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AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO CONFORTO PEDESTRE

EM AMBIENTE URBANO

André Filipe Silveira Castanho

Dissertação para obtenção de Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Júri

Presidente: Prof. Jorge Manuel Caliço Lopes de Brito

Orientadores: Profª. Maria da Glória de Almeida Gomes

Eng. Fernando Marques da Silva

Vogais: Prof. António Manuel Saraiva Lopes

Prof. António Heleno Domingues Moret Rodrigues

Outubro 2012

i

RESUMO

AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO CONFORTO PEDESTRE EM AMBIENTE URBANO

A ação do vento em torno dos edifícios depende não só da orografia e rugosidade do solo

como também da geometria do edifício, da disposição dos edifícios vizinhos e da direção

do vento. Em consequência, podem encontrar-se zonas de turbulência (porventura

intensa), deflexões acentuadas do escoamento em zonas de mudanças bruscas de

geometria − cantos, arestas, saliências, reentrâncias –, e acelerações fortes devidas ao

confinamento do escoamento, cujos efeitos constituem ações locais de difícil

contabilização. Especial atenção deve ser dada a estes efeitos localizados, sobretudo

quando estão em causa zonas onde o conforto, ou mesmo a segurança pedonal, podem

ficar comprometidos. Estas situações potenciais de desconforto pedestre devem ser

identificadas e corrigidas ainda na fase de projeto.

O objetivo do trabalho consiste na avaliação experimental em túnel de vento da influência

da disposição dos edifícios em ambiente urbano no conforto pedestre. Foi realizada uma

campanha experimental sobre um modelo em escala reduzida constituído por um conjunto

de 9 edifícios paralelepipédicos dispostos numa malha regular de 3 linhas e 3 colunas.

Simulou-se uma camada limite com perfil urbano para o escoamento incidente e procedeu-

se à identificação das zonas de desconforto potencial pelo método das figuras de erosão,

permitindo avaliar o campo de velocidades do escoamento ao nível do solo.

Complementarmente, foram realizados ensaios com anemómetros de fio quente para a

determinação das velocidades em zonas predefinidas. Alguns destes resultados

experimentais foram comparados com resultados numéricos de CFD (Computational Fluid

Dynamics) realizados num estudo anterior. Testaram-se diferentes relações entre alturas

dos edifícios e larguras dos arruamentos tendo sido identificadas as localizações e

disposições de edifícios mais gravosas. Foi assim possível obter um melhor conhecimento

sobre o impacto da geometria e disposição dos edifícios no conforto pedestre.

Palavras-chave: Conforto pedestre, ambiente urbano, vento, método das figuras de erosão,

túnel de vento, anemómetro de fio quente, camada limite atmosférica.

ii

ABSTRACT

EXPERIMENTAL ASSESSMENT OF PEDESTRIAN COMFORT IN URBAN ENVIRONMENT

The effect of wind around buildings depends not only on topography and roughness of the

surface, but also on the building’s geometry, the layout of surrounding buildings and the wind

direction. Consequently there are some turbulence zones, sharp flow deflections on geometry

changes (such as corners, edges, protrusions and recesses) and strong accelerations due to

the flow confinement, whose effects are locally limited and difficult account. Special attention

should be given to these localized effects, especially when dealing with areas where comfort or

even pedestrian safety may be compromised. These situations of potential pedestrian

discomfort should be identified and corrected in the design phase.

The main goal of this study is to evaluate, through wind tunnel testing, the influence of building’s

arrangements in the urban pedestrian-level comfort. An experimental campaign was conducted

on a scale models comprising a set of nine rectangular buildings arranged in a regular grid of

three rows and three columns. In this way, an urban boundary layer was simulated in the wind

tunnel and then the potential zones of discomfort were identified by the scour method in order to

evaluate the flow velocity field at ground level. Additionally, the simulation was conducted with

hot wire anemometers to determine mean wind speeds at predefined zones. Some of those

experimental results were compared with CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical

results in a previous study. Thus, different relationships between the buildings heights and

widths of roads (gaps) were tested. It was identified which buildings arrangements are more

critical. This study allowed for a better understanding of the geometry and building’s

arrangements impact on pedestrian comfort.

Keywords: Pedestrian comfort, urban environment, wind, scour method, wind tunnel, hot wire

anemometer, atmospheric boundary layer.

iii

AGRADECIMENTOS

A presente dissertação foi realizada com a ajuda de várias pessoas às

quais quero prestar o meu profundo agradecimento.

Agradeço à minha orientadora Doutora Maria da Glória Gomes pela sua

disponibilidade e apoio incansáveis na elaboração deste trabalho. Deixo o

meu reconhecimento do seu incentivo cativante e decisivo no momento em

que tomei contacto com a temática do trabalho. Fico muito grato por todo o

seu trabalho em prol do meu sucesso e por toda a sua análise rigorosa de

cada capítulo, pelas suas sugestões e conhecimentos transmitidos.

Ao orientador Doutor Marques da Silva por toda a sua paciência e

infatigável disponibilidade na componente experimental. Agradeço todos os

conhecimentos práticos e teóricos que me transmitiu e pela sua análise

crítica nos resultados experimentais.

Ao Engenheiro Pedro Peixeiro, pela sua imprescindível ajuda na

realização da campanha experimental no túnel de vento, nas suas

indicações e conselhos práticos que me permitiram resolver os mais

variados problemas logísticos. Por todos os ensinamentos que me

transmitiu na manipulação dos materiais, nos instrumentos de medição e no

funcionamento do software necessário à aquisição dos dados.

Por fim, quero agradecer aos meus pais, por todo o seu esforço e apoio ao

longo do meu percurso académico, imprescindíveis e definitivos na

oportunidade de chegar a este nível de formação. Por todo o seu amor

demonstrado ao longo de toda a minha vida, por todas as palavras de

apreço em todos os momentos deste percurso e por me orgulhar de tudo o

que deles contribuiu para a pessoa que sou. À minha mãe por todos os

conselhos e desabafos, ao meu pai pelo exemplo que é.

As últimas palavras de agradecimento são dirigidas a duas pessoas que

são a razão do meu orgulho. Ao meu irmão Guilherme, por ter sido o maior

acontecimento da minha vida, e à minha namorada, Ana Paula Rei, pela

sua amizade inigualável, amor e compreensão. A sua companhia e

paciência foram um alicerce à minha constante motivação. É especialmente

a eles que dedico esta dissertação.

iv

ÍNDICE

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 1

1.1 Enquadramento ................................................................................................................... 1

1.2 Objetivos e Metodologia do Trabalho ................................................................................. 2

1.3 Estrutura e Organização do Trabalho ................................................................................. 3

CAPÍTULO 2 - ESTADO DE ARTE .............................................................................................. 5

2.1 Caracterização do Vento Atmosférico ................................................................................. 6

2.1.1 Propriedades físicas do ar ............................................................................................ 6

2.2 A Velocidade Média do Vento e a Camada Limite Atmosférica (CLA) ............................... 7

2.2.1. Perfil de velocidade do vento ...................................................................................... 9

2.2.1.1 Perfil de velocidades do tipo logarítmico ................................................................... 9

2.2.1.2 Perfil de velocidades do tipo potência ..................................................................... 11

2.2.2 A turbulência atmosférica ........................................................................................... 14

2.3 Ação do vento em edifícios ............................................................................................... 16

2.3.1 Escoamento do vento em torno de obstáculos imersos ............................................ 17

2.3.2 A separação do escoamento ...................................................................................... 18

2.3.3 Interação do vento/edifício e escoamento tridimensional .......................................... 20

2.4 O conforto pedestre em ambiente urbano .................................................................. 23

2.4.1. Critérios de classificação do conforto pedestre ........................................................ 25

2.4.2 O vento à escala humana em meio urbano ............................................................... 30

2.4.2.2 Velocidades do vento analisadas ao nível pedestre ............................................... 37

2.4.2.3 Outros efeitos no conforto pedestre ........................................................................ 40

CAPÍTULO 3 - DESCRIÇÃO DO TRABALHO EXPERIMENTAL ............................................. 45

3.1 Casos de estudo ............................................................................................................... 46

3.2 Descrição da instalação experimental e equipamentos de medição ................................ 50

3.2.1 Túnel de vento ............................................................................................................ 50

3.2.2 Equipamento de medição da pressão e da velocidade do escoamento.................... 52

3.2.2.1 Tubos de Pitot ......................................................................................................... 54

3.2.2.2 Anemometria de fio quente ..................................................................................... 54

3.3 Metodologia de ensaio e técnicas experimentais ............................................................. 59

3.3.1 Metodologia de ensaio ............................................................................................... 59

3.3.2 Técnica experimental da simulação da camada limite atmosférica (CLA) ................ 61

3.3.3 Técnica das Figuras de erosão .................................................................................. 70

3.3.4 Técnica da anemometria de fio quente ...................................................................... 75

CAPÍTULO 4 - ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS ................. 77

4.1 Análise do conforto pedestre nos casos de estudo .......................................................... 78

v

4.1.1 Caso 1 ........................................................................................................................ 78

4.1.2 Casos 2, 3, 4 e 5 ........................................................................................................ 81

4.1.2.1 Caso 2 ..................................................................................................................... 81

4.1.2.2 Caso 3 ..................................................................................................................... 83

4.1.2.3 Caso 4 ..................................................................................................................... 84

4.1.2.4 Caso 5 ..................................................................................................................... 87

4.1.3 Casos 6 e 7 ................................................................................................................ 88

4.1.4 Caso 8 ........................................................................................................................ 91

4.1.4 Caso 9 ........................................................................................................................ 92

4.2 Anemómetro de fio quente - Casos 2,3,4 e 5 ................................................................... 95

4.4 Comparação entre os resultados experimentais e numéricos obtidos em CFD ............. 100

4.4.1 Aspetos comparativos do ensaio em túnel de vento e do CFD ............................... 102

4.4.2 Casos de estudo – túnel de vento vs. CFD .............................................................. 104

CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ................................... 105

5.1 Conclusões ...................................................................................................................... 105

5.2 Desenvolvimentos futuros ............................................................................................... 108

ANEXOS ........................................................................................................................................ i

A1. CONDIÇÕES DOS ENSAIOS DA CALIBRAÇÃO E DA DETERMINAÇÃO DO PERFIL

DE TURBULÊNCIAS COM O ANEMÓMETRO DE FIO QUENTE ............................................ i

A2. CONDIÇÕES DOS ENSAIOS DA DETERMINAÇÃO DO PERFIL DE VELOCIDADES E

DE TURBULÊNCIAS COM A PITOMETRIA (TUBO PITOT-PRANDLT) ................................. iii

A3. CONDIÇÕES DOS ENSAIOS DO MÉTODO DAS FIGURAS DE EROSÃO ..................... iv

A4. CONDIÇÕES DOS ENSAIOS DA ANEMOMETRIA DE FIO QUENTE ............................. ix

A5. VELOCIDADES NOS PONTOS DO MODEL EM CFD .................................................... xiii

A6. COMPARAÇÃO VELOCIDADES: ANEMOMETRIA DE FIO QUENTE E MODELO CFD

(OUTROS CASOS) ................................................................................................................. xiv

vi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1- Principais elementos e as suas relações no estudo dos ventos ao nível pedonal.

2

Figura 2.1- Circulação do ar no planeta com base na distribuição da pressão e da temperatura (esquerda) e efeito de Coriólis (direita).

5

Figura 2.2- Perfil de velocidades na camada limite atmosférica e vórtices. 8 Figura 2.3 - Velocidade do vento ao longo do tempo. 8 Figura 2.4 – Tensão de Reynolds, exemplo. 10 Figura 2.5 - Perfil tipo potência para diversas escalas de rugosidade. 11 Figura 2.6 – Comparação entre a lei logarítmica e a lei potência. 13 Figura 2.7 - Perfil de velocidade média do tipo potência em rugosidades diferentes (representação log-log).

14

Figura 2.8 – Hipótese de Taylor: a) turbilhão de 100 m de diâmetro que passa num determinado ponto, com uma diferença de 5

oC entre as extremidades; b) o mesmo

turbilhão passa no sensor, com velocidade de 10 m/s, 10 segundos depois. 15

Figura 2.9 - Linhas de corrente do escoamento em torno de uma placa infinita para diferentes números de Reynolds (a letra A indica o ponto de estagnação).

18

Figura 2.10 - Separação do escoamento em torno de um corpo de forma esférica: a) fluido perfeito (sem viscosidade); b) fluido real.

18

Figura 2.11 - Separação do escoamento numa placa. 19 Figura 2.12 - Separação e recolamento do escoamento em aresta viva. 20 Figura 2.13 - Escoamento com vento incidente em CLA em torno de: a) edifício curto; b) edifício longo; c) edifício com ângulo incidência de 45 graus.

20

Figura 2.14 – Linhas de corrente em torno de um obstáculo. 21 Figura 2.15 - Diferentes perfis de velocidade incidente e configurações do escoamento: a) Perfil uniforme de velocidade b) Camada limite atmosférica (FS- Ponto estagnação na fachada, GS – Ponto estagnação no solo).

22

Figura 2.16 – Perfil longitudinal do escoamento em iteração com um edifício: a) linhas de corrente do escoamento; b) zonas do escoamento.

23

Figura 2.17 – Velocidade do vento de: a) 4,2 m·s-1

≈ 15 km·h-1

; b) 5,6 m·s-1

≈ 20 km·h-1

; c) 14 m·s

-1 ≈ 50 km·h

-1; d) 20 m·s

-1 ≈ 70 km·h

-1

26

Figura 2.18 – Critério de conforto pedestre por Isyumov e Davenport. 27 Figura 2.19 - Downwash ao nível pedonal – um edifício alto no meio de edifícios baixos pode concentrar os ventos pedestres na sua base.

32

Figura 2.20 - Efeito de esteira. 32 Figura 2.21 – Cantos do edifício – um edifício alto concentra o escoamento na sua base, particularmente nas zonas correspondentes às arestas verticais, onde o efeito downwash é intensificado na direção horizontal.

32

Figura 2.22 – Efeito de esteira. 33 Figura 2.23 – Elemento pala que produz na entrada no edifício um ambiente mais confortável.

33

Figura 2.24 – Efeito pódio. 34 Figura 2.25 – Arcada com diferenças de pressões entre barlavento e sotavento. 34 Figura 2.26 – Efeito da reentrância (entradas com geometria recessiva concentram ventos fracos).

35

Figura 2.27 – Efeito de canto cortado. 35 Figura 2.28 – Compressão das linhas de corrente principal que resulta em aceleração do escoamento.

36

Figura 2.29 – Efeito de desfiladeiro, efeito de canal ou channel effect. 36 Figura 2.30 – Obstáculos dispostos perpendicularmente à direção do escoamento. 37

vii

Figura 2.31 - Ilustração de um vórtice formado pelo vento que mergulha entre um edifício baixo em um edifício alto: a) Perfil longitudinal; b) Vista frontal.

38

Figura 2.32 - Zonas típicas de desconforto em meio urbano. 38 Figura 2.33 – Modelos de Borowa-Błazik: a) upstream; b) downstream. 39 Figura 2.34 - Escoamento do vento em meio urbano (efeitos). 40 Figura 2.35 - Critério de conforto pedestre segundo (Te,n) e (Te,n). 42 Figura 2.36 - Critério de conforto pedestre segundo Humpreys (temperatura). 43 Figura 3.1 - Posição dos modelos físicos na zona de ensaio do túnel de vento e direção do escoamento (seta).

46

Figura 3.2 - Caso 1, configuração (2xLxL) com gap = L. 47 Figura 3.3 - Caso 2, configuração (3xLxL) com gap = L. 47 Figura 3.4 - Caso 3, configuração (3xLx2L) com gap = L. 48

Figura 3.5 - Caso 4, configuração ((2xLx 𝑳

𝟐 ) + (1xLx2L)) com gap = L. 48

Figura 3.6 - Caso 5, configuração ((2xLxL) + (1xLx2L)) com gap = L. 48

Figura 3.7 - Caso 6, configuração (3xLxL) com gap = 𝑳

𝟐. 48

Figura 3.8 - Caso 7, configuração (3xLx2L) com gap = 𝑳

𝟐. 49

Figura 3.9 - Caso 8, configuração (3xLxL) com gap = L, salvo na célula (2,2) que é caracterizada por (LxLx2L).

49

Figura 3.10 - Caso 9, bloco ((2xLxL) + (1xLx2L)) com pala na última linha de edifícios e gap = L.

50

Figura 3.11 - Planta do túnel de vento do LNEC. 50 Figura 3.12- Seção transversal da câmara de ensaio do túnel de vento do LNEC. 50 Figura 3.13 - Ventiladores do túnel de vento do LNEC e respetiva numeração. 51 Figura 3.14 – Comando central do túnel de vento do LNEC: a) Ativação dos ventiladores; b) regulador de rotações.

51

Figura 3.15 - Túnel de vento do LNEC: a) zona de contração; b) zona do difusor e ventiladores.

51

Figura 3.16 - Estrutura interna de um tubo de Pitot-Prandlt. 52 Figura 3.17 - Tubo de Pitot-Prandlt estático (teto do túnel de vento). 53 Figura 3.18 - Tubo de Pitot-Prandlt volante e respetivo suporte. 53 Figura 3.19 – Micromanómetro Van-Essen, do tipo Betz. 54 Figura 3.20 – Sistema MiniCTA. 55 Figura 3.21 – Composição interna de um anemómetro de fio quente. 56 Figura 3.22 - Processo de aquisição da velocidade de um escoamento com recurso à anemometria de fio quente.

57

Figura 3.23 - Túnel de vento com circuito fechado, LNEC. 57 Figura 3.24 - Curva de calibração do anemómetro de fio quente. 59 Figura 3.25 - a) Disposição dos elementos que conduzem à formação da camada limite atmosférica com altura δ; b) Configuração dos elementos passivos triangulares (pináculos).

62

Figura 3.26 - Elementos de rugosidade passiva utilizados na modelação da presente camada limite atmosférica.

65

Figura 3.27 – Registo do sinal da cota mais baixa (0,5 cm) e a mais alta (80cm) pela anemometria de fio quente e respetivos sinais médios.

69

Figura 3.28 - Perfil de velocidades (m·s-1

) - círculos e linha azul - e intensidade de turbulência (%) – losangos e linha preta.

70

Figura 3.29 - Areia com granulometria 50. 72 Figura 3.30 - Cubos de madeira (direita) e de poliestireno extrudido antes de serem cortados (esquerda).

72

Figura 3.31 - Zona de ensaio, com localização dos cubos assinalada para a) gap = L; b) gap = L/2 (vermelho).

73

Figura 3.32 - (a) Técnica da dispersão da areia sobre a superfície do modelo; (b) com espalhamento em movimentos circulares.

73

Figura 3.33 – Camada uniforme de areia na superfície do modelo. 74 Figura 3.34 – Pormenor do anemómetro de fio quente na medição da velocidade média no corredor central à cota 5mm.

75

viii

Figura 4.1 - Caso 1 ( =0,61). 79

Figura 4.2 - Caso 1 ( =0,88). 80

Figura 4.3 - Caso 1 ( =1,00). 80

Figura 4.4 - Caso 1 ( =1,13). 81

Figura 4.5 - Caso 2 ( =0,60) efeito de canto num cubo da primeira linha (fachada barlavento).

81

Figura 4.6 - Caso 2 ( =0,70). 82

Figura 4.7 - Caso 2: a) =0,87; b) =1,00. 82

Figura 4.8 - Caso 2 ( =1,13). 83

Figura 4.9 - Caso 3: a) =0,70); b) =0,86; c) =1,00; d) =1,13. 84

Figura 4.10 - Caso 4: a) =0,70; b) =0,86; c) =1,00; d) =1,07. 85

Figura 4.11 - Caso 4 ( =0,75). 85

Figura 4.12 - Caso 4 com =1,13: a) barlavento; b) sotavento. 86

Figura 4.13 - Caso 5: a) =0,70 b) =0,88c) =1,00; d) =1,07 87

Figura 4.14 - Caso 5 (=1,00 - barlavento 88

Figura 4.15 - Caso 6: a) =0,88; b) =1,00. 89

Figura 4.16 - Caso 6 ( =1,07). 89

Figura 4.17 - Caso 7 (modelo físico). 90

Figura 4.18 - Caso 7: a) =0,61; b) =0,88; c) =0,93; d) =1,13. 90

Figura 4.19 - Modelo físico do caso 8: a) discrepância entre as alturas do edifício central (H=2L) e dos restantes edifícios da malha (H=L); b) vista na direção do escoamento.

91

Figura 4.20 - Caso 8: a) =0,60) b) =0,88; c) =1,00; d) =1,13. 92

Figura 4.21 - Caso 9: a) modelo físico; b) pormenor das palas nos edifícios da última linha.

93

Figura 4.22 - Caso 9 com =0,70: a) vista em planta; b) pormenor do efeito protetor da pala junto à base frontal dos edifícios mais altos.

93

Figura 4.23 - Caso 9 ( =0,75). 94

Figura 4.24 - Caso 9 com 0,88: a) vista em planta; b) proteção assegurada na base dos edifícios;

94

Figura 4.25 - Caso 9 com 1,00: a) vista em planta; b) realce do efeito das palas na base dos últimos edifícios.

95

Figura 4.26 - Caso 9 com 1,13: a) vista em planta; b) efeito quase nulo do elemento pala para esta velocidade.

95

Figura 4.27 - Localização (em planta) dos pontos de medição com o anemómetro de fio quente.

96

Figura 4.28 – Eixos utilizados na técnica da anemometria de fio quente.

96

Figura 4.29 - Resultado do fio quente para o eixo a y/Ytotal=0,3. 97 Figura 4.30 - Resultado do fio quente para o eixo a y/Ytotal=-0,03. 97 Figura 4.31 - Resultado do fio quente para o eixo: a) y/Ytotal= 0,10; b) y/Ytotal= 0,50; c) x/Xtotal= 0,35; d) x/Xtotal= 0,55.

98

Figura 4.32 - Resultado do fio quente para o eixo: a) x/Xtotal= 0,80; b) x/Xtotal= 1,00. 99 Figura 4.32 – Comparação das velocidades de todos os pontos analisados da malha (casos 2, 3, 4 e 5).

100

Figura 4.34 – Comparação dos resultados entre o túnel de vento e o modelo numérico CFD – velocidade vertical em m·s

-1.

103

Figura 4.35 - Modelo físico e malha do domínio. 104 Figura 4.36 – Eixo de comparação entre a técnica da anemometria de fio quente e o modelo numérico em CFD (y/Y=-0,03): a) Caso 2; b) Caso 3; c) Caso 4; d) Caso 5.

105

Figura 4.37 – Eixo de comparação entre a técnica da anemometria de fio quente e o modelo numérico em CFD (y/Y=0,3): a) Caso 2; b) Caso 3; c) Caso 4; d) Caso 5.

106

Figura 4.38 – Eixo de comparação entre a técnica da anemometria de fio quente e o modelo numérico em CFD (x/X=0,35): a) Caso 2; b) Caso 3.

106

Figura 4.39 – Eixo de comparação entre a técnica da anemometria de fio quente e o modelo numérico em CFD (x/X=1,0) para o caso 4.

107

Figura 5.1 - Posição dos modelos físicos na zona de ensaio do túnel de vento e direção do escoamento (seta).

109

Figura 5.2 – Modelo físico 3x3: a) sem o edifício central da primeira linha; b) sem o edifício central da segunda linha.

109

ix

Figura 5.3 – Modelo físico com geometria: a) circular; b) geometria com arestas múltiplas. 110 Figura 5.4 – Modelo físico com diferentes geometrias dos edifícios 110 Figura 5.5 – Edifício com base recortada. 110 Figura 5.6 – Edifícios com aberturas na base: a) Passagem na base do edifício; b) Zona aberta com colunas

111

Figura 5.7 – Diferentes variações para avaliar o efeito de canto. 111 Figura 5.8 – Edifício com fachada constituída por patamares. 112 Figura 5.9 - Edifício com face lateral resguardada. 112 Figura 5.10 – Buffer a montante. 112

x

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 2.1 - Condições padrão do ar atmosférico. 7 Tabela 2.2 - Tipos de superfície e parâmetros variáveis. 13 Tabela 2.3 – Critérios de conforto no ambiente pedestre por Penwarden e Wise. 26 Tabela 2.4 – Critérios de conforto por Davenport. 26 Tabela 2.5 - Critérios de conforto por Lawson – Velocidade média máxima anual. 27 Tabela 2.6 - Critérios de conforto por Lawson – Percentil 95 (Máxima velocidade média por semana).

27

Tabela 2.7 - Critérios de conforto por Wellington City Council District Plan Change 48. 28 Tabela 2.8 - Critérios de conforto pedestre com frequência de ocorrência anual e respetivos requisitos.

28

Tabela 2.9 - Critérios de conforto pedestre apresentados por Melbourne. 29 Tabela 2.10 - Critérios de conforto pedestre otimizados. 30 Tabela 2.11 - Tipos de fenómenos do vento e a sua descrição, por Emil Simiu et al. 37 Tabela 3.1 - Sinais elétricos adquiridos no processo de calibração do anemómetro de fio quente e respetivas velocidades, para a gama de pressões do túnel adotadas.

59

Tabela 3.2 – Métodos (pontuais e de análise de área) de avaliação dos ventos ao nível pedonal.

60

Tabela 3.3 - Dimensionamento dos elementos passivos (pináculos) em função da altura da camada limite (δ).

64

Tabela 3.4 - Dados definitivos de dimensionamento dos elementos passivos (pináculos). 64 Tabela 3.5 - Dimensionamento dos elementos passivos – cubos. 65 Tabela 3.6 - Pressão média (Pa) e velocidade média correspondente (m·s

-1) para cada

cota z (m) da camada limite atmosférica. 66

Tabela 3.7 - Definição dos valores adimensionais (cotas e velocidades) da camada limite atmosférica.

67

Tabela 3.8 - Cotas z dos pontos utilizados para a definição do perfil de turbulências da camada limite atmosférica – anemómetro fio quente.

67

Tabela 3.9 - Sinais elétricos médios (V) e velocidades médias correspondentes (m·s-1

). 68 Tabela 3.10 - Velocidades médias (m·s

-1) em cada cota z (cm) e correspondentes desvios-

padrão σi (z). 69

Tabela 3.11 – Patamares de pressão dinâmica de vento utilizados nos ensaios (Pitot-Prandlt de referência no teto do túnel).

74

Tabela 4.1 - Pressões dinâmicas no túnel de vento (com códigos das fotografias). 78

xi

SIMBOLOGIA

ρ Massa específica. [kg/m3]

p Pressão atmosférica. [Pa] T Temperatura absoluta. [K] R Constante universal dos gases perfeitos. [m

2s

-2°C

1]

𝝉 Tensão tangencial. [N·m-1

]

µ Coeficiente de viscosidade dinâmica. [-] 𝝂 Viscosidade dinâmica. [Pa·s] U (t) Velocidade instantânea. [m·s

-1]

Ū Velocidade média longitudinal. [m·s-1

] u (t) Velocidade média. [m·s

-1]

u* Velocidade de atrito. [m·s

-1]

0 Tensão de atrito exercida pelo ar na superfície do terreno. [N·m-1

]

κ Constante de Von Karman. [-] z Cota acima do solo. [m] z0 Escala de rugosidade. [m] Ūref Velocidade média de referência. [m·s

-1]

zref Cota de referência. [m] α Rugosidade aerodinâmica. [-] δ Altura gradiente. [m]

Ū𝒈𝒓 Velocidade de referência. [m·s-1

]

ŪB Velocidade média à cota de 10 metros do solo. [m·s-1

] U (u,v,w) Campo velocidade. [m·s

-1]

𝝈𝒊(𝒛) Desvio-padrão. [-]

Ūz Velocidade à cota z. [m·s-1

] 𝑰𝒊 𝒛 Intensidade turbulenta. [%]

𝑹𝒆 Número de Reynolds. [-]

D Dimensão característica do obstáculo. [mm] L Dimensão do edifício na direção do escoamento. [m] H Altura do edifício. [m] W Dimensão edifício na direção normal ao escoamento. [m] h Altura do edifício a montante. [m] V Velocidade ao nível do solo. [m·s

-1]

VH Velocidade ao nível do topo do edifício. [m·s-1

]

V0 Velocidade a 10 metros acima da superfície em terreno aberto.

[m·s-1

]

VA Velocidade na zona A. [m·s-1

] VB Velocidade na zona B. [m·s

-1]

Y Distância (na direção normal ao escoamento) entre a esquina do edifício e a linha de corrente do escoamento.

[m]

Te Temperatura. [ºC] n Condições meteorológicas. [-] a Condições ambientais exteriores. [-] L Largura em profundidade. [m] B Largura edifício. [m] Gap Afastamento. [m] 𝑷𝟎 Pressão de estagnação (total). [Pa]

𝑷𝒆 Pressão estática. [Pa]

𝑷𝒅 Pressão dinâmica. [Pa]

v Velocidade local do escoamento. [m·s-1

] 𝜳 Parâmetro Método de Irwin. [-]

β Parâmetro Método de Irwin. [-] k Dimensão aresta do cubo. [m]

xii

Cf Coeficiente superficial de atrito. [-] e Largura da base da superfície de separação do spire. [m] b Largura da base do spire. [m]

utotal Velocidade média medida na cota de referência (Pitot-Prandlt).

[m·s-1

]

𝑨𝒓𝒆𝒇𝟏 Área de referência (zona1). [m2]

Aref2 Área de referência (zona2). [m2]

ρ0 Tensão de atrito na parede. [N·m-1

] Cd Coeficiente de arrastamento das partículas. [-]

Relação entre as velocidades de atrito. [-]

𝒖𝝉𝟏 Velocidade de atrito (zona1). [m·s-1

]

𝒖𝝉𝟐 Velocidade de atrito (zona2). [m·s-1

] t Instante de tempo. [s]

xiii

ACRÓNIMOS

CLA Camada limite atmosférica.

CFD Computational Fluid Dynamics.

UTCI Universal thermal climate índex.

LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil.

PSI Unidade de pressão no sistema inglês/americano.

DTC Digital Temperature Compensation.

ESP Enhanced Survey Program.

HD Heavy Duty.

SP Pneumatic Sensor. ASTM American Society for Testing and Materials.

RNG Re-Normalisation Group.

1D Uma dimensão.

2D Duas dimensões.

PT100 Temperature probe.

k - ɛ k - energia cinética turbulenta , ɛ- taxa de dissipação turbulenta.

MiniCTA Miniature Constant Temperature Anemometer system.

NI USB National Instruments - Universal Serial Bus.

rpm Rotações por minuto.

CWE Computational Engineering of wind.

Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 Enquadramento

Ao longo dos tempos, as áreas que circundam as edificações têm sido alvo de estudo devido

às condições adversas de conforto e segurança que podem ocorrer ao nível pedestre (Wu,

1994). A ação do vento manifesta-se ao nível pedestre essencialmente de duas formas: ou

pode ser sentida como uma velocidade que afeta a taxa de troca de calor entre as pessoas e o

ambiente, ou como uma força que deriva do somatório do campo de pressões incidentes no

corpo humano (Bênia, 2010). O escoamento do vento tem múltiplos efeitos, nomeadamente, de

transferência de calor por convecção, de penetração de chuva nos edifícios, de diluição dos

poluentes, de ruído, de levantamento de poeiras, de desconforto e para condições limite de

insegurança pedestre. Os efeitos mais significativos sobre as pessoas são os mecânicos e

termodinâmicos. O presente estudo apenas foca os efeitos mecânicos, salientando-se desde já

que segundo Lopes et al (2008), o limiar do conforto térmico corresponde a velocidades do

vento cerca de 4 a 5 m·s-1

. O conforto pedonal depende de alguns parâmetros entre os quais

se destacam, para além da velocidade do vento (velocidades críticas e rajadas), o clima do

local e a estação do ano, a temperatura ambiente, a precipitação, a humidade relativa, as

tarefas que as pessoas estão a realizar na via pública, o vestuário e fatores como a idade e o

estado psicológico de cada um. A avaliação prévia do comportamento dos ventos ao nível do

solo e em torno dos edifícios, pode evitar o aparecimento de velocidades excessivas. Neste

contexto, tanto a demolição como a construção de edifícios poderão alterar as condições

ótimas de escoamento do vento. Quando se avalia o desconforto pedestre associado ao vento,

é necessário o estudo dos fenómenos que ocorrem a cotas não superiores a 2 metros e

velocidades médias obtidas entre o período de 10 minutos e 1 hora. De facto, segundo

Bottema (2000), o desconforto pedestre acontece sempre que os efeitos do vento se tornam

tão fortes e frequentes (períodos inferiores a 1 hora), que as pessoas ao sentirem estas

consequências agem de modo a evitá-las.

Existe uma variedade de bibliografia sólida acerca desta temática, da qual se destacam os

estudos conduzidos por Blocken e Carmeliet (2004). Desde os anos 60 que o conforto pedestre

tem sido alvo de análise. Foram realizados estudos experimentais que consideram o

escoamento de vento ao nível pedestre, na vizinhança de edifícios idealizados, e que tiveram

Capítulo 1 • Introdução

2

um maior enfoque nas áreas adjacentes às edificações (Wiren,1975; Stathopoulos e Storms,

1986; Uematsu et al., 1992; Jamieson et al., 1992; Stathopoulos e Wu, 1995; To e Lam, 1995).

Nesses estudos, o efeito das características do edifícios, como aglomerados de edifícios e

desfiladeiros urbanos (street canyons), foram posteriormente desenvolvidos (Stathopoulos et

al., 1992; Visser et al., 2000). Permitiu-se então uma avaliação preliminar e simplificada das

velocidades do vento em torno das edificações. Contudo, poucas investigações se centraram

nas áreas em torno de um grupo de edifícios (Stathopoulos e Wu 1995; Chan et al.,2001;

Kubota et al., 2008). Outros estudos permitiram concluir que existe uma relação entre a

velocidade do vento e o nível de conforto pedestre (Yu, 2005). No presente estudo será

realizada uma campanha experimental em túnel de vento para a avaliação das condições de

conforto pedestre em ambiente urbano para diferentes configurações de edifícios.

1.2 Objetivos e Metodologia do Trabalho

O presente trabalho tem como objetivo principal avaliar as condições adversas que os edifícios

podem induzir ao nível pedestre. Pretende-se analisar neste patamar a forma como as

configurações dos edifícios influenciam o escoamento do vento e como este pode afetar o

conforto pedestre, que por sua vez, poderá ser uma informação útil aos projetistas. Para isso,

será simulada em túnel de vento uma camada limite atmosférica (CLA) com a qual se pretende

recriar um perfil de velocidades e turbulências características de um meio urbano. Nestas

condições, irão ser testados pelo método das figuras de erosão e com o auxílio de anemómetro

de fio quente, os efeitos do escoamento ao nível do solo para diferentes agrupamentos de

edifícios organizados em uma malha 3x3 regular. As figuras de erosão mostram a área erodida

como um todo, enquanto a anemometria se serve de medições pontuais de modo a quantificar

as mudanças na velocidade do vento. As características gerais do escoamento a cotas

correspondentes ao patamar pedestre foram investigadas experimentalmente, tendo sido

testadas diferentes relações entre alturas dos edifícios e larguras dos arruamentos de modo a

identificar as localizações e disposições de edifícios mais gravosas.

Figura 1.1- Principais elementos e as suas relações no estudo dos

ventos ao nível pedonal (Wu, 1994).


3

Basicamente, estuda-se a forma como os ventos em contato com os edifícios induzem

condições adversas ao nível pedonal, como essas condições posteriormente afetam o nível de

conforto e segurança pedestre e finalmente como os projetistas podem solucionar esta

problemática de modo a contribuir para o conforto pedestre em áreas urbanas (Figura 1.1).

1.3 Estrutura e Organização do Trabalho

A dissertação encontra-se organizada em cinco capítulos. O presente Capítulo 1 apresenta a

introdução ao tema, os objetivos e a organização do trabalho.

O Capítulo 2 apresenta um estado de arte, onde se faz uma breve revisão bibliográfica da

temática do vento, das características do escoamento, dos fenómenos de interação do vento

com as edificações, bem como os efeitos que, em meio urbano, o vento poderá inferir ao nível

do conforto pedestre. São também apresentados alguns critérios de conforto pedestre que

servirão de base à análise dos resultados provenientes da campanha experimental.

No Capítulo 3 descreve-se o aparato experimental, sendo apresentados os modelos físicos

constituintes deste trabalho, bem como a caracterização do túnel de vento e dos materiais e

equipamentos utilizados. Para além disso, são enunciadas as condições de simulação da

camada limite atmosférica no túnel de vento – necessária à caracterização do meio envolvente

do ensaio -, e posteriormente, são descritas as duas principais técnicas experimentais para a

avaliação das condições de conforto pedestre de análise dos resultados (figuras de erosão e a

anemometria de fio quente).

No Capítulo 4, são apresentados os resultados experimentais referentes aos casos de estudo

anteriormente descritos, obtidos pelo método das figuras de erosão e pela anemometria de fio

quente. Complementarmente é efetuada uma comparação de alguns resultados de velocidade

obtidos experimentalmente na campanha experimental com os resultados numéricos obtidos

em CFD, no âmbito de outro estudo anterior (Moret et al., 2003).

O Capítulo 5 é reservado às conclusões principais do trabalho. Adicionalmente, são

apresentados possíveis estudos futuros de modo a complementar a informação obtida que

poderá ser útil para o estudo dos efeitos do vento em meio urbano, no conforto pedestre.

Por último, são apresentadas as Referências Bibliográficas que serviram de base ao

fundamento deste trabalho experimental e um conjunto de Anexos com informação mais

detalhada atinente às condições de ensaio.

Capítulo 1 • Introdução

4


5

CAPÍTULO 2

ESTADO DE ARTE

O vento na vizinhança do solo é o resultado do movimento de rotação da Terra, da circulação

das massas de ar e das diferenças de pressão oriundas das transformações termodinâmicas

(diferenças de temperaturas ao nível global ou distúrbios localizados) (Stull, 1988). A maioria

das edificações localiza-se em altura nas camadas inferiores (até 300 metros), onde o vento é

mobilizado por um balanço de pressões, pelas forças de Coriólis, pelas forças de impulsão

térmicas (gradiente vertical da temperatura) e pelas forças de viscosidade interna (Figura 2.1).

A velocidade do vento à superfície da Terra tem valores próximos de zero e aumenta com a

distância ao solo. Em função da rugosidade superficial é desenvolvida uma camada limite

atmosférica (CLA) com determinadas características turbulentas. A construção de um edifício

altera inevitavelmente o escoamento na sua vizinhança. Particularmente junto aos edifícios

altos são geradas velocidades elevadas ao nível pedestre, que se tornam desconfortáveis ou

mesmo perigosas. Assim, o projeto de um edifício não pode focar-se apenas na sua estrutura

nem na garantia de boas condições de habitabilidade mas também deverá incluir a descrição

dos efeitos aerodinâmicos da sua arquitetura no ambiente pedestre adjacente (Blocken e

Carmeliet, 2004).

Figura 2.1- Circulação do ar no planeta com base na distribuição da pressão e

da temperatura (esquerda) e efeito de Coriólis (direita) (Cóstola, 2006).

Capítulo 2 • Estado de arte

6

Nas últimas décadas, tem vindo a aumentar a preocupação com os ventos fortes e as suas

consequências para as pessoas. A criação de áreas protegidas com o intuito de diminuir as

velocidades do vento em torno dos edifícios acarreta, por sua vez, os deficientes níveis de

ventilação. Neste contexto, os estudos em túnel de vento são essenciais para a investigação

dos efeitos quer da largura, quer da altura ou do espaçamento entre edifícios no conforto e

segurança pedestres. Ao passo que as velocidades baixas do vento, as designadas brisas, são

bem-vindas ao ambiente pedestre, o vento forte é de evitar. Neste contexto, é importante

sublinhar que por vezes estas brisas térmicas poderão, como foi dito, proporcionar um

refrescamento do ambiente ao nível pedestre, mas por outro lado poderão contribuir

negativamente para a qualidade do ar (provocando picos de ozono). Noutra perspetiva, a

presença de edifícios elevados numa malha de edifícios relativamente mais baixos altera os

ventos e cria condições indesejáveis em torno das edificações altas. O escoamento do vento

que atinge a fachada do edifício alto sofre um desvio na direção do chão, ocasionando a

formação de velocidades de escoamento elevadas tanto na base da fachada frontal do edifício

como em redor dos seus cantos, sofrendo posteriormente uma redução da velocidade ao longo

do arruamento adjacente. Cria-se assim um desconforto pedestre para os peões que circulam

na via pública (Ahuja et al., 2006).

Não sendo possível definir um nível de conforto baseado apenas em determinadas variáveis

físicas como a temperatura ou a humidade, surgiu a necessidade de combinar parâmetros

mensuráveis pelos ocupantes da via pública (associando o conceito de conforto pedestre com

o de sensação de frio ou de calor). Assim, torna-se mais evidente e rigorosa a escala de

avaliação do conforto pedestre em ambiente urbano, quando se tem em conta a duração de

uma rajada, a velocidade média do vento e a frequência com que esta ocorre num determinado

local.

Neste capítulo será caracterizado o vento atmosférico, a ação do vento sobre os edifícios e o

conforto pedestre, apresentando-se também alguns critérios de avaliação do nível do conforto

pedestre.

2.1 Caracterização do Vento Atmosférico

2.1.1 Propriedades físicas do ar

O ar é caracterizado por três parâmetros termodinâmicos: a massa específica (ρ); a pressão

(p); e a temperatura absoluta (T). Estas grandezas relacionam-se pela lei geral dos gases

perfeitos:

𝑃 = 𝑅 𝜌 𝑇 (2.1)

sendo R a constante universal dos gases perfeitos (R = 286.7 m2s

-2 °C

-1). Na Tabela 2.1 estão

patentes as condições padrão de algumas das variáveis físicas do ar (Davenport et al., 1987).


7

Como o ar se comporta como um fluido Newtoniano, na medida em que a sua tensão

tangencial (𝜏) que afeta o deslocamento relativo entre estratos sobrepostos, é proporcional à

variação da velocidade na direção normal a esta, de acordo com a lei da viscosidade de

Newton:

𝜏 𝑡 = µ𝑑𝑈(𝑡)

𝑑𝑛 (2.2)

sendo a constante de proporcionalidade, µ, o coeficiente de viscosidade dinâmica. Da razão

deste parâmetro com a massa específica (ρ), resulta o coeficiente de viscosidade cinemática

(𝜈):

𝜈 =µ

𝜌 (2.3)

De referir que tanto os coeficientes de viscosidade dinâmica e cinemática, como a massa

específica do ar, são dependentes da temperatura.

Temperatura (T) T0 = 0 oC = 273 K

Massa específica (𝝆) ρ0 = 1.293 Kg m-3

Pressão (P) p0 = 101.3 kPa = 1 atm

2.2 A Velocidade Média do Vento e a Camada Limite

Atmosférica (CLA)

A velocidade média do vento aumenta com a distância ao solo até determinada cota, a partir da

qual estabiliza. O que explica este facto é o atrito provocado pelos obstáculos que compõem a

superfície de contacto, provocando deste modo, um atrito de maior ou menor escala no livre

escoamento do ar e condicionando a velocidade e direção do vento ao nível do solo. Assim, a

uma altura suficientemente grande, o vento já não é perturbado e assume velocidade uniforme.

Fica assim definido um gradiente de velocidade constituindo a denominada camada limite

atmosférica (CLA), definida como a zona da atmosfera (troposfera), com uma altura δ

(espessura da camada atmosférica limite), compreendida entre os 300 a 600 metros –

dependendo da rugosidade do solo, a partir da qual o efeito da perturbação aerodinâmica do

solo se torna desprezável (Figura 2.2) (Lopes, 2005). A este nível, a velocidade torna-se

uniforme e o escoamento é considerado livre (Ahuja et al., 2006).

A altura da CLA (ou altura gradiente) e o gradiente vertical da velocidade do vento, são função

do grau de perturbação sentido na superfície pela qual o ar flui. Nesta espessura, as

características do vento estão dependentes, maioritariamente, da topografia do local, das

dimensões, geometria e configuração espacial dos obstáculos quer naturais, quer artificiais, e

Tabela 2.1 - Condições padrão do ar atmosférico

(Davenport et al., 1987).


8

também da variação de temperatura na direção vertical. Por conseguinte, para rugosidades

superficiais elevadas resultam uma maior agitação mecânica do escoamento (maior

turbulência) e maiores trocas de quantidade de movimento e, consequentemente, maior será a

altura da camada limite atmosférica (Sparling, 1997).

Os dois principais efeitos da existência da camada limite atmosférica turbulenta, são a variação

da velocidade média do vento em função da altitude ao solo e a formação de rajadas de vento

ao longo do escoamento (Figura 2.2) (Treain, 2005).

As rajadas de vento ocorrem com frequências e intensidades variáveis, tanto no tempo como

no espaço, e impõem uma variação aleatória na intensidade e direção do vento. Realça-se

ainda que normalmente as rajadas mais fortes são as de mais curta duração e que atuam

numa região diminuta, que sofre uma junção de vórtices de diversas direções e magnitudes

(Treain, 2005)

Na Figura 2.3 apresenta-se o registo da velocidade do vento ao longo de um determinado

período.

Pela Figura 2.3, conclui-se que a velocidade do vento varia ao longo do tempo, com um

carácter aleatório e desconhecido. Esta variação está ainda restrita a determinados limites

(inferior e superior) e classifica-se como um fenómeno estocástico.

Figura 2.2- Perfil de velocidades na camada limite atmosférica e

vórtices (Ahuja et al., 2006).

Figura 2.3 - Velocidade do vento ao longo do tempo (Ahuja et al., 2006).


9

No estudo de ações provocadas pelo vento, é conveniente decompor a velocidade instantânea

U (t) na soma da velocidade média longitudinal Ū, com uma flutuação em torno da velocidade

média u (t) que deriva dos fenómenos de turbulência ao longo do tempo (eq. 2.4)(Figura 2.2).

Esta parcela flutuante pode corresponder a uma percentagem superior a 40% da componente

U (t) (Hunt, 1971).

𝑈 𝑡 = Ū + 𝑢(𝑡) (2.4)

Estudos mostram que a componente da flutuação da velocidade do vento registada em

momentos sucessivos e de durações idênticas (entre dez minutos e cerca de uma hora), não

apresentam variâncias significativas, fazendo este processo assumir um carácter para além de

estocástico, estacionário e ergódico. Esta última característica está relacionada com o facto de

todas as propriedades estatísticas permanecerem semelhantes em cada realização e deste

modo uma experiência poder representar um processo conjunto (Gomes et al., 2003).

Ao fazer um estudo do escoamento do vento é indispensável conhecer a variação das rajadas

no contexto espacial e temporal. Não sendo um acontecimento determinístico, a hipótese mais

viável é o recurso à teoria das probabilidades e às médias estatísticas. As flutuações da

velocidade são aleatórias, na medida em que esta poderá ser caracterizada por uma infindável

sequência de registos. Neste caso, invocando a lei dos grandes números, se o número de

registos for suficientemente grande, os valores adquiridos poder-se-iam aproximar

estatisticamente da probabilidade teórica de se realizarem. Por conseguinte, o estudo

estatístico do vento é um processo aleatório e ergódico, pois qualquer dado estatístico (média,

desvio padrão, ou outros parâmetros estatísticos de localização ou dispersão) referente a um

conjunto de registos é semelhante ao correspondente calculado ao longo do tempo, em

qualquer registo adquirido no mesmo procedimento (Blessman, 1986).

2.2.1. Perfil de velocidade do vento

2.2.1.1 Perfil de velocidades do tipo logarítmico

Segundo Hinze (1959), a variação da velocidade em função da altura é usualmente

caracterizada pela lei logarítmica. Esta resulta da aplicação da segunda lei de Newton

(adimensionalizada) ao movimento de uma massa de ar em contacto direto com a superfície,

de escoamento médio unidirecional, tendo em consideração a variação do campo de

velocidades, nas suas componentes vertical e horizontal, e um escoamento do tipo turbulento -

válido até cerca de 15% da altura da camada limite atmosférica. Nos primeiros 150 metros da

atmosfera, a variação da velocidade média em função da altura é descrita pela lei logarítmica

que, em termos adimensionais, apenas apresenta a rugosidade da superfície como a única

incógnita na descrição do problema (Gandemer, 1975).


10

A lei logarítmica é expressa pela seguinte expressão:

Ū 𝑧 =𝑢∗

𝜅 ln

𝑧

𝑧0 (2.5)

em que z e z0 são, respetivamente, a cota acima do solo e a escala de rugosidade

caracterizada pelo tipo de terreno (Tabela 2.2).

A lei do tipo logarítmico considera que a velocidade média do vento é dependente de fatores

como, a velocidade de atrito u*, definida como:

𝑢∗ = 𝜏0

𝜌 (2.6)

onde 0 corresponde à tensão de atrito exercida pelo ar na superfície do terreno e ρ à massa

específica do fluido, ar. A salientar o parâmetro κ, denominado por constante de Von Karman

que assume o valor aproximado de 0,4.

Como exemplo da velocidade de atrito u*, considera-se um cubo de pequenas dimensões em

contacto com a atmosfera, submetido a um escoamento turbulento. Nestas condições, irão

formar-se vórtices que interagem com cada uma das faces do cubo de uma forma diferente

para cada uma delas, como se estivesse a atuar uma tensão deformadora no cubo. O efeito

resultante da combinação de uma rajada de ar com um vórtice vertical na face superior do cubo

é visível na Figura 2.4. Este efeito é equivalente ao de uma força/área (tensão) e denomina-se

por tensão de Reynolds. Esta tensão, ao nível da superfície atmosférica, é da ordem dos 0,05

Pa. Contudo, a magnitude da tensão de Reynolds, junto ao solo, traduz algumas das

características do perfil de velocidades de um determinado escoamento, sendo definida numa

escala de velocidade à qual se denomina de velocidade de atrito u*. Os valores mais comuns

desta velocidade são da ordem dos 0,005 m·s-1

a 0,3 m·s-1

(Mascaró, 1991).

Figura 2.4 – Tensão de Reynolds, exemplo

(Mascaró, 1991).


11

2.2.1.2 Perfil de velocidades do tipo potência

Outra lei utilizada na descrição do perfil junto à superfície da camada limite atmosférica é do

tipo potência. Foi primeiramente utilizada para descrever a variação de velocidades médias em

terrenos de superfície homogénea.

Ū(𝑧) = Ū𝑟𝑒𝑓 𝑧

𝑧𝑟𝑒𝑓 𝛼

(2.7)

sendo Ūref a velocidade média medida à cota de referência zref e α o expoente que contabiliza o

tipo de terreno (rugosidade aerodinâmica). A Figura 2.5 ilustra a evolução da CLA para três

rugosidades características (urbano, suburbano e mar) numa atmosfera em equilíbrio neutro. É

feita também uma referência à velocidade gradiente para os diferentes perfis de camada limite

(Figuras 2.5).

A transferência de quantidade de movimento na camada limite atmosférica, dá-se

principalmente pelas tensões aparentes de Reynolds. Com efeito, são definidas duas zonas na

CLA:

- a camada superficial (atmospheric surface layer) na qual as tensões são aproximadamente

uniformes e, consequentemente, são constantes as taxas de transferência de quantidade de

movimento (massa e calor);

- a camada de Ekman (outer layer) (Moacyr, 2006).

Outra forma de exprimir esta lei, é fazer corresponder à velocidade e cota de referência, a

velocidade e altura gradiente no topo da camada limite atmosférica:

Ū(𝑧) = Ū𝑔𝑟 𝑧

𝛿 𝛼

(2.8)

Poder correlacionar-se o expoente α do perfil exponencial, com o parâmetro de escala da

rugosidade z0 do perfil logarítmico a uma determinada cota, assumindo o parâmetro z*, a cota

Figura 2.5 - Perfil tipo potência para diversas escalas de rugosidade

(Davenport et al., 1980).


12

onde a intensidade, assim como a derivada em ordem à cota z, do perfil exponencial e

logarítmico são idênticas, isto é:

Ū(𝑧 = 𝑧∗)𝐿𝑜𝑔 = Ū(𝑧 = 𝑧∗)𝑃𝑜𝑡 (2.9)

𝑑Ū

𝑑𝑧(𝑧 = 𝑧∗)𝐿𝑜𝑔 =

𝑑Ū

𝑑𝑧(𝑧 = 𝑧∗)𝑃𝑜𝑡 (2.10)

em que,

Ū(𝑧 = 𝑧∗)𝐿𝑜𝑔 =𝑢∗

𝑘ln

𝑧∗

𝑧0 = Ū10 ×

ln 𝑧∗

𝑧0

ln 10

𝑧0 (2.11)

𝑑Ū

𝑑𝑧(𝑧 = 𝑧∗)𝑃𝑜𝑡 = Ū𝑟𝑒𝑓

𝑧∗

𝑧𝑟𝑒𝑓 𝛼

= Ū10 𝑧∗

10 𝛼

(2.12)

e,

𝑑Ū

𝑑𝑧(𝑧 = 𝑧∗)𝐿𝑜𝑔 =

Ū10

𝑧∗ ln 10

𝑧0 (2.13)

𝑑Ū

𝑑𝑧(𝑧 = 𝑧∗)𝑃𝑜𝑡 =

Ū10

10𝛼

𝑧∗

10 𝛼−1

(2.14)

Deste modo, das igualdades 2.9 e 2.10, resulta, respetivamente:

ln

𝑧∗

𝑧0

ln 10

𝑧0 =

𝑧∗

10 𝛼

(2.15)

10

𝑧∗ ln 10

𝑧0

= 𝛼 𝑧∗

10 𝛼−1

(2.16)

E substituindo em 2.15 e 2.16, origina a seguinte expressão:

𝛼 =1

ln 𝑧∗

𝑧0 (2.17)

Neste contexto, Davenport et al., (1980) sugeriram os seguintes valores para a altura gradiente

(δ), do expoente (α), do coeficiente superficial de atrito (κ) e da escala de rugosidade (z0), nos

diferentes tipos de solo (Tabela 2.2). Salienta-se que o expoente do perfil (α) em zona urbana é

aproximadamente duplo do mesmo parâmetro referente à zona rural, demonstrando assim a

influência da rugosidade para a definição da camada limite atmosférica.

Porém, apesar do carácter pouco complexo que é atribuído ao modelo exponencial, algumas

limitações são referenciadas em analogia a um modelo logarítmico, entre as quais:

- inexistência, como alicerce, de uma demonstração teórica fundamentada;


13

- ajustamento mais real na zona exterior à camada limite atmosférica e pouco rigoroso

na zona junto ao solo;

- menor tendência, para a assimptota da velocidade gradiente, no seu limite.

Tipo de superficie

Altura gradiente

δ (m)

Expoente do perfil α

Coeficiente superficial de

atrito κ

Escala de rugosidade

z0 (mm)

Oceano 250 0,12 0,001 5 a 10

Zona rural com vegetação rasteira

300 0,16 0,005 10 a 100

Zona suburbana floresta

400 0,28 0,015 300 a 1000

Zona com edifícios de

grande porte 500 0,40 0,050 1000 a 5000

A segunda limitação assume o carácter mais relevante, pois a lei exponencial ajusta-se melhor

na zona superior da CLA do que na zona da superfície junto às edificações, como mostra a

Figura 2.6 (para h <8,0 m, altura aproximada de uma moradia). No que diz respeito às outras

duas limitações, a primeira está relacionada com o facto do perfil potência apresentar

incrementos de velocidade em altura menos significativos, afastando-se deste modo mais da

velocidade gradiente. Quanto à primeira, há a referir que embora esta lei se fundamente na lei

de parede de um escoamento turbulento bidimensional sobre uma placa plana, esta também

não se ajusta perfeitamente em toda a extensão da camada limite atmosférica.

Na Figura 2.7 apresenta-se a variação da velocidade média em altura, tendo como base o perfil

do tipo potência para dois tipos de terreno, um ambiente rural de campo aberto (α=0,16) e uma

zona urbana edificada (α=0,24). A velocidade ŪB representa a velocidade média à cota de 10

Tabela 2.2 - Tipos de superfície e parâmetros variáveis (Davenport et al., 1980).

Figura 2.6 – Comparação entre a lei logarítmica e a lei potência

(Blocken e Carmeliet (2004)).


14

metros do solo em superfície rural e as escalas tanto das ordenadas como das abcissas são do

tipo logarítmico de forma a tornar reto o perfil de velocidades.

Em analogia ao perfil do tipo potência, o modelo logarítmico apesar de ter um comportamento

assimptótico mais perto do gradiente de velocidade real, é mais fiável na zona inferior do perfil

da camada limite atmosférica, zona onde estão situadas as estruturas que interessam à

engenharia civil, sendo mais conservativa na zona exterior do perfil (apesar de não se ajustar

tão bem) (Lopes, 2008).

2.2.2 A turbulência atmosférica

A velocidade e a direção do vento são duas variáveis que não têm um comportamento

constante ao longo do tempo devido à turbulência que afeta o fluxo do ar. Em cada instante t,

poderá ser definido um campo de velocidades U (u,v,w) para o escoamento. Nota-se que a

velocidade do vento muda constantemente devido às forças que originam o vento ao longo do

dia, do mês e do ano. A oscilação da velocidade do vento em torno de uma média definida é

denominada por turbulência e é uma propriedade do escoamento e não do fluido. Este conceito

pode ser entendido como um conjunto de vórtices de diferentes dimensões que constituem o

escoamento e a passagem destes vórtices por um determinado ponto provoca variações na

velocidade (Cóstola, 2006).

Os vórtices de maior dimensão, geralmente do tamanho da camada limite atmosférica, detêm a

maior parte da energia e são a origem dos picos de velocidade registados num determinado

ponto, em geral com uma cadência mais baixa, ao contrário dos pequenos vórtices, que com

maior frequência provocam pequenas variações na velocidade. A energia cinética turbulenta

tem um comportamento dissipativo e deixa de existir se o mecanismo que a proporciona for

Figura 2.7 - Perfil de velocidade média do tipo potência

em rugosidades diferentes (representação log-log)

(Cook, 1985).


15

interrompido. A turbulência atmosférica tem na sua essência, duas origens, uma térmica e uma

mecânica (provocada pelas tensões tangenciais entre as camadas com diferentes velocidades

e pelo contato com o solo. Nesta vertente, a turbulência é homogénea quando os vórtices

estão distribuídos igualmente no espaço e é isotrópica quando nas três direções espaciais têm

as mesmas características. Nota-se ainda que a maior turbulência se dá ao nível do solo (zona

onde os fenómenos térmicos e mecânicos são mais intensos).

Referiu-se na eq. 2.4, que a velocidade instantânea do escoamento do vento é decomposta em

duas parcelas, a velocidade média Ū(t) e a flutuação da velocidade u (t), pois esta varia

aleatoriamente com o tempo. Estas flutuações da velocidade em relação ao seu valor médio

estão intimamente relacionadas com a turbulência do escoamento do vento, pois são

dependentes da criação, movimentação e abolição de vórtices que tendo como base

simplificativa a hipótese de Taylor, caminham à velocidade média do escoamento e na sua

direção de propagação (Lopes, 2008). Esta hipótese defende que num ambiente

horizontalmente homogéneo e em condições estacionárias se pode considerar que a

turbulência permanece com características constantes, sendo apenas transportada pelo

escoamento médio do vento – “turbulência congelada” - (Figura 2.8). Deste modo, simplifica-se

a hipótese de ocorrência de diferentes fenómenos turbulentos em cada ponto atingido pelo

escoamento, visto, que para tal, seria necessário medir a velocidade em todos os pontos do

escoamento, algo que só seria possível em laboratório, recorrendo a técnicas como a

velocimetria por imagem.

A determinação da intensidade de turbulência é de extrema importância na contabilização de

ações (forças e pressões dinâmicas) nas estruturas edificadas (considerados estáticas) como

também em estruturas flexíveis (com fenómenos de ressonância) devido ao comportamento

aerodinâmico do vento.

A turbulência atmosférica é caracterizada pela sua intensidade definida pela seguinte

expressão:

𝐼𝑖 𝑧 =𝜎𝑖(𝑧)

Ū𝑧 (𝑖 = 𝑢, 𝑣, 𝑤) (2.18)

Figura 2.8 – Hipótese de Taylor: a) vórtice de 100 m de diâmetro que passa num

determinado ponto, com uma diferença de 5oC entre as extremidades; b) o mesmo vórtice

passa no sensor, com velocidade de 10 m·s-1

, 10 segundos depois (Cóstola, 2006).

b) a)


16

sendo 𝜎𝑖(𝑧) o desvio-padrão das flutuações das três componentes espaciais do vento u

(longitudinal), v (lateral) e w (vertical) a uma determinada velocidade média Ūz e a uma cota z

da superfície de referência (solo) (Gomes et al., 2003).

Na base de estudos realizados por Harris (1982), sobre terreno natural em campo aberto, pode

salientar-se que a medida estatística de dispersão (desvio-padrão) é aproximadamente

constante até à cota de 180 metros, dependendo o seu valor do tipo de terreno em questão.

A intensidade de turbulência é tipicamente expressa em percentagem, reproduz assim o grau

de importância das flutuações de intensidade padrão em relação à média da velocidade do

vento. Desta forma, pode salientar-se que uma vez constante o escoamento do vento em

superfície ou terreno homogéneo, nas direções lateral (ou transversal) e vertical, a velocidade

média resultante nessas direções deverá aproximar-se de zero. Assim, neste trabalho apenas

se considera a componente dominante da velocidade, a longitudinal (Lopes, 2008).

Estudos realizados em meio urbano demonstram que as edificações densamente agrupadas

afetam as características do escoamento apenas na zona inferior da camada limite

atmosférica. A variação em altura das velocidades médias e das intensidades de turbulência é

afetada pela configuração dos obstáculos superficiais, pelas formas geométricas, pela distância

entre os obstáculos, pela direção do escoamento médio e densidade superficial (De Bortoli,

2005).

Analisando os efeitos do escoamento do vento em uma série de obstáculos com arruamentos

ou separação e alturas variáveis, Theurer et al., (1992), chegaram à conclusão que quando a

rugosidade é densa e tem uma altura uniforme, cria-se um escoamento à cota dos obstáculos,

com velocidades médias elevada e face a rugosidades superficiais de altura não uniforme,

observou-se um decréscimo da velocidade média.

2.3 Ação do vento em edifícios

As razões pelas quais as velocidades e direções do vento são de difícil quantificação, estão

relacionadas com a imprevisibilidade do escoamento quando se depara com os obstáculos.

Existem algumas considerações que justificam a relevância do estudo do conforto pedestre em

meio urbano. Entre as quais se salientam:

- os ensaios experimentais facultarem estimativas das características do escoamento do vento

em cotas até 2 metros (ou em passagens superiores de peões) e os seus efeitos no ambiente

pedestre;

- os sistemas de ventilação ou de aquecimento envolverem fluxos de ar – inlet ou outlet – que

em contato com os ventos externos, poderão criar problemas locais de velocidades e, por

conseguinte, afetar o funcionamento desses equipamentos;


17

- o ruído criado pelas rajadas do vento em torno das arestas do edifício, como por exemplo o

ruído do vento que acelera nos cantos de uma biblioteca, provocar desconforto acústico no seu

interior, que poderá ser evitado com uma análise cuidada do vento local (Hunt, 1971).

De seguida, irão ser tratados os fenómenos aerodinâmicos do vento e a sua interação com as

estruturas. Abordam-se algumas das características mais relevantes do escoamento de fluidos

em torno de obstáculos imersos como também dos parâmetros dos quais estão dependentes.

2.3.1 Escoamento do vento em torno de obstáculos imersos

Todo o escoamento é influenciado pela presença de um corpo sólido. Para além das

características do escoamento referidas nos capítulos anteriores, como a velocidade média e a

intensidade de turbulência, a ação do vento em obstáculos imersos e dentro da camada limite

atmosférica apresenta dependência também das características do obstáculo com o qual se

depara. Em particular são importantes a sua geometria, as arestas vivas, a dimensão do

obstáculo relativamente a outros obstáculos, o espaçamento entre obstáculos, entre outros

aspetos que irão ser estudados (Gomes et al., 2003).

Quando o escoamento é entendido apenas na direção horizontal, o movimento de uma massa

de ar é preferencialmente caracterizado entre o balanço de forças de índole difusiva e de

inércia. Neste contexto, tanto se dá ênfase à aderência provocada pela massa de ar em

contacto com a superfície (a qual proporciona a formação da CLA), como também ao facto do

ar ser entendido como um fluido com massa que é capaz de comportar uma quantidade de

movimento entre diversos pontos do escoamento, dotada de uma determinada inércia de

movimento.

É neste contexto que surge o número de Reynolds (Re), adimensional, ao relacionar forças de

natureza viscosa com forças de inércia.

𝑅𝑒 = 𝜌Ū

2𝐷2

µŪ𝐷=

𝜌Ū𝐷

µ=

Ū𝐷

𝜈 (2.19)

na qual D é uma dimensão característica do obstáculo ou corpo imerso, Ū a velocidade média

do escoamento e 𝜈 o coeficiente de viscosidade cinemática do ar.

O número de Reynolds é uma grandeza adimensional e é utilizado na caracterização do tipo de

escoamento e dos fenómenos subsequentes. Na Figura 2.9, ilustra-se o comportamento do

escoamento face a diferentes números de Reynolds, no caso de um escoamento bidimensional

de um fluido que encontra uma placa de grande comprimento colocada na direção

perpendicular à do escoamento.


18

Analisando a Figura 2.9, pode concluir-se que, para valores baixos do número de Reynolds

(≈0,3), as forças de natureza viscosa impõem-se às forças de inércia do escoamento, que se

comporta de forma suave contornando as faces de barlavento e sotavento. A separação do

escoamento começa a ser observada com o aumento da velocidade que implica um

incremento do número de Reynolds. Nestas situações começam a formar-se vórtices simétricos

no tardoz da placa sendo cada vez mais cíclicos e mais próximos de cada aresta. Para

números de Reynolds superiores a 1000, as forças de inércia predominam perante os

fenómenos de viscosidade, originando assim na zona da esteira da placa uma região com um

escoamento puramente turbulento.

2.3.2 A separação do escoamento

Sempre que as linhas do escoamento perdem o contacto com o corpo ocorre o fenómeno da

separação, e a local correspondente é designado por ponto de separação. A sua localização

está dependente da geometria do corpo e também da existência de variações repentinas na

forma do corpo, como é o caso das arestas. A Figura 2.10 representa o escoamento em torno

de um corpo com geometria cilíndrica ou esférica.

Figura 2.9 - Linhas de corrente do escoamento em torno

de uma placa infinita para diferentes números de Reynolds

(a letra A indica o ponto de estagnação) (Simiu, 1996).

Figura 2.10 - Separação do escoamento em torno de um corpo de forma

esférica: a) fluido perfeito (sem viscosidade); b) fluido real (Potter e Wiggert,

1991)

a) b) a) b)


19

Na Figura 2.10 a) e b), representa-se o fenómeno de separação do escoamento

respetivamente num fluido perfeito (onde a viscosidade cinemática é nula) e num fluido real. No

caso de o fluido ser perfeito (Figura 2.10 a)), não se desenvolvem ao longo das paredes do

corpo tensões tangenciais que se opõem ao movimento, logo, a energia de pressão no ponto

de separação em A é transferida para o ponto B na forma de energia cinética e

consequentemente transformada em energia de pressão no ponto C (sem haver perda de

energia no processo), pois não existe atrito cinemático. Nos fluidos reais (Figura 2.10 b)),

existem tensões tangenciais entre o fluido e as paredes do corpo provocadas pelo gradiente de

velocidade e originando uma camada limite. Neste caso, a transformação de energia de A para

B é feita quase na sua totalidade, enquanto de B para C, a perda de carga nesse trajeto tem

como consequência o anulamento da velocidade antes de atingir o ponto C. A zona a jusante

deste ponto torna-se turbulenta e a separação do escoamento deve-se ao consumo da energia

ao longo do percurso de contacto com a camada limite.

Em linhas gerais, pode concluir-se que sempre que ocorra uma desaceleração do escoamento,

provocada por um gradiente de pressão positivo 𝑑𝑝

𝑑𝑥> 0 , e este seja suficiente para inverter o

sentido do escoamento junto às paredes do corpo (na camada limite), ocorre o fenómeno da

separação. O gradiente de pressão positivo (adverso) poderá observar-se em diversas

situações, exemplos dos quais a passagem do escoamento por arestas vivas, pela mudança

de direção das linhas de corrente ou até pelo efeito da viscosidade da superfície do corpo ao

provocar uma ligeira diminuição da velocidade do escoamento (Figuras 2.11) (Gomes et al.,

2003). Na Figura 2.12 apresenta-se um perfil longitudinal do escoamento em aresta viva na

qual se salientam os pontos de separação e os pontos de recolamento, onde existe o

“descolamento” das linhas de corrente e o posterior contato com a superfície, respetivamente.

Em suma, o fenómeno da separação e subsequente formação de vórtices está inteiramente

ligado a seis parâmetros: a geometria do corpo, o gradiente de pressão, o número de

Reynolds, a rugosidade da superfície, a intensidade de turbulência e a temperatura da

superfície de contacto entre o fluido e o corpo. Assim, no caso das edificações com formas

retangulares e como corpos com arestas vivas que são, os pontos de separação são

observados nas próprias arestas da face de barlavento e no sotavento ocorre a formação de

vórtices.

Figura 2.11 - Separação do escoamento numa placa (Potter e

Wiggert, 1991).


20

2.3.3 Interação do vento/edifício e escoamento tridimensional

O escoamento do vento em torno das edificações é complexo e depende de vários parâmetros,

tais como, a geometria dos edifícios (e orientação face ao escoamento), a presença ou não de

edifícios adjacentes ou as características do vento atmosférico (perfil de velocidade). Neste

âmbito, surge a necessidade de um estudo alargado à tridimensionalidade espacial do

escoamento que muitas vezes por via de estudos numéricos ou campanhas experimentais em

túnel de vento, de modo a conhecer melhor as propriedades do escoamento, nomeadamente

no que respeita a pressões e velocidades (Gomes et al., 2003)

A título exemplificativo, apresenta-se um caso relativamente simples de uma edificação

retangular e isolada submetida a um escoamento normal à sua fachada. Realça-se que neste

caso, são verificadas pressões positivas na superfície frontal do edifício, enquanto nas

superfícies laterais, tardoz e topo são observadas sucções, isto é, pressões negativas, em

consequência, como mencionado no capítulo anterior, do fenómeno da separação do

escoamento nas arestas, Figura 2.13. É de salientar que o perfil de velocidades incidente é em

camada limite, logo, variável em altura.

Tomando como base todos os conceitos atrás descritos, pode discutir-se a respeito da Figura

2.13 b), a variável L (dimensão do edifício) na direção do escoamento, concluindo-se que, em

edifícios de comprimento suficientemente grande, o escoamento sofre separação na fachada

Figura 2.12 - Separação e recolamento do escoamento em aresta

viva (Potter e Wiggert, 1991).

Figura 2.13 - Escoamento com vento incidente em CLA em torno de: a)

edifício curto; b) edifício longo; c) edifício com ângulo incidência de 45

graus (ASRHAE, 1993).

a) b) c)


21

frontal, e na face lateral não existe energia suficiente para percorrer a superfície até ao final,

ocorrendo um recolamento (Figura 2.14). Por fim, refere-se que o ângulo de incidência de 45º

(Figura 2.13 c)) proporciona a formação de dois vórtices no topo do edifício, que impõem

elevadas pressões negativas nesta zona da cobertura, sobretudo nas que apresentam reduzida

inclinação. Este fenómeno é denominado por delta-wing vortex.

Nesta dissertação apenas vão ser analisados edifícios com geometria retangular, mas é

importante notar que outro tipo de geometrias, como em L ou em U, requer uma análise mais

aprofundada, pois nessas situações a distribuição de pressões e velocidades não é de tão fácil

previsibilidade. Casos mais delicados são resolvidos com o auxílio de modelos numéricos ou

também em ensaios de túnel de vento (Gomes et al., 2003).

As características intrínsecas ao perfil de velocidades incidentes também poderão modificar a

forma como o escoamento do vento se dá em torno de um edifício. Neste ponto de vista, há

que distinguir a incidência de um perfil de velocidades médias constante e um perfil de

velocidades de camada limite. No primeiro caso, Figura 2.15 a), conclui-se que apenas existem

dois tipos de linha de escoamento, ou ascendente pelo topo do edifício, ou lateral. Verifica-se

uma redução da pressão nas arestas verticais e horizontais, resultante da separação do

escoamento, já descrito. No segundo caso, Figura 2.15 b), o escoamento incidente em camada

limite, que simula de uma forma mais real a ação do vento atmosférico, e este o gradiente

vertical da velocidade desloca o ponto de estagnação para cerca de 70% da altura e dá origem

a um vórtice junto ao solo, que induz um escoamento descendente junto à fachada. Este

vórtice subdivide-se em dois escoamentos laterais nas arestas verticais, que rodeiam o edifício

com velocidades elevadas, figura 2.15 a). Este escoamento em forma de U, é um dos

principais responsáveis pelo desconforto pedestre em torno do edifício proporcionando também

o movimento de poeiras. As fachadas laterais, pelo escoamento que contorna as arestas

verticais, encontram-se com pressões negativas. De salientar ainda, a existência de um ponto

de estagnação a cerca de dois terços a três quartos da altura do edifício (Figura 2.15 b))

resultando em termos de dimensionamento a um aumento do momento fletor ao nível da base

Figura 2.14 – Linhas de corrente em torno de um obstáculo

(Peterka et al., 1985)


22

do edifício relativamente à situação de perfil uniforme da Figura 2.15 a) com ponto de

estagnação a cerca de metade da altura do edifício. Para escoamentos em CLA e para cotas

superiores a este ponto, o escoamento contorna a cobertura do edifício, e para cotas inferiores

toma a direção do solo.

Como se pode observar, para o perfil com camada limite (Figura 2.15 b)), o gradiente de

velocidade em altura confere uma maior probabilidade de formação de vórtices na aresta de

cobertura em contacto com a fachada frontal. Realça-se ainda que o escoamento com

movimento ascendente, por comportar uma energia cinética mais baixa relativamente às

camadas superiores, tende a aproximar a sua linha de corrente de separação do topo do

edifício, dando origem a um fenómeno de recolamento e consequentemente diminuição de

pressão nessa área.

Todavia, as diferenças no perfil de velocidades, quer em escoamento uniforme, quer em

camada limite, apenas irá resultar em alterações significativas na sua parte inferior e na base

do edifício. Desta forma, o incremento de velocidade na camada limite ao nível do solo e da

fachada frontal torna a distribuição de pressões mais uniforme em altura. A sotavento, a

distribuição de pressões aproxima-se da de escoamento uniforme, estando esta zona

confinada a fenómenos de sucção. A confluência de escoamentos provenientes da cobertura e

das parcelas laterais provocam fenómenos em termos tridimensionais e apresentam vórtices no

campo bidimensional.

De modo a concluir a temática da interação do vento com as edificações, chama-se ainda a

atenção para a Figura 2.16. Com isto, delimitam-se quatro zonas de fluxos, entre as quais: a

zona não perturbada; a zona de deslocamento – zona correspondente ao barlavento do edifício

(aproximadamente 3 vezes a altura do edifício) e engloba a zona limite onde o escoamento

começa a ser influenciado pelo aumento da pressão na face barlavento do edifício; a zona de

cavidade corresponde à zona de transição à região de esteira, no sotavento. É denominada por

“sombra de vento” e é onde ocorre uma maior intensidade de turbulência, sendo a velocidade

mais baixa relativamente às zonas anteriores; por final, a zona de esteira, que tem o

comprimento na ordem dos 10-15 vezes a altura H do edifício.

Figura 2.15 - Diferentes perfis de velocidade incidente e configurações do escoamento:

a) Perfil uniforme de velocidade b) Camada limite atmosférica (FS- Ponto estagnação na

fachada, GS – Ponto estagnação no solo) (Cook, 1985).

a) b)


23

2.4 O conforto pedestre em ambiente urbano

O desconforto produzido pelo vento ao nível pedestre é uma razão de preocupação no que diz

respeito ao estudo e conservação de áreas ao ar livre em ambiente urbano. Determinadas

configurações de edificações, ou com espaços abertos poderão dar origem a fortes

escoamentos do vento ao nível local. A seleção dos critérios de conforto pedestre adequados

para cada situação é uma tarefa difícil, na medida em que são colocadas em jogo questões de

segurança e de restrição à prática de determinadas atividades, como também o seu caráter

subjetivo acerca do conceito de bem-estar pedonal. Em geral, existem duas formas de abordar

os critérios de conforto pedestre: ou se opta por um carácter mais relativo baseado na analogia

das velocidades do vento a um determinado local com as de um local considerado confortável

para o pedonal, ou se comparam as velocidades do escoamento do vento numa situação com

e sem a construção. Os critérios absolutos consistem na admissão de determinados valores de

velocidade de escoamento na condição de frequências relativamente baixas, normalmente

inferiores a um valor previamente estipulado. Estes últimos são os critérios mais práticos de

utilizar na avaliação do conforto e segurança pedestre face à ação do vento, em meio urbano

(Bênia, 2010).

A ação do vento manifesta-se ao nível pedestre essencialmente de duas formas, ou pode ser

sentida como uma velocidade que afeta a taxa de troca de calor entre as pessoas e o

ambiente, ou como uma força que deriva do somatório do campo de pressões incidentes no

corpo humano (Tsang et al., 2009).

O desconforto provocado pelo vento é do interesse dos mais variáveis contextos no desenho

de áreas pedonais em torno ou não de edificações. A configuração de alguns edifícios e

Figura 2.16 – Perfil longitudinal do escoamento em iteração com um edifício: a)

linhas de corrente do escoamento; b) zonas do escoamento (Cóstola, 2006).

a)

b)


24

espaços abertos são propícios a desenvolverem-se escoamentos de vento intensos que, por

sua vez, provocam o desconforto a quem por eles circula. Será sempre uma tarefa dos

projetistas escolher a configuração ideal de forma a não existirem escoamentos e velocidades

de vento pouco propícias ao bem-estar pedonal. Neste seguimento, em situação de projeto,

existem graus de classificação do desconforto provocado pelo vento que têm como base a

frequência de ocorrência num determinado local, a sua localização e o clima que lhe é

característico. Estes critérios de conforto são essencialmente baseados tanto na frequência

dos ventos, como nas suas velocidades, cujos valores mais altos, são considerados como

velocidades críticas.

Para o pedonal, as ações mais significativas para o seu conforto e segurança são as que lhe

causam: suscetibilidade à sensação de frio – wind chill -, o drapear da roupa, cabelo ou algum

objeto que a pessoa transporte consigo; o levantamento de poeiras ou detritos; desequilíbrios

ou dificuldades de circulação. A situação torna-se indesejável quando as ações do vento são

tão intensas e frequentes que, numa escala por exemplo, horária, as pessoas se sintam

incomodadas e ajam de forma a evitar o distúrbio (Ahuja et al., 2006).

O conforto pedestre pode ser explicado por uma reação emocional positiva ao ambiente

externo envolvente – via pública. Esta reação tem em conta vários parâmetros, entre os quais

os psicológicos, fisiológicos, físicos e sociais de cada pessoa. De fato, o conforto pedestre é

uma comparação cognitiva entre um determinado lugar no qual o pedonal se encontra, com o

seu próprio conceito e critérios de conforto adicionado baseados em experiências anteriores. A

sensação de desconforto provém do ambiente circundante, da situação ou atividade

desenvolvida e, como é óbvio, dos critérios de conforto particulares de cada pessoa. Existem

ainda outros fatores, além dos já mencionados, que podem influenciar o conforto pedestre,

como: o conforto térmico, o conforto visual, acústico, táctil, cheiros, poluição do ar e presença

de organismos alergénicos, a facilidade de mobilidade e a sensação de segurança na via

pública.

Segundo os estudos realizados por Ovstedal e Ryeng (2002), concluiu-se que existem diversos

perfis de pedestres, nomeadamente: o pedestre que procura ar puro, espaços abertos e verdes

e luminosidade; o pedestre que dá maior peso à segurança pública; a pessoa que procura

divertimento e contato com a sociedade; e por fim, aquele que apenas utiliza a via pública

como uma forma de se movimentar. De entre os mais variados critérios de avaliação do

conforto pedestre presentes nesta classificação, destacam-se as condições da pavimentação

(estado e acessibilidade da via pública), as condições do tráfego (poluição, barulho,

interferência dos veículos na mobilidade pedestre) a atratividade dos espaços públicos (locais

de repouso, espaços abertos/fechados, condições de luminosidade) e as condições

meteorológicas. Apurou-se que o critério mais importante é a proteção e a segurança na via

pública e é nesta vertente que os ventos poderão ter influência no conforto pedestre.


25

2.4.1. Critérios de classificação do conforto pedestre

Quando se trata de desconforto pedestre e de velocidades do vento, é obrigatório o estudo dos

fenómenos que ocorrem ao nível da escala humana, ou seja, cotas não superiores a 2 metros

acima da superfície e velocidades médias obtidas entre o período de 10 minutos e 1 hora.

Neste patamar, os estudos revelam que, em velocidades do vento de 5 m·s-1

estão no limiar do

conforto, com 10 m·s-1

a circulação torna-se desagradável, e para velocidade na ordem dos 20

m·s-1

já se torna muito perigosa a exposição pedestre (Tsang et al., 2009).

Em maior detalhe, é definida uma escala (Beaufort Scale), que contempla as características e

os efeitos consequentes dos ventos. Segundo Lawson e Penwarden (1975), estes efeitos

mecânicos nas pessoas vão desde uma leve brisa até um vento muito forte. A tolerância ao

vento pelo pedonal depende também da atividade que está a desempenhar e onde se situa.

Por exemplo, uma pessoa que caminha por uma determinada zona irá tolerar velocidades do

vento mais altas que uma pessoa que esteja no mesmo local sentada numa esplanada.

Penwarden e Wise (1975), modificaram a escala de Beaufort que descreve os efeitos de vários

tipos de ventos ao nível pedonal (Tabela 2.3).

Na Tabela 2.3, às duas primeiras colunas (Tipo de vento e Escala de Beaufort), originais da

escala de Beaufort, são acrescentadas por Penwarden e Wise (1975) as colunas (Velocidade

média do vento e os efeitos) como assinalado na tabela.

Murakami et al. (1975), observaram o movimento das pessoas em torno de um conjunto de

obstáculos registando as irregularidades nos passos dados pelas pessoas ao longo de um

espaço público, concluindo os passos irregulares de pessoas submetidas a escoamentos não

uniformes de vento são semelhantes às encontradas para um escoamento uniforme 1,5 vezes

superior.

Bottema (1993) sumarizou a informação de vários investigadores e concluiu que uma rajada

de: 4 m·s-1

a 5 m·s-1

causa agitações ao nível do cabelo e da roupa; de 7 m·s-1

durante 5

segundos provoca desajeitamento do cabelo; de 15 m·s-1

durante 2 segundos poderá provocar

o balanço e a perda de equilíbrio das pessoas, sendo muito perigoso para os idosos e para as

pessoas com dificuldades motoras; de 20 m·s-1

pode ser perigosa até para pessoas jovens; de

23 m·s-1

pode provocar o levantamento de pessoas do solo. Na Figura 2.17 mostram-se alguns

efeitos provocados nas pessoas pelo escoamento do vento a diferentes velocidades.

Davenport (1975) também estabeleceu um conjunto de critérios de conforto pedestre que

relacionam a atividade do pedonal com um período de retorno do vento baseado na

probabilidade de excedência de 5% de ocorrência de uma vez numa semana (Tabela 2.4). A

Figura 2.18, apresenta o critério proposto também por Isyumov e Davenport (1975), que tem

como bases frequências anuais de ocorrência de determinadas velocidades do vento em

função das várias atividades no ambiente pedestre.


26

Tipo de vento

Escala de Beaufort

Velocidade média do vento (m/s)

Efeitos

Calmo 1 0 – 1,5 Fumo sobe verticalmente.

Aragem 2 1,6 – 3,3 Vento na face, pequenas rugas na

superfície do mar. Agitação das folhas.

Briza leve 3 3,4 – 5,4 Folhas e ramagem agitadas.

Briza fraca

4 5,5 – 7,9

Briza moderada

5 8,0 – 10,7 Força do vento sentida no corpo.

Levantamento de poeira.

Briza forte

6 10,8 – 13,8 Dificuldade em usar guarda-chuva,

dificuldade de caminhar e linha reta, ruído sonoro desconfortável,

Vento fresco

7 13,9 – 17,1 Circulação desconfortável.

Ventania 8 17,2 – 20,7 Circulação geralmente impedida; dificuldade em manter o balanço.

Impossível caminhar contra o vento.

Ventania forte

9 20,8 – 24,4 Danos ligeiros nas casas.

Classificação Atividade 95 Porcento da

velocidade média máxima (uma vez por semana)

Caminhar rápido

Aceitável para caminhadas, acessos pedestres na via pública

10 m·s-1

> u > 7,5 m·s-1

Passeio, skating,

patinagem Caminhada lenta, etc. 7,5 m·s

-1 > u > 5,5 m·s

-1

Atividades de breve

exposição ao vento

Geralmente caminhadas e atividades de curta duração: compras em comércio tradicional,

esperar ou descansar numa praça 5,5 m·s

-1> u > 3,5 m·s

-1

Atividades de longa

exposição ao vento

Esplanada de restaurante, anfiteatros, parques, e outras atividades de longa

duração 3,5 m·s

-1> u

Tabela 2.3 – Critérios de conforto no ambiente pedestre por Penwarden e Wise (1975).

Figura 2.17 – Velocidade do vento de: a) 4,2 m·s-1

≈ 15 km·h-1

; b) 5,6 m·s-1

≈ 20 km·h-1

;

c) 14 m·s-1

≈ 50 km·h-1

; d) 20 m·s-1

≈ 70 km·h-1

(Isyumov e Davenport, 1975).

Tabela 2.4 – Critérios de conforto por Davenport (adaptado de Davenport, 1972).

a) b) c) d)


27

Mais tarde, Lawson (1973) apresenta critérios de conforto pedestre (Tabelas 2.5 e 2.6)

similares aos de Davenport (1972).

De uma outra perspetiva, a Wellington City Council District Plan Change 48 (Kepka, 2010),

apresentou um novo conjunto de critérios de conforto pedestre subjacentes ao escoamento do

vento. Assim, criam-se três categorias: a segurança, o efeito cumulativo e o conforto. O critério

segurança é aplicado a todos os espaços públicos e considera que a velocidade máxima do

escoamento não deverá exceder 20 m·s-1

(Tabela 2.7).

Tabela 2.5 – Limites de segurança pedestre por Lawson – Velocidade média máxima anual -

adaptado de Lawson (1973).

Classificação Atividade Velocidade média

máxima (1 vez por ano)

Proteção/Segurança (todas áreas exteriores)

Acessível pela generalidade do público. 15 m·s-1

Proteção/Segurança (áreas exteriores

protegidas)

Zonas exteriores privadas, como varandas, terraços, etc.

20 m·s-1

Tabela 2.6 - Critérios de conforto (limites superiores) por Lawson – Percentil 95 (Máxima

velocidade média por semana) - adaptado de Lawson (1993).

Classificação Atividade 95 Porcento da Velocidade média

máxima (uma vez por semana)

Caminhada com prepósito definido

Objetivo: caminhar de A para B 10 m·s-1

> u > 8 m·s-1

Caminhada pedestre

Caminhada lenta, etc. 8 m·s-1

> u > 6 m·s-1

Breve exposição Pedonal em espera ou descanso por

um período breve 6 m·s

-1 > u > 4 m·s

-1

Longa exposição Pedonal sentado por um período

longo 4 m·s

-1> u

Figura 2.18 – Critério de conforto pedestre por Isyumov e

Davenport (1975).


28

Tabela 2.7 - Critérios de conforto por Wellington City Council District Plan Change 48 (Kepka, 2010).

Duração da rajada de

vento Mudanças na ocorrência horária / ano Requisitos

FORTE (velocidade

média horária =

3,5 m·s-1

)

Se a velocidade média horária de 3,5 m·s-1

é

igualada ou excedida pelo limite de 170 horas por ano (2% do ano).

Estabelecer um máximo de 170 horas por ano.

MODERADA (velocidade

média horária =

2,5 m·s-1

)

Se a velocidade média horária de 2,5 m·s-1

é

igualada ou excedida pelo limite de 170 horas por ano (2% do ano).

Estabelecer um máximo de 170 horas por ano.

Por último, o critério de conforto é aplicado a espaços públicos que promovem a atividade

sedentária, como parques, praças, ou ruas, entre outros (Tabela 2.8).

O critério de segurança em Kepka (2010), é relativamente simples, pois não comporta

nenhuma frequência de ocorrência e diz apenas que velocidades acima de 20 m·s-1

são

inaceitáveis à circulação pedonal. O critério de efeito cumulativo, torna-se mais representativo

do conforto pedestre, pois tem em conta a duração da ocorrência. Contudo, o critério de

conforto destina-se a áreas que exigem critérios mais rigorosos na medida em que a pessoa irá

ocupar esse local por períodos de tempo mais longos a uma taxa metabólica muito baixa

(influência na troca de calor entre o corpo humano e o ar circundante.

Outro conjunto de critérios foi desenvolvido por Melbourne (1978), válidos para temperaturas

entre os 0oC e 30

oC, para as quais as pessoas saem à rua vestidas de acordo com a

temperatura ambiente. Estes critérios de conforto fundamentam-se nas velocidades críticas (de

pico) das rajadas de vento e são mais conservativos que os anteriormente apresentados

(Tabela 2.9).

Tabela 2.8 - Critérios de conforto pedestre com frequência de ocorrência anual e respetivos

requisitos - adaptado de Kepka (2010).

Permanência de vento

confortável Horas anuais de ocorrência Requisitos

Média da velocidade do vento /hora =

2,5 m·s-1

Se a velocidade de 2,5 m·s-1

é igualada ou excedida por

um período superior a 1700 horas.

Se existindo edifícios

a média (2,5 m·s-1

)

exceder 1700 horas, então implementar

Ratcliff et al., (1990) compararam a configuração de 9 edifícios com 5 critérios de conforto

diferentes com o objetivo de inferir qual o critério que melhor descreve e quantifica os efeitos

do escoamento do vento ao nível pedestre. Neste contexto, observou-se que nenhum critério

em particular era suficiente para descrever as consequências da passagem do vento, sendo

recomendada uma análise em consonância com os vários critérios.


29

Tabela 2.9 - Critérios de segurança pedestre apresentados por Melbourne - adaptado de Melbourne

(1978).

Classificação Atividade Velocidade máxima

da rajada (anual)

Limite de proteção/segurança e

conforto

Inaceitável qualquer atividade: tendência para objetos e pessoas voarem

u > 23 m·s-1

Marginal Acessos pedestres na via pública impossíveis de

transitar 23 m·s

-1> u >16 m·s

-1

Caminhada confortável

Aceitável para caminhada (passeios e acessos pedestres públicos)

16 m·s-1

> u >13 m·s-1

Atividade de curta exposição

Geralmente aceitável para caminhada ou breve permanência.

13 m·s-1

> u >10 m·s-1

Atividade de longa exposição

Aceitável para exposição longa, e atividade de longa permanência.

10 m·s-1

> u

Os critérios estabelecidos por Isyumov e Davenport (1975), baseados na experiência empírica,

constituem um conjunto de limites para a intensidade e frequências para os ventos, deixando

de parte tanto os efeitos de rajada, como os diversos níveis da Beaufort Scale. Com isto,

apenas 4,5% das áreas são abrangidas por ventos inaceitáveis, o que parece uma parcela

muito baixa. Assim, em alternativa, dos estudos de Penwarden e Wise (1975) mostraram que

7,3% das áreas são abrangidas por ventos de carácter inaceitável ao pedonal. No entanto,

apesar deste último critério se aproximar mais da realidade, este é ainda muito simplista na

medida em que não tem em conta os locais ou mesmo os níveis de perigo correspondentes às

velocidades do vento.

Neste contexto, alguns critérios têm vindo a ser otimizados como se observa na Tabela 2.10

(Alpine, 2004). Esta tabela inclui tanto uma velocidade média, como uma velocidade de pico

(crítica) e tem em conta que existe sempre uma ínfima percentagem de dias com velocidades

de vento elevadas restringindo-as a períodos de tempo inferiores aos períodos

correspondentes à velocidade média. Realça-se que estas velocidades do vento são

respeitantes a cotas aproximadamente de 1,5 metros e não aos convencionais 10 metros de

altura.

São indicadas diversas atividades no âmbito pedestre as quais vão desde uma permanência

longa (locais onde as pessoas irão passar mais do que 10 minutos envolvidas numa atividade

ao ar livre, seja um picnic, ler, escrever, descansar, zona de restaurante, anfiteatro, entre

outros), a permanência breve (locais onde o pedonal não permanecerá mais do que 10 minutos

esperando de pé ou sentado, como, entrar num edifício, paragem de autocarro, áreas de

fumadores, entre outras), o recreio (onde as pessoas podem fazer caminhadas ou desenvolver

uma atividade de recreio – campos de jogos ou parques), e por final a transitória

(correspondendo a zonas onde o pedonal apenas atravessa na sua caminhada, como

passeios, ruas, avenidas ou parques de estacionamento) (Alpine, 2004).


30

Tabela 2.10 - Critérios de conforto pedestre otimizados (Alpine, 2004).

Atividade

Velocidade média do

vento (m·s-1

)

Escala Beaufort

% do tempo

Velocidade do vento máxima

(m·s-1

)

Escala Beaufort

% do tempo

Permanência longa

>3,13 m·s-1

>2 <1,5% > 5,36 m·s-1

>3 <0,3%

Permanência breve

> 5,36 m·s-1

>3 <1,5% > 8,0 m·s-1

>4 <0,3%

Recreio > 8,0 m·s-1

>4 <1,5% > 10,73 m·s-1

>5 <0,3%

Transitória > 10,73 m·s-1

>5 <1,5% > 13,86 m·s-1

>6 <0,3%

Perigo > 9,4 m·s-1

>6 <0,02% > 20,6 m·s-1

>8 Qualquer ocorrência

Porém, perante o vento, todo aquele que circula na via pública tem alguns parâmetros que

estão na base da avaliação do seu conforto pedestre, entre os quais se destacam para além da

velocidade do vento (velocidades críticas e rajadas), o clima do local e a estação, a

temperatura ambiente, a precipitação, a humidade relativa, as tarefas que as pessoas estão a

realizar na via pública, o vestuário e fatores como a idade e o estado psicológico de cada um.

Mas neste contexto existem dois fenómenos que não são tomados em conta na avaliação do

desconforto pedestre. O primeiro diz respeito à direção do escoamento do vento em relação

aos pedestres, que tem um efeito mais severo quando o escoamento é ascendente ao nível do

solo (reversed umbrella effect). O segundo aspeto relaciona-se com as rápidas mudanças de

direção do vento que afetam principalmente os pedestres em movimento (Wellington City

District Plan, 2000).

Como já foi mencionado nos subcapítulos anteriores, a forma e os detalhes dos edifícios

podem afetar as características do escoamento do vento. Com uma apreciação do

comportamento dos ventos ao nível do solo e em torno dos edifícios, é possível minorar-se a

sujeição da circulação pedonal a velocidades excessivas. Tanto a demolição como a edificação

de edifícios poderão alterar as condições do escoamento do vento.

2.4.2 O vento à escala humana em meio urbano

As transformações constantes nos meios urbanos modernos e sobretudo com o crescimento

da construção em altura, agravam as condições de escoamento do vento nas cidades. Ao nível

do solo, em torno de um edifício alto, normalmente proporcionam-se condições do vento

indesejáveis resultando num desconforto pedestre quando não chegam a ser mesmo

ameaçadoras. Por conseguinte, as áreas externas públicas são alvo de uma atenção especial

por parte dos projetistas aquando do planeamento de um novo edifício. Existe, portanto, uma

preocupação em relação às áreas mais propícias a condições indesejáveis para o pedonal

(Isyumov e Davenport, 1977). Toda esta problemática surgiu pela reação adversa do público a

edifícios que têm no seu redor, condições de circulação desconfortáveis. Existe todo um

conhecimento a adquirir acerca dos efeitos da construção no vento local de forma a garantir a

segurança, o conforto e a atratividade do público ao local.


31

Lawson (1978), define oito zonas estratégicas num complexo de edifícios onde poderão ocorrer

velocidades do vento elevadas, nomeadamente:

vórtices na fachada barlavento do edifício;

aberturas nos edifícios;

espaços entre os edifícios;

canto do edifício;

esteira do edifício;

ruas retas e longas;

ruas que sofrem estreitamento;

pátios.

A urbanização trouxe consigo mudanças radicais ao nível da climatização e conforto pedestre.

As cidades têm vindo a ser desenvolvidas com pouca preocupação a este nível e o número

infindável de microclimas que cada meio urbano comporta está intimamente ligado à

configuração e geometria dos diferentes elementos que a compõem. A topografia envolvente

também poderá ter impacto nas condições do vento em torno do edifício.

Em ambiente urbano, os ventos fortes são mais preponderantes em redor dos edifícios mais

altos. No caso de edifícios retangulares simples o escoamento em contacto com a fachada

desce em direção à base do edifício devido a diferenças de pressão criadas por variações de

velocidades entre as cotas mais altas e as mais baixas. Em geral, as edificações só

desenvolvem velocidades elevadas do vento em níveis próximos do solo, se grande parte da

sua fachada estiver em contacto direto com o escoamento (Figura 2.19) (Stathopoulos, 2009).

Quanto mais alto for o edifício maior será a velocidade ao nível do solo (Lawson, 1978).

No caso de um edifício alto ser dotado de uma zona aberta a sotavento, nesta região os

vórtices tendem a dispersar e perder a configuração (Figura 2.19). Ainda que a este nível

possam ocorrer fenómenos de reversed umbrella, levantamento de poeiras ou outras

consequências que afetem o conforto pedestre, segundo Isyumov e Davenport (1977), as

velocidades médias do vento apresentam-se mais elevadas. O modo como o vento se

comporta numa esteira de uma edificação depende muito do ambiente urbano na proximidade,

defende Gandemer (1975).

Outro fenómeno que ocorre ao nível pedonal, consiste na passagem do escoamento a

velocidade elevada de zonas de alta pressão na fachada frontal para zonas de baixa pressão a

sotavento do edifício. Este escoamento juntamente com o downwash envolve o edifício em

formato de uma ferradura. Esta situação pode ser sentida pelas pessoas por exemplo nas

arcadas dos edifícios comerciais. Para além das perturbações ao ambiente pedestre urbano na

vizinhança dos edifícios, estes mecanismos não se limitam na formação de vórtices na fachada


32

em contacto direto com o vento, pois também o escoamento que sofre a separação, acelera ao

longo do edifício e contorna as suas arestas verticais e o seu topo, a grandes velocidades.

Figura 2.19 - Downwash ao nível pedonal – um edifício alto no meio de edifícios

baixos pode concentrar os ventos pedestres na sua base (Cochran, 2004).

Figura 2.20 - Efeito de esteira (Wellington City District Plan, 200).

Figura 2.21 – Cantos do edifício – um edifício alto concentra o escoamento na sua base,

particularmente nas zonas correspondentes às arestas verticais, onde o efeito downwash é

intensificado na direção horizontal (Ahuja et al., 2006).

No tardoz do edifício -na zona denominada como esteira na Figura 2.22 – é caracterizada por

uma zona de vorticidade resultante da separação do fluxo contínuo ao interagir com a

edificação. A sombra do vento caracteriza-se por uma região de vórtices e recirculação de ar,

variando a dimensão da esteira em função da direção dos ventos e da geometria do edifício.


33

Cochran (2004) apresenta as configurações de edifícios mais comuns e a sua influência ao

nível pedestre. Assim, a inclusão de um elemento (pala) na fachada do edifício barlavento, terá

como principal objetivo barrar e defletir o escoamento que vem com direção descendente junto

à fachada da edificação de modo a impedir que este entre em contacto com a base do edifício

e consequentemente com a zona pedonal em redor do edifício (Figura 2.23).

Porém, estas medidas poderão resolver este assunto mas por outro lado ao desviar o

escoamento, este poderá tomar direções não desejáveis, como os cantos do edifício, ou

mesmo interferir com outros locais da via pública adjacente ao edifício.

Figura 2.22 – Efeito de esteira (Mascaró, 1991).

As palas são geralmente utilizadas na entrada de edifícios de serviços e hotéis de forma a

conferir na entrada do edifício o conforto pedonal desejável.

Figura 2.23 – Elemento pala que produz na entrada no edifício um

ambiente mais confortável (Cochran, 2004).

Nos edifícios altos, os ventos fortes poderão ser resolvidos ao nível pedonal com uma estrutura

denominada de pódio, a qual reduzirá a velocidade do vento neste patamar (Figura 2.24). Para

tal, há o inconveniente do espaço necessário e da compatibilização com a conceção

arquitetónica. Também poderá ser usada vegetação a este nível (especialmente árvores

coníferas) em prol do conforto pedestre (Stathopoulos, 2009).


34

Uma abertura ou uma passagem em arcada (galerias, corredores, pilares, entre outros.) de um

lado do edifício para o outro, faz a ligação entre zonas de pressões positivas (barlavento) com

zonas onde existem pressões negativas – sucções – (sotavento) (Figura 2.25) que resulta num

forte escoamento na região da abertura. Este efeito designa-se por efeito de arcada e poderá

também verificar-se num arranha-céus elevado sob colunas (Cochran, 2004). As velocidades

do vento nestas aberturas são usualmente as mais altas em relação a qualquer ponto em redor

do edifício.

Figura 2.24 – Efeito pódio (Stathopoulos, 2004).

Aqui poderá também ser sentido o chamado efeito de Venturi que consiste no aumento da

velocidade do vento à medida que o escoamento sofre um estreitamento da seção. Gandemer

(1975) concluiu que a zona mais crítica em termos de conforto pedestre se localiza na região

mais estreita do confinamento, denominada de pescoço do efeito Venturi. Efetivamente uma

pessoa que caminha numa zona de edifícios baixos e se desloca para a zona pedestre de um

edifício mais alto, fica submetida a uma velocidade cerca de 4 vezes maior e, considerando

que a pressão exercida aumenta com o quadrado da velocidade do escoamento, a um

aumento de 16 vezes da pressão exercida no peão (Bênia, 2010).

Figura 2.25 – Arcada com diferenças de pressões entre

barlavento e sotavento (Ahuja et al., 2006).

O efeito de uma reentrância na entrada dos edifícios (preferencialmente na zona central da

fachada) produz uma zona calma em relação aos ventos provenientes do efeito downwash.

Dependendo da geometria e arquitetura do edifício, bem como das características dos ventos

mais abundantes, esta solução poderá prevalecer à solução anterior do pódio (Cochran, 2004).


35

O efeito de canto cortado (corner’s cut effect) poderá agravar o conforto pedestre ao nível dos

cantos de edifício (Figura 2.27). Tipicamente não são zonas de localização conveniente para

portas de entrada pois são fortemente afetadas pela geometria do edifício.

Figura 2.26 – Efeito da reentrância (entradas com geometria recessiva

concentram ventos fracos) (Cochran, 2004).

Quando o escoamento incide sobre dois edifícios altos poderá sofrer uma aceleração horizontal

ao nível pedestre deparando o pedonal com ventos indesejáveis (Figura 2.28). O projetista

poderá estudar as direções mais inconvenientes do vento e com essa informação tentar o

alinhamento dos edifícios de forma a mitigar este efeito. Nestes casos poderá ser conveniente

a utilização de uma tela porosa ou vegetação adequada que induza a deflexão do escoamento

para outras zonas de forma a garantir o conforto pedestre em torno das edificações (Ahuja et

al., 2006).

Figura 2.27 – Efeito de canto cortado (Cochran, 2004).

Por último, apresenta-se o efeito de canal (channel effect) que surge geralmente na confluência

de dois ou mais edifícios (Figura 2.29). É um dos efeitos mais comuns numa malha de edifícios

exposta a ventos de várias direções, e este torna-se mais severo quando a direção do vento

coincide com a direção de uma rua ou corredor na matriz de edificações. Este fenómeno

resulta do efeito de Venturi (Cochran, 2004).

Se, no caso de duas edificações de forma simples retangular o estudo das características do

escoamento do vento se torna complicado, então com edifícios de arquiteturas complexas em


36

que existe interação com os fluxos de ar provenientes de várias direções, para além do efeito

da própria topografia do local, o caso torna-se bem mais complexo.

Figura 2.29 – Efeito de desfiladeiro, efeito de canal ou channel effect

(Wellington City District Plan, 2000).

Estes problemas só poderão ser avaliados experimentalmente através de ensaios em túnel de

vento com a camada limite atmosférica característica do local. Mais recentemente, os

problemas que o vento acarreta no conforto pedestre poderão ser analisados também por via

computacional.

No seio de um aglomerado de edificações no qual está estabelecido um canal ou um

arruamento com uma largura relativamente mais pequena – inferior a 3 vezes a altura dos

edifícios – poderá derivar um escoamento elevadas velocidades comprometendo assim o

conforto pedestre nessas zonas (Figura 2.29).

Num ordenamento urbano em linhas alternadas e expostas perpendicularmente à direção

predominante do escoamento do vento surgem correntes de vento entre as zonas de diferentes

pressões (Figura 2.30).

Figura 2.28 – Compressão das linhas de corrente principal que resulta em aceleração do

escoamento (Cochran, 2004).


37

Figura 2.30 – Obstáculos dispostos perpendicularmente à direção do

escoamento (Gandemer, 1975).

2.4.2.2 Velocidades do vento analisadas ao nível pedestre

Baseado em Simiu et al. (1996), as velocidades elevadas ocorrem em áreas pedestres,

principalmente em três regiões características associadas a fenómenos do escoamento de um

fluido que se resumem na Tabela 2.11.

Tabela 2.11 - Tipos de fenómenos do vento e a sua descrição, por Simiu et al. (1996).

Tipo do fenómeno

Descrição

Tipo I Vórtice entre os edifícios formado ao nível do solo (região A)

Tipo II Escoamento descendente que contorna o edifício pelos cantos (região B)

Tipo III Escoamento que ao nível do solo faz a comunicação da fachada barlavento

com a fachada sotavento através de um corredor existente no edifício (região C)

Como é mostrado nas Figuras 2.31 a) e b), uma parcela do escoamento principal do vento, à

cota de aproximadamente 3/4 da altura do edifício mais alto (75% a 80%), toma a direção

descendente. Tal como se ilustra na Figura 2.32, este fenómeno provoca a formação de um

vórtice que varre a região A, ou encontra a abertura na fachada do edifício e cria uma zona de

altas velocidades no estreitamento da secção (efeito de sução) varrendo o corredor da seção

C. A outra parte deste escoamento forte, é acelerada em redor dos cantos do edifício formando

jatos de ar que se propaga pela região B (Simiu et al.,1996).

Como já foi referido, ao nível pedestre os valores da velocidade do vento são elevados junto a

edifícios altos, na medida em que são formados ao nível do solo fenómenos de vorticidade.

Como demonstrado na Figura 2.32, os ventos descendentes na fachada frontal contornam as

esquinas do edifício a grandes velocidades (efeito de canto) e as áreas abertas, tanto na

fachada como ao nível do solo, são propícias à passagem de ventos a altas velocidades.

Segundo estudos em túnel de vento, à escala 1/120 (Simiu et al., 1996), onde se simularam

rugosidades de superfície características de um ambiente urbano (α=0,28) fez-se depender o


38

escoamento das variáveis H, W, L e h definidas na Figura 2.32. O ângulo de incidência θ entre

o escoamento incidente e a fachada frontal do edifício mais alto é de 0º (incidência normal).

Figura 2.31 - Ilustração de um vórtice formado pelo vento que mergulha entre um

edifício baixo em um edifício alto: a) Perfil longitudinal; b) Vista frontal (Simiu et

al.,1996).

Assim, foram estudadas algumas relações de velocidades como V/VH, onde V é a velocidade

ao nível do solo e VH ao nível do topo do edifício e V/V0, sendo o V0 a velocidade a 10 metros

acima da superfície em terreno aberto. Surge então a seguinte expressão:

𝑉

𝑉0=

𝑉

𝑉𝐻

𝑉𝐻

𝑉0 (2.29)

Para alturas (h) correspondentes a cotas típicas de edificações urbanas, entre 7 m a 16 m.

Verifica-se que à medida que o edifício mais pequeno toma dimensões (altura h) inferiores na

direção do escoamento do vento, o rácio W/H aumenta e o VA/VH diminui. Se a distância L

entre edifícios é relativamente reduzida, o vórtice formado não consegue penetrar neste

espaço e então a variável VA assume consequentemente valores mais baixos. De outra forma,

se L é maior e h é mais pequeno, existe a possibilidade de se formar um vórtice ainda que

pouco definido e com baixa intensidade. Se o valor de h se aproximar de H, irá formar-se um

fenómeno de escudo no edifício mais alto e a velocidade em A irá naturalmente reduzir-se.

Figura 2.32 - Zonas típicas de desconforto em meio urbano (Simiu et al., 1996).

a) b) a) b)


39

Verifica-se também que existe uma dependência entre a razão H/h e o rácio VB/VH, onde VB

corresponde à velocidade máxima ao nível pedestre nas zonas de aresta do edifício. Ao variar

VB com as variáveis H, L, W e h conclui-se que esta velocidade não depende do ângulo entre a

direção do escoamento e a normal à fachada do edifício. Porém, a orientação dos fluxos que

sofrem o efeito de canto no edifício, isto é, a posição do ponto onde ocorre a velocidade

máxima na zona B depende significativamente deste ângulo.

O estudo de Borowa-Błazik et al. (2009), que se debruçou sobre a avaliação do escoamento

em 2D (distribuição de pressões) em torno de cubos e paralelepípedos na proporção de 2:1,

permitiu tirar algumas ilações acerca da influência dos edifícios vizinhos. Os modelos estão

representados nas Figuras 2.33 a) e b), e, em cada modelo, variou-se a dimensão L

correspondente ao afastamento entre edifícios.

Figura 2.33 – Modelos de Borowa-Błazik et al. (2009): a) upstream; b) downstream.

Deste estudo, Borowa-Błazik et al. (2009) concluíram que:

a flutuação de velocidades entre dois obstáculos é maior do que para apenas um;

os edifícios mais altos influenciam sempre o campo velocidade em torno dos edifícios

vizinhos;

a edificação de cota mais baixa a barlavento, poderá, em determinadas instâncias,

reforçar o vórtice e acentuar ainda mais a velocidade ao nível pedestre;

o sinal de pressão na parede do modelo upstream (Figura 2.33 a)) depende da

configuração dos edifícios, e essa pressão é negativa para o modelo downstream

(Figura 2.33 b));

o modelo downstream com um maior afastamento origina um escoamento descendente

nesse espaço vazio, na direção oposta à do escoamento principal, formando uma zona

predominantemente turbulenta com a ocorrência de vórtices.

Uma vez que o fluxo em torno de um aglomerado de construções é diferente do que para um

edifício isolado, durante a determinação da pressão exercida pelo escoamento numa estrutura

dentro de uma malha de edificações deve ter-se em atenção os efeitos dessa interferência

acarretando a possibilidade do aumento em proporção dupla da pressão. Numa análise do

a) b) a) b)


40

conforto pedestre, a aceleração da velocidade entre dois edifícios causada pela direção de

escoamento perpendicular a estes, deve ser tomada em conta.

Outras condicionantes urbanas são por exemplo espaços abertos, revestimentos escuros que

geram fluxos térmicos ascendentes, praças arborizadas, edificações côncavas e edifícios com

as faces laterais concorrentes (Figura 2.34).

Figura 2.34 - Escoamento do vento em meio urbano (efeitos) [1].

2.4.2.3 Outros efeitos no conforto pedestre

Em geral, tanto os homens como as mulheres têm perceções semelhantes em relação a

temperaturas elevadas. O humor ou a condição psicológica da pessoa também influencia na

sensação de conforto global pedonal para condições normais, deixando este fator de ser

preponderante para condições meteorológicas desconfortáveis. Existe também uma forte

relação entre o conforto térmico e as características do microclima, radiação solar, pressão

atmosférica, temperatura máxima ou mínima, velocidade do vento e humidade relativa. As

faculdades motoras ou a doença, o vestuário ou a atividade física também são fortes

parâmetros na avaliação do conforto pedestre.

Nicolopoulou et al. ocupou-se do estudo da influência microclimática ao nível dos espaços

pedestres em meio urbano e nas implicações que essas características têm para o pedonal

que deambula nesse meio (Nicolopoulou e Lykoudis, 2002; Nicolopoulou et al., 2001).

Concluiu-se que o fator psicológico da pessoa era um parâmetro importante no estudo do

conforto pedestre. A acrescentar ainda o recurso a uma temperatura equivalente estabelecida

pela relação entre a temperatura ambiente e outros fatores meteorológicos (Stathopoulos et al.,

2004).

Em relação à temperatura e à humidade relativa, realça-se um impacto significativo no conforto

pedestre desde a sensação de frio ao equilíbrio da troca de calor entre o ambiente circundante

(condução, convecção, evaporação e radiação) e o corpo humano (processos metabólicos). Os

processos de convecção e evaporação, são influenciados pelas características do vento


41

(temperatura e humidade relativa), e não poderão ser tratados isoladamente apenas com a

variável velocidade do vento, na medida em que nas regiões mais frias do globo, a temperatura

equivalente do efeito wind chill é utilizada para melhor descrever e quantificar o frio que se está

a sentir, em detrimento do único dado da temperatura do ar. O wind chill, combina a velocidade

do vento com a temperatura do ar e determina o efeito refrescante na pele da pessoa. Este

parâmetro não é afetado pelo vestuário das pessoas mas sim pelas áreas de pele expostas,

como a cara, orelhas ou mãos. Esta escala também se baseia em factos empíricos. A

temperatura equivalente wind chill, é calculada pela relação entre a temperatura em condições

padrão do vento (≈ 1,8 m·s-1

), que resulta em igual perda de calor média por uma pessoa à

temperatura da pele de 33ºC nas condições atuais de vento e temperatura. Usualmente, a

baixas temperaturas, a humidade relativa tem fraca correlação com o efeito térmico, embora

produza efeitos indiretos, tais como a influência no isolamento do vestuário. No entanto, em

ambientes urbanos quentes, o corpo humano necessita de perder calor de modo a manter o

conforto térmico pelos processos de sudação ou reduzindo o vestuário em prol da perda de

calor associada ao calor latente de evaporação. Logo, a eficiência da evaporação é reduzida

com o aumento da humidade relativa no ar, sendo esta última um fator mais preponderante em

climas quentes. Neste contexto, a eficiência da evaporação é aumentada com o aumento da

velocidade do vento e, em climas frios, é muitas vezes aconselhável reduzir o nível da

velocidade do vento. Porém, em climas quentes, o aumento da velocidade do vento poderá

contribuir construtivamente para o conforto térmico do pedonal (Stathopoulos et al., 2004).

Neste ponto de vista, apresenta-se um conceito chamado Humidex (Stathopoulos et al., 2004).,

que consiste numa temperatura efetiva que combina a temperatura e a humidade de um

determinado ambiente, de modo a refletir a perceção de calor e humidade à pessoa e assim

inferir acerca do seu conforto térmico, podendo proceder-se ao seu cálculo. Em geral, valores

médios deste parâmetro entre 40 e 50 resultam numa sensação de desconforto e muitas

atividades são interditadas quando a escala ultrapassa os 46. A inclusão dos efeitos da

humidade relativa na avaliação global do conforto térmico pedestre em meio urbano é discutida

por Stathopoulos et al. (2004).

Noutro contexto, a avaliação do conforto térmico deverá ter em conta a influência do sol e da

sombra no ambiente pedestre. A intensidade da luz solar é determinante nas variações da

temperatura do corpo humano e, consequentemente, terá implicações no seu conforto.

Parâmetros como o ângulo das radiações solares, a quantidade de radiação absorvida pelas

nuvens, a luz solar absorvida e refletida pelas edificações e as partículas presentes na

atmosfera são significativos na avaliação térmica ao nível pedonal.

Por fim, em condições chuvosas há que ter em conta que as pessoas têm menos probabilidade

de se encontrarem em contacto direto com o espaço público e, por esta razão, tanto o vento

como as condições térmicas serão menos significativas na definição do conforto pedestre.


42

Porém, será interessante estudar para estas condições de abrigo pedonal, o quanto a

precipitação irá prejudicar esse conforto e com que frequência o fará. Estudos realizados pela

International Society of Biometeorology (Jendritzky, 2001), permitiram o desenvolvimento não

só de um índice de temperatura fisiológica equivalente (PET- Physiological Equivalent

Temperature) como de um índice termo climático (UTCI - Universal Thermal Climate Índex),

que também poderá ser usado nos fundamentos do conforto térmico pedestre. Um exemplo

desta aplicação está patente na Figura 2.35, criada por Stathopoulos et al. (2004). Assim, a

dependência do conforto global é baseada num conjunto de parâmetros que por sua vez são

função da diferença de duas temperaturas equivalentes: uma baseada nas condições

meteorológicas (Te,n), e outra baseada nas condições ambientais exteriores (Te,a). Realça-se

que estas temperaturas são dependentes ainda da radiação solar e da humidade relativa.

Figura 2.35 - Critério de conforto pedestre segundo (Te,n) e (Te,n) (Stathopoulos et

al., 2004).

Atendendo à Figura 2.35, pode concluir-se que as condições de conforto mais favoráveis

ocorrem para diferenças de temperatura equivalente (Te,a -Te,n) de aproximadamente 5oC, que

pode ser explicada pela preferência das pessoas por zonas com temperaturas mais elevadas.

Além disso, o desconforto máximo acontece para diferenças de temperaturas negativas ou

quando a atual temperatura equivalente é mais baixa do que a temperatura média do local. Por

último, se a diferença de temperatura vai para além de 10oC, menor será o conforto sentido ao

nível pedestre, embora mais parâmetros terão que ser considerados, de forma a preencher as

lacunas de informação deste estudo. Atualmente, ainda é prematuro estabelecer uma

correlação matemática entre o conforto global pedestre e as diferenças térmicas equivalentes

(Stathopoulos, 2009).

Na vertente do conforto pedestre também são tomados em conta os efeitos térmicos, mas de

caracterização mais complexa, pois a interação entre a temperatura ambiente, os raios solares,

o vestuário e a atividade que o pedonal está a exercer são variáveis de difícil controlo e

definição. Outro facto é a diferente tolerância das pessoas à temperatura.

Basicamente, a questão que apela ao conforto pedestre está assente na perda de calor por

parte do corpo humano. Humpreys (1970) estabeleceu limites inferiores de calor chamando-lhe

onset shivering e limites superiores onset of sweting e escalou a temperatura envolvente no


43

conforto pedestre. A Figura 2.36, representa um exemplo particular da taxa de metabolismo

numa pessoa submetida a duas atividades ou um passeio pela via pública, ou permanecer

estaticamente à exposição solar.

Outro efeito indesejável proveniente da presença do vento ao nível pedestre está relacionado

com questões acústicas. Assim, tanto ao nível dos cantos dos edifícios altos, como das

persianas, aberturas de ventilação na fachada, faixas ou outros revestimentos, poderão ser

originadas situações de desconforto sonoro. Em muitos casos, este fenómeno é acompanhado

de vibrações que originam por fatiga, o desgaste dos materiais. Berhault (1977) ocupou parte

dos seus estudos a esta temática.

Figura 2.36 - Critério de conforto pedestre segundo Humpreys (1970) - (temperatura).

Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental

44


45

CAPÍTULO 3

DESCRIÇÃO DO TRABALHO

EXPERIMENTAL

A preocupação com o conforto pedestre, e em situações limite com a segurança do peão, tem

vindo progressivamente a fazer parte das condicionantes do planeamento urbano.

Esta tendência tem gerado a necessidade de investimento no estudo do vento ao nível

pedonal, particularmente nos aspetos que influenciam de forma direta a circulação das pessoas

no meio urbano.

O recurso a ensaios em túnel de vento tem facilitado o estudo dos efeitos do vento em espaços

abertos, em aglomerados de edifícios, na análise da estrutura dos edifícios, nas dispersões de

poluentes na atmosfera, no conforto e na segurança pedestre, entre outros. Nestes ensaios a

escala dos modelos depende tanto das dimensões da secção do túnel, como do tipo de estudo

– estrutural ou do ambiente em redor das estruturas -, e também dos critérios de semelhança.

Constitui portanto, um método bastante eficiente na previsão de efeitos e resultados.

Entre as diversas técnicas existentes para a determinação das características do escoamento

do vento (velocidade, direção, intensidade de turbulência) em túnel de vento, destacam-se

neste trabalho o método das figuras de erosão e da anemometria de fio quente. O método das

figuras de erosão consiste basicamente na dispersão de uma camada fina de areia na área a

estudar, que, após sofrer a ação do vento, é erodida. A análise destas figuras de erosão

permite fundamentar hipóteses acerca do campo velocidade ao nível pedestre (Prata e Barros,

2005). A anemometria de fio quente permite fazer a análise de velocidades em pontos

estratégicos do modelo em estudo.

No presente estudo foram ensaiadas diferentes configurações de edifícios dispostos numa

matriz 3x3 por forma a avaliar o impacto da geometria dos edifícios (altura e largura) e dos

arruamentos no escoamento do vento ao nível pedestre.

Neste capítulo efetuar-se-á uma descrição dos casos de estudo ensaiados, do túnel de vento e

equipamentos que serviram de suporte às técnicas das figuras de erosão e da anemometria

adotadas. Será também descrita a simulação da camada limite atmosférica necessária para

que os ensaios fossem realizados sob condições de ambiente urbano.


46

3.1 Casos de estudo

O modelo físico consiste no arranjo em matriz 3×3 dos obstáculos constituídos por um conjunto

de cubos com largura (L) de 7,5 cm. Os obstáculos são caracterizados por uma largura (B) e

uma altura (H), em 3 linhas (i =1,2,3), na direção normal ao escoamento e em 3 colunas (j

=1,2,3) longitudinais, tendo sido considerados nove casos de estudo:

Caso 1: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐻𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿 , 𝑖 ≤ 2;

Caso 2: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐻𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿;

Caso 3: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿 𝑒 𝐻𝑖 ,𝑗 = 2𝐿;

Caso 4: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿 𝑒 𝐻1,𝑗 = 𝐻2,𝑗 =𝐿

2 , 𝐻3,𝑗 = 2𝐿;

Caso 5: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿 𝑒 𝐻1,𝑗 = 𝐻2,𝑗 = 𝐿 , 𝐻3,𝑗 = 2𝐿;

Caso 6: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐻𝑖 ,𝑗 = 𝐿 𝑒 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿

2;

Caso 7: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐿 𝑒 𝐻𝑖 ,𝑗 = 2𝐿 𝑒 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿

2;

Caso 8: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐻𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿 𝑒𝑥𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜 𝐻2,2 = 2𝐿;

Caso 9: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿 𝑒 𝐻1,𝑗 = 𝐻2,𝑗 = 𝐿 , 𝐻3,𝑗 = 2𝐿 𝑐𝑜𝑚 𝑝𝑎𝑙𝑎 𝑒𝑚 𝐻3,𝑗 ;

Os elementos cúbicos utilizados são de madeira e os paralelepípedos com 𝐻 =𝐿

4 são de

poliestireno extrudido. Pretende-se representar edifícios com cerca de 10 andares (3x10=30

metros) à escala 1/400. Salienta-se que uma vez que os corpos têm arestas vivas - zonas

onde se dão os pontos de separação do escoamento - e o número de Reynolds é superior a

2𝑥104, os resultados não são comprometidos devido à violação da condição de semelhança de

Reynolds.

A Figura 3.1 ilustra o posicionamento dos modelos físicos na zona de ensaio e a direção do

escoamento do vento no túnel de vento do LNEC. O espaçamento dos arruamentos (Gap)

entre as edificações pode variar de L/2 a L, consoante o caso.

Figura 3.1 - Posição dos modelos físicos na zona de ensaio do túnel de vento e

direção do escoamento (seta).


47

De seguida, apresentam-se os casos analisados na campanha experimental:

- Caso 1

Apresenta uma matriz de 2 linhas e 3 colunas (2x3), na qual 6 cubos de igual aresta (L) são

dispostos a uma distância entre faces também de L. Neste caso, B é igual a H e, por sua vez,

iguais ao espaçamento (gap), constituindo uma configuração com número de filas x largura B x

altura H de 2xLxL (Figura 3.2).

Figura 3.2 - Caso 1, configuração (2xLxL) com gap = L.

- Caso 2

Corresponde a uma matriz 3x3, na qual 9 cubos de madeira de arestas iguais (L), são

dispostos na malha regular ilustrada na Figura 3.3, com espaçamento L entre elementos. O

conjunto de edifícios é do tipo (3xLxL).

Figura 3.3 - Caso 2, configuração (3xLxL) com gap = L.

- Caso 3

É semelhante ao caso 2, com a diferença de os obstáculos terem altura dupla 𝐻𝑖 ,𝑗 = 2𝐿. A

matriz é caracterizada por uma configuração (3xLx2L) com gap = L (Figura 3.4).

- Caso 4

Este caso já apresenta algumas particularidades face aos anteriores, na medida em que é

constituído por duas linhas com 𝐻 =𝐿

2, para i =1,2, e para i =3, 𝐻 = 2𝐿. O espaçamento entre

edifícios permanece igual aos anteriores (gap=L), quer no eixo x, quer no eixo y. A

configuração é definida por ((2xLx 𝐿

2 ) + (1xLx2L)) (Figura 3.5).


48

- Caso 5

É idêntico ao caso 4 com a diferença da altura das duas primeiras linhas, passaram a ter de um

H = L, em vez de H = 𝐿

2 . A configuração de edifícios é do tipo ((2xLxL) + (1xLx2L)) (Figura 3.6).

Figura 3.6 - Caso 5, configuração ((2xLxL) + (1xLx2L)) com gap = L.

- Caso 6

Este caso é semelhante ao caso 2 (os elementos têm H=B=L), exceto na distância entre

edifícios. De facto, no caso 6 existe um estreitamento do arruamento entre edificações,

assumindo um gap de 𝐿

2 ao invés de L, nas direções quer normal quer longitudinal ao

escoamento. A configuração de edifícios é caracterizada por (3xLxL) com gap de 𝐿

2 (Figura 3.7).

Figura 3.7 - Caso 6, configuração (3xLxL) com gap = 𝑳

𝟐.

- Caso 7

Este caso difere do anterior (caso 6) apenas na altura H, que neste caso é o dobro da medida

L. Caracteriza-se por uma configuração (3xLx2L) com um gap de 𝑳

𝟐 (Figura 3.8).

Figura 3.4 - Caso 3, configuração (3xLx2L)

com gap = L.

Figura 3.5 - Caso 4, configuração ((2xLx 𝑳

𝟐 ) +

(1xLx2L)) com gap = L.


49

Figura 3.8 - Caso 7, configuração (3xLx2L) com gap = 𝑳

𝟐.

- Caso 8

Este caso tem apenas um dos obstáculos - aquele que se encontra na posição (2,2) da matriz

com uma altura diferente dos restantes e denomina-se por caso da pirâmide. Desta forma, este

caso é em tudo semelhante ao caso 2, apenas com a desconformidade no obstáculo central,

onde se adota um (𝐻2,2 = 2𝐿), em redor de obstáculos com as alturas H=L. Pretende-se avaliar

o efeito de um edifício mais alto numa malha de edifícios de cotas mais reduzidas. Tenta-se

também reproduzir um efeito de aumento de altura das edificações da periferia para o centro,

daí o nome de pirâmide. É caracterizado por uma configuração de edifícios (3xLxL), salvo na

célula central da malha onde H é igual a 2L (Figura 3.9). O espaçamento entre obstáculos nas

duas direções corresponde à medida L.

Figura 3.9 - Caso 8, configuração (3xLxL) com gap = L, salvo na célula (2,2)

que é caracterizada por (LxLx2L).

- Caso 9

Neste caso são adicionados elementos (em cartolina) que simulam uma pala na fachada frontal

da última linha de edifícios (i=3), exatamente a 1

4 da altura total do edifício (que à escala 1/400

corresponde a uma pala de 5 metros de comprimento. A configuração de edifícios é ((2xLxL) +

(1xLx2L)), com arruamento (gap) igual a L (Figura 3.10).


50

Figura 3.10 - Caso 9, bloco ((2xLxL) + (1xLx2L)) com pala na última linha

de edifícios e gap = L.

3.2 Descrição da instalação experimental e equipamentos de

medição

3.2.1 Túnel de vento

O túnel de vento do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), onde os ensaios foram

efetuados, é um túnel aberto de sucção, isto é, sem recirculação de ar, que tem uma secção

retangular com dimensões 3,1x2,0 m3 (largura x altura) e 9,0 m de comprimento. É um túnel de

baixa velocidade com seis ventiladores axiais, com uma potência unitária de 11 kW. Na Figura

3.11, apresenta-se a planta do túnel de vento.

Figura 3.11 - Planta do túnel de vento do LNEC.

A câmara de ensaio do túnel de vento é de seção retangular, com largura de 3,1 m e altura de

2,0 m (Figura 3.12).

Figura 3.12- Seção transversal da câmara de ensaio do túnel de vento do LNEC.


51

A Figura 3.13 mostra a disposição dos 6 ventiladores do túnel de vento do LNEC e as Figuras

3.14 a) e b) ilustram o comando central do túnel de vento onde é feito o controlo dos

ventiladores (ativação) e a regulação do seu funcionamento (rotações).

Figura 3.13 - Ventiladores do túnel de vento do LNEC e respetiva numeração.

A velocidade dentro da câmara de ensaio do túnel de vento é ajustável em patamares de cerca

de 3,5 m·s-1

, correspondendo esta velocidade ao acionamento de cada um dos seis

ventiladores (Figuras 3.13 e 3.14 b)). Estes encontram-se a jusante da secção de ensaios

havendo ainda a possibilidade de controlar por meio de um variador de frequências no exterior

do túnel, dois dos ventiladores (ventilador 3 e 6) (Figura 3.14 a) e b)). Tanto o ventilador 3

como o ventilador 6 têm uma potência máxima correspondente às 1500 rpm, cada um deles. A

composição exterior do túnel de vento é apresentada nas Figuras 3.15 a) e b).

Figura 3.14 – Comando central do túnel de vento do LNEC: a) Ativação dos

ventiladores; b) regulador de rotações.

Figura 3.15 - Túnel de vento do LNEC: a) zona de contração; b) zona do

difusor e ventiladores.

a) b)

a) b)

a) b)

a) b)


52

3.2.2 Equipamento de medição da pressão e da velocidade do

escoamento

3.2.2.1 Tubos de Pitot

A pitometria é uma técnica há muito utilizada para a determinação de velocidades médias

pontuais do escoamento de fluidos. Apresenta como vantagens os reduzidos custos de

aquisição e operacionais. Para além disso, não necessita de procedimentos de calibração e

produz resultados satisfatórios (Soares, 2008).

A utilização do tubo de Pitot baseia-se no fato de qualquer fluido em movimento produzir uma

pressão dinâmica (energia cinética), para além da sua pressão estática (Dalmée, 1983). A

pressão estática, captada pelos orifícios laterais do tubo (Figura 3.16), deriva das condições

termodinâmicas do fluido e estará sempre patente ao fluido, mesmo que este esteja em

repouso. A pressão total é adquirida sempre que a velocidade do escoamento de um fluido é

bruscamente interrompida até à sua estagnação, na qual se admite como hipótese a

desaceleração isentrópica. Para tal, aquando da fase experimental deve certificar-se que o

orifício de medição da pressão total (na cabeça do tubo de Pitot) (Figura 3.16) está alinhado na

direção do escoamento. Por fim, a pressão dinâmica é determinada através da subtração da

pressão estática à pressão total (estagnação).

No presente trabalho é utilizado o tudo de Pitot-Prandlt ou estático, o qual é dotado de uma

haste de inserção que faz com a outra extremidade um ângulo de 90º. Esta haste é constituída

por dois tubos concêntricos que fazem a ligação individual entre um conjunto de orifícios

laterais e o orifício frontal com a extremidade traseira do instrumento. Tanto a geometria da

ponta, como os orifícios laterais e o frontal devem estar bem definidos, de forma a evitar

resultados distorcidos.

Figura 3.16 - Estrutura interna de um tubo de Pitot-Prandlt [2].

Nesta técnica de ensaio, é imprescindível conhecer as fontes de erro de forma a conseguir

evitá-los. Com este intuito, os ensaios devem ser realizados de modo a que o escoamento em

torno do próprio tubo seja pouco perturbado por este, de modo a não influenciar a medição da

pressão estática. Poderão ser apontadas outras causas de erro, tais como, efeitos do

desalinhamento do tubo em relação às linhas de corrente do escoamento, fenómenos de

viscosidade e de tensões tangenciais (devido ao gradiente de velocidade), influência da

Pt – pressão total Ps – pressão estática

Pressão lida nos instrumentos


53

turbulência ou da vibração, interferência das paredes do túnel de vento (caso o tubo esteja a

uma distância desigual das paredes laterais, este poderá ser afetado por um escoamento

assimétrico), do formato da ponta ou mesmo do suporte, como também poderão coexistir

divergências ao nível da pressão atmosférica e temperatura ambiente (Soares, 2008).

Para a presente campanha experimental, o tubo de Pitot-Prandlt é disposto no interior do túnel

de vento e fixo no teto, na região imediatamente a montante da zona de ensaio. Assim,

consegue medir-se a velocidade gradiente do escoamento, que funciona como referência aos

ensaios subsequentes (Figura 3.17).

Figura 3.17 - Tubo de Pitot-Prandlt estático (teto do túnel de vento).

Foi utilizado também outro tubo de Pitot-Prandlt com as mesmas especificações do anterior,

que irá servir de apoio à medição da pressão do escoamento, agora para cotas inferiores

(perturbadas), podendo ser posicionada a diferentes cotas (Figura 3.18).

Estes dois tubos de Pitot-Prandlt, comunicam com uma célula de pressão (transdutor de

pressão PSI®, com scanners ESP HD cujas especificações podem ser encontradas em [3]),

que efetua diretamente a diferença da pressão total (P0) e da pressão estática (Pe) da seguinte

forma:

𝑃𝑑 = 𝑃0 − 𝑃𝑒 (3.8)

Figura 3.18 - Tubo de Pitot-Prandlt volante e respetivo suporte.


54

onde P0 é a pressão de estagnação (total), Pe a pressão estática e Pd a pressão dinâmica na

unidade de pressão, Pascal (Pa). Nestas circunstâncias, sabendo que a pressão dinâmica

poderá ser obtida através de:

𝑃𝑑 =1

2𝜌𝑣2 (3.9)

e que,

𝑣 = 𝑃0−𝑃𝑒

𝜌× 2

1

2 (3.10)

onde ρ, corresponde à massa específica do fluido, neste caso do ar (ρar = 1,23 kg/m3),

determina-se a velocidade local do escoamento (v), em m·s-1

.

Em simultâneo, e por razões de controlo do ensaio, associou-se um micromanómetro Van-

Essen, tipo Betz [5], ao tubo de Pitot-Prandlt para a determinação da pressão dinâmica de

referência, do escoamento (Figura 3.19). Este instrumento possui um tubo no seu interior com

um fluido. O nível deste líquido é medido através de uma escala flutuante de vidro que

acompanha a variação da pressão. Este micromanómetro tem a incerteza de 0,5 Pa.

No que diz respeito ao software, foi instalado durante a fase de ensaio, o DTC Initium®

(especificações em [4]), onde os resultados das células de pressão foram registados.

Figura 3.19 – Micromanómetro Van-Essen,

do tipo Betz.

Verifica-se ainda que para cada ensaio, é efetuada uma medição a “zero”, a qual consiste na

obtenção da pressão a determinada cota com os ventiladores do túnel de evento desativados,

isto é, com velocidade igual a 0 m·s-1

. Este processo é repetido para cada ensaio e ao

resultado do ensaio propriamente dito, é subtraído o “zero” correspondente.

3.2.2.2 Anemometria de fio quente

Para se proceder ao estudo de escoamentos turbulentos, é necessário recorrer a instrumentos

e técnicas que permitam uma elevada velocidade de resposta de modo a fazer um registo das


55

variações ocorridas ao nível das velocidades de escoamento. Deste modo, além da técnica da

pitometria (Pitot-Prandlt) para a avaliação de velocidades médias do escoamento, recorreu-se

também ao método da anemometria de fio quente, para a determinação de velocidades médias

e de intensidade de turbulência do escoamento.

Assim, a avaliação da velocidade do escoamento do vento no túnel, pode ser obtida através de

medições com anemómetros de fio quente que se baseia na transferência de calor por

convecção. Efetivamente, o fio quente do anemómetro exposto ao escoamento de um fluido

(neste caso o ar) mais frio tem tendência a arrefecer, existindo uma relação entre a diminuição

da temperatura do fio quente e a velocidade do vento que o atravessa.

A técnica consiste na medição do vetor velocidade e das suas flutuações, podendo também ser

utilizada na determinação de temperaturas em fluidos. Os anemómetros podem variar a sua

geometria, o material do seu sensor, o princípio de funcionamento, bem como o tipo de sonda

que suporta.

Deste modo, dependendo das particularidades do fluido (viscosidade, densidade,

condutividade térmica, calor específico, entre outros) e das características do escoamento

(pressão, velocidade, temperatura) pode relacionar-se a taxa de transferência de calor

dissipada pelo fio quente e a velocidade do fluido. Neste contexto, pode assumir-se um

anemómetro como um dispositivo transdutor térmico, pois transforma energia térmica em sinais

elétricos.

Neste trabalho foi utilizada uma cadeia de anemometria de fio quente MiniCTA (Figura 3.20),

da DANTEC [6], com uma sonda unidirecional (1D) do tipo SP11 (Figura 3.21). A sonda de fio

quente é composta por um filamento metálico – tungsténio -, cujas dimensões diametrais são

da ordem dos micrómetros, formando uma haste que é exposta ao movimento do fluido. Este

filamento é dotado de uma corrente elétrica que gera calor e que, por efeito de Joule, é

transferido ao fluido (Figura 3.21). Para estes circuitos, é usualmente utilizada a ponte de

Wheatstone, que consiste numa tipologia de circuito elétrico capaz de diagnosticar pequenas

variâncias nas resistências dos elementos elétricos (Queiroz, 2006).

Figura 3.20 – Sistema MiniCTA [6].


56

Figura 3.21 – Composição interna de um anemómetro de fio quente (Queiroz, 2006).

Neste procedimento experimental, a entrada da ponte de Wheatstone é feita por meio de um

anemómetro de temperatura constante (CTA), da DANTEC, pois estes têm a capacidade de

fornecer uma compensação espontânea e precisa para a inércia térmica do filamento aquecido,

produzindo desta forma um ajuste ao ponto de operação do circuito quando as condições do

escoamento variam. Para dispositivos experimentais, como é o caso deste trabalho, onde são

exigidas velocidades reduzidas, este tipo de anemómetro que funciona com base na troca de

calor entre o sensor e o fluido é o mais adequado, pois a alteração da resistência elétrica do

sensor pode ser transformada na grandeza velocidade do fluido (Sampaio et al., 1998).

Para obter resultados mais precisos, deve ter-se em atenção um conjunto de fatores que

poderão influenciar a qualidade dos dados adquiridos. Uma alteração ao nível do mecanismo

de transferência de calor entre o sensor e o fluido poderá resultar numa deturpação de

resultados, pois a anemometria de fio quente tem grande dependência da temperatura

ambiente local. Por conseguinte, são consideradas como perturbações qualquer variação que

poderá ocorrer no escoamento do fluido ou mesmo ao nível da sonda, mais especificamente: a

humidade (a presença de água sob a forma de vapor aumenta o coeficiente de transmissão

térmica que resultará num aumento de resposta do fio quente e, consequentemente, numa

falsa interpretação do aumento da velocidade); a presença de partículas no escoamento (que

poderá depositar-se sob o sensor, diminuindo a superfície de contacto entre este e o fluido); a

temperatura do fluido (na medida em que a transferência de calor é diretamente proporcional à

diferença de temperatura entre a sonda e o fluido); os efeitos aerodinâmicos provocados pelo

escoamento, visto que a formação de pequenos vórtices (esteira de vórtices de Von Karman)

atrás do filamento induzem uma vibração do sensor, e o próprio escoamento produz na haste e

ao nível dos dentes, uma ligeira alteração nas suas direções (Queiroz, 2006).

Tal como se ilustra na Figura 3.22, o processo de aquisição da velocidade do escoamento com

recurso à anemometria de fio quente foi através de um dispositivo CTA. Assim, o escoamento

do fluido, ao incidir sobre o filamento da sonda (utilizada sonda apenas com um filamento), faz

variar a sua resistência elétrica. Consequentemente a tensão de saída é amplificada “k” vezes,

sendo este valor proporcional à velocidade de escoamento do fluido. O valor amplificado

através do amplificador de corrente “I”, ativa a ponte de Wheatstone, fazendo a correção da


57

temperatura da sonda. De modo a trabalhar digitalmente os dados, o valor da velocidade do

escoamento é registado num computador por meio de um dispositivo de aquisição de dados. O

valor digitalizado é relacionado com a velocidade segundo a curva de calibração do

anemómetro (Eguti, 2005).

Salienta-se que nos ensaios por esta metodologia, os anemómetros são submetidos a uma

leitura a cada ensaio, denominada de “zero”, na qual é adquirida a voltagem de saída do fio

quente quando os ventiladores do túnel de vento estão inativos (v=0 m·s-1

). Esta leitura é

subtraída às leituras efetuadas para cada ensaio.

Figura 3.22 - Processo de aquisição da velocidade de um escoamento com

recurso à anemometria de fio quente (Eguti, 2006).

A calibração do anemómetro simples de fio quente foi obtida pelos valores da tensão de saída

do anemómetro em função de cada pressão ou velocidade do escoamento à qual o fio é

submetido. Neste contexto, obteve-se uma curva de calibração onde para cada valor da

velocidade do escoamento se obtém o registo de sinal elétrico respetivo.

A calibração da cadeia de anemometria de fio quente MiniCTA da DANTEC com sonda 1D

SP11 com uma gama de velocidades entre 0,05 e 500 m·s-1

foi realizada no túnel aerodinâmico

do Laboratório Nacional de Engenharia Civil, neste caso de circuito fechado, que tem uma

câmara de ensaios com dimensões 1,25x1,00x3,00 m2 (Figura 3.23).

Figura 3.23 - Túnel de vento com circuito fechado, LNEC.


58

Através da instrumentação National Instruments high-speed USB carrier, NI USB – 9162 [7] e

do software MiniCTA, procedeu-se à calibração do anemómetro de fio quente, da seguinte

forma:

- registo da pressão atmosférica e da temperatura ambiente, com um termómetro com

manómetro de mercúrio Torriceli da LAMBRECHT [8] (com gama de medição entre 600-830

mmHg com precisão de 1 mmHg) e da temperatura no interior da câmara de ensaios, com um

termómetro da ROTRONIC com sonda PT100 [9] (com gama de medição entre -20oC e +60

0C

com precisão de 0,3oC), ligado a um sistema de leitura BM-59. Em cada ensaio são registadas

as temperaturas;

- disposição do anemómetro de fio quente à cota pretendida, aproximadamente a 30

centímetros do teto do túnel de vento, na zona de ensaio. A sonda PT100 do anemómetro é

colocada na direção normal ao escoamento do vento de forma a avaliar a velocidade apenas

com esta componente;

- ativação do ventilador do túnel de vento e entrada em funcionamento deste em circuito

fechado e dos instrumentos de aquisição de dados do anemómetro. De referir que a frequência

de aquisição de dados do software é de 0,10 kHz resultando num total de 1024 registos

(samples) por ensaio, referente a cada pressão/velocidade imposta ao escoamento no túnel.

O objetivo do processo de calibração dos anemómetros de fio quente centra-se na

determinação, com a maior precisão e rigor possíveis, da relação entre o sinal de saída dos

equipamentos de aquisição de dados, em volts (V), e da grandeza física que se quer avaliar,

neste caso a velocidade do escoamento do ar, em m·s-1

. Poder-se-ia avaliar as diferentes

componentes da velocidade do escoamento, mas como a sonda é unidirecional apenas se

calibrou a direção da velocidade longitudinal do escoamento. Os dados adquiridos são tratados

de modo a formular um polinómio em função do sinal elétrico, no qual a velocidade do

escoamento é a variável dependente.

Os resultados da calibração do anemómetro de fio quente estão representados na Tabela 3.1 e

os valores dos sinais elétricos são obtidos pela média dos 1024 registos (samples) para cada

ponto, em 10 segundos. Os valores da velocidade são gerados pela eq. 3.9, usando para a

massa específica do ar (ρ) um valor característico do túnel de vento, no momento do ensaio,

que tem em conta a temperatura ambiente, a temperatura no interior do túnel e a pressão

atmosférica.

Fazendo a correspondência do sinal elétrico (eixo das abcissas) e das velocidades associadas

(eixo das ordenadas), obtém-se a curva de calibração do anemómetro de fio quente da Figura

3.24. Esta curva segue uma aproximação do tipo polinomial de grau 2 com um coeficiente de

correlação de 99,69%, o que equivale a uma boa aproximação aos dados experimentais.


59

Tabela 3.1 - Sinais elétricos adquiridos no processo de calibração do anemómetro de fio

quente e respetivas velocidades, para a gama de pressões do túnel adotadas.

Pressão no túnel de

vento (Pa)

Sinal elétrico em Volts (V)

Velocidade

média (m·s-1

)

5 1,3983 2,8831

6 1,6880 3,1583

9 1,8024 3,8681

12,8 1,8713 4,6130

18 1,9280 5,4704

24,2 1,9762 6,3429

32 2,0185 7,2939

36 2,0567 7,7363

46,2 2,0898 8,7640

57,9 2,1212 9,8112

A expressão característica da curva de calibração do anemómetro é a seguinte:

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑥 = 𝑣𝑜𝑙𝑡 = 28.329881𝑥2 − 92.951755𝑥 + 79.355048 (𝑚 ∙ 𝑠−1) (3.11)

Figura 3.24 - Curva de calibração do anemómetro de fio quente.

3.3 Metodologia de ensaio e técnicas experimentais

3.3.1 Metodologia de ensaio

Os edifícios estão submersos num escoamento atmosférico do tipo turbulento, e por esta

razão, a simulação do comportamento aerodinâmico das estruturas edificadas deverá ser

estudada em túneis de vento com características semelhantes ao vento natural. Blessman

(1986), explica que túneis de vento construídos com o intuito da aplicação em engenharia civil


60

devem ter uma relação de comprimento e altura superior a oito, com o intuito de aproximar os

resultados da realidade (Wu, 1994).

Entre as várias técnicas de avaliação dos efeitos do vento ao nível pedestre, destacam-se

nesta dissertação, duas técnicas baseadas na aquisição pontual de dados: Pitometria com tubo

de Pitot-Prandlt e Anemometria com fio quente (Tabela 3.2). A estas técnicas alia-se o Método

das Figuras de Erosão baseado numa análise mais qualitativa dos efeitos do vento, por meio

das mudanças registadas na área superficial do modelo.

Tabela 3.2 – Métodos (pontuais e de análise de área) de avaliação dos ventos ao

nível pedonal (Wu, 1994).

Métodos de medições pontuais Métodos de medições por área

Anemómetro térmico

Tubo de Pitot

Sensor de pressão

Indicador esférico do escoamento

Indicador cilíndrico da força

Dinamómetro ótico

Anemometria com Laser-Doppler

Velocimetria de imagem

Método das figuras de erosão

Visualização do escoamento à superfície

Injeção de partículas

Linhas de corrente (fumo)

Termografia (infravermelhos)

Os estudos aerodinâmicos requerem uma atenção especial para as características do

escoamento do vento de forma a obter uma proximidade entre o modelo e o real. Usualmente,

os requisitos resumem-se à semelhança geométrica dos modelos, à descrição idêntica do perfil

vertical das velocidades médias e das intensidades de turbulência e à condição de semelhança

do número de Reynolds para o modelo simulado e para a estrutura real (3.18). Porém, tal como

se referiu anteriormente, no presente caso de estudo os modelos físicos têm arestas vivas e,

uma vez que Re ≥ 2𝑥104, apenas é necessário cumprir a semelhança geométrica e averiguar

se o escoamento obtido em túnel de vento representa fiavelmente as características do

escoamento atmosférico real.

A metodologia dos ensaios em túnel de vento adotado no presente trabalho seguiu os

seguintes passos:

- simulação da camada limite atmosférica (CLA) no túnel de vento e descrição dos perfis de

velocidade média e turbulência, tendo em conta o tipo de terreno no qual se insere o modelo

real (estabelecer parâmetro α e δ);

- construção do modelo físico à escala geométrica correta (edifícios e zona de ensaio);

- submeter o modelo físico a ensaios em túnel de vento às velocidades pretendidas;

- utilizar a técnica de figuras de erosão para a avaliação das velocidades ao nível do solo para

as diferentes configurações de edifícios a ensaiar (casos de estudo em 3.1);


61

- utilizar a técnica da anemometria para a determinação dos valores das velocidades pontuais a

cerca de 2 metros de altura (nível de referência na avaliação do conforto pedestre);

- analisar e interpretar os resultados obtidos.

Realçam-se algumas considerações na experimentação em túnel de vento entre as quais: (1) a

escala do modelo deverá ser o mais próximo possível da escala da simulação da camada limite

atmosférica; (2) as escalas das simulações da camada limite, com espessura parcial, num túnel

de vento com aproximadamente 1 metro de altura devem ser da ordem de 1/300, segundo

Blessmann (1986) (no presente caso de estudo adotou-se uma escala de 1/400 para um túnel

de vento com 2,0 m de altura); (3) a altura dos modelos de ensaio não deverá ultrapassar

largamente a meia altura do túnel de vento na zona de ensaio; (4) a maior dimensão em planta

(comprimento) dos modelos isolados não deverá exceder muito 50% da largura da câmara de

ensaio de forma a evitar interferências indesejáveis no escoamento do vento devidas à

proximidade das paredes laterais do túnel ou mesmo do escoamento em torno do modelo

(efeito de blocagem) (Moacyr, 2006).

De seguida são descritas as técnicas de ensaio utilizadas no presente estudo.

3.3.2 Técnica experimental da simulação da camada limite atmosférica

(CLA)

O presente estudo envolve a avaliação do conforto pedestre em meio urbano. Neste contexto,

surge a necessidade de simular as condições de uma camada limite atmosférica (CLA) no túnel

de vento. Entre os diversos métodos de simulação deste tipo de camada, centrou-se especial

atenção no Método de Irwin (Irwin, 1981), pois o ensaio irá ser realizado em túnel de vento

curto. Estes túneis são projetados de forma a que no seu interior tanto a velocidade do vento

como a pressão sejam as mais constantes possíveis. Para isso, a configuração da seção do

túnel tem um alargamento progressivo de montante para jusante e os ventiladores têm

características específicas.

O método de simulação da CLA em túnel de vento é dotado de um conjunto de fórmulas de

dimensionamento dos elementos de rugosidade em função de uma lei potencial, conferindo ao

modelo uma certa flexibilidade, de modo a conseguir, para diferentes configurações dos

elementos de rugosidade e da geometria do túnel, os resultados esperados. A camada limite

atmosférica real é simulada através de uma camada limite que se desenvolve sobre uma

superfície plana com determinada rugosidade. Aqui, a rugosidade superficial tem efeito

semelhante que a orografia do terreno ou as edificações têm na atmosfera, estabelecendo,

deste modo, um perfil de velocidades médias com determinadas características de turbulência.


62

A metodologia consiste em dispor no início do túnel (a montante) elementos passivos

(pináculos), de modo a provocarem simultaneamente um escoamento preferencial pela parte

superior do túnel (daí a forma triangular desses elementos) e fenómenos de turbulência. Ao

longo do túnel são ainda dispostos elementos de rugosidade cúbicos, na direção transversal e

longitudinal do chão do túnel, cuja função é promover rugosidade ao escoamento,

proporcionando a colisão dos vórtices e originando, desta forma, vórtices de comprimento de

onda aproximados aos que se geram na realidade (Lopes, 2008).

A Figura 3.25 a) apresenta a posição relativa dos elementos. A Figura 3.25 b), pormenoriza o

elemento passivo (pináculo) destacando a sua face frontal triangular suportada por uma face

de separação no seu prolongamento traseiro.

O Método de Irwin (Irwin, 1981), é suportado por um conjunto de fórmulas de

dimensionamento, fundamentadas no equilíbrio entre o défice de quantidade de fluxo na zona

da camada limite e o efeito do coeficiente de arrastamento dos elementos passivos (pináculos

e cubos). Não obstante o carácter empírico desta metodologia, esta torna-se bastante útil na

simulação da camada limite atmosférica que é imprescindível à fase seguinte do trabalho

experimental.

Este método considera um conjunto de fórmulas de dimensionamento dos elementos de

rugosidade que permitem uma aproximação à CLA que se pretende simular, através da

contabilização de duas características primordiais: a altura da camada limite (δ) e o expoente

da lei potencial do perfil da camada limite (eq. 2.8) que diz respeito ao tipo de terreno (α).

Segundo Irwin (1971), a distância à qual se pode garantir uma uniformidade transversal da

camada limite ronda os 6. 𝑕 (sendo h, a altura dos pináculos). Desta forma, aumentando a

largura da base dos pináculos numa proporção 6

𝑥 , a camada limite será obtida a uma distância

𝑥. 𝑕, sendo aconselhável a adoção de um x não inferior a 4,5 (Lopes, 2008).

Para calcular a altura (h) dos pináculos que se colocam no início do túnel de vento recorre-se a

fórmula:

Figura 3.25 - a) Disposição dos elementos que conduzem à formação da camada limite atmosférica

com altura δ; b) Configuração dos elementos passivos triangulares (pináculos) - adaptado de Irwin

(1981).

a) b) a) b)


63

𝑕 =1,39×𝛿

1+𝛼

2

(3.12)

A largura da base dos pináculos triangulares (b) é obtida através da combinação das seguintes

expressões:

𝑏

𝑕=

1

2× 𝛹 ×

𝐻

𝛿

1+𝛹 × 1 +

𝛼

2 (3.13)

em que H é a altura de ensaio do túnel de vento.

O parâmetro 𝛹 é determinado pela seguinte expressão:

𝛹 = 𝛽 ×

2

1+𝛼 +𝛽−

𝑥

6×1,13×𝛼×

1

1+𝛼 1+𝛼2

1−𝛽 2 (3.14)

onde o parâmetro β é calculado pela expressão 3.15, e tem em conta a existência de

elementos que provocam rugosidade localizados no chão do local de ensaio.

𝛽 = 𝛿

𝐻 ×𝛼

1+𝛼 (3.15)

No dimensionamento da aresta (k) dos elementos de rugosidade cúbicos dispostos ao longo do

túnel de ensaio, e do espaçamento entre os seus eixos, recorre-se à seguinte expressão

empírica:

𝑘

𝛿= 𝑒

2

3 ×log 10

𝐷

𝛿 −0,1161

2

𝐶𝑓 +2,05

0,5 (3.16)

onde Cf corresponde ao coeficiente superficial de atrito necessário na obtenção de um perfil

potência do tipo α, que é definido para uma situação de equilíbrio, por Gartshore (1973), como:

𝐶𝑓 = 0,136 × 𝛼

1+𝛼

2

(3.17)

Referira-se que a validade da expressão 3.16 assume-se válida para uma gama de valores

compreendida entre:

30 <𝛿×𝐷2

𝑘3 < 2000 (3.18)

No presente trabalho pretende-se simular os casos de estudo descritos no subcapítulo 3.1 em

ambiente suburbano ao qual corresponde uma CLA de α=0,23. Tendo em conta as dimensões

do túnel de vento já mencionadas em 3.2.1, definiu-se que a camada limite iria assumir um

comportamento transversal uniforme, a uma distância 𝑥. 𝑕 (sendo h a altura dos pináculos),

estabelecendo para a incógnita x o valor limite mínimo de 4,5, pois pretende-se que a CLA se


64

forme o mais rápido possível e que tenha espaço e tempo suficientes para se estabilizar antes

de chegar à zona de ensaio.

Para a definição da altura gradiente (δ) da camada limite, fez-se um estudo preliminar para

diferentes dimensões dos pináculos (spires) e seu distanciamento, assim como diferentes

distâncias à qual a camada limite atmosférica assume valores constantes. Na Tabela 3.3

apresenta-se o dimensionamento dos elementos passivos pináculos em função do parâmetro

δ.

Tabela 3.3 - Dimensionamento dos elementos passivos (pináculos) em função da altura da

camada limite (δ).

Altura gradiente - δ (m) 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3

Altura do spire - h (m) 0,853 0,975 1,097 1,219 1,341 1,463 1,585

Separação dos eixos dos spires – d (m)

0,426 0,487 0,548 0,609 0,670 0,731 0,792

Largura da base da superfície de separação

do spire – e (m) 0,213 0,243 0,274 0,304 0,335 0,365 0,396

(b/h) 0,190 0,192 0,194 0,196 0,198 0,199 0,201

CLA formada à distância x.h (m)

3,840 4,389 4,938 5,486 6,035 6,584 7,132

Ψ 0,132 0,156 0,181 0,208 0,236 0,266 0,297

β 0,076 0,087 0,098 0,109 0,120 0,131 0,142

Número de pináculos do modelo

7 6 6 5 5 4 4

Largura da base do pináculo - b (m)

0,16 0,19 0,21 0,24 0,27 0,29 0,32

Coeficiente superficial de fricção (Cf)

0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006

Atendendo à Tabela 3.3 e aos requisitos anteriormente descritos, nomeadamente à geometria

do túnel e à escala dos ensaios (1/400), a altura da camada limite mais viável corresponde a

δ=1,0 m. Deste modo, a CLA é formada a 50% da altura (H) do túnel de vento e a cerca de

82% da altura (h) dos elementos passivos. Em termos longitudinais, consegue-se um

escoamento em CLA formado a cerca de 5,5 m do início do túnel. É para este valor que todos

os cálculos dimensionais foram efetuados. Os valores definitivos das dimensões dos pináculos

a aplicar no ensaio experimental da camada limite atmosférica estão apresentados na Tabela

3.4.

Tabela 3.4 - Dados definitivos de dimensionamento

dos elementos passivos (pináculos).

Altura do pináculo - h (m) 1,220

Separação dos eixos dos pináculos – d (m) 0,610

Largura da base da superfície de separação do pináculo – e (m)

0,305

Largura da base do pináculo - b (m) 0,240

Número de pináculos do modelo 5


65

Quanto ao dimensionamento dos elementos cúbicos, iterou-se a dimensão da aresta do cubo

(k) segundo a eq. 3.16. Numa primeira tentativa para um valor inicial de k = 0,03 m, verificou-se

que, para as características de camada limite pretendidas, tanto o limite indicado na eq. 3.18,

como a distância entre os eixos dos cubos não eram viáveis. Os valores de k só se tornaram

possíveis a partir de k = 0,065 m. Na Tabela 3.5 apresenta-se o dimensionamento dos

elementos da rugosidade para diferentes valores de aresta k.

Tabela 3.5 - Dimensionamento dos elementos passivos – cubos.

k (m) Distância entre

eixos dos cubos (m)

𝛅𝑫𝟐

𝒌𝟑

Distância entre Cubos – s (m)

𝑲

𝜹

Cf

0,09 0,282 109,568 0,192 0,09 0,006507813

0,095 0,340 135,345 0,245 0,095 0,006507813

0,1 0,406 165,384 0,306 0,1 0,006507813

De entre as combinações possíveis, escolheu-se para os elementos de rugosidade, um cubo

de aresta com 10 cm, obtendo-se uma disposição transversal de 7 linhas de 8 cubos,

intercalada com 6 linhas de 7 cubos, com uma distância entre eixos de 40,0 cm que

corresponde a um espaçamento entre faces dos cubos adjacentes de 30,0 cm. São dispostos

de uma forma desfasada, adotando um espaçamento entre duas linhas consecutivas com valor

igual ao espaçamento entre cubos, como se observa na Figura 3.26.

Salienta-se que dos 9 m totais do túnel, reservaram-se 2 m para a zona de ensaio, distando a

fila mais a jusante dos elementos de rugosidade cerca de 0,50 m da zona de colocação do

modelo físico a ensaiar, de forma a minimizar os efeitos locais dos cubos. Esta disposição de

13 linhas com 7 linhas de 8 cubos e 6 linhas de 7 cubos, resulta num total de 98 elementos

cúbicos de rugosidade (Figura 3.26).

Figura 3.26 - Elementos de rugosidade passiva utilizados na modelação

da presente camada limite atmosférica.

Para a avaliação das características do perfil da CLA simulada, foi utilizado um tubo de Pitot-

Prandlt a eixo do túnel de vento (a metade dos 3,10 metros transversais). Longitudinalmente, o

Pitot-Prandlt foi colocado a cerca de 0,50 metros antes da zona de ensaio. O procedimento


66

assumido baseou-se em medições de pressão, desde a cota zero, até à cota 80 cm, de forma a

averiguar as características da CLA. Em simultâneo, foram registados os valores da pressão a

jusante (no teto do túnel), utilizando o tubo Pitot-Prandlt de referência. Para cada cota, o

procedimento experimental teve os seguintes passos:

- colocação do tubo de Pitot-Prandlt na zona central do túnel (acima explicitada), à cota

pretendida;

- registo da temperatura exterior e interior do túnel;

- registo dos dados provenientes da célula de pressão no software DTC Initium®, durante 1

minuto e 30 segundos sem a ação dos ventiladores;

- ativação dos ventiladores 3 e 6 do túnel de vento, resultando um escoamento de cerca de 7

m·s-1

, com uma pressão ao nível do Pitot de referência de aproximadamente 33 Pa.

- registo dos dados provenientes da célula de pressão durante 1 minuto e 30 segundos.

Os passos anteriores foram repetidos para todas as cotas apresentadas na Tabela 3.6, e os

resultados foram registados no computador com o software DTC Initium® e tratados em Excel.

Nesta tabela mostram-se os resultados das células de pressão e as respetivas velocidades

médias calculadas pela eq.3.10 às diferentes cotas com o tubo de Pitot-Prandlt a 0,50 metros

da zona de ensaio.

Tabela 3.6 - Pressão média (Pa) e velocidade média

correspondente (m·s-1

) para cada cota z (cm) da camada

limite atmosférica.

Cota z (cm) Pressão média no ponto (Pa)

Velocidade média no ponto (m·s

-1)

10 11,871 4,393

20 22,849 6,095

30 23,134 6,133

40 25,656 6,458

50 27,814 6,725

60 27,993 6,746

70 30,098 6,995

80 30,319 7,021

No tubo de Pitot de referência (colocado junto ao teto do túnel de vento) e a montante da zona

de ensaio, registaram-se, em média, pressões no valor de 30,88 Pa, correspondendo a uma

velocidade aproximada de 7,0 m·s-1

. Analisando cada pressão no ponto, e pelas equações 3.9

e 3.10, chegou-se aos seguintes resultados (Tabela 3.7). As cotas em relação ao solo e

velocidades são transformadas em grandezas adimensionais, de forma a tornar os resultados

mais claros e legíveis.


67

No entanto, o escoamento em camada limite atmosférica não pode ser apenas caracterizado

pelo perfil de velocidade média, mas também pela sua intensidade de turbulência e para isso

foi utilizada a anemometria de fio quente.

Tabela 3.7 - Definição dos valores adimensionais (cotas e velocidades) da

camada limite atmosférica

Cota Z (cm)

𝒁

𝒁𝒓𝒆𝒇

𝒁

𝒁𝒓𝒆𝒇

𝜶

Velocidade média no ponto – u

(m·s-1

)

Velocidade média total

- utotal (m·s-1

)

𝒖

𝒖𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍

10 0,125 0,558643569 4,393465 6,960887 0,631164

20 0,25 0,678302164 6,095377 6,952821 0,876677

30 0,375 0,759851552 6,133323 7,034638 0,871875

40 0,5 0,823591017 6,458973 7,157372 0,902422

50 0,625 0,876690711 6,725033 7,052802 0,953526

60 0,75 0,922607868 6,746647 7,132884 0,945851

70 0,875 0,963301541 6,995794 7,19937 0,971723

80 1 1 7,021393 7,193068 0,976133

No estudo da intensidade turbulenta, considera-se que um escoamento do vento é

estacionário, e afetado por flutuações da velocidade em torno de uma média temporal. Os

anemómetros de fio quente utilizados na determinação da intensidade de turbulência, são os

descritos no capítulo 3.2.2.2 e a aquisição de dados foi realizada computacionalmente pelo

software MiniCTA, em simultâneo com o registo da pressão total pelo tubo de Pitot-Prandlt

junto ao teto do túnel. O procedimento de ensaio segue a seguinte metodologia:

- registo da pressão atmosférica no local e da temperatura ambiente exterior e no interior da

câmara de ensaio. As temperaturas são registadas em cada ensaio;

- posicionamento do anemómetro de fio quente a diferentes cotas (Tabela 3.8). Este

anemómetro está localizado a cerca de 1 metro da zona de ensaio, a meio do túnel (a cerca de

1,55 metros de cada parede vertical);

Tabela 3.8 - Cotas z dos pontos utilizados para a definição do perfil de turbulências da camada

limite atmosférica – anemómetro fio quente.

Cotas z do ponto (cm) 0,5 1 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80

- ativação dos ventiladores 3 e 6 do túnel de vento, resultando um escoamento de cerca de 7,0

m·s-1

, com uma pressão ao nível do Pitot-Prandlt de referência de aproximadamente 33 Pa, de

modo que a velocidade gradiente em todos os ensaios seja a mesma;


68

- após alguns segundos de modo a permitir a formação da camada limite no túnel de vento, o

software MiniCTA é colocado em funcionamento, adquirindo-se em apenas 10 segundos, 1024

registos (0,10 kHz);

- desativação dos ventiladores e ajustamento do tubo de Pitot-Prandlt para a cota seguinte.

Todos os procedimentos anteriores são repetidos até à última cota;

- os resultados da velocidade obtida pelo anemómetro são tratados com base na curva de

calibração definida no capítulo 3.2.2.2.

O perfil de turbulência no túnel de vento surge pela necessidade de averiguar quais as

intensidades de turbulência ao nível do solo. Neste caso, como a escala geométrica é de

1/400, o nível pedestre analisa-se a cerca de 5 mm que corresponde à cota de 2 metros reais,

cota até à qual o conforto pedestre tem necessariamente que satisfazer os critérios de conforto

pedestre. Foram adquiridos os sinais elétricos para os valores de cota referidos na Tabela 3.8,

e à pressão 33 Pa, traduzidos numa velocidade medida pelo Pitot-Prandlt de referência (teto do

túnel) de aproximadamente 7,36 m·s-1

. Na Tabela 3.9 apresentam-se os resultados.

Tabela 3.9 - Sinais elétricos médios (V) e velocidades

médias correspondentes (m·s-1

).

Cota Z (cm) Sinal elétrico médio (Volt)

Velocidade

média (m·s-1

)

0,5 1,859 3,501

1 1,863 3,586

5 1,872 3,750

10 1,902 4,256

15 2,014 6,559

20 1,930 4,835

25 1,928 4,808

30 1,938 4,931

40 1,937 4,934

50 2,009 6,447

60 1,991 6,058

70 2,019 6,664

80 2,018 6,658

O valor do sinal elétrico da Tabela 3.9 é calculado a partir da média aritmética dos 1024

registos adquiridos para cada ponto. Estes valores foram traduzidos em velocidades aplicando

a curva de calibração do anemómetro de fio quente (eq.3.11).

Na Tabela 3.10 apresenta-se o desvio-padrão dos resultados, necessário para o cálculo da

intensidade de turbulência da camada limite atmosférica simulada (eq.2.18).

Apresentam-se também a comparação da cota mais baixa de registo (0,5 cm) e a cota mais

alta (80 cm), na Figura 3.27. Os dados referentes a esta situação estão presentes em Anexo

(A1 e A2).


69

Tabela 3.10 - Velocidades médias (m·s-1

) em

cada cota z (cm) e correspondentes desvios-padrão σi (z).

Cota z (cm)

Velocidade

média (m·s-1

)

Desvio-padrão

𝝈𝒊(𝒛)

0,5 3,501 1,020

1 3,586 1,178

5 3,750 1,226

10 4,256 1,121

15 6,559 1,291

20 4,835 1,435

25 4,808 1,502

30 4,931 1,149

40 4,934 1,286

50 6,447 1,253

60 6,058 1,382

70 6,664 1,179

80 6,658 1,280

Na Figura 3.28, apresenta-se o perfil de velocidades e da intensidade de turbulência (%) da

camada limite atmosférica simulada. Comparando-se a curva da CLA (teórica) com α=0,23

(meio suburbano) com a obtida experimentalmente, averigua-se que o ajuste aos pontos

experimentais permite obter um expoente de α=0,22 até cerca de 80% da altura gradiente

considerada para o ensaio (Figura 3.15), considerando-se que a CLA simulada tem uma boa

aproximação ao escoamento do vento suburbano com α=0,23. O perfil de intensidade de

turbulência tem um expoente =-0,18.

Figura 3.27 – Registo do sinal da cota mais baixa (0,5 cm) e a mais alta (80cm) pela

anemometria de fio quente e respetivos sinais médios.


70

10 20 30 40I %

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Z/Z

ref

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1U/Uref

Figura 3.28 - Perfil de velocidades (m·s-1

) - círculos e linha azul - e

intensidade de turbulência (%) – losangos e linha preta.

3.3.3 Técnica das Figuras de erosão

Após a simulação da camada limite atmosférica no túnel de vento e sua caracterização,

submeteu-se o conjunto de configurações dos modelos de edificações (à escala 1/400)

descritas no subcapítulo 3.1, a ensaios em túnel de vento sob incidência normal do vento. Para

se avaliar o campo de velocidades ao nível do solo foi utilizado o método das figuras de

erosão.

Este método foi desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) (Borges e

Saraiva, 1979) e baseia-se na avaliação dos campos de tensão de atrito provocados por um

escoamento em contacto com partículas sólidas. Outros autores, tais como Prata et al. (2005) e

Marques da Silva (2006) também utilizaram esta técnica nos seus estudos. Este método das

figuras de erosão faz a ponte entre as consequências do escoamento atuando nessas

superfícies planas e o campo de velocidades característico. Esta metodologia consiste na

dispersão de uma camada tanto quanto possível uniforme de partículas sólidas e soltas sobre a

superfície a avaliar. A solução mais correntemente utilizada recorre a partículas de areia de

granulometria definida (a areia é passada por peneiros da serie ASTM, sendo a sua dimensão

definida pela malha do peneiro em que fica retida). A areia é dispersa numa superfície cujas

características de atrito são bem definidas (neste caso a corticite).

=-0,18


71

As partículas de pequena dimensão, e não sobrepostas, ao estarem submetidas à camada

denominada por subcamada viscosa da camada limite de escoamento do vento, movimentam-

se por mecanismos de arrastamento (e não de saltação), ocorrendo sempre que o valor da

força resultante de arrastamento (função da velocidade do escoamento), seja superior ao valor

da força de atrito destas partículas arenosas com a superfície de cortiça. Caso contrário, as

partículas permanecem na mesma posição em que se encontram inicialmente, ou estando

estas em movimento, a força de atrito ao sobrepor-se à força de arrastamento faz cessar o

movimento das partículas formando, consequentemente, figuras bem delimitadas cujo contorno

corresponde ao equilíbrio exato entre estas duas forças (Marques da Silva, 2006). No presente

estudo, as condições de fronteira são iguais para todos os ensaios, pois os materiais são os

mesmos e, por sua vez, a velocidade de atrito igual. Isto é, as chamadas figuras de erosão

correspondem à condição:

𝐶𝑑1

2𝜌𝑈𝑟𝑒𝑓

2 𝐴𝑟𝑒𝑓1 = 𝜏𝑤𝐴𝑟𝑒𝑓2 (3.19)

onde Cd é o coeficiente de arrastamento das partículas determinado para uma velocidade do

escoamento Uref a um nível determinado acima do solo, sendo ρ a massa específica do ar e

Aref1 uma área de referência, em regra a área correspondente à projeção da envolvente da

partícula num plano vertical; ρ0 é a tensão de atrito na parede e Aref2 uma área de referência.

Note-se que a tensão de atrito depende da natureza e tipo de materiais envolvidos. Por outro

lado, como a velocidade de atrito (a velocidade característica da superfície) u*, é definida pela

eq.2.5 do subcapítulo 2.2.1.1, torna-se compreensível que a zona limite de cada figura de

erosão, a sua fronteira, é uma zona de velocidade constante e que, como a velocidade de atrito

em cada ponto da superfície, está diretamente relacionada com a velocidade exterior se pode

escrever:

𝑢𝜏1

𝑢𝜏2=

𝑈1(𝑧)

𝑈2(𝑧)= 𝛾 (4.20)

isto é, a relação entre as velocidades de atrito, correspondente a duas figuras de erosão, é

para qualquer par de pontos da superfície, idêntica à relação de velocidades do escoamento

exterior (a um nível de referência previamente estabelecido) que lhes deu origem. O resultado

desta metodologia é um conjunto de figuras de erosão contornadas pelas suas condições de

fronteira, as quais permitem uma analogia em relação às velocidades do escoamento (ao nível

pedonal – cotas até 2 metros) entre as várias áreas dentro dos limites do modelo. As áreas

onde predominam as velocidades elevadas do vento são zonas identificadas quando a

velocidade na câmara de ensaio ainda é relativamente baixa, e em contrapartida, as zonas de

baixa velocidade são apenas erodidas quando as velocidades do escoamento ultrapassam os

valores de referência.


72

A técnica de ensaio exige uma referência, tendo em vista a quantificação, sendo corrente tomar

como referência a condição que traduz a não ocupação da zona em estudo por qualquer

construção. O local do túnel de vento onde se irá proceder à experiência, é revestido com uma

corticite com cerca de 1 mm de espessura na qual serão delineados os limites da localização

dos cubos, que vão simular as edificações. Quanto às dimensões, a placa de cortiça tem cerca

de 1,0×0,80 m2 e a areia utilizada apresenta granulometria 50 (Figura 3.29).

Figura 3.29 - Areia com granulometria 50 [10].

A malha de cubos de madeira e de poliestireno extrudido (Figura 3.30) para ensaio, com aresta

de L=7,5 cm, considerou arranjos com espaçamento (gap) entre cubos, em x e y, iguais a L ou

a L/2 (Figura 3.31).

Antes de iniciar os ensaios propriamente ditos, houve necessidade de determinar

empiricamente a velocidade do escoamento à qual a força de arrastamento excede o atrito

entre as partículas sólidas e a superfície da cortiça. Para tal, cobriu-se toda a área de ensaio

(com corticite) com uma camada uniforme de grãos de areia a fim de colocar em

funcionamento os ventiladores com um aumento gradual de potência até ao ponto em que as

partículas iniciam o movimento. A velocidade de referência neste procedimento experimental é

atingida para pressões totais medidas no interior do túnel na ordem dos 43 Pa, correspondendo

a valores de velocidade de 8,4 m·s-1

.

Figura 3.30 - Cubos de madeira (direita) e de poliestireno extrudido

antes de serem cortados (esquerda).

Estes valores de velocidade de referência foram determinados pelos resultados do tubo de

Pitot instalado junto ao teto do túnel associado ao micromanómetro Van-Essen, tipo Betz (ver

subcapítulo 3.2.2.1).


73

A velocidade do escoamento na câmara de ensaio é aumentada gradativamente, dando tempo

para cada incremento de velocidade, de modo a atingir um estado estável de escoamento.

Para cada velocidade e para cada configuração de ensaio foram efetuados registos

fotográficos das figuras de erosão que são a base para a análise de resultados.

Figura 3.31 - Zona de ensaio, com localização dos cubos assinalada para a) gap = L; b) gap = L/2

(vermelho).

O procedimento experimental, após a determinação da velocidade de referência, seguiu então

os seguintes passos:

- implementação dos cubos de madeira (ou de poliestireno extrudido) na zona de ensaio,

consoante a configuração de edifícios a ensaiar;

- dispersão de uma camada uniforme de areia que cubra toda a área de ensaio evitando a

formação de aglomerados mais espessos, pequenos aglomerados ou lacunas. O

espalhamento é feito à mão, a cerca de 10-15 cm do solo, e em movimentos circulares (Figuras

3.32 a) e b)). O aspeto da superfície em redor do modelo físico será o da Figura 3.33.

Figura 3.32 - Técnica da dispersão da areia sobre a superfície do modelo (a); com

espalhamento em movimentos circulares (b).

a) b)

a) b)


74

Figura 3.33 – Camada uniforme de areia na superfície do modelo.

- registo da temperatura ambiente e da temperatura no interior da câmara de ensaio, o qual é

repetido sempre que se procede à alteração da potência dos ventiladores para a mesma

configuração de cubos;

- estabelecimento dos patamares de potência dos ventiladores e respetivas velocidades de

escoamento que atravessam a zona de ensaio no interior do túnel de vento;

- atuação dos ventiladores, com aumento progressivo de potência, oscilando nos seguintes

intervalos de velocidades de escoamento:

60% 𝑉𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟 ê𝑛𝑐𝑖𝑎 < 𝑉𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟 ê𝑛𝑐𝑖𝑎 < 113% 𝑉𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟 ê𝑛𝑐𝑖𝑎 (3.21)

Na Tabela 3.10 apresentam-se os patamares de pressão dinâmica do vento para os quais se

registaram as alterações das figuras de erosão.

- permanência dos ventiladores ativos durante cerca de 1 minuto, por forma a que o

escoamento em CLA se estabeleça e estabilize;

- desativação dos ventiladores, e efetuar os registos fotográficos das figuras de erosão

associadas às respetivas velocidades;

- repetição deste processo para diferentes patamares de velocidades do escoamento (Tabela

3.12) e, de seguida, para as diferentes configurações de edifícios descritas no subcapítulo 3.1.

Tabela 3.12 – Patamares de pressão dinâmica de vento utilizados nos ensaios (Pitot-Prandlt de

referência no teto do túnel).

Pressão no Pitot-Prandlt de referência (Pa)

16 21 24 33 37 43 (ref) 46 49 55

A realização de um ensaio com recurso a esta metodologia possibilita testar simultaneamente

uma vasta área do modelo físico o que minimiza o risco de deixar por analisar áreas de

extrema importância. Além disso, o método das figuras de erosão permite uma compreensão

do escoamento do vento ao longo do espaço, de forma contínua. Podem assim identificar-se

particularidades do fluxo do vento como áreas de varrimento ou efeitos de canto e relacionar a

ocorrência de tais fenómenos com a configuração física do modelo testado. Porém, esta

técnica apesar de exaustiva devido à repetitividade dos testes de erosão, poderá suscitar

alguns aspetos a ter em atenção, nomeadamente, os fluxos verticais (downwash) – pois o fluxo


75

vertical do vento provoca mais facilmente a erosão que o fluxo horizontal -, a turbulência do

modelo, questões relacionadas com a superfície (corticite) e com o material de erosão utilizado

(areia), bem como a existência de rajadas dentro da câmara de ensaio do túnel. Porém, a

relação entre os efeitos e a velocidade dos ventos é incerta apenas é uma metodologia

aplicável em modelos com superfície horizontal.

3.3.4 Técnica da anemometria de fio quente

A última fase do processo experimental consistiu na medição das velocidades do escoamento,

com recurso à anemometria de fio quente, em pontos predefinidos e de interesse para a

avaliação do conforto pedestre, à cota de 2 m (5 mm no modelo), bem como da avaliação dos

níveis de turbulência local. Estes ensaios foram realizados com a cadeia anemométrica

DANTEC com sonda SP11, previamente calibrados. Os dados foram adquiridos com o software

MiniCTA (ver subcapítulo 3.2.2.2). Todo o procedimento de ensaio foi semelhante ao descrito

para a caracterização do perfil de turbulências da CLA incidente. No entanto, neste caso o

anemómetro, em vez de ser colocado a diferentes cotas, terá uma cota constante de 5mm, que

à escala dos ensaios 1/400 corresponde a 2 m (nível pedestre) (Figura 3.34).

A anemometria de fio quente é a forma mais precisa de medir pontualmente a velocidade do

vento. Por conseguinte, são feitas medições pontuais e em cada ensaio o anemómetro de fio

quente irá percorrer diferentes pontos estratégicos onde são adquiridos os valores da

velocidade. Para tal, as aquisições são tomadas em intervalos bastante regulares ao longo de

arruamentos/faixas de circulação pedestre, junto aos edifícios (entrada/tardoz), nas zonas

laterais dos edifícios, cantos e qualquer outro ponto de interesse. As velocidades do vento são

registadas para cada configuração do modelo físico e posteriormente comparados os

resultados com os restantes casos. Todos os ensaios foram realizados com um aumento

gradativo de velocidade entre eles e em cada ensaio foram registados os valores de pressão

atmosférica, temperatura ambiente e no interior da câmara de ensaio.

Figura 3.34 – Pormenor do anemómetro de fio quente na medição da velocidade

média no corredor central à cota 5mm.


76


77

CAPÍTULO 4

ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS

RESULTADOS EXPERIMENTAIS

As novas tendências arquitetónicas e a evolução dos materiais de construção, hoje em dia,

potenciam soluções de configurações e geometrias de edifícios cuja interação com o vento

pode provocar ao nível pedestre um certo desconforto. Em resultado do aumento da população

e da atividade industria as áreas urbanas têm sofrido um crescimento desmensurado que se

tem refletido muitas vezes numa deterioração do ordenamento e ambiente urbano. A resolução

deste problema constitui atualmente um dos maiores desafios para a arquitetura, engenharia e

planeamento e ordenamento do território. Para além da preocupação respeitante aos esforços

estruturais (pressões) do edifício, da renovação e qualidade do ar na envolvente das

edificações, o conforto pedestre toma relevância principalmente nas áreas destinadas ao lazer.

De modo a promover um ambiente pedestre confortável, é essencial compreender a relação do

escoamento com a disposição dos edifícios. O conhecimento da velocidade ou da direção do

escoamento são imprescindíveis na avaliação do ambiente pedonal, na medida em que

velocidades baixas proporcionam, à primeira vista, uma ambiência mais confortável mas,

quando combinadas com linhas de corrente complexas em contato com poluentes poder-se-ão

criar zonas de elevada concentração de poeiras e de contaminantes (Gomes, Moret e Mendes,

2003).

Com a camada limite atmosférica devidamente definida e caracterizada, seguem-se os

resultados experimentais obtidos pelo método das figuras de erosão e pela anemometria de fio

quente (casos 2, 3, 4 e 5). Neste capítulo são apresentados os pontos fulcrais dos fenómenos

que caracterizam cada caso de estudo.

Seguindo o protocolo do capítulo 3.3.3, regulam-se os ventiladores de acordo com a potência

necessária à geração de velocidades de escoamento traduzidas pelas pressões da Tabela 4.1.

Tentou-se, quanto possível, controlar a velocidade do escoamento para os gamas iguais de

cada ensaio pois, só desta forma, se podem comparar figuras de erosão submetidas a valores

de velocidades idênticos. Para facilitar a logística do tratamento de dados, foi atribuído um

número a cada pressão e em cada ensaio, de maneira a permitir uma análise mais simples das

figuras de erosão e das respetivas velocidades de escoamento (Tabela 4.1). Todos os dados

adquiridos e registados em todos os casos estudados estão disponíveis no anexo (A3).

Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais

78

Em seguida são apresentados os resultados experimentais deste método e caracterizadas as

diferentes configurações de edificações submetidas ao escoamento do vento progressivamente

mais forte. Nos casos de estudo 2, 3, 4 e 5 é feita uma análise complementar com recurso à

anemometria de fio quente.

Tabela 4.1 - Pressões dinâmicas no túnel de vento (com códigos

das fotografias).

Registo fotográfico

Pressão dinâmica no Pitot-Prandlt de referência (Pa)

1 16

2 21

3 24

4 33

5 19

6 22

7 33

8 37

9 43

10 46

11 49

12 55

De seguida, apresentam-se para cada um dos casos ensaiados, as figuras de erosão em

função do parâmetro (eq. 4.3), que corresponde ao quociente entre a velocidade do

escoamento não perturbado de cada ensaio, e a velocidade do vento de referência (Capítulo

3.3.3). É conveniente esclarecer desde já o significado de fazendo corresponder o seu valor

à velocidade média do vento a cada valor indicado. Isto é, =0,86significa que para se ter a

velocidade limite de conforto ao nível do solo, por exemplo de 4,5 m·s-1

, a velocidade “exterior”

será de 3,87 m·s-1

tornando-se mais vulnerável, o que aumenta a probabilidade de excedência.

De outro modo a =1,07 corresponderá uma velocidade “exterior” de 4,8 m·s-1

, fazendo deste

ponto uma zona (ligeiramente) protegida. Logo, as zonas onde se observa remoção de

partículas de areia para valores de <1 são mais expostas à ação do vento, e mais propensas

a situações de desconforto pedestre do que as zonas em que a remoção de areia é apenas

verificada para >1 (Marques da Silva, 2006)

4.1 Análise do conforto pedestre nos casos de estudo

4.1.1 Caso 1

O caso 1 é constituído apenas por duas linhas de obstáculos (ver capítulo 4.1). Uma vez que

todos os outros casos são compostos por 3 linhas de edifícios, antes de prosseguir para essas


79

situações mais complexas foi conveniente averiguar as consequências de um problema mais

elementar face ao escoamento do vento. Em todas as figuras de erosão é indicado o sentido

do escoamento (seta).

Atendendo às figuras de erosão, para este caso, regista-se para = 0,61o aparecimento de

um fenómeno usual que ocorre na base dos edifícios, denominado por efeito de canto (corner

effect), ilustrado na Figura 4.1. Este facto provém do comportamento dos fluxos na base da

fachada do edifício que fluem naturalmente com elevadas velocidades na direção das arestas

verticais da edificação, contornando-as. Ao nível pedestre, estas zonas são muitas vezes

desconfortáveis chegando a atingir valores de velocidades do vento que lhe conferem alguma

perigosidade na zona de mudança brusca de velocidade.

Figura 4.1 - Caso 1 (=0,61

Na Figura 4.1 (=0,61, observa-se que ao nível da primeira linha, o efeito de canto começa a

ser desenhado nos arruamentos interiores dos edifícios. Os cubos da segunda linha ainda não

sofrem ainda qualquer alteração significativa ao nível do solo, pois estarão sob um efeito de

escudo (sheltering effect) por parte dos edifícios da primeira linha, para velocidades

relativamente baixas. A simetria na figura de erosão é evidente.

À medida que se aumenta a velocidade de escoamento para próximo de 0,90, as figuras

de erosão começam a tomar forma e a pronunciar-se cada vez mais (Figura 4.2) com

contornos mais definidos. Na segunda linha começa a ser visível tanto um efeito de canto,

como um efeito de varrimento ao nível da base da fachada frontal, denominado por downwash

effect. Este efeito é sentido em edifícios com forma retangular que expostos ao vento, e

devidos às diferenças de pressão ao longo da fachada, fazem o escoamento sofrer um

aceleramento descendente pela fachada frontal que acompanha o edifício até à base

proporcionando uma zona de turbulência que atinge o patamar pedestre, causando

desconforto. Na primeira linha o efeito downwash também é visível (Figura 4.2). Na última linha

nota-se alguma assimetria nas figuras de erosão que poderão ser explicadas tanto pelo não


80

exato paralelismo das faces dos cubos com a direção do escoamento, como pelo não

paralelismo na posição relativa dos cubos.

Figura 4.2 - Caso 1 (=0,88

Atingida a velocidade de referência (=1,00), obtém-se uma figura de erosão bem definida, na

qual são visíveis os fenómenos da interação do vento com os edifícios, atrás mencionados

(Figura 4.3).

Figura 4.3 - Caso 1 (=1,00

Ao exceder a velocidade de referência (=1,13, podem traçar-se figuras de erosão ainda mais

delimitadas, na medida em que é visível o efeito de canto em maior escala na linha da frente e

um downwash mais pronunciado na linha traseira. Contudo, como a velocidade é mais elevada

na zona central correspondente aos arruamentos longitudinais entre cubos, pode surgir um

efeito de desfiladeiro (channel effect), que será abordado com maior pormenor noutros casos

de estudo (Figura 4.4).


81

Figura 4.4 - Caso 1 (=1,13

4.1.2 Casos 2, 3, 4 e 5

Nos próximos capítulos serão analisados os casos 2, 3, 4 e 5, pois estes fazem parte de um

conjunto de casos de estudo que têm semelhança no espaçamento entre as edificações, gap =

L.

4.1.2.1 Caso 2

O segundo ensaio contempla mais uma linha de cubos que o anterior, e entra-se agora no

ensaio base de todos os ensaios seguintes, com uma matriz 3x3 de obstáculos iguais e

espaçados de igual modo.

Nesta situação os efeitos de canto começam a ser sentidos ao nível da primeira linha

(separação na aresta de montante), sendo os restantes resguardados pelo efeito de escudo

(sheltering effect), para valores 0,60 (Figura 4.5) e 0,70 (Figura 4.6).

Figura 4.5 - Caso 2 (=0,60 efeito de canto num cubo da primeira linha

(fachada barlavento).


82

Figura 4.6 - Caso 2 (=0,70

Acelerando o escoamento (0,87), começam a esboçar-se figuras de erosão ao nível dos

obstáculos da segunda e terceira linha, salientando o desenho das figuras evolutivo da

segunda para a terceira linha sendo a progressão das suas dimensões inversa à distância ao

início do modelo, pois a terceira fila fica mais protegida pelas edificações a montante, não se

notando tanto o efeito de canto e downwash (Figura 4.7 a)).

Para valores de velocidade de referência (=1,00assiste-se à separação com início na aresta

de montante e que se propaga até à de tardoz (Figura 4.7 b)). Pode também notar-se na

primeira linha um efeito nos cantos traseiros dos cubos. Este fenómeno reporta para o efeito de

canto ao nível dos arruamentos, que consiste na mudança de direção das linhas de corrente do

escoamento e que proporciona desconforto para quem circula nas traseiras do edifício (Figura

4.7 b)).

Figura 4.7 - Caso 2: a) =0,87b) =1,00

Excedida a velocidade de referência (=1,13 pode concluir-se que o efeito de desfiladeiro

(channel effect) é mais pronunciado ao nível da primeira linha de edifícios e realça-se a perfeita

simetria nas figuras de erosão em relação aos blocos centrais de edifícios (Figura 4.8).

a) b)


83

Figura 4.8 - Caso 2 (=1,13

4.1.2.2 Caso 3

No caso 3, testa-se a diferença de dimensão dos arruamentos (gap) e da largura (L) em

relação à altura dos edifícios (H), na tentativa de inferir acerca da discrepância de dimensões

entre edifícios altos (H=2L) e arruamentos com metade da sua largura (gap=L/2).

A Figura 4.9 mostra as figuras de erosão obtidas para o caso 3 para diferentes valores de

Observou-se que as figuras de erosão surgem com maior definição para gamas mais baixos

(Figura 4.9 a) com =0,70, comparativamente aos efeitos que se proporcionaram no caso 2 –

nas mesmas condições do escoamento -, tal como mostra a Figura 4.9 a) em comparação com

a Figura 4.6. É notório o efeito de canto mais acentuado nas edificações da primeira linha

notando que diminui progressivamente até à última linha, possivelmente devido ao sheltering

effect.

Perto da velocidade de referência (Figura 4.9 b) com =0,86), a erosão da areia é quase

completa na primeira fila e começa-se a estender às outras duas. Neste caso as figuras de

erosão estão perfeitamente definidas, o que poderá ser explicado pelo aumento da influência

da altura dos edifícios face à mesma largura e comprimento dos arruamentos entre os

obstáculos (Figura 4.9 b)). A altura dos edifícios, produz um efeito de desfiladeiro mais

pronunciado do que no caso 2, na medida em que cria um corredor causando o aumento da

velocidade do escoamento e desconforto ao nível do solo quando percorrido por vento, que ao

sofrer um estreitamento da secção de circulação, aumenta de velocidade. Causam assim

condições de circulação mais adversas. Motivos de maior desconforto pedonal poderão surgir

sempre que o corredor seja bem definido.

O varrimento das partículas começa a ser muito forte quando atingida a velocidade de

referência (=1,00), Figura 4.9 c), e desta forma as figuras de erosão começam a ser

destruídas, até os seus contornos serem totalmente apagados (Figura 4.9 d)).


84

Figura 4.9 - Caso 3: a) =0,70b) =0,86c)=1,00d) =1,13

4.1.2.3 Caso 4

No caso 4, mantém-se a dupla altura dos edifícios da última linha (H=2L) em relação aos

arruamentos e reduz-se a H=L/2 a altura dos cubos das duas primeiras linhas, de modo a

avaliar a influência dos edifícios mais baixos em frente a edifícios relativamente mais altos, em

particular no efeito de escudo (sheltering effect) e de downwash. Na Figura 4.10 apresentam-se

as figuras de erosão obtidas para o caso 4 para diferentes valores da velocidade

No início do ensaio, para velocidades correspondendo a =0,70, visualiza-se o efeito de canto

em todos os edifícios, havendo um efeito em maior escala nos edifícios de montante

relativamente às duas primeiras linhas (Figura 4.10 a)). Este fato pode ser explicado por as

primeiras filas de edificações não funcionarem como escudo devido à sua altura,

comparativamente à altura dos edifícios a jusante. Salienta-se também que o escoamento, ao

colidir com estas edificações mais a montante, dada a sua altura mais reduzida, contorna mais

facilmente o topo desses edifícios, prosseguindo na direção dos edifícios altos. Realça-se

ainda o efeito de desfiladeiro (channel effect), no canal central dos cubos da 3ª linha.

a) b)

c) d)


85

Figura 4.10 - Caso 4: a) =0,70b) =0,86c)=1,00d) =1,07

Apresenta-se noutro plano de visão, os fenómenos ocorrentes para =0,75, Figura 4.11.

Figura 4.11 - Caso 4 (=0,75

À medida que se aumenta a velocidade do escoamento (Figura 4.10 b) com =0,86), é visível

ao nível dos pequenos edifícios da primeira linha um maior efeito de canto que na segunda,

a) b)

c) d)


86

pois como têm a mesma altura, as edificações da frente, acabam por resguardar pelo efeito de

escudo, os cubos subsequentes (Figura 4.10 c) com =1,00), num processo semelhante ao do

caso 2.

Ao contrário das matrizes de edificações com cotas muito idênticas, nas quais as áreas

pedestres estão geralmente protegidas, na situação descrita neste caso existem problemas ao

nível do desconforto pedestre em torno dos obstáculos mais altos. Acontece que o escoamento

que contorna o topo dos edifícios mais baixos das primeiras duas filas, e colide com a fachada

dos edifícios altos sofrendo um efeito downwash bastante pronunciado. Ao nível do solo da

última linha de cubos o escoamento mergulha entre o espaçamento entre os edifícios da

segunda e terceira linhas (adicionado de fenómenos de turbulência – vórtices). Este

escoamento contorna os cantos dos cubos da última linha a elevadas velocidades de (Figuras

4.10 a) e b)). Este fenómeno já tinha sido relatado em Wellington City District Plan (2000)

referindo-se que existe aproximadamente um aumento de 80% nos critérios de desconforto se

em frente ao edifício alto estiver implementado um edifício com cota de topo igual à distância

entre estes dois edifícios.

Para velocidades em torno da velocidade de referência (=1,00), desenham-se figuras de

erosão com os contornos da Figura 4.10 c). Realça-se a simetria entre as figuras de erosão em

comparação aos edifícios da linha central, a lavagem quase completa das partículas de areia

na base dos edifícios mais altos, o que indica velocidades elevadas em seu redor e

consequentemente um risco acrescido do desconforto pedonal. Ainda nos edifícios mais

baixos, verifica-se um efeito downwash na zona a jusante da fachada da segunda coluna

(Figura 4.10 d) com =1,07).

Na Figura 4.12 a) e b), apresentam-se em perspetivas diferentes os efeitos de um

escoamento com =1,13, dando ênfase às zonas de barlavento e sotavento.

Figura 4.12 - Caso 4 com =1,13: a) barlaventob) sotavento.

a) b)


87

4.1.2.4 Caso 5

O caso 5 é semelhante ao caso 4, excetuando as alturas dos edifícios pequenos (H=L) que

passam a ser metade das alturas dos edifícios altos (H=2L). Esta situação tem o intuito de

testar a dissemelhança entre a cota das edificações a jusante dos edifícios altos entre 𝐻 =𝐿

2

(caso 4) a apenas metade (H=L) dos edifícios altos (H=2L) e o quanto isso poderá influenciar o

conforto em redor destas estruturas.

Na Figura 4.13 representam-se as figuras de erosão do caso 5 para diferentes . Assim para

velocidades mais baixas do que a velocidade de referência (Figura 4.13 a) com =0,70são

visualizados efeitos de canto, tanto ao nível da primeira linha, como da última, sendo os

edifícios mais altos os mais afetados, como no caso anterior.

Figura 4.13 - Caso 5: a) =0,70 b) =0,88c) =1,00; d) =1,07

Para a primeira linha, as figuras são muito semelhantes às encontradas no caso 1. O padrão

encontrado no caso 3, repete-se aqui para as duas primeiras filas, podendo concluir-se que a

alteração da altura dos edifícios da última fila não se propaga para montante. Destaca-se que a

altura dos edifícios a montante influencia o efeito de escudo dos edifícios mais altos, na medida

a) b)

c) d)


88

em que para velocidades muito semelhantes (=0,88), os efeitos são menos visíveis em

analogia ao caso 4 (Figuras 4.13 b) e 4.10 b)).

Destaca-se ainda que no caso 5, o varrimento da areia sobre o solo não é tão acentuado como

no caso 4 e que os contornos das figuras de erosão se tornam mais explícitos. Junto aos

edifícios da coluna central ainda não se evidenciaram erosões significativas, o que leva a

querer que estão protegidos pela configuração na qual estão inseridos (Figura 4.13 b)).

Como se observa na Figura 4.13 c), para a velocidade de referência (=1,00) que as figuras de

erosão aparecem esboçadas de uma forma perfeitamente simétrica, conseguindo este

escoamento erodir a área em redor de todos os edifícios, combinando um efeito de canto nas

suas esquinas frontais com um efeito downwash nas suas fachadas, sobretudo na base dos

edifícios da última linha (Figuras 4.13 c) e 4.14).

Figura 4.14 - Caso 5 (=1,00 - barlavento

Acelerando o escoamento em relação à velocidade de referência (=1,07), os contornos são

os da Figura 4.13 d), onde para além de uma maior área erodida e de uma melhor definição

das figuras de erosão, ocorre também a acentuação do efeito de canto nas arestas a tardoz

dos edifícios.

4.1.3 Casos 6 e 7

Os dois casos apresentados, são em tudo idênticos aos casos 2 e 3 (onde se avalia a

influência da altura dos edifícios para os escoamentos ao nível do solo), respetivamente. Nos

presentes caso 6 e 7, mostra-se a relevância que o espaçamento entre edificações toma nos

critérios do conforto pedestre. Para tal, os arruamentos sofreram um estreitamento (gap = L/2)

em relação a todos os casos anteriores. Aborda-se agora a geometria da malha de ensaios da

Figura 3.32 b).

Começando a análise das figuras de erosão para o caso 6 (H=L; gap=L/2), visualiza-se para

rácios de velocidades da ordem de =0,88, efeitos de canto na linha da frente e


89

posteriormente nos edifícios da última linha, não deixando de referir que os edifícios da última

linha sofrem erosão primeiro que os da linha central. Este facto, novamente deve-se ao

estreitamento do arruamento, na medida em que o escoamento acelera ao passo que flui pelos

arruamentos interiores entre os edifícios, chegando aos últimos com valores de velocidade

mais elevados, provocando assim erosão (Figura 4.15 a)). Assim, para velocidades num

determinado ponto junto ao solo, os valores de indicam que existe uma influência direta entre

estreitamento dos arruamentos e as condições do vento local.

Figura 4.15 - Caso 6: a) =0,88b) =1,00

Para a velocidade de referência (Figuras 4.15 b) com =1,00), são visíveis as consequências

dos efeitos de canto e downwash sendo estes mais evidentes na primeira e última linha, como

já foi referido. Aqui as figuras de erosão têm os limites bem definidos e mais alargados

conservando para velocidades superiores (Figura 4.16 com =1,07), uma zona central

(arruamentos da linha central) quase intacta não sendo atingida pela erosão provocada pelo

escoamento.

Figura 4.16 - Caso 6 (=1,07

a) b)


90

Daí concluir-se que esta configuração irá provocar desconforto tanto nas zonas em redor dos

edifícios da frente, como a jusante dos edifícios traseiros, deixando sob efeito de escudo as

zonas laterais dos corredores transversais da segunda e última fila de edifícios.

No que diz respeito ao caso 7 (Figura 4.17), são notórios efeitos semelhantes aos encontrados

no caso 3 que lhe é análogo, verificando-se em primeira instância para =0,61 uma erosão nos

cantos das edificações da linha da frente (Figura 4.18 a)), que depois acaba por surgir também

na linha central e por último na última linha de edifícios, respetivamente para =0,88 (Figura

4.18 b)) e =0,93 (Figura 4.18 c)).

Figura 4.17 - Caso 7 (modelo físico).

Figura 4.18 - Caso 7: a) =0,61; b) =0,88c) =0,93d) =1,13.

a) b)

c) d)


91

Após ultrapassada a velocidade de referência (=1,13), as figuras de erosão tomam as formas

e os contornos definitivos e é notória a menor influência do escoamento (para as mesmas

condições), nas consequências geradas ao nível do solo do que no caso 6 (Figura 4.18 d)).

Pode concluir-se que um conjunto de edificações com igual cota em altura afetada menos o

conforto pedestre, para alturas superiores de edifícios, isto é, os edifícios mais baixos têm

tendência a proporcionar maior desconforto junto ao solo.

4.1.4 Caso 8

O caso 8 (Figura 4.19 a) e b)), particularizado como o caso da configuração em pirâmide, é

caracterizado pela altura dos edifícios (H) ser igual aos espaçamentos entre edifícios (gap) e

largura da fachada (L), com exceção do edifício central da malha que possui altura dupla de

todos os outros em seu redor. O objetivo da análise deste caso baseia-se nas consequências

do escoamento ao nível do solo aquando da implementação de um edifício alto circundado por

edifícios relativamente mais baixos.

Figura 4.19 - Modelo físico do caso 8: a) discrepância entre as alturas do edifício central

(H=2L) e dos restantes edifícios da malha (H=L); b) vista na direção do escoamento.

Os primeiros sinais de erosão (Figura 4.20 a) com =0,60) começam a ser visíveis, como em

todos os ensaios, no efeito de canto dos edifícios da frente. Induzindo uma maior velocidade do

escoamento (Figura 4.20 b) com =0,88) esse efeito de canto torna-se ainda mais acentuado

nas figuras de erosão, agora também para os cubos da linha central, juntamente com um

downwash na fachada do obstáculo mais alto. De relevar que estas consequências são

aparentemente mais severas ao nível do edifício de cota superior (Figura 4.20 b)). Na última

linha começa a ser erodida a zona em frente à base dos edifícios o que leva a concluir que

ocorre nesta região uma pequena turbulência com fenómenos de vorticidade.

Para o patamar da velocidade de referência (Figura 4.20 c) com =1,00) surgem esboçadas as

figuras de erosão que permitem concluir que, para esta configuração, as zonas mais afetadas

são as que contactam com a fachada frontal dos edifícios da primeira linha e nas suas zonas

a) b)


92

laterais. Especial atenção deve ser dada à zona correspondente ao barlavento do edifício

central, e suas fachadas laterais, que são as zonas mais afetadas a que corresponde uma

maior área de erosão (Figura 4.20 c)). Para =1,13 (Figura 4.20 d)), a zona influenciada na

linha da frente dos edifícios é tão extensa que se prolonga para o seu tardoz. No entanto, este

efeito é menor do que o verificado para o caso 3 com todas as edificações com H=2L, o que

denota um efeito de desfiladeiro e de canto na configuração de pirâmide (Figura 4.20 d))

inferior ao caso 3 (Figura 4.9 d)).

Figura 4.20 - Caso 8: a) =0,60b)=0,88; c) =1,00d) =1,13

4.1.4 Caso 9

No caso 9 foi incluído um elemento pala (Figura 4.21 a) e b)) na fachada frontal dos edifícios da

última linha, com o objetivo de avaliar a eventual atenuação dos efeitos provocados pelo

fenómeno downwash verificados no caso 5 (Figura 4.13 d)). Esta configuração foi descrita com

maior detalhe no capítulo 3.1.

a) b)

c) d)


93

Ao acelerar o escoamento, para 0,70 (Figura 4.22 a) e b)), os fenómenos que se observam

estão em conformidade com os descritos no caso 5, com uma erosão mais significativa na

primeira e na última linha.

Pela figura de erosão da Figura 4.22 a) observa-se que, a inclusão de palas evitam que o efeito

downwash ao descer pela fachada do edifício mais alto, afete a área de circulação pedonal na

base da fachada frontal do edifício mais alto, de forma a protege-la. O efeito das palas é bem

visível pelas Figuras e 4.22 b) e 4.23 ( 0,75).

Figura 4.21 - Caso 9: a) modelo físico; b) pormenor das palas nos edifícios da última linha.

Figura 4.22 - Caso 9 com 0,70: a) vista em planta; b) pormenor do efeito protetor da pala junto à

base frontal dos edifícios mais altos.

A Figura 4.24 a) mostra o resultado de um escoamento na iminência das velocidades de

referência (=0,88) tendo-se verificado, tal como no caso 5 (Figura 4.13 b)), que os efeitos de

canto e de desfiladeiro são visíveis para a primeira e última linha de cubos. Realçam-se mais

estes efeitos nos últimos edifícios, talvez pela razão da inclusão do elemento pala na fachada

a) b)

a) b)


94

frontal destes. A dispersão do escoamento que sofre downwash pela fachada para zonas

adjacentes poderá estar na base deste fenómeno.

Figura 4.23 - Caso 9 ( 0,75).

Na face frontal da base dos edifícios mais altos continua o efeito protetor das palas, Figura 4.24

a) e b).

Figura 4.24 - Caso 9 com 0,88: a) vista em planta; b) proteção assegurada na base dos edifícios;

Para velocidades próximas da velocidade de referência (Figura 4.25 a) com =1,00), os limites

da figura de erosão tomam formas mais precisas. Os resultados são bastante esclarecedores

dos efeitos desta configuração (como já tinha sido discutido no caso 5), e nesta gama de

velocidades de escoamento para o caso 9 ainda é visualizado o efeito protetor das palas nos

edifícios da última linha (Figura 4.25 a) e b)).

Pode então concluir-se da eficácia dos elementos pala nas fachadas dos edifícios mais altos

com H=2L, quando antecedidos (na direção do escoamento do vento) de edifícios com cotas

na ordem de (H=L), na mitigação do efeito downwash que afeta o conforto nas cotas inferiores

a 2 metros.

a) b)


95

Figura 4.25 - Caso 9 com 1,00: a) vista em planta; b) realce do efeito das palas na base dos

últimos edifícios.

Para velocidades correspondentes a =1,13 (Figura 4.26 a) e b)) ou superiores, estima-se que

a intervenção destes elementos no conforto e segurança na base dos edifícios mais altos, seja

já praticamente nulo. Salienta-se ainda que a areia não foi removida nos corredores da

segunda linha de edifícios (Figura 4.26 a)).

Figura 4.26 - Caso 9 com 1,13: a) vista em planta; b) efeito quase nulo do elemento pala para esta

velocidade.

4.2 Anemómetro de fio quente - Casos 2,3,4 e 5

Para uma melhor perceção do escoamento ao nível pedestre a cerca de 2 m de altura foram

registadas, com anemómetro de fio quente, as velocidades nos casos 2, 3, 4 e 5 em diferentes

pontos da malha, à altura de 0,5 cm, uma vez que, a escala do modelo é de 1/400. A posição

de diferentes pontos estratégicos encontra-se indicada na Figura 4.27, com os quais se

permitiu definir os alinhamentos longitudinais e transversais ilustrados na Figura 4.28. Os

pontos que não têm notificação são comuns a todos os ensaios, enquanto que os pontos que

têm uma nota do respetivo caso, são exclusivos desse ensaio.

a) b)

a) b)


96

Figura 4.27 - Localização (em planta) dos pontos de medição com o

anemómetro de fio quente.

Os resultados obtidos com o anemómetro de fio quente, segundo os eixos longitudinais

assinalados na Figura 4.1 (onde os blocos a negro representam as posições relativas dos

edifícios), permitem quantificar as velocidades do escoamento à cota de 2 m de altura,

relativamente à do escoamento não perturbado (x/Xtot=0). Tanto os resultados adquiridos no

método das figuras de erosão como na anemometria de fio quente estão presentes nos Anexos

A3 e A4, respetivamente.

Na Figura 4.29 para (x/Xtot≈0,4), verificou-se que em todos os casos o efeito de desfiladeiro é

evidente e que no caso 4 este efeito se prolonga para jusante da última fila de edifícios. Os

valores representados na Figura 4.30 apresentam alguns pontos notáveis como as acelerações

registadas no caso 2 (x/Xtot≈0,4), em concordância com o registado na Figura 4.8, e no caso 5

(x/Xtot≈1,0), também em concordância com a Figura 4.13 d).

Figura 4.28 – Eixos utilizados na técnica da anemometria de fio quente.


97

Atendendo aos resultados adquiridos com o anemómetro de fio quente, e em concordância

com as figuras de erosão, relativamente aos casos 2, é visível um efeito de canto (corner

effect) juntamente com um efeito de desfiladeiro (channel effect). Pela Figura 4.29, verifica-se

que estes efeitos são mais propiciados ao nível do caso 3. Na Figura 4.30 observa-se que para

y/Ytotal=-0,03 a cerca de 2 metros de altura, assiste-se a um aumento significativo do parâmetro

velocidade nas esquinas dos cubos de extremidade da malha, sendo estes os responsáveis

pelo efeito de canto logo na linha da frente em contacto com o escoamento. No caso 5, este

efeito pelo corredor entre os cubos atinge o último cubo ainda com velocidade elevada, e

Figura 4.29 - Resultado do fio quente para o eixo a y/Ytotal=0,3.

Figura 4.30 - Resultado do fio quente para o eixo a y/Ytotal=-0,03.

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(U

local)

/(U

ref)


98

comparativamente ao caso 4, há a apontar que o efeito de canto neste último tem a sua zona

de velocidade crítica ou de pico, mais prolongada longitudinalmente, e por sua vez menos

angulosa em relação ao caso análogo (talvez por ser uma velocidade inferior, o escoamento

tem mais tempo para contornar as laterais dos cubos subsequentes). No corredor central, pode

explicar-se ainda um efeito de estreitamento da secção, daí o escoamento sofrer um aumento

de velocidade.

Nos casos 4 e 5, estudam-se alturas não uniformes numa malha de edificações, pretendendo

para tal averiguar acerca dos fenómenos ocorrentes ao nível do solo, que por sua vez poderão

ser uma ameaça ao conforto pedestre. São relevantes os efeitos de canto nos edifícios da

última coluna, pois os edifícios da frente não têm altura suficiente para produzir um efeito de

escudo perante os últimos. Nesta vertente, as acelerações no caso 4 são mais expressivas ao

nível da última coluna de edifícios, sendo acompanhadas de um efeito de canal entre as

edificações. No entanto, no caso 5, como os edifícios das duas primeiras colunas têm alturas

mais significativas, e mais perto da altura da última coluna, estes permitem com o espaçamento

entre os dois últimos cubos, a ocorrência do fenómeno downwash. Indica-se ainda que pela

sua altura, nos edifícios da primeira linha, existe um corner effect que se dissipa

longitudinalmente.

Quanto às Figuras 4.31 a) e b), realça-se que para os eixos longitudinais correspondentes a

apenas no Caso 5, ao nível do x/Xtotal=0,80, é que existem valores de velocidades superiores e

que poderão comprometer o conforto pedestre. Ainda assim, essa velocidade é inferior à

velocidade de referência.

a) b)

(Ulo

ca

l)/(

Ure

f)

(Ulo

ca

l)/(

Ure

f)


99

Figura 4.31 - Resultado do fio quente para o eixo: a) y/Ytotal= 0,10; b) y/Ytotal= 0,50; c) x/Xtotal= 0,35;

d) x/Xtotal= 0,55.

As Figuras 4.31 c) e d), dizem respeito a cortes transversais do modelo, e uma vez que os

modelos são simétricos em relação ao eixo y/Ytotal=0,5, apenas se apresenta metade do perfil.

Assim, a escala das abcissas irá ser diferente dos casos apresentados para os eixos x/X, e o

eixo de simetria passará no centro do cubo central do modelo físico (apenas representando

metade desse cubo).

Nas Figuras 4.32 a) e b), não existem, segundo os dados adquiridos pela anemometria de fio

quente, velocidades críticas a relevar. Porém, é ao nível do eixo x/Xtotal=0,35 e para o

x/Xtotal=0,80, que a velocidade apresenta valores mais elevados. Apenas para a Figura 4.32 b),

se realça que, na zona traseira dos edifícios da última linha, no corredor central e junto aos

cantos do edifício, registam-se valores críticos de velocidade.

Figura 4.32 - Resultado do fio quente para o eixo: a) x/Xtotal= 0,80; b) x/Xtotal= 1,00.

c) d)

a) b)

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(Ulo

cal)

/(U

ref)


100

Em suma, apresenta-se a comparação de todos os pontos da malha (Figura 4.27) para os

ensaios correspondentes (Figura 4.33).

Figura 4.33 – Comparação das velocidades de todos os pontos analisados da malha (casos 2, 3, 4 e 5).

4.4 Comparação entre os resultados experimentais e

numéricos obtidos em CFD

Os avanços da tecnologia têm permitido uma aproximação computacional à simulação em

túnel de vento. A modelação em Computational Fluid Dynamics (CFD) permite analisar

rapidamente e mais detalhadamente cada ponto do modelo em todo o seu domínio. Deste

modo, produz resultados facilmente compreensíveis numa amplitude quantitativa superior ao

modelo em túnel de vento. Este modelo pode assemelhar-se a um túnel de vento virtual que

resolve as equações da conservação da quantidade de movimento e que retorna soluções do

campo de pressões e de velocidades do escoamento. A simulação por CFD está a tornar-se

numa poderosa e promissora ferramenta de previsão dos efeitos e do comportamento

estrutural em casos práticos em diversas áreas da engenharia. Este método inclui, como o

próprio nome indica, a interação da estrutura com um fluido e é sempre baseado num modelo

que é simulado numericamente segundo as características do seu meio circundante. Na

engenharia computacional do vento (CWE), o computador faz essencialmente a substituição da

simulação física da camada limite atmosférica (CLA) em túnel de vento (Ferreira, 1998).

Deste modo, um modelo numérico criado em CFD constitui uma alternativa aos ensaios em

túnel de vento. Este método tem como vantagens o menor consumo de tempo e a redução de

custos associados. Permite assim, avaliar diversas configurações ou modelos, incluindo, o

escoamento do vento em torno de um edifício isolado, o escoamento entre edifícios paralelos

Caso 2

Caso 3

Caso 4

Caso 5


101

ou entre um conjunto de edificações. Para além disso permite: a facilidade de obtenção de

informação detalhada acerca do campo do escoamento em todo o domínio do problema em

análise, ao passo que o túnel de vento necessita de instrumentos de aquisição de dados de um

modo discreto (de ponto a ponto); a facilidade de alteração na plataforma do software do

modelo, enquanto no modelo físico implica outros ajustes; a melhor visualização dos resultados

(gráficos), enquanto no túnel de vento a fotografia poderá não mostrar o fenómeno em detalhe;

e a combinação dos efeitos da dinâmica dos fluidos com transferências termodinâmicas, que

não poderão ser adequadamente modeladas em túnel de vento devido à física das escalas

envolvidas na transferência de calor entre o meio e o escoamento.

Porém, os resultados poderão ser erróneos, e não coincidir com a realidade em determinadas

circunstâncias, nomeadamente, quando existe uma energia cinética de turbulência elevada na

esteira dos edifícios. Assim, a metodologia de CFD requer um utilizador experiente, pois os

resultados poderão variar significativamente com simples alterações no modelo (Alexander,

Jenkins e Jones, 1997).

As simulações da aerodinâmica dos edifícios em CFD têm sido uma ferramenta largamente

utilizada no que diz respeito aos efeitos diretos em edifícios, embora ao nível pedestre - junto

ao solo - este método não tenha atingido ainda muita popularidade. Um dos primeiros estudos

realizados neste último âmbito foi conduzido por Bottema et al. (1992) na década de 90 do

século passado, e teve como base a investigação do escoamento em torno de obstáculos

isolados e em grupo, de forma a comparar os resultados com um estudo semelhante em túnel

de vento. Stathopoulos e Baskaran (1996) também simularam, ao nível pedonal, o escoamento

do vento em aglomerados de edifícios e posteriormente compararam os resultados numéricos

com os correspondentes em túnel de vento, tendo encontrado uma conformidade razoável

entre os valores para a maioria dos pontos.

Embora atualmente exista algum esforço no sentido da validação dos resultados simulados em

CFD, a sua potencialidade na avaliação do conforto e segurança pedestres em meio urbano,

ainda não foram devidamente fundamentados. É importante salientar também que, quer em

túnel de vento, quer em CFD, no caso da avaliação do conforto pedestre, os resultados diretos

são de difícil definição no que diz respeito às variáveis que dizem respeito ao nível de conforto

pedestre. Como se mencionou no capítulo 2, existe neste campo uma subjetividade no que

toca àquilo que realmente é entendido como confortável para cada pessoa, bem como os

fatores que cada um considera como importantes para o seu conforto quando circula na via

pública, pelo que existem diversas escalas que têm em conta determinadas variáveis

consideradas como parâmetros chave (velocidade local do escoamento, frequência de

ocorrência, temperatura, entre outros).


102

4.4.1 Aspetos comparativos do ensaio em túnel de vento e do CFD

O processo de comparação entre o método computacional e a técnica experimental em túnel

de vento comporta alguns problemas, pois por vezes poderá ser indefinida qual a opção que

reproduz a informação mais viável. Existe um balanço entre o conhecimento ponto por ponto

(CFD) e o estudo por áreas de influência (túnel de vento).

Nem para todos os casos de estudo, a escala real do problema é a solução, pois, desta forma

o ensaio torna-se muitas vezes dispendioso e moroso. Para além disso reside a

impossibilidade de controlar as condições de fronteira do ensaio. Os ensaios em túnel de vento

permitem um melhor controlo das condições de ensaio embora estejam condicionados à

necessidade da definição de uma camada limite atmosférica com um perfil o mais próximo

possível do real. Traduzir o problema na escala adequada poderá também constituir uma

barreira especialmente em situações nas quais se terá mais dificuldades em ser conservar o

número de Reynolds. Entre estes, o recurso à tecnologia computacional na resolução de casos

envolvendo o escoamento do vento poderá ser uma opção interessante. Tem como principais

argumentos favoráveis o controlo total das condições de fronteira, a não restrição em termos

de escala – poderá ser resolvido à escala real -, e a possibilidade de aceder às características

de qualquer ponto no domínio do modelo (whole-flow field data). Adicionalmente, o CFD

permite uma análise paramétrica eficiente para diferentes configurações. Não obstante, a

viabilidade do método é um assunto importante a ter em conta, pois, a verificação das soluções

e a validação dos estudos é um processo imperativo (Stathopoulos e Baskaran,1996).

A visualização qualitativa do escoamento do vento pode dar ao projetista indicações acerca

das áreas mais críticas e por sua vez informações úteis na resolução dos problemas. O túnel

de vento é um método que envolve um espaço de instalação bem como material dispendioso.

Porém, devido às suas características, o túnel de vento reproduz as características dinâmicas

dos problemas aliados ao vento, mostrando ao nível do modelo ensaiado, as zonas mais

instáveis ou mais turbulentas. O modelo computacional, geralmente determina as

características do escoamento deixando a lacuna de informação ao nível dos efeitos físicos da

turbulência. O CFD retorna informação de projeto muito útil, mas que por vezes poderá ter

limitações de aplicação.

Todavia, ambos produzam resultados similares, pois a uma escala mais pequena as

comparações entre os dois métodos são relativamente boas. O método CFD é mais apropriado

a informação mais detalhada e cada método tem as suas vantagens e limitações, que apesar

disso, se complementam. Resumidamente, o túnel de vento permite à escala física do modelo

uma visualização da natureza dinâmica das características de fronteira e externas do

escoamento do vento, enquanto o CFD permite conhecer as características internas do

escoamento (Bottema et al. 1992).

Os resultados dos ensaios em túnel de vento são representativos dos problemas reais quando

o protocolo experimental é rigoroso, a camada limite atmosférica bem caracterizada e as


103

escalas conformes. A Figura 4.34 mostra o resultado de um modelo simulado em túnel de

vento e em CFD.

Figura 4.34 – Comparação dos resultados entre o túnel de vento e o modelo numérico

CFD – velocidade vertical em m/s (Alexander et al., 1997)

O modelo numérico em CFD que vai servir de comparação aos resultados experimentais do

presente estudo foi desenvolvido por Moret et al. (2003).

Neste estudo foi simulado em CFD o escoamento do vento em torno de um complexo 3x3,

semelhante aos casos analisados no capítulo 4.1. Os casos analisados pelo método numérico

CFD correspondem aos anteriormente estudados pelo método das figuras de erosão e pela

anemometria do fio quente, nomeadamente:

Caso 2: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐻𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿;

Caso 3: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿 𝑒 𝐻𝑖 ,𝑗 = 2𝐿;

Caso 4: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿 𝑒 𝐻1,𝑗 = 𝐻2,𝑗 =𝐿

2 , 𝐻3,𝑗 = 2𝐿;

Caso 5: 𝐵𝑖 ,𝑗 = 𝐺𝑎𝑝 = 𝐿 𝑒 𝐻1,𝑗 = 𝐻2,𝑗 = 𝐿 , 𝐻3,𝑗 = 2𝐿.

Em Rodrigues et al. (2003) é utilizado o código PHOENICS para simulação em CFD e o critério

que fundamenta o risco do desconforto pedestre local tem em conta não só a velocidade média

do vento, como também os efeitos do fenómeno da turbulência, indicados por Gandemer

(1975). A camada limite atmosférica (CLA), assumiu um perfil de velocidade média do tipo

potência com um α=0,28 e com uma intensidade de turbulência I=16%.

As simulações numéricas foram baseadas no método do controlo do volume (equações de

Navier Stokes) que é associada ao algoritmo SIMPLEST (Patankar e Spalding, 1972). Os

efeitos da turbulência foram simulados pelo modelo Re-Normalisation Group (RNG) k-ɛ,

desenvolvido por Yakhot et al. (1992). Por final, o domínio do modelo comporta uma malha

com 55 células longitudinais, com 40 células em altura e 45 transversais de modo a cobrir o

domínio computacional (Figura 4.35).


104

Figura 4.35 - Modelo físico e malha do domínio (Moret et al., 2003).

4.4.2 Casos de estudo – túnel de vento vs. CFD

Segue-se a comparação dos resultados de velocidade obtidos para os casos anteriormente

referidos pela técnica da anemometria de fio quente em túnel de vento e pelas simulações em

CFD. Estes resultados são apresentados segundo os eixos de medição da Figura 4.28,

podendo corresponder tanto a cortes longitudinais como transversais do modelo. Os dados

correspondentes ao modelo em CFD estão presentes no Anexo A5.

Nas Figuras 4.36 e 4.37 apresentam-se para todos os casos estudados pela anemometria de

fio quente (2, 3, 4 e 5) a analogia desses resultados experimentais com o modelo numérico

CFD de acordo com os eixos longitudinais y/Y=-0,03 e y/Y=0,3, respetivamente.

Quanto à Figura 4.36, verifica-se uma tendência conforme entre os resultados obtidos pelas

duas técnicas para os casos 2 (Figura 4.36 a)) e 3 (Figura 4.36 b)). Salienta-se que para estes

dois casos (2 e 3) os valores da velocidade obtidos pelo anemómetro de fio quente são sempre

superiores aos obtidos em CFD.

Para o eixo y/Y=-0,03, as maiores discrepâncias visualizam-se para os casos 4 (Figura 4.26 c)) e

5 (Figura 4.36 d)) ao passo que para o caso 4 todos os valores experimentais apresentam

velocidades inferiores às obtidas em CFD, salvo a proximidade de valores para x/Xtotal=0,70. No

caso 5, a proximidade de valores e tendência das curvas só começa a ser semelhante a partir de

x/Xtotal=0,80.


105

Figura 4.36 – Eixo de comparação entre a técnica da anemometria de fio quente e o modelo numérico

em CFD (y/Y=-0,03): a) Caso 2; b) Caso 3; c) Caso 4; d) Caso 5.

Para o eixo longitudinal y/Y=0,30 (Figura 4.37) distingue-se uma maior correlação no que diz

respeito aos valores e às tendências das curvas para todos os ensaios. Ainda assim, nas

Figuras 4.37 c) e d) são notabilizadas as maiores diferenças de velocidades para x/Xtotal

aproximadamente de 0,80.

Quanto à direção transversal, abordam-se na Figura 4.38, os resultados referentes aos casos 2

e 3 para o eixo x/X=0,35 e na Figura 4.39 referente ao caso 4 para o eixo x/X=1,0.

a) b)

c) d)

Anemometria

CFD

CFD

Fio Quente

CFD

Fio Quente

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(U

loc

al)

/(U

ref)

(Ulo

cal)

/(U

ref)


106

Figura 4.37 – Eixo de comparação entre a técnica da anemometria de fio quente e o modelo

numérico em CFD (y/Y=0,3): a) Caso 2; b) Caso 3; c) Caso 4; d) Caso 5.

Figura 4.38 – Eixo de comparação entre a técnica da anemometria de fio quente e o

modelo numérico em CFD (x/X=0,35): a) Caso 2; b) Caso 3.

a) b)

c) d)

a) b)

CFD CFD

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(Ulo

cal)

/(U

ref)

(Ulo

cal)

/(U

ref)


107

Figura 4.39 – Eixo de comparação entre a técnica da anemometria de fio

quente e o modelo numérico em CFD (x/X=1,0) para o caso 4.

As restantes figuras de comparação para os eixos mais críticos dos modelos físicos são

apresentadas no Anexo A6.

CFD


105

CAPÍTULO 5

CONCLUSÕES E

DESENVOLVIMENTOS FUTUROS

5.1 Conclusões

A identificação de situações de potencial desconforto em áreas pedonais é de extrema

importância para a definição do desenho urbano. A configuração de alguns edifícios e as suas

posições relativas permitem o desenvolvimento de escoamentos intensos suscetíveis de induzir

o desconforto pedestre. Será sempre uma tarefa dos projetistas escolher a configuração ideal

de forma a não existirem escoamentos e velocidades de vento pouco propícias ao bem-estar

pedonal. O conhecimento do escoamento do vento, ao nível pedonal, juntamente com os

fatores que os influenciam, fornecem orientações úteis para o arquiteto/engenheiro na fase de

projeto. Existem dois tipos principais de fluxo que afetam negativamente o ambiente pedestre,

ou seja, os fluxos descendentes e escoamentos horizontalmente acelerados.

Neste trabalho, investigou-se o conforto pedestre em meio urbano, essencialmente por via

experimental. Simulou-se um aglomerado de edificações com diferentes configurações

dispostas numa matriz 3x3, em modelos reduzidos. Avaliou-se a influência de algumas

dimensões dessas edificações – como a altura e dos edifícios e a largura dos arruamentos

entre eles -, no escoamento do vento, e consequentemente, no conforto e na segurança

pedestre. Os ensaios foram realizados com 9 casos de estudo diferentes num túnel de vento

aberto. Numa primeira parte deste trabalho foi realizado um estado de arte sobre o tema tendo

sido caracterizado o vento em camada limite atmosférica, a interação do vento com obstáculos,

bem como alguns critérios de conforto pedestre, conceitos estes necessários para o

desenvolvimento do trabalho experimental.

A campanha experimental iniciou-se com a simulação da camada limita atmosférica no túnel de

vento, segundo a metodologia de Irwin. Para isso, dimensionaram-se todos os elementos de

rugosidade a incluir no interior do túnel de modo a criar uma CLA com características

tipicamente urbanas tendo-se obtido uma CLA com um perfil de velocidades médias com

expoente α=0,22 e de intensidade de turbulência com =-0,18 e com uma altura de 1,06

metros. Assim, foi possível simular um perfil de velocidades e de turbulências no interior do

túnel com características urbanas, que servirão de base a todos os ensaios.

Capítulo 5 • Conclusões e Desenvolvimentos Futuros

106

Para a avaliação das condições de conforto pedestre nas diferentes configurações de edifícios,

foram utilizadas duas técnicas de ensaios, nomeadamente a técnica das figuras de erosão e a

anemometria de fio quente. As figuras de erosão permitem uma análise mais qualitativa dos

efeitos do escoamento ao nível do solo em torno dos edifícios, e foi utilizada em todos os

modelos físicos. A anemometria de fio quente permitiu uma análise quantitativa da velocidade

local ao nível pedonal em diferentes pontos e, após a calibração da instrumentação, apenas foi

utilizada em 4 dos referidos modelos físicos. Os resultados sugerem que é extremamente difícil

produzir medições precisas da velocidade local do vento a partir de um estudo com figuras de

erosão. Isto deve-se ao grande número inconsistências do método, como: o fluxo vertical do

vento, fenómenos de saltação em vez de arrastamento das partículas, imperfeições na

superfície do ensaio (empolamento ou depressão, diferenças de rugosidade, entre outros). Por

outro lado, a medição pela anemometria de fio quente apenas é possível num processo ponto

por ponto. O ambiente pedestre é caracterizado pelo movimento entre diversos espaços, e

desta forma, a medição única da velocidade do vento numa série de pontos não será

particularmente um metodologia, por si só fiável, na avaliação no conforto e segurança

pedestres numa área urbana. A conduta aconselhável será a conjugação destas duas

metodologias.

Os resultados foram apresentados neste trabalho sob a forma de registos fotográficos no

método das figuras de erosão e sob a forma gráfica com valores da velocidade ao nível

pedonal (2 m) segundo eixos longitudinais e transversais. Foram analisados em pormenor os

fenómenos que aumentam a velocidade do vento junto aos edifícios, sendo os mais

preponderantes, o efeito de canto (corner effect), de desfiladeiro (channel effect) e

descendente (downwash).

Verificou-se que a velocidade do escoamento ao nível pedestre aumenta consoante a altura do

edifício, devido ao crescente efeito descendente de downwash. Ao contrário das matrizes de

edificações com cotas muito idênticas, nas quais as áreas pedestres se encontram geralmente

protegidas, nas configurações que a montante tinham edifícios mais baixos em relação à última

linha, existiram problemas relacionados com o desconforto pedestre. A causa deste

comportamento reside no facto de o escoamento que consegue ultrapassar os edifícios mais

baixos (a montante) colidir com a fachada dos edifícios altos, gerando o efeito downwash que

atinge o solo. As acelerações no caso em que, 𝐻1,𝑗 = 𝐻2,𝑗 =𝐿

2 𝑒 𝐻3,𝑗 = 2𝐿, foram mais

expressivas ao nível da última coluna de edifícios, sendo acompanhadas de um efeito de canal

entre as edificações. No caso em que, 𝐻1,𝑗 = 𝐻2,𝑗 = 𝐿 , 𝐻3,𝑗 = 2𝐿 , como a relação entre as

alturas dos edifícios das duas primeiras filas e os da última era menor, o efeito foi menos

pronunciado.

Verificou-se ainda que, nos edifícios da primeira linha, se formou um efeito de canto que se

dissipou longitudinalmente pelos arruamentos interiores dos edifícios. A influência do aumento

da relação entre a altura dos edifícios e a largura dos arruamentos foi avaliada no caso em que


107

se simulou uma altura de edifícios dupla da dimensão dos arruamentos entre eles O efeito de

canal (desfiladeiro) foi bastante mais pronunciado nas edificações com altura dupla da

dimensão do arruamento em comparação com o caso com alturas idênticas aos arruamentos,

causando situações de circulação mais adversas. As zonas de desconforto verificaram-se

essencialmente nas filas de montante.

Observou-se também que um edifício alto cria um enorme bloqueio ao escoamento do vento e,

com isso aumenta a extensão do efeito de downwash com repercussões negativas ao nível do

conforto na base do edifício. Conclui-se, por este estudo, que portas de entradas próximas dos

cantos da edificação especialmente em arranha-céus devem ser evitadas, bem como qualquer

via com intuito à circulação pedonal, devido às velocidades elevadas que podem aí ocorrer e

pelas mudanças de direção bruscas de vento. Assim, também devem as áreas recreativas

perto dos edifícios altos ser evitadas. No estudo do impacto da largura dos arruamentos,

concluiu-se que o incremento da velocidade local, ao nível do solo, é maior sempre que o

distanciamento entre edifícios é menor. O aumento da largura transversal do arruamento

provoca a diminuição da velocidade local bem como a extensão longitudinal do efeito de canal.

Isto indica que um gap mais largo entre as edificações pode, de fato, contribuir positivamente

para o conforto pedestre, na medida em que se reduzem as zonas de velocidades mais altas.

Em suma, constatou-se que um edifício mais alto cria um grande bloqueio para o escoamento

do vento e que os ventos ampliam os seus efeitos adversos ao nível do solo, afetando o

conforto pedestre, ao passo que o aumento da largura dos arruamentos entre os edifícios

diminui o efeito de desfiladeiro não permitindo a ocorrência de velocidades mais elevadas

nestas zonas. Verificou-se que este efeito pronunciou-se em maior extensão longitudinal

quando as velocidades são mais baixas. Assim, os arruamentos mais estreitos deverão ser

evitados, a não ser que sejam adotadas medidas complementares que resolvam esses

problemas de desconforto ao nível do solo. Especial atenção também deve ser dada às

situações nas quais: um edifício mais alto é introduzido numa malha de edificações

significativamente mais baixas; um edifício de altura considerável é demolido, para ser

substituído por uma construção relativamente mais baixa, ou criando um espaço aberto que

pode criar uma maior área de exposição da face de barlavento, originando problemas ao nível

pedestre devido a ausência de abrigo contra edifícios semelhantes.

Os resultados do estudo indicaram também que a inclusão de um elemento pala devidamente

dimensionado nas cotas inferiores das fachadas frontais dos edifícios mais altos, como

indicado no subcapítulo dos modelos físicos, pode melhorar as condições do vento para as

áreas a montante desses edifícios. De realçar pelas figuras de erosão que os fenómenos foram

simétricos segundo a direção de escoamento, uma vez que as configurações dos edifícios

também assim o eram. O método das figuras de erosão, complementado com a anemometria

de fio quente revelou-se assim uma ferramenta essencial na investigação do conforto pedestre

em torno das edificações.


108

Complementarmente, foram ainda comparados alguns resultados experimentais de

velocidades adquiridas pela anemometria de fio quente com resultados numéricos em CFD

(Computational Fluid Dynamics) obtidos num estudo anterior (Moret, Gomes e Piedade, 2003).

A conformidade dos resultados foi verificada para a maioria dos casos segundo os eixos

estabelecidos. Apesar dos resultados numéricos e experimentais não serem coincidentes

revelaram-se com uma tendência análoga.

A realização do presente estudo experimental permitiu realçar a importância dos estudos

experimentais em túnel de vento para a avaliação do conforto pedonal e a forma como a

disposição e configuração dos edifícios influencia o escoamento do vento e as condições de

conforto local. O escoamento do vento com velocidades confortáveis e a segurança ao nível

pedonal nas áreas em redor das edificações, integram parte do conhecimento adquirido no

presente trabalho, constituindo-se assim, um conjunto de informação extremamente útil para os

arquitetos e/ou engenheiros na fase de projeto.

5.2 Desenvolvimentos futuros

No presente trabalho considerou-se a complementaridade de duas técnicas na avaliação

experimental no túnel de vento: o método das figuras de erosão e a anemometria de fio quente.

Para além disso, ainda se procedeu a uma comparação entre os resultados obtidos

experimentalmente e estas técnicas e numericamente em CFD.

Não obstante o número já razoável de modelos físicos testados, poder-se-ão, ao nível do

conforto pedestre em ambiente urbano, simular outro tipo de condições.

Em primeiro lugar, seria um interessante, simular em CFD todos os casos estudados neste

trabalho, de modo a averiguar a conformidade dos resultados obtidos com as técnicas

utilizadas neste trabalho e o modelo computacional.

Outra proposta de desenvolvimentos futuros seria a variação do ângulo de incidência do

escoamento, pois o presente trabalho experimental apenas considerou o ângulo de incidência

normal ao escoamento de 0º. A incidência de ângulos, da seguinte forma (Figura 5.1):

0𝑜 ≤ 𝜑 ≤ 90𝑜 (5.1)

Tendo como base os modelos físicos presentes, poderia analisar-se futuramente também

outras relações entre larguras (B), comprimentos (L) e arruamentos (gap) diferentes das

ensaiadas. Por conseguinte, ao invés de rácios entre estas grandezas de 1/2 ou de 2, poder-

se-iam estudar outros tipos de razões, como por exemplo 1/3, 1/4, 3 ou 4. Outra possibilidade

de estudos futuros seria a supressão de alguns edifícios da malha tal como indicado nas

Figuras 5.2 a) e b).


109

Figura 5.1 - Posição dos modelos físicos na zona de ensaio do túnel de vento

e direção do escoamento (seta).

Figura 5.2 – Modelo físico 3x3: a) sem o edifício central da primeira linha; b) sem o edifício

central da segunda linha.

Na Figura 5.2 a), avaliar-se-ia a influência da presença ou não de um edifício na primeira linha,

e na Figura 5.2 b) de um edifício na posição central da malha de edificações.

Ainda neste contexto, poder-se-ia alterar a geometria dos edifícios, alterando a sua forma

cúbica eventualmente para uma forma cilíndrica (circular tower), ou até para modelos com

múltiplas arestas (multi-sided tower) (Figuras 5.3 a) e b), respetivamente).

Outra hipótese será a conciliação de diferentes geometrias dentro da mesma matriz, de modo a

averiguar as condições de circulação pedonal sob o efeito desta dissemelhança. Estas

velocidades de escoamento deverão à partida reduzir-se, mesmo que os edifícios a montante

sejam de alturas relativamente baixas (Figura 5.4).

a) b)


110

Figura 5.3 – Modelo físico com geometria: a) circular; b) geometria

com arestas múltiplas (Stathopoulos, 2009).

Figura 5.4 – Modelo físico com diferentes geometrias dos edifícios

(Cochran, 2004).

Outros detalhes relacionados com pormenores na geometria das edificações poderão ser alvo

de estudo futuro, de modo a concluir acerca dos seus efeitos ao nível do conforto pedestre, tais

como:

- recuos nas fachada do edifício que têm como principal intuito promover o conforto e a

segurança pedestres, mas muitas vezes acabam por conduzir ao efeito contrário. Tudo

depende de um bom dimensionamento da profundidade e da altura desses recuos (Figura 5.5).

Figura 5.5 – Edifício com base

recortada (Cochran, 2004).

a) b)


111

- aberturas na base dos edifícios que são normalmente projetadas especificamente para

acesso a veículos (Figura 5.6 a)), onde poderão sentir-se condições adversas ao nível

pedestre, diretamente proporcionais à altura do edifício. Assim, no caso de edifícios altos, a

diferença de pressão em comparação à pressão negativa que caracteriza este tipo de

passagens é elevada, gerando assim uma forte movimentação de massas de ar e

consequentemente condições pouco favoráveis ao bem -estar pedonal. Nestas zonas o

escoamento é assemelhado a rajadas (ou jatos) de vento localizados. Nos edifícios com zonas

abertas com colunas (Figura 5.6 b)) criam-se condições desfavoráveis à permanência pedonal,

em particular, em torno das colunas, devido à deflexão que o escoamento sofre na fachada do

edifício em direção á sua base.

Figura 5.6 – Edifícios com aberturas na base: a) Passagem na base do edifício; b)

Zona aberta com colunas (Cochran, 2004).

- diferentes tipos de cantos nos edifícios (Figura 5.7), e adição de alguns pormenores

arquitetónicos que poderão fazer a diferença na segurança e no controlo dos ventos ao nível

pedestre.

Figura 5.7 – Diferentes variações para avaliar o efeito de canto.

- edifícios com terraço (em forma de L) na sua fachada frontal (Figura 5.8), que poderá

resolver o fenómeno de downwash, na medida em que a deflexão do escoamento ao nível dos

terraços poderá interromper e dissipar para outros locais (que não a entrada do edifício) e

salvaguardando, deste modo, o conforto ao nível pedonal.

a) b)


112

- recortes a meio da aresta lateral do edifício, de modo a que a aresta de tardoz fique mais

recuada em relação à aresta da fachada frontal, mitigando-se o efeito de canto (Figura 5.9).

- inclusão de alguns elementos Buffer (como placards publicitários, árvores e vegetação) a

montante das edificações (Figura 5.10), poderão servir de escudo, a ventos

predominantemente fortes ao nível da base dos edifícios.

Figura 5.8 – Edifício com fachada constituída por

patamares (Rowan e Irwin, 2009).

Figura 5.9 - Edifício com face lateral

resguardada (Rowan e Irwin, 2009).

Figura 5.10 – Buffer a montante (Rowan e Irwin, 2009).


113

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119

SITES CONSULTADOS

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[2] http://zone4info.com/articles/print/112/format/smoothbox.

[3] http://www.meas-spec.com/product/t_product.aspx?id=9311.

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[5] http://www.acin.nl/EN/PDF/Calibration/instruments/Betz.pdf.

[6] http://www.dantecdynamics.com/Default.aspx?ID=705.

[7] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/pt/nid/204178.

[8] http://www.herterinstruments.es/catalogo/consumo/barometros/barometros-de-torricelli.

[9] http://www.maraindustrial.com/cart/gauges/rotronic-pt-100-temperature-probe

shelf307ack.html.

[10] http://www.g1000filtrantes.com/detalhes-produtos.php?c=1&p=protdoor.

http://www.ebanataw.com.br/roberto/vento/caso2.htm


120


i

ANEXOS

A1. CONDIÇÕES DOS ENSAIOS DA CALIBRAÇÃO E DA DETERMINAÇÃO

DO PERFIL DE TURBULÊNCIAS COM O ANEMÓMETRO DE FIO QUENTE

Temperatura ambiente

Pressão atmosférica

Pressão no túnel

Pressão no túnel

Temperatura no túnel

Velocidade no túnel

ρ do túnel

(ºC) (mmHg) (Pa) (mm ag) (ºC) (m·s-1

) (kg/m3)

20 762,5 0,00 0 18,1 0,00 1,2113

20 762,5 1,00 0,102041 18,4 1,29 1,2100

21 762,5 4,00 0,408163 19,8 2,58 1,2042

21 762,5 7,80 0,795918 20 3,60 1,2034

21 762,5 13,00 1,326531 20,3 4,65 1,2022

21 762,5 19,20 1,959184 20,6 5,65 1,2009

21 762,5 27,00 2,755102 20,7 6,71 1,2005

20 762,5 31,00 3,163265 20,8 7,19 1,2001

21 762,5 41,20 4,204082 21,1 8,29 1,1989

20 762,5 52,90 5,397959 21,2 9,40 1,1985

Cota z (cm)

Sinal elétrico - médio (V)

Velocidade média (m·s

-1)

Desvio- padrão

(velocidade)

Intensidade turbulência (%)

0,5 1,859 3,501 1,020 29,151

1 1,863 3,586 1,178 32,867

5 1,872 3,750 1,226 32,707

10 1,902 4,256 1,121 26,342

15 2,014 6,559 1,291 19,693

20 1,930 4,835 1,435 29,679

25 1,928 4,808 1,502 31,253

30 1,938 4,931 1,149 23,310

40 1,937 4,934 1,286 26,075

50 2,009 6,447 1,253 19,445

60 1,991 6,058 1,382 22,824

70 2,019 6,664 1,179 17,705

80 2,018 6,658 1,280 19,226

TABELA A1.1 – Condições dos ensaios da caracterização do perfil de turbulências com o

anemómetro de fio quente no túnel de vento fechado do LNEC.

TABELA A1.1 – Condições do túnel de vento fechado do LNEC no processo de calibração do

anemómetro de fio quente.

Anexos

ii

Cota z Temperatura

ambiente Pressão

atmosférica Pressão no túnel

Pressão no túnel

Temperatura no túnel

Velocidade no túnel

ρ do túnel

(cm) (ºC) (mmHg) (Pa) (mm ag) (ºC) (m·s-1

) (kg/m3)

0,5 14,7 758 33,00 3,367347 14,9 7,36 1,2186

1 14,7 758 33,00 3,367347 14,6 7,36 1,2198

5 14,7 758 33,00 3,367347 14,6 7,36 1,2198

10 14,7 758 33,00 3,367347 14,8 7,36 1,2190

15 14,7 758 33,00 3,367347 14,8 7,36 1,2190

20 14,7 758 33,00 3,367347 14,4 7,35 1,2207

25 14,7 758 33,00 3,367347 15,3 7,36 1,2169

30 14,7 758 33,00 3,367347 15,5 7,37 1,2160

40 14,7 758 33,00 3,367347 15,5 7,37 1,2160

50 14,7 758 33,00 3,367347 15,5 7,37 1,2160

60 14,7 758 33,00 3,367347 15,6 7,37 1,2156

70 14,7 758 33,00 3,367347 15,6 7,37 1,2156

80 14,7 758 33,00 3,367347 15,7 7,37 1,2152

Cota z (cm)


-1)

Desvio-padrão

(velocidade)

0,5 3,501651622 1,020788946

1 3,586136697 1,178674992

5 3,750953806 1,226838314

10 4,256490003 1,121250904

15 6,559562037 1,291819257

20 4,835353626 1,435111412

25 4,808186585 1,502732054

30 4,931566624 1,149556855

40 4,934965107 1,286831777

50 6,447564897 1,253758396

60 6,058033999 1,382727258

70 6,664251424 1,179944121

80 6,658739039 1,280241978

TABELA A1.4 – Cotas e dados adquiridos por anemometria de fio quente (velocidade

média e correspondente desvio-padrão)

TABELA A1.3 – Condições do túnel de vento do LNEC – perfil de turbulências.


iii

A2. CONDIÇÕES DOS ENSAIOS DA DETERMINAÇÃO DO PERFIL DE

VELOCIDADES E DE TURBULÊNCIAS COM A PITOMETRIA (TUBO PITOT-

PRANDLT)

Ensaio P0 (Pa) Pe (Pa) Pressão no

Pitot de referência (Pa)

Pd (Pa)

Zero 1 0,6909 0,5476 0,0030

Ponto 1 13,3250 1,3106 29,8022

Ponto 1 - Zero 1 12,6341 0,7630 29,7992 11,8711

Zero 2 0,8139 0,6242 0,1933

Ponto 2 25,2835 2,2443 29,9234

Ponto 2 - Zero 2 24,4695 1,6201 29,7302 22,8495

Zero 3 0,3734 0,4321 0,2036

Ponto 3 24,6437 1,5676 30,6376

Ponto 3 - Zero 3 24,2703 1,1355 30,4340 23,1349

Zero 4 0,3373 0,5081 0,1724

Ponto 4 26,6546 1,1686 31,6776

Ponto 4 - Zero 4 26,3173 0,6605 31,5052 25,6568

Zero 5 0,1798 0,3403 0,0712

Ponto 5 29,1616 1,5081 30,6625

Ponto 5 - Zero 5 28,9819 1,1678 30,5913 27,8140

Zero 6 0,3225 0,4497 0,1638

Ponto 6 28,8921 1,0262 31,4538

Ponto 6 - Zero 6 28,5696 0,5765 31,2900 27,9931

Zero 7 0,4450 0,3839 0,1656

Ponto 7 31,2270 1,0671 32,0417

Ponto 7 - Zero 7 30,7819 0,6831 31,8760 30,0988

Zero 8 0,2830 0,3805 -0,1443

Ponto 8 31,0607 0,8386 31,6760

Ponto 8 - Zero 8 30,7776 0,4581 31,8202 30,3195

TABELA A2.1 – Pressões adquiridas pela pitometria com tubo Pitot-Prandlt para a

caracterização do perfil de velocidades.

Anexos

iv

A3. CONDIÇÕES DOS ENSAIOS DO MÉTODO DAS FIGURAS DE EROSÃO

Ventiladores

ativados


Pitot Referência Túnel (Pa)

2 4 3 6 Temp. Túnel (°C)


(mm/Hg)

Rotação Variador

(rpm)

Velocidade Túnel (m·s

-1)

1 16 x

x x 17,5

762,8

479 5,133

2 21 x

x x 17,6 657 5,881

3 24 x

x x 17,9 702 6,291

4 33 x

x x 17,9 910 7,376

8 37 x x x

18,1 573 7,813

9 43 x x x

18,2 729 8,425

11 49 x x x

18,3 1000 8,995

12 55 x x x

18,4 1315 9,531

Temp. Ambiente (°C)

18,0

Ventiladores

ativados


Pitot Ref.

Túnel (Pa)



(mm/Hg)

Rotação Variador

(rpm)


-1)

1 16 x

x x 18,2

761,9

475 5,143

2 21 x

x x 18,5 700 5,895

3 24 x

x x 18,5 850 6,302

4 33 x

x x 19 945 7,396

5 19 x

x

19 1500 5,612

7 33 x x x

19,5 400 7,289

8 37 x x x

20,3 600 7,849

9 43 x x x

20,3 800 8,461

10 46 x x x

20,3 925 8,751

11 49 x x x

20,9 1100 9,041

12 55 x x x

20,9 1315 9,579


19,6

TABELA A3.1 – Condições dos ensaios no Método das Figuras de Erosão – Caso 1.

TABELA A3.3 – Condições dos ensaios do Método das Figuras de Erosão – Caso 2.

TABELA A3.2 – Temperatura ambiente nos ensaios do Método das Figuras de

Erosão – Caso 1.


Erosão – Caso 2.


v

Ventiladores

ativados


Pitot Ref. Túnel (Pa)



(mm/Hg)

Rotação variador

(rpm)


-1)

1 16 x

x x 17,6

761,9

475 5,137

2 21 x

x x 18 700 5,890

3 24 x

x x 18,5 850 6,302

4 33 x

x x 19,2 948 7,398

5 20 x

x

19,6 1500 5,763

7 33 x x x

19,9 420 7,294

8 37 x x x

20 615 7,845

9 43 x x x

20,2 800 8,460

10 46 x x x

20,5 924 8,754

11 49 x x x

20,6 1146 9,037

12 55 x x x

20,8 1315 9,577


19,8

Ventiladores

ativados


Pitot Ref.

Túnel (Pa)



(mm/Hg)

Rotação Variador

(rpm)


-1)

1 16 x

x x 14,6

762,8

504 5,106

2 21 x

x x 15,1 657 5,855

3 24 x

x x 15,5 702 6,264

4 33 x

x x 15,8 942 7,349

5 20 x

x

15,8 1500 5,721

7 33 x x x

16,2 400 7,241

8 37 x x x

16,2 600 7,787

9 43 x x x

16,4 826 8,397

10 46 x x x

16,9 910 8,693

11 49 x x x

17 1083 8,973

12 55 x x x

17,5 1281 9,515

TABELA A.3.7 – Condições dos ensaios do Método das Figuras de Erosão – Caso 4.


Erosão – Caso 3.


Anexos

vi


19,8

Ventiladores

ativados

Registo Fotográfico




(mm/Hg)

Rotação variador

(rpm)


-1)

1 16 x

x x 20,5

761,9

492 5,164

2 21 x

x x 21,6 717 5,927

3 24 x

x x 21,7 850 6,338

5 20 x

x

22,2 1500 5,790

7 33 x x x

22,3 445 7,439

8 37 x x x

22,8 609 7,884

9 43 x x x

22,8 815 8,499

10 46 x x x

22,9 1010 8,792

11 49 x x x

23,1 1150 9,077

12 55 x x x

23,3 1353 9,620


16,7

Ventiladores

ativados



2 4 3 6 Temp.

Túnel (°C)


(mm/Hg)

Rotação variador

(rpm)


-1)

1 16 x

x x 16,6

763,5

492 5,122

2 21 x

x x 16,9 663 5,871

3 24 x

x x 16,8 753 6,275

4 33 x

x x 16,8 947 7,359

8 37 x x x

17,3 570 7,798

9 43 x x x

17,6 844 8,411

10 46 x x x

17,5 970 8,698

11 49 x x x

17,4 1107 8,976

12 55 x x x

17,3 1333 9,508




Erosão – Caso 4.


Erosão – Caso 5.


vii


17,1

Ventiladores

ativados


Pitot Ref.

Túnel (Pa)



(mm/Hg)

Rotação variador

(rpm)


-1)

1 16 x

x x 17

763,5

494 5,126

2 21 x

x x 17,1 666 5,873

3 24 x

x x 17 759 6,277

4 33 x

x x 17 945 7,361

8 37 x x x

17 597 7,794

9 43 x x x

17 863 8,403

10 46 x x x

16,9 990 8,689

11 49 x x x

16,8 1125 8,967

12 55 x x x

16,9 1332 9,501


17,0

Ventiladores ativados


Pitot Ref.

Túnel (Pa)

2 4 3 6 Temp.

Túnel (°C)


(mm/Hg)

Rotação variador

(rpm)


-1)

1 16 x

x x 18,6

762,8

468 5,143

2 24 x

x x 18,7 726 6,300

3 33 x

x x 18,7 945 7,387

4 37 x x x

18,9 600 7,825

5 43 x x x

18,9 850 8,435

6 49 x x x

18,8 1030 9,003

7 55 x x x

18,7 1315 9,537


TABELA A3.15 – Condições dos ensaios do Método da8 Figuras de Erosão – Caso 8.


Erosão – Caso 5.


Erosão – Caso 7.

Anexos

viii


17,0

Ventiladores

ativados



2 4 3 6 Temp.

Túnel (°C)


(mm/Hg)

Rotação variador

(rpm)


-1)

1 16 x

x x 16,2

763,5

470 5,118

2 21 x

x x 16,3 630 5,865

3 24 x

x x 16,3 730 6,269

4 33 x

x x 16,2 946 7,350

8 37 x x x

16,1 570 7,782

9 43 x x x

16 830 8,387

10 46 x x x

15,9 939 8,674

11 49 x x x

15,8 1062 8,950

12 55 x x x

15,8 1315 9,483


16,1



Erosão – Caso 8.


Erosão – Caso 9.


ix

A4. CONDIÇÕES DOS ENSAIOS DA ANEMOMETRIA DE FIO QUENTE

Volts Velocidade

Ponto

Sinal elétrico -

médio (V)

Desvio- Padrão (Sinal

elétrico)

Velocidade média U (m·s

-1)

Desvio-Padrão (velocidade)

Intensidade de turbulência (%)

1 1,702 0,091 1,467 0,981 66,903

2 1,658 0,084 1,021 0,763 74,674

3 1,644 0,084 0,910 0,715 78,578

4 1,599 0,071 0,552 0,500 90,630

5 1,773 0,072 2,240 0,939 41,913

6 1,909 0,081 4,430 1,476 33,308

7 1,777 0,102 2,401 1,363 56,757

8 1,759 0,109 2,196 1,336 60,846

9 1,735 0,092 1,832 1,089 59,438

10 1,764 0,099 2,206 1,245 56,417

11 1,730 0,094 1,778 1,062 59,753

12 1,783 0,091 2,433 1,208 49,663

13 1,869 0,114 3,843 1,766 45,957

14 1,766 0,110 2,290 1,393 60,852

15 1,707 0,110 1,594 1,273 79,863

16 1,833 0,108 3,229 1,553 48,092

17 1,828 0,099 3,119 1,423 45,634

18 1,829 0,106 3,162 1,539 48,678

19 1,666 0,085 1,096 0,815 74,376

20 1,652 0,082 0,966 0,700 72,500

21 1,660 0,086 1,049 0,792 75,475

22 1,615 0,068 0,645 0,504 78,165

23 1,887 0,053 3,951 0,917 23,213

24 1,868 0,087 3,718 1,368 36,799

25 1,858 0,076 3,508 1,219 34,744

26 1,876 0,054 3,763 0,916 24,329

27 1,844 0,092 3,338 1,399 41,897

TABELA A4.1 – Condições dos ensaios da Anemometria de fio quente – Caso 2.

Anexos

x

Volts Velocidade

Ponto

Sinal elétrico - médio

(V)


elétrico)


-1)



1 1,667 0,081 1,088 0,821 75,407

2 1,641 0,079 0,865 0,669 77,254

3 1,604 0,076 0,599 0,555 92,582

4 1,612 0,082 0,670 0,649 96,970

5 1,803 0,079 2,669 1,091 40,876

6 1,927 0,066 4,726 1,235 26,126

7 1,825 0,099 3,070 1,433 46,660

8 1,813 0,092 2,855 1,278 44,770

9 1,759 0,093 2,126 1,160 54,537

10 1,807 0,090 2,767 1,215 43,918

11 1,772 0,095 2,293 1,169 50,983

12 1,789 0,075 2,464 1,051 42,672

13 1,687 0,111 1,398 1,257 89,940

14 1,692 0,105 1,416 1,139 80,447

15 1,672 0,097 1,200 0,950 79,165

16 1,682 0,103 1,313 1,068 81,305

17 1,685 0,108 1,361 1,071 78,662

18 1,692 0,101 1,400 1,067 76,227

19 1,637 0,077 0,827 0,695 83,972

20 1,649 0,085 0,951 0,774 81,433

21 1,627 0,073 0,745 0,574 77,001

22 1,625 0,082 0,760 0,646 85,045

23 1,856 0,095 3,541 1,446 40,837

25 1,873 0,061 3,736 1,050 28,104



xi

Velocidade

Ponto


(V)


elétrico)


-1)



1 1,622 0,074 0,711 0,587 82,616

2 1,631 0,070 0,761 0,575 75,555

3 1,714 0,088 1,578 0,973 61,678

4 1,613 0,077 0,659 0,588 89,260

5 1,613 0,077 0,659 0,588 89,260

6 1,838 0,073 3,176 1,082 34,065

7 1,772 0,098 2,312 1,243 53,745

8 1,677 0,094 1,234 0,890 72,124

9 1,713 0,086 1,567 0,971 61,968

10 1,883 0,063 3,910 1,101 28,164

11 1,913 0,071 4,479 1,348 30,105

12 1,802 0,081 2,670 1,151 43,109

13 1,685 0,104 1,341 1,138 84,808

14 1,690 0,095 1,354 1,002 74,004

15 1,657 0,113 1,133 1,145 101,096

16 1,725 0,091 1,714 1,062 61,936

17 1,738 0,126 2,019 1,509 74,727

18 1,776 0,123 2,479 1,578 63,648

19 1,628 0,070 0,738 0,594 80,502

20 1,681 0,076 1,207 0,735 60,867

21 1,731 0,087 1,762 0,998 56,609

22 1,628 0,087 0,794 0,717 90,290

23 1,790 0,102 2,572 1,335 51,911

24 1,933 0,086 4,912 1,607 32,715

25 1,862 0,077 3,585 1,239 34,573

26 1,889 0,060 4,000 1,026 25,656

27 1,667 0,072 1,061 0,687 64,735

28 1,695 0,085 1,370 0,869 63,408

29 1,683 0,075 1,221 0,800 65,503

30 1,886 0,063 3,967 1,109 27,965


Anexos

xii

Volts Velocidade

Ponto


(V)


elétrico)


-1)



1 1,639 0,078 0,848 0,674 79,511

2 1,690 0,090 1,341 0,903 67,327

3 1,767 0,084 2,199 1,055 47,989

4 1,659 0,090 1,051 0,833 79,218

5 1,810 0,082 2,779 1,157 41,633

6 1,882 0,087 3,967 1,430 36,051

7 1,758 0,097 2,129 1,185 55,671

8 1,713 0,092 1,581 0,980 61,956

9 1,715 0,083 1,569 0,890 56,755

10 1,829 0,074 3,036 1,136 37,412

11 1,819 0,072 2,890 1,113 38,516

12 1,813 0,092 2,860 1,323 46,260

13 1,817 0,131 3,094 1,897 61,316

14 1,806 0,106 2,816 1,443 51,252

15 1,811 0,107 2,893 1,434 49,580

16 1,726 0,097 1,748 1,148 65,691

17 1,841 0,090 3,287 1,379 41,965

18 1,887 0,076 4,022 1,269 31,549

19 1,671 0,082 1,132 0,811 71,641

20 1,647 0,082 0,928 0,695 74,833

21 1,785 0,081 2,422 1,078 44,519

22 1,642 0,085 0,899 0,734 81,630

23 1,831 0,103 3,180 1,433 45,069

24 1,937 0,075 4,964 1,395 28,095

25 1,905 0,078 4,353 1,356 31,159

26 1,740 0,086 1,866 1,043 55,878

27 1,901 0,070 4,246 1,227 28,894



xiii

A5. VELOCIDADES NOS PONTOS DO MODEL EM CFD


-1)

Ponto Caso 2 Caso 3 Caso 4 Cas5

1 1,518 0,18 1,3 1,51

2 1,869 0,043 1,97 0,781

3 2,597 0,225 4,961 6,6

4 1,608 0,103 0,288 0,481

5 7,2 1,15 6 7,3

6 10,56 1,35 7,017 10,26

7 7,75 1,254 3,384 7,13

8 3,828 1,097 1,08 2,386

9 2,19 0,849 0,158 0,357

10 2,25 0,618 10,873 8,05

11 1,584 0,498 11,2 8,98

12 4,048 0,792 3,198 3,91

13 0,594 0,07 0,442 2,1

14 2,137 0,207 1,175 1,97

15 2,1491 0,25 0,728 0,766

16 0,241 0,139 1,485 3,87

17 3,141 0,136 8,93 7,463

18 5,162 0,124 9,154 8,7

19 1,128 0,194 0,94 1,17

20 2,297 0,0994 1,88 1,83

21 2,524 0,144 4,371 5,88

22 2,03 0,024 0,957 0,29

23 9,09 0,943 3,401 7,7

24 9,68 0,004 12 8,57

25 9,091 1,265 7,73 4,16

26 9,671 - 10,53 1,18

27 10,1 - 1,145 9,63

28 - - 2,062 -

29 - - 0,744 -

30 - - 6,9 -

Anexos

xiv

A6. COMPARAÇÃO VELOCIDADES: ANEMOMETRIA DE FIO

QUENTE E MODELO CFD (OUTROS CASOS)

Figura A6.1 – Caso 3 - Eixos de comparação entre a

técnica utilizada em túnel de vento (anemometria fio

quente) e o método computacional CFD (x/X=0,55).

Figura A6.2 – Caso 4 - Eixos de comparação entre a

técnica utilizada em túnel de vento (anemometria fio

quente) e o método computacional CFD (x/X=0,80).

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