Figura 1 - Mapa das isopletas NBR 6123:
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Tabela 2 NBR da 6123:
Z (m)
Fator S Categoria I II III IV V 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 0,96 0,82 0,79 0,76 0,73 0,74 0,72 0, 10 1,1 1,09 1,06 1 0,98 0,95 0,94 0,92 0,88 0,86 0,83 0,8 0,74 0,72 0, 15 1,13 1,12 1,09 1,04 1,02 0,99 0,98 0,96 0,93 0,9 0,88 0,84 0,79 0,76 0, 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 0,8 0, 30 1,17 1,17 1,15 1,1 1,08 1,06 1,05 1,03 1 0,98 0,96 0,93 0,87 0,85 0, 40 1,2 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, 50 1,21 1,21^ 1,19 1,15 1,13 1,12 1,1 1,09 1,06 1,04 1,02 0,99 0,94 0,93 0, 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, 80 1,25 1,24 1,23 1,19 1,18 1,17 1,16 1,14 1,12 1,1 1,08 1,06 1,01 1 0, 100 1,26 1,26 1,25 1,22 1,21 1,2 1,18 1,17 1,15 1,13 1,11 1,09 1,05 1,03 1, 120 1,28 1,28 1,27 1,24 1,23 1,22 1,2 1,2 1,18 1,16 1,14 1,12 1,07 1,06 1, 140 1,29 1,29 1,28 1,25 1,24 1,24 1,22 1,22 1,2 1,18 1,16 1,14 1,1 1,09 1, 160 1,3 1,3 1,29 1,27 1,26 1,25 1,24 1,23 1,22 1,2 1,18 1,16 1,12 1,11 1, 180 1,31 1,31 1,31 1,28 1,27 1,27 1,26 1,25 1,23 1,22 1,2 1,18 1,14 1,14 1, 200 1,32 1,32 1,32 1,29 1,28 1,28 1,27 1,26 1,25 1,23 1,21 1,2 1,16 1,16 1, 250 1,34 1,34 1,33 1,31 1,31 1,31 1,3 1,29 1,28 1,27 1,25 1,23 1,2 1,2 1, 300 ... ... ... 1,34 1,33 1,33 1,32 1,32 1,31 1,29 1,27 1,26 1,23 1,23 1, 350 ... ... ... ... ... ... 1,34 1,34 1,33 1,32 1,3 1,29 1,26 1,26 1, 400 ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1,34 1,32 1,32 1,29 1,29 1, 420 ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1,35 1,35 1,33 1,3 1,3 1, 450 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1,32 1,32 1, 500 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1,34 1,34 1, Tabela 2 da NBR 6123:
O fator S2 usado no cálculo da velocidade do vento em uma altura z acima do nível geral do terreno pode ser obtido por uma equação, sendo que os parâmetros que permitem determinar S2 para cinco categorias de terrenos são apresentados na tabela 1, NBR 6123 (1988). S2 = b.Fr.(z/10)p Em que: z : é a altura acima do terreno; Fr : é o fator de rajada correspondente sempre à categoria II; b : é um parâmetro meteorológico usado na determinação; p : é o expoente da lei de variação de S
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Tabela 1 da NBR 6123:1988 Parâmetros meteorológicos Parâmetros meteorológicos Categoria Z (m) Parâmetro Classes A B C I 250
b 1,1 1,11 1, p 0,06 0,065 0, II 300
b 1 1 1 Fr 1 0,98 0, p 0,085 0,09 0, III 350
b 0,94 0,94 0, p 0,1 0,105 0, IV 420
b 0,86 0,85 0, p 0,12 0,125 0, V 500
b 0,74 0,73 0, p 0,15 0,16 0, Tabela 1 da NBR 6123:1988 Parâmetros meteorológicos
2.1.5 S3 (Fator estatístico)
Segundo a NBR 6123 (1988) o fator S3 é baseado em conceitos estatísticos e considera o grau de segurança requerido e a vida útil da edificação. Como visto a velocidade básica Vo é a velocidade do vento que apresenta um período de recorrência médio de 50 anos. A probabilidade de que essa velocidade seja igualada ou excedida neste período é de 63 %. O nível de probabilidade (0,63) e a vida útil (50 anos) adotado são considerados adequados para edificações normais destinadas a moradias, hotéis, escritórios etc. Na falta de uma norma específica sobre segurança nas edificações ou indicações correspondentes em outras normas, os valores mínimos do fator S3 são indicados para cinco grupos de edificações e ocupação na tabela a seguir:
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Coeficiente de arrasto (Ca) NBR 6123:1988 para edificações paralelepipédicas situadas em região com ventos de baixa turbulência. – figura 2
Coeficiente de arrasto (Ca) NBR 6123:1988 para edificações paralelepipédicas situadas em região com ventos de baixa turbulência
Conforme o item 6.5.3 da NBR 6123 (1988), uma edificação pode ser considerada em zona de vento de alta turbulência ( característico para grandes cidades, categorias IV e V, em que geralmente há uma diminuição no coeficiente, pois a sucção a sotavento é reduzida), quando sua altura não excede duas vezes a altura média das edificações da vizinhança, estendendo-se estas, na direção e no sentido do vento incidente, a uma distância mínima de :
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500 m para uma edificação até 40 m de altura; 1000 m para uma edificação de até 55 m de altura; 2000 m para uma edificação de até 70 m de altura; 3000 m para uma edificação de até 80 m de altura.
Coeficiente de arrasto Ca NBR 6123:1988 para edificações paralelepipédicas situadas em região com ventos de alta turbulência - figura 3
Coeficiente de arrasto Ca NBR 6123:1988 para edificações paralelepipédicas situadas em região com ventos de alta turbulência