A necessidade iminente de inclusão de eventos extremos na ABNT NBR 6123

1. Introdução e Contextualização do Problema

O dimensionamento estrutural para as ações do vento no Brasil é regido pela ABNT NBR 6123.

Historicamente, esta norma tem se concentrado na caracterização de ventos sinóticos, que deram origem ao mapa das isopletas e que são sistemas de grande escala associados a gradientes de pressão mais amplos.

No entanto, o crescente reconhecimento e a documentação dos impactos de eventos meteorológicos de vento extremo, classificados como não-sinóticos (localizados e intensos), como tornados e microbursts, expõem uma significativa lacuna de confiabilidade na prática da engenharia nacional, especialmente para as estruturas de ocupação crítica.

1.1. O cenário de ventos extremos não-sinóticos no Brasil

A distinção entre ventos sinóticos e não-sinóticos é fundamental para a engenharia de estruturas sujeitas a vento. A NBR 6123 trata apenas de ventos sinóticos.

A NBR 6123, em sua formulação tradicional, não oferece um tratamento sofisticado para os fenômenos de natureza singular, como as tormentas severas. Dados recentes demonstram que o risco de ocorrência desses eventos extremos no Brasil não pode mais ser negligenciado. Em uma análise de 43 anos de ocorrências, 581 fenômenos de tornado foram identificados, dos quais 70% foram registrados nos estados da Região Sul do País. O Brasil também registra eventos de alta energia, incluindo 6 tornados classificados como F4, além de 51 F2 e 76 F1. A opção em não considerar adequadamente essas ações não-sinóticas tem sido associada a acidentes estruturais catastróficos no Brasil.

Fonte da imagem: https://pt.wikipedia.org/wiki/Escala_Fujita

Em estruturas onde a ação do vento é predominante, falhas de projeto na consideração da ação horizontal do vento, ou a subestimação de ações de impacto e sucção, podem comprometer a segurança no Estado Limite Último. A urgência de uma atualização normativa baseada em modelos de confiabilidade para ventos extremos e mais robustos é evidente.

1.2. Limitações da NBR 6123

A NBR 6123 adota um Tempo de Retorno (TR) padrão de 50 anos para a determinação da velocidade de projeto. Embora este TR seja aceitável para edificações consideradas padrão (de Risco Categoria II segundo o ASCE7-22), ele é drasticamente insuficiente para garantir a funcionalidade e a segurança de estruturas cuja falha representa um perigo substancial ou que são consideradas essenciais para a resposta a desastres.

A norma brasileira tenta ajustar o nível de confiabilidade através do Fator Estatístico S3. No entanto, este fator, em sua concepção atual, não está calibrado para abranger os riscos probabilísticos e as características aerodinâmicas únicas associadas aos ventos não-sinóticos ou como será denominado aqui, tornádicos. A literatura técnica já aponta a necessidade de modelos mais sofisticados para eventos de tormenta. O ASCE 7-22 (American Society of Civil Engineers e o SEI (Structural Engineering Institute) abordam essa questão por meio de análises de risco informadas, estabelecendo TRs na ordem de milênios para estruturas críticas. O padrão internacional exige que as estruturas de maior importância (Categorias III e IV segundo o ASCE7-22) possuam uma probabilidade de falha muito mais baixa do que o implicitamente fornecido pelo TR de 50 anos da NBR 6123. A discrepância entre os TRs exigidos (50 anos versus 1.700 ou 3.000 anos) não é apenas uma diferença numérica, mas representa uma diferença fundamental no nível de resiliência estrutural e funcionalidade esperada de edifícios essenciais.

2. Recomendações do ASCE 7-22 para tornados

A norma americana ASCE 7-22, ao publicar seu Capítulo 32, inovou ao criar um conjunto de critérios específicos e mapas de risco para cargas de tornado, especialmente para edificações indicadas de risco elevado, como chamadas categorias III e IV. O Capítulo 32 da ASCE 7-22 introduz uma série de inovações normativas:

• Coeficiente de pressão Cp para tornados: pode ser de 5% a 30% superior aos valores de vento extremo convencionais, refletindo a intensidade e complexidade dos fluxos tornádicos.
• Fator de exposição vertical KvT: varia de 1,0 a 1,2, aplicando-se ao carregamento acima e abaixo da linha de telhado, especialmente em edificações altas. Este fator é inexistente nas normas tradicionais de vento horizontal.
• Perfil de velocidade “nose-like”: caracteriza-se por aceleração rápida até cerca de 50 metros de altura, seguida de desaceleração. Esse comportamento exige modelagem diferenciada frente ao gradiente logarítmico tradicional.
• Fatores específicos para tornados: KzTor (fator de altura) e KhTor (fator de exposição horizontal), aplicáveis ao MWFRS (Main Wind Force Resisting System) para tornados.
• Mapa de velocidade com retorno de 3.000 anos: um mapa adicional às isopletas tracicionais é utilizado para edificações das Categorias III e IV, que incluem hospitais, centros de emergência e instalações críticas.

2.1. O que traz o Capítulo 32 da ASCE 7-22

De forma simplificada, a ASCE 7-22 separa claramente o cálculo de ações devidas a tornado dos cálculos tradicionais de vento. Para estruturas hospitalares essenciais, centros de emergência, estações críticas (categoria III e IV), é obrigado considerar o cenário mais desfavorável: projetar uma edificação para resistir ao maior valor entre ação de vento “normal” e ação de tornado, de acordo com mapas desenvolvidos especificamente para estas características.

Os coeficientes de pressão (Cp) para ventos verticais, encontrados em tornados e downbursts, podem ser até 30% superiores aos valores usados normalmente apenas para ventos horizontais. Isso ocorre devido ao fluxo tridimensional desses eventos, que provocam sucções intensas nos telhados e superfícies expostas, algo diferente do carregamento das tempestades comuns.

A ASCE 7-22 define também velocidades de tornado para projetos, dependendo do nível de risco e da região, ligando o dimensionamento a retornos estatísticos de 1.700 anos (Categoria III) e 3.000 anos (Categoria IV), os mesmos utilizados para ventos extremos tradicionais nos Estados Unidos.

2.2. Implicações Específicas para Edificações Críticas

Nas categorias III e IV, segundo a ASCE 7-22, englobam ocupações cujas falhas poderiam resultar em grandes riscos à vida humana ou ao funcionamento da sociedade. Nessa classificação hospitais, escolas, abrigos emergenciais, grandes centros de reunião, etc. Nessas estruturas, a elevação do Cp de 5% a 30% conforme a geometria e o entorno podem ser cruciais para garantir a segurança diante de tornados de intensidade F2 ou superior. Embora apenas cerca de 10% dos tornados nos EUA sejam dessa classe de intensidade, eles são responsáveis pela maior parte dos danos severos às edificações.

Além dos efeitos estruturais, a ASCE introduz requisitos para proteção de aberturas (portas, janelas) e para a classificação do edifício quanto ao seu grau de fechamento, já que a ruptura desses pontos pode aumentar ainda mais as pressões internas e a demanda por soluções resistentes a impactos.

3. Justificativa da adoção de critérios de risco elevado (ASCE 7-22)

A proposta de inclusão de cargas tornádicas deve ser direcionada especificamente às edificações que demandam o mais alto nível de confiabilidade e resiliência pós-desastre.

3.1. Definição e escopo das Categorias de Risco III e IV

O ASCE 7-22 define claramente as categorias de risco com base nas consequências da falha estrutural.

Categoria de Risco III (Substancial): inclui estruturas cuja falha resulta em perigo substancial à vida humana ou dano econômico e social significativo. Exemplos típicos são escolas, prisões, e edifícios com áreas de reunião pública que contenham mais de 300 ocupantes.

Categoria de Risco IV (Essencial): abrange instalações que são críticas para a comunidade e devem permanecer operacionais durante e após um evento extremo, como hospitais, estações de polícia, corpos de bombeiros e abrigos de emergência designados.

O Capítulo 32 do ASCE 7-22 estabelece que estruturas classificadas como RC III ou RC IV e localizadas em regiões suscetíveis a tornados devem ser dimensionadas para resistir ao maior dos carregamentos, seja o vento sinótico (Capítulos 26-31) ou as cargas tornádicas (Capítulo 32). O objetivo é manter a funcionalidade após um tornado de projeto.

3.2. O Imperativo da Confiabilidade

O rigor do dimensionamento para estruturas críticas é garantido pelo uso de tempos de retorno elevados, o que se traduz em velocidades de projeto mais altas. O ASCE 7-22 calibrou seus critérios de carga tornádica e sinótica de modo a garantir uma consistência de confiabilidade entre os dois tipos de ação, baseada em TRs que superam em muito o padrão de 50 anos adotado pela NBR 6123 para estruturas de risco normal.

A Tabela 1 ilustra que para uma Categoria de Risco IV, a probabilidade de falha deve ser controlada utilizando um TR de 3.000 anos, uma exigência 60 vezes maior do que o TR padrão brasileiro. Se a NBR 6123 for revisada para incluir eventos extremos, o Fator S3 deve ser reescalonado ou substituído por uma metodologia probabilística explícita para cobrir esta discrepância colossal de confiabilidade.

É importante ressaltar que os critérios de projeto do ASCE 7-22, Capítulo 32, cobrem predominantemente tornados de intensidade F0 a F2, que estatisticamente constituem 97% das ocorrências nos EUA. O objetivo desse carregamento é a resiliência operacional. O dimensionamento para proteção absoluta à vida contra tornados mais intensos (F4 ou F5) exige a construção de Abrigos de Segurança (Safe Rooms), que estão fora do escopo do ASCE 7-22 (Capítulo 32) e são regulamentados separadamente, como pelo ICC 500 nos EUA.

O requisito da NBR 6123 deve, portanto, focar na funcionalidade de estruturas críticas sob o risco tornádico mais comum e probabilístico.

4. Modelagem de ações tornádicas (ASCE 7-22, Capítulo 32)

A modelagem de ações induzidas por tornados difere fundamentalmente da metodologia de ventos sinóticos adotada pela NBR 6123, devido à natureza do escoamento (vórtice rotacional versus escoamento de camada limite).

O tornado é caracterizado por fortes componentes rotacionais e, de forma crucial, por intensas correntes verticais ascendentes (updrafts).

4.1. Fundamentos e velocidade de projeto

O dimensionamento de ações tornádicas baseia-se na determinação da Velocidade de Tornado (VT), que é uma velocidade de rajada de 3 segundos a 10 metros acima do solo, obtida através de mapas de risco probabilístico específicos para as Categorias III e IV.

Essa velocidade é determinada também em função da Área Efetiva de Planta (Ae) da edificação.

A pressão devido à velocidade tornádica (qzT) é calculada pela Equação (32.10-1):

qzT = 0,613 . KzTor . Ke . (VT)^2 (N/m²; VT em m/s).

4.2. O Perfil de pressão de velocidade tornádica (KzTor)

Uma das maiores diferenças em relação à NBR 6123 reside no Coeficiente de Exposição Tornádico (KzTor). Enquanto a NBR 6123 utiliza o coeficiente S2, que aumenta progressivamente com a altura para refletir o perfil de vento da camada limite, o ASCE 7-22 adota uma abordagem diferente para o escoamento tornádico.O KzTor é assumido como constante e igual a 1.0 para alturas z de 0 a 61,0 metros. Para estruturas acima de 61 metros, K{zTor na verdade decresce com o aumento da altura. Essa premissa reflete a dinâmica do vórtice, onde a velocidade máxima destrutiva é mantida constante nas alturas mais relevantes para o parque construtivo. A aplicação do modelo padrão S2 da NBR 6123 seria não-conservadora e fisicamente inadequada para modelar a ação de um tornado nas alturas intermediárias e baixas.

4.3. Fator de rajada tornádico (GT) e simplificações

No ASCE 7-22, o Fator de Rajada Tornádico (GT) pode ser tomado como um valor simplificado de GT = 0.85 para todas as edificações, ou calculado para estruturas rígidas. O fator de rajada para estruturas flexíveis (Gf) não é aplicável para ações de tornado. Essa simplificação metodológica sugere que a complexidade inerente à resposta dinâmica da estrutura ao escoamento do vórtice é tratada de forma conservadora, priorizando a estabilidade contra a rajada de 3 segundos, ou que a variabilidade da resposta dinâmica é menos dominante do que os picos de pressão associados ao vórtice. A NBR 6123, que detalha o cálculo do fator de rajada para estruturas flexíveis e rígidas, pode adotar o valor constante de GT = 0.85 para simplificar a inclusão de ventos tornádicos.

5. A Hipótese central: aumento de coeficientes devido a componentes verticais

A justificativa central para a revisão da NBR 6123 e a adoção dos critérios do ASCE 7-22/Capítulo 32 baseia-se na necessidade de contabilizar os efeitos verticais e de despressurização únicos do tornado, que amplificam significativamente as forças de sucção em telhados e revestimentos, superando os coeficientes de pressão externa tradicionais.

5.1. Introdução do fator de ajuste de coeficiente de pressão (KvT)

O Fator de Ajuste de Coeficiente de Pressão Tornádica (KvT) é um modificador aerodinâmico inédito (Seção 32.14 no ASCE 7-22) que foi introduzido especificamente para considerar os fortes componentes verticais ascendentes (updrafts) do vento tornádico. A atuação desses updrafts induz um aumento crítico na força de sucção na superfície do telhado.

Pesquisas em engenharia de vento confirmam que vórtices de tornado podem gerar coeficientes de ação vertical de duas a três vezes superiores aos previstos para ventos de linha reta, devido à grande pressão estática negativa gerada no núcleo do vórtice.

5.2. Quantificação do aumento de sucção (Uplift)

O KvT atua como um majorador para o Coeficiente de Pressão Externa negativo (sucção), GCp. A adoção de valores superiores a 1.0 é um reconhecimento explícito da falha dos coeficientes aerodinâmicos tradicionais em capturar a natureza destrutiva do escoamento de vórtice.

• Para MWFRS (Main Wind Force Resisting System): o fator de ajuste para ações de uplift no sistema estrutural principal do telhado é KvT = 1.1.
• Para C&C (Componentes e Revestimentos): para elementos de telhado (zonas de alta sucção local), o fator é mais rigoroso, sendo KvT = 1.2 para ações de uplift em telhados de baixa inclinação (menor que 7 graus).

Portanto, a inclusão mínima do Capítulo 32 do ASCE 7-22 para edificações brasileiras de Categoria III e IV implica, necessariamente, em um aumento de 10% a 20% na magnitude do coeficiente de sucção externa, justificando a hipótese original do aumento de 5% a 30%. Para paredes e telhados sob pressão positiva (sobrepressão), KvT permanece em 1.0.

5.3. O efeito amplificador do coeficiente de pressão interna tornádica (GCpiT)

O efeito de sucção é amplificado pela pressão interna. A pressão de projeto tornádica (pT) é determinada pela diferença entre a pressão externa e a interna, conforme a Equação (32.17-1).

Para tornados, o Coeficiente de Pressão Interna Tornádica (GCpiT) é modificado para incorporar o efeito da Mudança de Pressão Atmosférica (APC). O APC representa a rápida queda de pressão barométrica que ocorre quando o núcleo do tornado passa sobre a estrutura. Como o APC contribui para a pressão interna e é independente da direção do vento, o fator de direcionalidade (KdT) não é aplicado ao GCpiT.

Para edificações consideradas parcialmente fechadas sob vento tornádico (o que é uma reclassificação comum para estruturas essenciais sem proteção de aberturas envidraçadas), o GCpiT é majorado para +0.55 ou -0,55. Este valor é significativamente maior do que o valor tipicamente adotado pela NBR 6123, ou mesmo o 0.25 para edifícios parcialmente fechados sob ventos sinóticos no ASCE 7-22.

A combinação do KvT (aumentando a sucção externa) com o GCpiT (aumentando a pressão interna positiva, que se soma à sucção) é o cenário mais destrutivo para telhados. Assumindo um coeficiente externo de pico (GCp) de -1.5 (sucção), o dimensionamento para uplift (sucção líquida) pode ser analisado comparativamente.

O cálculo dos coeficientes de pressão de acordo com o ASCE7-22 para componentes e revestimentos no cenário tornádico, em comparação com o dimensionamento padrão da NBR 6123, resultaria incremento líquido de pressão de 40% e demonstra que a adoção dos novos coeficientes é essencial. Apenas o aumento da velocidade de projeto através de um S3 majorado não seria suficiente para capturar a física do fenômeno e o efeito combinado de updrafts e APC.

6. Justificativa para Inclusão na NBR 6123

Diante do avanço normativo norte-americano e da literatura que enfatiza riscos crescentes de eventos extremos, a NBR 6123 deveria incorporar em anexos critérios para tornados em regiões suscetíveis, utilizando:

• Mapas de risco regionais adequados ao Brasil;
• Coeficientes Cp diferenciados para vento vertical por geometria e tipo de cobertura;
• Regras específicas para estruturas das categorias III e IV nos moldes americanos;
• Critérios de utilização baseados no desempenho estrutural;
• Recomendações claras sobre proteção estrutural de aberturas e sobre o conceito de abrigo.

Esta atualização se alinha ao movimento internacional por códigos de projeto mais rigorosos e à necessidade de preparar o parque construído brasileiro para eventos extremos, reduzindo fatalidades e grandes perdas econômicas.

A NBR 6123 baseia-se em mapas de isopletas de vento elaborados por dados climatológicos e estatísticos, sem considerar eventos extremos como tornados ou microbursts. Estudos recentes propõem a inclusão de estatísticas climatológicas específicas para tornados, sem comprometer o rigor matemático da norma.

A literatura internacional reforça que a consideração de eventos raros e devastadores reduz o risco de colapso progressivo em edificações estratégicas. A ASCE 7-22, ao incorporar esses eventos, amplia o espectro de segurança estrutural e oferece uma abordagem mais realista para o projeto de estruturas críticas.

Enquanto a NBR 6123 permanece alinhada aos códigos convencionais, a ASCE 7-22 avança ao incorporar eventos extremos e parâmetros diferenciados. Essa abordagem é compatível com as melhores práticas internacionais e representa uma evolução necessária para o contexto brasileiro, especialmente diante do aumento da frequência e intensidade de tornados em regiões como o Sul do país.

7. Proposição para a revisão da NBR 6123 (inclusão de eventos extremos)

7.1. Revisão das isopletas

Atualização do mapa de isopletas, buscando melhorar a precisão das estimativas de vento baseada em dados de mais estações meteorológicas, utilizando uma abordagem climatológica para considerar a distribuição espacial de fenômenos atmosféricos e a velocidade básica do vento.

7.2. Estrutura proposta: adição de módulo de ações não-sinóticas

Recomenda-se que a ABNT NBR 6123 seja revisada e complementada com um anexo denominado Dimensionamento para Ações de Vento Extremo (Não-Sinóticas), aplicável exclusivamente a todas as edificações novas ou retrofitadas classificadas nas Categorias de Risco III e IV.

A implementação dessa seção requer o desenvolvimento de:

• Mapas de Risco Tornádico para o Brasil: análogos aos mapas probabilísticos (Figuras 32.5-1 e 32.5-2) do ASCE 7-22 17, que forneçam a velocidade básica de projeto de tornado (VT) em função da localização geográfica e da área efetiva de planta da estrutura, garantindo tempos de retorno de 1.700 e 3.000 anos, respectivamente, para as Categorias III e IV.

Fonte da imagem: https://www.fema.gov/sites/default/files/documents/fema_asce-7-22-tornado-loads-design-guide_012023.pdf

• Reclassificação de Enclausuramento: a NBR 6123 deve adotar os critérios de enclausuramento tornádico (Seção 32.12 do ASCE 7-22), que exige que edificações essenciais sem proteção para aberturas envidraçadas sejam reavaliadas como parcialmente fechadas para fins de cálculo de GCpiT.

7.3. Proposta de Modificação Paramétrica: inclusão do KvT e GCpiT equivalentes

A nova seção da NBR 6123 deve integrar os seguintes parâmetros e coeficientes para garantir a resiliência estrutural contra a ação tornádica:

• Coeficiente de Exposição (KzTor): adotar o perfil de velocidade constante (KzTor = 1.0) até 61,0m, em contraste com o perfil de vento sinótico.
• Coeficiente de Pressão Interna Tornádica (GCpiT): adotar o valor majorado de + ou – 0.55 para edifícios parcialmente fechados, refletindo a contribuição da Mudança de Pressão Atmosférica (APC).
• Fator de Ajuste de Coeficiente de Pressão (KvT): a NBR 6123 deve incluir um majorador obrigatório para o Coeficiente de Pressão Externa de Sucção (Cp,ext) nos telhados:

KvT = 1.1 para MWFRS em uplift.

KvT = 1.2 para C&C em uplift.

A inclusão desses modificadores aerodinâmicos, juntamente com a exigência de tempos de retorno milenares, garante que o dimensionamento dos elementos mais vulneráveis das edificações críticas (componentes de telhado e revestimentos) seja feito para ações de uplift que podem exceder em até 40% (ou mais, dependendo do GCp local) os valores resultantes da aplicação da NBR 6123 padrão.

8. Conclusão e recomendações

A presente análise técnica demonstra que a NBR 6123, focada em ventos sinóticos e no tempo de retorno padrão de 50 anos, estabelece um nível de confiabilidade inadequado para os atuais eventos extremos climáticos em território brasileiro e perigosamente baixo para Edificações de Risco Categoria III e IV, que, pelo consenso internacional (ASCE 7-22), exigem tempos de retorno de 1.700 a 3.000 anos.

A adoção dos critérios do ASCE/SEI 7-22, Capítulo 32, transcende a simples majoração da velocidade de projeto. Ela exige uma mudança fundamental na modelagem aerodinâmica, reconhecendo a complexidade do escoamento do vórtice tornádico. Os componentes mais importantes desta mudança são:

1. O reconhecimento do perfil de velocidade KzTor constante em baixas e médias alturas.
2. A inclusão do Fator de Ajuste KvT, que majora a sucção externa devido aos updrafts.
3. A consideração do Coeficiente de Pressão Interna GpiT} = + ou – 0.55, que incorpora o efeito de despressurização atmosférica (APC).

O impacto combinado desses fatores resulta em um aumento substancial e necessário das ações de uplift em telhados e C&C, superando em mais de 30% os valores de projeto tradicionais.

Recomendação Final:

Recomenda-se à Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e aos comitês de normatização que priorizem a inclusão imediata de um anexo na NBR 6123 para o dimensionamento de Edificações de Risco Categoria III e IV, baseado na metodologia probabilística de eventos extremos do ASCE/SEI 7-22. Este novo módulo deve exigir explicitamente:

1. A utilização de Tempos de Retorno de 1.700 e 3.000 anos para as respectivas categorias de risco.
2. A aplicação obrigatória do Fator de Ajuste KvT (1,1 a 1,2) para sucção de telhados.
3. A adoção do Coeficiente de Pressão Interna GCpiT majorado ( + ou – 0.55) para considerar a pressão de ruptura atmosférica, garantindo a resiliência funcional mínima requerida para a infraestrutura crítica brasileira.

Referências

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