As credenciais verdes de um novo armazém de pé direito alto com

Relatório de projeto
As credenciais verdes de um novo armazém de
pé direito alto com controle de temperatura
Keith Laidlaw e Bawden Burrows, da MLM Consulting Engineers, descrevem o
projeto e a construção de um armazém de pé direito alto com estrutura de aço e
controle de temperatura em Stevenage, Hertfordshire, com especial atenção a suas
credenciais ‘verdes’
O novo armazém construído para a Wine Society incluiu o uso
inovador do Hemcrete® em sua construção. Acredita-se que é a
primeira vez que esse material foi usado nesse tipo de projeto.
Outra inovação foi a fabricação remota de painéis de reboco de
cânhamo e cal, cuja necessidade se deveu às condições da
construção.
O Hemcrete® é um material sustentável para paredes
produzido pela Lime Technology Ltd a partir de cânhamo
especialmente preparado e um aglutinante à base de cal, que
geram um material carbono-negativo de alta eficiência térmica e
propriedades térmicas passivas e ativas. A combinação de
isolamento térmico e de umidade reduz substancialmente a
energia necessária para regular as temperaturas, o que é um fator
crítico na construção e operação de instalações de armazenagem
com controle de temperatura.
O edifício já passou por um ciclo anual de operação, período
no qual os gastos com energia foram monitorados atentamente.
Demonstrou-se uma economia de energia significativa, maior do
que a prevista pela modelagem térmica e muito maior do que a
dos armazéns existentes no local, o que resultou em uma redução
substancial dos custos energéticos.
Introdução
A MLM Consulting Engineers foi contratada pela Wine Society
para dar assessoria estrutural, civil e de construção, trabalhando
em estreita colaboração com a empresa de arquitetura Vincent &
Gorbing em um novo armazém com controle de temperatura
destinado a ampliar as instalações existentes em 50.000 m3 para
armazenar mais 3,5 milhões de garrafas de vinho a temperaturas
mantidas rigorosamente entre 13 e 16°C.
O plano foi desenvolvido até um estágio avançado antes da
proposta de projeto e construção e depois continuou sendo tocado
pela MLM e a Vincent & Gorbing, atuando junto à empreiteira de
projeto e construção Morgan Ashurst (atualmente Morgan Sindall)
para finalizar os detalhes construtivos.
Requisitos de projeto e desenvolvimento do plano
Os edifícios dos armazéns originais foram construídos na década
de 1960, sendo que uma das principais preocupações do cliente
eram os gastos com energia, sempre crescentes, e o peso
adicional que o novo armazém teria no custo da operação do
local.
O novo empreendimento tinha de se integrar bem às
instalações existentes, e uma posição adequada foi identificada
em uma área vaga na parte de trás do local, com ligações dos
dois lados a armazéns existentes. A metragem disponível para a
área do edifício, combinada aos requisitos de volume de
armazenagem, resultaria em um armazém de pé direito alto, com
18 m livres até a parte inferior da estrutura da cobertura (Fig. 1).
A Wine Society é um cliente muito consciente do ponto de
vista ambiental e foi muito receptiva, ao longo da elaboração do
projeto, a maneiras inovadoras e, em alguns casos, não
comprovadas, de minimizar a pegada de carbono de seu novo
1 Planta do edifício do armazém
edifício e reduzir seus gastos com energia. Esse passou a ser o fio
condutor da elaboração do projeto.
Logo no início do projeto, a equipe identificou o Hemcrete®
como possível produto a ser usado como principal material de
isolação, com base em informações 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 construção, com o
objetivo de regular as temperaturas internas do edifício.
Embora esse produto de cânhamo e aglutinante à base de cal
não fosse amplamente utilizado no Reino Unido na época, trata-se
de um material sustentável e consagrado, que possibilita paredes
com característica carbono-negativa, de alta eficiência térmica e
propriedades térmicas passivas e dinâmicas. Foi identificado como
possuidor de uma série de propriedades específicas vantajosas
para este empreendimento em particular.
A primeira era que poderia ser pulverizado na posição
desejada, de maneira similar ao concreto projetado, além de
melhorar as características de permeabilidade ao ar do edifício. O
segundo fator foi sua capacidade de absorver energia quando a
temperatura muda; à medida que a temperatura externa aumenta,
o Hemcrete® vai realmente secando, sendo que a energia é
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 fabricação. Isso
ajuda a reduzir a pegada de carbono do edifício como um todo.
Apesar de não influir no desempenho futuro do edifício em termos
energéticos, isso foi visto pela Wine Society como uma vantagem
adicional em termos de incrementar as credenciais ‘verdes’ do
empreendimento.
Opções
construtivas
Carga máxima Carga máxima
de aquecimento de refrigeração
(kW)
(kW)
1. Edifício
revestido de
painéis compostos;
paredes e
87,8
205,4
cobertura
(Permeabilidade
5,0)
2. Paredes e
cobertura
revestidos de
painéis compostos,
com Hemcrete®
77,0
198,6
incluído na
construção das
paredes
(Permeabilidade
4,0)
3. Paredes
revestidas de
painéis compostos,
com Hemcrete®
incluído na
construção das
68,1
185,0
paredes e da
cobertura;
cobertura com
perfis de aço
simples
(Permeabilidade
3,0)
Tabela 1 Resultados do modelo térmico
Consumo anual de
energia
Gás
(kWh)
Elétrica
(kWh)
384.948
358.961
337.597
347.077
298.576
323.309
Desenvolvimento do modelo térmico
Um desafio para os engenheiros foi incorporar o Hemcrete® a um
modelo térmico.
Embora seu efeito dinâmico seja reconhecido, não havia
dados comprováveis disponíveis para modelar esse efeito com
precisão. O produto só poderia ser modelado usando-se um valor
de U típico com alta estanqueidade ao ar (estimada) e
características dinâmicas.
Para fazer a melhor avaliação, o modelo térmico foi executado
usando-se as seguintes opções de revestimento:
- Opção 1. Revestimento com painéis compostos tanto nas
paredes como na cobertura, sem Hemcrete®.
- Opção 2. Revestimento com painéis compostos tanto nas
paredes como na cobertura, com Hemcrete® incluído na
construção das paredes na espessura de 300 mm.
- Opção 3. Revestimento com painéis compostos nas paredes,
com Hemcrete® incluído na construção das paredes e da
cobertura na espessura de 300 mm; cobertura com perfis de aço
simples.
A decisão de usar a espessura de 300 mm foi tomada a partir
de discussões com a Lime Technology Ltd, pois se trata da
espessura necessária para simular o efeito de isolação dos
valores de U da Parte L das normas atuais.
A construção com painéis compostos foi selecionada em vez
de um método mais tradicional simplesmente devido à altura do
edifício; porém, a melhora dos valores de U e da permeabilidade
ao ar foi essencial no desenvolvimento desse plano.
Para a Opção 1 de construção, tomou-se como
permeabilidade ao ar do edifício o valor de 5,0 m3/h/m2, já que
esse dado constava entre os dados publicados por outros
fabricantes de painéis como tendo sido utilizado em
empreendimentos semelhantes executados. Para as Opções 2 e
3, podia-se esperar uma melhora nos elementos que incluíam o
Hemcrete® devido à maior estanqueidade ao ar, sendo que, na
falta de dados técnicos publicados, foram estimados os valores de
4,0 m3/h/m2 para a Opção 2 e 3,0 m3/h/m2 para a Opção 3.
Entre os outros parâmetros de projeto usados no modelo
térmico estavam a temperatura máxima do espaço interno de
15°C e a temperatura mínima do espaço interno de 13°C, de
acordo com os requisitos de projeto fornecidos pelo cliente.
Assumiu-se a iluminação a 50%, 8 horas por dia, e usou-se um
Coeficiente de Desempenho de Refrigeração de 3,6. A Tabela 1
exibe os resultados do modelo térmico com base nesses números.
As cargas máximas de aquecimento e refrigeração
determinaram o tamanho das instalações necessário para manter
as temperaturas com base na operação 24 h por dia, 365 dias por
ano. As estações de aquecimento / refrigeração basearam-se em
análise psicométrica, concluindo-se que seria necessário
aquecimento durante 71,5% do ano e refrigeração durante 28,5%
do ano.
Com base no tempo de operação de 24 horas X 365 dias =
8.760 horas e em um fator climático típico de 0,7, os valores de
consumo anual de energia para cada opção constantes na tabela
foram determinados da seguinte maneira, tomando a Opção 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 operação com
aquecimento a gás e a eletricidade.
Como esperado, o modelo térmico indicou que a Opção 3
proporcionaria a maior economia de energia, mas era necessário
levar em conta os custos estruturais adicionais de suportar o
Hemcrete®, material muito mais pesado, na cobertura. Isso é
discutido mais detalhadamente na próxima seção, sobre o projeto
estrutural.
Em consequência, a Opção 2 foi selecionada, com o modelo
térmico projetando custos anuais de operação, no pior caso, de:
Eletricidade a 7,3 p/kWh
= £ 25.336
Gás a 2,7 p/kWh
= £ 9.115
(Valor por kWh pago pela Wine Society na época.)
Embora não pudéssemos quantificar ou modelar o efeito das
propriedades dinâmicas, a experiência de uso na Cervejaria
Adnams demonstrou que haveria um impacto favorável,
resultando em números melhores do que os identificados no
modelo térmico. Mesmo sem o efeito dinâmico dos painéis
‘verdes’, os números térmicos projetados ainda representavam
uma economia substancial de gastos com energia. A Wine Society
escolheu a Opção 2 do plano.
Desenvolvimento do projeto estrutural
A posição do edifício no local exigia um armazém de pé direito alto
com estrutura de aço.
Os edifícios originais do local tinham estrutura de aço com
fundações em estacas e haviam sido projetados para receber, ao
lado, uma ampliação com portal de vão duplo de tamanho
semelhante, mas não o armazém de vão largo e pé direito alto
proposto. Verificações de projeto a respeito das fundações
existentes, que se estendiam sob a área do novo edifício,
confirmaram que, embora elas tivessem certa capacidade
adicional, esta era insuficiente para suportar as cargas do novo
edifício.
Investigações geotécnicas na área do novo armazém
indicaram melhores condições do solo nessa área do local, as
quais permitiriam o uso de fundações do tipo sapata e uma laje de
apoio sobre enchimento granulado de engenharia.
Com relação às fundações, a posição do edifício e as
fundações existentes, que se estendiam sob as extremidades da
área do novo edifício, indicaram que não se poderiam usar
fundações rasas ao lado dos edifícios existentes, e que as
fundações precisariam ser estaqueadas nessas áreas. O custo de
mobilizar um equipamento de estaqueamento para as fundações
adjacentes aos edifícios existentes resultou na decisão de fazer
um estaqueamento completo.
A altura do edifício, de 18 m até a parte inferior da cobertura, e
o sistema de plataformas de pé direito alto exigiram uma laje de
piso construída de acordo com a especificação TR34 para uma
classificação de piso FM2 (Especial), com designação Superplana
para as áreas de movimento definidas entre as plataformas. A
MLM trabalhou em estreita colaboração com a TwinTec Flooring
nos requisitos finais do projeto.
O projeto da superestrutura foi desenvolvido juntamente com a
modelagem térmica e levando em conta a necessidade de
acomodar o Hemcrete® à solução estrutural final.
No início do desenvolvimento do projeto, uma série de planos
estruturais foi elaborada para avaliar com precisão os custos de
construção das três soluções construtivas analisadas no processo
de modelagem térmica, de modo a permitir uma estimativa
completa dos custos totais.
mm de espessura usando os painéis de cânhamo e cal com 18 m
de altura exigia uma solução estrutural inovadora. A equipe
2 Pulverização de Hemcrete® local em painéis pré-fabricados,
feita remotamente
3 Painéis pré-fabricados instalados na estrutura de aço
4 Interior do armazém de pé direito alto exibindo a parede de
painéis translúcidos Kalwall
O fator crucial no início do projeto da estrutura de aço foi a
necessidade de levar em conta o impacto estrutural de suportar o
Hemcrete® na cobertura. O cliente queria máxima flexibilidade
para futuras mudanças no uso do edifício, e os projetos iniciais
basearam-se em uma estrutura da cobertura com vão livre de 45
metros.
Suportar na cobertura painéis de 300 mm de espessura feitos
de cânhamo e cal, material cuja densidade de 275 kg/m3 quando
seco resultava em cargas permanentes de isolação
consideravelmente mais altas do que as de um painel composto
normal, tinha implicações óbvias em uma estrutura de cobertura
em vão livre.
O modelo térmico previa uma vantagem térmica adicional de
usar o Hemcrete® na cobertura, mas concluiu-se que os custos da
solução estrutural mais robusta superariam a economia adicional
de energia. Assim, o Hemcrete® foi usado somente na construção
das paredes, dentro de uma estrutura de aço escorada com
armações afuniladas em treliça de 3,2 m de profundidade e
centros de 7,2 m sobre os 45 m de largura do edifício, além de
uma treliça triangular pré-arqueada ‘envidraçada’, apoiada em
uma torre de treliça na extremidade norte do edifício, conforme
exibido no diagrama do modelo em 3D (Fig. 1).
Não tendo sido usada anteriormente em uma situação de
armazém de pé direito alto, a construção de uma parede de 300
de projeto trabalhou em estreita colaboração com a Lime
Technology Ltd, que apontou uma solução que havia sido usada
anteriormente apenas em edifícios de menor escala por meio da
pulverização no local ou na forma de blocos não estruturais préfabricados. Pulverizar o Hemcrete® a uma altura de 18 metros
envolvia problemas práticos no processo de pulverização, além da
questão da contenção das sobras e do risco de afetar instalações
e edifícios adjacentes. Ademais, havia a questão de suportar o
peso substancial do Hemcrete® úmido, que desmoronaria e não
suportaria seu próprio peso mesmo em estado seco a uma altura
de 18 m. Isso significava que o edifício também era alto demais
para usar o material na forma de blocos sem uma estrutura
adicional de suporte secundário.
Em resposta a isso, foi criada uma solução pré-fabricada que
utilizaria caixotes de 3,6 m por 2,4 m montados com travessas de
madeira do tipo TJI para a armação e pranchas respiráveis de
Sasmox. Isso permitiu que os painéis fossem pré-fabricados
remotamente e preenchidos com Hemcrete® pulverizado em um
ambiente de fábrica, com rigoroso controle de qualidade (Fig. 2).
Contudo, esse processo prejudicaria a estanqueidade ao ar do
edifício, uma das vantagens da pulverização no local.
Os painéis de 300 mm de espessura feitos com Hemcrete®
pulverizado na fábrica foram então enviados ao local e inseridos
em uma estrutura de aço (Fig. 3), com aços de suporte horizontal
adicionais a 2,5 m verticalmente. Para restaurar a estanqueidade
ao ar perdida por não se pulverizar no local, os caixotes
receberam então vedação entre as unidades individuais e também
entre as unidades e a estrutura de aço, usando-se uma
combinação de Hemcrete® aplicado com desempenadeira e
vedantes de polissulfeto.
Devido ao peso dos painéis e ao fato de terem de ser içados
até sua posição após a estrutura principal da cobertura e as
armações terem sido concluídas, decidiu-se que não seria prático
nem seguro usar guindaste. Assim, foram colocadas vigas de
suspensão na altura dos beirais como parte da estrutura para fixar
mecanismos de elevação para içar e instalar os painéis a partir do
interior do edifício, e correias de ponto central de elevação foram
inseridas nos painéis, como se pode ver na Fig. 2.
Um fator crucial para o desempenho dinâmico do Hemcrete®
é que a parede tinha de ‘respirar’. Para isso, o detalhe final da
construção das paredes foi uma camada externa de painéis
compostos exclusivos, combinada a uma camada interna de
caixotes de Hemcrete® de 300 mm de espessura com uma
cavidade para permitir a respiração do Hemcrete®, mantendo, ao
mesmo tempo, a estanqueidade ao ar do edifício.
Outro aspecto relacionado à economia de energia é o alto
grau de iluminação natural possibilitado pelo uso do sistema de
painéis translúcidos Kalwall na ‘lucerna’ da estrutura da cobertura
e no canto nordeste da parede (Fig. 4).
O Kalwall oferece níveis mais altos de isolação térmica do que
o envidraçamento convencional. A orientação do edifício impede o
ganho de calor solar, mas permite a penetração da luz natural no
interior do armazém, minimizando, assim, os gastos com
5 Exterior do armazém
iluminação sem introduzir ganho solar nem comprometer os
efeitos do Hemcrete® na construção das paredes.
O componente principal do sistema Kalwall é um painel
estrutural translúcido do tipo sanduíche que é formado colando-se
folhas de fibra de vidro aos dois lados de uma moldura de
alumínio termicamente isolada. Os painéis proporcionam níveis de
isolação térmica mais altos do que o envidraçamento comum e
são pré-fabricados com tolerâncias rígidas para se adaptar ao
tamanho e à configuração de cada projeto individual. Isso gerou
um desafio estrutural interessante, já que a tolerância rígida do
sistema Kalwall é incompatível com as tolerâncias normais da
construção da estrutura de aço sobre o vão de 45 m e com os
limites normais aceitáveis de deflexão. No projeto final, isso foi
resolvido por meio do pré-arqueamento da treliça triangular
principal e da instalação do sistema Kalwall em uma subestrutura
adicional afixada à treliça principal após a ocorrência da deflexão
causada pela carga permanente.
Resultados da monitoração anual
Concluído em meados de 2008, o armazém (Fig. 5) foi monitorado
atentamente para avaliar os gastos efetivos com energia e
compará-los às projeções do modelo térmico. Desde o princípio do
processo de monitoramento, ficou bastante claro que o edifício
estava demonstrando uma estabilidade térmica notável, com muito
pouco uso das instalações mecânicas e elétricas, apesar das
significativas variações diárias da temperatura externa e de longos
períodos de temperaturas abaixo de zero durante o inverno de
2009/10.
A Tabela 2 exibe os números efetivos de fim de ano
registrados com relação ao uso de energia em comparação com
os números projetados a partir do modelo térmico, além das
economias em termos de kWh/ano e de CO2/ano.
Esses números são cerca de 65% melhores do que o
esperado de acordo com o modelo térmico, proporcionando uma
redução significativa do custo de operação anual:
Eletricidade a 7,3 p/kWh
Gás a 2,7 p/kWh
= £ 13.854
= £ 1.420
Tomando as duas economias de CO2, que totalizam 90,5 t de
CO2/ano, a redução total de carbono ao longo da vida útil de 40
anos projetada para o edifício é da ordem de 3.618 t de CO2.
Foram usados 730 m3 do produto de cânhamo e cal, o que,
considerando-se o valor de carbono incorporado de 130 kg de
CO2/m3, equivale a uma contribuição adicional de 94,9 t de CO2.
Os armazéns existentes no local foram construídos de acordo
com padrões muito diversos e têm diferentes níveis de isolação e
equipamentos de idades variadas. No entanto, é útil fazer uma
comparação entre os armazéns novos e antigos, confrontando os
consumos de energia em termos de kWh por m3 de espaço
interno. Esses cálculos indicam que o novo armazém está
operando com eficiência aproximadamente 70% superior à dos
armazéns existentes.
Conclusão
Este projeto mostrou como, através da combinação entre o
processo arrojado de pensamento lateral da equipe de projeto e
um cliente ambientalmente consciente, técnicas e materiais de
construção ‘verdes’ e inovadores, geralmente não associados à
construção de um armazém de pé direito alto com estrutura de
aço, podem ser integrados a esse tipo de edifício, gerando
enormes reduções nos gastos com energia sem alterar
radicalmente a eficiência da solução estrutural.
No estágio inicial do projeto, a equipe de projeto sabia que as
propriedades dinâmicas do produto Hemcrete® resultariam em
vantagens adicionais com relação ao consumo de energia, mas
não era capaz de quantificar isso. Entretanto, após um ano de
uso, os resultados energéticos anuais obtidos no edifício fizeram
jus à confiança que o cliente depositou na solução inovadora
proposta pela equipe de projeto para minimizar a pegada de
carbono do novo edifício e reduzir os gastos futuros com energia.
O projeto para a Wine Society mostrou as vantagens
significativas que se podem obter com a integração de tecnologias
‘verdes’ relativamente simples e diretas a instalações de
armazenagem nas quais temperaturas internas estáveis são
essenciais para manter os produtos armazenados em condições
ideais. Mostrou também como o uso dessas tecnologias resulta
em gastos com energia substancialmente mais baixos, os quais
serão mantidos no futuro sem quaisquer intervenções adicionais,
gerando benefícios 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 construção: MLM Consulting Engineers
Gestão do projeto: Millbridge
Empreiteira de Projeto e Construção: Morgan Ashurst (atualmente
Morgan Sindall)
Outros: Lime Technology Ltd
Crédito das fotografias: MLM e Vincent & Gorbing