PESQUISA, PROJETO E CONSTRUÇÃO DE FERRAMENTAS DE ENSAIO PARA MODELOS FÍSICOS EM CONFORTO

AMBIENTAL Heliodon

secção da hasteP.U.

invólucro em chapa de aço

perfil “T”em aço

roldana 30mm

72mm

36m

msolda de latão 1/4”

solda de latão 1/4”

gavetas

perfis “T” calandradosa um raio de 1,80m.

O tampo da mesa é armazenado na vertical para ocupar menosespaço e servir como trava doarco quando este está sendo transportado.

armários

1,0

0m

0,9

0m

1,9

0m

1,8

00

,90

m

2,7

0m

1,0

0m

0,9

0m

1,9

0m

Autor: Marisa Bueno e SouzaOrientador: Denise Helena DuarteCo-Orientador: Reginaldo Ronconi

Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São PauloRua do Lago n° 876, Cidade Universitária

RESUMO

ESTRUTURA DO TRABALHO

Trata-se da pesquisa, projeto e construção de um heliodon com um arco e haste acoplada. A pesquisa incluiu a construção de um banco de dados digital dos modelos de simuladores solares encontrados, um conjunto de modelos reduzidos dos mesmos, exercícios elaborados para serem realizados com os modelos e com o heliodon em tamanho real e um modelo reduzido em escala 1:10 do modelo a ser construído .

INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVAO objetivo geral é a pesquisa e a construção de diversos modelos físicos para o ensino de conforto ambiental em escala reduzida, para uso em sala de aula e laboratório, bem como a elaboração de exercícios e roteiros de ensaios para a utilização dos mesmos. A proposta incluiu também o detalhamento e a construção em tamanho maior de um desses modelos, um Heliodon em arco, de modo a permitir o ensaio em maquetes. Para a construção desses modelos, contou-se com o apoio do LAME - Laboratório de Modelos e Ensaios, sob a coordenação do Prof. Dr. Reginaldo Ronconi, professor do AUT e co-orientador desta pesquisa.

Entre as vantagens da utilização de simulação experimental através de modelos físicos estão:

§ a adequação para condições de formas complexas;§ a facilidade de comparação entre soluções alternativas de projeto, através de componentes intercambiáveis, permitindo ainda

avaliações quantitativas e qualitativas; § a utilidade na validação de modelos computacionais; § a familiarização para a maioria dos projetistas, estimulando a percepção e compreensão dos fenômenos físicos envolvidos;§ a utilização como instrumento de comunicação entre membros da equipe de projeto e/ou entre projetista e cliente.

Além de uma atenção especial aos alunos da graduação, os produtos finais desta pesquisa beneficiam toda a comunidade FAU ao também atender à Portaria nº 1770/94 do MEC, que determina a “Configuração Essencial para os Laboratórios de Conforto Ambiental”.

§ Para um levantamento dos modelos existentes, além da pesquisa bibliográfica, foram feitas visitas por parte ou da bolsista e/ou da orientadora às seguintes instituições de ensino superior: FAAM (heliodon com régua no teto), UNIP (heliodon com três arcos), EESC/São Carlos (Heliodon de régua na vertical).

§ Depois, os modelos levantados foram classificados quanto ao tipo de simulação. Foram criados quatro grupos principais: insolação, iluminação, ventilação e mistos. A partir deste ponto, eles foram subdivididos de acordo com suas características de funcionamento. Seguindo esses padrões os grupos principais se subdividiram em:

Insolação:Relógio de solHeliodon de réguaHeliodon com haste

®Heliodon PECHeliodon com um arcoHeliodon com três arcos

®Heliodon HPD model 126Heliodon de cúpula

Iluminação:Céu ArtificialSala de Espelhos

Ventilação:Túnel de ventoMesa D'Água

MistosHeliondon e Túnel de Vento conectadosTermoheliodon

Visto que o heliodon PEC e termoheliodon possuem uma complexidade tecnológica inviável para esta etapa, e o heliodon e túnel de vento, em sua construção, se forem conectados ou individuais, em nada alteram os resultados das análises, somente onze dos modelos levantados foram construídos em tamanho reduzido.

Legenda das figuras:Figura 1 Modelo de relógio de sol (www.arq.ufsc.br/~labcon) - foto: M. BuenoFigura 2 - Modelo do heliodon com régua (ASSIS, E. S. Cartilha para a construção de simuladores da trajetória solar) foto: M. BuenoFigura 3 - modelo do heliodon com um arco (Koenigsberger, 1977)- foto: M. BuenoFigura 4 Modelo de Heliodon com um arco (Koenigsberger, 1977) - foto: M. BuenoFigura 5 Modelo de Heliodon com três arcos (ASSIS, E. S. Cartilha para a construção de simuladores da trajetória solar) - foto: M. BuenoFigura 6 Modelo do heliodon HPD 126 (http://www.hpd-online.com/heliodon.htm) - foto: M. Bueno.Figura 7 Modelo do heliodon de cúpula (SILVA, Heitor da Costa. PLEA2001) - foto: M. BuenoFigura 8 Modelo do Céu Artificial (http://www.cf.ac.uk/archi/research/envlab/sky2.html) - foto: M. BuenoFigura 9 Modelo da Sala de espelhos (http://www.lightingdesignlab.com/daylighting/daylighting_OCsky.htm) - foto: M. BuenoFigura 10 Modelo do Túnel de vento com saída aberta (http://www.arq.ufmg.br/tau/labcon/estr_tunel.html) - foto:M. BuenoFigura 11 Modelo de mesa d'água (TOLEDO, ENCAC 2003) - foto: M. BuenoF i g u r a 1 2 H e l i o d o n P E C - (fonte:http://www.pge.com/003_save_energy/003c_edu_train/pec/toolbox/arch/heliodon/heliodon.shtml)Figura 13 Heliodon em arco e túnel de vento conectados do LEB/FADU em Buenos Aires (fonte: http://www.fadu.uba.ar/cihe/leb.htm)Figura 14 Termoheliodon - (OLGAY, 1998)

§Foram elaboradas duas etapas de exercícios para os alunos da graduação, objetivando o treinamento na compreensão da trajetória aparente do sol. A primeira conta com o uso dos modelos de diferentes tipos de heliodon em tamanho reduzido e um heliodon de régua em tamanho maior já instalado e em operação no Labaut. A segunda conta com o heliodon em arco, didaticamente mais interessante, em tamanho maior, para o ensaio em maquetes.

§ Os dados coletados poderão servir de base para esta e outras pesquisas futuras, já que, com os dados recolhidos, foi construído um banco de dados em Flash que em breve estará disponível no site do LABAUT.

§ Tendo em mãos o levantamento dos equipamentos existentes e os modelos reduzidos, foi feita uma reunião com a equipe do LABAUT e alguns colaboradores para se definir qual seria o modelo de heliodon a ser construído. Por motivos didáticos, determinou-se que seria um modelo com estrutura em arco. A simplicidade estrutural do modelo com um arco não só facilitaria a primeira experiência de construção de um equipamento de tal complexidade, como não restringiria a análise a dias específicos do ano, como os modelos onde as lâmpadas são fixas. A base giratória mostrou-se mais eficiente, pois caso contrário a luz não consegue iluminar o modelo nos solstícios e a haste acoplada tornava possível uma estruturação mais rígida do equipamento que poderia ser soldado nas bases. As dimensões do equipamento foram limitadas a uma altura de 2,10m e uma largura de 0,60m (dimensões de uma porta comum), lembrando que seu raio deveria ser o maior possível para que o facho da lâmpada chegasse à maquete o mais paralelamente possível.

§ Foram elaboradas quatro versões para o equipamento:

1. Na primeira optou-se pelo alumínio em sua construção, e o carrinho com a haste correria mecanicamente pelo arco através de um micro-motor reversível. Também se definiu o perfil a ser utilizado no arco. O único possível de ser calandrado era o perfil “T” simples. A calandragem também limitou o raio do equipamento em um arco de 1.80m. Sendo assim, a base deveria ser elevada a uma altura de 0,90m na hora dos ensaios (totalizando 2,70m de altura), para que o tampo girasse 90° e depois descesse para que o equipamento fosse transportado (altura de 1,80m). Um sistema de rodízios colocado na extensão do apoio vertical, que estaria em contato com o chão durante seu transporte, possibilitaria o fácil manuseio do equipamento.

OBJETIVOSO projeto visa a construção de um de um heliodon com um arco em tamanho real para ensaios de insolação com modelos físicos.

perfil “T”

suporte kroc

rodíziosperfil 40x50mm

roldanas

início da haste

caixa envoltória do carrinho em alumínio

perfil “T”

espaço para cabos e fios

23

°30

’

23

°30

’

1,50m

1,8

0m

2. Porém, neste modelo, observou-se que as rodinhas provavelmente “patinariam” em razão do pouco atrito entre o metal e as roldanas. Seria necessária uma segunda roda que funcionasse pressionando o perfil contra as roldanas. Outro problema a ser resolvido era a extensão da haste, então com 1,50m devido ao limite angular imposto (23°30' para a esquerda e para a direita). Em conseqüência, foi necessário um segundo projeto para o carrinho, onde o nó de fixação da haste seria uma base giratória, que permitisse à haste se alinhar à curvatura do perfil, reduzindo a largura do equipamento.

esc. 1:2detalhe do carrinho

eixos

Para a construção do carrinho, é necessário um motor que realize o esforçode carregar a haste de alumínio contendo a lâmpada (aproximadamente 2Kg) em aproximadamente 2 min e depois retorneao ponto de partida. Portanto, é necessárioum motor de 12 Volts, 60RPM, reversívele 0,5A.

haste de alumínioperfil de alumíniocom 5x50mm

roda para pressão negativa

Lâmpada

perfil “T” de aumínio30x30mm

contrapeso

chapa metálica para estruturação e montagemdo carrinho

roldanas para pressão e realização dos esforços de tração

haste de alumínioperfil de alumíniocom 5x50mm

esc. 1:25elevação a

tampo para maquetes

lâmpada

carrinho com motor elétrico

mesa com os controles

rodinhas

perfil de 40x50mminvertido

tampo para maquetes

perfil “T” raio=1,80m

m

r=1,80

perfil de 40x50mm

Suporte Kroc embutido na barra

esc. 1:25elevação b

lâmpada

0,75m

2,7

0m

tampo giratório

1,8

0m

0,9

0m

mesa de controle

rodízios

23°30’

contrapeso

barra de alumínio5x50mm

perfil de alumíno40x50mm

3. O projeto foi alterado uma terceira vez para que o carrinho, agora fixado em um ponto dos cabos, se locomovesse ativado por um sistema no qual os cabos se movimentariam de acordo com uma manivela e um sistema de duas roldanas, uma em cada extremidade do arco, solucionando também o problema em relação à pressão das roldanas do carrinho, as quais foram redimensionadas para medidas-padrão do mercado. Este projeto também duplicou o número de perfis “T” a fim criar um espaço entre os dois para o deslizamento dos cabos e alterou o material dos perfis para o aço. O resultado dessas alterações foi uma significativa melhora na relação custo benefício.

4. A verificação de que a estrutura lateral estava muito esbelta, tendendo a uma possível flambagem no transporte, acabou por indicar a necessidade de uma estruturação mais larga, de preferência composta por vigotas posicionadas perpendicularmente, que resultariam em vazios que poderiam ser utilizados como armários e gavetas para possível estocagem de materiais e equipamentos. Outra alteração foi devida ao contrapeso da haste que agora seria composto por alteres de diferentes pesos, subdivididos em um sistema de unidades, com o qual se poderia controlar o seu peso de acordo com a posição ocupada pela lâmpada na outra ponta da haste. O arco agora desliza por guias de metal fixadas nas laterais internas dos armários, e o tampo da mesa é armazenado na vertical para que, além de ocupar menos espaço, o mesmo sirva como um sistema de travamento durante o transporte.

Para uma visualização mais clara do projeto, construiu-se um modelo reduzido em escala 1:10 e com ele foi possível constatar que a elaboração de um móvel “revestindo” o equipamento era inviável devido à carga adicional resultante da madeira e dos objetos apoiados sobre o equipamento, acarretando uma dificuldade extra em seu transporte. Portanto, o projeto permaneceu com o mesmo desenho, porém, o equipamento será construído com sua estrutura exposta, sem as vedações em madeira anteriormente propostas.

! Depois da especificação e da solicitação de compra dos materiais (recursos provenientes do projeto didático apoiado pela pró-reitoria de graduação ) passou-se a discutir junto aos técnicos do LAME, qual a melhor sequência de construção do equipamento. Foi decidido que se iniciaria pela construção de sua base, e que depois se ergueriam os eixos verticais para a sustentação do arco; enquanto isso os perfis “T” e a barra chata seriam calandrados e, a mesa, construída. Depois da calandragem, os perfis seriam soldados em uma outra barra quadrada e nesta meia circunferência, seriam embutidos os cabos e as roldanas que guiarão o carrinho com a haste do heliodon, bem como os cabos de energia. O próximo passo seria a junção das três partes: a base, o arco e a mesa e, finalmente, seriam instalados os controles de luz, as travas do arco, as guias de direção e a lâmpada na haste, restando apenas o acabamento do equipamento.

n.02.1.9773.1.4

PRODUTOS DA PESQUISAAo final da pesquisa, os produtos são: um banco de dados digital de todos os simuladores pesquisados, onze modelos reduzidos dos equipamentos levantados, uma série de exercícios para os alunos de graduação utilizando tanto os modelos reduzidos, quanto o heliodon em tamanho maior, um modelo reduzido do heliodon em escala 1:10, um heliodon de um arco com haste acoplada, construído em tamanho real .

RESULTADOS E CONCLUSÕESOs modelos reduzidos foram utilizados pelos alunos já no primeiro semestre de 2004. O resultado foi uma maior apreensão e interesse dos mesmos pelos fenômenos envolvidos, em especial, pela geometria da insolação. Espera-se um resultado semelhante com o heliodon em escala maior, pela possibilidade de simulação com as maquetes desde o primeiro semestre do curso, quando os alunos ainda não dominam graficamente o processo. Os demais simuladores estudados já despertaram o interesse dos alunos de iniciação científica por novas pesquisas: o céu artificial está em fase de pesquisa e construção e, em uma próxima etapa, será construído um simulador de ventilação.

BIBLIOGRAFIA! ASSIS, Eleonora Sad de (coord.) et. alli . Cartilha para a construção de simuladores da trajetória solar.

(EAUFMG Departamento de Tecnologia.) Belo Horizonte: [s.d.]! KOENIGSBERGER, O.H.; INGERSOLL, T.G.; MAYHEW, Alan; SZOKOLAY, S.V. Viviendas y edificios en

zonas cálidas y tropicales. Madrid: Paraninfo, 1977.! OLGYAY, Victor. Arquitectura y clima: manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas. Barcelona:

Gustavo Gili, 1998.! RIVERO, Roberto. Arquitetura e Clima: acondicionamento térmico natural. Porto Alegre: Luzzato/UFRGS,

1985.! SILVA, Heitor da Costa. Heliodon for teaching solar geometry. In: Renewable energy for a sustainable

development of the build environment. Proceedings of PLEA'2001, 2001, vol.2, p. 1045-1046.! TOLEDO, Alexandre Márcio; PEREIRA, Fernando Oscar Ruttakay. O potencial da Mesa D'Água para

visualização analógica da ventilação natural em edifícios. In: ENCAC III CONFERÊNCIA LATINO-AMERICANA SOBRE CONFORTO E DESEMPENHO , 2003p. 1383-1390.

VII ENERGÉTICO DE EDIFICAÇÕES (COTEDI)

AGRADECIMENTOSAo CNPq, pela bolsa PIBIC, aos professores do LABAUT, Fernando Cremonesi, Anésia Barros Frota, Paulo Scarazzato e Joana Gonçalves, e aos técnicos do LAME, Celso F. Prado e Ricardo Domingues. Aos professores Ana Elena Salvi (Uniban), Nelson Solano (FAAM) e Admir Basso (EESC/USP São Carlos) por possibilitar as visitas às instalações dos simuladores solares.

Figuras 15,16 e 17 - Croquis do sistema de rodízios dos pés de apoio (acima à esq.), croquis do primeiro carrinho (acima à dir.) e esquema da geometria angular (abaixo).

Figuras 18,19,20 - Vista frontal (acima à esq.) e vista lateral (acima à dir.) e detalhe da haste (abaixo) da 2° versão do projeto do Heliodon .

Figuras 21,22,23 e 24 Vista frontal co heliodon compactado (acima à esq.), vista frontal do heliodon em uso (acima à dir.), Vista lateral do heliodon compactado (abaixo à esq.) e detalhe do projeto final do carrinho e nó da haste (abaixo à dir.).

figuras 25 e 26 Modelo da versão final do projeto em posição de armazenamento e transporte à esquerda e heliodon em construção (direita). (fotos: M. Bueno)