Simulação e análise da circulação de ar nos Setores Estruturais em Curitiba, Paraná

Simulação e análise da circulação do ar nas avenidas estruturais em Curitiba, Paraná

Francisco Bemquerer Costa Rasia [email protected]: Prof. Dr. Eduardo Leite Krü[email protected]

Mestrado | QualiNicação | 15 de Setembro de 2010

mailto:[email protected]




1.Considerações iniciais

2.Aspectos teóricos e históricos

3.Aspectos Nísicos

4.Qualidade do ar na legislação ambiental brasileira

5.Métodos e equipamentos

6.Circulação de ar nos setores estruturais

7.Conclusões preliminares

Adendo: simulações no intervalo ū=0,01 a 0,30 m/s

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Sumário

1. Considerações iniciais

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Considerada um laboratório de inovação em projeto e gestão urbanos, Curitiba ganhou o título de “capital ecológica” no início dos anos 1990.

Entretanto, a ausência de novos investimentos em seu sistema de transporte de massa, o bom desempenho da economia brasileira, a expansão horizontal da cidade favorecem o rápido crescimento da frota, que já ultrapassa 1.2 mi de veículos.

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Sobre Curitiba

O Plano Preliminar de Urbanismo, de 1965, direcionou o crescimento urbano de Curitiba ao longo de quatro eixos estruturais, sistemas trinários caracterizados pela concentração de infraestrutura de transporte de massa, vias de tráfego rápido de veículos e alta densidade de ocupação, com uso misto residencial e comercial. Embora, em anos recentes, novos polos de urbanização tenham surgido em Curitiba, a importância das vias estruturais como elementos direcionadores do crescimento urbano ainda se mantém.

Às vésperas de completar quarenta anos, esses importantes elementos da paisagem curitibana são fruto da discussão arquitetônica e urbanística modernista, que muito inNlui o planejamento da cidade a partir dos anos 1960.

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Sobre esse estudo

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Sobre esse estudo

Esse estudo propõe a avaliação dos padrões urbanísticos vigentes nas vias estruturais à luz das novas ferramentas de projeto e simulação e das preocupações correntes quanto à sustentabilidade, salubridade e garantia da qualidade de vida dos usuários e habitantes desses setores.

Compõe também esse estudo um olhar sobre o Setor Especial Nova Curitiba (o Ecoville), um novo eixo de adensamento e desenvolvimento urbano onde se realizou uma conformação espacial similar à originalmente proposta para os Setores Estruturais.

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Para esse estudo, foi escolhido o modelo ENVI-‐met, desenvolvido por uma equipe da Univesidade de Mainz, Alemanha.

Como ferramenta preditiva, o modelo simula, entre outros parâmetros: turbulência, Nluxo ao redor e entre ediNícios, dispersão de partículas. Trata-‐se de uma ferramenta gratuita (freeware).

Procurou-‐se, em um primeiro momento, veriNicar a viabilidade do modelo como ferramenta de análise, e, em um segundo momento, a analisar a inNluência da ocupação urbana sobre a dispersão de poluentes, em áreas do Setor Estrutural e do Setor Especial Nova Curitiba.

Sobre esse estudo

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2. Aspectos teóricos e históricos

Urbanização e urbanismo modernista

Não é possível pensar a história do urbanismo e da arquitetura dos séculos XIX e XX sem passar pela história das idéias do Movimento Moderno e sua crítica; é nessa discussão que se encontra a gênese das idéias do planejamento de Curitiba e dos Setores Estruturais.

Segundo Danni-‐Oliveira, tanto o Plano Agache (anos 1940) quanto a iniciativa seguinte, o Plano Serete (anos 1960), constituem projetos de planejamento Niliados aos ideais progressistas da Carta de Atenas.

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Urbanização e urbanismo modernista

O plano Serete incorpora a crítica ao modernismo ao mesmo tempo em que celebra seus procedimentos e métodos

Fala-‐se de um modernismo humanista, que pretende retomar certa medida de escala humana e celebrar o poder aglutinador da cidade.

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Trajetória dos Setores Estruturais

O Plano Preliminar foi sancionado em 1966, e estão entre suas principais diretrizes:

• Uso e ocupação diferenciados do solo; • Mudança, do sentido radial de expansão, para uma conNiguração linear a partir de eixos estruturais que integrariam sistema de transportes e uso do solo;

• A criação de uma paisagem urbana típica de Curitiba. Apoiava-‐se no tripé “sistema viário, uso do solo e transporte de massa”.

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Fonte: Campos, 2005, p. 52

Sistema trinário -‐ planta

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Fonte: Campos, 2005, p. 55

Sistema trinário -‐ perNil

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A proposta inicial previa o adensamento dos eixos estruturais com uma limitação para a ocupação do solo: o Plano impunha o limite de três edi)ícios por quadra, com recuos em relação aos limites do terreno; as áreas remanescentes seriam ocupadas com parques, jardins e áreas de lazer, constituindo as Torres Residenciais.

Porém, as pressões por maiores densidades de ocupação resultaram no abandono da concepção de Torres Residenciais e adoção do Plano Massa, na década de 1970.

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No ano 2000, a Lei 9.800/00 institui o afastamento lateral de H/6. Campos ressalta que, com essa medida,

“ao invés de serem reduzidos os coe)icientes ou as taxas de ocupação, foram alterados os afastamentos das divisas, que passaram determinados pela altura da construção dividida por seis (H/6), o que deverá de)inir uma nova con)iguração na ocupação do Setor Estrutural” (CAMPOS, 2005, p. 72).

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No Setor Especial Nova Curitiba (Ecoville) é utilizado um expediente semelhante de cálculo do afastamento lateral: este é facultado para até dois pavimentos, ou deve corresponder a H/5 acima de dois pavimentos.

Apesar dos projetos que conscientemente se voltam para dentro, ignorando o espaço público, no Ecoville se realizou em parte a proposta original para os Setores Estruturais: as torres-‐jardim isoladas em meio ao verde.

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3. Aspectos Físicos

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O clima da cidade

Entre os efeitos da urbanização sobre o clima da cidade:

•Transformação da superNície, ocasionando alterações no balanço de radiação e alteração das características aerodinâmicas: as superNícies urbanas são mais rugosas, causando maior fricção e afetando a velocidade dos ventos locais;

•Os sistemas de drenagem eliminam rapidamente a água da chuva. Menos água incorpora-‐se ao solo, e as taxas de evaporação urbanas são menores que as rurais;

•As atividades urbanas liberam substâncias contaminantes;

•Geração de calor dito tecnógeno, dissipado de veículos, equipamentos, instalações, indústrias.

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O clima da cidade

Para Romero, o vento é o elemento climático mais alterado pela urbanização, mas também o mais passível de controle através do desenho urbano. Segundo a autora,

“a orientação das ruas com relação à direção dos ventos, o tamanho, a altura e a densidade dos edi)ícios, assim como a distribuição dos edi)ícios altos entre os baixos, etc. têm um grande impacto nas condições urbanas do vento” (ROMERO, 2001, p. 92).

Poluição do ar na camada limite

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A poluição atmosférica pode ter origem natural (incêndios Nlorestais, erupções vulcânicas, tempestades de areia) ou ser ocasionada pela ação humana, Seja qual for sua origem,

Os poluentes são substâncias que, sob certas condições, podem ser nocivos a seres humanos, vida animal e vegetal, microorganismos ou aos materiais, ou que podem interferir na qualidade de vida ou usufruto de edi)ícios e paisagens (OKE, 1978, p. 268, tradução livre).

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Fonte: Adaptado de OKE, 1978, p. 268

Progresso dos poluentes na atmosfera

Poluição do ar na camada limite

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4. Qualidade do ar na legislação ambiental brasileira

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Legislação ambiental brasileira

Cabe ao CONAMA estabelecer, através de resoluções, os diferentes parâmetros para monitoramento e preservação do meio ambiente.

Em 1989, foi instituído o Programa Nacional de Controle da Qualidade do Ar – PRONAR –, concebido como um instrumento de gestão ambiental, cuja estratégia básica é limitar as emissões por tipos de fontes e poluentes, sendo os padrões de qualidade do ar ações complementares de controle.

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Substância Padrão primário(µg/m3)

Padrão secundário(µg/m3)

Partículas totais 240 150

Fumaça 150 100

PM10 150 150

SO2 365 100

CO 40.000 40.000

O3 160 160

NO2 320 190

Padrões de qualidade do ar

Fonte: Adaptado de IAP, 2009

Poluentes e qualidade do ar na RMC

O monitoramento da qualidade do ar na Região Metropolitana de Curitiba teve início em 1985, com cinco estações de coleta. Atualmente, esse trabalho é realizado pelo Instituto Ambiental do Paraná (IAP) em parceria com as instituições e empresas responsáveis pela manutenção das estações de monitoramento.

Em 2008, o sistema contava com 13 estações de monitoramento.

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5. Métodos e equipamentos

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Abordagem preditiva

Foi adotada uma abordagem preditiva das condições de vento e sua inNluência sobre a dispersão de poluentes.

O modelo ENVI-‐met é a peça central de um processo de simulação que envolve dados de diversas fontes: climáticos (INMET e UWYO, além das próprias medições in loco), características de desenho urbano e ocupação do solo (obtidos da PMC, fotos de satélite e levantamento in loco) e inventário de tráfego.

Essa abordagem permite a avaliação de cenários tendenciais e alternativos de desenvolvimento; todos os resultados das simulações devem ser compreendidos como indicadores de tendências.

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Fluxo de trabalho

O processo de modelagem envolve três linhas de trabalho:

-‐ Geometria

-‐ Dados climáticos

-‐ Inventário de tráfego

Resumido em Nluxograma (Figura 4.1, p. 104)

Method and model workNlow

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Uma folha de levantamento em campo, criada a partir da planta cadastral.

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Fluxo de trabalho -‐ Geometria

Modelagem no software Eddi

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Fluxo de trabalho -‐ Dados climáticos

O modelo foi calibrado através da comparação entre velocidades de vento médias medidas em campo e aquelas preditas nas simulações. Medições foram feitas em pontos localizados dentro dos cânions urbanos estudados.

Foram realizadas duas campanhas de medição, a primeira entre os meses de janeiro e setembro de 2009, dedicada ao Estudo Piloto, e a segunda teve início em dezembro de 2009 encerrou-‐se em abril de 2010 e foi dedicada ao estudo nas vias estruturais. Cada campanha empregou uma conNiguração de instrumentos distinta, resumidas no quadro 4.2, p. 120.

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Fluxo de trabalho -‐ Dados climáticos

Estação meteorológica (conNiguração 1) em dois pontos de monitoramento da R XV de Novembro

Fluxo de trabalho -‐Dados climáticos

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Estação meteorológica (conNiguração 2) -‐ (a) e (b) Av Sete de Setembro; (c) e (d) Ecoville

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Fluxo de trabalho -‐ Calibração

As velocidades médias de vento a 2,1m de altura (na etapa de Estudo Piloto) e a 3 e 5m de altura (no estudo do setor estrutural) foram selecionadas como variáveis de interesse.

Devido à natureza turbulenta do Nluxo de vento dentro da subcamada de rugosidade, a direção do vento nesta altura foi ignorada, pois a velocidade de média de vento (ū) é a variável mais importante para a dispersão de poluentes em áreas urbanas de acordo com o modelo proposto por Oke (1978).

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Comparação entre velocidades médias de vento medidas e preditas, resultados iniciais para a região central (a) Ponto 3 (b) Ponto 10

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Comparação entre velocidades médias de vento medidas e preditas, resultados para a região central após ajuste (a) todas as velocidades de entrada (b)

somente velocidade de entrada menor que 2 m/s

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Comparação entre velocidades médias de vento medidas e preditas -‐ Ecoville

Comparação entre velocidades médias de vento medidas e preditas -‐ Sete de Setembro

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Fluxo de trabalho -‐ Inventário de tráfego

Foi adotado um método indireto para a determinação do perNil horário de tráfego, a partir de dados históricos de pressão sonora (BORTOLI, 2002), contagens de tráfego in loco nos horários de pico, e uma equação de Calixto (2002) para a predição de ruído de tráfego a partir do volume de veículos e a porcentagem de veículos pesados.

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Fluxo de trabalho -‐ Inventário de tráfego

Sete de Setembro (a) Composição da frota (b) PerNil horário de tráfego

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6. Circulação de ar nos Setores Estruturais

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Seleção dos pontos de interesse

Foram analisados dois trechos representativos: um do Setor Estrutural Sul e um do Setor Especial Nova Curitiba.

Tanto os Setores Estruturais quando o Setor Especial Nova Curitiba encontram-‐se me variados graus de adensamento e consolidação. Foram selecionadas áreas bem consolidadas e representativas da ocupação deNinida pela legislação.

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Ponto P8 -‐ Av Sete de Setembro

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Ponto P3 -‐ Ecoville

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Cenários de simulação

Mês Cenário ū (m/s)

Março Atual-‐Leste 3,10

Atual-‐Sudeste 3,10

Junho Atual-‐Leste 2,60

Atual-‐Nordeste 2,60

Atual-‐Leste Mínimo 0,30*

Atual-‐Nordeste Mínimo 0,30*

Dezembro Atual-‐Leste 3,80

Atual-‐Sudeste 3,80

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Resultados -‐ Av Sete de Setembro

Mês Cenário ū (m/s) NOx Média(µg/m3)

NOx Máxima(µg/m3)

Março Atual-‐Leste 1,39 65 176

Atual-‐Sudeste 1,39 61 190

Junho Atual-‐Leste 1,17 73 193

Atual-‐Nordeste 1,17 69 198

Atual-‐Leste Mínimo 0,30 376 1162

Atual-‐Nordeste Mínimo 0,30 349 1096

Dezembro Atual-‐Leste 1,71 54 139


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A média das máximas concentrações simuladas sob condições de vento mínimo é de 1129 µg/m3. Ao se aplicar o coeNiciente de 25% para a relação NO2/NOx, obtem-‐se a concentração estimada de 282 µg/m3 de NO2, 92 unidades acima do limite secundário para a concentração do poluente.

As manchas de mais alta concentração, distribuem-‐se ao longo dos cânions L e N e, de maneira mais localizada, no cânion O, em um ponto de estrangulamento do cânion e grande intensidade de Nluxo de veículos.

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Concentração simulada de NOx a 2,40 m, às 18h00 (a) Cenário Junho Atual-‐Leste Mínimo (b) Cenário Junho Atual-‐Nordeste Mínimo (c) Escala

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Concentração simulada de NOx a 2,40 m, às 18h00 (a) Cenário Março Atual-‐Leste (b) Cenário Março Atual-‐Sudeste (c) Escala

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A comparação de concentrações simuladas de poluente, entre o SE e as ZR-‐4 lindeiras, sugere que a combinação de tráfego intenso com o adensamento cria um “eixo de poluição” sobreposto ao Eixo Estrutural.

Sete de Setembro -‐ pontos nas vias transversais

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Comparação entre as concentrações simuladas de NOx nos pontos em ZR-‐4 e SE

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Trajetória de partículas a 2,40 m (a) ventos de Leste (b) ventos de Nordeste

(c) ventos de Sudeste

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Resultados -‐ Ecoville

Mês Cenário ū (m/s) NOx Média(µg/m3)

NOx Máxima(µg/m3)

Março Atual-‐Leste 1,11 22 118


Junho Atual-‐Leste 0,93 23 131

Atual-‐Nordeste 0,93 21 102

Atual-‐Leste Mínimo 0,30 123 697

Atual-‐Nordeste Mínimo 0,30 114 514

Dezembro Atual-‐Leste 1,36 18 100


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Os resultados da simulação de dispersão de NOx para o Ecoville apresentam resultados muito mais favoráveis que aqueles encontrados para a região da Av. Sete de Setembro.

Dentre os oito cenários, os valores mais elevados para a concentração média e máxima de NOx foram encontrados no cenário Atual-‐Leste Mínimo. Nesse cenário, a concentração máxima simulada foi de 697 µg/m3; aplicando-‐se o coeNiciente de 25%, estima-‐se que a concentração de NO2 seja de 174 µg/m3, 16 unidades abaixo do limite secundário.

As simulações apontam a tendência de ligeiro aumento das concentrações médias sob condições de vento Leste, em comparação com os cenários de vento Nordeste e Sudeste.


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Concentração simulada de NOx a 2,40 m, às 18h00 (a) Cenário Junho Atual-‐Leste Mínimo (b) Cenário Junho Atual-‐Nordeste Mínimo (c) Escala


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Concentração simulada de NOx a 2,40 m, às 18h00 (a) Cenário Março Atual-‐Leste (b) Cenário Março Atual-‐Sudeste (c) Escala


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Segundo as simulações, a morfologia adotada no Setor Especial Nova Curitiba interfere menos sobre os Nluxos de vento, que são praticamente desvinculados da forma e orientação dos cânions urbanos.

As trajetórias simuladas são similares para as três direções de vento – Leste, Nordeste e Sudeste – não sendo visível a formação de vórtices ou áreas de estagnação.

As simulações destacam o efeito da maior permeabilidade gerada pela adoção do afastamento lateral de H/5 e o modelo de “torres residenciais”, e conNirmam as avaliações de Romero (2009) e Danni-‐Oliveira (2009) dos potenciais efeitos benéNicos desse modelo de torres isoladas sobre a circulação de ar entre ediNícios.


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Trajetória de partículas a 2,40 m (a) ventos de Leste (b) ventos de Nordeste

(c) ventos de Sudeste

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7. Conclusões preliminares

Pergunta 1: as condições de ventilação nos Setores Estruturais são su)icientes para a garantia de salubridade e controle da exposição dos moradores às substâncias nocivas?

De maneira geral, nos cenários com vento não mínimo, a dispersão de poluentes nos Setores Estruturais é adequada. Nas situações de vento mínimo a dispersão é severamente prejudicada, com aumentos signiNicativos das concentrações média e máxima do poluente estudado e formação de extensivas manchas de alta concentração ao longo dos cânions.

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Conclusões preliminares

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Pergunta 2: há diferença de qualidade ambiental entre o Ecoville e os Setores Estruturais?

As simulações apontaram diferenças quantitativas e qualitativas nas condições de ventilação e dispersão de poluentes.

Os valores médios e máximos para a concentração do poluente no Setor Estrutural são mais elevados que os encontrados para o Ecoville, em todos os cenários.

Através das simulações percebeu-‐se também que a morfologia urbana do Ecoville é mais permeável aos Nluxos de ar, aumentando o contraste entre as áreas de máxima concentração de poluente e a concentração média para o trecho simulado.


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Pergunta 3: o afastamento de H/6 melhoraria as condições de ventilação e dispersão de poluentes nos Setores Estruturais?

Pergunta 4: a adoção do afastamento de H/6 reduziria o contraste entre os SE e as ZR-4 lindeiras?

Essas duas questões serão abordadas na próxima etapa do estudo, através da simulação de cenários alternativos de urbanização.


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As simulações sugerem ainda a formação de um eixo de poluição ao longo do eixo estrutural da Sete de Setembro, veriNicado através da comparação entre as concentrações simuladas nos pontos transversais localizados em ZR-‐4 e SE.

A diferença entre essas áreas é somente de zoneamento (que se expressa através de maiores densidades de ocupação), o que sugere que a maior densidade de ocupação nos Setores Estruturais é prejudicial à circulação do ar, ventilação de retirada de poluentes oriundos do tráfego de veículos no eixo estudado. Esse é um ponto a esclarecer e detalhar através da comparação com o cenário alternativo H/6.


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Adendo: simulações no intervalo ū=0,01 a 0,30 m/s

Durante o estudo das vias estruturais, numa tentativa de traçar gráNicos de relação entre concentração de NOx e a velocidade do vento, foi constatado o comportamento anômalo do modelo ENVI-‐met quando a velocidade do vento se aproxima de zero.

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Adendo

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Adendo

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Adendo

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