Engenharia Estrutural: Vento (NBR 6123) e Barragens

Requisitos para Dimensionamento de Estruturas de Telecomunicações

Quando um cliente necessita de uma estrutura vertical para telecomunicações, deve informar os seguintes itens que são fundamentais para que o projetista possa dimensioná-la:

1. Tipo de estrutura.
2. Altura.
3. Carregamento de antenas.
4. Vento de sobrevivência baseado na NBR 6123, informando: V0, S1, S2 e S3.
5. Deflexão máxima para o vento operacional.

Ação do Vento em Estruturas de Telecomunicações

Nas estruturas de telecomunicações, o principal carregamento atuante é devido à ação do vento. A determinação da intensidade de carga provocada por este fenômeno depende de diversos parâmetros, como, por exemplo, a velocidade máxima do vento que pode ocorrer durante a vida útil da estrutura e o tempo de atuação de uma rajada de vento.

Para solucionar este problema, busca-se determinar estatisticamente, através de um tempo de recorrência, o número médio de ocorrências de qualquer velocidade do vento desejada, ou, depois de prefixada a vida útil da estrutura, determinar a velocidade máxima do vento que tem uma certa probabilidade de ocorrer ao menos uma vez neste período.

Vento Gradiente e Rugosidade do Terreno

Próximo à superfície terrestre, o vento é influenciado pela rugosidade do terreno, constituindo-se uma camada limite, na qual a velocidade do vento é variável. Esta rugosidade é devida à topografia local e à altura das estruturas em geral. A partir de uma certa altura, que varia de 300m a 600m, o vento é denominado vento gradiente, pois está fora da camada limite e sua velocidade é constante. Estruturas em geral estão na faixa de velocidade variável, sofrendo a ação da turbulência e do perfil de velocidade do vento, que são função, principalmente, da rugosidade do terreno.

A Norma Brasileira NBR 6123 – “Forças Devidas ao Vento em Edificações” fixa as condições exigíveis na consideração das forças devidas à ação estática e dinâmica do vento, para efeito do cálculo de edificações.

Categorias de Rugosidade do Terreno (NBR 6123)

Categoria I: Superfícies Lisas de Grandes Dimensões

Superfícies lisas de grandes dimensões, com mais de 5km de extensão, medidas na direção e sentido do vento incidente. Exemplos:

• Mar calmo.
• Lagos e rios.
• Pântanos sem vegetação.

Categoria II: Terrenos Abertos em Nível

Terrenos abertos em nível ou aproximadamente em nível, com poucos obstáculos isolados, tais como árvores e edificações baixas. Exemplos:

• Zonas costeiras planas.
• Pântanos com vegetação rala.
• Campos de aviação.
• Pradarias e charnecas.
• Fazendas sem sebes ou muros.
• A cota média do topo dos obstáculos é considerada inferior ou igual a 1,0 m.

Categoria III: Terrenos Planos ou Ondulados com Obstáculos

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

• Granjas e casas de campo, com exceção das partes com matos.
• Fazendas com sebes e/ou muros.
• Subúrbios a considerável distância do centro, com casas baixas e esparsas.
• A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual a 3,0 m.

Categoria IV: Terrenos Cobertos por Obstáculos Numerosos

Terrenos cobertos por obstáculos numerosos e pouco espaçados, em zona florestal, industrial ou urbanizada. 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.
• A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual a 10 m.

Esta categoria também inclui zonas com obstáculos maiores e que ainda não possam ser consideradas na Categoria V.

Categoria V: Terrenos Cobertos por Obstáculos Grandes e Altos

Terrenos cobertos por obstáculos numerosos, grandes, altos e pouco espaçados. Exemplos:

• Florestas com árvores altas de copas isoladas.
• Centro de grandes cidades.
• Complexos industriais bem desenvolvidos.
• A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual ou superior a 25 m.

Determinação das Forças Estáticas Devidas ao Vento

A força devida 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:

[Fórmula de expressão da força devida ao vento, que não foi fornecida no texto original.]

Efeitos Dinâmicos em Edificações Esbeltas e Flexíveis

Os efeitos do vento são de caráter dinâmico, porém, na maioria das construções, esses efeitos podem ser substituídos por ações estáticas equivalentes. Em edificações esbeltas e flexíveis, principalmente aquelas com baixas frequências naturais de vibração (f < 1,0 Hz), os efeitos dinâmicos devem ser considerados. A seguir, apresentam-se de maneira sucinta alguns dos possíveis efeitos dinâmicos devidos ao vento:

Considerações de Projeto e Causas de Acidentes

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. As considerações para determinação das forças devidas ao vento são regidas e calculadas de acordo com a NBR 6123/1988 – “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 e ginásios cobertos. Ensaios em túneis de vento mostram que o máximo de sucção média aparece em coberturas com inclinação entre 80° e 120°, para certas proporções da construção, exatamente as inclinações de uso corrente na arquitetura em um grande número de construções.

Principais Causas de Acidentes Devidos ao Vento:

1. Falta de ancoragem de terças;
2. Contraventamento insuficiente de estruturas de cobertura;
3. Fundações inadequadas;
4. Paredes inadequadas;
5. Deformabilidade excessiva da edificação.

Muitos casos não são considerados dentro da NBR 6123. Contudo, quando a edificação, seja por suas dimensões e/ou forma, provoque perturbações importantes no escoamento ou por obstáculos na sua vizinhança, deve-se recorrer a ensaios em túnel de vento, onde possam ser simuladas as características do vento natural.

Definições Fundamentais

O vento é produzido por diferenças de temperatura de massas de ar na atmosfera. O caso mais fácil de identificar é quando uma frente fria chega na área e choca-se com o ar quente, produzindo vento. Esse tipo de fenômeno pode ser observado antes do início de uma chuva.

• Barlavento: Região de onde sopra o vento (em relação à edificação).
• Sotavento: Região oposta àquela de onde sopra o vento (veja-se Fig. 3.1).

Quando o vento sopra sobre uma superfície, existe uma sobrepressão (sinal positivo), porém, em alguns casos, pode acontecer o contrário, ou seja, existir sucção (sinal negativo) sobre a superfície. O vento sempre atua perpendicularmente à superfície que obstrói sua passagem.

Fases e Componentes de Projetos de Construção

• Terreno
• Projeto de Arquitetura
• Projetos Complementares
• Elaboração dos Orçamentos em Obra
• Planejamento
• Serviços Preliminares
• Fundações
• Estrutura e Supraestrutura
• Paredes e Vedações
• Cobertura
• Instalações Elétricas e Hidráulicas
• Acabamentos e Revestimentos
• Esquadrias
• Pinturas
• Louças e Metais
• Áreas Externas e Paisagismo
• Limpeza Final

Engenharia de Barragens e Obras Hidráulicas

Componentes e Aspectos de Controle

Órgãos de Controle:

• Vertedouros
• Descarregadores
• Comportas

Aspectos Relacionados a Usinas Hidrelétricas:

• Engenharia Econômica (Avaliação de Projetos)
• Segurança de Obras

Definições de Estruturas Hidráulicas

• Barragem: Estrutura permanente destinada a obstruir um rio ou vale para criar um desnível. Uma barragem está sujeita permanentemente a um desnível de água.
• Dique: Estrutura sujeita ao desnível apenas temporariamente. A palavra dique é também usada para uma barragem de terra de pequena altura (h < 10m).
• Grande Barragem: Estrutura com altura superior a 10m (h > 10m).
• Ensecadeira: Estrutura tipo barragem de caráter temporário para desviar um rio durante a construção de uma obra hidráulica.

Finalidades das Barragens

• Criar Reservatórios (Regularização, Detenção, Recreação).
• Desviar Cursos de Água.
• Controle de Cheias.
• Navegação (Garantia de Profundidade).
• Criar Desnível (para Usinas Hidrelétricas).

Tipos de Barragem

• Gravidade:
  • Convencional
  • Alvenaria
• Aterro:
  • Terra
  • Enrocamento: Núcleo de Argila, Núcleo de Concreto, Face de Concreto, Face de Asfalto.
• Arco:
  • Concreto/Alvenaria
• Contrafortes:
  • Ambursen
  • Arco Múltiplo
  • Semi-Maciço
  • Outros (Madeira e Aço)

Pontos Críticos e Causas de Colapsos na Segurança de Barragens

Causas de Colapsos:

• Fundações:
  • Subpressão
  • Percolação ("Piping")
• Eventos Hidrológicos
• Terremotos e Deslizamentos
• "Piping" na Barragem
• Erros na Operação/Projeto
• Recalques

Importância de Estudos Detalhados:

É importante efetuar estudos detalhados e precisos de:

• Hidrologia
• Geologia
• Materiais de Construção

Exemplos de Barragens no Brasil

• Barragens à Gravidade (Concreto): Peixoto, Jupiá, Divisa, Jurumirim.
• Barragens Contraforte: Itaipu, Edgard de Souza, Salto Grande.
• Barragens Arco: Funil.
• Barragens de Terra: Capivari-Cachoeira, Água Vermelha, Ilha Solteira, Guarapiranga, Balbina, Samuel, Porto Primavera.
• Barragens de Enrocamento: Salto Osório – Rio Iguaçu, Salto Santiago – Rio Iguaçu, Itaúba, Furnas, Foz do Areia – Rio Iguaçu, Segredo – Rio Iguaçu, Estreito, Jaguara.

Seleção do Tipo de Barragem

A escolha do tipo de barragem é influenciada por diversos fatores:

• Condições Locais: Geologia, Fundações, Topografia, Disponibilidade de Materiais, Hidrologia.
• Custo: Busca pelo máximo benefício/custo.
• Tradição: Experiência do projetista.
• Tecnologia: Experiência do construtor.
• Razões Estéticas.
• Segurança.

Forças Atuantes em Barragens

• Forças Ativas:
  • Peso
  • Empuxo Hidrostático (Horizontal e Vertical)
  • Subpressão (Incertezas relacionadas à Drenagem e Injeções)
  • Sedimentos
  • Ação do Gelo
  • Forças Sísmicas
• Forças Passivas:
  • Atrito
  • Reações (Fundações e Ombreiras)
  • Tensões (Normais e Tangenciais, relacionadas ao Escorregamento)