IMPACTOS DA MORFOLOGIA DA CIDADE NAS CONDIÇÕES MICROCLIMÁTICAS DE ÁREAS URBANAS CONSOLIDADAS DE SÃO PAULO EM DIAS QUENTES GABRIEL BONANSEA DE ALENCAR NOVAES 13 DE NOVEMBRO DE 2019
QUESTÃO CENTRAL E OBJETIVO Verificar qualitativa e quantitativamente os potenciais impactos de diferentes tipologias de formações morfológicas presentes em assentamentos de áreas urbanas consolidadas nas condições microclimáticas locais ao longo de dias quentes a partir de exemplos representativos de distritos de São Paulo.
METODOLOGIA Levantamento de dados empíricos em medições de variáveis da ambiência térmica de ambientes reais da cidade. Simulação computacional de diferentes modelos de cenários típicos de bairros de São Paulo para condições térmicas em dias quentes. As medições são utilizadas para calibração de modelos de simulação do software ENVI-met
MEDIÇÕES EMPÍRICAS
MEDIÇÕES EMPÍRICAS
40 dias 06/12/2018 a 14/01/2019
• Estação Científica e Hobos medindo variáveis microclima. • Medições realizadas de forma contínua e permanente • Intervalos de 10 minutos
Temperatura média mensal em 2016 e 2017 (°C), além das normais, da média 1991-2017 e da média climatológica Fonte: IAG/USP, 2017
"Entre os dias 11 e 31 de dezembro, a temperatura mínima da madrugada ficou sempre acima dos 18°C." "No período entre 10 e 23 dezembro de 2018, a temperatura máxima na cidade de São Paulo foi igual ou maior do que 30°C, totalizando 14 dias consecutivos nesta situação. Este foi o período mais quente de 2018 na capital paulista. Nenhum outro mês do ano, nem no verão, teve tantos dias seguidos com calor de 30°C ou mais." Fonte: Terra, 2018 e Climatempo, 2018
"Em janeiro, as temperaturas se mantiveram elevadas durante praticamente todos os dias no mês, apenas em 5 dias é que as máximas não ultrapassaram os 30°C, entre os dias 4 e 6 e dias 25 e 26." "As temperaturas mínimas fecharam o mês com valores de quase 2°C acima da média, 20,5°C frente a 18,6°C de média. Foi o segundo maior valor em 76 anos de registros, perdendo apenas para o ano de 2015 que fechou com 21,1°C."
Fonte: G1 SP, 2019
LOCAL DE MEDIÇÃO Permanência do equipamento no local por longo período Local aberto e descoberto, com visão desobstruída de céu
Minimização de interferências sobre o equipamento Acesso controlado
Segurança contra intrusões, vandalismos, furtos, incidentes Proteção contra intempéries e outros riscos naturais
Permitir a coleta de dados e caracterização física do espaço
Região de uso misto predominantemente residencial, ocupada de forma predominante por casas e sobrados geminados com quintal nos fundos. Poucas edificações mais altas pontuais se distribuem pela região.
Região de uso misto predominantemente residencial, ocupada de forma predominante por casas e sobrados geminados com quintal nos fundos. Poucas edificações mais altas pontuais se distribuem pela região.
Ponto de Medição
Ponto de medição nos fundos de um sobrado geminado em terreno de largura de 6m. Na zona frontal, a construção é geminada dos dois lados, na zona dos fundos é geminada somente em um dos lados, contando ainda com um recuo traseiro na altura do segundo pavimento, formando assim um quintal aberto de aprox. 3m de largura. O primeiro e o segundo subpontos de medição se localizaram na altura do segundo pavimento sobre a laje de cobertura da edícula da casa, na região descoberta compreendida entre o recuo lateral de aprox. 3m de largura e o recuo traseiro da casa de aprox. 3m. Apoiado a uma altura aproximada de aproximadamente 3m ao solo, os pontos contaram com o corpo principal da Estação Campbell e um Hobbo Externo, contendo dois termohigrômetros, dois termômetros de globo e o conjunto de painel fotovoltaico e bateria da Estação.
Imediatamente ao lado e acima do primeiro subponto de medição, localizou-se o terceiro subponto de medição, o principal para a realização deste trabalho. Este subponto foi localizado na laje de cobertura final da casa com base de apoio a uma altura aproximada de 6m em relação ao solo. Este terceiro ponto, a uma altura aproximada de 6m em relação ao solo em local acima da construção da casa e das edificações vizinhas, desobstruído lateralmente em praticamente toda a sua volta, contou com termohigrômetro, termômetro de globo, piranômetro e anemômetro digital ultrassônico. O piranômetro foi colocado sobre a laje de piso exatamente a sul da haste do hobbo para permanecer nunca sombreado. Os demais equipamentos foram fixados na haste do hobbo de medição. O anemômetro foi posicionado em relação ao norte verdadeiro e também foi fixado de forma a ficar totalmente desobstruído.
Os equipamentos de medição do subponto da laje de cobertura foram colocados em posição e altura onde tiveram visão de céu praticamente 100% desobstruída.
Os reservatórios de água estavam vazios e a uma distância de aprox. 3m de distância do ponto de medições, não impactando assim nas mesmas. Há poucos edifícios mais altos com obstruções significativas na visão de céu somente no quadrante sulsudeste.
No ponto da laje inferior há grande mascaramento de céu ocasionado pelas paredes, muros e coberturas da própria casa, de sua edícula e de seus vizinhos.
O mascaramento neste ponto causa o sombreamento do ponto de medição em parte da manhã e parte da tarde ao longo de todo o ano. No caso do verão, há sombreamento pela manhã até entre 7h30 (22/12) e 10h00 (21/03) e pela tarde após entre 6h30 (21/03) e 16h45 (22/12).
No período de medições realizado, entre dezembro e janeiro, há sombreamento do ponto antes das 7h30 da manhã (22/12) e das 8h00 da manhã (22/11 e 21/01) e após às 16h45 ao longo de todo o período. Em todo o período, minimamente nos horários entre 8h00 e 16h45, o ponto permaneceu exposto ao céu e à insolação direta.
No ponto da laje superior praticamente não há mascaramento de céu. Nos poucos casos, alguns elementos ocasionam mascaramento nos inícios das manhãs e finais de tarde, sendo edifícios maiores à distância, árvores, etc. O ponto permanece na maior parte do ano e na maior parte dos horários com visibilidade completa do céu e insolação direta.
Os casos de mascaramento de céu ocorrem, em sua maioria, antes das 6h30 e após às 17h30 no verão e antes das 7h00 e após às 17h00 no inverno. Vemos que os elementos de sombreamento mais proeminentes são uma árvore a oeste do ponto que traz sombreamento a partir das 16h45 nos meses de março, abril, setembro e outubro e uma edificação no segmento leste-sudeste, que traz sombreamento até às 6h15 nos meses de fevereiro, março, outubro e novembro. No período de medições realizado, entre dezembro e janeiro, há sombreamento do ponto antes das 5h45 da manhã (22/11 e 21/01) e das 6h00 da manhã (22/12) e após às 18h00 ao longo de todo o período. Em todo o período, minimamente nos horários entre 6h00 e 18h00, o ponto permaneceu exposto ao céu e à insolação direta.
RESULTADOS DAS MEDIÇÕES
5.473 horários de medição dispersos nos intervalos de 10 minutos nos 38 dias contabilizados (07/12/2018 a 13/01/2019)
79.647 dados registrados contabilizando todas as variáveis medidas em intervalos de 10 minutos pelos dois hobbos e pela estação científica em 38 dias contabilizados (07/12/2018 a 13/01/2019)
TEMPERATURA DO AR
13,40°C ~ 37,64°C foram os registros da temperatura do ar mais baixa, em 09/12/2018 às 6h40 no termohigrômetro do hobo externo localizado na laje de cobertura, e da temperatura do ar mais alta, em 14/12/2018 às 17h50 no termohigrômetro da Estação Campbell localizada na laje inferior.
Forte aderência entre as medições dos três equipamentos, sendo que o hobbo da laje inferior apresentou as maiores medições de temperatura ao longo de quase todo o período. O termohigrômetro da cobertura foi o que apresentou as menores medições de temperatura do ar ao longo de todo o período. A maior diferença de registro foi de 3,674°C, representando 16,94% de dispersão. No geral as diferenças foram inferiores a 10%
UMIDADE RELATIVA
16,95% ~ 96,27% foram os registros da umidade do ar mais alta, em 06/01/2019 também às 6h40 também no termohigrômetro do hobbo externo localizado na laje de cobertura, e da umidade do ar mais baixa, também em 14/12/2018 às 17h50 também no termohigrômetro da Estação Campbell localizada na laje inferior.
A estação na laje inferior apresentou os menores registros. Os termohigrômetros dos hobbos da laje inferior e da laje de cobertura apresentaram registros próximos e semelhantes, distoando da estação. Na maior parte do tempo, as diferenças se mantiveram entre 6%UR e 15%UR (entre 15% e 30% de diferença relativa). Houve picos quase diários de diferenças acima dos 18%UR (45% de diferença relativa). A maior diferença foi de 22%, chegando a 135% de diferença relativa.
TEMP. DE GLOBO E RADIAÇÃO SOLAR
7.906 W/M² foi o registro da radiação solar incidente mais alta, em 27/12/2018 às 19h40 no piranômetro da Estação Campbell localizado na laje de cobertura. Para efeito de comparação, segundo o Atlas Solarimétrico do Brasil, a radiação solar global diária esperada para São Paulo em Dezembro fica entre entre 4.440 W/m² e 5.560 W/m².
A laje inferior apresentou os maiores valores, devido às emissões de calor pelas várias superfícies próximas, inclusive no período noturno. A laje de cobertura apresentou as menores mínimas no período noturno, mas ao longo do dia apresentaram valores intermediários entre os outros medidores. Como era de se esperar, houve grandes diferenças entre a laje inferior e a laje superior, ultrapassando diariamente os 8°C e chegando aos 16°C, isto é, por vezes passando dos 60% de diferença entre os registros.
Temperaturas de Globo chegando aos 47°C nos picos máximos e radiação solar global ultrapassando os valores de 6.000 W/m² simultaneamente
VELOCIDADE E DIREÇÃO DOS VENTOS
0,01 M/S ~ 6,46 M/S (0,04 KM/H ~ 23,26 KM/H) foram os registros da velocidade do ar mais alta, em 07/01/2019 também às 13h30 no anemômetro da Estação Campbell localizada na laje de cobertura, e da velocidade do ar mais baixa, também em 12/01/2019 às 10h40 no anemômetro da Estação Campbell localizada na laje de cobertura.
As maiores velocidades médias de vento se distribuem entre os ventos das direções S-SE e SE e das direções O e O-NO. Fica claro, no entanto, que os ventos predominantes pelo percentual de tempo de medição advêm da direção SE, representando cerca de 24% do tempo de medição na divisão da rosa dos ventos em 8 faixas (N, NE, E, SE, S…) ou 14% na divisão em 16 faixas (N, NNE, NE, ENE, E…). Os ventos do quadrante Sudeste ultrapassam 50% do tempo de medição.
PERÍODO DE SIMULAÇÃO
PERÍODO DE SIMULAÇÃO Período de Análise: 24 horas 6h00 12/12/2018 às 6h00 13/12/2018 Período de Simulação: 36 horas
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18h00 11/12/2018 às 6h00 13/12/2018
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Período de Dados de Med.: 126 horas
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0h00 09/12/2019 às 6h00 14/12/2019 Período de Dados Locais: o ano todo Arquivo Climático Aerop. Congonhas
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Critérios de escolha do período Maiores números de dias consecutivos com condições ensolaradas e sem chuva, Condições de céu limpo e ensolarado, Maiores temperaturas de ar e menos umidades relativas. Simulação de 1 dia envolto em períodos de 6 horas antes e depois, isto é, com início às 18h do dia anterior e encerramento às 6h do dia seguinte.
Período de Simulação: 18h00 11/12/2019 às 6h00 13/12/2018
Período de Simulação: 18h00 11/12/2019 às 6h00 13/12/2018
PROCESSO DE CALIBRAÇÃO DO ARQUIVO CLIMÁTICO DE SIMULAÇÃO
PROCESSO DE CALIBRAÇÃO • 22 diferentes modelos para a calibração do software, buscando o modelo climático com a maior acurácia possível na reprodução das condições microclimáticas das medições realizadas no mesmo ponto
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São utilizados dados climáticos globais e dados atmosféricos do próprio ENVI-met pela localização georreferenciada e altitude do modelo Arquivo climático do Aeroporto de Congonhas como fundo Nebulosidade medida pela Estação Meteorológica Água Funda do IAG/USP. São utilizados os resultados das medições empíricas como dados de entrada da simulação para os dias de análise, sobrescrevendo os dados dos arquivos históricos e gerais. Um modelo que representa exatamente o local e o período de medições é realizado a fim de se obter os mesmos resultados das medições. Quando os resultados são os mais próximos possíveis, o modelo climático é considerado calibrado e apto para uso.
PROCESSO DE CALIBRAÇÃO DO ARQUIVO CLIMÁTICO DE SIMULAÇÃO
2 OBJETIVOS / 7 PREMISSAS 1. Comparabilidade entre os modelos simulados 2. Todas as diferenças de resultados decorram exclusivamente das diferenças morfológicas e geométricas entre os modelos
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Mesmas características, variando somente aspectos morfológicos e geométricos da tipologia urbana Mesmas condições microclimáticas de borda, mesmo arquivo climático Mesmos materiais para calçadas e vias e mesmo tipo de solo Mesmos materiais para fachadas e coberturas das edificações Modelos totalmente planos de áreas predominantemente planas
Mesma localização e mesma altitude Ausência de qualquer tipo de vegetação
ASPECTOS GEOMÉTRICOS •
A geometria dos modelos foi desenvolvida de forma a reproduzir fielmente a geometria das edificações construídas no local.
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Área de edificações com 400 x 400m no plano horizontal, envolta em uma área de superfície para as bordas do modelo de 500 x 500m Altura total maior que o dobro da altura do edifício mais alto Dimensões (alturas e dimensões horizontais) das edificações foram extraídas do Mapa Digital da Cidade de São Paulo fornecido pela Prefeitura de São Paulo (GeoSampa)
ASPECTOS CLIMÁTICOS • Arquivo Climático Aerop. Congonhas + Medições (Tar, UR, Var, Dir. Vento) + Nebulosidade Nula + Modelo Atmosférico do ENVI-met
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Temperatura do Ar e Umidade Relativa inseridas em períodos de 30 minutos conforme medições empíricas. Velocidade e Direção do Vento inseridas de forma constante como 2,20 m/s e 138,7° conforme média ponderada das medições empíricas. Nebulosidade nula, isto é, condição de céu 100% limpo em todo o período de simulação.
ASPECTOS CONSTRUTIVOS •
• Padronização dos materiais de paredes de fachadas e coberturas das edificações
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Paredes de alvenaria de blocos de concreto com revestimentos internos e externos em argamassa Coberturas em lajes de concreto impermeabilizadas com revestimento interno em argamassa e camada externa de contrapiso de concreto. O software limita em 3 o número de camadas por componente construtivo Propriedades físicas e térmicas dos materiais conforme:
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NBR 15.220-2 PBE Edifica LABEEE, 2017
MODELOS DE SIMULAÇÃO
5 MODELOS
Regiões de uso misto, localizadas no centro expandido de São Paulo, entre a região central, a Zona Sul e a Zona Oeste
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Áreas de uso misto Áreas urbanas consolidadas e qualificadas de ocupação regular Áreas densamente ocupadas e densamente povoadas. Topografia praticamente plana Aspectos morfológicos e geométricos diferentes Formações morfológicas urbanas consolidadas
Relações similares de superfícies de piso (asfalto e concreto) Vias predominantemente em direções similares Variando entre edifícios espaçados entre si e edifícios geminados
CARACTERIZAÇÃO GEOMÉTRICA • Qualitativa e quantitativa. Estabelecimento de fatores numéricos quantificáveis para características essencialmente qualitativas.
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Faixas, máximos e mínimos e médias de alturas das edificações Faixas, máximos e mínimos e médias de áreas de projeção das edificações Desvio padrão das alturas das edificações (variabilidade de alturas) Fator altura / largura (H/W)
Fator de Visão de Céu (FVC) Taxa de Ocupação (TO) Volumetria Construída Coeficiente de Aproveitamento (CA) Fator Altura / Área de Projeção (A / Aproj)
MODELO 1 IPIRANGA • •
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Traçado quadrangular homogêneo Mescla entre casas e sobrados e edificações altas dispostas de forma independente no terreno Casas e sobrados geminados Edificações altas espaçadas com recuos laterais frontais
MODELO 2 ITAIM BIBI •
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Área praticamente totalmente verticalizada Há resquícios de sobrados e pequenos estabelecimentos comerciais com 1 a 3 pavimentos Há embasamentos de 1 pavimento sob as torres Torres altas espaçadas com pequenos recuos frontais e laterais e forte alinhamento Cânion urbano
MODELO 3 MIRANDÓPOLIS • •
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Área praticamente sem verticalização Predomínio de casas e sobrados geminados nas laterais com recuos frontais e quintais nos fundos. Algumas poucas torres residenciais espalhadas entre as casas. Grande padronização das alturas e forte alinhamento frontal das edificações
MODELO 4 MOEMA • •
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Área aparentemente muito verticalizada Há muitas edificações altas em formato de torre, mas há ainda muitas edificações baixas, como casas e sobrados, pequenos estabelecimentos comerciais, geminados lateralmente Grande variabilidade de alturas Casas e sobrados geminados
Torres independentes com maiores recuos frontais e laterais
MODELO 5 REPÚBLICA • • • • •
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Área totalmente verticalizada Edificações de médio e grande porte com alturas variadas Edificações geminadas lateralmente, sem recuos frontais e laterais Vias estreitas e irregulares Grande mascaramento de céu
Grande sombreamento pelas edificações
RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES (EM ANÁLISE)
OBRIGADO! Gabriel Bonansea de Alencar Novaes gabriel.novaes@usp.br gabriel.novaes@vanzolinicert.org.br gabrielalencarnovaes@hotmail.com