Efeito do entorno urbano sobre as ações do vento em edifícios

Abstract

Neste trabalho de pesquisa desenvolveu-se uma metodologia, através de ensaios em túnel de vento, para determinar as cargas sobre estruturas altas situadas em centros urbanos e considerando a distribuição aleatória do entorno superficial. Assim, como este estudo trata do problema da determinação de cargas de estruturas situadas em centros urbanos, produziu-se, em primeiro lugar, o campo de velocidades de fundo, caracterizado por um terreno suburbano e definido pelo Código Brasileiro NBR/6123, Terreno Categoria IV. Posteriormente, nas cercanias do modelo em estudo, adicionou-se o entorno superficial. Para contemplar as variações das cargas provocadas pelo vento no entorno rugoso, as estruturas que o conformam dimensionaram-se através da Técnica Monte Carlo. Apresenta-se um método para reproduzir o entorno superficial em zonas centrais de grandes cidades, considerando a natureza aleatória das dimensões e a separação das construções, permitindo simular campos ou processos aleatórios, neste caso o entorno, definido como um campo aleatório tridimensional, em termos da densidade de probabilidade e da densidade espectral das construções. Analisou-se a estrutura da camada limite urbana na região inferior, por meio das medições em diferentes alturas das velocidades medias e flutuantes, intensidade de turbulência, macroescala integral e escala temporal da turbulência e espectros da componente de velocidade flutuante longitudinal. A bibliografia indica que para verificar a presença da subcamada rugosa, em camada limite sobre superfície rugosa, é suficiente comprovar que as tensões de Reynolds aumentam com a altura de medição. Neste trabalho, sem haver realizado medições de Tensões de Reynolds, foi possível reconhecer a presença da subcamada rugosa através de medições e comparações em diferentes alturas de velocidades médias e valores estatísticos da componente flutuante longitudinal do escoamento médio. Verificou-se que o campo de velocidade em centro urbano é nitidamente tridimensional e que a direção do vento de fundo influi no campo de velocidade. Ademais, sugeriu-se um espectro de potência para análise dinâmica de edifícios altos expostos à ação do vento em ambientes urbanos, assim como recomendações referidas à variação de velocidade e intensidade de turbulência da componente longitudinal da turbulência. Para analisar a confiabilidade das cargas de vento sugeridas nos códigos de vento Argentino e Brasilero estudaram-se as cargas sobre dois modelos de diferentes alturas, medidas em condição de modelo isolado e situado em seis situações de entornos rugosos diferentes. As cargas medidas foram momentos de flexão na base longitudinal e transversal ao escoamento médio e momento de torção. Com os resultados obtidos, pode-se avaliar as diferenças com respeito às cargas sugeridas pelos códigos NBR 6123 e CIRSOC 102 e as variações provocadas ao modificar as rugosidades superficiais.

In this research work a methodology to determine loads on tall structures located in urban centres is proposed. The proposal is based in wind tunnel tests and considers a random distribution of the surface environment. As this study deals with the determination of wind loads on structures located in urban centres, firstly the background wind velocity field, characterized by a suburban terrain, which is defined by the Brazilian code of practice NBR/6123 as a terrain of Category IV, had to be reproduced. Thereafter, the near environment of the model under study was added. In order to take into account the variations of loads caused by the random environment, the structures that shape it were dimensioned using the Monte Carlo technique. A procedure to reproduce the surface neighbouring in central areas of large cities considering the random nature of both size and distribution of buildings is presented. This procedure allows simulating either random fields or processes, in this case the neighbouring, which is defined as a three-dimensional random field, in terms of both its probability density and its spectral density. The structure of the lower part of the urban boundary layer was studied by means of measurements at different heights of both fluctuating and mean velocities, turbulence intensity, integral macroscale and time scale of turbulence, and spectra of the longitudinal fluctuating velocity component. It is widely accepted in the literature that verifying that the Reynold stresses increases with height is sufficient to prove the existence of the rough sublayer in a boundary layer over rough surface. As in this work Reynolds stresses were not measured, it was possible to distinguish the presence of a roughness surface through measurements and comparisons of mean velocities and statistical values of the longitudinal fluctuating component of the mean flow at different heights. It was verified that the velocity field in an urban centre is clearly three-dimensional and that the direction of the background wind has influence on the velocity field. Furthermore, a power spectrum for the dynamic analysis of tall buildings exposed to wind in urban environments is suggested as well as guidelines regarding the variation of both the velocity and turbulence intensity of the longitudinal component of the turbulence. Loads over two models were studied in order to analyse the reliability of the loads suggested by codes of Argentina e Brasilero. The models had different heights and loads were measured with the models isolated and in six situations of different rough urban environments. The loads that were measured were longitudinal-to-the-mean-flow and transversal-to-themean- flow bending and torsion moments. With these results it was possible to assess the differences with regard to loads suggested by the code NBR 6123 and CIRSOC 102 and the variations appearing when changing the surface roughness.