Brazilian extreme wind climate

Abstract

Uma característica importante da otimização dos processos de projeto em engenharia civil é a demanda pelo aperfeiçoamento da precisão das estimativas das cargas de projeto. As cargas de projeto devidas ao vento são baseadas em análises de registros de dados climatológicos para as quais modelos estatísticos são desenvolvidos. Tais modelos propõem níveis de carga com certas probabilidades de ocorrência durante um determinado período de retorno, ou intervalo médio de recorrência. Desde 1988, a NBR 6123: Forças devidas ao vento em edificações, a norma brasileira de cargas de vento, tem equilibrado a competição das necessidades de segurança e de conforto do usuário contra os custos de construção da cada vez mais alta silhueta urbana da nação. O mapa de isopletas do parâmetro de velocidade básica regional é o ponto inicial para todos os cálculos de cargas de projeto devidas ao vento na maior nação da América do Sul, com velocidades de vento regionais derivadas da distribuição de Fréchet, utilizando as máximas velocidades de rajada anuais equivalentes de 1950 a 1975 observadas, em aeródromos brasileiros. Além do potencial de utilizar mais de 40 anos de novos dados, incluindo dados da rede de observação automatizada do INMET, avanços nas comunidades científicas de engenharia do vento, meteorologia e estatística permitem o desenvolvimento de modelos climáticos mais detalhados e robustos. Há, também, uma crescente necessidade de separar os eventos de tempestades de vento em eventos não- sinóticos e sinóticos, devido às suas diferentes características. O estudo produz modelos climáticos regionais de ventos extremos atualizados em todo o Brasil, para serem usados tanto em casos de estados limite último e de serviço do projeto. Dados meteorológicos das duas maiores redes meteorológicas brasileiras, adquiridos de diversas fontes, foram utilizados, mas apenas após um exame completo da qualidade de cada fonte. Investigações foram feitas com relação a metadados históricos e atuais (altura, localização, tipo de anemômetro) de cada estação, com resultados variados. Correções de velocidades do vento foram feitas para terreno e altura, onde necessário. Algoritmos robustos para a separação de velocidades de vento pico não-sinóticas, sinóticas e duvidosas foram desenvolvidos e aplicados a uma série histórica de dados de 692 estações meteorológicas de superfície para gerar conjuntos de valores extremos para uma análise de valor extremo com Método de Tempestades Independentes modificado. Constatou-se que os ventos não-sinóticos são dominantes na maioria do Brasil para todos os períodos de retorno. Parâmetros meteorológicos relacionados a ventos extremos não-sinóticos e sinóticos foram mapeados por todo o país. Um mapa de isopletas de velocidades básicas do vento foi proposto para uma versão atualizada da NBR 6123, acompanhado dos fatores probabilísticos atualizados para uma DGVE Tipo I – Distribuição de Gumbel. Recomendações chave incluem a necessidade de maiores investigações sobre as características de ventos não-sinóticos no Brasil e o melhoramento dos registros de metadados por parte das organizações meteorológicas.

A critical feature of the continual optimisation of civil engineering design processes is the demand to improve accuracy of design load estimations. Design wind loads are based on analyses of recorded historical meteorological data for which statistical models are developed. Such models propose load levels of certain probabilities of occurrence over a particular return period, or mean recurrence interval. Since 1988, NBR 6123: Forças devidas ao vento em edificações, Brazil’s wind loading code, has balanced the competing needs of public safety and tenant comfort against construction costs of the nation’s ever-growing skyline. The isopleth map of the regional basic velocity parameter is the basis for all wind design load calculations in South America’s largest nation, with regional wind speeds derived from the Fréchet distribution of annual maxima equivalent gust speeds from 1950 to 1975 observed at Brazilian aerodromes. Besides the potential to utilise more than 40 years of new data, including data from INMET’s automated observing network, advances across the scientific communities of wind engineering, meteorology and statistics allow for the development of more detailed and robust climatic models. There is also a growing need to separate wind storm events into non-synoptic and synoptic events due to their different characteristics. The study produces updated regional extreme wind climate models across Brazil to be used for both serviceability and ultimate design load cases. Meteorological data from the two Brazilian meteorological networks acquired from several sources were utilised, but only after thorough examination of the quality of each source. Investigations were made regarding historical and current metadata (height, location, anemometer type) of each station with mixed success. Corrections to wind speeds were made for terrain and height where necessary. Robust algorithms for the separation of non-synoptic, synoptic and suspicious peak wind speeds were developed and applied to time-series data from 692 surface weather stations to generate sets of extreme values for a modified Method of Independent Storms extreme value analysis. Non-synoptic winds were found to dominant the majority of Brazil for all return periods. Meteorological parameters relating to non-synoptic and synoptic extreme winds were mapped across the country. An isopleth map of basic wind speeds was proposed for an updated version of NBR 6123, with accompanying updated probabilistic factors for a GEVD Type I – Gumbel distribution. Key recommendations include the need for further investigations into non-synoptic wind characteristics in Brazil and the improvement of metadata records by meteorological organisations.