A INFLUÊNCIA DA TOPOGRAFIA DO TERRENO NA VENTILAÇÃO NATURAL. ESTUDO NUMÉRICO SOBRE CONJUNTOS HABITACIONAIS

A INFLUÊNCIA DA TOPOGRAFIA DO TERRENO NA VENTILAÇÃO NATURAL. ESTUDO NUMÉRICO SOBRE CONJUNTOS HABITACIONAIS

Jonatan Alves dos Santos1; Gustavo Bono2

1Estudante do Curso de Engenharia Civil – CAA  – UFPE; E-mail:  [e-mail], 2Docente/pesquisador do Depto de Tecnologia – CAA – UFPE. E-mail: [e-mail].

        

Sumário: O presente trabalho visa estudar como a inclinação do terreno influência à ventilação natural em conjuntos habitacionais. Para isso, se fará uso dos conceitos da Engenharia do Vento Computacional, utilizando-se de um programa computacional para avaliar diferentes geometrias de edificações. Serão avaliados casos bidimensionais de três edificações de forma retangular, com duas aberturas, uma a barlavento e a outra a sotavento, separadas a uma distância de 1d e 2d. Consideram-se três inclinações de terreno: 0, 1/10 e 1/20. Através dos exemplos analisados, foi possível determinar os principais fenômenos aerodinâmicos que se originam devido às edificações. O conhecimento desses fenômenos é fundamental já que permite: analisar a eficiência do uso de ventilação natural, avaliar o conforto dos pedestres, determinar as cargas para o dimensionamento da estrutura, entre outras características.

Palavras–chave: engenharia do vento; mecânica dos fluidos computacional; ventilação natural

INTRODUÇÃO

Visando um melhor aproveitamento dos recursos construtivos, torna-se fundamental a análise do vento na fase de projeto. Do ponto de vista estrutural, é imprescindível o estudo do vento sobre estruturas, pois este pode gerar grandes pressões e sucções localizadas, as quais podem originar fortes cargas na estrutura. Para projetar uma estrutura com segurança e economia é importante fazer uma análise da ação deste fenômeno natural sobre ela, através dos coeficientes de pressão. A norma NBR 6123 (ABNT, 1988), normaliza os coeficientes de pressão externas e internos de edificações de geometria simples. Os coeficientes de pressão são um importante parâmetro no estudo de ventilação natural em edificações, uma vez que a diferença de pressão nas faces opostas das paredes de uma edificação permite estimar a vazão mínima de ar através das aberturas. Outros pontos muito importantes que devem ser levados em consideração quando se analisa o escoamento ao redor de edificações são: o conforto para os pedestres e a análise da eficiência do uso da ventilação natural. A Norma NBR 15220 (ABNT, 2005) apresenta recomendações quanto ao desempenho térmico de unidades habitacionais de interesse social aplicáveis na fase de projeto. Em regiões com condições climáticas como a encontrada no agreste pernambucano, a ventilação natural pode ser usada para gerar um maior conforto térmico nos ambientes internos, acarretando em soluções mais econômicas no que diz repeito ao uso de energia.

O estudo de problemas envolvendo a ação do vento sobre estruturas tem sido tradicionalmente realizado por meio de técnicas experimentais desenvolvidas em túneis de vento. No entanto, com o crescente avanço na capacidade de processamento e armazenamento de dados dos computadores atuais, modelos numéricos cada vez mais complexos e eficientes têm sido elaborados e aplicados nesta área. Existem muitos trabalhos realizados nessa área. Karava (2011) analisa através de estudos em túneis de vento como as aberturas na fachada das edificações influenciam na ventilação cruzada das mesmas. Meroney (2009) analisa os exemplos estudados por Karava através da dinâmica dos fluidos computacional, comparando os resultados experimentais com os obtidos numericamente. Perén et al. (2014) analisa numericamente a influência da inclinação do telhado na ventilação natural através da edificação, complementando o estudo de Karava. Um dos modelos de edificação utilizado por esses autores foi utilizado na presente análise, sendo esta análise feita sobre a influência destas edificações uma sobre as outras quando elas são postas em série, variando-se a inclinação do terreno.

As equações de Navier-Stokes modelam os fenômenos relacionados à mecânica dos fluidos, sendo aplicáveis tanto a escoamento turbulento quanto laminar, porém, no primeiro caso, que é o mais comum no caso de edificações, elas se tornam muito mais difíceis de serem resolvidas. Os modelos da Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) empregados neste trabalho resolvem essas equações.

MATERIAIS E MÉTODOS

Para o desenvolvimento do presente trabalho foi empregado o programa, HEXAFEM_3D_IFF (Bono et al., 2011a). As equações de Navier-Stokes e a equação de conservação de massa considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade para problemas isotérmicos são resolvidas empregando o Método dos Elementos Finitos, usando uma série de Taylor e o clássico método de Bubnov-Galerkin para a discretização do tempo e do espaço, respectivamente. Para a simulação de escoamentos turbulentos, emprega-se a Simulação de Grandes Escalas com o modelo de Smagorinsky clásico para as escalas inferiores à resolução da malha. Para a discretização do domínio espacial utiliza-se o elemento isoparamétrico hexaédrico de oito nós. Mais detalhes sobre este programa podem ser vistos em Bono et al. (2011a) e Bono et al. (2011b).

Neste estudo, avalia-se como a distância entre edificações simples do mesmo tipo e a inclinação do terreno afetam o escoamento e a ventilação natural. Foram analisadas três edificações de formato retangular com duas aberturas, uma a sotavento e outra a barlavento, dispostas em sequencia sendo avaliadas três inclinações diferentes do terreno (0, 1/10 e 1/20). Para cada inclinação foi adotada uma distância entre edificações de 1d e 2d, sendo  a largura de uma edificação. [pic 2]

Nos problemas aqui abordados foram consideradas malhas de elementos finitos do tipo estruturada em todo o domínio computacional. Todos os exemplos foram modelados como problemas bidimensionais. Em todos os casos, considera-se como condição de contorno na entrada do domínio um perfil exponencial de velocidade típico de Camada Limite Atmosférica com um ângulo de incidência igual a 0º.

As edificações tem formato retangular com largura “d”=1 [m] e altura “H” = 0.8 [m]. A espessura da parede utilizada foi de 0.02[m]. O escoamento é caracterizado por um número de Reynolds de 557.60 e uma velocidade de entrada equivalente a V0= 6.97 [m/s], aplicada na face de entrada do domínio computacional, com um expoente n = 0,11 para o perfil da camada limite. Considera-se um escoamento Laminar.

RESULTADOS

Para facilitar a analise e comparação dos resultados, os mesmos são apresentados nas figuras 1, 2 e 3 em função da inclinação do terreno, ou seja, para cada ângulo de inclinação (0, 1/10, e 1/20) mostram-se as duas separações (1d e 2d) consideradas entre as edificações.