Análise numérica da ventilação e mitigação de cargas aerodinâmicas em edificações baixas usando spoilers com controle PID

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Bianchin, Gabriela Penna
• Orientador(a): Braun, Alexandre Luis
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Ação do vento nas estruturas; Telhado; Simulação numérica
• Palavras-chave em Inglês: Computational Wind Engineering (CWE); Finite Element Model (FEM); Semi-implicit CBS method; Large Eddy Simulation (LES); Natural ventilation; Low-rise buildings; Pressure mitigation; PID control
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/223600

Edifícios baixos apresentam maior suscetibilidade à ação do vento devido a altas pressões de sucção que se desenvolvem nas coberturas, as quais se originam pela ação de vórtices desprendidos junto a cantos e arestas do telhado. Em edificações onde a estrutura de cobertura está exposta ao escoamento desenvolvido internamente através das aberturas, as condições de ventilação podem ser fundamentais para a manutenção de sua estabilidade. Com o intuito de mitigar as cargas de vento atuantes nas estruturas de telhado, apêndices aerodinâmicos têm sido incorporados às edificações. Neste sentido, propõe-se o desenvolvimento de uma ferramenta numérica para o estudo da ventilação e mitigação de cargas aerodinâmicas em edifícios baixos, onde spoilers são anexados junto às arestas das duas águas da cobertura. Os dispositivos utilizados apresentam dimensão retangular de comprimento (L) igual ao da edificação, largura de 2,5% L e espessura de 0,2% L, já o eixo de rotação adotado localiza-se na aresta não exposta ao vento incidente. O intuito é produzir uma redução nos níveis da força resultante ascensional atuante sobre as águas do telhado. No presente modelo, os spoilers são tratados como estruturas de corpo rígido, sendo acionados através de um algoritmo numérico baseado na teoria de controle PID (Proporcional Integral Derivativo), no qual consideram-se leituras das condições atuais do escoamento sobre a cobertura e uma função objetivo associada à resultante de força ascensional. Para a simulação do escoamento, emprega-se o modelo CBS (“Characteristic Based Split”) semi-implícito no contexto do Método dos Elementos Finitos, onde tetraedros lineares são empregados na discretização espacial. O sistema de equações fundamentais do escoamento é formado pelas equações de Navier-Stokes e pela equação de conservação de massa para escoamentos incompressíveis e isotérmicos, sendo a turbulência tratada através de Simulação de Grandes Escalas (“Large Eddy Simulation” – LES). Os resultados obtidos através das simulações mostram que a utilização de spoilers com técnicas de controle PID são capazes de reduzir significativamente as cargas aerodinâmicas sobre as estruturas de telhados de edificações baixas quando a inclinação das águas está entorno de 12° e o vento uniforme incidindo paralelamente e perpendicularmente na edificação com um perfil uniforme de velocidades.