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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ CURSO DE ENGENHARIA CIVIL TOMÁS BASTOS LIMA ANÁLISE DE DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES HABITACIONAIS: desenvolvimento de interface BIM para avaliações automatizadas segundo as normas ABNT NBR 15575 e ABNT NBR 15220 Curitiba 2014 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ CURSO DE ENGENHARIA CIVIL TOMÁS BASTOS LIMA ANÁLISE DE DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES HABITACIONAIS: desenvolvimento de interface BIM para avaliações automatizadas segundo as normas ABNT NBR 15575 e ABNT NBR 15220 Trabalho Final de Curso apresentado ao curso de Graduação em Engenharia da Construção Civil, Setor de Tecnologia, da Universidade Federal do Paraná Orientador: Prof.º Dr. Sergio Scheer Curitiba 2014 AGRADECIMENTOS Agradeço imensamente ao meu orientador, Prof.º Dr. Sergio Scheer pelos ensinamentos, dedicação e disponibilidade ao longo da elaboração deste trabalho. Agradeço aos meus amigos e professores, especialmente ao Prof.º Mark Dietrick da University of Pittsburgh, que, assim como o Prof.º Scheer, possui papel fundamental no desenvolvimento do meu interesse pelo paradigma BIM. Finalmente, agradeço aos meus pais, Carlos e Margareth e à minha namorada Larissa, pelo amor, companheirismo, amizade e principalmente por sempre me apoiarem em minhas decisões. RESUMO Em 2013, a classe de consumo energético representada pelas habitações brasileiras alcançou 27% do consumo total anual de energia elétrica no país e é o segundo maior setor consumidor no país atrás somente do industrial (40% do consumo total anual). Até 2018, a projeção do crescimento de consumo de energia elétrica advindo de residências é a maior dentre todas as classes de consumo do Brasil, girando em torno de 4,3% ao ano. Diante do risco iminente de crises energéticas cada vez mais recorrentes, evidencia-se a necessidade de se aprimorar o desempenho térmico das edificações brasileiras para que, consequentemente, diminua-se a necessidade de emprego de mecanismos artificiais para regulação e manutenção de suas temperaturas internas. Em vigor desde 2013, a norma ABNT NBR 15575 com o título “Edificações habitacionais – Desempenho” preconiza procedimentos para a análise do desempenho térmico de edificações a partir das características térmicas dos elementos pertencentes ao seu envelopamento (paredes externas e coberturas), definidas por procedimentos de cálculo apresentados pela norma ABNT NBR 15220 de “Desempenho térmico de edificações”. No caso do presente trabalho, estabeleceu- se uma interface de integração entre métodos normativos para a avaliação de desempenho térmico e modelos tridimensionais de edificações por meio de programação de planilhas de cálculo do software Autodesk Revit Architecture (Schedule Revit). Consequência da adoção do paradigma BIM (Building Information Modeling) pela metodologia aqui desenvolvida, análises são feitas simultaneamente ao desenvolvimento do modelo, trazendo, portanto, benefícios quanto à qualidade do projeto em execução e à diminuição do tempo necessário para a efetuação de tais avaliações. Cria-se assim, uma ferramenta em forma de Template Revit para a automatização dos procedimentos para a classificação do nível de desempenho térmico das edificações habitacionais brasileiras. Capaz de avaliar coberturas, paredes externas de assentamento de blocos e paredes externas de montantes estruturais (representadas por exemplo por estruturas em wood frame e light steel framing), a interface BIM mostra níveis satisfatórios de precisão de cálculo onde erros não extrapolam a faixa de 4,2% em paredes externas e são considerados desprezíveis no caso de coberturas. Palavras-chaves: BIM (Building Information Modeling). Ferramente de avaliação de desempenho térmico de edificações. ABNT NBR 15575. Envelopamento de edificações. Tecnologia da informação na construção civil. ABSTRACT In 2013, residences were responsible for 27% of the total annual electrical energy consumption in Brazil, which compose the second biggest consuming sector in the country. Furthermore, perspectives for 2014 to 2018 indicate that the sector will grow 4.3% each year. No other Brazilian consuming sector will achieve a rate of the same magnitude during this period. Energy crises are already a current reality in Brazil, and the prospected consumption panorama highlights even more the necessity for better residence designs in terms of its envelopes thermal performance. Better envelope thermal characteristics decrease HVAC systems usage and consequently energy consumption for heating and cooling buildings interiors. The present work develops an automatized and interactive frame between Brazilian normative methods for calculation of buildings envelopes thermal properties and residential buildings tridimensional models by programming calculation schedules in the software Revit Architecture. The methodology is accessible as an evaluation template by any Revit project. Due to the adoption of the BIM (Building information Modeling) paradigm, the above referred calculation schedule propitiates thermal performance analysis to be executed simultaneously to tridimensional building modeling processes, which results in better residential designs and in less time dispended on the evaluation of its envelope performance. Hereupon, the Revit Template is designed to evaluate thermal performance for both roof and exterior walls (block settlement walls and skeleton structure walls such as Light Steel Framing, Wood Frame and Glazed Storefront) according to normalized calculations standards and limits for all Brazilian bioclimatic zones. The results obtained by its use are satisfactory and reliable, since the calculations error margins do not exceed 4.2% for walls thermal performance analysis and are considered negligible for roofs evaluations. Key words: BIM (Building Information Modeling).Residential buildings thermal performance. Building envelope. Thermal performance evaluation tool. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Características necessárias para softwares de avaliação de desempenho térmico ...................................................................................................................... 13 Figura 2 - Trocas de calor do corpo humano............................................................. 15 Figura 3 - Diferentes leituras no nível da plataforma dentro do modelo base-BIM .... 23 Figura 4 - Métodos alternativos de avaliação de desempenho térmico ..................... 26 Figura 5 - Definição do sistema de unidade utilizado pelo Template ........................ 28 Figura 6 - Dimensões de blocos ................................................................................ 31 Figura 7 - Definição das seções 1 e 2 dos blocos ..................................................... 32 Figura 8 - Definição das seções A e B da parede ..................................................... 35 Figura 9 - Procedimento para acessar o Template a partir de um novo projeto ........ 58 Figura 10 - interface do TemplatE ............................................................................. 59 Figura 11 - Interface do Usuário "Propriedades" ....................................................... 61 Figura 12 - Resultados obtidos pelo schedule 3 - DESEMPENHO TÉRMICO DE COBERTURAS ......................................................................................................... 62 Figura 13 - Dimensões da parede do exemplo de cálculo ........................................ 63 Figura 14 - Definiçãodas características da seção transversal da parede ............... 65 Figura 15 - Modelagem de edificação habitacional ................................................... 66 Figura 16 - definição das propriedades térmicas e físicas dos elementos das paredes ..................................................................................................................... 66 Figura 17 - Definição das propriedades térmicas e geométricas das camadas de assentamento de blocos ........................................................................................... 67 Figura 18 - Definição das características geométricas dos blocos e seus respectivos furos .......................................................................................................................... 67 Figura 19 - Resultados obtidos para o exemplo 3 do Anexo C da NBR 15220 pelo schedule 1 - DEEMPENHO TÉRMICO DE PAREDES DE ASSENTAMENTO DE BLOCOS ................................................................................................................... 68 Figura 20 - Exemplo de telhado inclinado de chapas de fibro-cimento com forro de pinus e câmara de ar ventilada ................................................................................. 70 Figura 21 - Definição das características da seção transversal da cobertura ........... 71 Figura 22 - Definição das propriedades geométricas, térmicas e físicas dos elementos da cobertura .............................................................................................................. 72 Figura 23 - Resultados obtidos para o exemplo 5 do Anexo C da NBR 15220 pelo schedule 3 - DEEMPENHO TÉRMICO DE COBERTURAS...................................... 72 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Resistência térmica de câmaras de ar não ventiladas, com largura muito maior que a espessura .............................................................................................. 34 Tabela 2 - Resistências térmicas superficiais interna e externa ................................ 38 Tabela 3 – Valores máximos admitidos para a transmitância térmica de paredes externas .................................................................................................................... 41 Tabela 4 – Valores mínimos admitidos para capacidade térmica de paredes externas .................................................................................................................... 41 Tabela 5 - Condições de ventilação para câmaras de ar .......................................... 51 Tabela 6 - Critérios e níveis de desempenho de coberturas quanto à transmitância térmica ...................................................................................................................... 54 LISTA DE SÍMBOLOS A Área em Planta da Cobertura ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ACEPE Associação Industrial do Poliestireno Expandido Aseção A Área da Seção A da Parede Aseção B Área da Seção B da Parede Aseção C Área da Seção C da Parede BIM Building Information Modeling c Calor Específico cargamassa Calor Específico da Argamassa CBIC Câmara Brasileira da Inústria da Construção ccerâmica Calor Específico da Cerâmica Cd Fluxo de Calor por Condução creboco Calor Específico da Reboco CT Capacidade Térmica CT A Capacidade Térmica da Seção A da Parede CT B Capacidade Térmica da Seção B da Parede CT C Capacidade Térmica da Seção C da Parede CT T Capacidade Térmica Total da Parede Cv Fluxo de Calor por Convexão e Espessura de um Elemento eassentamento Espessura da Camada de Assentamento ebloco Espessura do Bloco eelemento Espessura do Elemento EPE Empresa de Pesquisa Energética Es Troca de Calor Estocado pelo Corpo ɛ Emissividade FV Fator de Ventilação HSE Health and Safety Executive HVAC Heating, Ventilating, and Air Conditioning IEA international Energy Agency L Comprimento da Parede M Produção de Calor Metabólico N Número de Camadas de Materiais da Cobertura NBR Norma Brasileira Rse Resistência Térmica Superficial Externa Rar Resistência Térmica da Câmara de Ar Rd Rede de Trocas de Calor entre o Corpo e o Ambiente Rsi Resistência Térmica Superficial Interna Rt Resistência Térmica Rt A Total Resistência Térmica Total da Seção A da Parede Rt Assentamento horizontal Resistência Térmica da Camada Horizontal de Assentamento de Blocos Rt Assentamento vertical ResisTência Térmica da Camada Vertical de Assentamento de Blocos Rt B Total Resistência Térmica Total da Seção B da Parede Rt forro Resistência Térmica do Forro Rt parede Resistência Térmica da Parede Rt total da cobertura no Inverno Resistência Térmica Total da Covertura no Inverno Rt total da parede Resistência Térmica Total da Parede Rt total dos elementos Resistência Térmica Total dos Elementos Rt total dos montantes Resistência Térmica Total dos Montantes Rt1 bloco Resistência Térmica da Seção 1 do Bloco Rt2 bloco Resistência Térmica da Seção 2 do Bloco S Área Total da Abertura da Ventilação U Transmitância Térmica WSN Wireless Sensor Network Z1 Zona Bioclimática 1 Z2 Zona Bioclimática 2 Z3 Zona Bioclimática 3 Z4 Zona Bioclimática 4 Z5 Zona Bioclimática 5 Z6 Zona Bioclimática 6 Z7 Zona Bioclimática 7 Z8 Zona Bioclimática 8 Α ìndice de Absortância para Radiação Solar λ Condutividade Térmica λargamassa Condutividade Térmica da Argamassa λassentamento Capacidade Térmica da Camada de Assentamento λbloco Condutividade Térmica do Bloco λcerâmica Condutividade Térmica da Cerâmica λelemento Capacidade Térmica do Elemento λfibro-cimento Condutividade da Telha de Fibro-Cimento λpinus Condutividade Térmica do Forro de Pinus λreboco Condutividade Térmica da Reboco Ρ Densidade de Massa Aparente ρargamassa Densidade de Massa Aparente da Argamassa ρcerâmica Densidade de Massa Aparente da Cerâmica ρreboco Densidade de Massa Aparente da Reboco SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 9 2 OBJETIVOS ........................................................................................................... 11 2.1 OBJETIVO PRINCIPAL ....................................................................................... 11 2.2 OBJETIVOS SECUNDÁRIOS ............................................................................. 11 3 REFERENCIAL TEÓRICO-CONCEITUAL ............................................................ 12 3.1 ANÁLISE TÉRMICA DE EDIFICAÇÕES ............................................................. 12 3.2 CONFORTO E DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES ......................... 14 3.2.1 Conforto Térmico .............................................................................................. 14 3.2.2 Desempenho Térmico ...................................................................................... 16 3.2.3 Transmitância térmica (U) ................................................................................ 16 3.2.4 Condutividade térmica ...................................................................................... 17 3.2.5 Capacidade térmica (CT) e capacidade térmica de componentes ................... 18 3.2.6 Calor específico ................................................................................................ 18 3.3 MODELAGEM DA INFORMAÇÃO DA CONSTRUÇÃO OU BIM ........................ 18 3.3.1 Building information modeling (BIM) ................................................................. 18 3.3.2 Building Information Modeling e os modelos nd………………………………….20 3.3.3 Autodesk Revit .................................................................................................20 3.3.3.1 Templates Revit ............................................................................................ 21 3.3.3.2 Schedules Revit ............................................................................................ 21 3.3.4 Análise do desempenho térmico utilizando a metodologia BIM ....................... 22 3.3.5 Levantamento de propriedades térmicas de elementos de edificações ........... 23 4 METODOLOGIA .................................................................................................... 25 4.1 TEMPLATE REVIT DE AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES .......................................................................................................... 25 5 DESENVOLVIMENTO E UTILIZAÇÃO DO TEMPLATE ....................................... 28 5.1 ETAPAS PARA CRIAÇÃO DO TEMPLATE ........................................................ 28 5.1.1 Definição do sistema de Unidades ................................................................... 28 5.1.2 Definição de parâmetros de projeto comuns a todos os Schedules de análise de paredes do Template ................................................................................................ 28 5.1.3 Schedule 1 - Avaliação do desempenho térmico de paredes de assentamento de blocos ................................................................................................................... 30 5.1.3.1 Schedule 1 – Procedimentos de Cálculo ....................................................... 32 5.1.4 Schedule 2 - Avaliação do desempenho térmico de paredes de montantes estruturais.................................................................................................................. 44 5.1.4.1 Schedule 2 – Procedimento de Cálculo: ........................................................ 45 5.1.5 Definição de parâmetros de projeto do Schedule de análise de coberturas do Template ................................................................................................................... 49 5.1.5.1 Schedule 3 - Procedimento de Cálculo ......................................................... 50 5.2 UTILIZAÇÃO DO TEMPLATE REVIT DE ANÁLISE DE DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES .................................................................................................... 58 5.2.1 Acessando o Template Revit de análise de conforto térmico de edificações ... 58 5.2.2 Dados de entrada durante a fase de projeto e resultados obtidos através do Template ................................................................................................................... 59 6 ESTUDO DE CONFIABILIDADE DOS SCHEDULES DE CÁLCULO DO TEMPLATE ............................................................................................................... 63 6.1 Estudo de confiabilidade do Schedule 1 – DESEMPENHO TÉRMICO DE PAREDES DE ASSENTAMENTO DE BLOCOS ....................................................... 63 6.1.1 Dados do exemplo da norma ........................................................................... 63 6.1.2 Resultados obtidos pelo uso do Schedule 1 – DESEMPENHO TÉRMICO DE PAREDES DE ASSENTAMENTOS DE BLOCOS .................................................... 64 6.2 Estudo de confiabilidade do Schedule 2 – DESEMPENHO TÉRMICO DE PAREDES DE MONTANTES ESTRUTURAIS .......................................................... 69 6.3 Estudo de confiabilidade do Schedule 3 – DESEMPENHO TÉRMICO DE COBERTURAS ......................................................................................................... 70 6.3.1 Dados do exemplo da norma ........................................................................... 70 6.3.2 Resultados obtidos pelo uso do Schedule 3 – DESEMPENHO TÉRMICO DE COBERTURAS ......................................................................................................... 71 7 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 73 7.1 VANTAGENS DO USO DO TEMPLATE ............................................................. 73 7.2 LIMITAÇÕES DO TEMPLATE ............................................................................ 74 8 CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................... 75 9 REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 76 ANEXO A ...................................................................................................................77 ANEXO B...................................................................................................................79 9 1 INTRODUÇÃO Em junho de 2013, a Associação Brasileira de Normas Técnicas publicou a nova norma ABNT NBR 15575/2013 de Desempenho de Edificações Habitacionais. Este conjunto normativo abrange requisitos de desempenho para sistemas estruturais, sistema de pisos, sistemas de vedações verticais internas e externas, sistemas de coberturas e finalmente, sistemas hidrossanitários (ABNT, 2013). Alicerçada sobre um conjunto de critérios quantitativos de desempenho, as seções da norma destinas à avaliação do desempenho térmico de coberturas e paredes têm como objetivo intrínseco o aprimoramento das condições de conforto dos ocupantes de uma edificação. A qualidade térmica de edificações também interfere diretamente na quantidade de energia que seus habitantes dispendem para regulação de temperaturas internas através de dispositivos de ar condicionado que, consequentemente, impactam diretamente a produção de energia do país. Segundo dados da Empresa de Pesquisa Energética (EPE) do Ministério de Minas e Energia, no ano de 2013, o consumo residencial de energia elétrica alcançou aproximadamente 124.895 GWh . O setor representa 27% do consumo total anual de energia elétrica no Brasil e é o segundo maior setor consumidor atrás somente do industrial (40% do consumo total anual do país). Até 2018, a projeção de crescimento de consumo de energia elétrica advindo das residências do país é a maior dentre todos os setores de consumo brasileiros, girando em torno de 4,3% ao ano (BRASIL, 2014). Diante do exposto, evidencia-se a necessidade de aprimoramento da qualidade do envelopamento (paredes externas e coberturas) de nossas edificações. Este é apenas um, porém importante, passo para que, no futuro, possamos contornar com menos dificuldades possíveis crises energéticas no país e amenizar as consequências ambientais frutos das atividades exercidas pela indústria de produção energética nacional. Atualmente, a indústria da construção civil do país se vê inserida em um caminho sem volta à era da tecnologia da informação. O paradigma BIM (Building Information Modeling) e suas ferramentas vêm permitindo que modelos tridimensionais de edificações habitacionais sejam permeados por diversos tipos e níveis de informação pertinentes ao projeto. Isto posto, trabalhos de análise de 10 desempenho térmico, que dentre tantas outras infinitas possibilidades de análise permitidas por softwares BIM, podem ser executados de forma interativa ao desenvolvimento de projetos, mostrando-se assim um mecanismo muito eficaz no auxílio ao desenvolvimento de estruturas cada vez mais eficientes no que se refere ao seu nível de desempenho térmico. Assim, o presente trabalho consiste na criação de um Template, ou modelo padronizado, como interface BIM programada para avaliar projetos de edificações de até cinco pavimentos - quanto aos níveis de conforto térmico previstos pela norma NBR 15575 - simultânea e interativamente ao seu desenvolvimento conforme o que é definido como o método da“avaliação simplificada do desempenho térmico”. 11 2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO PRINCIPAL O trabalho tem como objetivo principal desenvolver uma interface programada na forma de um Template como um conjunto de procedimentos automatizados através do uso de recursos de uma ferramenta BIM para apoiar o processo da “avaliação simplificada do desempenho térmico” de elementos verticais e coberturas de edificações residenciais de até cinco pavimentos previsto pela norma ABNT NBR 15575. Assim, tal conjunto de procedimentos consiste na criação de um modelo ou Template com o uso do software Autodesk® Revit utilizando tabelas (ou Revit Schedules) que permitem avaliar o nível de desempenho térmico de elementos construtivos de residências durante a fase de modelagem tridimensional de projetos de edificações habitacionais e em acordo com definições normativas. 2.2 OBJETIVOS SECUNDÁRIOS O trabalho apresenta como um de seus objetivos secundários o desenvolvimento de estudos para aprofundamento de aspectos do processo de avaliação de desempenho térmico de edificações. Outros objetivos secundários ou contribuições indiretas pretendidos são o aprimoramento das condições de bem-estar dos ocupantes de edificações, a redução tanto do consumo energético de residências brasileiras quanto dos impactos ambientais provenientes do ciclo de vida de produção da energia elétrica despendida em processos de aclimatização de ambientes internos de edifícios residenciais. 12 3 REFERENCIAL TEÓRICO-CONCEITUAL 3.1 ANÁLISE TÉRMICA DE EDIFICAÇÕES Objetivando o atingimento do conforto térmico dos usuários de edificações habitacionais durante suas atividades diárias, é imprescindível que os ambientes das residências desempenhem termicamente de maneira adequada conforme as características climáticas das regiões onde são construídas (Regiões Bioclimáticas). A norma ABNT NBR 15575 “Desempenhos de edificações habitacionais” propõe três diferentes formas de avaliação do desempenho térmico de edificações: “Procedimento 1 A – Simplificado (normativo)”, “Procedimento 1 B – Simulação por software Energy Plus (normativo)” e “Procedimento 2 – Medição in loco (informativo, Anexo A da NBR15575 – 1)” (CBIC,2013, p. 138). Doravante principal objeto de estudo do presente trabalho, o procedimento 1 A de “avaliação simplificada do desempenho térmico” analisa as condições térmicas dos elementos do envelopamento da edificação (CBIC, 2013). Portanto, paredes externas e coberturas tem seus valores de Transmitância Térmica (U) e Capacidade Térmica (CT) calculados de acordo com procedimentos normativos apresentados pela norma NBR 15220 - 2 e comparados com os limites determinados pela norma NBR 15575 – Parte 4. O procedimento normativo de avaliação simplificada da NBR 15575 somente é capaz de avaliar paredes externas quanto a níveis mínimos de desempenho térmico. Para que outros patamares de classificação (intermediário ou superior) sejam determinados, é necessária a utilização dos métodos propostos pelo “Procedimento 1 B – Simulação por software Energy Plus”. Por outro lado, contrariamente ao que se é especificado para elementos verticais, coberturas são passíveis de avaliação quanto aos níveis mínimo, intermediário ou superior pelo método simplificado sem que análises adicionais via software transcorram (ABNT,2013). O segundo procedimento normativo para avaliação de desempenho térmico de edificações habitacionais proposto pela NBR 15575 faz referência direta ao uso do software Energy Plus desenvolvido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos (U.S. Department of Energy). Mesmo assim, para avaliações segundo o Procedimento 1 B é permitido o uso de outros programas de simulação térmica, desde que estes “sejam validados pela ASHRAE Standard 140 e permitam a determinação 13 do comportamento térmico de edificações sob condições dinâmicas de exposição ao clima, sendo capazes de reproduzir os efeitos de inércia térmica” (CBIC, 2013, p. 147). A imagem a seguir apresenta os requisitos técnicos necessários aos programas de análise térmica para que seus resultados sejam aceitos pela NBR 15575. Para a avaliação via software computacional, o usuário deve recorrer às informações constantes nas tabelas A.1, A.2 e A.3 do Anexo A da NBR 15575-1 (CBIC, 2013). Elas dizem respeito às localizações geográficas de algumas cidades brasileira e seus dados climáticos e, juntamente com as características geométricas da edificação e das características térmicas dos materiais nela empregados, constituem os parâmetros considerados pelo software no processo de determinação dos níveis de conforto de edifícios habitacionais (ENERGYPLUS, 2013). FIGURA 1 - CARACTERÍSTICAS NECESSÁRIAS PARA SOFTWARES DE AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO TÉRMICO FONTE: CBIC (2013) 14 O terceiro procedimento de avaliação de desempenho térmico de edifícios habitacionais “Procedimento 2 – Medição in loco” (CBIC,2013, p. 138) pressupõe a verificação de valores medidos de Transmitância Térmica (U) e Capacidade Térmica (CT), de elementos já construídos da edificação ou seu protótipo, quanto o atendimento aos limites impostos pela NBR 15575 (CBIC, 2013). Os métodos para aferimento destes parâmetros são determinados pela parte 4 da NBR 15220 “Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo princípio da placa quente protegida” (ABNT, 2005, p. 1) e parte 5 também da NBR 15220 “Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo método fluxométrico” (ABNT, 2005, p. 1). Este método de análise de desempenho térmico pressupõe que qualquer uma das medições supracitadas devam ocorrer durante o “período que corresponda ao dia típico de verão ou de inverno, precedido por, pelo menos, um dia com características semelhantes, recomendando-se, todavia, trabalhar com uma sequência de três dias e analisar os dados do terceiro dia” (CBIC, 2013, p. 138). A definição dos dias típicos da cidade onde se localiza a edificação sob análise ocorre de acordo com o que determinam as Tabelas A.2 e A.3 do Anexo A da norma NBR 15575-1. No caso de cidade que não conste nas tabelas, é permitida a utilização de dados de outra cidade acerca, desde que ambas pertençam à mesma zona bioclimática (ABNT, 2013). 3.2 CONFORTO E DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES 3.2.1 Conforto Térmico Segundo a organização britânica reguladora de normas para segurança e saúde de trabalhadores HSE (2014) ou Health and Safety Executive existem seis fatores básicos que afetam o conforto térmico dos ocupantes de uma edificação. São eles: temperatura do ar, níveis de radiação de calor, velocidade de ar, umidade, capacidade isolante de peças de vestuários e calor metabólico (HSE, 2014). Acrescenta-se que “A sensação de conforto térmico depende muito das condições de ventilação dos ambientes, com grande influência do posicionamento e dimensões das aberturas de janelas” (CBIC, 2013, p. 136) e seus níveis de satisfação ou insatisfação variam de 15 acordo com “o tipo de atividades no interior do imóvel, quantidade de mobília, tipo de vestimentas, números de ocupantes, idade, sexo, condições fisiológicas e psicológicas dos usuários” (CBIC, 2013, p. 136). A norma ABNT NBR 15220-1 (2005, p. 5) explica conforto térmico da seguinte maneira: “Satisfação psicofisiológica de um indivíduo com as condições térmicas do ambiente”. Esta definição expõe o caráter relativo do conceito. Portanto, como os níveis de conforto térmico são extremamente variáveis de acordo com a opinião de cada um dos ocupantes de um recinto, Szokolay (2004) propõe a avaliação quantitativa do conforto térmico de uma pessoa através de uma metodologia de cálculo em que o balançotérmico do corpo, influenciado por fatores internos e externos a ele, deve ser igual a zero. Desta forma, o autor define balanço térmico como: ∆� � � � �� � � � �� ��, onde M é a produção de calor metabólico, Rd é a rede de trocas de calor entre o corpo e o ambiente, Cv (ou fluxo de calor por convecção) é o fluxo entre um corpo e outros corpos em contato devido à movimentações moleculares (incluindo respiração), Cd (ou fluxo de calor por condução) é o fluxo de calor entre um corpo e um fluido (líquido ou gasoso), e Es é a troca de calor estocado pelo corpo (SZOKOLAY, 2004). FIGURA 2 - TROCAS DE CALOR DO CORPO HUMANO FONTE: Szokolay (2004) 16 3.2.2 Desempenho Térmico O desempenho térmico de edificações é função das características dos materiais que compõem seus elementos e repercute no conforto térmico dos usuários. O adequado desempenho térmico garante “condições adequadas para o sono e atividades normais em uma habitação, contribuindo ainda para a economia de energia” (CBIC, 2013, p. 135). Os níveis de desempenho térmico de edificações são diretamente influenciados pelos materiais constituintes do envelopamento do edifício (paredes externas e coberturas). “Uma boa forma de melhorar o desempenho de uma edificação é através do invólucro e seu isolamento térmico correto conforme o clima estudado. Quanto mais isolado o invólucro, uma quantidade maior de materiais será utilizada e, consequentemente, mais energia será incorporada à edificação, porém menor será a transmitância térmica” (GRAF, 2011). De acordo com a norma ABNT NBR 15575/2013, menores valores de Transmitância Térmica do invólucro, garantem melhores níveis de desempenho térmico de edificações. A Agência Internacional de Energia (International Energy Agency) ou IEA (2013), ressalta a importância da utilização de envelopes de edificações com grandes capacidades de isolamento térmico para a obtenção de benefícios que extrapolam o âmbito energético. Em seus estudos de perspectiva das tecnologias de energia (Technology Roadmap – Energy Technology Perspective) voltados para o envelopamento de edificações (Energy eficiente building envelopes), a agência aponta os impactos positivos da utilização de invólucros com maiores capacidades de isolamento térmico na redução de custos com saúde pública e mortalidade de populações carentes (IEA, 2013). 3.2.3 Transmitância térmica (U) Transmitância térmica (U) pode ser explicada como “uma medida da quantidade de calor por unidade de tempo que atravessa uma superfície de área unitária de um elemento” do invólucro da edificação “por unidade de diferença de temperatura entre os ambientes que este separa” (ACEPE, 2014, sem página). Esta grandeza física é utilizada para a definição das propriedades do isolamento térmico es materiais pois expressa suas características de permeabilidade à passagem de 17 calor (GRAF, 2011). Algebricamente, a norma ABNT NBR 15220-1 (2005, p. 2) define transmitância térmica como o “inverso da Resistência Térmica Total” de componentes e elementos. Para que se conceitue resistência térmica total e consequentemente transmitância térmica, primeiramente é necessário que se definam três outras grandezas: resistência térmica de elementos e componentes, resistência superficial interna e resistência superficial externa. A primeira é resultado do “quociente da diferença física de um material homogêneo e isótropo, no qual se verifica um fluxo de calor constante, com densidade de 1 W m2⁄ , quando submetido a um gradiente de temperatura uniforme de 1 Kelvin por metro” (ABNT, 2005, p. 2). As duas outras grandezas mencionadas acima, são explicadas como a resistência térmica da camada de ar adjacente à superfície (interna e externa respectivamente) “de um componente que transfere calor por radiação e/ou convecção”. (ABNT, 2005, p. 2). Finalmente, explica-se resistência térmica total como sendo o “somatório do conjunto de resistências térmicas correspondentes às camadas de um elemento ou componente” (ABNT, 2005, p. 2), levando-se em consideração todas as grandezas de resistência térmicas aqui listadas. 3.2.4 Condutividade térmica Condutividade térmica define-se como sendo o fenômeno físico onde o calor é transportado de uma região de alta temperatura de uma certa substância para uma outra de temperatura inferior (CALLISTER, 2003). A norma ABNT NBR 15220-1 (2005, p. 2) acrescenta que condutividade térmica é a “propriedade física de um material homogêneo e isótropo, no qual se verifica um fluxo de calor constante, com densidade de 1 W/m2, quando submetido a um gradiente de temperatura uniforme de 1 kelvin por metro”. Nos casos de materiais com propriedades físicas diferentes daquelas citadas acima, a norma sugere o uso do termo “condutividade térmica aparente”, pois a transferência de calor neste caso ocorre por condução, convecção e radiação (ABNT, 2005). 18 3.2.5 Capacidade térmica (CT) e capacidade térmica de componentes A norma ABNT NBR 15220-1 (2005, p. 2) define Capacidade térmica como a “quantidade de calor necessária para variar em uma unidade a temperatura de um sistema” medida em J K⁄ , ou seja, capacidade térmica é a propriedade indicativa da habilidade que um material tem de absorver calor de fontes externas ao seu redor (CALLISTER, 2003). Dividindo-se a capacidade térmica de um componente pela sua área, obtém-se a capacidade térmica de componentes em J �m2.K�⁄ . A capacidade térmica de um componente é função de seu calor específico, do valor de sua dimensão paralela à direção do fluxo de calor e de sua densidade de massa aparente (ABNT, 2005). 3.2.6 Calor específico A norma ABNT NBR 15220-1 (2005, p. 2) define calor específico como “o quociente da capacidade térmica pela massa” do material. Ela também é chamada de capacidade térmica específica, definida pela unidade J/(kg.K). Segundo Callister (2003), calor específico seria a habilidade que um mol de material tem de absorver calor de fontes externas. 3.3 MODELAGEM DA INFORMAÇÃO DA CONSTRUÇÃO OU BIM 3.3.1 Building information modeling (BIM) Considerada pela desenvolvedora de softwares Autodesk como a solução para o “entendimento preciso e claro entre arquitetos, engenheiros, profissionais da construção, administradores das instalações e proprietários” (Autodesk, Inspiração Brasil, 2014, sem página), a filosofia BIM tem sido tratada como um dos desenvolvimentos mais promissores nas indústrias da arquitetura, engenharia e construção (EASTMAN, TEICHOLZ, SACKS, & LISTON, 2008). Nas duas últimas décadas a indústria da construção civil tem direcionado esforços para a adequação de filosofias tradicionais de construção à metodologia BIM, que, segundo Succar (2013), é capaz de gerar, compartilhar e gerenciar dados da construção de um empreendimento ao longo de sua vida-útil. O autor ainda 19 acrescenta que o BIM promove benefícios substanciais a todos os participantes dos processos relacionados ao desenvolvimento, construção, gerenciamento e reformas de edifícios, representando assim um jeito único de se projetar e empreender projetos (SUCCAR, 2013). Segundo Khanzode et al. (2008), o paradigma BIM reduz de forma significativa os custos de mão-de-obra, da rede de produção de um empreendimento e dos conflitos durante suas fases de instalação. Kaner et al. (2008) complementa que tais reduções são alcançadas através do aprimoramento da qualidade dos projetos de engenharia em termos de geração de desenhos sem erros e no desenvolvimento contínuo da produtividade da mão-de-obra. Devido a sua capacidade de proporcionar ambientes transparentes de projeto (LEICHT & MESSNER, 2008), o BIM amplia as condições de colaboração entre os profissionaisda construção civil, ressaltam Alshawi & Faraj (2002), propiciando assim uma plataforma federada de compartilhamento e interação de projetos de diversos segmentos industriais que acabam acarretando na redução da fragmentação da indústria. Em seu relatório apresentado ao conselho nacional australiano de inovação do ambiente construído e indústria (Built Environment Innovation and Industry Council), o grupo Allen Construction Group (doravante ACG) reporta que o BIM traz diversos outros benefícios além da redução dos custos das construções. São eles: modelagem automatizada de elementos construtivos (automated assemblies), projetos de melhor qualidade, controle dos custos totais de ciclo de vida de empreendimentos e dos dados do entorno do empreendimento (environmental data), aprimoramento de processos, maior qualidade da produção, e, finalmente, serviço aprimorado ao consumidor (ACG, 2010). 20 3.3.2 Building Information Modeling e os modelos nD O desenvolvimento do BIM se mostra extremamente vantajoso ao proporcionar caminhos para que a indústria da construção migre dos convencionais projetos bidimensionais aos modelos tridimensionais permeados por diversos níveis de informação. Segundo Haron et al. (2009), além de representações 2D e 3D, o BIM pode conter informações pertinentes ao cronograma de obra do empreendimento, atingindo assim a quarta dimensão de projeto (BIM 4D). Nos casos em que o modelo é relacionado a informações de custos e orçamentos, define-se que o BIM atinge a quinta dimensão de projeto ou BIM 5D e, para modelos permeados por dados energéticos, de sustentabilidade, gerenciamento de empreendimentos, etc., as dimensões continuam a crescer de forma a alcançar a enésima dimensão de projeto ou BIM nD. Lee et al. (2003) ressaltam que modelos nD são a utilização paralela de informações sobre edificações para diferentes tipos e níveis de análises e avaliações. Eles permitem aos participantes do projeto a provação do empreendimento não apenas no âmbito visual mas também sob a perspectiva de um sistema interativo rico em informações incluindo acústica e cheiros, por exemplo. Os autores complementam que modelos nD lidam com diferentes dimensões de um projeto sob uma abordagem capaz de prever funcionamento e uso futuros da edificação. 3.3.3 Autodesk Revit A plataforma Revit sob a perspectiva do Revit Architecture é o mais conhecido software e o atual líder de mercado para projetos arquitetônicos em BIM (EASTMAN, TEICHOLZ, SACKS, & LISTON, 2008). O Software foi introduzido pela desenvolvedora de softwares Autodesk em 2002, depois que a companhia adquiriu o programa de uma companhia startup. Eastman et al. (2008) ressalta que o Revit é uma plataforma completamente diferente do AutoCAD, com outras estruturas de código de arquivo. 21 3.3.3.1 Templates Revit Um Template Revit é definido pela Autodesk (2014) como o ponto de início para um novo projeto. Eles incluem diferentes tipos de padrões pré-definidos de visualizações (incluindo visualização tabulares do tipo Schedule), famílias de elementos, geometrias e configurações como unidades de medida, estilos de hachuras e linhas, escalas de visualização e muitos outros tipos de configurações iniciais desejadas (AUTODESK, AUTODESK REVIT 2015 - HELP, 2014). Eastman et al. (2008) enfatiza a possibilidade de se sobrescrever as definições de Templates às necessidades do usuário. Templates se mostram uma ferramenta facilitadora no desenvolvimento de projetos BIM. Projetistas com fortes habilidades para geração de Templates conseguem, posteriormente ao seu desenvolvimento, reduzir tempo e esforços necessários para a geração de novos desenhos (EASTMAN, TEICHOLZ, SACKS, & LISTON, 2008). 3.3.3.2 Schedules Revit Softwares BIM permitem que seus usuários insiram informações aos elementos modelados. Essas informações, depois de parametrizadas, podem ser acessadas e geridas através de schedules (tabelas ou planilhas). A Autodesk (2014) define Schedules como uma exibição tabular da informação extraída das propriedades dos elementos de um projeto. Um schedule ou tabela é capaz de listar todas as instâncias a respeito do tipo de elemento modelado (AUTODESK, AUTODESK REVIT 2015 - HELP, 2014). Eastman et al. (2008) ressalta que Schedules podem ser tratados como modos de visualização de um projeto, que, no caso do Revit, se atualizam automaticamente de acordo com o que se é modelado no visualizador tridimensional da plataforma. Em alguns casos, o caminho inverso também é esperado de Schedules Revit, ou seja, alterações no modelo da edificação através de colunas de Schedules também são possíveis (EASTMAN, TEICHOLZ, SACKS, & LISTON, 2008). 22 3.3.4 Análise do desempenho térmico utilizando a metodologia BIM Marzouk & Abdelaty (2014) desenvolveram um sistema de avaliação de conforto térmico em estações de subsolo de metrôs utilizando a metodologia BIM onde pôde estabelecer um canal de comunicação entre um modelo BIM concebido em software Autodesk Revit Architecture, parâmetros de temperatura de conforto de passageiros e dados de temperatura e umidade colhidos periodicamente por meio de uma rede sem fio de sensores (Wireless Sensor Network - WSN). Os parâmetros de temperatura de conforto são estabelecidos de acordo com a temperatura do ar na qual a maioria dos passageiros se sente satisfeita e é aferida por meio de entrevistas. Através de um modelo-base BIM desenvolvido utilizando o software Revit Architecture, Marzouk & Abdelaty (2014) criaram em cada um dos ambientes da estação um elemento cúbico fictício chamado Monitor de Conforto Térmico ou “Thermal Comfort Monitor” onde se armazenam todas as informações captadas pela rede WSN. Para que as medições feitas pela rede de sensores fossem registradas no monitor fictício, o autor fez uso do programa Gobetwino, capaz de traduzir as informações captadas pelos sensores em planilhas MS Excel de forma a facilitar a troca de informações entre os sensores e o modelo-base no software Revit. 23 O método desenvolvido por Marzouk & Abdelaty (2014) se mostra uma ferramenta eficaz tanto no monitoramento e controle da temperatura interna dos ambientes das estações dos metrôs quanto na detecção de possíveis falhas de sistemas de ar-condicionado das instalações das estações. 3.3.5 Levantamento de propriedades térmicas de elementos de edificações Para que se desenvolvam análises de conforto térmico em modelos BIM, cada um dos elementos deste modelo deve estar parametrizado quanto às propriedades físicas dos materiais que os compõe. O software Autodesk Revit Architecture possui uma vasta biblioteca de materiais, onde suas propriedades gráficas, físicas e térmicas são disponibilizadas. Com estas informações associadas ao modelo, softwares de simulação da performance energética de edifícios são capazes de analisar o conforto térmico das edificações ainda em estágios conceituais de projeto. FIGURA 3 - DIFERENTES LEITURAS NO NÍVEL DA PLATAFORMA DENTRO DO MODELO BASE- BIM FONTE: Marzouk & Abdelaty (2014) 24 Alternativamente à biblioteca de materiais do Revit, em seu artigo publicado no periódico Automation in Construction, Ham & Golparvar-Fard (2014), desenvolveu um sistema para coletar as propriedades físicas reais de elementos de uma construção existente e, em seguida, parametrizar os elementos do modelo BIM do mesmo empreendimento de acordo com os dados coletados. Desta forma, o autor considera os efeitos de envelhecimento e deterioração de materiais ao longo da vida útil do edifício em questão, podendo-se assim afirmar que, a partir deste sistema, os modelos BIM e as ferramentas de simulação energética produzirão resultados de performancemais confiáveis que aqueles gerados através das informações presentes em bibliotecas de materiais. Ham & Golparvar-Fard (2014) explica que seu sistema lança mão de uma coleção de imagens térmicas e digitais capturadas no edifício em inspeção e de simples levantamentos ambientais. O resultado do sistema proposto pelo autor é um modelo térmico tridimensional (modelo térmico em nuvem de pontos) no formato gbXML (Green Building XML), capaz de proporcionar informações fidedignas e confiáveis a modeladores em trabalhos de simulação energética em BIM, sendo assim, uma ótima alternativa de parametrização frente às informações encontradas na biblioteca de materiais do Revit. 25 4 METODOLOGIA 4.1 TEMPLATE REVIT DE AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES O presente trabalho consiste na criação de interface BIM programada para avaliar projetos de edificações - quanto aos níveis de conforto térmico previstos pela norma NBR 15575 - simultânea e interativamente ao seu desenvolvimento conforme o que se é definido no método da “avaliação simplificada do desempenho térmico”. Para tal, os “Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações” definidos pela norma brasileira ABNT NBR 15220 “Desempenhos térmico de edificações” foram preparados em forma de três diferentes tabelas/planilha de cálculo ou Schedules Revit contidos no Template Revit resultado deste projeto. Desta forma, coberturas e diversos métodos construtivos diferentes de paredes são passíveis de avaliação pela metodologia desenvolvida. A avaliação simplificada consiste em comparar os parâmetros térmicos Transmitância Térmica (U) e Capacidade Térmica (CT) do envelopamento da edificação com valores limites determinados pela norma. Estes, por sua vez, são definidos segundo a zona bioclimática na qual a estrutura modelada em questão está localizada e índices de absortância (α) para radiação solar (ondas curtas) e emissividade (ε) para radiações a temperaturas comuns (ondas longas) das camadas mais externas do envelopamento. Os parâmetros térmicos U e CT das paredes e coberturas da edificação são determinados segundo os métodos de cálculos descritos pela norma NBR 15220 e dependem das propriedades térmicas (condutividade térmica e calor específico), físicas (densidade de massa aparente) e geométricas (espessuras e áreas) dos materiais que compõem tais elementos. A norma 15220 traz na tabela “B.3 – densidade de massa aparente ( ρ ) condutividade térmica ( λ ) e calor específico ( c )” em seu Anexo B (informativo) valores não restritivos de norma para tais parâmetros de diversos materiais utilizados na indústria da construção civil brasileira, sendo assim sugerida a avaliação laboratorial destes parâmetros sempre que possível. Os índices de absortância à 26 radiação solar (α) e emissividade (ε) mencionados anteriormente, por sua vez, têm seus valores mencionados na tabela B.2 do mesmo anexo acima referido. De acordo com a metodologia apresentada pela nova norma de desempenho de avaliação simplificada, os níveis mínimo, intermediário e superior de conforto térmico apenas podem ser verificados em coberturas. As paredes da edificação são apenas avaliadas quanto ao nível mínimo de desempenho térmico requerido por norma. Caso os valores mínimos não sejam atendidos em qualquer um dos elementos em estudo, o Template Revit retorna como resultado a sugestão de que o usuário proceda com a avaliação do desempenho térmico por simulação computacional, conforme o que preconizam o Guia orientativo para atendimento à norma ABNT NBR 15575/2013 e o Instituto de Pesquisas Tecnológicas no diagrama a seguir. Com o intuito de se abranger alguns dos métodos construtivos utilizados na indústria da construção civil brasileira, O Template Revit desenvolvido neste projeto contém três diferentes tipos de schedules de avaliação– um para coberturas e outros dois para paredes. O primeiro, avalia o desempenho térmico tanto de coberturas FIGURA 4 - MÉTODOS ALTERNATIVOS DE AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO TÉRMICO FONTE: CBIC (2013) 27 inclinadas quando de coberturas horizontais. Para a avaliação de paredes, o primeiro schedule refere-se a estruturas de assentamento de blocos (estruturais ou de vedação, furados ou não) e o segundo, paredes construídas com montantes estruturais, possibilitando, portanto, a avaliação de paredes de estruturas em Light Steel Framing e Wood Frame e vedações em pele de vidro. O material desenvolvido neste projeto também traz informações adicionais ao usuário do Template. Nas abas de legenda na guia do “Project Browser” do software Revit, estão anexadas as tabelas com valores sugeridos de norma para parâmetros térmicos e físicos de materiais para o caso de o usuário não ter dados de laboratórios ou fornecidos pelos fabricantes. O mapa com as regiões bioclimáticas brasileiras também é acessível através do Template. 28 5 DESENVOLVIMENTO E UTILIZAÇÃO DO TEMPLATE 5.1 ETAPAS PARA CRIAÇÃO DO TEMPLATE 5.1.1 Definição do sistema de Unidades Segundo a NBR 15220/2005, as unidades de medida utilizadas durante a determinação dos níveis de conforto térmico de edificações devem seguir o que se é determinado pelo Sistema internacional de Unidades. Desta forma, para este Template, convencionou-se: 5.1.2 Definição de parâmetros de projeto comuns a todos os Schedules de análise de paredes do Template Com o intuito de se analisar os elementos verticais modelados no software através dos Schedules construídos no Template, independentemente de quais sejam os métodos construtivos definidos para estes elementos, diversos parâmetros de projeto são criados para que posteriormente, seus valores sejam utilizados nos cálculos de nível de desempenho térmico da edificação. FIGURA 5 - DEFINIÇÃO DO SISTEMA DE UNIDADE UTILIZADO PELO TEMPLATE FONTE: O autor (2014) 29 Parâmetros de Projeto podem ser interpretados como uma ponte na troca de informações entre os elementos modelados e planilhas de Schedules. Desta forma, dados como números e textos, são associadas às partes da edificação desenhadas no modelo tridimensional. As propriedades geométricas de comprimento, área e espessura de cada uma das paredes são incorporadas aos Schedules à medida que estes elementos são modelados. Cada uma das paredes pode ter uma seção transversal própria definida previamente pelo projetista na aba de criação de paredes. Nesta aba, são determinados os materiais das camadas estruturais, de substrato e de acabamento das paredes juntamente com suas respectivas espessuras, propriedades térmicas e físicas que podem tanto ser definidas levando-se em consideração valores de norma quanto utilizando-se resultados laboratoriais executados, por exemplo, pelos fabricantes dos materiais em questão. Os parâmetros de projeto comuns à todos os tipos de parede comportadas pelo processo de análise do Template são: • Id. da parede; • Tipo da parede; • Área da parede; • Comprimento da parede; • Espessura da parede; • Materiais componentes; • Condutividade térmica do material; • Calor específico do material; • Densidade de massa aparente do material; • Definição da camada mais externa da parede; • Absortância da camada mais externa; • Volume do material; Infelizmente, o software não é capaz de listar dados de propriedades térmicas ou físicas das camadas constituintes das paredes em seus Schedules. Portanto, é necessário que se criem parâmetros de projeto sob a categoria de materiais onde o usuário do Template insira os dados acima referidos para que estes valores estejam 30 disponíveis para cálculos posteriores. Estes parâmetros,estão incluídos nas planilhas do Schedule em forma de colunas e possibilitam a listagem das propriedades dos materiais componentes dos elementos verticais. Dados referentes à espessura de cada camada de material é essencial na determinação da capacidade térmica de paredes mas também não é uma informação que o schedule Revit extraia do modelo tridimensional. Portanto, criou-se uma coluna de cálculo de espessura onde a espessura da camada é resultado do quociente do volume do material pela área de parede. 5.1.3 Schedule 1 - Avaliação do desempenho térmico de paredes de assentamento de blocos A construção de paredes de assentamento de blocos, tanto para função de vedação quanto para função estrutural é um método construtivo amplamente utilizados na indústria da construção civil brasileira. Para o desenvolvimento de um schedule capaz de avaliar fielmente o comportamento térmico desta modalidade construtiva segundo o preconizado pela norma NBR 15220, considerou-se a influência das propriedades térmicas das camadas de assentamento verticais e horizontais de blocos assim como as das camadas de ar confinado resultante da existência de furos em alguns tipos de blocos cerâmicos e estruturais. Para que apenas as paredes de assentamentos de blocos sejam analisadas de acordo com as programações de cálculo existentes no Schedule 1 – DESEMPENHO TÉRMICO DE PAREDES DE ASSENTAMENTO DE BLOCOS, este Schedule possui um filtro baseado no parâmetro de projeto “Tipo de parede” que apenas interpreta dados dos elementos definidos pelo projetista como do tipo “Assentamento de Blocos”. O artifício adotado para que cada uma dessas paredes seja analisada separadamente, é o de definir agrupamentos de acordo com a numeração da parede e separando cada um destes agrupamentos por uma linha da planilha destinada somente a valores totais. Exclusivamente, para o Schedule 1 – DESEMPENHO TÉRMICO DE PAREDES DE ASSENTAMENTO DE BLOCOS, foram criados os seguintes parâmetros de projeto além daqueles comuns a todos os Schedules do Template: 31 • Espessura da camada de assentamento horizontal; • Espessura da camada de assentamento vertical; • Condutividade térmica do material de assentamento; • Calor específico do material de assentamento; • Densidade de massa aparente do material de assentamento; • Dimensão e do bloco; • Dimensão H do bloco; • Dimensão L do bloco; • Número de furos do bloco; • Número de furos na mesma seção horizontal do bloco; • Número de furos na mesma seção vertical (calculado): o �° �� ����� �� ����� �������� � !"#$%!&: (ú*#$+ ,# -.$+/ ,+ *!"#$%!& !"#$%!&: (ú*#$+ ,# -.$+/ 0! *#/*! /#çã+ 3+$%4+0"!&; • Dimensão horizontal do furo; • Dimensão vertical do furo; A partir da definição destes parâmetros, é possível traduzir os procedimentos de cálculos apresentados pela norma NBR 15220 em células de cálculo do Schedule 1 e finalmente definir o nível de desempenho térmico dos elementos analisados. FIGURA 6 - DIMENSÕES DE BLOCOS FONTE: O autor (2014) 32 5.1.3.1 Schedule 1 – Procedimentos de Cálculo Após serem definidos os valores para os parâmetros de projeto referentes às paredes de assentamentos de blocos, a planilha do Schedule 1 executa a sequência de cálculos definida pela NBR 15220 para a obtenção dos valores de transmitância térmica e capacidade térmica dos elementos modelados. No caso de paredes de assentamento de blocos, adotou-se o procedimento de cálculo proposto pela NBR 15220 onde, primeiramente, apenas são calculadas as propriedades térmicas do bloco isoladamente do restante das camadas da parede. • Coluna de Cálculo 1/Schedule 1 (ÁreaSeção 1 Bloco) – Calcula-se a área transversal ao fluxo de calor da seção 1 do bloco (material: Tijolo) de acordo com a geometria do elemento isolado. Esta seção é definida pela primeira região maciça do bloco furado. No caso de blocos inteiramente maciços, esta seção corresponde à seção total do bloco. o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: (Material: Dimensão L do bloco) * (Material: Dimensão H do bloco – Número de furos na mesma seção vertical * Material: Dimensão vertical do furo) / (Número de furos na mesma seção vertical + 1) o Coluna de Cálculo 2/Schedule 1(Rt1 bloco) – Calcula-se a Resistência térmica da seção 1 do bloco (material: Tijolo) de acordo com as propriedades térmicas deste material. Região da Seção 2 (Bloco + Camadas de Ar + Bloco + Camadas de Ar + Bloco) Região da Seção 1 (Bloco) Fluxo de Calor FIGURA 7 - DEFINIÇÃO DAS SEÇÕES 1 E 2 DOS BLOCOS FONTE: O autor (2014) 33 o Fórmula utilizada pela NBR 15220: �" /#çã+ Q � R�����ã� � �� S���� TU&+V+W o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: (Material: Dimensão e do bloco/100 cm) / Material: Condutividade Térmica • Coluna de Cálculo 3/Schedule 1 (Áreaseção 2 bloco) - Calcula-se a área transversal ao fluxo de calor da seção 2 do bloco de acordo com a geometria do elemento isolado (material: Tijolo + Câmara de Ar + Tijolo + Câmara de Ar + Tijolo). Esta seção é definida pela primeira região com camadas horizontais de furos do bloco furado. No caso de blocos inteiramente maciços, esta seção tem valor nulo. o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: Material: Dimensão L do bloco * Material: Dimensão vertical do Furo o Coluna de Cálculo 4/Schedule 1 (Rt2 bloco)- Calcula-se a resistência térmica total da seção 2 do bloco (material: Tijolo + Câmara de Ar + Tijolo + Câmara de Ar + Tijolo) de acordo com a geometria do elemento isolado e as propriedades térmicas destes materiais. As resistências térmicas das camadas confinadas de ar do bloco são definidas de acordo com valores tabelados de norma (TABELA B.1 Anexo B, pag 08 NBR15220-parte 2). Esta seção é definida pela primeira região com camadas horizontais de furos do bloco furado. No caso de blocos inteiramente maciços, o valor da resistência térmica do bloco será a mesma encontrada no cálculo de Rt1 bloco apresentado na coluna de cálculo 2. 34 o Fórmula utilizada pela NBR 15220: �" /#çã+ ] � �U&+V+ TU&+V+ O �!$ O �U&+V+ TU&+V+ O �!$ O �U&+V+ TU&+V+ o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: (((Material: Dimensão e do bloco / 100 cm - Material: Número de furos na mesma seção horizontal* Material: Dimensão horizontal do furo / 100 cm) / (Material: Número de furos na mesma seção O 1)) / Material: Condutividade térmica) * (Material: Número de furos na mesma seção horizontalO 1) O Material: Número de furos na mesma seção horizontal * 0,16 • Coluna de Cálculo 5/Schedule 1 – Calcula-se a resistência térmica total do bloco. o Fórmula utilizada pela NBR 15220: 4 ∗ Á���f#çã+Q ,+ U&+V+ O 3 ∗ Á���f#çã+ ] ,+ U&+V+ 4 ∗ Á���f#çã+ Q ,+ U&+V+ �" f#çã+Q O 3 ∗ Á���f#çã+ ] U&+V+ �" f#çã+] TABELA 1 - RESISTÊNCIA TÉRMICA DE CÂMARAS DE AR NÃO VENTILADAS, COM LARGURA MUITO MAIOR QUE A ESPESSURA FONTE: ABNT (2005) 35 o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: IF (Material: Número de furos do material � 0, 0, ((Número de furos na mesma seção vertical + 1) * Área da Seção 1 Bloco + Número de furos na mesma seção vertical * Área da Seção 2 Bloco) / (((Número de furos na mesma seção vertical + 1) * Área da Seção 1 Bloco / Rt1 Bloco) + (Número de furos na mesma seção vertical * Área da Seção 2 Bloco/ Rt2 Bloco))) Observação: o motivo pelo qual neste caso exista uma fórmula condicional do tipo “IF” (“se”) é para que nas células das camadas da parede da coluna de cálculo 5 que não são blocos, o resultado numérico 0 (zero) substitua uma célula vazia, permitindo-se assim cálculos posteriores que façam referência a estacélula. • Colunas de Cálculo 6 e 7/Schedule 1 (Rt Assentamento horizontal e Rt Assentamento Vertical) - Calculam-se os valores de resistência térmica das camadas horizontal e vertical de assentamento. o Fórmula definida pela NBR 15220: �" !//#0"!*#0"+ � �!//#0"!*#0"+ T!//#0"!*#0"+W o Fórmula utilizada nas Colunas 1 e 2/Schedule 1: Coluna 1: (Material: Espessura da camada de assentamento Horizontal / 100 cm) / Condutividade térmica adotada do assentamento Coluna 2: (Material: Espessura da camada de assentamento vertical / 100 cm) / Condutividade térmica adotada do assentamento Elemento isolado Seção A da parede Seção B da parede FIGURA 8 - DEFINIÇÃO DAS SEÇÕES A E B DA PAREDE FONTE: O autor (2014) 36 • Coluna de Cálculo 8/Schedule 1 (ÁreaSeção A da Parede) – Calcula-se a área transversal ao fluxo de calor da seção A da parede definida pelas regiões de assentamentos vertical e horizontal do bloco no elemento isolado (material: Camadas de Revestimento + Camadas de Assentamentos Horizontal e Vertical + Camadas de Revestimento). o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: Material: Espessura da camada de assentamento Horizontal * Material: Dimensão L o bloco + Material: Espessura da camada de assentamento vertical * Material: Dimensão H do Bloco • Coluna de Cálculo 9/Schedule 1 (ÁreaSeção B da parede)– Calcula-se a área transversal ao fluxo de calor da seção B da parede definida pela região do bloco no elemento isolado (material: Camadas de Revestimento + Região Maciça do Bloco + Camadas de Revestimento). o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: Material: Dimensão L o bloco * Material: Dimensão H do Bloco • Coluna de Cálculo 10/Schedule 1 (Rt da camada horizontal de assentamento) – Calcula- se a resistência térmica dos materiais das camadas de revestimento da parede (Seção A da parede) o Fórmula utilizada pela NBR 15220: �" #&#*#0"+ � �#&#*#0"+ T#&#*#0"+W o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: (Espessura Material / 100 cm) / Material: Condutividade Térmica - R1 Bloco • Coluna de Cálculo 11/Schedule 1 (Rt A total) - Calcula-se a resistência térmica total da seção A da parede (material: Camadas de Revestimento + Camadas 37 de Assentamentos horizontal e vertical + Camadas de Revestimento) de acordo com as propriedades térmicas desses materiais. o Fórmula utilizada pela NBR 15220: �/#çã+ o p!$#,# � �V!*!,!/ ,# $#q#/"%*#0"+ TV!*!,!/ ,# $#q#/"%*#0"+ + �!//#0"!*#0"+ T!//#0"!*#0"+ + �V!*!,!/ ,# $#q#/"%*#0"+ TV!*!,!/ ,# $#q#/"%*#0"+ o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: ((Espessura Material / 100 cm) / Material: Condutividade Térmica - Rt1 Bloco) + Resistência Térmica Total da Camada Horizontal de Assentamento • Coluna de cálculo 12/Schedule 1 (Rt B total) – Calcula-se a resistência térmica total da seção B da parede (material: Camadas de Revestimento + Bloco + Camadas de Revestimento) de acordo com a geometria do elemento isolado. o Fórmula utilizada pela NBR 15220: �/#çã+ t p!$#,# � �V!*!,!/ ,# $#q#/"%*#0"+ TV!*!,!/ ,# $#q#/"%*#0"+ + �" t&+V+ + �V!*!,!/ ,# $#q#/"%*#0"+ TV!*!,!/ ,# $#q#/"%*#0"+ o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: (Espessura Material / 100 cm) / Material: Condutividade Térmica - R1 Bloco + Resistência Térmica do Bloco • Coluna de Cálculo 13/Schedule 1 (Rt parede) – Calcula-se a resistência térmica da parede. o Fórmula utilizada pela NBR 15220: Á���f#çã+ o ,! p!$#,# + Á���f#çã+ t ,! p!$#,# Á���f#çã+ o ,! p!$#,# �" f#çã+ o + Á���f#çã+ t ,! p!$#,# �" f#çã+ t o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: (Seção A da Parede + Seção B da Parede) / (Seção A da Parede / Rt A Total + Seção B da Parede / Rt B Total) 38 • Coluna de Cálculo 14/Schedule 1 (Rt total da parede) – Calcula-se a resistência térmica total da parede. Esta coluna soma à coluna 13 valores de resistências térmicas de superfície presentes na tabela a seguir. o Fórmula utilizada pela NBR 15220: �" � �/% + �" ,! p!$#,# + �/# o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: Rt Parede + 0,13 + 0,04 • Coluna de Cálculo 15/Schedule 1 (Transmitância Térmica) – Calcula-se a transmitância térmica da parede. o Fórmula utilizada pela NBR 15220: v � 1 �"W o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: 1 / Rt Total da Parede • Coluna de Cálculo 16/Schedule 1 (Seção Transversal B) – Calcula-se a área da seção transversal B da parede. A seção B da parede equivale à região da camada maciça horizontal do bloco (materiais: Camadas de Revestimento + Região Maciça do Bloco + Camadas de Revestimento). TABELA 2 - RESISTÊNCIAS TÉRMICAS SUPERFICIAIS INTERNA E EXTERNA FONTE: ABNT (2015) 39 o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: Espessura da parede * (Material: Dimensão H do Bloco - Número de furos na mesma seção vertical * Material: Dimensão Vertical do Furo) / (Número de furos na mesma seção vertical + 1) • Coluna de Cálculo 17/Schedule 1 (Seção Transversal C) – Calcula-se a área transversal da Seção C da parede. A seção C da parede equivale à região da camada furada do bloco (materiais: Camadas de Revestimento + Região Maciça do Bloco + Camada de Ar + Região Maciça do Bloco + Camada de Ar + Região Maciça do Bloco + Camadas de Revestimento). o Fórmula utilizada no Schedule 1: Material: Dimensão vertical do Furo * Material: Dimensão L o bloco • Coluna de Cálculo 18/Schedule 1 (CT A) – Calcula-se a capacidade térmica da seção A da parede de acordo com a geometria da seção da parede definida pela camada de assentamento de blocos (material: Camadas de Revestimento do Bloco + Camadas de Assentamentos horizontal e vertical + Camadas de Revestimento do Bloco). o Fórmula utilizada pela NBR 15220: x �% ∗ �% ∗ y% � 2 ∗ (� ∗ � ∗ y)V!*!,!/ $#q#/"%*#0"+ + z %{Q (� ∗ � ∗ y)!//#0"!*#0"+ o Fórmula utilizada pelo Schedule 1: IF (Resistência Térmica dos Elementos � 0, Capacidade Térmica do Assentamento * [Capacidade Térmica do Assentamento/Camadas], Material: Calor Específico / 1000 cm * [Material: Densidade da massa aparente (kg/m³)] * Espessura Material / 100 + Capacidade Térmica do Assentamento * [Capacidade Térmica do Assentamento/Camadas]) • Coluna de Cálculo 19/Schedule 1 (CT B) – Calcula-se a capacidade térmica da seção B da parede de acordo com a geometria da seção da parede. A seção B equivale à região da camada maciça do bloco (materiais: Camadas 40 de Revestimento do Bloco + Camada Maciça do Bloco + Camadas de Revestimento do Bloco). o Fórmula utilizada pela NBR 15220: x �% ∗ �% ∗ y% � 2 ∗ (� ∗ � ∗ y)V!*!,!/ $#q#/"%*#0"+ + z %{Q (� ∗ � ∗ y)U&+V+ o Fórmula utilizada no Schedule 1: Espessura Material / 100 cm * Material: Calor Específico / 1000 * [Material: Densidade da massa aparente (kg/m³)] • Coluna de Cálculo 20/Schedule 1 (CT C) – Calcula-se a capacidade térmica da seção C da parede. o Fórmula utilizada pela NBR 15220: x �% ∗ �% ∗ y% � 2 ∗ (� ∗ � ∗ y)V!*!,!/ ,# !$ + %{Q 3 ∗ (� ∗ � ∗ y)U&+V+ + 2 ∗ (� ∗ � ∗ y)V!*!,!/ $#q#/"%*#0"+ o Fórmula utilizada no Schedule 1: (Espessura Material - Material: Número de furos na mesma seção * Material: Dimensão horizontal do furo) / 100 cm * Material: Calor Específico / 1000 * [Material: Densidade da massa aparente (kg/m³)] • Coluna21/Schedule 1 (CT T) – Calcula-se a capacidade térmica total da parede. o Fórmula utilizada pela NBR 15220: �" � /#çã+ o + 4 ∗ /#çã+ t + 3 ∗ /#çã+ /#çã+ o � o + 4 ∗ /#çã+ t � t + 3 ∗ /#çã+ � 41 o Fórmula utilizada no Schedule 1: (Seção Transversal A + (1 + Número de furos na mesma seção vertical) * SeçãoTransversal B + Número de furos na mesma seção vertical * Seção Transversal C) / (Seção Transversal A / CT A Total + (1 + Número de furos na mesma seção vertical) * Seção Transversal B / CT B Total + Número de furos na mesma seção vertical * Seção Transversal C / CT C Total) • Coluna de Cálculo 22/Schedule 1 (Avaliação Z1 e Z2) – Avalia-se o desempenho térmico da parede em análise para regiões das zonas bioclimáticas Z1 e Z2 de acordo com os valores máximos admitidos para a trasmitância térmica de paredes externas e com os valores mínimos admitidos para a capacidade térmica de paredes externas determinados pela ABNT NBR 15220/2005. No caso de enquadramento da parede em questão nas faixas de valores normativos limites, a célula está programada para retornar a mensagem “M – Desempenho Mínimo”. Em contrapartida, no caso de pelo menos um destes requisitos não ser alcançado, a célula está programada para retornar a mensagem “Requer Avaliação Computacional”. TABELA 3 – VALORES MÁXIMOS ADMITIDOS PARA A TRANSMITÂNCIA TÉRMICA DE PAREDES EXTERNAS FONTE: ABNT (2005) TABELA 4 - VALORES MÍNIMOS ADMITIDOS PARA CAPACIDADE TÉRMICA DE PAREDES EXTERNAS FONTE: ABNT (2005) 42 o Fórmula utilizada no Schedule 1: IF(and(not(Transmitância Térmica > 2,5), not(CT T < 130)), "M - Desempenho Mínimo", "Requer Avaliação Computacional") • Coluna 21/Schedule 1 (Avaliação Z3 a Z7) – Avalia-se o desempenho térmico da parede em análise para regiões das zonas bioclimáticas Z3, Z4, Z5, Z6 e Z7 de acordo com os valores máximos admitidos para a trasmitância térmica de paredes externas (Tabela 13, página 27 da NBR 15575) e com os valores mínimos admitidos para a capacidade térmica de paredes externas (Tabela 14, página 27 da NBR 15575). No caso de enquadramento da parede em questão nas faixas de valores máximos e mínimos demonstrados nestas tabelas, a célula está programada para retornar a mensagem “M – Desempenho Mínimo”. Em contrapartida, no caso de pelo menos um destes requisitos não ser alcançado, a célula está programada para retornar a mensagem “Requer Avaliação Computacional” o Fórmula utilizada no Schedule 1: IF(or(and(not(Absortância da camada mais externa segundo tabela B2 > 0,6), not(Transmitância Térmica > 3,7), not(CT T < 130)), and(Absortância da camada mais externa segundo tabela B2 > 0,6, not(Transmitância Térmica > 2,5), not(CT T < 130))), "M - Desempenho Mínimo", "Requer Avaliação Computacional") • Coluna 22/Schedule 1 (Avaliação Z8) – Avalia-se o desempenho térmico da parede em análise para regiões da zona bioclimática Z8 de acordo com os valores máximos admitidos para a trasmitância térmica de paredes externas (Tabela 13, página 27 da NBR 15575) e com os valores mínimos admitidos para a capacidade térmica de paredes externas (Tabela 14, página 27 da NBR 15575). No caso de enquadramento da parede em questão nas faixas de valores máximos e mínimos demonstrados nestas tabelas, a célula está programada para retornar a mensagem “M – Desempenho Mínimo”. Em contrapartida, no caso de pelo menos um destes requisitos não ser alcançado, a célula está programada para retornar a mensagem “Requer Avaliação Computacional” 43 o Fórmula utilizada no Schedule 1: IF(or(and(not(Absortância da camada mais externa segundo tabela B2 > 0,6), not(Transmitância Térmica > 3,7), not(CT T < 130)), and(Absortância da camada mais externa segundo tabela B2 > 0,6, not(Transmitância Térmica > 2,5))), "M - Desempenho Mínimo", "Requer Avaliação Computacional") 44 5.1.4 Schedule 2 - Avaliação do desempenho térmico de paredes de montantes estruturais Paredes de montantes estruturais como o Light Steel Framing e o Woodframe vêm se mostrando ótimas alternativas construtivas no âmbito de construções eficientes e de pouco desperdício de materiais. Estas metodologias dependem de materiais de alta tecnologia com grandes capacidades de isolamento térmico e acústico que, quando dispostos em camadas, proporcionam altos níveis de desempenho em edificações. O Schedule 2 – DESEMPENHO TÉRMICO DE PAREDES DE MONTANTES ESTRUTURAIS do Template Revit deste projeto avalia todas as camadas de isolamento térmico quanto aos seus níveis de desempenho de forma a se obter um resultado final total para a parede. Adicionalmente, para que a avaliação do desempenho térmico de paredes construídas sob a ótica destes métodos construtivos seja de fato compatível ao que determina a norma NBR 15575, o Template Revit criado no presente trabalho considera a influência dos montantes estruturais no desempenho térmico total das paredes de montantes estruturais. Assim como no Schedule 1 citado anteriormente, o Schedule 2 possui seus próprios parâmetros de projeto e tem a mesma capacidade de filtrar e ordenar apenas elementos construtivos definidos como sendo do tipo “Montantes Estruturais”. O schedule também proporciona ao seu usuário, a possibilidade de executar projetos deste tipo com baixos níveis de detalhamento. Não é necessário que o projetista modele a estrutura de montantes das paredes para que o Schedule 2 proceda com a avaliação já que os parâmetros de projetos definidos nessa programação de cálculo permitem a definição de algumas características construtivas de maneira textual. Os parâmetros de projeto do Schedule 2 foram definidos da seguinte forma: • Espessura do perfil; • Largura do Montante • Altura da aba lateral do montante; • Calor específico do perfil; • Condutividade térmica dos montantes; • Densidade de massa aparente especifica do perfil; • Espaçamento entre montantes verticais; 45 • Número de montantes horizontais intermediários; • Altura da parede (calculada através do quociente da área da parede pelo comprimento da parede); A norma NBR 15220 não traz exemplos de cálculo de Transmitância Térmica (U) e Capacidade Térmica (CT) para este tipo de solução estrutural, porém, considerou-se neste trabalho a possibilidade de se executar rotinas de cálculo semelhantes àquelas destinadas às paredes de assentamento de blocos sólidos, partindo-se do princípio de que os assentamentos horizontal e vertical de blocos se comportam, geometricamente, de forma análoga aos montantes verticais e horizontais das paredes de montantes estruturais. 5.1.4.1 Schedule 2 – Procedimento de Cálculo: • Coluna de Cálculo 1/Schedule 2 (Rt total dos elementos) – Calcula-se a resistência térmica das camadas da parede. o Fórmula utilizada no Schedule 2: (Espessura Material / 100 cm) / Material: Condutividade Térmica • Coluna de Cálculo 2/Schedule 2 (Rt dos montantes) – Calcula-se a resistência térmica dos montantes estruturais. o Fórmula utilizada no Schedule 2: (Espessura do Perfil / 100 cm) / Condutividade Térmica dos Montantes • Coluna de Cálculo 3/Schedule 2 (Área da Seção A) – Calcula-se a área total perpendicular ao fluxo de calor da seção A da parede definida pelas regiões de montantes horizontais e verticais. Esta coluna considera em seu cálculo a existência de no mínimo dois montantes horizontais na parede: um superior e outro inferior. 46 o Fórmula utilizada no Schedule 2: (2 + Numero de Montantes Intermediários) * Espaçamento entre Montantes * Altura da Aba do Montante + Altura da Parede * Largura do Montante • Coluna de Cálculo 4/Schedule 2 (Área da Seção B)– Calcula-se a área total perpendicular ao fluxo de calor da seção B da parede definida pela região das camadas de isolamento e acabamento da parede. o Fórmula utilizada no Schedule 2: Altura da Parede * Espaçamento entre Montantes - (2 + Numero de Montantes Intermediários) * Altura da Aba do Montante * Espaçamento entre Montantes • Coluna de Cálculo 5/Schedule 2
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