SISTEMAS DE SOMBREAMENTO EM ARQUITECTURA:

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1 SISTEMAS DE SOMBREAMENTO EM ARQUITECTURA: PROPOSTA DE UM NOVO MÉTODO DE CONCEPÇÃO E DIMENSIONAMENTO Milene Silva de Jesus Palhinha Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Arquitectura Instituto Superior Técnico UTL Abril de 2009 Orientadora: Prof. Dra. Luísa de Oliveira Gama Caldas (FAUTL) Co-Orientador: Prof. Dr. António Heleno Domingues Moret Rodrigues (IST) RESUMO ALARGADO No âmbito da arquitectura bioclimática, durante o processo de concepção das fachadas de um edifício é necessário considerar, entre outros aspectos, a necessidade de sombreamento, como elemento importante no seu desempenho, na procura de um espaço interior com o máximo de conforto e de eficiência energética, e na sua imagem, pois a sua forma, geometria e materialidade caracterizam e identificam o edifício. A importância deste estudo assume-se no sentido de uma crescente preocupação de melhoria do ambiente interior do edificado associado ao papel decisivo que a fachada possui neste âmbito. Hoje em dia, é cada vez mais importante que a profissão de arquitecto esteja consciente do compromisso de conceber uma edificação mais sustentável, demonstrando preocupações na defesa do meio ambiente. Introdução As fachadas de um edifício representam o interface com o ambiente exterior, o sol, luz e ar. Este elemento, que estabelece a relação entre o sistema exterior e interior, necessita de se adaptar às diferentes características dos espaços nas diferentes fases do dia e do ano. Estas questões são o reflexo de preocupações directas na arquitectura e no ambiente urbano que a contextualiza, potenciado pela contínua evolução tecnológica e pela crescente preocupação com os recursos ambientais. Estas preocupações são levantadas devido às proporções elevadas que a crise energética global assume, associada ao uso de recursos energéticos não renováveis, responsabilizando-se por danos ambientais. As crises energéticas atingem o mundo industrializado, levando à procura da racionalização do seu uso e que os governos procurem fontes de energia seguras para reduzir a dependência do combustível importado. Esta mudança de atitude, não só de nível económico, mas também de defesa do meio ambiente, leva ao estudo de estratégias de desenho passivo nos países industrializados do norte da Europa e EUA, que resultam em adaptações das boas práticas já utilizadas nas construções vernaculares, 1

2 para exigências da época contemporânea. É uma atitude radical que se reverte na consequente transformação da arquitectura que procura agora padrões mais exigentes desde o desenho do planeamento urbano até ao pormenor do desenho do edificado. Estes desenhos são a consequência da complexa relação de interdependência entre as condições climáticas, económicas, sociais, políticas, estratégicas, estéticas, técnicas e regulamentares, com o objectivo de adquirir um desenho energeticamente eficiente, mais económico a longo prazo e com maior qualidade arquitectónica. No âmbito das estratégias de desenho passivo, é protagonista o papel dos sistemas de sombreamento, pois são estes muitas vezes os responsáveis tanto pela imagem da fachada vertente estética como o funcionamento e desempenho desta vertente funcional. Duas vertentes que necessitam de ser trabalhadas em conjunto. Baseada na experiência e no respeito pelo ambiente, estas questões são determinantes no âmbito da Arquitectura Bioclimática, traduzida no dever do arquitecto em criar um projecto esteticamente bem conseguido e integrado com a envolvente urbanística e o meio ambiente. É procurada a utilização dos recursos naturais disponíveis para a diminuição dos impactos ambientais com o objectivo da redução dos consumos de energia e de optimização das condições de conforto interior através das estratégias do design solar. O presente estudo visa identificar e analisar as principais questões associadas à complexidade do sombreamento e ainda contribuir para a compilação e sistematização da informação existente, sobre este vasto tema, os sistemas de sombreamento. Esta abordagem procura promover uma reflexão em torno da importância e potencial do desenho dos sistemas de sombreamento de fachadas no âmbito da Arquitectura Bioclimática, aprofundando o conhecimento pessoal nesta área. Como objectivo específico é procurada uma contribuição na optimização dos sistemas existentes a nível do seu desempenho, através da análise das soluções existentes, estandardizadas e de autor e ainda através do estudo da primeira instância de um método de desenho de um sombreamento optimizado, analisar a nível da sua imagem e desempenho lumínico, dado o carácter contraditório entre os dois factores Sombra e Luz. A dissertação estrutura-se em três fases: Princípios e Estratégias, Evolução e Levantamento de Sistemas e o Estudo de um Método. Princípios Técnicos e Estratégias de Desenho O papel da fachada de um edifício é complexo, porque no âmbito da Arquitectura Bioclimática são considerados um conjunto de princípios estratégicos e aspectos técnicos. Com base na revisão bibliográfica são sintetizados os princípios técnicos que envolvem a natureza do sombreamento e a sua importância, como estratégia fundamental de desenho das fachadas para uma Construção Bioclimática. 2

3 No desenvolvimento e concepção de um sistema de sombreamento de uma fachada, os princípios não devem ser analisados isoladamente, mas para a melhor compreensão estes são apresentados e sistematizados em separado. Pressupostos: A eficiência energética e o conforto são os pressupostos essenciais para uma Arquitectura Bioclimática. A eficiência energética é a actividade que optimiza o uso das fontes de energia. A sua racionalização consiste no uso de menor energia para fornecer a mesma quantidade de valor energético e por isso um edifício é mais eficiente quando proporciona as mesmas condições ambientes através de um consumo de energia mais baixo. O conforto integra os princípios físicos envolvidos do edificado, do indivíduo e das necessidades de carácter ambiental, as térmicas e as visuais. Princípios Solares: Além destes pressupostos são sistematizados os princípios para o design da construção se adequar ao local de inserção, sendo que na maioria das vezes, os princípios solares são as respostas às necessidades do edificado, para que esta funcione como um elemento que protege e regula as alterações naturais constantes do ciclo climático de um lugar, tirando partido dos aspectos positivos e diminuindo os seus efeitos negativos. A geometria solar permite prever o comportamento da radiação solar sobre o edificado e controlar os efeitos de sombra e luz de forma a adequar o desenho do invólucro exterior (proporções volumétricas, detalhes de paredes e coberturas, cor, dimensão dos vãos, elementos de sombreamento, ou os materiais de construção), às necessidades do espaço interior. As questões relacionadas à geometria solar ganham maior relevância quando se começa a consciencializar que uma arquitectura deve ser bioclimática, ecológica e ultimamente sustentável, pois representa um importante instrumento de projecto no desempenho térmico e luminoso. A radiação solar é a principal fonte de energia para o planeta, como fonte de calor e como fonte de luz natural. Tecnicamente consiste na quantidade de energia radiante emitida pelo sol que alcança uma determinada superfície terrestre, sob a forma de radiação electromagnética e formada por duas componentes: a radiação solar directa e a radiação solar difusa. Os sistemas de sombreamento procuram controlar estas duas componentes, tendo em conta os fenómenos da reflexão, absorção e transmissão, de modo a evitar consequências negativas como temperaturas interiores elevadas ou o efeito de estufa. Perante as adversas condições solares, o sombreamento e a iluminação são uma necessidade para o conforto e eficiência energética e por isso são estudados os parâmetros que avaliam e quantificam estas necessidades, abrangendo a dicotomia de que quando se evita a entrada do sol indesejado, 3

4 priva-se o espaço da iluminação natural. No desenho de um sistema de sombreamento, existe a necessidade de encontrar um equilíbrio entre os vários parâmetros: controlo solar, a entrada de radiação solar quando indesejado, luminosidade adequada à actividade a que o espaço se destina, o equilíbrio entre o fluxo luminoso incidido e reflectido, o controlo dos níveis de reflexão, de uniformidade, contraste e evitar o ofuscamento. Sistemas de Sombreamento como estratégias da Construção Bioclimática: O desenho de elementos de sombreamento é uma Estratégia da Construção Bioclimática, pois a sua aplicação procura melhorar a construção a nível da eficiência energética e conforto, tirando partido das condições locais e climáticas, de um modo passivo, através da interacção do edifício com a envolvente e de um modo activo, através da incorporação de equipamentos que maximizam essa interacção. Como estratégia passiva da Construção Bioclimática, o sombreamento é utilizado para a protecção solar, funcionando como uma estratégia passiva de arrefecimento, ou dependendo do tipo de sistema pode também funcionar como um elemento que evita a saída de ar quente e por isso contribuir para a estratégia passiva de aquecimento, ou ainda garantirem melhorares condições de luz natural e por isso funcionarem como uma estratégia passiva de iluminação natural. O sombreamento como estratégia activa da Construção Bioclimática está associado à utilização de equipamentos eléctricos, mecânicos ou químicos, que adequadamente incorporados no sistema de sombreamento, permitem a captação, armazenamento da energia solar e fornecimento de energia térmica e eléctrica ao edifício. Os Painéis Solares e as Células Fotovoltaicas são exemplos de equipamentos que podem ser incorporados nos edifícios, integrados em fachadas no sistema de sombreamento, funcionando assim não só como estratégia passiva, mas também como estratégia activa. Evolução e Levantamento de Sistemas de Sombreamento Numa segunda fase são sintetizadas as características dos Sistemas de Sombreamento através de um levantamento, primeiro numa perspectiva de evolução histórica e depois numa perspectiva morfológica de conhecimento dos sistemas actualmente disponibilizados no mercado e exemplos de sistemas que resultam de adaptações e concepções dos próprios arquitectos. Evolução das Técnicas de Fachadas e de Sistemas de Sombreamento: Nos últimos anos os sistemas de sombreamento têm vindo a deixar de ser encarados como elementos adicionais à fachada e começam a ser considerados como um sistema integrado na própria fachada. Ao longo dos anos as técnicas de fachadas alteram-se, acompanhando os movimentos e a evolução tecnológica, associadas à evolução dos sistemas de sombreamento. A evolução e desenvolvimento de uma técnica construtiva não é casual, nem resultado de uma criação 4

5 imediata, pois está dependente das condições ambientais do local, sendo uma resposta de um longo processo com uma variedade de questões, em que as ideias vão criando maturidade à espera de encontrar circunstâncias e meios tecnológicos adequados para tornar possível o seu desenvolvimento, enquadrada no conceito estético actual. Desde as técnicas primitivas, passando pela arquitectura de materiais pesados, grega e romana, com os beirados e as leves telas em tensão, às técnicas construtivas do gótico, em que o invólucro do edifício começa a tornar-se mais ligeiro, até chegar à época da Revolução Industrial, em que os meios tecnológicos impulsionam a transformação da arquitectura através do uso sistemático da energia e a produção de novos materiais, o ferro e o vidro. Este tipo de construção traz alguns problemas a nível do desempenho inadequado do invólucro face às condições exteriores. Contudo é de referir excepções, em que procuram através da experimentação dos materiais e das técnicas trazerem boas soluções no desempenho e imagem do edificado, como é o caso de Le Corbusier ou Frank Lloyd Wright. A evolução tecnológica e os novos conceitos de fachada começam-se a traduzir em preocupações na utilização excessiva dos recursos energéticos na construção, o que leva estudo de meios para a sua diminuição, como é o exemplo do crescente investimento nos Sistemas de Sombreamento e por isso a disponibilização no mercado de um vasto tipo de sistemas que se adaptam a diferentes situações e à evolução das necessidades, ao mesmo tempo que os próprios arquitectos procuram sistemas funcionais e singulares, na procura de oferecer um carácter particular ao edificado. Classificação dos Sistemas de Sombreamento: A caracterização dos diversos tipos de sombreamento disponibilizados no mercado, bem como a sua aplicação e adaptação, estão associados à necessidade de se prever um conjunto de situações adequadas a que estes devem responder no nível técnico e funcional. Os diversos sistemas de sombreamento são classificados em função da sua respectiva localização no edificado, exterior ou interior e ainda subdivididos em função da possibilidade de manuseamento, fixos ou móveis. È ampla e complexa a diversidade de sistemas e com a evolução tecnológica é ainda assinalado outro grupo que se afasta do tipo de sistema mais tradicional, os vidros avançados de controlo solar. Levantamento dos Sistemas de Sombreamento: O levantamento dos sistemas de sombreamento, consiste numa base de dados directa dos tipos de sistemas, mecanismos, materiais, vantagens e desvantagens a considerar para a concepção de uma fachada esteticamente atraente, funcional e de acordo com a envolvente. A lista de sistemas é muito extensa, pois constantemente o mercado investe em novos sistemas resultando numa ampla gama de variantes, mecanismos, materiais, forma, dimensões e cores, que procuram responder às necessidades actuais e aos padrões estéticos. São por isso apresentados e caracterizados os grupos de sistemas de maior utilização nas diversas tipologias, as palas horizontais e verticais, as lamelas ou brise-soleils, as malhas metálicas, as portadas, as venezianas, 5

6 os estores de bandas horizontais, as telas de rolo, as cortinas, os toldos e os vidros avançados de controlo solar. É também de referir que no estudo do desempenho dos diferentes sistemas de sombreamento é ainda pouca a informação disponibilizada pelos fabricantes / empresas sobre as propriedades do sistema, sendo por isso importante investir numa base de dados integrada através da compilação e sistematização da informação dos sistemas. Exemplos de adaptações de Sistemas de Sombreamento por Arquitectos: Este levantamento é completado pela apresentação de exemplos de edifícios que demonstram a preocupação do arquitecto em adaptar e/ou conceber um sistema de fachada e de sombreamento integrado, em que os aspectos funcionais procuram se adequar aos aspectos criativos e conceptuais, resultando num edificado de carácter próprio. A preocupação de uma integração deste nível é também o papel do arquitecto, com a colaboração dos técnicos responsáveis do sistema, tendo em conta as potencialidades do sistema e as necessidades do ocupante. A adaptação e a concepção/desenho de um sistema de fachada de sombreamento pelo próprio arquitecto são acções alvo de pesquisa, na necessidade de sombra para evitar o sobreaquecimento, na necessidade de luz natural para o bem-estar e actividades inerentes ao espaço, na procura do equilíbrio entre estes dois factores e de uma imagem harmoniosa e de identidade. Proposta de um novo método de concepção e dimensionamento: Equilíbrio entre Sombra e Luz No desenvolvimento do estudo constata-se a constante necessidade de investir em sistemas de fachada que particularizam o edifício e que respondam às necessidades de sombreamento e de iluminação. Parte da originalidade deste estudo está assente na exploração e desenvolvimento de uma primeira instância de um método que procura responder a três factores: a intenção arquitectónica, a optimização do sombreamento e o equilíbrio do nível de iluminação. Inicialmente é estudada e analisada um método que introduz os factores variáveis e que confere a sua adaptabilidade e influência prática do sombreamento, exemplificada com vários modelos, sendo depois, concebidos em maqueta e introduzida a variável da iluminação, na procura de perceber o padrão resultante. Toma-se como ponto de partida um sistema de sombreamento exterior fixo, na procura de demonstrar que estes podem também ser bons instrumentos de controlo de sombra e iluminação directa, quando concebidos e adequados às características do local. O principal objectivo consiste em constituir uma base de trabalho que procura explorar a relação entre a eficácia de um sistema sombreamento e o padrão de iluminação resultante, a diminuição do brilho e a atenuação do contraste luz-sombra, de modo a contribuir para o encontro de um equilíbrio entre os dois factores. 6

7 Método para Optimização do Sombreamento: Fixada a localização, a orientação e o período anual e diário de maior necessidade de sombreamento, com base nas características do clima local, é esboçada a composição do vão, subdividida em módulos de diferentes proporções e adequadas à visibilidade interior-exterior. Com base no esboço, os elementos horizontais e verticais são dimensionados de modo a responder à optimização do sombreamento para cada módulo. A partir deste modelo Base são criadas variantes: Modelo A, em que se estuda o comportamento do modelo só com elementos horizontais e o Modelo B, em que se estuda o comportamento do modelo com elementos verticais e horizontais, adoptando princípios que se regem com base nos estudos da Geometria Solar. As soluções obtidas resultam numa expressão arquitectónica, que garante o controlo solar e uma imagem de identidade de um edificado. Estudo dos níveis de Iluminação natural: Quando introduzido o factor da iluminação, é optado a concepção de maquetas físicas para o estudo dos níveis de iluminação natural. As maquetas são construídas com cuidados a nível da sua geometria e materialidade, para que possam funcionar como instrumentos que forneçam uma analogia, a nível da luminosidade resultante, distribuição, brilho, contraste e anunciantes do desempenho quantitativo do espaço como da informação visual para uma avaliação qualitativa. A maqueta é realizada à escala 1:15, sobre uma base sólida e em PVC, na procura de ter um modelo sólido para o fácil manuseamento, opaco e de superfícies brancas para uma uniformidade na reflexão da luz. São executados quatro modelos: o modelo sem elementos de sombreamento, o modelo com solução comum, o modelo com a solução base e o modelo A, resultado dos princípios adoptados. Este último é realizado em 4 variantes: superfície opaca e clara, superfície opaca e escura, superfície penetrável e escura e superfície penetrável e clara, com o objectivo de avaliar a influência da materialidade no equilíbrio entre a sombra e a luz resultante. Na análise quantitativa são realizadas medições em ambiente com condições de luz pré-definidas, no exterior e com um céu completamente encoberto, garantindo apenas a incidência de luz difusa. Com um Luxímetro são registados os valores interiores em vários pontos e os valores exteriores no mesmo instante, para as diversas soluções apresentadas. O rácio entre estes valores consiste no Factor Luz-Dia, que juntamente, com a elaboração de diagramas cromáticos para cada modelo e gráficos, permite uma avaliação a nível da quantidade, intensidade, distribuição e uniformidade da iluminação natural obtida. A análise qualitativa é realizada com base em registos fotográficos nos diversos modelos, perante as mesmas condições interiores e exteriores e sob luz directa, através de simulações da incidência solar ao longo do ano e do dia com recurso a um relógio de Sol. 7

8 A avaliação qualitativa é realizada em dois níveis: objectivo, através da observação directa e comparativa entre as imagens, e subjectivo, através da realização de um inquérito. Na análise qualitativa objectiva teve-se em conta os seguintes parâmetros: optimização do sombreamento, a luminosidade, o contraste luz-sombra, o brilho e o nível de obstrução Na análise qualitativa subjectiva compreende-se que a realização de um inquérito é o meio adequado para que os parâmetros subjectivos tenham valor científico. Os parâmetros questionados em relação aos elementos de sombreamento, são a Harmonia (equilíbrio e relação proporcional), a Leveza (pouco impacto visual) e Beleza (desperta admiração e agrado) e os parâmetros questionados em relação ao ambiente interior são a Luminosidade (qualidade da luz), o Conforto (bem-estar e comodidade) e o Desafogo (arejado, aberto e leve). Todos os dados obtidos são transportados para tabelas e gráficos permitindo a comparação entre os diferentes modelos. Conclusões Esta abordagem deixa perceptível a complexidade que envolve o desenho de Sistemas de Sombreamento em Fachadas, demonstrando o conjunto de necessidades que se devem traduzir em soluções arquitectónicas na contribuição de uma Arquitectura Bioclimática, enquanto perspectiva funcional e de identidade e qualidade, enquanto perspectiva estética. As questões e respostas direccionaram-se para o encontro de um equilíbrio entre o sombreamento optimizado e a luminosidade resultante, com base na pesquisa de conceitos no âmbito da Arquitectura Bioclimática e na experimentação de modelos. A proposta de um método de concepção e dimensionamento de um sistema de sombreamento inovador, parte de uma intenção formal e estética do arquitecto, procurando resolver a complexidade das questões inerentes ao usual conflito entre a necessidade de sombra e níveis de luminosidade. O método comprova a eficácia de sombreamento igual entre os modelos criados, mas melhores níveis de iluminação para o modelo A, além de ser este o modelo com o impacto mais positivo entre os inquiridos. O potencial deste método passa assim pela criação de elementos de geometria não convencional que possibilitam diferentes imagens, dependente de quem os concebe e das características locais. 8