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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 2 • Estado de arte
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 2 • Estado de arte
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 2 • Estado de arte
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;
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)).
Capítulo 2 • Estado de arte
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 2 • Estado de arte
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;
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Capítulo 2 • Estado de arte
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 2 • Estado de arte
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 2 • Estado de arte
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 2 • Estado de arte
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Capítulo 2 • Estado de arte
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 2 • Estado de arte
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 2 • Estado de arte
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Capítulo 2 • Estado de arte
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 2 • Estado de arte
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Capítulo 2 • Estado de arte
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Capítulo 2 • Estado de arte
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 2 • Estado de arte
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Capítulo 2 • Estado de arte
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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].
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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);
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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;
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 3 • Descrição do trabalho experimental
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)).
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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).
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 4 • Análise e discussão dos resultados experimentais
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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.
Capítulo 5 • Conclusões e Desenvolvimentos Futuros
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 5 • Conclusões e Desenvolvimentos Futuros
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)
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Capítulo 5 • Conclusões e Desenvolvimentos Futuros
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).
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
113
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Ahuja, R.; Dalui, S.K.; Gupta, V.K. (2006). Unpleasant pedestrian wind conditions around
buildings. Asian Journal of Civil Engineering (Building and housing). Vol. 7, No. 2,
pages 147-154, 2006.
Alpine, M.J.D. (2005). Criteria for Determining the Impact of Wind Climatology on Pedestrian
Comfort in an Urban Setting. Envirometrics, Inc. Seattle, WA.
Alexander, D. K.; Jenkins, H. G.; Jones, P. J. (1997). A comparison of wind tunnel and CFD
methods applied to natural ventilation design. Proc. of the IBPSA Building Simulation
1997, Prague, Czech Republic, 8-10 Sep.1997, pp. 1491-1498.
ASHRAE (2001). ASHRAE Handbook – Fundamentals, American Society of Heating,
Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA, USA, 2001.
Bênia, M.D. (2010). Avaliação de critérios para determinação das condições de conforto e
segurança de pessoas frente à ação do vento. Universidade Federal do Rio Grande do
Sul, Escola de Engenharia, Porto Alegre, Dezembro 2010.
Berhault , J.P.A. (1977). “Wind noise in buildings”, Wind Engineering, pp. 67-82, 1977.
Bottema, M. (1993). Wind climate and urban geometry, Ph.D. thesis, FAGO, Technical
University of Eindhoven, 1993.
Bottema, M.; Leene, J.A.; Wisse, J.A. (1992). Towards forecasting of wind comfort. Journal of
Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 41-44: 2365-2376, 1992.
Bottema, M. (2000). A method for optimisation of wind discomfort criteria. Building and
Environment, 35: 1-18, 2000.
Blocken B. and Carmeliet J. (2004). Pedestrian wind Environment around buildings: Literature
Review and Practical Examples. Journal of Thermal ENV. And BLDG. SCI. Vol. 28, 2004.
Blessmann, J. (1986). O vento na engenharia estrutural – 2ª parte. Porto Alegre: Escola de
Engenharia, CPGEC/ UFRGS, 1986. Borowa-Blazik, E.; Bęc, J.; Lipecki T.; Nowicki T.; Szulej J. (2009).The measurement of
pressure and wind velocity around square and rectangular cylinders. EACWE 5, Florence, 2009.
Borges, J. A. R; Saraiva, J. A. G (1979). An erosion technique for assessing ground level winds.
Wind Engineering, Proceeding of the Fifth International Conference, Fort Collins,
Colorado, USAEdited by . Cermak, Pergamon Press, Oxford, July, 1979, pp. 235 a 242.
Calado, J; Narancio, E. G. (2009). Study and characterization of screens for wind effect
minimization over people. 11th Americas Conferences on Wind Engineering, San Juan,
Puerto Rico, June 22-26, 2009.
Referências Bibliográficas
114
Chan, A.T.; So, E.S.P; Samad, S.C. (2001). “Strategic Guidelines for Street Canyon Geometry to Achieve Sustainable Street Air Quality”. Atmospheric Environment, 35(24): 4089–4098, 2001.
Cochran, L.S. (2004). “Design Features to Change and/or Ameliorate Pedestrian Wind
Conditions”. Proceedings of the ASCE Structures Congress, Nashville, Tennessee, May 2004.
Cóstola, D. (2006). Ventilação por Ação do Vento no Edifício: Procedimentos para quantificação. Dissertação apresentada à Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da universidade de São Paulo, São Paulo, 2006.
Cook; N.J. (1985). The designer's guide to wind loading of building structures. Part 2: Static
structures. Butterworths Press, London.
DALMÉE, G. J. (1983). Manual de Medição de Vazão, 2 ed., Editora Edgard Blucher, Ltda,
São Paulo, S.P, 1983.
Davenport, A.; Mackey, S.; Melbourne, W. (1980). “Wind loading and wind effects”, Chapter CL-3. Committee 7 (Wind Loading and Wind Effects) of the Council on Tall Buildings and Urban Habitat, 1980.
Davenport, A.G. (1972). “An approach to human comfort criteria for environmental conditions”. Colloquium on Building Climatology. Stockholm, 1972.
Davenport, A et al. (1987). “The application of wind engineering principles to the design of structures”, Course on Wind Engineering, Lausanne, 1987.
De Bortoli, M. E. (2005). Efeito do entorno urbano sobre as ações do vento em edifícios, Dissertação Doutorado. PPGEC-UFRGS, Dezembro 2005.
EGUTI C. C. A. (2005). Desenvolvimento de um circuito eletrônico experimental de
anemômetro de fio quente, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, UNESP, São Paulo, 2005.
Ferreira, A.D.; Sousa A.C.M.; Viegas D.X.(1998). Numerical and experimental simulation of
the wind field in the EXPO’98 area, Wind Struct. 1 (1998) 337–349.
Gartshore, I.S. (1973). A Relationship Between Roughness Geometry and Velocity Profile
Shape for Turbulent Boundary Layers. National Research Council of Canada, NAE Rep.
LRT-LA-140, 1973.
Gomes, M. Glória; Moret Rodrigues, A.; Mendes, P. (2003) – "Wind effects on and around L-
and U-shaped buildings", Proceedings of the 5th International Conference on Urban Climate (ICUC5), Lodz, Poland, 1-5 September 2003, pp. 395-398.
Gandemer, J. (1975). Wind Environment around buildings: Aerodynamics concepts.
Proceedings of the Fourth International Conference on Wind Effects on Buildings and Structures, London, Cambridge, 423-432, 1975.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
115
Harris, R.I (1992). An imporved method for the prediction of extreme values of wind effects on
simple buildings and structures. Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, Vol. 0, p. 343-379, 1982.
Hunt, J.C.R. (1971). The effect of single buildings and structures, Central Electricity Research Laboratories, Leatherhead, Surrey, 1971.
Hinze, J.O. (1959). Turbulence, Introduction to its mechanism and theory, McGraw-hill book Company, 1959.
Hoppe P. (2002). “Different aspects of assessing indoor and outdoor thermal comfort”, Energy and Buildings, Vol. 34, 661–665, 2002.
Humphreys, M.A. (1970). A simple Theoretical derivation of thermal comfort conditions. Journal Inst. Heat and Vent. Engineers, 38 (95), 1970.
Irwin H. P. (1981). The Design of Spires for Wind Simulation. Journal of Wind Engineering and
Industrial Aerodynamics, 7, pp. 361-366, 1981. Isyumov, N.; Davenport A.G. (1975). “The ground level wind environment in built-up areas”, 4th
International Conf. on Wind Effects on Buildings and Structures, London, 1975.
Jamieson, N.J.; Carpenter, P. ;Cenek, P.D. (1992). “The Effect of Architectural Detailing on
Pedestrian Level Winds”. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 41–44, 2301–2312, 1992.
Jendritzky, G.; Maarouf, A.; Staiger, H. (2001); Looking for an Universal Thermal Climate Index
UCTI for Outdoor Applications; Windsor – Conference on Thermal Standards, UK, 2001.
KEPKA, B. J. (2010). AREA ASSESSMENT OF A PEDESTRIAN WIND ENVIRONMENT
USING POINT WIND SPEED MEASUREMENTS. Thesis submits as the requirement for completion of the master of building science., APRIL 2010.
Kubota T.; Miura M.; Tominaga Y.; Mochida A. (2008). “Wind tunnel tests on the relationship
between building density and pedestrian-level wind velocity: Development of guidelines for realizing acceptable wind environment in residential neighborhoods”. Building and Environment 40, pp1699-1708, 2008.
Lawson, T.V., (1973), “The wind environment of buildings: a logical approach to the
establishment of criteria”, Bristol University, Department of Aeronautical Engineering. 1973.
Lawson, T.V.; Penwarden, A.D. (1975). The effects of wind on people in the vicinity of building.,
Proceedings 4th International Conference on Wind Effects on Buildings and Structures, Heathrow, Cambridge University Press, pp. 605-622, 1975.
LAWSON, T.V. (1978). The wind content of the built environment, Journal of industrial aerodynamics, Amsterdam, v.3, n.2-3, p.93-105, July 1978.
Lopes, M. F. P. (2008). Aplicação numérica e experimental de métodos de simulação da camada limite atmosférica para o estudo da ação do vento sobre edifícios, Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, 2008.
Referências Bibliográficas
116
Lopes, A.; Oliveira, S.; Marques da Silva, F.; Saraiva, J. (2008). “Limiares de conforto a partir de ensaios no túnel de vento: Primeiros resultados.” Lisboa: Cidades e Alterações Climáticas. Que Futuro?, Universidade de Lisboa, 15-16 Maio 2008
Marques da Silva, F.M. (2006). Acção do Vento nas Condições de Conforto nos Pátios
Exteriores da Biblioteca Central e Arquivo Municipal de Lisboa”, NT 08/2006-NOE-A, LNEC, 2006.
Marques, R. Souza, Ventilação e Prescrições Urbanísticas: uma aplicação simulada para a orla
da Praia do Meio em Natal/RN, Dissertação, Programa de Pós-Graduação em
arquitetura e urbanismo da universidade Federal do Rio grande do norte, com requisito
para a obtenção do título de mestre, Natal/RN, 2003.
Melbourne, W.H., (1978). "Criteria for Environmental Wind Conditions", Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol.3, pp.241-249, 1978.
Moret Rodrigues, A.; Gomes, M. Glória; Canha da Piedade, A. (2003). " Wind environment around building complexes", Proceedings of the 5th International Conference on Urban Climate (ICUC5), Lodz, Poland, 1-5 September 2003, pp. 447-450.
Mascaró, L. (1991). Energia na edificação: estratégia para minimizar seu consumo, São Paulo: Projeto, 1991.
Moacyr, F.S. Jr. (2006). TÚNEL DE VENTO DE CAMADA LIMITE
ATMOSFÉRICA:METODOLOGIA DE PROJETO UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO, FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA, PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA, Passo Fundo, Dissertação, 2006.
Murakami, S.; Uehara, K.; Deguchi, K. (2000). Wind effects on pedestrians: new criteria based on outdoor observation of over (2000) persons, In: Cermak (Ed.) (1980), Proceedings of the 5th International Conference on Wind Engineering, Fort Collins, Colorado, pp. 277-
288, 1980.
Nicolopoulou, M.; Lykoudis, S. (2002). “Thermal comfort in open spaces: the human factor”, 6th
Panhellenic Congress of Meteorology, Climatologic and Atmospheric Physics, September 25-28, Ioannina, Greece, 2002.
Nicolopoulou, M.; Baker, N.; Steemers, K. (2001). “Thermal comfort in outdoor urban spaces: understanding the human parameter”, Solar Energy, Vol. 70, No.3, 227-235, 2001.
Ovstedal, L.; Ryeng E. O. (2002). Who is the most pleased pedestrian?. WALK21 3rd
International Conference, Steps Towards liveable cities, Donastia – San Sebástian 8-
11, May 2002.
Patankar, S.V; Spalding, D.B. (1972). A calculation procedure for heat, mass and momentum
transfer in three-dimensional parabolic flows. International Journal of Heat and Mass
Transfer, 15, 1787-1806, 1972
Prata, A. R.; Barros F.A. (2005). Airflow building height difference and wind tunnel test, FAUUSP.
Prata, A. R.; Brunelli, G.; Jabardo, P. J. S.; Marciotto, E. R.; Nader, G. (2005) Urban Ventilation: influence of physical models’ scale inwind tunnel tests. PLEA2005 - The 22nd Conference on Passive and Low Energy Architecture. Beirut, Lebanon, Nov., 2005. 6p.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
117
Penwarden, A.D.; Wise A.F.E. (1975). "Wind Environment Around Buildings", Building Research Establishment Report, London. 1975.
Peterka, J.A.; MERONEY, R,N.; KOTHARI, K, M. (1985). Wind flow patterns about buildings, Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, vol-21, p. 21-38, 1985
Potter, M.; Wiggert, D.(1991) “Mechanics of fluids”, Prentice-Hall International, Inc, 1991.
QUEIROZ, M. C. (2006). Análise do Escoamento em uma Estação de Calibração de Tubos de
Pitot Usando as Técnicas de Pitometria e Anemometria Térmica Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica), Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2006.
Rowan,W.D.;Irwin(2009).PEDESTRIAN WIND ASSESSMENT WESTERN RAILYARD
DEVELOPMENT NEW YORK, NEWYORK- May12, 2009.
Ratcliff, M. A. ;Peterka; Jon A. (1990). Comparison of Pedestrian Wind Acceptability Criteria. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 36 (1990) 791-800, 1990.
SAMPAIO, C. A. et al. (1998). Desenvolvimento e avaliação de um Anemômetro de fio quente
operando a temperatura constante, Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental. Campina Grande, PB, DEAG/UFPB v.2,n.2, p. 229-234, 1998.
Simiu, E.; Scanlan, R. (1996). “Wind effects on structures. An introduction to wind engineering”, John Wiley & Sons, 3rd Edition, 1996.
Soares, C. B. (2008). Estudo experimental do comportamento fluidodinâmico na secção de testes de um túnel de vento para baixas velocidades, PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS, IPUC - Instituto Politécnico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Belo Horizonte, 2008.
Stathopoulos T. (2009). Wind and Comfort, EACWE 5, Florence, 2009.
Stathopoulos, T.; Wu, H.;Bedard, C. (1992). “Wind Environment Around Buildings: A Knowledge-Based Approach”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 41–44: 2377–2388, 1992.
Stathopoulos, T.; Wu, H. (1995). “Generic models for pedestrian-level winds in built-up regions”,
Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 54-55: 515-525, 1995. Stathopoulos, T. and Storms, R, (1986). “Wind Environmental Conditions in Passages between
Buildings”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 24: 19–31, 1986. Stathopoulos, T., Wu, H., Zacharias, J.,(2004). “Outdoor human comfort in an urban climate”,
Building and Environment, vol. 39, No. 3, 297-305, 2004.
Stathopoulos, T. and Baskaran, B.A.(1996).Computer simulation of wind environmental conditions around buildings, Engineering Structures, 18(11): 876-885, 1996.
Spalding, D.; Ludwig, J. (2001). PHOENICS 3.4 Documentation, CHAM, 2001.
Sparling, B.F (1997). Structural Engineering System Design, CE 461 – Wind Loads, p.38-46, 1997.
Referências Bibliográficas
118
Stull, R.A. (1988); An introduction to boundary layer meteorology; Dorderecht: Kluwer Academic Publishers, 1988.
Tsang, C.W; Kwork, K.C.S., Hitchcock ,P.A. (2009). Effects of building dimensions and building
separations on pedestrian-level wind environment, EACWE 5, Florence, 2009.
THEURER, W.; BAEEHLIN, W.; PLATE, E.J. (1992). Model study of the development of boundary layers above urban areas, Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, vol. 41-44, p.437-448, 1992.
To, A. P.; Lam, K.M. (1995). “Evaluation of pedestrian-level wind environment around a row of tall buildings using a quartile-level wind speed descriptor”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 54-55: 527-541, 1995.
Treain, C.A. (2005). Modelagem dinâmica equivalente de edifícios altos submetidos à ação do
vento, Dissertação, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2005
Uematsu, Y.; Yamada, M.; Higashiyama; H. ; Orimo, T. (1992). “Effects of the corner shapes of
high-rise buildings on the pedestrian-level wind environment with consideration for mean and fluctuating wind speeds”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol.41-44, pp2289-2300, 1992.
Visser, G.T., Folkers, C.J. and Weenk, A. (2000). “KnoWind: a Database-Oriented Approach to
Determine the Pedestrian Level Wind Environment Around Buildings”, Journal of Wind
Engineering and Industrial Aerodynamics, 87:287–299, 2000.
Wellington City District Plan, Design Guide for Wind (2000).
Wu, H. (1994).Pedestrian – Level wind environment around buildings, Concordia University,
Montreal, Quebec, Canadá , 1994
Wiren, B.G., “A Wind Tunnel Study of Wind Velocities in Passages between and through
Buildings”, In: Proceedings of the 4th International Conference on Wind Effects on
Buildings and Structures, Cambridge University Press, Heathrow, pp. 465–475, 1975.
Yakhot, V., Orszag, S.A, Thangam, S., Gatski, T.B. and Speziale, C.G. (1992). Development of
turbulence model for shear flows by a double expansion technique, Physics of fluids: A:
Fluid Dynamics, 4(7), 1510-1520, 1992.
Yu, J. T. S. (2005). Wind effects on pedestrians, Ping Che Road, Fanling, Hong Kong.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
119
SITES CONSULTADOS
[1] http://www.ebanataw.com.br/roberto/vento/caso2.htm
[2] http://zone4info.com/articles/print/112/format/smoothbox.
[3] http://www.meas-spec.com/product/t_product.aspx?id=9311.
[4] http://www.meas-spec.com/product/scannerssystems/DTC-Initium.aspx.
[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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Velocidade média (m·s
-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.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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
Registo fotográfico
Pitot Referência Túnel (Pa)
2 4 3 6 Temp. Túnel (°C)
Pressão atmosférica
(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
Registo fotográfico
Pitot Ref.
Túnel (Pa)
2 4 3 6 Temp. Túnel (°C)
Pressão atmosférica
(mm/Hg)
Rotação Variador
(rpm)
Velocidade Túnel (m·s
-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
Temp. Ambiente (°C)
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.
TABELA A3.4 – Temperatura ambiente nos ensaios do Método das Figuras de
Erosão – Caso 2.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
v
Ventiladores
ativados
Registo fotográfico
Pitot Ref. Túnel (Pa)
2 4 3 6 Temp. Túnel (°C)
Pressão atmosférica
(mm/Hg)
Rotação variador
(rpm)
Velocidade Túnel (m·s
-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
Temp. Ambiente (°C)
19,8
Ventiladores
ativados
Registo fotográfico
Pitot Ref.
Túnel (Pa)
2 4 3 6 Temp. Túnel (°C)
Pressão atmosférica
(mm/Hg)
Rotação Variador
(rpm)
Velocidade Túnel (m·s
-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.
TABELA A3.6 – Temperatura ambiente nos ensaios do Método das Figuras de
Erosão – Caso 3.
TABELA A.3.5 – Condições dos ensaios do Método das Figuras de Erosão – Caso 3.
Anexos
vi
Temp. Ambiente (°C)
19,8
Ventiladores
ativados
Registo Fotográfico
Pitot Ref. Túnel (Pa)
2 4 3 6 Temp. Túnel (°C)
Pressão atmosférica
(mm/Hg)
Rotação variador
(rpm)
Velocidade Túnel (m·s
-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
Temp. Ambiente (°C)
16,7
Ventiladores
ativados
Registo fotográfico
Pitot Ref. Túnel (Pa)
2 4 3 6 Temp.
Túnel (°C)
Pressão atmosférica
(mm/Hg)
Rotação variador
(rpm)
Velocidade Túnel (m·s
-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
TABELA A3.11 – Condições dos ensaios do Método das Figuras de Erosão – Caso 6.
TABELA A.3.9 – Condições dos ensaios do Método das Figuras de Erosão – Caso 5.
TABELA A3.8 – Temperatura ambiente nos ensaios do Método das Figuras de
Erosão – Caso 4.
TABELA A3.10 – Temperatura ambiente nos ensaios do Método das Figuras de
Erosão – Caso 5.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
vii
Temp. Ambiente (°C)
17,1
Ventiladores
ativados
Registo fotográfico
Pitot Ref.
Túnel (Pa)
2 4 3 6 Temp. Túnel (°C)
Pressão atmosférica
(mm/Hg)
Rotação variador
(rpm)
Velocidade Túnel (m·s
-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
Temp. Ambiente (°C)
17,0
Ventiladores ativados
Registo fotográfico
Pitot Ref.
Túnel (Pa)
2 4 3 6 Temp.
Túnel (°C)
Pressão atmosférica
(mm/Hg)
Rotação variador
(rpm)
Velocidade Túnel (m·s
-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 A3.13 – Condições dos ensaios do Método das Figuras de Erosão – Caso 7.
TABELA A3.15 – Condições dos ensaios do Método da8 Figuras de Erosão – Caso 8.
TABELA A3.12 – Temperatura ambiente nos ensaios do Método das Figuras de
Erosão – Caso 5.
TABELA A3.14 – Temperatura ambiente nos ensaios do Método das Figuras de
Erosão – Caso 7.
Anexos
viii
Temp. Ambiente (°C)
17,0
Ventiladores
ativados
Registo fotográfico
Pitot Ref. Túnel (Pa)
2 4 3 6 Temp.
Túnel (°C)
Pressão atmosférica
(mm/Hg)
Rotação variador
(rpm)
Velocidade Túnel (m·s
-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
Temp. Ambiente (°C)
16,1
TABELA A3.17 – Condições dos ensaios do Método das Figuras de Erosão – Caso 9.
TABELA A3.16 – Temperatura ambiente nos ensaios do Método das Figuras de
Erosão – Caso 8.
TABELA A3.18 – Temperatura ambiente nos ensaios do Método das Figuras de
Erosão – Caso 9.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
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)
Desvio- Padrão (Sinal
elétrico)
Velocidade média U (m·s
-1)
Desvio-Padrão (velocidade)
Intensidade de turbulência (%)
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
TABELA A3.2 – Condições dos ensaios da Anemometria de fio quente – Caso 3.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
xi
Velocidade
Ponto
Sinal elétrico - médio
(V)
Desvio- Padrão (Sinal
elétrico)
Velocidade média U (m·s
-1)
Desvio-Padrão (velocidade)
Intensidade de turbulência (%)
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
TABELA A3.3 – Condições dos ensaios da Anemometria de fio quente – Caso 4.
Anexos
xii
Volts Velocidade
Ponto
Sinal elétrico - médio
(V)
Desvio- Padrão (Sinal
elétrico)
Velocidade média U (m·s
-1)
Desvio-Padrão (velocidade)
Intensidade de turbulência (%)
1 1,639 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
TABELA A3.4 – Condições dos ensaios da Anemometria de fio quente – Caso 5.
Avaliação Experimental do Conforto Pedestre em Ambiente Urbano
xiii
A5. VELOCIDADES NOS PONTOS DO MODEL EM CFD
Velocidade média (m·s
-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).
Top Related