Palavras-chave: expansão urbana; ventilação natural; simulação computacional.

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1 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, renancid@bol.com.br (2) Prof a. Dr a. Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo Laboratório de Conforto Ambiental e Eficiência Energética (LABAUT) 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.

2 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

3 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.

4 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 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). Torres já construídas Torres planejadas Demais edificações 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

5 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 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 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

6 Figura 3 Rosa dos ventos para Fortaleza referente ao período entre 2002 e 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. N E W S 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

7 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.

8 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.

9 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.

10 6 REFERÊNCIAS BRANDÃO, R. S. As Interações espaciais urbanas e o clima. (Tese). Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo, São Paulo, CELINSKI, F.; SANTOS, G. H.; MENDES, N. Análise térmica de um ambiente através da dinâmica dos fluidos computacional. Anais do VII Encontro Nacional de Conforto no Ambiente Construído. Curitiba, COSTA, F. J. de M. Ventilação e prescrições urbanísticas Uma aplicação simulada no bairro de Petrópolis em Natal/RN. (Dissertação) Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e urbanismo da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, CÓSTOLA, D. Ventilação por ação do vento no edifício: procedimentos para quantificação. (Mestrado). Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, Universidade de São Paulo. São Paulo, FERREIRA D. G.; ASSIS, E. S.; FERREIRA, C. M. O. Verificação da alteração dos padrões de vento devido à ocupação urbana na cidade de belo horizonte, MG. Anais do X Encontro Nacional de Conforto no Ambiente Construído. Natal, KOLOKOTRONI, M; SANTAMOURIS, M. Ventilation for cooling. In: Advances in passive cooling. SANTAMOURIS, M. (org.) Buildings, Energy, Solar Techonolgy, Londres, LEITE, C. G. Alterações da ventilação urbana frente ao processo de verticalização de avenidas litorâneas: o caso da avenida litorânea de São Luís/MA. (Dissertação). Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo, São Paulo, MARCONDES, M.; UMAKOSI, E. Ferramentas computacionais para avaliação ambiental de áreas urbanas: estudo de caso em São Paulo. Anais do IX Encontro Nacional de Conforto no Ambiente Construído. Ouro Preto, PRATA, A. R. Impacto da altura de edifícios nas condições de ventilação natural do meio urbano. (Tese) Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo. São Paulo, PRATA-SHIMOMURA, A.; FROTA, A. B.; CELANI, G. Modelos físicos na análise de ventilação urbana: o uso do túnel de vento. FÓRUM - Clima Urbano e Planejamento das Cidades; vol. 3, no. 2 (2009). ROMERO, M. A. B. Arquitetura bioclimática do espaço público. Brasília: Editora da Universidade de Brasília, SILVA, F. A. G. O vento como ferramenta de desenho do ambiente construído: uma aplicação ao nordeste do Brasil. (Tese). Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo, São Paulo, SOUZA, V. M. B. de. A influência da ocupação do solo no comportamento da ventilação natural e na eficiência energética em edificações. Estudo de caso em Goiânia Clima tropical de altitude. (Dissertação). Departamento de Pós-Graduação da Faculdade de Arquitetura, Urbanismo da Universidade de Brasília, TOLEDO, A.; PEREIRA, F. O. R. Métodos e técnicas de visualização para a avaliação da ventilação natural pela ação do vento em edifícios. In: NUTAU Núcleo de Pesquisa em Tecnologia da Arquitetura e Urbanismo, 5, Anais... São Paulo, AGRADECIMENTOS À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo suporte financeiro.