Proposta Economica Para Desen Sust

2ª Conferência da REDE de Língua Portuguesa de Avaliação de Impactos 1° Congresso Brasileiro de Avaliação de Impacto

cccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccc Associação Brasileira de Avaliação de Impacto

Este trabalho foi recebido pela Comissão Cientifica e pertence aos anais do Congresso. O conteúdo do trabalho é de inteira responsabilidade do autor.

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TELHADOS VERDES: Uma proposta econômica em busca do desenvolvimento urbano sustentável

André Luiz de Lima Reda 1; André A. Tanzillo 2; Gustavo B. Costa 3

RESUMO – O necessário processo de urbanização remove vegetação e impermeabiliza áreas anteriormente permeáveis, com impacto significativo nas grandes cidades, tais como alterações no ciclo hidrológico e aumento da temperatura e da amplitude térmica – gerando inundações e ilhas de calor. Como grande parte das superfícies urbanas é coberta por telhados e lajes, a adoção de áreas permeáveis vegetadas sobre estes é ótima alternativa para mitigar esses impactos da urbanização. Essa solução alternativa, conhecida como “telhados verdes”, é crescentemente utilizada para a gestão sustentável das águas pluviais, com bons resultados conhecidos em termos de diminuição do escoamento superficial, atenuação de picos de vazão e revitalização da bacia hidrográfica. Uma metodologia tecnicamente bem embasada e inovadora é aqui apresentada para dimensionar telhados verdes, considerando uma tormenta de projeto típica adotada com base na equação de chuva intensa local. Seu objetivo é determinar a espessura necessária da camada porosa onde se fixa a vegetação (ou “substrato”) partindo-se da hipótese de que toda a precipitação infiltrada consiga ficar retida nessa camada. Os resultados aqui obtidos mostram a eficiência dos telhados verdes na atenuação dos impactos da urbanização em termos da vazão esperada no ponto de descarga do telhado – com pico sensivelmente reduzido. O método proposto disponibiliza uma planilha de cálculo eletrônica para dimensionar o telhado a partir de dados ou características de projeto fornecidos pelo projetista.

Palavras-chave: Atenuação do impacto da urbanização. Urbanização sustentável. Dimensionamento de telhado verde.

ABSTRACT – The important process of urbanization removes vegetation and impermeabilises once permeable soil surfaces, considerably impacting large cities – for instance, by modifying the hydrological cycle, raising temperatures and amplifying thermal amplitudes. This may enhance flooding and introduce the heat-island effect into a city. As much of the urban area is covered by roofs and roof slabs, the implementation of permeable, planted surfaces on them is a good alternative for mitigating such impacts. This alternative solution, known as “green roof”, has been increasingly introduced as a tool for sustainable urban rainwater management, allowing for the dampening of f lood peaks through runoff storage – so yielding good results in terms of surface-flow reduction, f lood-peak attenuation and river catchment revitalisation. An innovating, technically based methodology is presented here as a toll for green roof sizing. It starts from adopting a typical design storm based on the regional intense rain equation. The method aims at determining the necessary thickness of the porous layer (or

1 Engenheiro Civil, M.Sc., D.I.C., Ph.D. Consultor em hidrologia, recursos hídricos, hidráulica fluvial e saneamento.

Docente: Escola de Engenharia, Universidade Presbiteriana Mackenzie – São Paulo, SP ; Escola de Engenharia Mauá, Centro Universitário do IMT – São Caetano do Sul, SP – [email protected] br 2

Acadêmico: Engenharia Civil. Escola de Engenharia, Universidade Presbiteriana Mackenzie, Escola de Engenharia – [email protected] 3

Acadêmico: Engenharia Civil. Escola de Engenharia, Universidade Presbiteriana Mackenzie, Escola de Engenharia – [email protected]

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“substrate”) into which the vegetation lays roots, and assumes that this layer is able to retain infiltrated rain depths entirely. Prospective results here show the efficiency of the green roof solution in attenuating the impacts of urbanization, represented by a dampened flood hydrograph, expected at the roof outlet – its peak rate being considerably reduced. The proposed method includes an electronic spreadsheet for roof sizing, with roof characteristics and other design data being chosen, than entered by the designer.

Key words: Urbanisation impact attenuation. Sustainable urbanisation. Green roof sizing. 1 - INTRODUÇÃO

É inevitável, atualmente, que vários centros urbanos se tornem megalópoles sem que

necessariamente isto tenha sido planejado, enfrentando os impactos ambientais da concentração de milhões de habitantes sem área e outros recursos naturais necessários – degradando não só a natureza, como também a própria estrutura urbana e a vida dos munícipes. Desses impactos, vários são devidos à intensa impermeabilização, causando excessivo escoamento superficial e acelerando as enxurradas para os corpos receptores, com riscos de erosão e inundação. O Intenso processo de pavimentação e construção causa, ainda, excessiva temperatura, formando as chamadas “ilhas de calor” – tal como ocorre em Tóquio (OOKA et al., 2004), por exemplo. Superfícies porosas, ao contrário, absorvem e retêm parte da chuva, reduzindo o escoamento superficial e liberando volume líquido infiltrado por mais tempo (COSTA et al., 2011; MOURA, 2008 apud LOUREIRO; FARIAS, [2009-2010]); aumentando, ainda, a biomassa vegetal e a umidade do solo e a inércia térmica ambiental (e o conforto térmico). Tudo isto pode ser obtido por um planejamento urbano que implante estruturas ou benfeitorias de baixo impacto ambiental – aquelas cuja instalação e uso não aumentem (ou, preferivelmente, tendam a mitigar) os impactos negativos causados ao meio, como, por exemplo, a adoção de solos, ruas e calçadas permeáveis. Também funcionam assim as superfícies drenantes com vegetação sobre base permeável, sejam elas jardins, parques ou canteiros sobre lajes e telhados – que representam o interesse deste trabalho.

“Telhado verde”, cobertura verde, teto verde, telhado vivo, eco telhado ou telhado ajardinado – dentre outras expressões encontradas na literatura – é uma técnica arquitetural que consiste em aplicar solo e vegetação sobre estruturas de cobertura impermeáveis, em diversos tipos de edificações. Telhados verdes existem – ou existiram – em regiões diversas, tais como Alemanha, Argentina, Tanzânia e Islândia, e em diversas fases históricas. Porém, suas qualidades e benfeitorias foram reconhecidas mais amplamente no meio técnico há apenas alguns anos, quando, então, vieram muitos estudos sobre seu comportamento hidrológico, térmico e acústico. De fato, além dos benefícios hidrológicos, em foco neste estudo, Lagström (2004) relata que coberturas verdes sobre contêineres experimentais reduziram pressões sonoras internas de 30 a 50%. No aspecto recuperação da umidade urbana, telhados verdes podem evaporar milhares de vezes mais, em dia quente, que telhados convencionais, segundo Robinette (1972, apud MINKE, 2005). Além disto, a plantação de vegetais em grande escala sobre uma área urbana pode contribuir para o sequestro de CO2, coibindo o aumento no efeito estufa. Dentre tais benefícios, são os estudos térmicos e os hidrológicos que mais se destacam.

Esta pesquisa investigou técnicas e tipos de telhados verdes, além de estudos relevantes sobre seu funcionamento e características de interesse para a recuperação ambiental. Neste contexto, apresenta um método para dimensionamento hidráulico de um telhado verde, formado por um conjunto composto, basicamente, por uma camada superior de substrato (solo), a vegetação e uma subcamada drenante inferior, apoiada sobre laje ou outra estrutura de cobertura, com impermeabilização adequada entre ela e tal estrutura. (MINKE, 2005).




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Os telhados verdes podem ser estruturados de várias maneiras e divididos em várias classes. Os métodos construtivos dessas coberturas se distinguem não só pelos vários materiais, formando o substrato, camada drenante e impermeabilização (esta, na sua base), mas também por características intrínsecas, tais como espessura e declividade de substrato e camadas.

2 - CLASSIFICAÇÃO E FUNCIONAMENTO

É comum dividir-se os telhados verdes em três classes principais, a saber: intensivos, semi-extensivas e extensivos. Além de diferirem pela espessura do substrato, principalmente, outras características também as distinguem, tais como tipo de planta, profundidade das raízes e intensidade de manutenção, como detalhado a seguir.

Sistemas intensivos têm substrato mais espesso (espessuras mínimas, na literatura, próximas a 20 cm), permitindo o crescimento de vegetação mais densa e até lenhosa – o que limita declividades e requer manutenção freqüente e boa irrigação (MINKE, 2005). Tais telhados têm grande liberdade e variabilidade na instalação de componentes. Exigem estruturas de base altamente resistentes – daí permitirem uso para convivência e recreação. Oferecem outras vantagens específicas, tais como a possibilidade de plantio e cultivo de alimentos (OLIVEIRA; SILVA, 2009), interessante em função dos objetivos do projeto. Porém, como o peso dos telhados verdes intensivos é considerável, faz-se, por vezes, necessário o reforço estrutural para sua aplicação, com necessidade de constante manutenção, tornando-os economicamente menos viáveis.

Sistemas extensivos se caracterizam por substratos menos espessos, vegetação rasteira e camadas entre 2,5 e 15 cm de espessura – evidentemente, não comportam raízes longas. Podem ser suportados por estruturas leves (mesmo quando saturados), exigindo pouca ou nenhuma manutenção (GETTER; ROWE, 2006; LAGSTRÖM, 2004; MINKE, 2005; OLIVEIRA, SILVA, 2009; TOMAZ, 2005). Ao contrário dos intensivos, não podem ser cultivados e só suportam trânsito para manutenção, por serem estruturas frágeis (MINKE, 2005). São mais baratos, simples e praticáveis em vasta aplicação, exigindo menos manutenção. O caso prático deste estudo será sobre um telhado extensivo, que se presta muito bem à adoção para regiões urbanas.

Sistemas semi-extensivas são intermediários entre intensivos e extensivos, com vantagens e desvantagens de ambos, parcialmente. Têm substrato mais espesso que os extensivos, por vezes proporcionado o plantio de espécies arbustivas e cultivo de alimentos, com espessura entre 12 e 25 cm e necessidade de periódica manutenção e irrigação – de acordo com o IGRA (2011).

Uma importante propriedade dos telhados verdes é a capacidade de retenção e detenção de águas pluviais – no que são únicos, dentre toda a gama de coberturas existente. Dada esta característica, uma região urbana pode ter seu ciclo hidrológico restaurado adotando-se telhados verdes em boa parcela dela (PALLA et al., 2010). O fator benéfico predominante dessas estruturas é a capacidade de retenção e detenção de água, devido às suas diversas camadas – que diminuem a velocidade de escoamento, aumentando o tempo de detenção no sistema cobertura (BERTHIER et al., 2011). Tal processo se deve à necessidade de preenchimento dos vazios do solo pela água antes que passe a escoar superficialmente. Adicione-se a ele o fato de o solo oferecer resistência à percolação e a absorção de água pelas plantas – tudo isto reduzindo o escoamento superficial que depende do deságüe final do telhado. Esses fenômenos são discutidos em Cunha (2004), Montalto et al. (2007), Oliveira e Silva (2009), Palla et al. (2010), Pöe et al. (2011) e Vanwoert et al. (2005), sendo influenciados diretamente pela inclinação e a espessura de cada camada drenante, bem como sua permeabilidade e capacidade de retenção de água.




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Muitos estudos sobre a capacidade de retenção de água nos telhados verdes garantem que a inclinação tem influência direta nela – não só sobre a eficiência de drenagem, obviamente. Há uma minoria de estudos, porém, que questionam essa posição – Schade (2000 apud PALLA et al., 2010) e Liesecke (1998 apud PALLA et al., 2010). Os estudos de Vanwoert et al. (2005) afirmam que se deve considerar não só a inclinação, mas também a espessura, na definição ótima do telhado verde, como citado anteriormente – levando em conta, ainda, a intensidade da chuva de projeto. Outro fator cogitado por Vanwoert et al. (2005), mas não aprofundado, é a relação do tipo de vegetação com a quantidade de água retida, comprovando aqueles autores que com uma estrutura com vegetação se retém mais água que sem ela. Assim, a vazão máxima à saída do telhado diminui ao se amortecer o hidrograma efluente, caindo assim a carga dos sistemas de drenagem públicos durante e após a chuva. Isto também resulta redução da erosão (por diminuição na velocidade da enxurrada) e dos risco de inundação (PALLA et al., 2010; MONTALTO et al., 2007).

Berthier et al. (2011), responsáveis por estudos em direção a um método de dimensionamento de telhados verdes, afirmam, pela análise de dados coletados por alguns anos em protótipos, que na seca o substrato fica totalmente insaturado, com muito pouca água – por vezes, atingindo o ponto de murcha de certas plantas. Isto, portanto, proporciona maior potencial de retenção de água precipitada; enquanto, em épocas chuvosas, a quantidade de água armazenada no substrato é maior, reduzindo a retenção de água pluvial.

Costa et al. (2011) não só testam os efeitos do retardamento do escoamento pelo substrato e vegetação, a exemplo de outros estudos (BACOVIS, 2010; PALLA et al., 2010; VANWOERT et al., 2005), mas também o efeito da rugosidade da superfície onde o telhado verde é implantado, com resultado satisfatório na retenção apenas par superfície rugosa e ainda melhores para uma combinação entre esta e o telhado verde. Assim, este é um meio de aumentar a eficiência de retenção e redução de escoamento.

É ainda interessante o fato de o telhado verde atenuar com maior eficiência os primeiros picos do evento chuvoso. À medida que a tormenta cai, essa eficiência diminui até se estabilizar. Isto se explica por estar o substrato, geralmente, seco no início da chuva e, com o tempo, devido ao aumento de sua percentagem de saturação, ver diminuída, cada vez mais, sua capacidade de retenção – até atingir total grau de saturação. Daí, a precipitação excedente sobre sua superfície passa a escoar praticamente toda de modo superficial.

3 - MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO DO TELHADO VERDE

A proposta de dimensionamento prático de telhado verde aqui apresentada é simples, fundamentada em conceitos e formulações básicas de Matemática, Física, Hidráulica, Hidrologia e Mecânica dos Solos. Visa principalmente determinar a espessura do substrato, devido a ser ele o principal componente responsável por aumentar a retenção de água. Para facilitar o cálculo dessa estrutura, criou-se uma planilha que emprega o método resumido a seguir, porém descrito mais detalhadamente em Tanzillo e Costa (2012).




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Figura 1 – Corte esquemático mostrando o tipo de telhado verde adotado neste estudo

Várias alternativas geométricas são contempladas, cada uma com seu tempo de concentração, tc. Para dada alternativa, escolhe-se um ietograma sintético de projeto (ou “chuva de

projeto”), com intervalos de cálculo t escolhidos em função de tc (para discretização do fenômeno com boa precisão), criado, como descrito mais adiante, a partir de uma equação de chuva intensa regional. Adotou-se aqui a mais recente, desenvolvida pelo Centro Tecnológico de Hidráulica (MARTINEZ; MAGNI, 1999) para a cidade de São Paulo. É também necessário descontar a altura

pluviométrica infiltrada em cada t para obter a altura pluviométrica efetiva a cada t – resultando o ietograma efetivo de projeto. As alturas infiltradas foram estimadas pelo método de Horton

usando uma versão adaptada por Tanzillo e Costa (2012) para o caso de em dado t chover menos do que poderia infiltrar, segundo a capacidade de infiltração dada pela fórmula de Horton.

A forma de verificar a eficiência do amortecimento de enchente por um telhado verde é avaliar o escoamento das águas à saída do telhado convencional – ou seja, deve-se estimar o hidrograma efluente deste. O método o estima pela convolução da precipitação efetiva de projeto com um hidrograma unitário estimado, para o telhado convencional, com base nas características fornecidas da bacia drenada. Empregou-se aqui o hidrograma unitário triangular de Oakes (simplificado, com tc como tempo de pico e tempo de base igual ao 2,5 tc). O tempo de concentração é estimado em função das características principais da bacia, a saber: inclinação da cobertura e maior distância nela percorrida pela molécula precipitada no ponto mais distante da saída; inclinação e comprimento da calha; altura da edificação (para estimar tempo de percurso no tubo de queda, em geral bem menor que o tempo de percurso superficial), e distância e inclinação do canal de drenagem do substrato até o ponto de entrada no tubo de queda. Estimado o hidrograma de enchente à saída do telhado convencional, será comparado, oportunamente, ao hidrograma à saída do telhado verde.

É fundamental conhecer a chuva de projeto para dimensionar a drenagem. Deve-se adotar sua duração, segundo diretrizes básicas para projetos de drenagem no município de São Paulo (PMSP, 1999), igual ao tc do sistema; assim, garante-se contribuição simultânea de todo este e, em consequência, maximização da vazão de projeto para dado período de retorno. A escolha dessa duração foi efetuada de modo iterativo, partindo de um valor inicial conveniente de duração de chuva, calculando o tempo de concentração em função das características da bacia e do sistema drenante e usando esse valor como novo tempo de duração de chuva – até a convergência entre a duração suposta e o valor tc resultante, como sintetiza a Figura 2.




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Figura 2 – Esquema para cálculo da duração da chuva de projeto

Tomando-se as alturas pluviométricas infiltradas a cada t calculadas anteriormente, adota-se a hipótese de que toda a água infiltrada pode ficar retida na camada de substrato e daí se estima a espessura deste necessária para reter toda essa água simultaneamente, pelo menos até o fim da tormenta efetiva. Sabendo a porosidade do substrato, de material homogêneo e isotrópico neste estudo de caso hipotético, ‘p’ (quociente do volume de vazios do solo por seu respectivo volume aparente ou total - PIMENTA, 1989), para uma área de captação de chuva coincidente com a área do substrato (que abrange toda a área de telhado) se tem:

e = Pinf / p (1) onde:

e : espessura do substrato Pinf : altura pluviométrica infiltrada p : porosidade do substrato

A forma de avaliar a eficiência do sistema proposto para amortecer a enxurrada é cotejar o hidrograma à saída do telhado convencional resultante da convolução supra descrita com um hidrograma estimado à saída do telhado verde. Este último é estimado supondo que a saída das águas detidas no telhado verde ocorre por gravidade pela base do substrato, à velocidade constante estimada pela Lei de Darcy (PIMENTA, 1981), e, daí, pelo sistema hidráulico de captação da água filtrada por essa base e conduzida até a mesma saída que no convencional.

O cálculo dos hidrogramas, feito por uma sequência de subplanilhas de cálculo dentro da

planilha principal, faz-se preenchendo as células respectivas com valores geométricos das áreas

envolvidas e de características quantitativas do substrato – conforme o caso (como demonstra a

Figura 3 e melhor especificam Tanzillo e Costa (2012). No caso estudado, a bacia total do terreno

tem 900m2 e a área de telhado é 500m2.

A planilha pode ser usada simplesmente para calcular um telhado convencional, sem área

verde – resultando, então, um hidrograma efluente à saída do terreno bem maior que à época em

que o terreno era natural (com vegetação). Por outro lado, para se averiguar a viabilidade de

telhado verde, são primeiro criados três hidrogramas: um para o escoamento superficial pela área

verde; outro para o escoamento superficial pela área sem vegetação (área do terreno menos área

de telhado) e o último representando a saída da água sob a camada do substrato (hidrograma de

“exfiltração”). Somam-se os três e resulta o hidrograma efluente do terreno com telhado verde.

Portanto, para dado terreno, pode-se estimar tanto o hidrograma superficial que sairia pelo seu exutório se o telhado fosse verde, quanto o hidrograma efluente no caso de telhado sem partes verdes – em qualquer caso, a vazão efluente do telhado sempre está associada às outras partes da bacia, impermeáveis.




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Figura 3 – Imagem de tela da planilha ‘Características da bacia’ (TANZILLO e COSTA, 2012)

A Figura 4 mostra a título ilustrativo, para comparação pelo leitor, o hidrograma efluente do

terreno com telhado convencional e aquele efluente do terreno com a adoção de telhado verde,

num exemplo adotado para este estudo de caso (TANZILLO; COSTA, 2012, mostram todo o

detalhamento dos dados e dos cálculos pela planilha, discutindo suas diversas partes). O aspecto

mais importante na Figura 4 é o abatimento de cerca de 15% na vazão máxima (ou de pico) que é

descarregada na rede pública de drenagem.




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Figura 4 – Hidrogramas efluentes da bacia com e sem telhado verde – resultado da planilha ‘Hidrogramas da bacia’.

4 – CONSIDERAÇÕES FINAIS E RECOMENDAÇÕES

Este trabalho visa, entre outras finalidades, apresentar o telhado verde como importante componente numa solução de natureza múltipla, que se torna urgente, para o problema das inundações urbanas. Foram explorados as características possíveis dos telhados verdes e os diversos tipos de comportamento da água neles, de uma forma geral; além de uma proposta prática de dimensionamento criada para viabilizar a adoção dessas estruturas pela população.

Pesquisando a literatura, identificou-se o uso de telhados verdes como ferramenta para mitigar os impactos do crescimento urbano, fato corroborado pelos argumentos numéricos aqui apresentados. A literatura também os apresenta como solução praticável nos grandes centros urbanos, com seus benefícios, facilidade e viabilidade de aplicação – sendo necessários estudos para viabilizá-los ainda mais.

O método construtivo de telhados verdes é muito simples, visto ainda não existir norma especifica para tal tipo de cobertura. Assim, o dimensionamento aqui sugerido é uma proposta inicial na direção de um método especifico.

Ainda outra atitude prática possível é esclarecer a população sobre as vantagens do telhado verde, tanto para incentivar o munícipe a adotar cobertura verde na sua edificação, com base na prática da boa Engenharia e da boa Arquitetura, quanto para incentivar pesquisas orientadas de forma prática por entidades de desenvolvimento urbano, de caráter público ou privado – assim, fomentando a discussão prática nessa direção.

Observa-se pela literatura que a crescente vontade de construir coberturas verdes vem ajudando a incentivar o surgimento de formas de impermeabilização que as viabilizem, de modo a coibir um dos maiores problemas potenciais dessa prática: umidade no ambiente interno construído.




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Um aspecto interessante para desenvolver conhecimento adicional do tema seria pesquisar mais a fundo a possibilidade e a viabilidade de implantação em regiões diversas, explorando em cada uma a sua capacidade de mitigar inundações e a possibilidade de viabilização econômica.

Os resultados desta pesquisa, bem como os de eventuais pesquisas futuras, representam base para ampliar conhecimento visando desenvolver, conceber e planejar a aplicação de telhado verde em área urbanas como forma complementar de solução do problema da inundação urbana – ou, pelo menos, como forma de desacelerar a velocidade com que tal problema hoje cresce – numa abordagem rumo à urbanização sustentável

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