PREDOMINÂNCIA DOS VENTOS

São Paulo 2017

RESUMO

Este trabalho tem como objetivo estudar a predominância dos ventos, bem como discutir sua importância para as edificações. O estudo dos ventos pode nos trazer informações relevantes para prevenir problemas estruturais ou, simplesmente, para dominar a circulação dos ventos no terreno.

O vento é o fluxo de gases em grande escala. Na superfície da Terra, o vento consiste no movimento de ar em grande quantidade. No espaço sideral, o vento solar é o movimento através do espaço de gases e partículas carregadas emitidas pelo Sol, enquanto o vento planetário é a desgaseificação de elementos químicos leves a partir da atmosfera de um planeta em direção ao espaço. Os ventos são geralmente classificados de acordo com a sua escala, rapidez, tipos de forças que os provocam, regiões em que ocorrem e com o seu efeito. Os ventos de maior intensidade observados no sistema solar ocorrem em Netuno e Saturno. Os ventos têm várias características, entre as quais a sua velocidade, a densidade dos gases envolvidos e a sua energia eólica.

2. CARACTERIZAÇÃO DO VENTO

A superfície terrestre, em contato com as massas de ar que se movimentam, provoca um efeito retardador sobre as camadas inferiores do escoamento atmosférico, gerando uma variação vertical de velocidades do vento. A partir da altura onde o efeito do solo é desprezível, a velocidade média do vento permanece invariante, sendo denominadas altura e velocidade gradiente. A altura gradiente varia, conforme diferentes autores, de 300 m até mais de 2.000 m sobre o nível do solo. A região do ar compreendida entre a superfície terrestre e a altura gradiente denomina-se camada limite atmosférica.

O vento no interior da camada limite atmosférica constitui um escoamento turbulento cuja descrição realiza-se com as ferramentas da teoria de processos aleatórios. As cargas provocadas sobre as estruturas são relevantes quando há altas velocidades de vento. A agitação originada pela fricção superficial é superior em relação à provocada por gradientes térmicos atmosféricos, destruindo, desta maneira, o processo de convecção. As condições atmosféricas nos ventos fortes são de gradiente térmico vertical adiabático e estabilidade neutra. Sob estas condições, a turbulência contida no escoamento médio do ar é causada pelo movimento da massa de ar sobre rugosidades superficiais (turbulência mecânica), e sua característica depende da forma, dimensão e distribuição de obstáculos superficiais naturais e artificiais.

O modelo físico do vento de alta velocidade proposto pelos códigos de vento é composto pelo escoamento médio de direção horizontal, provocado por um sistema de pressão em grande escala, ao qual se sobrepõem flutuações geradas pela rugosidade superficial local. É de esperar que, se a superfície rugosa permanecesse razoavelmente constante por alguns quilômetros a barlavento da estação de medição, produzir-se-ia um equilíbrio dinâmico entre o aumento uniforme da velocidade com a altura até a velocidade gradiente, com o déficit de energia cinética representado pela soma da energia cinética transferida do escoamento médio às flutuações de velocidade e o trabalho realizado pelo escoamento ao movimentar-se sobre as rugosidades superficiais.

O equilíbrio dinâmico entre as massas de ar produz perfis verticais de velocidades que permitem caracterizar os escoamentos médios com parâmetros que dependem das características da rugosidade superficial e descrever, também, o comportamento espacial da turbulência. Embora exista abundante bibliografia sobre a estrutura do escoamento médio e flutuante do vento atmosférico, definem-se hipóteses e conceitos básicos utilizados na Engenharia do Vento que são empregados neste trabalho.

BLESSMANN (1998) denomina "tormenta" os sistemas meteorológicos que provocam ventos em alta velocidade (fortes), independentemente de qual seja o mecanismo de formação. Em caso de tormentas de origem extratropicais ou simplesmente tormentas EPS (extended mature pressure systems) com ventos de alta velocidade, a rugosidade superficial gera turbulências de tal intensidade que a mistura do ar entre as camadas adjacentes impede o processo de convecção. O gradiente térmico vertical é considerado adiabático e a estabilidade neutra.

Desta forma, as flutuações são originadas pela agitação mecânica do ar, formando redemoinhos de dimensões diversas. Os ciclones extratropicais, considerados na Engenharia do Vento como ventos "bem-comportados", geram ventos fortes em equilíbrio dinâmico com a rugosidade superficial. Estes são os ventos mais estudados e servem como base aos códigos de vento.

Em outras tormentas, as flutuações de vento são principalmente de origem térmica (tormentas elétricas ou TS, tornados, entre outras). Isto impede a aplicação do conceito de vento em equilíbrio dinâmico com a rugosidade da superfície terrestre, devido à reduzida extensão superficial horizontal que abrange estes fenômenos meteorológicos.

2.1. AÇÃO DO VENTO SEGUNDO NBR 6123

Velocidade Básica

A velocidade básica do vento V0 , adequada ao local onde a estrutura se localiza é determinada através das isopletas de velocidades básica, as quais foram elaboradas a partir dos registros de diversas estações meteorológicas:

Estas velocidades são definidas como a velocidade de uma rajada de 3 segundos, exercida em média uma vez em 50 anos, a 10 metros acima do solo em campo aberto e plano. Como regra geral é admitido que o vento básico possa soprar de qualquer direção horizontal.

VELOCIDADE CARACTERISTICA E VELOCIADE DE PROJETO DO VENTO

A velocidade característica do vento Vk é a utilizada no cálculo da pressão dinâmica nas estruturas, obtida a partir da velocidade básica corrigida por fatores de ajuste, segundo a apresentada pela NBR-6123 (1988):

Vk = V0 S1 S2 S3 Eq. 5.1

A velocidade de projeto Vp, corresponde à velocidade média em 10 min a 10 m de altura sobre o solo, em terreno aberto e em nível ou aproximadamente em nível, com poucos obstáculos isolados, tais como árvores e edificações baixas:

Vp = 0,69 V0S1S3Eq. 5.2onde V0 é a velocidade básica do vento e S1,S2 e S3 os coeficientes de ajuste da velocidade básica, os quais serão nos itens 5.2.3 a 5.2.5. O fator multiplicador 0,69 é uma adequação do tempo de exposição da velocidade básica para 10 minutos.

Como citado anteriormente, os valores de velocidade básica são obtidos das isopletas da NBR-6123 (1988) e os coeficientes de ajuste têm como finalidade adequar a velocidade básica às particularidades do local da edificação, suas dimensões e grau de segurança desejado.

FATOR TOPOGRAFICO(S1)

O fator S1 leva em consideração a influência da topografia local na variação da velocidade do vento. Como primeira aproximação, a NBR-6123 (1988) sugere os valores indicados no seu item 5.2, ressaltando que estes devem ser usados com precaução.

Caso seja necessário um conhecimento mais preciso da influência do relevo ou se a complexidade deste tornar difícil a aplicação dos valores sugeridos, deve-se proceder ansaios de modelos topográficos em túnel de vento ou a medidas anemométricas no próprio terreno.

FATOR DE RUGOSIDADE(S2)

De acordo com a NBR-6123 (1988), o fator S2 considera o efeito combinado da rugosidade do terreno, da variação da velocidade do vento com a altura acima do terreno e das dimensões da edificação ou parte desta. A altura considerada é tomada a partir do nível do terreno ao ponto desejado. Entretanto, pode-se dividir a altura da edificação em trechos, determinando-se S2 com base na altura medida do terreno à cota do topo de cada trecho.

A rugosidade do terreno é classificada em cinco categorias e quanto às dimensões da edificação a norma divide as edificações e suas partes em três classes, com intervalos de tempo para o cálculo da velocidade média de 3, 5 e 10 segundos e dimensões máximas, vertical ou horizontal, de 20, 50 e 80 m. Nas edificações em que a maior dimensão ultrapasse 80 m, o intervalo de tempo é obtido das instruções fornecidas no Anexo A da referida norma. A norma considera ainda, no seu item 5.5, os casos de transição de rugosidade:

Categoria I

Superficies lisas de grandes dimensões, com mais 5 km de extensão, medida na direção e sentido do vento incidente :

- Mar calmo; - lagos e rios; - Pântanos sem vegetação.

Categoria I

- zonas costeiras planas; - pântanos com vegetação rala; - campos de aviação;- pradarias e charnecas;- fazendas sem sebes ou muros.

Categoria I

Terrenos planos ou ondulados com obstáculos, tais como sebes e muros, poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esparsas.

- granjas e casas de campo, com exceção das partes com matos; - fazenda com sebes e/ou muros;

- subúrbios a considerável distância do centro, com casas e esparsas. Categoria IV

Terrenos cobertos por obstáculos numerosos e pouco espaçados, em zona florestal, industrial ou urbanizada.

- zonas de parques e bosques com muitas árvores; - cidades pequenas e seus arredores;

- subúrbios densamente construídos de grandes cidades. Categoria V

Terrenos cobertos por obstáculos numerosos, grandes, altos e pouco espaçados. - florestas com árvores altas, de copas isoladas;

- centros de grandes cidades;- complexos industriais bem desenvolvidos. Classe A

Todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e peças individuais de estruturas sem vedação. Toda edificação na qual a maior dimensão horizontal ou vertical não exceda 20 m.

Toda edificação ou parte de edificação para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal esteja entre 20 e 50 m.

Classe C

Toda edificação ou parte de edificação para a qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal exceda 50 m.

Sendo b o parâmetro meteorológico, p o expoente da lei potencial de variação de

S2, Fr o fator de rajada, o qual sempre corresponde à categoria I e z a altura acima do nível geral do terreno.

Tabela 1 – Parâmetros para cálculo do Fator de Rugosidade (S2) Valores de b para Classes A,B,CCategoria zg (m)

Categoria A B C Fr 1 0,98 0,95

10. COEFICIENTES AERODINÂMICOS

NBR 6123:1988 especifica coeficientes aerodinâmicos dependente da forma geométrica da estrutura, incluindo sua permeabilidade. Estes coeficientes são então multiplicados pela pressão dinâmica do vento para se obter o carregamento de vento na estrutura.

A pressão dinâmica do vento corresponde à velocidade característica Vk em condições normais de pressão (1 atm = 1013,2 mbar = 101320 Pa) e de temperatura (15°C), e é dada por:

(q:N/m; Vk:m/s)Eq. 05.5 q = 0,613 Vk 2

PESQUISA SOBRE VELOCIDADE BÁSICA DO VENTO

Motivado pela cada vez mais freqüente ocorrência de catástrofes climáticas, como os ciclones tropicais ocorridos na região Sul do país (vide Figura 6), foi realizada pesquisa em diversos institutos meteorológicos do país sobre medições de rajadas de vento nas condições estabelecidas pela NBR 6123.

Dentre todas as estações meteorológicas pesquisadas, os dados de muitas foram eliminadas por não satisfazerem as condições estabelecidas no capítulo 5.2.1 ou por não terem amostragem suficiente, principalmente nos últimos cinco anos.

Neste sentido, com colaboração do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

(INPE), através do Sistema Nacional de Dados Ambientais (SINDA), foram obtidos com sucesso dados da Estação Meteorológica São Martinho da Serra, localizada no Rio Grande do Sul.

A velocidades básica prevista em norma para São Martinho da Serra é cerca de 45m/s.

Na Tabela 2 resumem-se os valores obtidos na Estação Meteorológica:

ANO No Ocorrências

No Ocorrências

No Ocorrências V0 máx (m/s)

Levando em conta as isopletas de norma, em Martinho da Serra uma rajada de vento superior a 45 m/s deveria ocorrer em uma oportunidade a cada 50 anos, entretanto registraram-se 38 ocasiões com ventos superiores nos últimos 6 anos.

Pontualmente, sem conseguir dados de um conjunto maior de estações, tais dados sugerem que a norma NBR 6123 pode ter seu mapa de isopletas defasado ou ainda que a interpolação entre dados de estações distintas tenha levado a alguma condição desfavorável para esta região.

Continuando a pesquisa, foi realizado um levantamento da quantidade de estações utilizadas para elaborar o mapa de isopletas de alguns códigos nacionais, chegando- se ao seguinte resultado:

EXTENSÃO (km2) ESTAÇÕES CONSIDERADAS DENSIDADE (km2/un)África do Sul 1.221.037 14 87.217 Argentina 2.780.400 29 95.876 Brasil 8.514.876 49 173.773

Sudeste 927.286 1 84.299

A densidade média de estações no Brasil é muito baixa quando comparada a outros países como África do Sul e Argentina. Entretanto, tal densidade é crítica nas regiões Centro-Oeste, Norte e Nordeste, onde a velocidade básica do vento é menor. A densidade de estações nas Regiões Sul e Sudeste, onde os ventos são mais velozes, é compatível.

Tendo como exemplo o modelo Europeu, onde os códigos foram unificados criando- se um único mapa com isopletas para diversos países, sugere-se uma discussão na próxima atualização da norma levando em conta a contribuição de medições realizadas em países vizinhos para melhorar as isopletas brasileiras, principalmente nas regiões de fronteira.

Outro ponto de discussão interessante envolve ao sistema de medição. No caso supracitado não foi possível determinar a origem das flutuações do vento: térmica ou por agitações mecânicas.

Levando-se em conta estes resultados, as aplicações com estruturas de membrana serão elaboradas com velocidade básica do vento de 50 m/s.

AÇÃO DOS VENTOS

O vento exerce pressões e sucções nas edificações, de forma variada, contínua ou intermitente, causando efeitos indesejáveis.

Comportamento do vento Vento a barlavento

Produz um esforço de pressão sobre o componente, empurrando-o na direção e sentido do vento

Vento paralelo

Produz um esforço de sucção vertical sobre o componente, puxando-o na direção perpendicular ao do vento

Vento a sota-vento

Produz um esforço de sucção sobre o componente, puxando-o na direção e sentido do vento

Vento com pressão interna

Produz um esforço de pressão sobre o componente, empurrando-o na direção e sentido do vento e na direção perpendicular ao do vento

Vento com sucção interna

Produz um esforço de sucção sobre o componente, puxando-o na direção e sentido do vento e na direção perpendicular ao do vento

Ação combinada do vento a barlavento com o vento a sota-vento

Produz um esforço de pressão sobre o componente à barlavento, empurrando-o na direção e sentido do vento e também produz um esforço de sucção sobre o componente à sota-vento, puxando-o na direção e sentido do vento.

O Projetista da estrutura deve analisar todas as combinações possíveis, externas e internas, de ação do vento e estudar também os condicionantes da região como a topografia do terreno, a existência de obstáculos e prédios que possam aumentar a força dos ventos, levar em consideração que portas e janelas podem se romper sob a ação do vento e criar ventos internos e também tentar adivinhar que tipo de reformas serão realizadas no futuro abrindo novas portas e janelas ou fechando-as.

Uma simples depressão no terreno poderá ocasionar uma concentração do fluxo do vento, aumentando a carga de vento que atua sobre uma parede a barlavento: Os valores mínimos das cargas acidentais, produzidas pelo vento, que devem ser considerados no cálculo das estruturas de edifícios estão fixadas na Norma Brasileira NBR- 6120 - (antiga NB-5) - Cargas para o Cálculo de Estruturas de Edifícios.

GEOMETRIA DO PRÉDIO

Não basta analisar a ação dos ventos baseando o estudo somente nas normas técnicas ou nas cartas de vento ou gráficos levantados com o emprego de anemômetros.

Existem condicionantes locais como áreas abertas ou fechadas, prédios altos, revestimentos térmicos, espelhos d'água, praças arvorizadas, avenidas em fundo de vale e outros fatores topográficos que canalizam, conduzem e condicionam o vento em determinadas direções.

Outro fator que contribui para a ação danosa dos ventos é a forma do prédio. Prédios com a face côncava, prédio com laterais concorrentes, posição relativa de prédio vizinhos, etc.

A AÇÃO DO SOL

O Sol exerce uma influência fundamental na formação dos ventos na Terra. Pelo fato da

Terra girar - movimento de Rotação - uma parte da Terra fica mais aquecida que as outras. O sol aquece diretamente a face mais próxima mas a rotação desloca a área aquecida para o leste, trazendo a área que ficou a noite toda sem sol e, portanto, está mais fria. A parte mais quente vai sendo deslocada e vai perdendo calor durante a noite toda.

Veja um diagrama esquemático das temperaturas ao longo da linha do Equador.

Localmente, o aquecimento provocado pela radiação solar faz o ar girar na forma de correntes térmicas ascendentes e descendentes criando os ventos de alta pressão e de baixa pressão. O ar quente é mais leve e sobe (térmica ascendente) abrindo um espaço em baixo que é logo preenchido pelo ar mais frio. O ar quente que subiu, encontra, nas camadas mais altas, temperaturas baixas e esfria.

Globalmente, o aquecimento solar combinado com o movimento de rotação da Terra, cria uma distribuição assimétrica das temperaturas, gerando térmicas ascendentes e descendentes que seguem, aproximadamente o seguinte padrão, quando olhamos a Terra a partir de um ponto acima do Polo Norte:

As setas vermelhas é o fluxo do ar mais quente e as setas azuis é o fluxo (vento) do ar mais frio.

Olhando a Terra a partir de um ponto acima da linha do Equador, observamos que o gradiente das temperaturas apresenta-se, esquematicamente, da seguinte forma:

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A importância deste estudo para a viabilização de projetos é fundamental, entendemos que o vento influência também o projeto. E claro como citado anteriormente, não basta apenas saber as normas técnicas, mas sim levar em consideração tudo que compõe o terreno.

Um bom projeto é baseado em estudo e analise, e um projeto ruim é aquele que ignora informações importantes baseando-se apenas em estética. A arquitetura não é apenas estética, pois ela integra as pessoas em ambientes, e claro isto quer dizer que o conforto é tão necessário quanto a aparência.Nada pode ser negligenciado ou esquecido, devemos entender que esse estudo é importante porque também carrega consigo aspectos de segurança do local, caso contrário a arquitetura perderia seu verdadeiro significado, servir ao homem e integra-lo em um ambiente.

REFERÊNCIAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6120: Ações para o cálculo de estruturas de edificações. Rio de Janeiro: ABNT, 2019.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6123: Forças devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro: ABNT, 1988. (Confirmada em 2013).

BLESSMANN, Joaquim. O vento na engenharia estrutural. Porto Alegre: Editora da UFRGS, 1998.

______. Introdução à engenharia do vento. Porto Alegre: Editora da UFRGS, 2005.

INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (INPE). Sistema Nacional de Dados Ambientais (SINDA). Dados meteorológicos da Estação São Martinho da Serra - RS. Disponível em: http://www.sinda.crn2.inpe.br/. Acesso em: 12 jan. 2026.

MENDONÇA, Francisco; DANNI-OLIVEIRA, Inês Murena. Climatologia: noções básicas e climas do Brasil. São Paulo: Oficina de Textos, 2007.

PÁDUA, Maria Tereza Jorge. Os Parques Nacionais do Brasil. Madri: Instituto de Caza y Pesca del Ministério de Agricultura, 1978.

SÃO PAULO (Estado). Decreto nº 9.629, de 29 de março de 1977. Cria o Parque Estadual da Ilha Anchieta e dá outras providências. São Paulo: ALESP, 1977.

VIANNA, Nelson Solano; GONÇALVES, Joana Carla Soares. Iluminação e ventilação natural: estratégias para o projeto de arquitetura. São Paulo: Ed. Mackenzie, 2001.