ESTUDO EM TÚNEL DE VENTO DA COBERTURA DO ESTÁDIO DO GAMA - BRASÍLIA

Acir Mércio Loredo-Souza, Mario Gustavo Klaus Oliveira,

Gustavo Javier Zani Núñez, Daniel de Souza Machado, Elvis Antônio Carpeggiani, Guilherme Martins Siqueira

Laboratório de Aerodinâmica das Construções, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brasil. E_mail: lac@ufrgs.br

RESUMO

Este trabalho apresenta os resultados do estudo, em modelo reduzido, da ação estática do vento sobre a cobertura do Estádio do Gama, a ser construída na cidade de Brasília, DF. Maiores níveis de segurança e confiabilidade são atingidos quando a consideração criteriosa dos efeitos do vento é feita a partir da etapa de concepção, podendo inclusive levar a alterações arquitetônicas na forma externa da construção. Este processo preventivo é, geralmente, o de menor custo e o de maior eficiência. O ensaio em túnel de vento do modelo do Estádio do Gama foi realizado na fase de projeto. A solicitante foi Estacon Engenharia S.A., o projeto arquitetônico é do Arq. Ruy Ohtake e os ensaios realizados no Laboratório de Aerodinâmica das Construções da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS.

Os valores dos coeficientes de pressão para a cobertura do Estádio do Gama, obtidos nos ensaios em túnel de vento, são coerentes do ponto de vista aerodinâmico com relação à forma do prédio estudado e de sua vizinhança. Foi observada uma grande vorticidade na cobertura central, responsável pela geração de altos valores de sucção externa em pontos localizados. Uma grande assimetria do carregamento devido ao vento é percebida para alguns ângulos de incidência do vento. Em termos de esforços locais, deve-se ressaltar a existência de picos localizados de pressão em certos pontos da cobertura. Para algumas incidências do vento, valores elevados de sucções resultantes aparecem em zonas restritas da cobertura, inclusive com valores de 3,0 kPa. Estas sucções não aparecem simultaneamente em todas estas zonas, e são usadas apenas para o dimensionamento, verificação e ancoragem de elementos de vedação e da estrutura secundária por elas afetadas (ações locais). O trabalho apresenta a análise dos principais resultados do estudo, bem como evidencia os benefícios da utilização do túnel de vento como ferramenta de projeto para estruturas, coberturas e fechamentos, viabilizando a construção de edificações com arrojados projetos arquitetônicos.

1. INTRODUÇÃO Este trabalho apresenta os resultados do estudo, em modelo reduzido, da

ação estática do vento sobre a cobertura da pétala oeste do Estádio do Gama, a ser construído em Gama, DF (figura 1).

A estrutura tem características que a classificam como cobertura isolada e, portanto, está sujeita aos fenômenos aerodinâmicos inerentes a este tipo de

edificação. Para coberturas isoladas o vetor velocidade do vento, em um dado instante, pode ter uma direção inclinada no plano vertical, pela composição da velocidade média, horizontal, com a componente vertical da turbulência. Assim, para intervalos de tempo de alguns segundos, o vento pode soprar com uma inclinação que se situa entre +10° e -10°. Estes limites podem inclusive ser ultrapassados em temporais com turbulência muito elevada (Blessmann, 1990). Do ponto de vista aerodinâmico, para coberturas isoladas, pode-se considerar o vento soprando horizontalmente e a cobertura girando de +10° e -10° (isto não é válido para coberturas sobre paredes). A conseqüência prática deste fenômeno é que diferentes padrões de carregamento são fisicamente possíveis de ocorrer na mesma estrutura, para a mesma direção do vento médio incidente. São apresentados três padrões de carregamento, tomando como base fatores de pico e coeficientes de correlação encontrados na literatura, os quais foram aplicados aos coeficientes medidos nos ensaios. Para o fator de pico foi adotado um valor igual a 2,0, sendo que para o coeficiente de correlação entre as pressões externas e internas o valor utilizado foi 0,7 (Ginger e Letchford, 1992).

Figura 1 – Vista da Cobertura do Estádio do Gama.

Maiores níveis de segurança e confiabilidade são atingidos quando a consideração criteriosa dos efeitos do vento é feita a partir da etapa de concepção. Este processo preventivo é, geralmente, o de menor custo e o de maior eficiência. Por estas razões e por não existirem coeficientes aerodinâmicos específicos para a forma da cobertura em normas de vento, foi realizado o ensaio em túnel de vento. A solicitante foi ESTACON Engenharia S/A. e os ensaios realizados no Laboratório de Aerodinâmica das Construções da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (Loredo-Souza, 2008).

2. PROJETO DO MODELO Foi construído um modelo rígido reduzido do Estádio do Gama, em escala

1/300, cuja cobertura foi instrumentada com tomadas de pressão dispostas de forma a permitir a medição das pressões instantâneas nas faces externa e interna da mesma. Na figura 2 pode ser visto o modelo reduzido no interior do túnel de vento. Na face externa foram colocadas 82 tomadas de pressão estática e na face interna também foram colocadas 82 tomadas de pressão estática, perfazendo um total de 164 tomadas de pressão. Esta distribuição foi considerada adequada para a representação do campo de pressões atuantes na cobertura, permitindo o levantamento das pressões girando-se o modelo de 360°. As pressões estáticas efetivas foram medidas a cada 15° de incidência do vento, resultando no montante de 3.936 registros de pressões.

Figura 2 – Modelo da Cobertura do Estádio do Gama no interior do túnel de vento.

Na figura 3 são indicadas as posições das tomadas de pressão no modelo reduzido da cobertura. Foram simulados todos os detalhes significativos da edificação real para que as condições de semelhança geométrica fossem preservadas. Algumas simplificações foram realizadas no modelo para que certos detalhes arquitetônicos não afetassem localmente as medidas em determinadas tomadas de pressão, principalmente devido aos efeitos do número de Reynolds (Re) na distribuição de pressões sobre superfícies curvas.

Figura 3 – Distribuição das tomadas de pressão na cobertura do Estádio do Gama.

Dimensões em [m].

3. TÉCNICA EXPERIMENTAL Os ensaios foram realizados no túnel de vento Prof. Joaquim Blessmann da

Universidade Federal do Rio Grande do Sul (Blessmann, 1982 & Cook, 1990), mostrado na figura 4.

Figura 4 – Túnel de vento Prof. Joaquim Blessmann.

Trata-se de um túnel de vento de camada limite de retorno fechado, projetado especificamente para ensaios estáticos e dinâmicos de modelos de construções civis. Este túnel permite a simulação das principais características de ventos naturais. Tem relação “comprimento / altura” da câmara de ensaios superior a 10. A velocidade máxima do escoamento de ar nesta câmara, com vento uniforme e sem modelos, é de 150 km/h. A simulação correta das principais características do vento natural em túneis de vento é requisito básico para aplicações em Engenharia Civil (Davenport & Isyumov, 1967), sem a qual os resultados obtidos podem se afastar consideravelmente da realidade.

O vento foi simulado de acordo com as características do terreno em torno do Aeroporto, tendo perfil potencial de velocidades médias de expoente p = 0,23, o qual corresponde a terreno com rugosidade entre as Categorias III e IV da NBR-6123 (1988). Suas características são as seguintes:

Categoria III – terreno plano ou ondulado com obstáculos, tais como sebes e

muros, poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esparsas. Categoria IV – terreno coberto por obstáculos numerosos e pouco

espaçados, em zona florestal, industrial ou urbanizada. O vento simulado engloba a gama de rugosidades existente. Considerando-se

as características do local em estudo e do terreno próximo ao Estádio do Gama, optou-se por testar o modelo para um vento incidente com estas características. Com o correr dos anos há tendência de aumento da rugosidade das zonas construídas devido às prováveis futuras urbanizações, o que poderá causar alguma redução nos esforços estáticos em algumas zonas da edificação. Por outro lado, possíveis efeitos nocivos de vizinhança, pela construção futura de outras edificações nas cercanias imediatas da edificação em estudo, podem ocorrer.

As principais características do vento simulado (ESDU, 1982) podem ser vistas na figura 5.

0

100

200

300

400

500

600

0 50 100

V(z)/V(450) [%]

z [m

m]

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20

I1 [%]

z [m

m]

0

100

200

300

400

500

600

0 100 200 300 400

L1 [mm]

z [m

m]

eixo do túnel eixo do túnel eixo do túnel

(a) (b) (c)

Figura 5 – Principais características do vento simulado: (a) perfil vertical das velocidades médias, (b) intensidade da componente longitudinal da turbulência (I1),

(c) macroescala da componente longitudinal da turbulência (L1).

O perfil das velocidades médias mostrado na figura 5(a) é expresso, aproximadamente, pela lei potencial:

( ) ( ) p

refref xxVxV // 33 = (1)

Sendo:

)( 3xV – velocidade média na altura x3;

refV – velocidade média em uma altura de referência (no túnel, xref = 450mm);

p = 0,23

4. RESULTADOS As pressões no modelo foram registradas por meio de transdutores elétricos

de pressão. Foram registradas as pressões instantâneas para cada ponto de medição indicado na figura 3, sendo calculados os valores mínimos, médios, máximos e rms dos coeficientes de pressão.

Os coeficientes de pressão externa nas faces da cobertura são definidos por: Coeficiente de pressão média

q

dttp

c

T

pT∫

=0

)(1

(2) Coeficiente de pressão rms

( )

q

dtptp

c

T

p

T∫ −

=0

2)(

~

1

(3) Coeficiente de pressão máximo

q

pc max

p =

(4) Coeficiente de pressão mínimo

q

pc min

p =(

(5)

sendo: p(t) pressão instantânea, na superfície da edificação, medida em

relação à pressão estática de referência; p valor médio de p(t) para o período de amostragem T;

pmax valor máximo de p(t) para o período de amostragem T; pmin valor mínimo de p(t) para o período de amostragem T; t tempo; T período de amostragem;

221 Vq ρ= pressão dinâmica de referência;

ρ massa específica do ar;

V velocidade média de referência, medida a uma altura equivalente a 35 m (trinta e cinco metros), em escala real.

Foi adotada a seguinte convenção de sinais: coeficientes positivos: sobrepressão (+) coeficientes negativos: sucção (-) Embora as pressões de pico não ajam simultaneamente sobre toda a

estrutura, as pressões médias podem ser integradas para fornecerem valores médios globais do carregamento atuante na cobertura. Estes valores podem ser usados em combinação com fatores de rajada, tais como os da NBR-6123(1988), para fornecerem as cargas totais equivalentes atuantes na edificação.

Os coeficientes de pressão médios calculados permitem a determinação de coeficientes de forma externos (C), aplicáveis a uma superfície plana de área A, sendo definidos por:

( )Aq/FC = (6)

sendo F a resultante das pressões externas sobre a superfície plana (é uma força perpendicular a esta superfície).

Conforme (2):

∫ ∫==A A

p dAqcdApF (7)

Substituindo na (6):

∫=A

p dAcCA

1

(8)

Esta última expressão permite a obtenção de C a partir de pc , por integração

numérica. Para algumas incidências do vento, valores elevados de sucções externas

aparecem em zonas restritas da edificação, zonas estas situadas nas proximidades das bordas. Estas sucções não aparecem simultaneamente em todas estas zonas, e são usadas apenas para o dimensionamento, verificação e ancoragem de elementos de vedação e da estrutura secundária por elas afetadas (ações locais).

Por sua vez, cp é dado por cpe - cpi , sendo cpe e cpi os coeficientes de pressão na superfície externa (ou superior) e interna (ou inferior), respectivamente.

Um exemplo da aplicação dos padrões de carregamento baseados em fatores de pico e coeficientes de correlação é mostrado na figura 6, para incidência do vento de 45°.

5. FORÇAS DEVIDAS AO VENTO As forças externas devidas ao vento são determinadas por: F = C q A (9) sendo: C coeficiente aerodinâmico; q pressão dinâmica na altura de referência (35m); A área da zona em estudo (ou de sua projeção) para a qual está

sendo determinada a força F do vento. A pressão dinâmica é obtida por

]/ em , / em [613,022

smVmNqVq kk= ,

sendo: Vk = Vo S1 S2 S3

Figura 6 – Distribuição dos coeficientes de forma resultantes para três padrões de

carregamento – ângulo de incidência do vento de 45°.

Tendo sido reproduzido no túnel de vento o perfil vertical de velocidades

médias do vento natural no local da obra, e tendo sido adotada a velocidade do vento a 35m de altura para o cálculo dos coeficientes, S2 deve ser sempre o correspondente a esta altura, na respectiva Classe - Classe A recomendada para esta estrutura - (a Classe a considerar depende da finalidade do cálculo --- Ver item 5.3.2 da NBR-6123 (1988)) e Categoria do terreno. Pode ser adotado um valor para a velocidade básica do vento para Gama, DF correspondente a 35m/s, de acordo com a figura das isopletas da velocidade básica do vento indicada na NBR-6123 (1988).

O valor de Vk assim obtido aplica-se a toda edificação, independentemente da zona ou região em estudo, mas dependendo da finalidade de cálculo, que fará variar S2 conforme comentado no parágrafo anterior. A composição das diversas forças (vento, cargas acidentais, permanentes, etc.) não é discutida neste trabalho.

6. PRESSÕES LOCAIS NA COBERTURA

6.1 Considerações Gerais

As flutuações das pressões atuantes nas faces das edificações são devidas tanto às rajadas presentes no vento natural (turbulência atmosférica), como ao caráter flutuante da esteira gerada pelo prédio. Normalmente, sucções ou sobrepressões de pico, sobre um período de uma hora, podem ter valores consideravelmente maiores do que as correspondentes pressões médias para aquela mesma hora.

As pressões locais esperadas, relevantes ao projeto dos elementos de revestimento, podem ser determinadas através da combinação dos coeficientes aerodinâmicos medidos em ensaios em túnel de vento, com a estatística do vento na região de construção da edificação.

Não há total consenso, dentro do atual estado da arte da engenharia do vento, quanto a qual procedimento para determinação das pressões locais é o mais significativo para o projeto dos elementos de revestimento. Entretanto, três alternativas são possíveis:

a) O primeiro utiliza o conceito de fator de pico, g. A pressão de projeto, po, é dada por:

p~gpp +=0

(10)

sendo: p : carga causada pelo vento médio (média sobre uma hora, usualmente);

p~ : média quadrática das flutuações em torno da pressão média;

g: fator de pico equivalente. O valor de g a ser adotado pode ser escolhido simplesmente como representativo de valores experimentais conservativos, ou ser baseado em propriedades de resistência dos materiais, quando disponíveis.

b) A segunda alternativa é utilizar diretamente os valores de pico medidos em túnel de vento, embora estes estejam sujeitos a uma dispersão estatística consideravelmente maior do que valores dos coeficientes rms ou valores médios de g. A pressão de projeto é dada por:

pcqp(

=0

(11)

sendo: q : pressão dinâmica de referência, correspondente à velocidade média de

referência, medida sobre um intervalo de aproximadamente uma hora

p

c(

: coeficiente de pressão de pico (mínimo ou máximo, medido).

c) A terceira alternativa consiste em utilizar-se valores médios dos coeficientes de pressão combinados com pressões dinâmicas de pico. A pressão de projeto é dada por:

pcqp

(=

0 (12)

sendo: q(

: pressão dinâmica de referência, correspondente à velocidade média de

referência, medida sobre um intervalo de aproximadamente três segundos.

p

c : coeficiente de pressão médio (medido no túnel de vento).

As pressões de projeto indicadas acima devem considerar os efeitos das pressões internas, de acordo com o exposto a seguir.

6.2 Pressões Internas

Estimativas das pressões internas são necessárias para a determinação dos carregamentos resultantes devidos ao vento em elementos de vedação e suas fixações, bem como na própria estrutura.

Embora de grande importância, a pressão interna apresenta dificuldades quanto à sua exata determinação. Pressões internas são influenciadas por diversos fatores os quais também apresentam grandes incertezas em sua determinação, tais como o caráter da permeabilidade da edificação, ou se as janelas ou outras aberturas externas serão deixadas abertas ou serão quebradas durante tempestades. A complexa distribuição espacial das pressões externas e a influência das variações temporais das pressões externas na determinação das pressões internas também devem ser consideradas.

Apesar das dificuldades existentes, estimativas razoáveis da pressão interna podem ser obtidas. Para o projeto dos elementos de vedação e suas fixações é de interesse a diferença entre as pressões externas e internas. Esta diferença representa o carregamento ao qual o elemento estará sujeito. No presente estudo, as pressões externas e internas são medidas diretamente no túnel de vento. As pressões internas podem, também, ser determinadas a partir das pressões externas (Blessmann, 1991 e Loredo-Souza, 1995) utilizando-se, por exemplo, a metodologia indicada na NBR-6123 (1988). As pressões internas podem então ser subtraídas das pressões externas para formar as pressões resultantes.

Para o caso específico da cobertura do Estádio do Gama, os valores dos coeficientes aerodinâmicos medidos nos ensaios em túnel de vento são válidos somente para a configuração testada. No caso da ocorrência de diferentes combinações de fechamento das faces laterais e posteriores da estrutura, ou qualquer outra alteração da geometria testada nos ensaios, os coeficientes podem atingir valores consideravelmente distintos dos medidos nos ensaios.

7. CONCLUSÕES Os valores dos coeficientes de pressão para a cobertura do Estádio do Gama,

obtidos nos ensaios em túnel de vento, são coerentes do ponto de vista aerodinâmico com relação à forma do prédio estudado e de sua vizinhança.

Em termos de esforços locais, deve-se ressaltar a existência de picos localizados de pressão em certos pontos da cobertura. Para algumas incidências do vento, valores elevados de sucções externas aparecem em zonas restritas da cobertura, inclusive com valores de sucções iguais a 3,0 kPa, mostrado na figura 7. Estas sucções não aparecem simultaneamente em todas estas zonas, e são usadas apenas para o dimensionamento, verificação e ancoragem de elementos de vedação

e da estrutura secundária por elas afetadas (ações locais). Para determinação do carregamento nos elementos de revestimento, estas pressões externas devem ser combinadas com valores adequados da pressão interna no local específico.

O estudo evidencia os benefícios da utilização do túnel de vento como ferramenta de projeto para estruturas, coberturas e fechamentos, viabilizando a construção de edificações com arrojados projetos arquitetônicos.

Figura 7 – Diagrama de blocos indicando a envoltória das pressões resultantes mínimas

para um período de retorno de 50 anos. Dimensões em [m].

8. REFERÊNCIAS

Associação Brasileira de Normas Técnicas (1988). NBR-6123 – Forças

devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro.

Blessmann, J. (1982). The Boundary Layer Wind Tunnel of UFRGS. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 10: 231-248.

Blessmann, J. (1990) Tópicos de normas de vento. 2ed.atual. Porto Alegre. Editora da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Blessmann, J. (1991). Pressão interna. 3ed. Porto Alegre. Editora da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Cook. N. J. (1990). The designer’s guide to wind loading of building structures. Part 2: Static Structures. London, UK. Building Research Establishment.

Davenport, A.G. and Isyumov, N. (1967). The Application of The Boundary Layer Wind Tunnel to the Prediction of Wind Loading. In: Proceedings of the International Research Seminar: Wind Effects on Buildings and Structures. Ottawa, Canada. September 11-15. Vol. 1: 201-230.

Engineering Sciences Data Unit. (1982). “Strong winds in the atmospheric boundary layer, Part 1: mean hourly wind speeds. Data item 82026”. London, ESDU.

Ginger, J.D. and Letchford, C.W. (1992). Peak wind loads under delta wing vortices on canopy roofs; J. Wind Eng. Ind. Aerodynamics, 41-44, pp.1739-1750.

Loredo-Souza, A.M. (1995). Influence of opening type on mean internal pressures in low buildings. In: Proceedings of the Ninth International Conference on Wind Engineering. New Delhi, India. v.3. pp. 1151-1161.

Loredo-Souza, A.M. (2008). Ação Estática do Vento sobre a Cobertura do Estádio do Gama. Relatório Técnico. Laboratório de Aerodinâmica das Construções. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre.