Avaliação em túnel de vento do comportamento da camada limite atmosférica em terrenos complexos

Abstract

A estrutura do vento varia de acordo com as características do terreno e com a rugosidade da superfície terrestre, desacelerando proporcionalmente sua intensidade de acordo com a proximidade do solo, o que determina a constituição da camada limite atmosférica (C.L.A.). As características do escoamento sobre e no entorno de características topográficas obtusas tais como morros são de grande interesse em muitas aplicações, especialmente aquelas ligadas à engenharia de vento. Esta pesquisa foca a investigação da C.L.A. sobre terrenos complexos, analisando a estrutura do escoamento turbulento, a separação e a recomposição do mesmo. Para tanto, dois métodos são empregados e comparados na presente investigação para identificar a influência da orografia complexa sobre o escoamento do vento: padrões ou códigos de carga de vento e análises experimentais em túnel de vento. Nove modelos experimentais de morros isolados, sendo quatro simétricos bidimensionais, quatro simétricos tridimensionais e um assimétrico, todos com a consideração de dois tipos de terreno, categoria I – plano e categorias III-IV – medianamente rugosas são analisados. A partir de uma simulação experimental da camada limite em túnel de vento, é possível parametrizar os efeitos do vento sobre terrenos complexos (MILLER, 1995). A definição de variáveis, tais como: o perfil de velocidade do vento, a intensidade de turbulência, os efeitos topográficos na velocidade do vento constituem-se em elementos fundamentais para cálculos estruturais de edificações situadas no entorno. Foram desenvolvidas simulações experimentais no túnel de vento de camada limite Prof. Joaquim Blessmann, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Na superfície do modelo assimétrico, na radial principal do mesmo, foram localizados nove perfis de medição, contendo cada um, vinte alturas de investigação. Os demais modelos tiveram como foco de análise o cume dos mesmos, também com perfis definidos nas mesmas alturas. As medições da velocidade do vento e da intensidade da turbulência foram procedidas por um sistema de anemometria de fio quente. Os dados obtidos em túnel de vento foram confrontados com expressões empíricas calculadas para os mesmos pontos segundo cinco códigos ou padrões de carga de vento, pontuando também as correlações entre os mesmos e entre estes com a norma brasileira NBR 6123 (1988). Os modelos, códigos ou padrões analisados foram: Jackson e Hunt (1975) e Davenport, Surry e Lemelin (1988), models e as normas a seguir nominadas:Norma Brasileira: cargas de vento em Edificações - NBR 6123 (1988); European Standard:Eurocode1: Basis of Design and Actions on Structures, CEN TC 250: 2002; Australian/New Zealand Standard: Minimum Design Loads on Structures, AS/NZS 1170.2: 2002; Architectural Institute of Japan AIJ: 2004; American Society of Civil Engineering Standard, ASCE 7-95 (ASCE 7-95), Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures;National Building Code of Canada, 2005, (NRCC 2005). Além do estudo comparativo acerca da resposta estimada pelos códigos nominados, esta pesquisa constitui-se em um banco de dados de medições em pontos localizados nos morros nominados, em túnel de vento. O comparativo entre os padrões mostra a inexistência de uma harmonização entre os mesmos para a consideração dos parâmetros a serem empregues para o cálculo de cargas de vento. Estas diferenças na definição dos parâmetros básicos para o carregamento de vento em estruturas determinam grandes dificuldades na unificação de formatos recomendados na previsão das cargas de vento. Comparativamente aos dados experimentais, os padrões, em geral, mostram-se conservadores para os dois tipos de morros analisados, simétrico e assimétrico, para os dois tipos de terreno, tanto considerando-se análises em 2D ou 3D.

The structure of the wind varies with the characteristics of the terrain and roughness land surface, slowing its intensity proportionally according to the surrounding terrain, which determines the onset of boundary layer (ABL). The characteristics of the flow over and around topographic features such as hills are of great interest in many applications, especially those related to wind engineering. From an experimental simulation of the boundary layer wind tunnel, it is possible to parameterize the effects of wind over complex terrain (MILLER, 1995). The definition of variables, such as the profile of wind speed, the turbulence intensity, the topographic effects on wind speed are key elements in structural calculations for buildings situated around the area. This research focuses on the investigation of the ABL complex terrain conditions, analyzing the structure of turbulent flow and characterization of separation and reattachment of the flow. Experimental simulations were developed in the wind tunnel of the atmospheric boundary layer Prof. Joaquim Blessmann, Federal University of Rio Grande do Sul in nine models of hills, four symmetrical two-dimensional, four- symmetrical threedimensional and one asymmetrical, all considering two types of terrain, category I - plan and Category III-IV- moderately rough. The surface of the asymmetric model was measured in nine profiles ploted on the main radial of the hill, with twenty heights each, and the other models were examined at top of the hill. The measurements were performed with a system of hot wire anemometry to measure the wind velocity and intensity of turbulence. The identification of the data obtained in the wind tunnel were confronted with empirical expressions for the same points, in order to establish the correlations between patterns and among these with NBR 6123 (1988). Two models and five codes of wind loads are analyzed: Jackson and Hunt (1975) and e Davenport, Surry e Lemelin (1988) Models and Brazilian Association of Technical Standards: Wind Load on Buildings, NBR 6123 (1988); European Standard: Eurocode1: Basis of Design and Actions on Structures, CEN TC 250: 2002; Australian/New Zealand Standard: Minimum Design Loads on Structures, AS/NZS 1170.2: 2002; Architectural Institute of Japan AIJ: 2004; American Society of Civil Engineering Standard, ASCE 7-95 (ASCE 7-95), Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures; National Building Code of Canada, 2005, (NRCC 2005) codes. This study focuses not only the comparison of the response estimated by international codes nominees, but also a data bank of wind tunnel data to validate this tool based on empirical expressions. The comparison of the patterns shows a lack of consideration for international harmonization of the parameters to be employed for the calculations of wind loads. These differences in defining the basic parameters for the wind loading on structures determines difficulties to unify the formats recommended in the prediction of wind loads. Compared to the experimental data, the patterns will generally show up conservative for both types of mounts analyzed, symmetrical and asymmetrical, for both types of terrain, both considering 2D or 3D.