A análise estrutural de ativos esbeltos, ou seja, aqueles que possuem altura muito elevada em relação à largura, como torres, chaminés, turbinas eólicas, pontes suspensas, é um desafio técnico que exige a consideração de diversos fatores, entre os quais se destaca a ação dos ventos.

A carga gerada pelo vento exerce uma influência significativa nos esforços internos e na estabilidade global, tornando o conhecimento e aplicação das Normas mais atualizadas fundamental para uma avaliação estrutural mais assertiva.

A Norma Brasileira NBR 6123 2ª Ed. “Forças devidas ao vento em edificações”, estabelece as condições para consideração das forças devido às ações do vento estáticas e dinâmicas, considerando, fatores como a localização geográfica, topografia, rugosidade e características estruturais específicas.

A Norma passou por uma atualização em dezembro de 2023 que trouxe melhorias significativas em relação à edição anterior, de 1988. Enquanto o mapa de isopletas não foi atualizado por falta de consenso na Comissão de Estudo responsável, foram atualizados os fatores de ajuste de velocidade com base em dados climáticos recentes, aumentando a precisão dos cálculos. Além disso, trouxe regulamentações específicas para tratar as vibrações por desprendimento de vórtices em estruturas esbeltas e flexíveis.

Este boletim técnico destaca as principais atualizações da Norma NBR 6123 e sua aplicação na adequação ao uso de estruturas esbeltas de comportamento quase-estático. Um estudo de caso de uma torre é realizado para quantificar a influência do vento em diferentes cenários.

 1. INTRODUÇÃO

As pressões e forças devidas ao vento são calculadas em função de parâmetros meteorológicos e aerodinâmicos.

A velocidade característica do vento é dependente de parâmetros meteorológicos e pode ser expressa pela equação.

onde,

V0 velocidade básica do vento;

S1 fator topográfico;

S2 fator de rugosidade do terreno e dimensões da edificação;

S3 é o fator estatístico.

A velocidade básica do vento varia conforme a região do país, e pode ser obtida pelo mapa de isopletas de velocidade reproduzido na Figura 1, elaborado a partir de análises de valores extremos das velocidades do vento registradas em estações meteorológicas.

Os fatores de correção (S1, S2, S3) variam conforme o relevo do terreno, dimensões do equipamento, aplicação e risco associado a um dano na estrutura, e são determinados pela Norma por tabelas e equações.

Por exemplo, um vale profundo deve apresentar menor incidência de vento que um terreno plano. Já a velocidade do vento tende a aumentar conforme a altura acima do terreno, portanto equipamentos muito altos têm a velocidade incidente usualmente avaliada conforme faixas de elevação.

Além disso, uma estrutura que abriga substâncias tóxicas, ou cuja ruína pode afetar a possibilidade de socorro, como hospitais, quartéis de bombeiros, apresenta um fator de correção superior a uma estrutura temporária, ou que não seja destinada à ocupação humana.

Calculada a velocidade característica do vento, pode-se determinar a pressão dinâmica conforme a equação.

Já a força devida ao vento sobre a estrutura depende de parâmetros aerodinâmicos e pode ser calculada pela expressão.

onde,

 C coeficiente aerodinâmico;

A área de referência;

Fv fator de vizinhança.

O vento apresenta flutuações em torno da velocidade média, que podem induzir oscilações importantes na direção do vento em estruturas muito flexíveis, especialmente em edificações altas e esbeltas.

A Norma estabelece que, caso as estruturas apresente frequência natural fundamental Hz, os efeitos dinâmicos devidos à turbulência atmosférica devem ser considerados.

Outro fenômeno presente especialmente em estruturas com longos trechos com seção transversal constante é conhecido por “desprendimento de vórtices”.

Neste caso, forças flutuantes agindo perpendicularmente à direção de incidência do vento são causadas pelo desprendimento alternado de vórtices de um lado e de outro da estrutura. Caso a frequência de desprendimento do par de vórtices seja próxima à frequência natural, essas forças alternadas podem causar vibrações de grande amplitude e consequentes danos por fadiga.

A Norma estabelece que seus efeitos devem ser investigados em toda estrutura com esbeltez maior do que seis (). A velocidade crítica do vento expressa por:

onde,

L dimensão característica da seção transversal;

St número de Strouhal.

Os efeitos dinâmicos devidos ao desprendimento de vórtices podem ser desprezados se

2. ESTUDO DE CASO

Um estudo de caso fictício foi elaborado para explorar o impacto do vento sobre uma torre alta de aço, com seção uniforme. As principais dimensões e propriedades são listadas abaixo:

• Material: Aço;
• Diâmetro da torre: 2,8 m;
• Altura: 45m
• Temperatura do projeto: 200 °C;
• Tensão Admissível: 108 MPa.

Foi realizada análise linear elástica utilizando o método de Análise de Elementos Finitos (FEA), no programa ANSYS 2023 R1.

A Figura 2 ilustra o modelo simplificado da torre, com tampos, costado e saia.

A análise de tensões mostrou uma diferença significativa apenas mudando geograficamente a torre dentro do país, podendo impactar no dimensionamento de espessuras, reforços, bem como a vida remanescente do ativo sujeito à corrosão.

Uma análise modal identificou uma frequência natural de 4,65Hz no primeiro modo, conforme Figura 5. Assim, tanto os efeitos dinâmicos devidos à turbulência atmosférica quanto por desprendimento de vórtices foram desprezados.

Em estruturas reais, diversos outros carregamentos atuam sobre a torre e precisam ser avaliados, bem como outros mecanismos de dano, como fadiga, flambagem e deformação plástica progressiva.

3. CONCLUSÃO

A Norma Brasileira NBR 6123 2ª Ed. “Forças devidas ao vento em edificações”, estabelece as condições para consideração das forças devido às ações do vento estáticas e dinâmicas considerando fatores como a localização geográfica, topografia, rugosidade e características estruturais específicas.

Considerar o efeito dos ventos é um aspecto essencial tanto no planejamento e construção de torres altas e esbeltas, quanto na adequação ao uso de ativos. Ignorar esse aspecto pode ameaçar não só a segurança da estrutura, mas também a proteção de todos os envolvidos.

Técnicas avançadas, como o Método dos Elementos Finitos, auxiliam na determinação dos esforços atuantes sobre a estrutura e na verificação da proteção contra diversos mecanismos de falha previstos em outras Normas específicas.

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