SkyCiv lançou um calculadora gratuita de carga de vento incluindo o que inclui várias referências de normas 7-10 procedimento de carga de vento. Nesta secção, vamos demonstrar como calcular as cargas de vento, utilizando um modelo de armazém no SkyCiv S3D, conforme mostrado abaixo:
Figura 1. Modelo de armazém no SkyCiv S3D como exemplo.
Figura 2. Localização do site (do Google Maps).
Tabela 1. Dados do edifício necessários para o cálculo de vento.
| Localização | Cordova, Memphis, Tennessee |
| Ocupação | Diversos – Estrutura Industrial |
| Terreno | Terreno plano, agrícola |
| Dimensões | 64 ft × 104 em planta Altura da beirada 30 ft Altura do ápice. 36 ft Inclinação do telhado 3:16 (10.62°) Com abertura |
| Revestimento | Telhas espaçadas de 2 ft Montantes de parede espaçados de 2 ft |
No nosso exemplo de carga de vento, serão determinadas as pressões de projeto do vento para uma grande, estrutura industrial de três andares. Figura. 1 mostra as dimensões e o sistema estrutural do edifício. Os dados do edifício estão apresentados na Tabela 1.
Embora existam diversos softwares que já integram o cálculo de carga de vento em seus processos de projeto e análise, apenas alguns fornecem um cálculo detalhado desse tipo específico de carga. Os usuários precisam realizar cálculos manuais desse procedimento para verificar se os resultados são iguais aos obtidos pelo software.
Fórmulas para Cálculo de Carga de Vento
Abaixo estão as fórmulas para determinar a pressão de vento de projeto.
Para edifícios fechados e parcialmente fechados:
\(p = qG{C}_{p} -{q}_{I}({GC}_{pi})\) (1)
Para edifícios abertos:
\(p = q{G}_{f}{C}_{p} -{q}({GC}_{pi})\) (2)
Onde:
\(G ) = fator de efeito de rajada
\({C}_{p}\) = coeficiente de pressão externa
\(({GC}_{pi})\)= coeficiente de pressão interna
\(q ) = pressão de velocidade, no psf, dado pela fórmula:
\(q = 0.00256{K}_{z}{K}_{zt}{K}_{d}[object Window]) (3)
\(q ) = \({q}_{h}\) para paredes de sotavento, paredes laterais, e telhados,avaliada na altura média do telhado, \(h )
\(q ) = \({q}_{z}\) para paredes de barlavento, avaliado em altura, \([object Window])
\({q}_{I}\) = \({q}_{h}\) para pressão interna negativa, \((-{GC}_{pi})\) avaliação e \({q}_{z}\) para avaliação de pressão interna positiva \((+{GC}_{pi})\) de edifícios parcialmente fechados mas pode ser tomado como \({q}_{h}\) para valor conservador.
\({K}_{z}\) = coeficiente de pressão de velocidade
\({K}_{zt}\)= fator topográfico
\({K}_{d}\)= fator de direcionalidade do vento
\(V ) = velocidade básica do vento em mph
Vamos detalhar cada parâmetro a seguir. Além disso, utilizaremos o Procedimento Direcional (Capítulo 30 de ASCE 7-10) para resolver as pressões de vento de projeto.
Explicações dos parâmetros
Categoria de Risco
O primeiro passo para determinar as pressões de vento de projeto é classificar a categoria de risco da estrutura, que é baseada no uso ou na ocupação da edificação. Para este exemplo, como se trata de uma estrutura industrial, ela é classificada como Categoria de Risco IV. Consulte a Tabela 1.5-1 de ASCE 7-10 para mais informações sobre a classificação das categorias de risco.
Velocidade Básica do Vento, \(V )
A ASCE 7-10 fornece um mapa de vento onde a velocidade básica do vento de uma determinada localização pode ser obtida nas Figuras 26.5-1A a 1C. A Categoria de Ocupação é definida e classificada pelo Código Internacional de Edificações (International Building Code).
Ao visualizar os mapas de vento, deve-se adotar o número mais alto da categoria de risco ou ocupação definida. Na maioria dos casos, incluindo este exemplo, são os mesmos. A partir da Figura 26.5-1B, Cordova, Memphis, Tennessee está próximo ao ponto vermelho na Figura 3 abaixo, e de lá, e a velocidade básica do vento, \(V ), é 120 mph. Lembre-se de que, para outras localizações, pode ser necessário interpolar o valor da velocidade básica do vento entre as linhas de contorno de vento.
Figura 3. Mapa de velocidade básica do vento da ASCE 7-10.
A SkyCiv agora automatiza os cálculos de velocidade do vento com alguns parâmetros. Tentar nosso SkyCiv Free Wind Tool
Categoria de Exposição
Consulte a Seção 26.7 para obter detalhes sobre o procedimento de determinação da categoria de exposição.
Dependendo da direção do vento selecionada, a exposição da estrutura será determinada pelo setor de 45° a favor do vento. A exposição a ser adotada deve ser aquela que resultar na maior carga de vento vinda dessa direção.
A descrição de cada classificação de exposição está detalhada nas Seções 26.7.2 e 26.7.3. Para ilustrar melhor cada caso, exemplos de cada categoria são mostrados na tabela abaixo.
Tabela 2. Exemplos de áreas classificadas de acordo com a categoria de exposição (Capítulo C26).
| Exposição | Exemplo |
|---|---|
| Exposição B |
|
| Exposição C |
|
| Exposição D |
|
Para nosso exemplo, como a localização da estrutura está em uma área agrícola em Cordova, Memphis, Tennessee, sem edificações com mais de 30 ft, a área é classificada como Exposição C. Uma ferramenta útil para determinar a categoria de exposição é visualizar o local potencial por meio de uma imagem de satélite (como o Google Maps, por exemplo).
Fator de direcionalidade do vento, \({K}_{d}\)
Os fatores de direcionalidade do vento, \({K}_{d}\), pois nossa estrutura são iguais a 0.85 uma vez que o edifício é o principal sistema de resistência à força do vento e também tem componentes e revestimento anexados à estrutura. Isso é mostrado na Tabela 26.6-1 de ASCE 7-10 como mostrado abaixo na Figura 4.
Figura 4. Fator de direcionalidade do vento com base no tipo de estrutura (Tabela 26.6-1).
Fator Topográfico, \({K}_{zt}\)
Uma vez que a localização da estrutura é em terras planas, podemos assumir que o fator topográfico, \({K}_{zt}\), é 1.0. Caso contrário, o fator pode ser resolvido usando a Figura 26.8-1. Para determinar se cálculos adicionais do fator topográfico são necessários, veja a seção 26.8.1, se o seu site não atender a todas as condições listadas, então o fator topográfico pode ser considerado como 1.0.
Figura 5. Parâmetros necessários no cálculo do fator topográfico, \({K}_{zt}\) (Tabela 26.8-1).
Observação: Fatores de topografia podem ser calculados automaticamente usando SkyCiv Wind Design Software
Coeficiente de pressão de velocidade, \({K}_{z}\)
O coeficiente de pressão de velocidade, \({K}_{z}\), pode ser calculado usando a Tabela 27.3-1. Este parâmetro depende da altura acima do nível do solo do ponto onde a pressão do vento é considerada, e a categoria de exposição. Além disso, os valores mostrados na tabela são baseados na seguinte fórmula:
Para 15 pés < \({z}\) < \({z}_{g}\): \({K}_{z} = 2.01(com/{z}_{g})^{2/uma}\) (4)
Pra \({z}\) < 15ft: \({K}_{z} = 2.01(15/{z}_{g})^{2/uma}\) (5)
Onde:
Tabela 3. Valores de e \({z}_{g}\) da mesa 26.9-1 de ASCE 7-10.
| Exposição | uma | \({z}_{g}\)(ft) |
| B | 7 | 1200 |
| C | 9.5 | 900 |
| D | 11.5 | 700 |
Geralmente, coeficientes de pressão de velocidade na altura média do telhado, \({K}_{h}\), e em cada andar, \({K}_{dia}\), são os valores que precisaríamos para resolver as pressões do vento do projeto. Para este exemplo, uma vez que a pressão do vento no lado do vento é parabólica por natureza, podemos simplificar esta carga assumindo que uma pressão uniforme é aplicada nas paredes entre os níveis do piso.
A estrutura da planta tem três (3) assoalhos, então vamos dividir a pressão do vento nesses níveis. Além disso, uma vez que o telhado é um telhado de estilo empena, a altura média do telhado pode ser tomada como a média dos beirais do telhado e elevação do ápice, qual é 33 ft.
Tabela 4. Valores calculados do coeficiente de pressão de velocidade para cada altura de elevação.
| Elevação (ft) | \({K}_{z}\) |
| 10 | 0.85 |
| 20 | 0.90 |
| 30 | 0.98 |
| 33 | 1.00 \({K}_{zh}\) |
Pressão de velocidade
Da Equação (3), podemos resolver para a pressão de velocidade, \(q ) em PSF, em cada elevação considerada.
Tabela 5. Valores calculados de pressão de velocidade em cada altura de elevação.
| Elevação (ft) | \({K}_{z}\) | \(q )(psf) | Observações |
| 10 | 0.85 | 26.63 | 1primeiro andar |
| 20 | 0.90 | 28.20 | 2andar |
| 30 | 0.98 | 30.71 | Beiral do telhado |
| 33 | 1.00 | 31.33 | Altura média do telhado, \({q}_{h}\) |
Metodologia de Cálculo
Fator de efeito de rajada, G
O fator de efeito de rajada, \(G ), está configurado para 0.85 como a estrutura é considerada rígida (Seção 26.9.1 de ASCE 7-10).
Classificação do gabinete e coeficiente de pressão interna
Presume-se que a estrutura da planta tenha aberturas que satisfaçam a definição de um edifício parcialmente fechado na Seção 26.2 de ASCE 7-10. Por isso, o coeficiente de pressão interna, \(({GC}_{pi})\), deverá ser +0.55 e -0.55 baseado na tabela 26.11-1 de ASCE 7-10.
Figura 6. Coeficiente de pressão interna, \(({GC}_{pi})\) (Tabela 26.11-10).
Coeficiente de pressão externa, \({C}_{p}\)
Para edifícios fechados e parcialmente fechados, o coeficiente de pressão externa, \({C}_{p}\), é calculado usando as informações fornecidas na Figura 27.4-1 através da figura 27.4-3. Para um edifício parcialmente fechado com telhado de duas águas, usar figura 27.4-1.
Coeficientes de pressão externa para as paredes e telhado são calculados separadamente usando os parâmetros de construção L, B, e h, que são definidos na Nota 7 da figura 27.4-1.
Por isso, precisamos calcular o LIBRA e h / L:
Altura média do telhado, h = 33′
Comprimento de construção, L = 64′
Largura de construção, B = 104′
L / B = 0.615
h / L = 0.516
h / B = 0.317
A partir desses valores, podemos obter os coeficientes de pressão externa, \({C}_{p}\), para cada superfície usando a mesa 27.4-1. Observe que podemos usar interpolação linear quando o ângulo do telhado, θ, LIBRA, e h / L os valores estão entre aqueles que estão na tabela. Para nosso exemplo, os coeficientes de pressão externa de cada superfície são mostrados nas tabelas 6 para 8.
Tabela 6. Coeficientes de pressão externa calculados para superfícies de parede.
| Superfície | \({C}_{p}\) |
| Parede de barlavento | 0.8 |
| Parede de sotavento | -0.5 |
| Parede lateral | -0.7 |
Tabela 7. Coeficientes de pressão externa calculados para superfícies de telhado (carga de vento ao longo de L).
| Coeficientes de pressão externa para telhado \({C}_{p}\) (ao longo de L) | ||||||
| h / L | Barlavento | Sotavento | ||||
| 10° | 10.62° | 15° | 10° | 10.62° | 15° | |
| 0.5 | -0.9 -0.18 |
-0.88 -0.18 |
-0.7 -0.18 |
-0.50 | -0.50 | -0.50 |
| 0.516 | -0.91 -0.18 |
-0.89 -0.18 |
-0.71 -0.18 |
-0.51 | -0.51 | -0.50 |
| 1.0 | -1.3 -0.18 |
-1.26 -0.18 |
-1.0 -0.18 |
-0.70 | -0.69 | -0.60 |
Tabela 8. Coeficientes de pressão externa calculados para superfícies de telhado (carga de vento ao longo de B).
| Coeficientes de pressão externa para telhado \({C}_{p}\) (ao longo de B) | ||
| h / B | Localização | \({C}_{p}\) |
| 0.317 | 0 para h | -0.9 -0.18 |
| h / 2 para h | -0.9 -0.18 |
|
| h para 2h | -0.5 -0.18 |
|
| >2h | -0.3 -0.18 |
|
Coeficiente de pressão externa com dois valores, conforme mostrado nas tabelas 7 e 8 deve ser verificado para ambos os casos.
Como o ângulo de inclinação do painel solar é igual a 30°
Sistema principal de resistência ao vento
Utilizando a Equação (1), as pressões de vento de projeto podem ser calculadas. Os resultados de nossos cálculos são apresentados nas 8 e 9 abaixo. Observe que haverá quatro casos atuando na estrutura, pois consideraremos as pressões calculadas usando \((+{GC}_{pi})\) e \((-{GC}_{pi})\) , e o \(+{C}_{p}\) e \(-{C}_{p}\) para telhado.
Tabela 9. Pressão de vento de projeto para superfícies das paredes.
| Pressão de Design, \(p ), para paredes |
|||||||
| Elevação do piso | \({q}_{z}\), psf | Barlavento | Sotavento | Parede lateral | |||
| \((+{GC}_{pi})\) | \((-{GC}_{pi})\) | \((+{GC}_{pi})\) | \((-{GC}_{pi})\) | \((+{GC}_{pi})\) | \((-{GC}_{pi})\) | ||
| 10 | 26.63 | 0.88 (0.88) | 35.35 (35.35) | -30.55 (-30.55) |
3.92 (3.92) |
-35.88 (-35.88) |
-1.41 (-1.41) |
| 20 | 28.20 | 1.94 (1.94) | 36.41 (36.41) | ||||
| 30 | 30.71 | 3.65 (3.65) | 38.12 (38.12) | ||||
| 33 | 31.33 | 4.07 (4.07) | 38.54 (38.54) | ||||
(Resultados SkyCiv Wind Load)
Tabela 10. Pressão de vento de projeto para superfícies do telhado.
| Projetar a pressão do telhado, psf (ao longo de L) | Projetar a pressão do telhado, psf (ao longo de B) | ||||
| Superfície | \((+{GC}_{pi})\) | \((-{GC}_{pi})\) | Localização (da borda de barlavento) |
\((+{GC}_{pi})\) | \((-{GC}_{pi})\) |
| Barlavento | -40.87 (-40.87) | -6.41 (-6.40) | 0 para h / 2 | -41.20(-41.20) | 12.44(12.44) |
| -22.03 (-22.03) | 12.44 (12.44) | h / 2 para h | -41.20(-41.20) | ||
| Sotavento | -30.71 (-30.71) | 3.76 (3.83) | h para 2h | -30.55(-30.55) | |
| >2h | -25.22(-25.22) | ||||
(Resultados SkyCiv Wind Load)
Para aplicar essas pressões na estrutura, consideraremos uma única treliça da estrutura. Um exemplo da aplicação dos casos 1 e 2 (para ambos \(({GC}_{pi})\)) é mostrado nas figuras 7 e 8. A direção do vento mostrada nas figuras mencionadas é ao longo do comprimento, L, do edifício.
Observe que um sinal positivo indica que a pressão está atuando em direção à superfície, enquanto um sinal negativo significa que a pressão está afastando-se da superfície. O comprimento do vão é de 26 pés.
Figura 7. Pressão de vento de projeto aplicada em uma treliça – \((+{GC}_{pi})\) Caso de pressão máxima no telhado com.
Figura 8. Pressão de vento de projeto aplicada em uma treliça – \((-{GC}_{pi})\) Caso de pressão máxima no telhado com.
A SkyCiv simplifica esse procedimento ao permitir a definição de parâmetros. Tentar nosso SkyCiv Free Wind Tool
Componentes e revestimento (C&C)
Os componentes e revestimentos são definidos no Capítulo C26 como: "Componentes recebem cargas de vento diretamente ou do revestimento e transferem a carga para o MWFRS" (Sistema Principal de Resistência à Força do Vento), enquanto "revestimentos recebem diretamente as cargas de vento" Exemplos de componentes incluem "fixadores, telhas, montantes, chapas de cobertura, e treliças do telhado", e para revestimentos incluem "coberturas de parede, paredes de cortina, coberturas de telhado, janelas exteriores, etc. ”
Do Capítulo 30, a pressão de projeto para componentes e revestimentos deve ser calculada usando a equação (30.4-1), mostrado abaixo:
\(p = {q}_{h}[({GC}_{p})-({GC}_{pi})]\) (6)
Onde:
\({q}_{h}\): pressão de velocidade avaliada na altura média do telhado, h (31.33 psf)
\(({GC}_{pi}\)): coeficiente de pressão interna
\(({GC}_{p}\)): coeficiente de pressão externa
Para este exemplo, \(({GC}_{p}\)) será obtido utilizando a Figura 30.4-1 para zona 4 e 5 (as paredes), e Figura 30.4-2B para Zona 1-3 (o telhado). No nosso caso, a figura correta depende da inclinação do telhado inclinação do telhado, θ, que é 7 °< θ ≤ 27 °. \(({GC}_{p}\)) pode ser determinado para vários tipos de telhados descritos nas Figuras 30.4-1 através da figura 30.4-7 e figura 27.4-3 no capítulo 30 e Capítulo 27, respectivamente.
Nós calcularemos apenas as pressões de vento de projeto para as terças e os montantes das paredes. As zonas para pressões em componentes e revestimentos estão mostradas na Figura 9.
Figura 9. Localização do C calculado&Pressões C.
A distancia uma a partir das bordas pode ser calculada como o mínimo entre 10% da menor dimensão horizontal ou 0.4h mas não inferior a 4% da menor dimensão horizontal ou 3 ft.
uma : 10% de 64 pés = 6.4 ft > 3ft
0.4(33ft) = 13.2 ft 4% de 64 pés = 2.56 ft
a = 6.4 ft
Montantes de Parede (C&Pressão da parede C)
Com base na Figura 30.4-1, a \(({GC}_{p}\)) pode ser calculado para as Zonas 4 e 5 considerando a área efetiva de vento. Note que a definição de área efetiva de vento, de acordo com o Capítulo C26, afirma: “Para melhor aproximar a distribuição real da carga nesses casos, a largura da área efetiva de vento usada para avaliar \(({GC}_{p}\)) ão deve ser inferior a um terço do comprimento da área." Portanto, a área efetiva de vento deve ser o máximo entre:
Área efetiva de vento = 10 pés *(2ft) ou 10 pés *(10/3 ft) = 20 sq.ft. ou 33.3 pés quadrados.
Área efetiva do vento = 33.3 pés quadrados.
Os valores positivos e negativos de \(({GC}_{p}\)) para paredes podem ser aproximados utilizando o gráfico mostrado abaixo, que faz parte da Figura 30.4-1:
Figura 10. Aproximado \(({GC}_{p}\)) valores da figura 30.4-1 de ASCE 7-10.
Tabela 11. C calculado&Pressão C para viga de parede.
| Zona | \(+({GC}_{p}\)) | \(-({GC}_{p}\)) | C&C pressões, psf | |
| \(+({GC}_{p}\)) | \(-({GC}_{p}\)) | |||
| 4 | 0.90 | -1.0 | 10.97 45.43 |
-48.56 -14.10 |
| 5 | 0.90 | -1.2 | 10.97 45.43 |
-54.83 -20.36 |
Terças (C&C Pressão do Teto)
De 30,4-2B, as pressões de vento efetivas para as Zonas 1, 2, e 3 podem ser determinadas. Como as treliças estão espaçadas a 26 pés, por isso, essa será a extensão das terças. A área efetiva de vento deve ser o máximo entre:
Área efetiva do vento = 26 pés *(2ft) ou 26 pés *(26/3 ft) = 52 ft2 ou 225.33 sq.ft.
Área efetiva do vento = 225.33 sq.ft.
Os valores positivos e negativos de \(({GC}_{p}\)) para o telhado podem ser aproximados utilizando o gráfico mostrado abaixo, que faz parte da Figura 30.4-2B:
Figura 11. \(({GC}_{p}\)) valores da Figura 30.4-2B.
Tabela 12. C calculado&Pressões C para terças.
| Zona | +(GCp) | -(GCp) | C&C pressões, psf | |
| +(GCpi) | -(GCpi) | |||
| 1 | 0.30 | -0.80 | -7.83 26.63 |
-42.30 -7.83 |
| 2 | 0.30 | -1.2 | -7.83 26.63 |
-54.83 -20.36 |
| 3 | 0.30 | -2.0 | -7.83 26.63 |
-79.89 -45.43 |
Todos esses cálculos podem ser realizados usando o Software de carregamento de vento da SkyCiv para ASCE 7-10, 7-16, EN 1991, NBBC 2015, e a norma AS 1170. Os usuários podem inserir a localização do local para obter as velocidades do vento e os fatores topográficos, além de inserir os parâmetros do edifício e gerar as pressões de vento. Com uma conta profissional, os usuários podem aplicar automaticamente essas pressões em um modelo estrutural e realizar a análise estrutural diretamente no software.
Caso contrário, tentar nosso SkyCiv Free Wind Tool ou agende uma DEMONSTRAÇÃO GRATUITA para que possamos ajudar com suas necessidades específicas
Engenheiro estrutural, Desenvolvimento de Produto
MS Engenharia Civil
Referências:
- Mehta, K. C., & Coulbourne, C. L. (2013, Junho). Cargas de Vento: Guia para as provisões de carga de vento de ASCE 7-10. Sociedade Americana de Engenheiros Civis.
- Cargas mínimas de projeto para edifícios e outras estruturas. (2013). EIXOS / SEIS 7-10. Sociedade Americana de Engenheiros Civis.
