Este artigo faz parte do Trabalho (TFM) do Mestrado Universitário em Tecnologias da Arquitetura da Univesitat Politècnica de Catalunya, desenvolvido em 2015 sob a orientação de Cristina Pardal. Para aceder ao trabalho integral, consulte a ligação seguinte: https://upcommons.upc.edu/handle/2117/79894
Um dos objetivos no momento de pensar num elemento que proteja uma cavidade em concreto numa fachada é a procura do equilíbrio entre a proteção solar deste e a visão para o exterior. Analisando o caso do deployé, pretende-se entender, a partir da geometria, como é que este funciona enquanto filtro de proteção solar em fachadas e que condicionantes apresenta a escolha de uma geometria específica na perceção visual para o exterior.
Para a realização do estudo, analisa-se um determinado número de modelos de malhas de metal expandido "deployé" de diferentes tamanhos e de diferentes aberturas. Para obter resultados quantificáveis, relaciona-se a capacidade enquanto protetor solar com a transparência visual que permite. Analisando previamente estes conceitos em separado, é possível obter os critérios suficientes para selecionar um produto adequado em função de uma cavidade concreta numa fachada.
A luz natural que entra num edifício através de uma cavidade pode ser proveniente de várias fontes: luz solar direta, céu claro, nuvens, ou reflexos no solo e em edifícios próximos.
Apesar das múltiplas variáveis que podem existir nas condições do céu, pode compreender-se a luz natural a partir de duas condições extremas: céu nublado e céu limpo.
A iluminação num dia nublado é relativamente baixa (5.000 a 20.000 lux), entre 10 e 15 vezes superior aos requisitos para uma boa iluminação interior. Num dia limpo, contudo, o nível de iluminação é muito elevado (60.000 a 100.000 lux), entre 100 e 200 vezes superior ao necessário no interior.
O maior problema com céus limpos é a luz solar direta, uma vez que é extremamente brilhante e muda constantemente de direção. Esta será objeto de estudo no trabalho, para a qual se tenta encontrar uma solução com o filtro estudado. Para tal, primeiro é necessário entender os movimentos do sol.
No dia do equinócio de primavera, o Sol percorre o equador celeste, nascendo exatamente a Este e pondo-se exatamente a Oeste, estando doze horas no horizonte.
A partir de então e até ao solstício de verão, o Sol nasce diariamente num ponto do horizonte um pouco mais a Norte do ponto cardeal Este e põe-se entre o Norte e o Oeste, tendo o seu zénite cada vez mais alto. Entende-se por zénite a passagem de qualquer astro pelo meridiano do local.
Fiig 1.1. Percurso do Sol nas diferentes épocas do ano.
O arco que o Sol descreve sobre o horizonte até ao solstício de verão ultrapassa a metade da circunferência, pelo que o dia dura mais de doze horas.
No dia do solstício de verão a declinação solar é máxima (o Sol ascende o mais possível). A partir de então e até ao equinócio de outono a declinação solar diminui até se anular no dia em questão.
A partir do equinócio de outono, o Sol, que permanecera sobre o Hemisfério Norte, passa ao Hemisfério Sul, descrevendo uma trajetória paralela ao equador mais baixa sobre o horizonte a cada dia que passa, nascendo entre o Este e o Sul e pondo-se entre o Oeste e o Sul. O arco descrito é inferior a uma semicircunferência, de modo que o dia dura menos do que a noite.
O dia do solstício de inverno é quando o Sol apresenta uma declinação mínima, proporcionando ao meio-dia a sombra mais longa do ano. A partir deste momento e até ao equinócio de primavera o seu percurso repete-se.
Proteção e vistas
Conseguir proteção do Sol quando está alto é muito fácil numa fachada Sul: basta colocar uma série de elementos horizontais que sobressaiam o suficiente, em função da inclinação do Sol. No inverno o Sol estará mais baixo, pelo que a saliência destes elementos de proteção deveria ser muito maior. Com elementos móveis é mais simples conseguir uma boa proteção, já que estes serão orientados de acordo com a estação.
Nas fachadas Este e Oeste entra outro fator, já que o Sol avança diagonalmente, desde que nasce no horizonte até alcançar a altura máxima ao meio-dia, e deixa de incidir diretamente nessas fachadas. Com elementos de proteção móveis lineares, o habitual é colocá-los verticalmente, com eixo de rotação vertical, já que estes elementos permitem ter aberturas maiores ou menores em função do sol.
No momento de escolher um filtro fixo para uma determinada fachada, deve ser encontrada uma solução que funcione em todos os casos, já que este deve ser eficiente ao longo de todo o ano com uma única posição.
Por se tratar de um elemento fixo, o nível de proteção que necessitemos condicionará as vistas para o exterior. Quanto maior for a proteção, menor serão as vistas. A peculiaridade do deployé é que, por se tratar de um filtro no qual as perfurações são orientadas, a transparência em determinados ângulos será maior.
Para poder conhecer o material e as suas características, é necessário, em primeiro lugar, entender como é obtido.
O seu fabrico parte de bobinas de metal que avançam até uma folha de corte em forma de serra, que é o elemento principal na elaboração do produto.
Esta folha de corte realiza movimentos verticais e ziguezagueantes à medida que a bobina fornece o material. Desta forma, geram-se repetições de perfurações na totalidade da superfície da chapa.
A diversidade de tamanhos e geometrias nas malhas depende diretamente da geometria da folha de corte. Como resultado desta repetição de movimentos obtém-se uma repetição de formas, sobre as quais se definem cinco parâmetros básicos que irão definir um produto:
Para denominar um modelo com tantas dimensões que o definem, os fabricantes costumam utilizar a nomenclatura seguinte:
DL x DC x P x e
Muitos fabricantes deste tipo de malhas omitem um fator bastante importante, a espessura total E.
Analisando estes parâmetros, começam a obter-se as seguintes conclusões:
Espessura total (E): está relacionada com a largura da rosca e o ângulo a. Perfurações maiores produzem espessuras de malhas maiores.
• Ângulo a: é o parâmetro que indica mais clara e diretamente se os raios de Sol atravessam ou não a malha. Quanto maior for o ângulo, maior a entrada de radiação direta. Para um estudo mais concreto será necessário saber a latitude do projeto, que nos dará a inclinação máxima e mínima do sol.
Nos pontos seguintes estuda-se o comportamento do filtro, utilizando os dados de Barcelona, mais concretamente o caso de um filtro orientado a Sul e outro caso com o filtro orientado a Este.
a) Comportamento enquanto filtro voltado a Sul
No momento de colocar um filtro voltado a Sul, não há dúvida de que o melhor será colocá-lo com os elementos (quer sejam lâminas ou as abas do deployé) em posição horizontal, já que desta forma protegeremos especialmente nas horas de mais radiação do dia (momento em que o sol se encontra na sua posição mais elevada).
No verão não irá entrar radiação direta na maioria dos filtros, uma vez que o sol tem o seu percurso muito vertical até ao meio-dia, nem sequer nas primeiras e últimas horas do dia, já que este, como vimos, nasce entre o Este e o Norte e põe-se entre o Oeste e o Norte. Apenas os filtros com maiores percentagens de transparência permitem a entrada de radiação direta em alguns momentos do dia.
No inverno irá entrar radiação direta na maioria dos casos (em maior ou menor medida, dependendo do modelo utilizado), já que o sol avança mais baixo (meio-dia em Barcelona a um ângulo máximo de 25º).
b) Comportamento enquanto filtro voltado a Este/Oeste
Em princípio, poder-se-ia pensar que uma solução melhor seria a colocação da malha em posição vertical (virada a 90º relativamente à posição em que é colocada voltada a Sul). Ao contrário do que acontece com os filtros de lâminas lineares, as abas protegem tanto a parte superior como a lateral, pelo que já não é claro se a instalação vertical é definitivamente melhor do que a horizontal.
Para entender como o filtro funciona numa posição orientada a Este primeiro é preciso saber as horas em que esta fachada está exposta. Na imagem abaixo apresenta-se o percurso do sol no solstício de verão e no solstício de inverno, dados correspondentes a Barcelona. Isto é útil para saber as diferentes inclinações e orientações do sol em diferentes horas.
Tomando como dados de partida o solstício de verão, até aproximadamente às 10:00 horas o sol encontra-se entre o Este e o Norte, continuando a partir desta hora o seu movimento rumo a Sul. A esta hora, o sol forma 38º com a horizontal, enquanto que às 11:00 alcança os 50º.
No inverno, o sol tem um percurso muito mais baixo, nascendo entre o Este e o Sul, mantendo-se assim menos horas a incidir sobre as fachadas em estudo.
Estudemos, então, o comportamento com as posições possíveis do filtro:
- Solstício de verão (malha em posição vertical)
Neste caso protegem-se apenas as horas nas quais o sol está mais alto, que é até ao meio-dia, em detrimento das primeiras horas do dia. Quando a proteção voltada a Sudeste é máxima, a proteção voltada a Nordeste é mínima. Na imagem abaixo apresenta-se uma simulação da radiação total que entra através do filtro nesta posição.
- Solstício de verão (malha em posição horizontal)
Utilizando um exemplo, com uma abertura de cerca de 30% bloqueiam-se os raios que atingem inclinações superiores a 40-45º (segundo os dados dos modelos analisados no ponto 6). Isto significa que a partir das 11:00 se bloquearia 100% da radiação direta, utilizando uma malha na posição horizontal, enquanto o nascimento do sol seria o momento em que mais radiação direta atravessaria o filtro.
Na imagem abaixo apresenta-se uma secção a partir de Sul, com as horas nas quais o sol atravessaria uma malha (a mesma malha que na alínea a).
Ao comparar os resultados das duas opções, pode ver-se como neste caso se bloqueia totalmente a entrada de sol aproximadamente duas horas antes e também como às primeiras horas do dia entra uma % menor de raios, já que a direção do filtro teria o solo como foco.
- Solstício de inverno (malhas em posições vertical e horizontal)
A malha vertical é muito mais eficaz nos meses mais frios, já que o sol nasce a Sudeste e avança para Sul.
Ao contrário do solstício de verão, a malha em posição horizontal é menos eficaz do que a opção vertical. O que não a torna numa má opção. O sol atravessa a malha durante um pouco mais de tempo do que na opção vertical (cerca de mais uma hora).
Devido à geometria que estes elementos adquirem no momento do seu fabrico, o aspeto visual no exterior varia em função do ponto de vista do olhar e até onde se deseja ver. Quando é colocado para proteger do sol alto, as vistas do interior em direção ao céu serão bloqueadas, conseguindo um efeito contrário quando se olha para baixo.
Na imagem 4.1. explica-se o comportamento visual através do deployé. Pode resumir-se em três situações: vista em direção ao céu, vista frontal e vista em direção ao solo. O que interessa bloquear é a primeira e, a partir desta, estabelecem-se as outras duas. A vista em direção ao solo, dependendo do modelo, pode chegar a aumentar consideravelmente relativamente à vista frontal. Isto traduz-se em vistas melhoradas para a rua a partir do interior de um edifício.
Como resultado dos modelos analisados que serão apresentados mais adiante, obtêm-se várias conclusões relacionadas com o comportamento visual. No gráfico seguinte são representados os modelos de malha analisados, juntamente com uma curva polinómica, que representa a tendência em função da % frontal de cavidades. A partir destes dados obtêm-se as seguintes conclusões:
a) Os modelos que menos potenciam a visão para baixo são:
- Os que têm mais % de visão ou transparência
- Os que têm menos % de visão ou transparência
- Os modelos mais pequenos (aproximadamente = 30 mm)
- Os modelos com Diagonal Curta muito menor em proporção à Diagonal Longa
b) Os modelos que mais potenciam a visão para baixo são:
- Os modelos maiores (a partir de 100 mm, aproximadamente)
- Os que permitem entre 30 e 50% de visão frontal
Outro aspeto importante reside na qualidade da imagem produzida através de um filtro com estas características. De seguida apresentam-se três exemplos com % de aberturas frontais semelhantes, em três tamanhos diferentes de DLxDC: 16x7 mm, 62x25 mm e 200x70 mm.
Enquanto o filtro mais pequeno permite reconstruir perfeitamente a imagem exterior, bloqueia menos a visão em direção ao céu ou, o que é o mesmo, permite uma maior radiação solar direta. As vistas em direção ao solo também são menores, dado que a espessura da chapa é proporcionalmente muito maior em relação ao tamanho da cavidade.
O filtro com células maiores permite uma boa visão em direção ao solo. Contudo, como estas cavidades estão mais separadas entre si, existem maiores superfícies sem informação, sobretudo na parte média.
Parece, então, que o equilíbrio pode ser encontrado na solução intermédia, a espessura da chapa começa a ser quase depreciável, mantendo um bom equilíbrio entre visão em direção ao solo e proteção superior.
Para a realização dos cálculos escolheram-se três cenários: os solstícios de inverno e de verão (21 de dezembro e 21 de junho) e a média anual, resultado da soma das radiações totais num ano, dividido pelos 365 dias.
Para a obtenção de resultados, procedeu-se à modelação em 3D de um determinado número de malhas existentes no mercado de diversos tamanhos e % de aberturas, utilizando-as como filtro protetor de um espaço orientado a Sul. A radiação recebida no solo através destes filtros é recolhida em determinados valores, obtendo um valor médio de uma superfície concreta, de modo que, para cada filtro, obtemos um resultado em cada um dos 3 cenários abordados. Como se referiu anteriormente, os dados geográficos do estudo correspondem a Barcelona.
Os gráficos apresentados de seguida representam a relação entre a % de visão frontal e a energia projetada na superfície concreta do solo, após a passagem pela malha correspondente. A linha que delimita superiormente o gráfico representa, em modo comparativo, uma série de malhas perfuradas planas, com % de perfurações de 5, 10, 25, 50 e 75%, tamanhos de orifícios de 6 a 8 mm e espessura de 2 mm. De cada cenário obtêm-se 4 gráficos: um correspondente à radiação direta, um à difusa, um terceiro correspondente à soma das 2 e o último gráfico que representa o aumento de visão entre a visão frontal e a visão em direção ao solo, estabelecida a 45º da horizontal (serão mostrados em pontos os modelos analisados e em setas o aumento de visão em % de cada modelo).
a) Radiação solar no solstício de verão
Nos gráficos é possível ver a grande diferença entre as malhas planas (linha superior) e o deployé (a diferença entre um filtro com aberturas perpendiculares com outro cujas aberturas são orientadas). A radiação direta é totalmente bloqueada com filtros com uma quantidade de cavidades inclusivamente superior a 60%. Isto significa que nos dias próximos ao solstício de verão só entrará radiação difusa, dado que o sol nasce perto do Nordeste e põe-se perto do Noroeste, passando muito alto pelo Sul. A entrada de radiação difusa nos meses de verão é muito maior do que a direta, mantendo-se mínima com aberturas até 30% e coincidindo com a radiação total em aberturas até 60%. Somando as duas radiações, pode ver-se como com aberturas próximas de 30% a radiação que penetra é mínima, aumentando de uma forma um pouco mais pronunciada em aberturas até 50%. A radiação dispara com abertas superiores.
Ao incluir o parâmetro de visão em direção ao solo, a maioria dos modelos são eficazes com % de cavidades menores do que 70%, enquanto os que têm aberturas em torno dos 30% aumentam entre 30 e 40% a sua transparência. Resumindo, pode concluir-se que será obtida uma proteção ideal no verão com elementos com um máximo de 30% de perfurações, aproximadamente. A partir deste ponto, o filtro começa a perder eficácia enquanto tal.
b) Radiação solar no solstício de inverno
Nos gráficos seguintes repetem-se também as curvas, com modelos de aberturas até 30%, obtendo resultados mais objetivos e a energia atravessada dispara a partir deste ponto. Ao contrário do que acontece no solstício de verão, a radiação direta atravessa todos os modelos (exceto algum com abertura de cerca de 8%).
Nos modelos com menores % de aberturas, a radiação direta corresponde exclusivamente às primeiras e últimas horas do dia. À medida que se aumentam as cavidades, aumenta o tempo em que o sol penetra através delas.
Com a análise destes gráficos pode concluir-se com a afirmação de que o maior problema no inverno corresponde à radiação direta, mas, como se referiu, muitos destes modelos bloqueiam o sol quando se encontra mais alto. A entrada de radiação direta pode não ser um problema, já que no inverno se pretende a captação de calor e, dependendo da % utilizada de perfurações, obter-se-á uma maior ou menor quantidade.
Através dos gráficos é possível compreender a diferença existente entre um filtro de metal expandido e um perfurado: com uma radiação penetrada igual, pode haver 30% de diferença de transparência entre filtros quando se olha para o horizonte, enquanto se se olhar em direção ao solo esta diferença pode aumentar até aos 60%. Pode concluir-se com a validação dos mesmos resultados que nos gráficos de verão. Tendo em conta que se trata de um filtro que deve conferir proteção durante todo o ano, devem predominar os resultados das condições mais adversas, que são as de verão.
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