Telhados verdes para habitações de interesse social: retenção das águas pluviais e conforto térmico.

O crescimento populacional aliado à migração tem aumentado a pressão sobre o uso do solo urbano perpetuando sucessivos problemas de assentamentos informais e saneamento ambiental nos grandes centros. Esta situação se agrava ainda mais em épocas de chuvas intensas devido à ocorrência de enchentes. Este projeto faz parte de um conjunto de ações integradas de cidadania e inclusão social na região hidrográfica da baixada de Jacarepaguá, especificamente envolvendo a Comunidade da Vila Cascatinha, em Vargem Grande, a fim de gerar subsídios para políticas públicas em áreas de assentamentos informais, integrado ao projeto HIDROCIDADES (CNPq/CTHIDRO/CTAGRO), que visa a conservação da água em meios urbanos e periurbanos associado à cidadania, inclusão social e melhoria da qualidade de vida nas grandes cidades. Este projeto utilizou uma tecnologia adaptada dos telhados verdes para edificação popular (telhado de fibrocimento), com o objetivo de verificar aspectos construtivos, possíveis espécies com potencial de geração de renda, custos, efeitos no retardo do escoamento superficial das águas pluviais e outros benefícios associados a questões climáticas locais e de conforto do ambiente interno. Os resultados gerados demonstraram, entre outros, o estabelecimento de metodologia para implantação dos telhados verdes em habitações populares, o valor dos custos e resultados preliminares de espécies com potencial para geração de renda. Ainda, a implantação dos telhados verdes demonstrou ser promissora no controle do escoamento superficial, na aplicação do sistema de irrigação. Na simulação das chuvas, observou-se uma retenção de até 56% do volume precipitado. Observou-se o retardo da ocorrência do pico de até 8 minutos no telhado vegetado em relação ao telhado testemunho (convencional telhas fibrocimento). Foi observada a eficiência tanto no comportamento térmico interno como também no externo, uma redução da amplitude térmica interna em dia característico de verão (35,9 C), sendo capaz de r eduzir a temperatura interna em cerca de 2,0 C nos períodos mais quentes do dia e cerca de 4,0 C no ambiente externo em comparação com o telhado-testemunha (sem plantio), com potencial de modificação do microclima local.

Avaliação de condicionadores em solo para uso em telhados verdes com vistas à retenção hídrica.

As inundações são fenômenos naturais que ocorrem devido às chuvas de grande magnitude, agravadas nas áreas urbanas pela impermeabilização do solo e ineficiência dos sistemas de drenagem. Os telhados verdes surgem como uma medida compensatória estrutural que pode reter parte da água precipitada, adiando o pico de escoamento. O objetivo deste trabalho foi de desenvolver uma combinação de solo e condicionadores para telhado verde, promovam um aumento relevante na capacidade de retenção hídrica e um maior adiamento do pico de escoamento das águas pluviais. Este estudo foi dividido em duas etapas. Na Etapa 1, foram analisadas, em colunas de percolação, três condicionadores nas seguintes concentrações: Gel retentor Stockosorb (2; 4; 6 g/dm3), Fertilizante de liberação lenta Osmocote (4,7; 7,1; 9,0 g/dm3) e Zeólita (30; 50; 70 g/dm3), em três eventos (regas) consecutivos de chuva simulada na intensidade de 57 mm/h. A avaliação das concentrações mais adequadas dentre as testadas para cada condicionante foi baseada nas análises referentes à retenção hídrica (altura do meio após a rega; tempo de adiamento do escoamento; mm retidos; intensidade da água percolada em mm/min) e à qualidade da água percolada (pH, oxigênio dissolvido, turbidez e sólidos). Na Etapa 2, foi avaliada, em vasos, a influência da presença de três espécies de plantas (Arachis pintoi; Raphanus sativus; Lavandula angustifolia) em dois tipos de meio: solo sem condicionadores; solo com condicionadores nas melhores concentrações indicadas na Etapa 1, sendo simulada apenas um evento de chuva de 57 mm/h. Foram analisados parâmetros biológicos (germinação; plantas sobreviventes; comprimento do caule e da raiz; pesos da biomassa do caule e da raiz); retenção hídrica (altura do meio após a rega; tempo de adiamento do escoamento; mm retidos; intensidade da água percolada em mm/min); qualidade da água percolada (pH; oxigênio dissolvido; turbidez; sólidos; nitrato; amônia; fósforo total). Os resultados da Etapa 1 indicaram que o gel promoveu de forma significativa um aumento na retenção hídrica, e adiou o início da percolação de água, além de promover ligeira elevação do pH na água percolada. A adição de zeólita resultou em um aumento significativo da retenção hídrica, porém tal aumento não é vantajoso visto que este representa um custo adicional que poderia ser reduzido com o aumento da proporção do gel na coluna. A adição de fertilizantes não promoveu mudanças na qualidade da água percolada. Na Etapa 2, somente o efeito da presença de A. pintoi (maior produção de biomassa de raiz e caule) e R. sativus foram avaliadas. A presença dos condicionantes no solo proporcionou um desempenho significativamente superior em relação a retenção hídrica (altura do substrato e adiamento do pico de chuva) e qualidade da água percolada (pH e turbidez) quando comparados aos testes realizados na presença somente de solo. O fertilizante influenciou nas altas concentrações dos nutrientes (nitrogênio e fósforo) na água percolado nos resultados. A presença do gel no substrato, resultou numa capacidade superior de retenção de hídrica, e consequentemente no adiamento do pico de intensidade de chuva. Sendo assim, recomenda-se a aplicação do gel em telhados verdes para futuros estudos em ambientes externos.

Otimização multi-objetivo de projetos de redes de transporte dutoviário de gás natural

Dutos de transmissão são tubulações especialmente desenvolvidas para transportar produtos diversos a longas distâncias e representam a forma mais segura e econômica de transporte para grandes quantidades de fluidos. Os dutos de gás natural, denominados gasodutos, são usados para transportar o gás desde os campos de produção até os centros consumidores, onde o gás é inserido em redes de distribuição para entrega aos consumidores finais. Os gasodutos de transporte apresentam diversas características de monopólio natural, que são o principal argumento econômico para sua regulação. A regulação visa garantir que esta atividade seja explorada de maneira eficiente, refletindo em tarifas de transporte justas para os consumidores e que proporcionem o retorno adequado aos investidores, levando-se em consideração a quantidade de gás transportado. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo propor metodologias de otimização multi-objetivo de projetos de redes de gasodutos de transporte, envolvendo métodos a posteriori. O problema de otimização formulado contempla restrições associadas ao escoamento do gás e o comportamento das estações de compressão. A solução do problema fornece um conjunto de projetos ótimos de redes de transporte em função da maximização da quantidade de gás natural transportado e da minimização da tarifa associada a esse serviço. A ferramenta foi aplicada a diversos estudos de caso com configurações típicas da indústria de transporte de gás natural. Os resultados mostraram que as metodologias propostas são capazes de fornecer subsídios que permitem ao tomador de decisão do ponto de vista regulatório realizar uma análise de trade-off entre a quantidade de gás transportado e a tarifa, buscando assim atender ao interesse da sociedade em relação à exploração do serviço de transporte

Desenvolvimento e avaliação de nanocompósitos à base de polietileno de alta densidade (hdpe-vERDE)/poli(ácido lático) (pla) e nanocarbonato de cálcio para fabricação de embalagens

Este trabalho traz como proposta a obtenção de nanocompósitos (PLA/HDPE-g-AM/HDPE-Verde/n-CaCO3) com propriedades mecânicas e de fluxo adequadas para aplicação no setor de embalagens. A produção desses nanocompósitos ocorreu por meio de uma mistura de PLA e polietileno proveniente de fonte renovável (HDPE-Verde), viabilizada pela ação do agente compatibilizante polietileno enxertado com anidrido maleico (HDPE-g-AM) e do aditivo carbonato de cálcio nanoparticulado (n-CaCO3), através do estudo das condições ótimas de processamento e composição, realizado por meio do Planejamento Fatorial Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR). A obtenção deste balanço ótimo se deu ao se avaliar a influência dos fatores de estudo velocidade de rotação (100-400rpm), teor da fase dispersa PLA 2003D (0-35%) e teor da nanocarga mineral - n-CaCO3 (1-4%) sobre as propriedades mecânicas, térmicas, morfológicas e de fluxo dos nanocompósitos, através das variáveis de resposta - módulo de Young, resistência ao impacto, grau de cristalinidade (c) e índice de fluidez (MFI).Avaliações preliminares conduziram à escolha do PLA como fase dispersa dos compósitos. As variáveis de resposta do planejamento indicaram que a viscosidade dessas amostras é diretamente proporcional à concentração de n-CaCO3 e a velocidade de processamento, por promoverem, respectivamente, maior resistência ao escoamento e dispersão da carga. As composições apresentaram como característica resistência ao impacto similar ao comportamento do PLA puro e em contrapartida, módulo de Young similar a matriz de HDPE-Verde. A cristalinidade dos polímeros foi melhorada, observando-se uma ação mútua do HDPE-Verde e do PLA para este aumento, havendo ainda colaboração do n-CaCO3 e da velocidade de mistura. A morfologia dos compósitos foi função da velocidade que favoreceu maior dispersão e distribuição da fase dispersa e ainda por maiores teores de n-CaCO3 que ocasionaram a formação de gotas de PLA de menores dimensões, favorecendo uma estrutura mais homogênea. Maiores teores de PLA alteraram a morfologia dos compósitos, ocasionando a formação de grandes domínios dessa fase na forma de gota que atribuíram ao material maior rigidez. A avaliação individual do efeito do n-CaCO3 sobre o PLA e o HDPE-Verde individualmente apontaram que a ação da carga mineral em geral é benéfica para a melhoria das propriedades, com exceção da resistência ao impacto. Além disso, os resultados mostram que a compatibilizante HDPE-g-AM também minimiza a atuação da carga. Em relação à influência do HDPE-g-AM sobre a mistura HDPE-Verde/PLA é possível observar que a compatibilização da mistura tende a ocorrer, porém não de forma eficiente como o esperado

Modelagem matemática determinística do fluxo do tráfego veicular

Nesta dissertação consideramos duas abordagens para o tráfego de veículos: a macroscópica e a microscópica. O tráfego é descrito macroscopicamente por três grandezas físicas interligadas entre si, a saber, a velocidade, a densidade e o fluxo, descrevendo leis de conservação do número de veículos. Há vários modelos para o tráfego macroscópico de veículos. A maioria deles trata o tráfego de veículos como um fluido compressível, traduzindo a lei de conservação de massa para os veículos e requer uma lei de estado para o par velocidade-densidade, estabelecendo uma relação entre eles. Já o modelo descrito pela abordagem microscópica considera os veículos como partículas individuais. Consideramos os modelos da classe "car - following". Estes modelos baseiam-se no princípio de que o (n - 1)-ésimo veículo (denominado de "following-car") acelera em função do estímulo que recebe do n-ésimo veículo. Analisamos a equação de conservação do número de veículos em modelos macroscópicos para fluxo de tráfego. Posteriormente resolvemos esta equação através da linearização do modelo, estudando suas retas características e apresentamos a resolução do problema não linear em domínios limitados utilizando o método das características

Relação chuva-vazão nos telhados verdes modulares sob chuva simulada induzida.

A perda de vegetação natural e o aumento das superfícies impermeáveis decorrentes da expansão urbana têm mostrado que os tradicionais sistemas de drenagem urbana são insuficientes e pouco adaptáveis às alterações de uso do solo. Uma das consequências disso é o aumento da velocidade do escoamento superficial (runoff) que favorece as inundações, com enormes prejuízos materiais e ambientais. As inundações ocorrem geralmente quando ha ocorrência de chuvas de alta intensidade. O objetivo deste trabalho foi estudar a contribuição dos telhados verdes modulares submetidos a chuvas de alta intensidade, 155mm/h com duração de 7,0 minutos para retenção e retardo do escoamento superficial. Além disso, foram determinados valores para parâmetros de modelos clássicos chuva-vazão: Método Racional (C) e CN (SCS), que poderá, futuramente, servir de modelagem hidrológica dos impactos da adoção de telhados verdes no controle das enchentes urbanas. A metodologia adotada foi de natureza experimental e envolveu a construção de bancadas com inclinação regulável para suporte dos módulos experimentais e um sistema para indução de chuvas com intensidade controlada. Foram estudados três modelos de sistema modular para telhado verde que permitem o armazenamento de água no fundo da bandeja que compõe os módulos, sendo 2 de 17,0 L (M-17 e F-17) e 1 de 4,0 L (M-4), nas condições de solo seco e solo úmido. Em cada módulo vegetado foram utilizadas 3 espécies de vegetação: Portulaca oleracea (Onze horas), Callisia repens (Dinheiro em penca) e Apnia cordfolia (Rosinha do sol). Os resultados demonstraram que os volumes retidos, calculados a partir da observação do runoff, nas diferentes situações, foram coerentes entre si e com dados relatados na literatura. Os módulos vegetados produziram os melhores resultados com solo seco e os piores resultados com solo úmido. O percentual médio de retenção, considerando todos os tipos de módulos, foi de 58% do volume total de água induzida, com retardo médio de 12 minutos no runoff. Os valores médios de C (Método Racional) foram 0,4, 0,48, 0,36, para os módulos M-17, M-4 e F-17, respectivamente e os de CN (SCS) foram 93, 95, 93, para os mesmos módulos. Conforme esperado, os maiores valores de CN foram para solos úmidos, mantendo a relação que quanto menor o volume retido, maior o runoff e o CN. O módulo F-17 foi o que apresentou melhor desempenho em todos os aspectos (redução do escoamento, retenção hídrica e retardo do runoff). Este estudo demonstra a boa contribuição que esse tipo de sistema pode proporcionar na retenção e retardo do escoamento superficial, mesmo para chuvas intensas de curta duração, principalmente após período de curta estiagem, situação comum em locais de clima tropical. Futuros estudos deverão avaliar o desempenho dos sistemas modulares de telhados verdes com outras características e intensidades de chuvas. A adoção de telhados verdes deve ser cautelosa, sobretudo pela carga extra que esse tipo de sistema representa.

Análise das deformações dos aterros que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro.

O presente trabalho tem como objetivo a análise numérica do comportamento dos aterros instrumentados que compõem a obra do Arco Metropolitano do Rio de Janeiro. Os resultados da instrumentação de campo serão retroanalisados, juntamente com dados disponíveis na literatura, buscando-se a definição de parâmetros confiáveis, representativos do comportamento da argila compressível da região em estudo. O Arco Metropolitano do Rio de Janeiro é uma rodovia projetada que servirá como ligação entre as principais rodovias que cortam o município do Rio de Janeiro. Devido a presença de grandes espessuras de solo compressível em alguns trechos da região, cortados pelo traçado da rodovia, instrumentos de monitoramento, como placas de recalque e inclinômetros, foram utilizados para avaliar os deslocamentos verticais e horizontais dos aterros durante o processo construtivo. Para este trabalho foram selecionados trechos de aterros representativos, devido à magnitude dos recalques, qualidade do resultado da instrumentação e diferentes métodos construtivos. A partir da análise dos parâmetros de projeto e dos parâmetros encontrados na literatura, procede-se à simulação numérica do processo construtivo dos aterros selecionados com o programa PLAXIS, de elementos finitos, através de modelagem bidimensional. Os resultados numéricos são confrontados com a instrumentação de campo (placas de recalque e inclinômetros) e com os resultados de previsões teóricas (teoria de adensamento unidimensional). Os resultados comprovaram que a modelagem numérica mostrou-se uma ferramenta adequada para a previsão dos recalques totais, tempos de adensamento e ganho de resistência ao longo do tempo. A retroanálise do comportamento de aterros sobre solos moles permite a reavaliação das premissas de projeto, uma vez que as limitações das teorias de análise e a dificuldade na seleção de parâmetros, muitas vezes acarretam em estimativas de recalque incoerentes com as observações de campo.

Caracterização microestrutural e análise de tensões residuais pelo método do furo cego em tubo de seção quadrada com costura.

Tensões residuais são uma das principais causas de falhas em componentes mecânicos submetidos a processos de fabricação. O objetivo do trabalho foi medir as tensões residuais presentes em um tubo quadrado soldado por resistência elétrica de alta frequência e caracterizar microestruturalmente o seu material. Para a caracterização, foram utilizadas técnicas de microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise química quantitativa. Para a medição das tensões residuais, foi utilizado o método do furo cego, baseado na norma ASTM E837-08, onde rosetas (strain-gages) são coladas à peça para medir as deformações geradas devido à usinagem de um pequeno furo no local de medição. As deformações foram associadas às tensões residuais através de equações baseadas na Lei de Hooke. A caracterização revelou uma microestrutura composta basicamente de ferrita e perlita, típica de aços com baixo teor de carbono, corroborando com a especificação fornecida pelo fabricante. As tensões residuais encontradas foram trativas e mostraram-se elevadas, com alguns valores acima do limite de escoamento do material.

Aplicação de técnicas de otimização no gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor

Deposição é um fenômeno indesejável que ocorre na superfície dos trocadores de calor ao longo de sua operação, ocasionando redução na efetividade térmica e aumento da resistência ao escoamento nestes equipamentos. Estes efeitos trazem grandes consequências econômicas e ambientais, devido ao aumento dos custos operacionais (energia adicional é requerida), aumento dos custos de projeto (demanda por equipamentos de maior área de troca térmica), limitações hidráulicas (que pode levar a uma diminuição da carga processada) e aumento das emissões (aumento da queima de combustíveis fósseis para suprir a energia adicional requerida). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo fornecer ferramentas computacionais robustas que apliquem técnicas de otimização para o gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor, visando minimizar os seus efeitos negativos. Estas ferramentas foram desenvolvidas utilizando programação matemática no ambiente computacional GAMS, e três abordagens distintas para a resolução do problema da deposição foram pesquisadas. Uma delas consiste na identificação do conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos durante uma parada para manutenção da planta, visando restaurar a carga térmica nesses equipamentos através da remoção dos depósitos existentes. Já as duas outras abordagens consistem em otimizar a distribuição das vazões das correntes ao longo de ramais paralelos, uma de forma estacionária e a outra de forma dinâmica, visando maximizar a recuperação de energia ao longo da rede. O desempenho destas três abordagens é ilustrado através de um conjunto de exemplos de redes de trocadores de calor, onde os ganhos reais obtidos com estas ferramentas de otimização desenvolvidas são demonstrados

Avaliação de modelos de permeabilidade em meios porosos não consolidados

As simulações computacionais tem sido amplamente empregadas no estudo do escoamento darciano e não-darciano em meios porosos consolidados e não-consolidados. Neste trabalho, através de uma nova formulação para a equação de Forchheimer, foram identificadas duas novas propriedades denominados fator de comportamento do fluido, que atua paralelamente a permeabilidade, e permeabilidade equivalente global, resultado da relação anterior. Este comportamento foi estudado e validado através da implementação de um aparato experimental e um código computacional baseado no modelo de regressão-linear que, além disso, demonstrou que o escoamento, ainda que em regime não darciano, comporta-se linearmente como a equação de Darcy, ainda que o coeficiente angular desta diminuiu de acordo com a faixa do número de Reynolds atingida, sendo esta dependente do tipo de leito empregado. Ainda neste trabalho, foi implementado o método de otimização R2W para estimar os parâmetros da equação de Kozeny-Carman a partir de dados experimentais obtidos por Dias et al, a fim de simular o escoamento darciano em meios porosos. Por fim, foi alcançada excelente concordância entre os dados simulados pelo método R2W / equação de Kozeny-Carman e os dados reais.

Experimentos numéricos para deposição de parafinas com modelo Multisólido

Este trabalho objetiva a construção de estruturas robustas e computacionalmente eficientes para a solução do problema de deposição de parafinas do ponto de vista do equilíbrio sólido-líquido. São avaliados diversos modelos termodinâmicos para a fase líquida: equação de estado de Peng-Robinson e os modelos de coeficiente de atividade de Solução Ideal, Wilson, UNIQUAC e UNIFAC. A fase sólida é caracterizada pelo modelo Multisólido. A previsão de formação de fase sólida é inicialmente prevista por um teste de estabilidade termodinâmica. Posteriormente, o sistema de equações não lineares que caracteriza o equilíbrio termodinâmico e as equações de balanço material é resolvido por três abordagens numéricas: método de Newton multivariável, método de Broyden e método Newton-Armijo. Diversos experimentos numéricos foram conduzidos de modo a avaliar os tempos de computação e a robustez frente a diversos cenários de estimativas iniciais dos métodos numéricos para os diferentes modelos e diferentes misturas. Os resultados indicam para a possibilidade de construção de arcabouços computacionais eficientes e robustos, que podem ser empregados acoplados a simuladores de escoamento em dutos, por exemplo.

Implementação paralelizada de métodos de resolução de sistemas algébricos na simulação de reservatórios de gás

Desde a década de 1960, devido à pertinência para a indústria petrolífera, a simulação numérica de reservatórios de petróleo tornou-se uma ferramenta usual e uma intensa área de pesquisa. O principal objetivo da modelagem computacional e do uso de métodos numéricos, para a simulação de reservatórios de petróleo, é o de possibilitar um melhor gerenciamento do campo produtor, de maneira que haja uma maximização na recuperação de hidrocarbonetos. Este trabalho tem como objetivo principal paralelizar, empregando a interface de programação de aplicativo OpenMP (Open Multi-Processing), o método numérico utilizado na resolução do sistema algébrico resultante da discretização da equação que descreve o escoamento monofásico em um reservatório de gás, em termos da variável pressão. O conjunto de equações governantes é formado pela equação da continuidade, por uma expressão para o balanço da quantidade de movimento e por uma equação de estado. A Equação da Difusividade Hidráulica (EDH), para a variável pressão, é obtida a partir deste conjunto de equações fundamentais, sendo então discretizada pela utilização do Método de Diferenças Finitas, com a escolha por uma formulação implícita. Diferentes testes numéricos são realizados a fim de estudar a eficiência computacional das versões paralelizadas dos métodos iterativos de Jacobi, Gauss-Seidel, Sobre-relaxação Sucessiva, Gradientes Conjugados (CG), Gradiente Biconjugado (BiCG) e Gradiente Biconjugado Estabilizado (BiCGStab), visando a uma futura aplicação dos mesmos na simulação de reservatórios de gás. Ressalta-se que a presença de heterogeneidades na rocha reservatório e/ou às não-linearidades presentes na EDH para o escoamento de gás aumentam a necessidade de métodos eficientes do ponto de vista de custo computacional, como é o caso de estratégias usando OpenMP.