Os materiais mais utilizados no fabrico de painéis sandwich destinados à construção habitacional são o betão estrutural, as armaduras e por vezes cabos de pré-esforço, e os materiais exclusivos para painéis sandwich como os vários tipos de isolamento e conectores que ligam os panos de betão (PCI, 2011).
2.2.1 Panos de betão
Usualmente, os panos de betão são constituídos por betão armado e por vezes contam com a aplicação de pré-esforço.
De modo a aumentar a durabilidade dos painéis, atualmente é possível substituir totalmente ou parcialmente a armadura ordinária por fibras de aço. Deste modo, é possível obter panos de betão com espessura mais reduzida, pois o recobrimento das armaduras deixa de ser uma limitação. Este material tem ainda maior ductilidade quando comparado com o betão simples, devido à adição de fibras que garantem um melhor comportamento após fendilhação.
O betão reforçado com fibras de aço combinado com betão autocompactável apresenta vantagens económicas que resultam da dispensa de dobragem e colocação de armaduras e da vibração e nivelamento do betão.
O betão autocompactável (BAC) pode ser definido como um betão capaz de fluir quando colocado num molde, escoando de uma forma natural por entre as armaduras, envolvendo-as e preenchendo o respetivo molde, apenas sob o efeito do seu peso próprio, dispensando o processo de vibração (Pereira et al., 2004).
No betão autocompactável reforçado com fibras de aço, estas são introduzidas durante a fase de produção do betão. Nesta fase, a distribuição das fibras deve ser bem executada, de modo evitar a sua aglomeração.
Barros et al. (2005) comprovou que o betão autocompactável reforçado com fibras de aço (BACRFA) tem um custo competitivo quando utilizado no fabrico de painéis de fachada para edifícios e que o BACRFA pode ser considerado como um betão de elevada resistência. A resistência à compressão satisfaz as exigências da indústria da pré-fabricação, com valores de resistência bastante elevados nas primeiras horas de vida e em idades mais avançadas. A resistência à flexão também é bastante notável. Este material tem capacidade de continuar a resistir a esforços depois da fendilhação, tendo elevada capacidade de redistribuição de esforços. Essa capacidade é mais elevada quanto maior for a percentagem de fibras. Estas propriedades manifestam-se num aumento da segurança, dado contribuírem para que não ocorram modos de rotura frágeis.
2.2.2 Camada de isolamento (núcleo)
Dependendo da aplicação a que se destina o painel sandwich, são utilizados diferentes materiais no núcleo. No caso de painéis de parede sandwich são usados núcleos homogéneos, sendo as espumas, as lãs, e diferentes tipos de poliestireno os materiais mais utilizados.
Conforme o local da execução da obra e da temperatura pretendida no interior da edificação é escolhido o material e a espessura da camada de isolamento, que dependem das suas propriedades térmicas. O material de isolamento tem de possuir uma baixa capacidade de absorção de água aquando da betonagem dos panos de betão.
Dos tipos de materiais mais utilizados nos painéis sandwich são a espuma de poliestireno expandido (EPS) e a espuma de poliestireno extrudido (XPS). Sendo que a diferença fundamental entre os dois materiais está no modo de fabrico, resultando em diferentes densidades do material.
O poliestireno expandido (EPS) foi inventado nos meados do século XX e é atualmente utilizado em muitas áreas. Este material pode ser moldado em diferentes formas (blocos,
esperas, etc.) e tem a vantagem de possuir a propriedade que mais se procura atualmente nos materiais. O EPS pode ser reciclado sendo transformado em cristais ou reciclado para usos variados. O uso do EPS com menor densidade como material do núcleo garante o isolamento térmico necessário e oferece benefícios consideráveis em termos económicos (Representações Esferovite, s.a.).
A camada de isolamento reduz o peso próprio e melhora a eficiência térmica do painel. Devido à colocação de uma camada intermédia, o tempo de execução do painel também é reduzido abatendo assim os custos de produção (PCI, 2011). A camada intermédia faz a separação entre as duas camadas de betão e contribui para o isolamento térmico do painel.
Em termos de comportamento estrutural Bush e Stine (1994) concluíram que a camada de isolamento promove a interação entre os panos de betão e que a contribuição dada pelo isolamento na resistência ao corte depende do tipo de material, do processo de fabrico e da colocação do painel. No entanto, a capacidade de alguns isolamentos transmitirem esforço de corte é usualmente ignorada pelos projetistas, assumindo que a componente estrutural do núcleo é deteriorada durante o transporte e manuseamento do painel ou ao longo do seu ciclo de vida.
2.2.3 Elemento de ligação - conector
O conector é um elemento que atravessa o núcleo de isolamento de modo a fazer a ligação entre os dois panos de betão, garantindo o correto funcionamento do painel (Salmon et al., 1997).
Os conectores podem ser executados com vários materiais e possuírem diferentes formas, como: C-ties, Z-ties, M-ties, buchas de metal, ganchos, grelhas metálicas, treliças metálicas, pregos de plástico ou pinos e também malhas de fibra de carbono (Figura 2.7).
Estes devem resistir aos esforços que resultam das várias solicitações de carga impostas ao painel ao longo de todas as fases. Após a betonagem, que geralmente se faz na horizontal, o conector deve ser capaz de resistir às forças de tração causadas pelo peso do pano inferior, quando se levanta o painel. Deve resistir também a forças fora do plano resultantes da ação do vento e da ação sísmica (PCI, 2011).
Existem dois tipos diferentes de conectores, os que transferem esforços de corte e os que não transferem esforço de corte (PCI, 2011). Os conectores que não transmitem corte normalmente são utilizados para resistir a forças de tração, garantindo que os dois panos não se separam quando estão sujeitos a cargas transversais. Estes podem ter diversas formas, incluindo conectores metálicos, pinos de fibras e conectores de arame soldado Estes conectores são geralmente usados com elevados espaçamentos entre si (Salmon et al., 1997).
Os conectores de corte podem ainda ser classificados como conectores de corte unidirecionais (rígidos numa direção e flexíveis na outra), representados na Figura 2.8, e conectores de corte bidirecionais (resistentes em ambas as direções), representados na Figura 2.9, variando estes dois tipos entre conectores contínuos e concentrados (PCI, 2011). O arranjo e espaçamento dos conectores de corte dependem de vários fatores, tais como, do grau de interação pretendido, da carga aplicada, da extensão do painel e do tipo de conectores utilizados, não existindo regras específicas para organizar os conectores ao longo do painel (Benayoune et al., 2008).
Figura 2.9: Conectores com comportamento bidirecional (PCI, 2011)
Na década de 1960 os painéis começaram a ser produzidos como duplos T ligados por zonas sólidas de betão e posteriormente evoluiu-se para painéis de paredes planos mas também ligados por zonas sólidas de betão. Como nestas zonas sólidas se verificava uma grande perda energética da edificação, foram criadas as treliças metálicas para diminuir as perdas térmicas e manter o desempenho estrutural do painel. Mesmo assim, a eficácia térmica foi prejudicada pela boa condutividade térmica do metal e assim em 1980 recorreu-se a conectores não metálicos que melhoravam a eficiência térmica mas prejudicavam o grau de interação do painel, produzindo-se painéis sem interação ou com interação parcial (ver item 2.3). Em 2003, usaram-se fibras de carbono para fazer a ligação entre os panos do painel conseguindo-se assim uma interação total e uma boa eficiência térmica (Gleich, 2007). Salmon et al. (1997) utilizaram conectores de treliça em polímero reforçado com fibra (FRP) ao longo do comprimento do painel em estudo. A utilização de FRP corrige os problemas de condutividade térmica dos conectores metálicos e garante um bom funcionamento estrutural. Pantelides et al. (2009) estudaram a utilização de um conector híbrido constituído por aço com fibras de vidro.