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Ensaios em túnel de vento contribuem para conforto ambiental

Procedimento permite determinar desde cargas de vento nas edificações até dar apoio na elaboração de planos diretores e planejamento de uma cidade. Saiba mais a seguir

Publicado em: 02/03/2018

Texto: Redação AECweb/e-Construmarket

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Os ensaios em túnel de vento permitem conhecer a resposta dinâmica da edificação e analisar as condições de conforto dos ocupantes conforme a oscilação da estrutura (Foto: shutterstock/Corepics VOF)

Ensaios estruturais determinam, com segurança, as forças e os momentos da ação do vento na edificação. E, também, a resposta dinâmica da edificação para efeitos de dimensionamento, além de possibilitar a análise das condições de conforto de ocupantes devido à oscilação da estrutura.

“A análise de cargas de vento é empregada, ainda, para o dimensionamento da caixilharia, assim como para verificar se existem pontos de alta sucção, com valores acima dos previstos por norma”, afirma o físico e doutor em engenharia mecânica, Gilder Nader, pesquisador do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT).

A análise de cargas de vento é empregada para o dimensionamento da caixilharia, assim como para verificar se existem pontos de alta sucção, com valores acima dos previstos por norma
Gilder Nader

Na parte urbanística, os ensaios em túnel de vento permitem determinar os impactos de vizinhança devido às edificações do entorno, ou edificações altas, que podem ocasionar pontos de acúmulo ou má dispersão de contaminantes, ilhas de calor e ainda efeitos que causem desconforto mecânico em pedestres devido à alta velocidade do vento.

ENSAIOS

Em ensaios com foco nas cargas de vento nas estruturas, é construído um modelo reduzido. “Tipicamente no IPT, os modelos de edificações são construídos entre a escala 1:100 e 1:200. São instrumentados com sensores de pressão distribuídos ao longo de toda a fachada e, também, nos ambientes internos, quando necessário”, explica Nader.

Por meio das medições dessas pressões são determinados as forças e os momentos na edificação, na caixilharia e no revestimento. Através da análise da flutuação dessas pressões, é definida a resposta dinâmica da edificação, utilizando uma técnica chamada High-Frequency Pressure Integration (HFPI, ou Integração de Pressão em Alta Frequência).

Para os ensaios voltados ao conforto ambiental e ao planejamento urbano, são utilizadas diferentes técnicas, de acordo com o objetivo a ser alcançado. “Por exemplo, para se medir o conforto mecânico devido à força do vento em pedestres, são utilizados os sensores de Irwin, que medem um diferencial de pressão no nível do solo, a cerca de 1 m de altura. Nesse caso, são instalados de 30 a 50 sensores para realizar a medição para diferentes ângulos de incidência do vento”, descreve o pesquisador.

Outras técnicas envolvem a medição de velocidade do vento com anemômetros a fio quente e o sistema a laser para medição de velocidades (como o anemômetro a laser e o sistema de velocimetria por imagem de partículas). São utilizadas, ainda, técnicas de visualização, como a de erosão de areia e a visualização por meio de fumaça.

“No caso da técnica de visualização por meio de erosão de areia, uma fina camada desse material é depositado no piso do modelo e são realizadas fotos sucessivas para diferentes velocidades do vento. Cada foto registra um padrão de erosão da areia que, posteriormente, é processado e se determinam pontos onde há boa ventilação e outros onde há acúmulo de areia, indicando regiões propensas ao acúmulo de contaminantes e possíveis impactos em ilhas de calor”, expõe.

Na visualização por fumaça, uma fonte a emite e uma câmera filma a sua dispersão. Essa é uma técnica complementar à da erosão de areia, pois com a visualização por fumaça é possível realizar as observações para diferentes alturas da edificação ou do bairro em análise.

Há ainda uma técnica quantitativa que permite determinar os valores nominais dos acúmulos de contaminantes e elevação da temperatura nos pontos desejados para análise. Essa técnica utiliza gases como propano, ar sintético, hélio e hidrogênio e um equipamento denominado de Flame Ionization Detector (FID, Detector de Chamas).

“Os gases são emitidos de fontes pontuais, como de chaminés de indústrias ou de emissões veiculares, e o FID realiza uma varredura na região onde se deseja verificar a qualidade do ar e a temperatura”, completa.

PEDESTRES E HELIPONTO

O futuro Nexus Shopping, em Goiás, foi objeto de ensaios pelo IPT que apurou, entre outros aspectos, o conforto de pedestres nas áreas externas de convivência e de condições do vento no heliponto.

“Não é a primeira vez que este tipo de estudo é realizado no túnel de vento do IPT. Embora não seja inédito, ensaios desse tipo são menos requisitados do que ensaios que envolvem a ação do vento nos edifícios pensando no projeto estrutural, de revestimento e caixilharia”, comenta o engenheiro mecânico, Gabriel Borelli Martins, também pesquisador do IPT.

Os estudos que envolvem as condições do vento em helipontos dependem muito da característica do edifício em si e da sua localização. Em edifícios da capital paulista, por exemplo, a demanda por esse tipo de ensaio tende a ser maior, até por ser a cidade com a maior frota de helicópteros do mundo. “Já a demanda por ensaios que envolvem conforto de pedestres é crescente, devido a questões de sustentabilidade e qualidade de vida dos usuários”, informa Martins.

Nos ensaios do shopping em Goiás, o IPT utilizou, pela primeira vez, sensores Irwin, específicos para estudos da ação do vento em pedestres. Eles têm as vantagens de serem pequenos, de simples fabricação, omnidirecionais e podem ser utilizados em grande quantidade.

Nos ensaios que são realizados em túnel de vento, se trabalha com modelos em escala reduzida. No túnel de vento do IPT costumamos trabalhar com modelos 100 a 200 vezes menores do que os edifícios reais
Gabriel Borelli Martins

“Nos ensaios que são realizados em túnel de vento, se trabalha com modelos em escala reduzida. No túnel de vento do IPT costumamos trabalhar com modelos 100 a 200 vezes menores do que os edifícios reais; assim, para medir a velocidade na altura dos pedestres, os sensores devem ser posicionados muito próximos da superfície dos modelos”, conta Martins.

Esses ensaios indicam regiões externas do empreendimento que podem ser problemáticas para os usuários. Os critérios de conforto existentes se baseiam, no geral, em velocidades limites, nas probabilidades de excedência dessas velocidades (calculadas a partir de dados meteorológicos da região) e na atividade desempenhada pelos usuários.

“É importante ressaltar que se trata de um estudo exclusivo de conforto devido à ação mecânica do vento, e não de conforto térmico”, diz. A identificação de regiões problemáticas possibilita a adoção de medidas como, por exemplo, o posicionamento de barreiras naturais (vegetação) em pontos estratégicos para a redução da velocidade do vento na altura dos pedestres.

O ensaio de condições do vento no heliponto fornece os valores das velocidades limites para cada região e direção do vento, o que pode ser útil para os pilotos evitarem condições desfavoráveis durante pousos e decolagens. “Além disso, o critério da CAP 437, que diz respeito às condições de operação de helicópteros nas imediações do heliponto, é utilizado na caracterização do vento nos arredores do heliponto. Com isso pode-se avaliar a necessidade de alteração do projeto”, completa.

NORMAS TÉCNICAS

Gilder Nader informa que existe norma para determinação da carga de vento nas edificações com formatos geométricos simples, como edifícios de planta retangular e também em estruturas treliçadas como torres de transmissão de energia elétrica. Os ensaios em túnel de vento são recomendados quando o projeto envolve edificações com plantas não retangulares ou em pele de vidro. E, também, para edificações com relação de esbeltez de pelo menos 5:2, ou ainda edificações com altura superior a 125 m.

“Embora a norma ABNT NBR 6123 – Forças devidas ao vento nas edificações seja bastante completa no que se refere às cargas estáticas do vento nas edificações, nela não há informações sobre edificações com projetos arquitetônicos complexos. Isto por serem projetos únicos, e não há informações para determinação da resposta dinâmica de edificações altas e esbeltas, tal como as construídas atualmente”, diz Nader. A última versão publicada dessa norma é de 1988. Atualmente ela passa por uma revisão para que possa ser adequada às condições atuais de edificações altas e das alterações da velocidade do vento no Brasil.

As mudanças climáticas e seu impacto no clima brasileiro trouxeram à tona a necessidade de alteração do cálculo da carga de vento nas edificações, devido à variação da velocidade. Os novos valores de velocidade do vento, ou de valores de rajadas de vento a serem utilizados nos projetos de edificações, é um dos pontos de discussão do grupo de atualização da norma ABNT NBR 6123.

QUANDO ENSAIAR

Nader elenca as situações em que os ensaios de edificações em túnel de vento são recomendáveis para projetos não previstos em normas:

- Edificações com projeto arquitetônico complexo. Ou seja, que não tenham planta baixa retangular porque, ao utilizar a norma para dimensionar edificações complexas, a tendência é que o carregamento do vento calculado seja muito superior ao carregamento do vento medido em túnel de vento, que sempre fornece resultados otimizados e confiáveis.

- Edifícios com esbeltez acima de 5:2. Exemplo: 100 m de altura por menor lado com 20 m, ou altura de 75 m com menor lado de 15 m. Ou edifícios com pelo menos 125 m porque, nesses casos, a frequência natural de vibração da edificação será inferior a 1 Hz – nos casos desse exemplo, a frequência natural fica em torno de 0,25 Hz, e edifícios mais altos ou com maior esbeltez chegam a frequências naturais na faixa de 0,12 Hz. Para essa faixa de frequências, a edificação absorve muito a energia do vento e é onde podem ocorrer problemas estruturais ou de conforto de ocupantes. Porém, a partir de ensaios em túnel de vento, o projetista pode verificar se o seu projeto está perfeito ou se necessitará de algum ajuste.

- Casos em que há edificações vizinhas que poderão sofrer efeito de vizinhança (*), do ponto de vista da alteração da carga de vento.

- Quando se deseja medir o conforto de pedestres ou de áreas de lazer de condomínios ou shoppings.

- Verificar o impacto de vizinhança (**) na qualidade do ar e temperatura local.

- Determinar a dispersão de contaminantes de instalações industriais e de emissões veiculares.

(*) e (**) há uma diferença entre efeito de vizinhança, que está relacionado com a alteração da força do vento nas edificações devido aos edifícios vizinhos, e impacto de vizinhança, que está relacionado com a forma como edifícios vizinhos impactam no conforto ambiental (dispersão de contaminantes, ventilação e calor).

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Colaboração técnica

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Gilder Nader – Possui graduação e mestrado em Física pela Universidade Federal Fluminense e doutorado em Engenharia Mecânica pela Universidade de São Paulo. É pesquisador do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e professor associado na Faculdade de Tecnologia do Estado de São Paulo (FATEC). Tem experiência nas áreas de Engenharia Mecânica, com ênfase em mecânica dos fluidos, sensores e atuadores piezelétricos, e em Física com ênfase em óptica.
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Gabriel Borelli Martins – Graduado em Engenharia Mecânica pelo Centro Universitário da FEI e mestrado pela Escola Politécnica da USP, na área de Engenharia Mecânica de energia e fluidos. É pesquisador assistente do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e doutorando na Escola Politécnica da USP, na área de aerodinâmica veicular. Tem experiência nas áreas de Engenharia Mecânica, com ênfase em mecânica dos fluidos e vibrações mecânicas.