ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA VERTICALIZAÇÃO SOBRE A VENTILAÇÃO NATURAL ATRAVÉS DE APLICATIVO DE DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTADORIZA – ESTUDO DE

CASO EM FORTALEZA, CEARÁ

Renan C. V. Leite (1); Anésia B. Frota (2) (1) Mestrando da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo – Universidade de São Paulo, e-mail:

renancid@bol.com.br (2) Profa. Dra. Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo – Laboratório

de Conforto Ambiental e Eficiência Energética (LABAUT) – e-mail: arfrota@uol.com.br

RESUMO O estudo descreve os impactos da mudança nos padrões de ocupação do solo sobre o comportamento do vento em trecho da cidade de Fortaleza, Ceará. A área estudada experimenta um intenso processo de expansão urbana nos últimos anos através da verticalização de edifícios. A ventilação natural é essencial à qualidade do ar no ambiente urbano e principal estratégia passiva para o conforto térmico em localidades de clima quente e úmido, o caso de Fortaleza. No entanto, este é o parâmetro do clima urbano mais alterado pelo processo de urbanização. A rugosidade e porosidade do tecido urbano são responsáveis pela permeabilidade do vento no ambiente citadino, influenciando o seu aproveitamento para condicionamento passivo de edificações e o consumo energético. O estudo reproduziu a ocupação do solo em trecho da área estudada através de um modelo tridimensional virtual reunindo os edifícios existentes e aqueles propostos pelas empresas de construção civil atuantes neste setor da cidade. Este cenário, por sua vez, foi submetido ao software de mecânica dos fluidos ANSYS CFX 5.6 para visualizar o escoamento do ar. Os resultados da simulação apontam a profunda alteração do campo de vento ao redor dos edifícios propostos, sobretudo em relação à formação de áreas de estagnação (sombras de vento) no nível do piso e adjacências do conjunto verticalizado e aceleração do vento em pontos mais elevados. A avaliação dos vetores de velocidade nos planos analisados contribui para identificar o agravamento das condições ambientais nas edificações de gabarito reduzido que formam a ocupação característica do setor. Palavras-chave: expansão urbana; ventilação natural; simulação computacional. ABSTRACT

The study aims to describe the impact of changes in land use patterns on the wind over a part of the city of Fortaleza. The area experiences an intense process of urban expansion in recent years through the construction of tall buildings within the area. Natural ventilation is essential to air quality in the urban environment and represents the main passive strategy for thermal comfort in locations of hot and humid climate, the case of Fortaleza. However, this climate parameter is structurally changed through the urbanization process. The roughness and porosity of the urban fabric are responsible for the permeability of the wind in the city atmosphere, influencing its use for passive cooling of buildings and the energy conservation. The study reproduced the land use of a part of the study area through a virtual three-dimensional model combining the existing buildings and those proposed by construction companies active in this sector of the city. This scenario was submitted to the fluid dynamics software ANSYS CFX 5.6 in order to visualize the airflow. The simulation results show the intense changes in the wind field around the proposed buildings, especially by the formation of stagnant areas (shadows of wind) at floor level and adjacent areas and vertical acceleration of the wind at higher points. The evaluation of velocity vectors in the plans analyzed identified the worsening of the environmental conditions in short buildings that are characteristic in this sector of the city.

Key-words: Urban expansion; natural ventilation; computational simulation.

1 INTRODUÇÃO

A ventilação natural, onde é possível a sua aplicação, proporciona a renovação do ar interior,

removendo poluentes e promovendo o conforto térmico através da aceleração das trocas térmicas

entre o indivíduo e o ambiente.

Sobretudo em regiões de clima quente e úmido, em que há pouca variação da temperatura do

ar ao longo do dia e elevados níveis de umidade relativa, é fundamental o controle da radiação solar e

o incremento da ventilação no espaço urbano e interior das edificações.

Entretanto, o aproveitamento do potencial dos ventos para resfriamento dos edifícios torna

necessário compreender o fenômeno físico e os aspectos que influenciam o processo de ventilação

natural (fatores variáveis e características dos elementos do entorno e das edificações).

A forma urbana é resultado da relação entre as prescrições urbanísticas de gabarito, taxa de

ocupação do lote e recuos, modificando a permeabilidade do vento no espaço urbano, influenciando o

seu aproveitamento para condicionamento passivo de edificações e o consumo energético, como

atestado em diversos estudos (SILVA, 1999, COSTA, 2001; PRATA, 2005; SOUZA, 2006). Dentre

todos os componentes do clima, as condições de ventilação sofrem as maiores alterações durante o

processo de urbanização. Paralelamente, o vento é o elemento mais passível de controle e

modificação pelo planejamento urbano, como atesta Romero (2001).

Segundo PRATA-SHIMOMURA, FROTA e CELANI, a verificação das condições de ventilação

natural nas cidades com estudos em modelos auxilia na elaboração de projetos arquitetônicos ou de

planejamento. Ensaios em túnel de vento, softwares e/ou modelos matemáticos são ferramentas

importantes na análise das transformações urbanas ou arquitetônicas, permitindo maior precisão na

avaliação do escoamento do ar em ambientes internos e externos.

Considerando a ventilação natural como principal estratégia passiva de conforto térmico no

ambiente construído de Fortaleza (latitude 3° 43’ S), torna-se essencial considerá-la no processo de

adensamento construtivo de partes do seu tecido urbano.

Esse artigo descreve a influência da inserção de um conjunto de edificações de grande altura

sobre o comportamento do vento em trecho da área sudeste de Fortaleza através de ferramenta de

dinâmica dos fluidos computadorizada. O setor atravessa processo de expansão urbana intimamente

ligado ao mercado imobiliário, verticalizando este setor da capital cearense.

1.1 O uso de Softwares CFD

Programas CFD (Computacional Fluid Dynamics) vêm, progressivamente, sendo aplicados à

simulação de fluidos em escoamento.

De acordo com Celinski, Santos e Mendes (2003), a ferramenta produz resultados rápidos se

comparada a experimentos realizados em ambiente real, uma vez que a evolução na capacidade de

processamento dos computadores tornou a análise dos resultados mais simples, diminuindo o tempo e

o custo para realização das simulações de fluxos. Assim, a simulação computacional torna-se uma

ferramenta mais acessível no estudo da ventilação natural.

Simulações utilizando softwares CFD proporcionam uma análise qualitativa e quantitativa do

desempenho da ventilação natural ainda em etapas anteriores e posteriores ao projeto, possibilitando

analisar diferentes alternativas. No caso da aplicação de prescrições urbanísticas em relação a um

conjunto de edifícios, permite verificar alterações ocasionadas na área de estudo em cenários futuros e

seus impactos sobre a cidade (TOLEDO; PEREIRA, 2004; PRATA, 2005).

Os modelos de dinâmica dos fluidos computadorizada baseiam-se em equações Navier-Stokes

solucionadas em todos os pontos de uma malha em duas ou três dimensões. A malha representa as

edificações e áreas adjacentes. Nesses modelos, a pressão e velocidade do ar são indicadas durante

a determinação das condições limite e inicial (KOLOKOTRONI; SANTAMOURIS, 2007).

De acordo com Ferreira, Assis e Ferreira (2009), a definição do modelo computacional guarda

relação com a escala de análise dos estudos e o desempenho dos programas. No nível microclimático,

os programas do tipo CFD são amplamente utilizados.

1.2 O programa ANSYS CFX

No mercado existem diversos aplicativos de CFD. No entanto, optou-se pela utilização do

ANSYS CFX 5.6 devido à disponibilidade de licença no Laboratório de Conforto Ambiental e Eficiência

Energética (LABAUT). A experiência acumulada na utilização do aplicativo nos trabalhos de

doutoramento de Prata (2005) e Brandão (2009) e dissertações de Cóstola (2006) e Leite (2008)

também contribuíram à escolha deste software.

O CFX é um exemplo de CFD produzido pela empresa ANSYS que permite simular qualquer

situação envolvendo a mecânica dos fluidos em variadas escalas e condições de contorno, desde que

exista a capacidade de processamento computacional (BRANDÃO, 2009).

O programa utiliza as equações fundamentais de conservação de massa (equação da

continuidade), conservação de momento (equações Navier-Strokes), conservação de energia, para o

caso de simulações que envolvam análises térmicas, dispersão de fumaça e poluentes (equação de

conservação escalar) e equações para turbulência. O aplicativo permite, ainda, que o usuário insira

equações específicas para diversas variáveis, sendo necessário o conhecimento do fenômeno para

gerar maiores níveis de detalhamento (MARCONDES; UMAKOSI, 2007).

O software compõe-se de alguns módulos nos quais podem ser executadas desde a confecção

do modelo até o tratamento dos resultados. No Pre-Processing, a geometria é confeccionada

determinando-se o domínio, dando origem ao modelo a ser adaptado no ANSYS ICEM CFD para a

parametrização e elaboração da malha (mesh) que definirá os pontos a serem calculados. Em seguida,

a definição do regime da simulação, equações a serem utilizadas para cálculo, as condições iniciais e

de contorno (initial e boundary condition) e o modelo de turbulência (turbulence model) são adotados

no CFX-Pre. A simulação é então calculada no CFX-Solver e os resultados são visualizados através de

imagens tridimensionais e gráficos no CFX-Post, inserindo-se pontos, linhas e planos em diversos

locais, permitindo verificar as condições de escoamento e os seus resultados em diferentes partes,

analisando o comportamento do fluxo em contato com os obstáculos do modelo através de contornos,

vetores, campos de velocidades e coeficientes de pressão.

2 OBJETIVO O objetivo desta pesquisa é analisar o impacto da verticalização em trecho urbano da área

sudeste da cidade de Fortaleza sobre a ventilação natural utilizando o software ANSYS CFX 5.6.

3 METODOLOGIA

3.1 A área de estudo

Percorrendo-se a área sudeste de Fortaleza, objeto da pesquisa, determinou-se o fragmento

urbano específico a ser analisado. A escolha deveu-se ao fato deste trecho reunir aspectos

representativos do processo de adensamento construtivo e verticalização experimentados pelo setor,

resultado da atuação do mercado imobiliário respaldado pela permissividade da legislação urbana em

relação à elevação do gabarito dos edifícios.

Realizou-se o levantamento arquitetônico da área a ser simulada visando sua caracterização

morfológica. Nesta etapa, o mapa da ocupação do uso do solo no trecho foi atualizado e acrescido das

informações de altura das construções para a confecção de uma maquete volumétrica em CAD.

O modelo confeccionado corresponde à situação atual acrescida das torres residenciais

propostas para a área, indicando a situação planejada pelos empreendime ntos residenciais do

mercado imobiliário ali atuante. Para a construção do modelo, as edificações são simplificadas, o que

diminui consideravelmente o tempo de processamento e a capacidade da máquina para os cálculos

(PRATA, 2005; LEITE, 2008). Portanto, as arestas e faces diminutas dos edifícios foram

desconsideradas, consideradas distâncias insignificantes as menores do que 5 m, unificando-as em

blocos para extrusão. Salienta-se, entretanto, que tais decisões não geram alterações relevantes à

simulação, uma vez que trata-se de uma área de grandes dimensões (926 m x 1384 m).

Figura 1 – Maquete virtual da área de estudo a ser simulada

Metodologicamente, para a visualização da perturbação do escoamento provocada pelas torres

residenciais foram preparados planos horizontais em alturas específicas: a 1,5 m, 10 m e 30 m do piso,

plotando-se sobre os planos as linhas de contorno e vetores de velocidade. Esses planos

Torres já construídas

Torres planejadas

Demais edificações

correspondem à altura do pedestre, elevação acima da maioria das edificações que compõem o setor

de estudo e ponto médio do gabarito das torres propostas para a área (63 m).

3.2 Dados de clima aplicados à simulação

Inicialmente, instalou-se uma estação climatológica na área de estudo para coleta de dados do

vento. O objetivo era comparar os registros feitos no local às séries de medições do Aeroporto Pinto

Martins, disponibilizadas pelo Department of Energy (DoE)1 dos Estados Unidos, verificando a

existência de distorções ou divergências significativas entre os dois locais que impossibilitassem a

utilização da série de dados da estação do aeroporto para determinar as freqüências de

ocorrência de velocidade e direção do vento.

A estação meteorológica utilizada, da marca HOBO modelo H21-001, foi acoplada a um poste

de 10 metros de altura e disposta ao centro de um terreno inserido na área de estudo desprovido de

obstáculos significativos num raio de 60 metros (coordenadas 3⁰48’18” S e 38⁰29’43” W). O

monitoramento das condições atmosféricas foi realizado ininterruptamente entre os dias 16 de janeiro

e 20 de fevereiro de 2009.

Figura 2 – Estação climatológica instalada na área de estudo para medição dos dados de vento.

Os dados de temperatura e umidade do ar, velocidade e direção do vento foram registrados a

cada 5 segundos pela estação. Posteriormente, essas informações foram organizadas para determinar

os valores de velocidade e direção do vento mais freqüentes através do programa WRPLOT View

6.5.1, que confecciona rosas dos ventos para análise.

Os resultados indicaram a compatibilidade entre os dados medidos in loco e os registros do

Aeroporto para o mesmo período, tornando possível a utilização da série mais longa de dados para

determinar as freqüências predominantes de velocidade e direção do vento para a cidade de Fortaleza.

A rosa dos ventos para Fortaleza (figura 3) corresponde ao período entre 12 de fevereiro de

2002 a 30 de janeiro de 2009, totalizando 47.178 registros válidos (77% do total de horas). Da

estratificação em oito direções, pode-se constatar a predominância de ventos na direção leste (cerca

de 40% do total), acompanhada pelas incidências sudeste e sul. A média de velocidade dos ventos de

leste foi calculada em 4,1 m/s.

1 www.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weatherdata/weather_request_search.cfm

Figura 3 – Rosa dos ventos para Fortaleza referente ao período entre 2002 e 2009

3.3 A confecção do domínio

Em um terceiro momento, confeccionou-se o domínio a ser submetido ao software ICEM CFD

para elaboração da malha. A malha reúne os pequenos volumes discretizados no interior do domínio,

determinando os pontos e volumes solucionáveis através das equações fundamentais. De acordo com

Prata (2005), a malha pode possuir vários tamanhos conforme o nível de detalhamento desejado.

Segundo Cóstola (2006) o domínio deve apresentar cinco vezes a altura do maior elemento

(63 m) a barlavento e nas laterais, quinze vezes este valor a sotavento e a altura até o topo

correspondendo a seis vezes esta dimensão. O resultado é apresentado na figura 4, a seguir.

Figura 4 – Modelo confeccionado para a simulação das condições de ventilação natural

3.4 As condições de contorno

A definição das condições de contorno é realizada determinando características às faces do

N

W

E

S

modelo (parts), informando condições de escorregamento, entrada e/ou saída, passagem ou obstáculo

ao vento – aspectos que influenciarão no escoamento do fluido.

Durante a etapa de tratamento dos dados de vento foram identificadas as direções

predominantes para o vento em Fortaleza. Tal aspecto foi reforçado pelas medições de campo,

determinando a aplicação da orientação leste à simulação – maior freqüência de incidência do vento.

Decidiu-se, portanto, realizar a simulação das condições de ventilação para a principal

predominância de ventos. Assim, o plano a leste foi classificado com a entrada (inlet) de vento no

modelo, com velocidade de 4,1 m/s, e a face oposta, a oeste, como uma saída (outlet). As laterais do

modelo, correspondentes às orientações norte e sul, foram determinadas condições de paredes (walls)

e livres de atrito (free slip). Ao piso indicou-se a condição de não escorregamento (no slip) visando

avaliar o resultado do contato do ar em escoamento, e, ao topo, a condição de livre escorregamento.

Figura 5 – Detalhe das condições de contorno aplicadas à simulação.

Ainda tomando as condições indicadas por Cóstola (2006), adotou-se o ar como gás ideal, na

temperatura de 25 ºC e pressão de referência a pressão atmosférica local. Por se tratar de uma

simulação de vento em condições de estabilidade neutra, as variações de temperatura são

desprezadas, considerando que as forças mecânicas levam a uma mistura do ar, tornando-o

isotérmico. Adotou-se o modelo de non buoyant e, finalmente, indicou-se o modelo de turbulência mais

comumente aplicado: o K-epsilon. Tal escolha reside no fato deste oferecer a melhor relação entre o

tempo para processamento e a precisão nos resultados.

4 ANÁLISE DOS RESULTADOS

Analisando a incidência de vetores de velocidade a 1,50 m do piso (figura 6) é possível

identificar a existência de diversas áreas de intensidade reduzida junto às torres, ao centro do modelo.

Nas áreas onde as edificações são mais baixas nota-se a presença de pontos mais acelerados (entre

2 m/s e 4 m/s). Evidencia-se a presença de uma sombra de vento pronunciada no meio do cenário,

fato que se deve à aglomeração de estruturas verticais, e, nos espaços entre estas, a indicação de

áreas de baixas velocidades (abaixo de 1 m/s) ou mesmo estagnadas.

Figura 6 – Visualização da velocidade do ar no primeiro plano horizontal (h = 1,50 m do piso)

Com a elevação da altura do plano de verificação do campo de velocidades para 10 m,

percebe-se a aceleração do ar sobre as edificações mais baixas (entre 3 m e 9 m), localizadas a sul do

modelo. A zona de velocidades do ar mais baixas (sombra de vento) ainda situa-se na área

imediatamente posterior ao conjunto de torres. Entretanto, observa-se a criação de um trecho de

aceleração em uma espécie “corredor” de edificações formado até encontrar uma torre de maiores

dimensões, que gera um efeito de barreira, como pode-se perceber na figura 7, a seguir.

Figura 7 - Velocidade do ar no segundo plano horizontal (h = 10 m do piso)

A 30 m do solo zonas de aceleração tornam-se claras, como observa-se em planta e

perspectiva (figura 8). Também estão mais visíveis trechos de vórtices onde verificam-se valores mais

baixos de velocidade do ar. A presença de regiões cercadas por estruturas verticais diverge das

velocidades constatadas na maior parte do plano, situando-se entre 0,5 m/s e 1,5 m/s. Partes onde

verificam-se valores da ordem de 3 a 4 m/s não apresentam edificações com altura superior a 12 m.

Figura 8 – Visualização do escoamento do ar em planta e perspectiva a 30 m do piso.

A reunião de um número maior de torres a barlavento implica num efeito de barreira mais

pronunciado, aumentando a área de perturbação do fluxo e imprimindo campos de velocidades

mais fracos, da ordem de 0,5 m/s a 2,3 m/s, como detalhado em corte (figura 9). No detalhe,

contornos de velocidade determinam o decréscimo na velocidade do ar da ordem de 4 m/s acima

das torres para menos de 1 m/s no espaço imediatamente posterior.

Figura 9 - Detalhe da dimensão do efeito de barreira verificado na área.

5 CONCLUSÕES Em relação aos resultados apresentados, ainda que estes permitam avaliações superficiais

devido ao nível de simplificação da malha gerada, é possível observar o impacto da presença do

conjunto de 21 torres, entre as já construídas e aquelas em processo de consolidação. Verifica-se,

caracteristicamente, a criação de um grande efeito de barreira com reflexos sobre as edificações

adjacentes de menor porte, o que possivelmente concorre para agravamento das condições de

conforto térmico, aumentando o consumo energético destas.

A aplicação de linhas de contorno e vetores de velocidade tornou possível a avaliação

quantitativa do modelo estudado, indicando os impactos decorrentes da presença de um número

considerável de edificações de grande altura em meio a um bairro de gabarito mais reduzido (em torno

de 3 a 6 m em sua maioria).

Foi possível distinguir-se, também, a aceleração do ar em alguns pontos entre as torres

residenciais, o que aponta à necessidade de estudos mais aprofundados refinando-se a presente

malha e simulando novamente o trecho para esta e outras incidências do vento.

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7 AGRADECIMENTOS À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo suporte financeiro.