Relatrio de projeto As credenciais verdes de um novo ... de projeto As credenciais verdes de um novo armazm de p direito alto com controle de temperatura Keith Laidlaw e Bawden Burrows, da MLM Consulting ...

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    09-May-2018

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  • Relatrio de projeto

    As credenciais verdes de um novo armazm de p direito alto com controle de temperatura

    Keith Laidlaw e Bawden Burrows, da MLM Consulting Engineers, descrevem o projeto e a construo de um armazm de p direito alto com estrutura de ao e controle de temperatura em Stevenage, Hertfordshire, com especial ateno a suas credenciais verdes O novo armazm construdo para a Wine Society incluiu o uso inovador do Hemcrete em sua construo. Acredita-se que a primeira vez que esse material foi usado nesse tipo de projeto. Outra inovao foi a fabricao remota de painis de reboco de cnhamo e cal, cuja necessidade se deveu s condies da construo. O Hemcrete um material sustentvel para paredes produzido pela Lime Technology Ltd a partir de cnhamo especialmente preparado e um aglutinante base de cal, que geram um material carbono-negativo de alta eficincia trmica e propriedades trmicas passivas e ativas. A combinao de isolamento trmico e de umidade reduz substancialmente a energia necessria para regular as temperaturas, o que um fator crtico na construo e operao de instalaes de armazenagem com controle de temperatura. O edifcio j passou por um ciclo anual de operao, perodo no qual os gastos com energia foram monitorados atentamente. Demonstrou-se uma economia de energia significativa, maior do que a prevista pela modelagem trmica e muito maior do que a dos armazns existentes no local, o que resultou em uma reduo substancial dos custos energticos. Introduo A MLM Consulting Engineers foi contratada pela Wine Society para dar assessoria estrutural, civil e de construo, trabalhando em estreita colaborao com a empresa de arquitetura Vincent & Gorbing em um novo armazm com controle de temperatura destinado a ampliar as instalaes existentes em 50.000 m3 para armazenar mais 3,5 milhes de garrafas de vinho a temperaturas mantidas rigorosamente entre 13 e 16C. O plano foi desenvolvido at um estgio avanado antes da proposta de projeto e construo e depois continuou sendo tocado pela MLM e a Vincent & Gorbing, atuando junto empreiteira de projeto e construo Morgan Ashurst (atualmente Morgan Sindall) para finalizar os detalhes construtivos. Requisitos de projeto e desenvolvimento do plano Os edifcios dos armazns originais foram construdos na dcada de 1960, sendo que uma das principais preocupaes do cliente eram os gastos com energia, sempre crescentes, e o peso adicional que o novo armazm teria no custo da operao do local. O novo empreendimento tinha de se integrar bem s instalaes existentes, e uma posio adequada foi identificada em uma rea vaga na parte de trs do local, com ligaes dos dois lados a armazns existentes. A metragem disponvel para a rea do edifcio, combinada aos requisitos de volume de armazenagem, resultaria em um armazm de p direito alto, com 18 m livres at a parte inferior da estrutura da cobertura (Fig. 1). A Wine Society um cliente muito consciente do ponto de vista ambiental e foi muito receptiva, ao longo da elaborao do projeto, a maneiras inovadoras e, em alguns casos, no comprovadas, de minimizar a pegada de carbono de seu novo

    1 Planta do edifcio do armazm edifcio e reduzir seus gastos com energia. Esse passou a ser o fio condutor da elaborao do projeto. Logo no incio do projeto, a equipe identificou o Hemcrete como possvel produto a ser usado como principal material de isolao, com base em informaes fornecidas pela Lime Technology Ltd sobre o recente empreendimento da Cervejaria Adnams, em Suffolk, em que o material havia sido empregado na forma de blocos de concreto comuns para construo, com o objetivo de regular as temperaturas internas do edifcio. Embora esse produto de cnhamo e aglutinante base de cal no fosse amplamente utilizado no Reino Unido na poca, trata-se de um material sustentvel e consagrado, que possibilita paredes com caracterstica carbono-negativa, de alta eficincia trmica e propriedades trmicas passivas e dinmicas. Foi identificado como possuidor de uma srie de propriedades especficas vantajosas para este empreendimento em particular. A primeira era que poderia ser pulverizado na posio desejada, de maneira similar ao concreto projetado, alm de melhorar as caractersticas de permeabilidade ao ar do edifcio. O segundo fator foi sua capacidade de absorver energia quando a temperatura muda; medida que a temperatura externa aumenta, o Hemcrete vai realmente secando, sendo que a energia consumida na secagem do produto antes que esse calor consiga passar para dentro da estrutura. O inverso acontece quando esfria. Em terceiro lugar, ele tem um valor de carbono incorporado de 130 kg CO2/m3 devido aos processos de cultivo e fabricao. Isso ajuda a reduzir a pegada de carbono do edifcio como um todo. Apesar de no influir no desempenho futuro do edifcio em termos energticos, isso foi visto pela Wine Society como uma vantagem adicional em termos de incrementar as credenciais verdes do empreendimento.

  • Opes construtivas

    Carga mxima de aquecimento (kW)

    Carga mxima de refrigerao (kW)

    Consumo anual de energia

    Gs (kWh) Eltrica (kWh)

    1. Edifcio revestido de painis compostos; paredes e cobertura (Permeabilidade 5,0)

    87,8 205,4 384.948 358.961

    2. Paredes e cobertura revestidos de painis compostos, com Hemcrete includo na construo das paredes (Permeabilidade 4,0)

    77,0 198,6 337.597 347.077

    3. Paredes revestidas de painis compostos, com Hemcrete includo na construo das paredes e da cobertura; cobertura com perfis de ao simples (Permeabilidade 3,0)

    68,1 185,0 298.576 323.309

    Tabela 1 Resultados do modelo trmico Desenvolvimento do modelo trmico Um desafio para os engenheiros foi incorporar o Hemcrete a um modelo trmico. Embora seu efeito dinmico seja reconhecido, no havia dados comprovveis disponveis para modelar esse efeito com preciso. O produto s poderia ser modelado usando-se um valor de U tpico com alta estanqueidade ao ar (estimada) e caractersticas dinmicas. Para fazer a melhor avaliao, o modelo trmico foi executado usando-se as seguintes opes de revestimento: - Opo 1. Revestimento com painis compostos tanto nas paredes como na cobertura, sem Hemcrete. - Opo 2. Revestimento com painis compostos tanto nas paredes como na cobertura, com Hemcrete includo na construo das paredes na espessura de 300 mm. - Opo 3. Revestimento com painis compostos nas paredes, com Hemcrete includo na construo das paredes e da cobertura na espessura de 300 mm; cobertura com perfis de ao simples. A deciso de usar a espessura de 300 mm foi tomada a partir de discusses com a Lime Technology Ltd, pois se trata da espessura necessria para simular o efeito de isolao dos valores de U da Parte L das normas atuais. A construo com painis compostos foi selecionada em vez de um mtodo mais tradicional simplesmente devido altura do edifcio; porm, a melhora dos valores de U e da permeabilidade ao ar foi essencial no desenvolvimento desse plano. Para a Opo 1 de construo, tomou-se como permeabilidade ao ar do edifcio o valor de 5,0 m3/h/m2, j que esse dado constava entre os dados publicados por outros fabricantes de painis como tendo sido utilizado em empreendimentos semelhantes executados. Para as Opes 2 e 3, podia-se esperar uma melhora nos elementos que incluam o Hemcrete devido maior estanqueidade ao ar, sendo que, na falta de dados tcnicos publicados, foram estimados os valores de 4,0 m3/h/m2 para a Opo 2 e 3,0 m3/h/m2 para a Opo 3.

    Entre os outros parmetros de projeto usados no modelo trmico estavam a temperatura mxima do espao interno de 15C e a temperatura mnima do espao interno de 13C, de acordo com os requisitos de projeto fornecidos pelo cliente. Assumiu-se a iluminao a 50%, 8 horas por dia, e usou-se um Coeficiente de Desempenho de Refrigerao de 3,6. A Tabela 1 exibe os resultados do modelo trmico com base nesses nmeros. As cargas mximas de aquecimento e refrigerao determinaram o tamanho das instalaes necessrio para manter as temperaturas com base na operao 24 h por dia, 365 dias por ano. As estaes de aquecimento / refrigerao basearam-se em anlise psicomtrica, concluindo-se que seria necessrio aquecimento durante 71,5% do ano e refrigerao durante 28,5% do ano. Com base no tempo de operao de 24 horas X 365 dias = 8.760 horas e em um fator climtico tpico de 0,7, os valores de consumo anual de energia para cada opo constantes na tabela foram determinados da seguinte maneira, tomando a Opo 1 como exemplo: 87,8 kW x (8760 h x 71,5%) x 0,7 = 384.948 kWh. A partir desses valores, calculam-se os custos de operao com aquecimento a gs e a eletricidade. Como esperado, o modelo trmico indicou que a Opo 3 proporcionaria a maior economia de energia, mas era necessrio levar em conta os custos estruturais adicionais de suportar o Hemcrete, material muito mais pesado, na cobertura. Isso discutido mais detalhadamente na prxima seo, sobre o projeto estrutural. Em consequncia, a Opo 2 foi selecionada, com o modelo trmico projetando custos anuais de operao, no pior caso, de: Eletricidade a 7,3 p/kWh = 25.336 Gs a 2,7 p/kWh = 9.115 (Valor por kWh pago pela Wine Society na poca.) Embora no pudssemos quantificar ou modelar o efeito das propriedades dinmicas, a experincia de uso na Cervejaria Adnams demonstrou que haveria um impacto favorvel, resultando em nmeros melhores do que os identificados no modelo trmico. Mesmo sem o efeito dinmico dos painis verdes, os nmeros trmicos projetados ainda representavam uma economia substancial de gastos com energia. A Wine Society escolheu a Opo 2 do plano. Desenvolvimento do projeto estrutural A posio do edifcio no local exigia um armazm de p direito alto com estrutura de ao. Os edifcios originais do local tinham estrutura de ao com fundaes em estacas e haviam sido projetados para receber, ao lado, uma ampliao com portal de vo duplo de tamanho semelhante, mas no o armazm de vo largo e p direito alto proposto. Verificaes de projeto a respeito das fundaes existentes, que se estendiam sob a rea do novo edifcio, confirmaram que, embora elas tivessem certa capacidade adicional, esta era insuficiente para suportar as cargas do novo edifcio. Investigaes geotcnicas na rea do novo armazm indicaram melhores condies do solo nessa rea do local, as quais permitiriam o uso de fundaes do tipo sapata e uma laje de apoio sobre enchimento granulado de engenharia. Com relao s fundaes, a posio do edifcio e as fundaes existentes, que se estendiam sob as extremidades da rea do novo edifcio, indicaram que no se poderiam usar fundaes rasas ao lado dos edifcios existentes, e que as fundaes precisariam ser estaqueadas nessas reas. O custo de mobilizar um equipamento de estaqueamento para as fundaes adjacentes aos edifcios existentes resultou na deciso de fazer um estaqueamento completo. A altura do edifcio, de 18 m at a parte inferior da cobertura, e o sistema de plataformas de p direito alto exigiram uma laje de piso construda de acordo com a especificao TR34 para uma classificao de piso FM2 (Especial), com designao Superplana para as reas de movimento definidas entre as plataformas. A MLM trabalhou em estreita colaborao com a TwinTec Flooring nos requisitos finais do projeto. O projeto da superestrutura foi desenvolvido juntamente com a modelagem trmica e levando em conta a necessidade de acomodar o Hemcrete soluo estrutural final. No incio do desenvolvimento do projeto, uma srie de planos estruturais foi elaborada para avaliar com preciso os custos de

  • construo das trs solues construtivas analisadas no processo de modelagem trmica, de modo a permitir uma estimativa completa dos custos totais.

    2 Pulverizao de Hemcrete local em painis pr-fabricados, feita remotamente

    4 Interior do armazm de p direito alto exibindo a parede de painis translcidos Kalwall O fator crucial no incio do projeto da estrutura de ao foi a necessidade de levar em conta o impacto estrutural de suportar o Hemcrete na cobertura. O cliente queria mxima flexibilidade para futuras mudanas no uso do edifcio, e os projetos iniciais basearam-se em uma estrutura da cobertura com vo livre de 45 metros. Suportar na cobertura painis de 300 mm de espessura feitos de cnhamo e cal, material cuja densidade de 275 kg/m3 quando seco resultava em cargas permanentes de isolao consideravelmente mais altas do que as de um painel composto normal, tinha implicaes bvias em uma estrutura de cobertura em vo livre. O modelo trmico previa uma vantagem trmica adicional de usar o Hemcrete na cobertura, mas concluiu-se que os custos da soluo estrutural mais robusta superariam a economia adicional de energia. Assim, o Hemcrete foi usado somente na construo das paredes, dentro de uma estrutura de ao escorada com armaes afuniladas em trelia de 3,2 m de profundidade e centros de 7,2 m sobre os 45 m de largura do edifcio, alm de uma trelia triangular pr-arqueada envidraada, apoiada em uma torre de trelia na extremidade norte do edifcio, conforme exibido no diagrama do modelo em 3D (Fig. 1). No tendo sido usada anteriormente em uma situao de armazm de p direito alto, a construo de uma parede de 300

    mm de espessura usando os painis de cnhamo e cal com 18 m de altura exigia uma soluo estrutural inovadora. A equipe

    3 Painis pr-fabricados instalados na estrutura de ao de projeto trabalhou em estreita colaborao com a Lime Technology Ltd, que apontou uma soluo que havia sido usada anteriormente apenas em edifcios de menor escala por meio da pulverizao no local ou na forma de blocos no estruturais pr-fabricados. Pulverizar o Hemcrete a uma altura de 18 metros envolvia problemas prticos no processo de pulverizao, alm da questo da conteno das sobras e do risco de afetar instalaes e edifcios adjacentes. Ademais, havia a questo de suportar o peso substancial do Hemcrete mido, que desmoronaria e no suportaria seu prprio peso mesmo em estado seco a uma altura de 18 m. Isso significava que o edifcio tambm era alto demais para usar o material na forma de blocos sem uma estrutura adicional de suporte secundrio. Em resposta a isso, foi criada uma soluo pr-fabricada que utilizaria caixotes de 3,6 m por 2,4 m montados com travessas de madeira do tipo TJI para a armao e pranchas respirveis de Sasmox. Isso permitiu que os painis fossem pr-fabricados remotamente e preenchidos com Hemcrete pulverizado em um ambiente de fbrica, com rigoroso controle de qualidade (Fig. 2). Contudo, esse processo prejudicaria a estanqueidade ao ar do edifcio, uma das vantagens da pulverizao no local. Os painis de 300 mm de espessura feitos com Hemcrete pulverizado na fbrica foram ento enviados ao local e inseridos em uma estrutura de ao (Fig. 3), com aos de suporte horizontal adicionais a 2,5 m verticalmente. Para restaurar a estanqueidade ao ar perdida por no se pulverizar no local, os caixotes receberam ento vedao entre as unidades individuais e tambm entre as unidades e a estrutura de ao, usando-se uma combinao de Hemcrete aplicado com desempenadeira e vedantes de polissulfeto. Devido ao peso dos painis e ao fato de terem de ser iados at sua posio aps a estrutura principal da cobertura e as armaes terem sido concludas, decidiu-se que no seria prtico nem seguro usar guindaste. Assim, foram colocadas vigas de suspenso na altura dos beirais como parte da estrutura para fixar mecanismos de elevao para iar e instalar os painis a partir do interior do edifcio, e correias de ponto central de elevao foram inseridas nos painis, como se pode ver na Fig. 2. Um fator crucial para o desempenho dinmico do Hemcrete que a parede tinha de respirar. Para isso, o detalhe final da construo das paredes foi uma camada externa de painis compostos exclusivos, combinada a uma camada interna de caixotes de Hemcrete de 300 mm de espessura com uma cavidade para permitir a respirao do Hemcrete, mantendo, ao mesmo tempo, a estanqueidade ao ar do edifcio. Outro aspecto relacionado economia de energia o alto grau de iluminao natural possibilitado pelo uso do sistema de painis translcidos Kalwall na lucerna da estrutura da cobertura e no canto nordeste da parede (Fig. 4). O Kalwall oferece nveis mais altos de isolao trmica do que o envidraamento convencional. A orientao do edifcio impede o

  • ganho de calor solar, mas permite a penetrao da luz natural no interior do armazm, minimizando, assim, os gastos com

    5 Exterior do armazm iluminao sem introduzir ganho solar nem comprometer os efeitos do Hemcrete na construo das paredes. O componente principal do sistema Kalwall um painel estrutural translcido do tipo sanduche que formado colando-se folhas de fibra de vidro aos dois lados de uma moldura de alumnio termicamente isolada. Os painis proporcionam nveis de isolao trmica mais altos do que o envidraamento comum e so pr-fabricados com tolerncias rgidas para se adaptar ao tamanho e configurao de cada projeto individual. Isso gerou um desafio estrutural interessante, j que a tolerncia rgida do sistema Kalwall incompatvel com as tolerncias normais da construo da estrutura de ao sobre o vo de 45 m e com os limites normais aceitveis de deflexo. No projeto final, isso foi resolvido por meio do pr-arqueamento da trelia triangular principal e da instalao do sistema Kalwall em uma subestrutura adicional afixada trelia principal aps a ocorrncia da deflexo causada pela carga permanente. Resultados da monitorao anual Concludo em meados de 2008, o armazm (Fig. 5) foi monitorado atentamente para avaliar os gastos efetivos com energia e compar-los s projees do modelo trmico. Desde o princpio do processo de monitoramento, ficou bastante claro que o edifcio estava demonstrando uma estabilidade trmica notvel, com muito pouco uso das instalaes mecnicas e eltricas, apesar das significativas variaes dirias da temperatura externa e de longos perodos de temperaturas abaixo de zero durante o inverno de 2009/10. A Tabela 2 exibe os nmeros efetivos de fim de ano registrados com relao ao uso de energia em comparao com os nmeros projetados a partir do modelo trmico, alm das economias em termos de kWh/ano e de CO2/ano. Esses nmeros so cerca de 65% melhores do que o esperado de acordo com o modelo trmico, proporcionando uma reduo significativa do custo de operao anual: Eletricidade a 7,3 p/kWh = 13.854 Gs a 2,7 p/kWh = 1.420 Tomando as duas economias de CO2, que totalizam 90,5 t de CO2/ano, a reduo total de carbono ao longo da vida til de 40 anos projetada para o edifcio da ordem de 3.618 t de CO2. Foram usados 730 m3 do produto de cnhamo e cal, o que, considerando-se o valor de carbono incorporado de 130 kg de CO2/m3, equivale a uma contribuio adicional de 94,9 t de CO2. Os armazns existentes no local foram construdos de acordo com padres muito diversos e tm diferentes nveis de isolao e equipamentos de idades variadas. No entanto, til fazer uma comparao entre os armazns novos e antigos, confrontando os

    consumos de energia em termos de kWh por m3 de espao interno. Esses clculos indicam que o novo armazm est operando com eficincia aproximadamente 70% superior dos armazns existentes. Concluso Este projeto mostrou como, atravs da combinao entre o processo arrojado de pensamento lateral da equipe de projeto e um cliente ambientalmente consciente, tcnicas e materiais de construo verdes e inovadores, geralmente no associados construo de um armazm de p direito alto com estrutura de ao, podem ser integrados a esse tipo de edifcio, gerando enormes redues nos gastos com energia sem alterar radicalmente a eficincia da soluo estrutural. No estgio inicial do projeto, a equipe de projeto sabia que as propriedades dinmicas do produto Hemcrete resultariam em vantagens adicionais com relao ao consumo de energia, mas no era capaz de quantificar isso. Entretanto, aps um ano de uso, os resultados energticos anuais obtidos no edifcio fizeram jus confiana que o cliente depositou na soluo inovadora proposta pela equipe de projeto para minimizar a pegada de carbono do novo edifcio e reduzir os gastos futuros com energia. O projeto para a Wine Society mostrou as vantagens significativas que se podem obter com a integrao de tecnologias verdes relativamente simples e diretas a instalaes de armazenagem nas quais temperaturas internas estveis so essenciais para manter os produtos armazenados em condies ideais. Mostrou tambm como o uso dessas tecnologias resulta em gastos com energia substancialmente mais baixos, os quais sero mantidos no futuro sem quaisquer intervenes adicionais, gerando benefcios importantes para o meio-ambiente. Agradecimentos Cliente: The Wine Society, Stevenage Equipe de projeto do cliente: Arquitetura: Vincent & Gorbing Engenharia estrutural: MLM Consulting Engineers Engenharia de construo: MLM Consulting Engineers Gesto do projeto: Millbridge

    Empreiteira de Projeto e Construo: Morgan Ashurst (atualmente Morgan Sindall)

    Outros: Lime Technology Ltd Crdito das fotografias: MLM e Vincent & Gorbing