ESTUDO NUMÉRICO DOS EFEITOS DA GEOMETRIA SOBRE A AERODINÂMICA DAS EDIFICAÇÕES

ESTUDO NUMÉRICO DOS EFEITOS DA GEOMETRIA SOBRE A AERODINÂMICA DAS EDIFICAÇÕES

J. A. SANTOS1, G. BONO2 e G.F.F. BONO2

1 Universidade Federal de Pernambuco, Núcleo de Tecnologia

2 Universidade Federal de Pernambuco, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental, Laboratório de Engenharia Computacional

E-mail para contato: [e-mail], [e-mail], [e-mail]

RESUMO – O presente trabalho visa estudar como a aerodinâmica exterior das edificações resulta influenciada pela forma geométrica das construções. Para isso, se fará uso dos conceitos da Engenharia do Vento Computacional, utilizando-se de um programa computacional. No primeiro caso, foram estudados um edifício em formato de “L” e outro em formato de “U”. Por último, foi estudado o caso de três cubos dispostos lado a lado nos quais se varia a distância entre eles. Foram analisados três casos: 0.5H, 1.0H e 1.5H, onde H é o comprimento da aresta do cubo. Conhecer a aerodinâmica exterior das construções é fundamental já que permite: analisar a eficiência do uso de ventilação natural, avaliar o conforto dos pedestres, determinar as cargas para o dimensionamento da estrutura, entre outras características.

1. INTRODUÇÃO

A crescente demanda por edificações cada vez mais altas e esbeltas torna fundamental a análise da influência do vento sobre as estruturas, uma vez que a importância deste aumenta consideravelmente em função da altura da edificação. Do ponto de vista estrutural, torna-se necessário a avaliação das variáveis relacionadas ao escoamento do ar para auxiliar a tomada de decisões na fase do projeto. Outros pontos muito importantes que devem ser levados em consideração quando se analisa o escoamento ao redor de edificações são: o conforto para os pedestres e a análise da eficiência do uso da ventilação natural. Em regiões com condições climáticas como a encontrada no Nordeste brasileiro, a ventilação natural pode ser usado para gerar um conforto térmico maior nos ambientes internos, acarretando em soluções mais econômicas no que diz repeito ao uso de energia.

O estudo de problemas envolvendo a ação do vento sobre estruturas tem sido tradicionalmente realizado por meio de técnicas experimentais desenvolvidas em túneis de vento. No entanto, com o crescente avanço na capacidade de processamento e armazenamento de dados dos computadores atuais, modelos numéricos cada vez mais complexos e eficientes têm sido elaborados e aplicados nesta área.  As vantagens da aplicação de um método numérico para fazer esse tipo de estudo é uma maior versatilidade para a obtenção de resultados e a possibilidade de uma maior variabilidade no uso de parâmetros físicos e geométricos. A experimentação numérica requer uma quantia inferior de recursos financeiros em comparação com a experimentação em túneis de vento, além, de demandar um menor tempo total de análise.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Para o desenvolvimento do presente trabalho foi empregado o programa, HEXAFEM_3D_IFF (Bono et al., 2011a). As equações de Navier-Stokes e a equação de conservação de massa considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade para problemas isotérmicos são resolvidas empregando o Método dos Elementos Finitos, usando uma série de Taylor e o clássico método de Bubnov-Galerkin para a discretização do tempo e do espaço, respectivamente. Para a simulação de escoamentos turbulentos, emprega-se a Simulação de Grandes Escalas com o modelo de Smagorinsky clássico para as escalas inferiores à resolução da malha. Para a discretização do domínio espacial utiliza-se o elemento isoparamétrico hexaédrico de oito nós. Mais detalhes sobre este programa podem ser vistos em Bono et al. (2011a) e Bono et al. (2011b).

No presente trabalho, mostram-se dois problemas diferentes. No primeiro foi estudado o escoamento ao redor de dois tipos de estruturas que tem plantas em forma de “L” e “U”, ambas com uma altura H=0.3 [m]. Com os resultados espera-se compreender como as edificações formadas por planos irregulares influenciam as principais características do escoamento. Por fim, no segundo problema, procura-se analisar a influência da distância entre três edificações do mesmo tipo dispostas lado a lado, sendo considerados três cubos com dimensão de aresta H=1.0 [m]. No estudo numérico, consideram-se as seguintes distâncias entre as edificações: D/H = 0.5, 1.0 e 1.5.  

 Nos problemas aqui abordados foi considerada uma malha de elementos finitos estruturada nas proximidades das edificações. Considera-se uma malha mais refinada nas proximidades da edificação com o objetivo de capturar eficientemente os principais fenômenos do escoamento. Para as regiões mais afastadas da geometria emprega-se uma malha não estruturada já que o escoamento resulta menos perturbado. Em todos os casos, considera-se como condição de contorno na entrada um perfil exponencial de velocidade típico de camada limite atmosférica com um ângulo de incidência igual a 0º.

3. RESULTADOS

Inicialmente, mostram-se os resultados para as edificações em "L" e "U". Nas Figuras 1 e 2, mostram-se as distribuições dos campos de velocidade, pressão e as linhas de corrente para os exemplos dos edifícios em “L” e “U”. Em ambos os casos foi considerado um número de Reynolds igual a 2100, para a camada limite atmosférica empregando-se uma velocidade de entrada de V0 = 10 [m/s] e um expoente igual a n = 0.25.

Finalmente, nas Figuras 3 e 4, mostram-se os resultados obtidos para os exemplos dos três cubos. Neste caso, o escoamento é caracterizado por um número de Reynolds de 4.6x104, com uma velocidade de entrada de V0= 4.5 [m/s] e um expoente de n = 0,25 para o perfil da camada limite.

[pic 2]

Figura 1 - Distribuições dos campos de velocidade para z=H/2, pressão e linhas de corrente para o exemplo do edifício em “L”.

[pic 3][pic 4][pic 5]

Figura 2 - Distribuições dos campos de velocidade para z=H/2, pressão e linhas de corrente para o exemplo do edifício em “U”.

[pic 6]

Figura 3 - Distribuições dos campos de velocidade, para as distâncias 0.5H, 1.0H e 1.5H, respectivamente para z=H/2

[pic 7]

Figura 4 - Distribuições das pressões, para as distâncias 0.5H, 1.0H e 1.5H, respectivamente

4. DISCUSSÃO