Acoes do Vento em Edificacoes - NBR 6123 e Calculos

UNIJUÍ UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL CURSO DE ENGENHARIA CIVIL ESTRUTURAS DE MADEIRA Unidade 4 Ações do Vento em Edificações Prof MSc Paulo Cesar Rodrigues 41 Introdução O vento não é um problema em construções baixas e pesadas com paredes grossas porém em estruturas esbeltas passa a ser uma das ações mais importantes a determinar no projeto de estruturas As considerações para determinação das forças devidas ao vento são regidas e calculadas de acordo com a NBR 6123 Forças devidas ao vento em edificações A maioria dos acidentes ocorre em construções leves principalmente de grandes vãos livres tais como hangares pavilhões de feiras e de exposições pavilhões industriais coberturas de estádios ginásios cobertos etc Ensaios em túneis de vento mostram que o máximo de sucção média aparece em coberturas com inclinação entre 8º e 12º para certas proporções da construção exatamente às inclinações de uso corrente na arquitetura em um grande número de construções As principais causas dos acidentes devidos ao vento são falta de ancoragem de terças contraventamento insuficiente de estruturas de cobertura fundações inadequadas paredes inadequadas deformabilidade excessiva da edificação Muitos casos não são considerados dentro da NBR 6123 porém quando a edificação seja por suas dimensões e ou forma provoque perturbações importantes no escoamento ou por obstáculos na sua vizinhança devese recorrer a ensaios em túnel de vento onde possam ser simuladas as características do vento natural Figura 401 Definições básicas do vento Os cálculos são determinados a partir de velocidades básicas determinadas experimentalmente em torres de medição de ventos e de acordo com a NBR 6123 a 10 metros de altura em campo aberto e plano A velocidade básica do vento é uma rajada de três segundos de duração que ultrapassa em média esse valor uma vez em 50 anos e se define por V0 Essas velocidades foram processadas estatisticamente com base nos valores de velocidades máximas anuais medidas em cerca de 49 cidades brasileiras A NBR 6123 desprezou velocidades inferiores a 30 ms Considerase que o vento pode atuar em qualquer direção e no sentido horizontal A Figura 402 representa os valores de velocidade básica através de curvas isopletas mesma velocidade do vento Figura 402 Gráfico das Isopletas da velocidade básica do vento V0 em ms 42 Determinação da pressão dinâmica ou de obstrução A velocidade característica do vento Vk pode ser obtida pela seguinte expressão Vk V0 S1 S2 S3 onde V0 velocidade básica do vento ms S1 fator topográfico S2 fator relativo à rugosidade do terreno e às dimensões da edificação S3 fator estatístico A seguir será mostrado como podem ser obtidos os fatores S1 S2 e S3 θt 3º S1z 10 6º θt 17º S1z 10 25 zdt tgθt 3 10 θt 45º S1z 10 25 zdt 031 10 Figura 403a Talude onde z é a altura medida a partir da superfície do terreno no ponto considerado dt é a diferença de nível entre a base e o topo do talude ou morro θt é a inclinação média do talude ou encosta do morro Fator S2 O fator S2 considera a rugosidade do terreno categoria da variação da velocidade com a altura do terreno e das dimensões da edificação A rugosidade do terreno está diretamente associada à velocidade do vento quando há presença de obstáculos naturais ou artificiais A NBR 6123 estabelece cinco categorias do terreno em função de sua rugosidade Tabela 401 Tabela 401 Categoria do terreno Fator S2 Categoria Descrição Exemplos I Superfícies lisas de grandes dimensões com mais de 5 km de extensão medida na direção e sentido do vento incidente Exemplos mar calmo lagos e rios pântanos sem vegetação Tabela 401 Categoria do terreno Fator S2 continuação Categoria Descrição Exemplos II Terrenos abertos em nível ou aproximadamente em nível com poucos obstáculos isolados tais como árvores e edificações baixas A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual ou inferior a um metro Exemplos zonas costeiras planas pântanos com vegetação rala campos de aviação pradarias e charnecas fazendas sem sebes ou muros III Terrenos planos ou ondulados com obstáculos tais como sebes e muros poucos quebraventos de árvores edificações baixas e esparsas A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual a três metros Exemplos granjas e casas de campo com exceção das partes com matos fazenda com sebes eou muros subúrbios a considerável distância do centro com casas baixas e esparsas Tabela 401 Categoria do terreno Fator S2 continuação Categoria IV Terrenos cobertos por obstáculos numerosos pouco espaçados e situados em zonas florestais industriais ou urbanizadas A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual a dez metros e também inclui zonas com obstáculos maiores e que ainda não possam ser considerados na categoria V Exemplos zonas de parques e bosques com muitas árvores cidades pequenas e seus arredores subúrbios densamente construídos de grandes cidades áreas industriais plena ou parcialmente desenvolvidas Categoria V Terrenos cobertos por obstáculos numerosos grandes altos e pouco espaçados A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual ou superior a 25 metros Exemplos florestas com árvores altas de copas isoladas centros de grandes cidades complexos industriais bem desenvolvidos Copyright 2025 All rights reserved Created by Rodrigues Paulo C Sobre as dimensões da edificação a NBR 6123 define três classes de edificações e seus elementos Tabela 402 considerando os intervalos de tempo para cálculo da velocidade média de 3 5 e 10 segundos respectivamente Tabela 402 Classes das edificações Fator S2 Classe A Todas as unidades de vedação seus elementos de fixação e peças individuais de estruturas sem vedação Toda edificação ou parte da edificação na qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal superfície de incidência do vento não exceda 20 metros Classe B Toda edificação ou parte da edificação para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal superfície de incidência do vento esteja entre 20 e 50 metros Classe C Toda edificação ou parte da edificação para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal superfície de incidência do vento exceda 50 metros Copyright 2025 All rights reserved Created by Rodrigues Paulo C Podese também utilizar os valores de S2 para as diversas categorias de rugosidade do terreno e classes de dimensões das edificações utilizando a Tabela 405 em vez de se utilizar a expressão para o cálculo de S2 Tabela 405 Fator S2 Copyright 2025 All rights reserved Created by Rodrigues Paulo C Portanto calculase o valor de S2 com a seguinte expressão S2 bm Fr z 10p onde z altura acima do terreno Fr fator de rajada correspondente à categoria II bm parâmetro de correção da classe da edificação p parâmetro meteorológico Os parâmetros Fr bm e p estão apresentados na Tabela 403 e 404 Copyright 2025 All rights reserved Created by Rodrigues Paulo C Fator Estatístico S3 Fator estatístico S3 é baseado em conceitos estatísticos e considera o grau de segurança requerido e a vida útil da edificação estrutura ou componente ver Anexo B da NBR Tabela 403 Parâmetros meteorológicos para o Fator S2 Categoria I b 110 111 112 p 006 0065 007 Categoria II b 100 100 100 p 0085 009 010 Categoria III b 094 094 093 p 010 0105 0115 Categoria IV b 086 085 084 p 012 0125 0135 Categoria V b 074 073 071 p 015 016 0175 Tabela 404 Fator de rajada Fr Classe A Classe B Classe C 100 098 095 Copyright 2025 All rights reserved Created by Rodrigues Paulo C Tabela 406 Valores mínimos do Fator S3 continuação Grupo 2 Estruturas cuja ruína represente substancial risco à vida humana particularmente a pessoas em aglomerações crianças e jovens incluindo mas não limitado a edificações com capacidade de aglomeração de mais de 300 pessoas em um mesmo ambiente como centros de convenções ginásios estádios etc creches com capacidade maior do que 150 pessoas escolas com capacidade maior do que 250 pessoas Vedações das edificações do grupo 2 telhas vidros painéis de vedação 106 75 3 Edificações para residências hotéis comércio indústrias Estruturas ou elementos estruturais desmontáveis com vistas a reutilização Vedações das edificações do grupo 3 telhas vidros painéis de vedação 100 50 Tabela 406 Valores mínimos do Fator S3 continuação Grupo 4 Edificações não destinadas à ocupação humana depósitos silos e sem circulação de pessoas no entorno Vedações das edificações do grupo 4 telhas vidros painéis de vedação 095 37 5 Edificações temporárias não reutilizáveis Estruturas dos Grupos 1 a 4 durante a construção fator aplicável em um prazo máximo de 2 anos Vedações das edificações do grupo 5 telhas vidros painéis de vedação 083 15 Segundo a NBR 6123 42 a pressão dinâmica pode ser obtida pela seguinte expressão q0613V𝑘2 sendo q em Nm2 e V𝑘 em ms 43 Determinação das forças estáticas devido ao vento A força devido ao vento depende da diferença de pressão nas faces opostas da parte da edificação em estudo coeficientes aerodinâmicos A NBR 6123 permite calcular as forças a partir de coeficientes de pressão ou coeficientes de força Os coeficientes de forma têm valores definidos para diferentes tipos de construção na NBR 6123 que foram obtidos através de estudos experimentais em túneis de vento A força devida ao vento através dos coeficientes de forma pode ser expressa por 𝐹𝐶𝑝𝑒𝐶𝑝𝑖𝑞𝐴 onde C𝑝𝑒 e C𝑝𝑖 são os coeficientes de pressão de acordo com as dimensões geométricas da edificação q pressão dinâmica A área frontal ou perpendicular a atuação do vento Valores positivos dos coeficientes de forma ou pressão externo ou interno correspondem a sobrepressões e valores negativos correspondem a sucções A força global do vento sobre uma edificação ou parte dela F𝑔 é obtida pela soma vetorial das forças que aí atuam A força global na direção do vento F𝑎 é expressa por 𝐹𝑎𝐶𝑎𝑞𝐴𝑒 onde C𝑎 coeficiente de arrasto coeficiente de força A área frontal efetiva A NBR 6123 apresenta valores dos coeficientes de pressão e forma externos e internos para diversos tipos de edificação Zonas com altas sucções aparecem junto às arestas de paredes e de telhados Coeficientes de pressão e forma externos são apresentados nas Tabelas 407 e 408 para edifícios de planta retangular e telhados a duas águas Consultar a NBR 6123 para outros tipos de edificações NOTA 1 A altura h está especificada no detalhe I da Tabela 7 NOTA 2 Para ab entre 32 e 2 interpolar linearmente NOTA 3 Para vento a 0 nas partes A3 e B3 o coeficiente de forma Ce tem os seguintes valores ab 1 mesmo valor das partes A2 e B2 ab 2 Ce 02 1 ab 2 interpolar linearmente NOTA 4 Para cada uma das duas incidências do vento 0 ou 90 o coeficiente de pressão médio externo cpe médio é aplicado à parte de barlavento das paredes paralelas ao vento área hachurada nas figuras da Tabela 6 em uma distância igual a 02b ou h considerandose o menor destes dois valores NOTA 5 Para determinar o coeficiente de arrasto Ca recomendase o uso do gráfico da Figura 4 vento de baixa turbulência ou da Figura 5 vento de alta turbulência ver 613 Tabela 408 Coeficiente de pressão e forma externos para telhados com duas águas simétricos de edificações de planta retangular Tabela 7 da NBR Nas zonas em torno de partes de edificações salientes ao telhado chaminés reservatórios torres etc deve ser considerado um coeficiente de forma Ce 12 até uma distância igual à metade da dimensão da diagonal da saliência vista em planta NOTA 1 O coeficiente de forma Ce na face inferior do beiral é igual ao da parede correspondente NOTA 2 Na cobertura de lanternins cpe médio 20 NOTA 3 Para vento a 0º nas partes I e J o coeficiente de forma Ce tem os seguintes valores ab 1 mesmo valor das partes F e H ab 2 Ce 02 Interpolar linearmente para valores intermediários de ab 44 Coeficientes de pressão e forma aerodinâmicos Ao incidir sobre uma edificação o vento devido a sua natureza provoca pressões ou sucções Essas sobrepressões ou sucções são apresentadas em forma de tabelas na NBR 6123 assim como em normas estrangeiras e dependem exclusivamente da forma e da proporção da construção e da localização das aberturas Um exemplo simples seria aquele do vento atingindo perpendicularmente um a placa plana vejase Figura 406 na qual a face de barlavento o coeficiente de pressão na zona central chega a 10 decrescendo para as bordas e é constante e igual a 05 na face a sotavento assim sendo esta placa estaria sujeita a uma pressão total na zona central de Cp 10 05 15 A permeabilidade devese à presença de aberturas tais como juntas entre painéis de vedação e entre telhas frestas em portas e janelas ventilações em telha e telhados vão abertos de portas e janelas chaminés lanternins etc 441 Coeficientes de pressão interna Método simplificado Edificações com aberturas nas paredes e cobertura impermeável Devem ser adotados os seguintes valores para o coeficiente de pressão interna cpi a Duas faces opostas igualmente permeáveis as outras faces impermeáveis vento perpendicular a uma face permeável cpi 02 vento perpendicular a uma face impermeável cpi 03 abertura dominante na face de sotavento Adotar o valor do coeficiente de forma externo Ce correspondente a esta face ver a Tabela 4 da NBR 6123 abertura dominante em uma face paralela ao vento abertura dominante não situada em zona de alta sucção externa Adotar o valor do coeficiente de forma externo Ce correspondente ao local da abertura nesta face ver a Tabela 6 da NBR 6123 abertura dominante situada em zona de alta sucção externa O valor de cpi depende da proporção entre a área da abertura dominante ou área das aberturas situadas nesta zona e a área total das outras aberturas situadas em todas as faces submetidas a sucções externas 025 cpi 04 050 cpi 05 075 cpi 06 10 cpi 07 15 cpi 08 3 ou mais cpi 09 As zonas de alta sucção externa são as zonas hachuradas nas Tabelas 6 e 7 da NBR 6123 cpe médio Quando não for considerado necessário ou quando não for possível determinar com exatidão razoável a relação de permeabilidade de 6321 c da NBR 6123 deve ser adotado para valor do coeficiente de pressão interna o mesmo valor do coeficiente de forma externo Ce para incidência do vento de 0 e de 90 indicado nesta Norma para a zona em que se situa a abertura dominante tanto em paredes como em coberturas Edificações estanques Para edificações efetivamente estanques e com janelas fixas que tenham uma probabilidade desprezável de serem rompidas por acidente considerar o mais nocivo dos seguintes valores cpi 02 ou 0 Edificação cilíndrica de seção circular sem aberturas nas paredes e com topo aberto No campo de aplicação da Tabela 13 da NBR 6123 para o cálculo das forças devidas ao vento nas paredes de uma edificação cilíndrica quando esta for de topos abertos devem ser adotados os seguintes valores para cpi h d 03 cpi 08 h d 03 cpi 05 Para casos não considerados em 632 o coeficiente de pressão interna pode ser determinado de acordo com as indicações de 633 da NBR 6123 Em edifícios com geometria não abordada pela NBR 6123 devese recorrer a ensaios em túnel de vento modelos reduzidos onde possam ser simuladas as características do vento Figura 407 Modelo reduzido de edifício em interior de túnel de vento UFRGS Para z1 500 m S2 094 098 500100105 0857 Para z2 661 m S2 094 098 661100105 0882 Coeficiente fator estatístico S3 S3 095 grupo 4 Velocidade característica do vento Para z1 500 m Vk1 45 10 0857 095 3664 ms Para z2 661 m Vk2 45 10 0882 095 3771 ms 2 Pressão dinâmica ou de obstrução do vento q Conforme a NBR 6123 q 0613 Vk2 onde q em Nm2 Vk em ms Para z1 500 m q1 0613 36642 822946 Nm2 0823 kNm2 Para z2 661 m q2 0613 37712 871713 Nm2 0872 kNm2 3 Cálculo dos coeficientes de forma externos Ce para as paredes Segundo a NBR 6123 para o projeto o valor de a 255 m valor de h 5 m e o vão b 12 m calculando hb 512 0417 hb 12 e ab 25512 2125 2 2 ab 4 Não há necessidade de uma interpolação entre os valores conforme tabela abaixo temos α 0º α 90º A1 e B1 A2 e B2 C D A B C1 e D1 C2 e D2 08 04 07 03 07 05 09 05 O valor do coeficiente de forma na região A3 e B3 para vento atuando na direção α 0º é calculado em função da relação ab Nota 3 ab 25512 2125 2 Ce 02 Ver figuras a seguir 4 Cálculo dos coeficientes de forma externos Ce para a cobertura Segundo a NBR 6123 para o projeto o valor de h 5 m e o vão b 12 m calculando hb 512 0417 hb 12 Sendo a inclinação do telhado igual a 15 não há necessidade de uma interpolação entre os valores conforme tabela abaixo temos α 90º α 0º EF GH EG FH 10 04 08 06 O valor do coeficiente de forma na região IJ para vento atuando na direção α 0º é calculado em função da relação ab Nota 3 ab 25512 2125 2 Ce 02 Quando o vento atua na direção α 90 o coeficiente da região I vale o mesmo que o calculado para a região EF e região J o mesmo que o da região GH Ver figuras a seguir Vento Frontal VF ou vento a 0º Vento Lateral VL ou vento a 90º VF 08 08 6375 m 06 06 6375 m 02 02 1275 m b3 123 4 m ou a4 2554 6375 m porém 2h 10 m VL 10 04 6375 m 10 04 6375 m 10 04 1275 m 5 Coeficientes de pressão interna Cpi O cálculo da pressão interna é feito de acordo com a seção 44 NBR 6123 item 632 Será admitida que a edificação esteja na condição correspondente ao caso duas faces opostas são igualmente permeáveis e as outras faces impermeáveis Neste caso dois valores Cpi 020 e Cpi 030 Cpi 020 Cpi 030 3º Combinação VL Ce 90º Cpi 02 Cpi 020 4º Combinação VL Ce 90º Cpi 03 Cpi 030 6 Coeficientes de pressão para a estrutura e combinações dos coeficientes de pressão Para o dimensionamento da estrutura principal treliças adotase a combinação entre as pressões externas e internas mais crítica 08 08 10 04 08 08 07 05 VF VL Cpi 020 Cpi 030 2º Combinação VF Ce 0º Cpi 03 3º Combinação VL Ce 90º Cpi 02 4º Combinação VL Ce 90º Cpi 03 Combinações 1º Combinação VF Ce 0º Cpi 02 08 08 10 10 08 08 Cpi 020 10 10 VF 2º Combinação VF Ce 0º Cpi 03 08 08 05 05 08 08 Cpi 030 05 05 VF