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

Abstract

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.

Low-rise buildings are more susceptible to the action of the wind due to high suction pressures that develop on the roofs, which originate from the action of vortices released close to the corners and edges of the roof. In buildings where the roof structure is exposed to the flow developed internally through the openings, ventilation conditions can be essential to maintain its stability. In order to mitigate the wind loads acting on the roof structures, aerodynamic appendages have been incorporated to the buildings. In this sense, it is proposed in this work the development of a numerical tool for the study of ventilation and mitigation of aerodynamic loads in low-rise buildings, where spoilers are used next to the windward edges of the roof. The devices used have a rectangular dimension, a length (L) equal to that of the building, a width of 2.5% L and a thickness of 0.2% L, whereas the axis of rotation adopted is located on the edge not exposed to the incident wind. The aim is to produce a reduction in the levels of the ascencional resulting force acting on the roof surfaces. In the present model, spoilers are treated as rigid body structures, being driven through a numerical algorithm based on the PID control theory, in which readings of the current flow conditions on the roof are considered and an objective function associated with the ascencional resultant force is utilized. For the flow simulation, the semi-implicit Characteristic Based Split (CBS) model is used in the context of the Finite Element Method, where linear tetrahedra are used in spatial discretization. The system of fundamental flow equations is formed by the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation for incompressible and isothermal flows, while flow turbulence is treated through Large Eddy Simulation (LES). The results obtained through the simulations show that the use of spoilers with PID control techniques is able to significantly reduce the aerodynamic loads on the roof structures of low-rise buildings when the roof slope is around 12°, considering that the incident wind is parallel and perpendicular to the building and a uniform speed profile is adopted.