Impacto do vento — Torre IGH — Caen.

Estudo das solicitações de vento: quadro e ferramentas de simulação

Contexto e objetivo de um estudo numérico de ventos extremos

A torre CASCADES é um edifício de grande altura situado em Caen (departamento do Calvados). No âmbito da sua construção, tornou-se essencial analisar com precisão a influência do vento sobre a obra e o seu ambiente imediato. Os resultados deste estudo constituem uma etapa-chave para garantir o desempenho, a segurança e a durabilidade da obra face às ações do vento.

Os principais objetivos da missão eram os seguintes:

• Identificar as condições de vento mais desfavoráveis a que o local pode estar sujeito.

• Caracterizar os efeitos de sítio gerados pela forma do edifício e pelas construções vizinhas.

• Cartografar as velocidades de ar em torno da torre para oito direções principais.

• Determinar as pressões exercidas sobre todas as paredes da torre (fachadas, janelas, mosaicos, mastros).

• Identificar as zonas de risco e as pressões máximas atingidas.

• Avaliar o conforto ao vento nos terraços em condições de vento médio.

Porquê utilizar a CFD para estudar o impacto do vento numa torre

A mecânica dos fluidos computacional (CFD, Computational Fluid Dynamics) resolve numericamente as equações às derivadas parciais que regem os escoamentos de fluidos. Aplicada aos edifícios, fornece informações precisas sobre as velocidades de ar, as pressões e os fenómenos aerodinâmicos que ocorrem em torno e no interior das estruturas, mesmo em estruturas complexas e com a consideração do ambiente.

Foi elaborado um modelo 3D especificamente adaptado à resolução numérica, a partir das plantas fornecidas pelo cliente e de imagens de satélite. A geometria integra a torre CASCADES bem como o conjunto dos edifícios envolventes suscetíveis de gerar máscaras aeráulicas significativas. Os detalhes de geometria com baixo impacto aerodinâmico são voluntariamente simplificados a fim de concentrar a potência de cálculo nas zonas de interesse.

Origens e caracterização dos ventos no local

Perfil de vento utilizado para as simulações

O vento observado ao nível do solo é fortemente influenciado pela estrutura vertical da camada limite atmosférica, que se decompõe em três subcamadas distintas: a subcamada rugosa (alguns metros), a camada limite de superfície (10 a 100 m), sede de fortes gradientes de velocidade, e a camada exterior ou subcamada inercial (até ~1 km), pouco perturbada pela topografia. A velocidade do vento cresce com a altitude segundo um perfil logarítmico, o chamado corte vertical, que está no centro de qualquer modelação CFD de sítios urbanos.

Cálculo das velocidades de vento extremo para 50 anos graças à norma Eurocódigo

A determinação das velocidades de vento extremas para um período de retorno de 50 anos foi realizada em conformidade com a norma Eurocódigo NF EN 1991-1-4, referência regulamentar para o cálculo das ações do vento sobre as estruturas. Esta abordagem apoia-se na utilização das velocidades de vento de referência definidas à escala nacional, corrigidas em função das características locais do sítio: rugosidade do terreno, topografia, altitude e categoria de terreno envolvente. Os cálculos permitem obter as velocidades de vento de dimensionamento associadas a um evento meteorológico raro mas estatisticamente representativo da vida útil da obra. Estas velocidades extremas constituem os dados de entrada das simulações CFD e servem ao dimensionamento das fachadas, elementos de cobertura e equipamentos expostos, a fim de garantir a estabilidade e a segurança da torre face às solicitações aerodinâmicas mais severas.

Resultados dos estudos numéricos de vento extremo: pressões e velocidades

Velocidades de vento, rajadas e efeitos de sítio

A análise multidirecional evidenciou vários fenómenos aerodinâmicos significativos em torno da torre:

• Acelerações nas arestas: os bordos verticais da torre geram sobrevelocidades localizadas e vórtices turbulentos para todas as orientações de vento.

• Efeito de Venturi: a oeste, um corredor formado pelos edifícios a montante cria uma canalização do fluxo que amplifica significativamente as velocidades e gera a pressão máxima observada nos mosaicos de fachada.

• Exposição direta: a este, a ausência de edifícios a montante expõe diretamente a torre ao vento incidente, conduzindo às pressões mais elevadas nos mastros.

• Zonas de abrigo: para certas orientações, a presença de edifícios envolventes gera zonas de recirculação que protegem parcialmente a torre das solicitações máximas.

A parte baixa da torre beneficia de um efeito de abrigo ligado às construções envolventes; inversamente, os níveis superiores, que ultrapassam o tecido urbano, ficam diretamente expostos ao vento incidente, gerando as solicitações máximas nas fachadas e nos elementos de cobertura.

Estudo das pressões nas paredes e zonas sensíveis

As simulações CFD permitiram determinar os campos de pressão exercidos pelo vento sobre o conjunto das superfícies da torre para as diferentes direções estudadas. Para cada elemento de fachada, as pressões mínimas e máximas foram calculadas a fim de identificar as solicitações extremas suscetíveis de ocorrer em fase de exploração ou durante episódios ventosos severos. Esta abordagem permite dispor de uma envolvente completa dos carregamentos aerodinâmicos aplicados à estrutura e aos elementos acoplados.

Os resultados evidenciam a coexistência de pressões positivas e negativas consoante a orientação das fachadas e a dinâmica local do escoamento:

• +

  Pressões positivas, zonas de impacto direto do vento: o escoamento comprime as superfícies e aplica um esforço dirigido para o interior do edifício.

• −

  Pressões negativas, fenómeno de aspiração gerado pelas separações de escoamento e pelas zonas de recirculação: os esforços são então orientados para o exterior da estrutura.

Esta distinção é particularmente importante para o dimensionamento dos elementos de fachada e dos sistemas de fixação, sendo alguns componentes mais sensíveis aos fenómenos de arrancamento do que aos esforços de compressão.

Assim, foi realizado um trabalho de zoom local sobre as zonas consideradas sensíveis do projeto, a fim de obter uma leitura fina das solicitações aerodinâmicas. Foram nomeadamente conduzidas análises específicas sobre os mastros luminosos, os mosaicos de fachada, as janelas e os guarda-corpos, a fim de caracterizar com precisão os níveis de pressão atingidos e orientar o dimensionamento dos elementos expostos.

Confrontação dos resultados numéricos com valores de referência

A confrontação entre os resultados CFD e os valores analíticos da norma Eurocódigo (NF EN 1991-1-4) num caso simplificado (sem edifícios em redor, vento de frente) confirma uma boa coerência entre as duas abordagens. As pressões obtidas por simulação numérica estão contidas no intervalo de pressão calculado segundo a norma, permanecendo esta mais conservadora, o que valida a pertinência do dimensionamento regulamentar para a resistência às cargas de vento sobre os elementos de fachada.

Análise do vento em altura: conforto dos terraços

Garantir o conforto dos ocupantes em altura

O estudo de conforto é conduzido para o vento dominante em velocidade média anual, o cenário mais representativo das condições de utilização dos terraços (verão, meia-estação).

Os campos de velocidade para cada nível de terraço permitem identificar:

• As zonas de conforto ótimo, protegidas pelos elementos arquitetónicos.

• As zonas de aceleração local a tratar na conceção (guarda-corpos, corta-ventos).

• Os terraços expostos que exigem recomendações específicas.

Interpretação do conforto ao vento segundo a escala de Beaufort

A análise das velocidades de vento nos diferentes terraços é interpretada com o apoio da escala de Beaufort, referência internacional que permite relacionar as velocidades de escoamento com os efeitos sentidos pelos utilizadores. Esta escala, composta por níveis de 0 a 12, permite qualificar de maneira qualitativa e quantitativa a intensidade do vento, desde condições totalmente calmas até situações de vento forte que podem limitar ou mesmo interditar certas atividades exteriores.

No quadro de um IGH, esta leitura é particularmente pertinente porque permite traduzir os resultados CFD em critérios de conforto diretamente exploráveis pelas equipas de conceção e de arquitetura. As zonas identificadas como abaixo dos limiares de incómodo correspondem geralmente a espaços favoráveis à apropriação pelos utilizadores, enquanto os níveis superiores da escala (Beaufort 5 e além) traduzem condições potencialmente desconfortáveis que exigem dispositivos de proteção ou uma reconfiguração dos usos.

Otimização do conforto aeráulico e recomendações de conceção para terraços de IGH

Para além da simples identificação das zonas de conforto, o estudo CFD permite orientar princípios de ordenamento e de mitigação que visam melhorar o comportamento aeráulico dos terraços. A análise dos campos de velocidade evidencia as zonas de aceleração ligadas aos efeitos de saliência em cobertura, aos ângulos da torre e às descontinuidades geométricas. Estas cartas de velocidade juntam-se à démarche descrita no nosso dossiê sobre os critérios e a cartografia do conforto ao vento.

A fim de melhorar o conforto dos utilizadores, podem ser considerados vários instrumentos de conceção: implantação de guarda-corpos plenos ou semipermeáveis, adição de corta-ventos arquitetónicos, criação de volumes tampão ou ainda otimização da disposição do mobiliário e dos percursos. Estes dispositivos permitem reduzir localmente as velocidades de vento e limitar os fenómenos de turbulência, melhorando assim significativamente o conforto de uso dos terraços em condições de vento médio anual. Esta abordagem integrada entre simulação numérica e recomendações arquitetónicas permite assegurar um equilíbrio entre desempenho aeráulico, segurança dos utilizadores e qualidade dos usos exteriores em altura.

Análise CFD do vento em altura: síntese dos resultados e contributos

Compreender os efeitos do vento num IGH graças à CFD

O estudo CFD realizado sobre a torre CASCADES permitiu evidenciar os principais comportamentos aerodinâmicos do local, nomeadamente as acelerações locais, os efeitos de canalização, as zonas de recirculação e as fortes exposições na parte alta da obra. Esta abordagem numérica fornece uma análise detalhada, espacializada e multidirecional das velocidades e das pressões, bem mais fina do que uma abordagem unicamente analítica.

Ao contrário dos métodos derivados do Eurocódigo, voluntariamente envolventes e simplificados, a CFD integra a geometria real do projeto bem como o seu ambiente construído, o que permite representar melhor os efeitos de sítio e as concentrações locais de solicitações. Constitui assim uma ferramenta complementar essencial, trazendo uma compreensão mais realista e operacional das ações do vento sobre o IGH.

Reduzir os incómodos do vento sobre os edifícios: interesse da CFD e aplicações

Os estudos CFD deste tipo inscrevem-se nas práticas atuais aplicadas aos IGH e aos ambientes urbanos complexos, onde são utilizados para o dimensionamento das fachadas, a otimização dos elementos expostos e a análise do conforto exterior. São particularmente pertinentes quando as abordagens analíticas atingem os seus limites devido à complexidade geométrica e às interações urbanas, oferecendo uma representação tridimensional mais fiel dos escoamentos. Em perspetiva, estas ferramentas podem ser estendidas a outros desafios como o conforto térmico exterior, a dispersão dos poluentes ou ainda a otimização energética à escala urbana, confirmando o seu papel crescente na conceção integrada dos projetos arquitetónicos e urbanos.