SIMULAÇÃO NUMÉRICA DA HUMIDADE ASCENSIONAL EM EDIFÍCIOS HISTÓRICOS

S

IMULAÇÃO

N

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H

UMIDADE

A

SCENSIONAL EM

E

DIFÍCIOS

H

ISTÓRICOS

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J

A

M

Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL —ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÕES

Orientador: Professor Doutor Vasco Manuel Araújo Peixoto de Freitas

Co-Orientador: Professor Doutor João Manuel do Paço Quesado Delgado

Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446

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Editado por

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias

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Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2010/2011 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2011.

As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.

Este documento foi produzido a partir de versão electrónica fornecida pelo respectivo Autor.

AGRADECIMENTOS

Ao finalizar este trabalho quero expressar o meu sincero agradecimento a todos os que ao longo do tempo e a diferentes níveis contribuíram para a sua realização, não podendo deixar de salientar algumas pessoas que tiveram um papel fundamental na sua realização:

Aos meus Pais expresso o meu mais sincero agradecimento por estarem sempre ao meu lado e me apoiarem incondicionalmente em todo o meu percurso de vida.

Ao Professor Vasco Peixoto de Freitas agradeço o interesse e disponibilidade sempre manifestadas na orientação deste trabalho.

Ao Professor João Delgado agradeço o interesse e disponibilidade demonstradas e o apoio na utilização do programa de cálculo automático utilizado no âmbito deste trabalho.

Agradeço a todos os meus amigos e à família o seu interesse e preocupação com o desenvolvimento deste trabalho.

RESUMO

A presença de humidade, em particular a humidade ascensional, constitui uma das principais causas de degradação das construções históricas. Este tipo de manifestação de humidade verifica-se quando os materiais constituintes das paredes apresentam elevada capilaridade e estas encontram-se em contacto com água ou com solo húmido.

Neste trabalho analisaram-se as diferentes técnicas de tratamento existentes com o objectivo de tratar este problema, em particular a técnica de tratamento designada por “ventilação da base das paredes”. Com o auxílio de um programa de cálculo automático, o WUFI 2D 3.3, desenvolvido pelo “Fraunhofer Institut für Bauphysik”, efectuou-se um estudo de sensibilidade com o objectivo de determinar qual a influência de algumas variáveis na ascensão capilar de diferentes paredes monolíticas, nomeadamente a importância da porosidade, do clima, da espessura de parede, e da introdução de um canal de ventilação na base da parede.

O objectivo central deste trabalho foi analisar a influência que a introdução de um canal de ventilação na base da parede possui na ascensão capilar, através da avaliação da sua geometria, posicionamento e caudal de ventilação.

PALAVRAS-CHAVE:Humidade Ascensional, Ventilação da Base das Paredes, Simulação Numérica, Edifícios Históricos.

ABSTRACT

Humidity, particularly rising damp, is one of the main causes of degradation of historical constructions. This type of humidity manifestation appears when the constituent materials of the walls exhibit high capillarity and these walls are in contact with water or wet soil.

In this work different treatment techniques were analyzed, particularly the technique treatment named “wall base ventilation”.

With the help of an automatic calculation program, WUFI 2D 3.3, developed by “Fraunhofer Institut für Bauphysik”, a sensibility study was done with the main goal to determinate the influence of some variables in the capillarity rise of different monolithic walls, namely the importance of porosity, climate, wall thickness, and introduction of a ventilation channel at the base of the wall.

The main objective of this work was analyzed the influence in the capillarity rise of a ventilation channel at the base of the wall, by the evaluation of geometry, positioning and ventilation rate.

ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS ... i RESUMO ... iii ABSTRACT ... v

1. INTRODUÇÃO

1.2.INTERESSE E OBJECTIVOS DO TRABALHO ... 2

1.3.ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURAÇÃO DO TEXTO ... 2

2. HUMIDADE ASCENSIONAL

2.1.INTRODUÇÃO ... 5

2.2.TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO ... 7

2.2.1.INTRODUÇÃO ... 7

2.2.2.REDUÇÃO DA SECÇÃO ABSORVENTE ... 7

2.2.3. INTRODUÇÃO DE TUBOS DE AREJAMENTO ... 8

2.2.4. ELECTRO-OSMOSE ... 9

2.2.5. CORTE HÍDRICO ... 10

2.2.5.1. Introdução de barreiras químicas ... 10

2.2.5.2. Introdução de barreiras físicas ... 12

2.2.6. OCULTAÇÃO DAS ANOMALIAS ... 13

2.2.6.1. Aplicação de revestimento ... 13

2.2.6.2. Aplicação de forra interior separada por espaço de ar ... 14

2.2.7. VENTILAÇÃO DA BASE DAS PAREDES ... 15

2.2.8. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS DIFERENTES SOLUÇÕES ... 16

2.3.FICHAS RELATIVAS ÀS TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO ... 17

3. PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO WUFI 2D 3.3

3.1.INTRODUÇÃO ... 27

3.2.PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO ... 30

3.3.FUNCIONAMENTO DO PROGRAMA ... 31

3.3.2.INFORMAÇÃO DO PROJECTO ... 32

3.3.3.GEOMETRIA ... 33

3.3.4.GRELHA ... 33

3.3.5.MATERIAIS ... 34

3.3.6.CONDIÇÕES INICIAIS ... 37

3.3.7.CONDIÇÕES DE FRONTEIRA NA INTERFACE ... 38

3.3.8.FONTES ... 42

3.3.9.PARÂMETROS COMPUTACIONAIS ... 44

3.3.10.CÁLCULO ... 45

3.3.11.SAÍDA DE DADOS ... 45

4. HUMIDADE ASCENSIONAL NUMA PAREDE

MONOLÍTICA – ESTUDOS DE SENSIBILIDADE

4.1.INTRODUÇÃO ... 47

4.2.ELEMENTOS NECESSÁRIOS PARA A EXECUÇÃO DE UMA SIMULAÇÃO ... 48

4.3.CONFIGURAÇÕES DAS SIMULAÇÕES EFECTUADAS ... 49

4.4.SIMULAÇÃO NUMÉRICA DA HUMIDADE ASCENSIONAL –PARÂMETROS AVALIADOS ... 54

4.4.1.INFLUÊNCIA DA ESPESSURA DA PAREDE ... 54

4.4.2.INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES CLIMÁTICAS ... 56

4.4.3.INFLUÊNCIA DAS PROPRIEDADES DO MATERIAL ... 60

4.4.4.INFLUÊNCIA DA GEOMETRIA DO CANAL DE VENTILAÇÃO ... 65

4.4.4.1.INFLUÊNCIA NA HUMIDADE ASCENSIONAL ... 66

4.4.4.2.INFLUÊNCIA NO PROCESSO DE SECAGEM ... 68

4.4.5.INFLUÊNCIA DA POSIÇÃO DO CANAL DE VENTILAÇÃO ... 70

4.4.6.INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE/CAUDAL DE VENTILAÇÃO ... 72

4.4.7.ESTUDO DE CRISTALIZAÇÃO DE SAIS ... 73

5. CONCLUSÕES

5.1.CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 77

5.2.DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ... 78

BIBLIOGRAFIA

Anexo I

ÍNDICE DE FIGURAS

Fig.2.1 – Águas freáticas e superficiais ... 5

Fig.2.2 – Influência da colocação de material impermeável [3] ... 6

Fig.2.3 – Princípio de funcionamento da técnica de redução da secção absorvente ... 7

Fig.2.4 – Introdução de tubos de Knappen ... 8

Fig.2.5 – Princípio de funcionamento e exemplo de aplicação do Schrijver System (catálogo comercial) ... 8

Fig.2.6 – Esquema de furação [8] ... 10

Fig.2.7 – Injecção (esquerda) e difusão (direita) ... 10

Fig.2.8 – Substituição parcial de alvenarias ... 12

Fig.2.9 – Método de Massari ... 13

Fig.2.10 – Método de Schöner Turn ... 13

Fig.2.11 – Classificação de revestimentos aplicáveis em substratos contendo sais (COMPASS): Secções representativas do revestimento aplicado no substrato (direita) [15] ... 14

Fig.2.12 – Execução de forra interior ... 15

Fig.2.13 – Ventilação da base das paredes ... 15

Fig.3.1 – Ecrã principal (WUFI 2D 3.3) ... 31

Fig.3.2 – Barra de menus ... 31

Fig.3.3 – Caixa de diálogo "Informação de projecto" ... 32

Fig.3.4 – Caixa de diálogo "Geometria" ... 33

Fig.3.5 – Caixa de diálogo "Grid" ... 33

Fig.3.6 – Caixa de diálogo "Materials" ... 34

Fig.3.7 – Selecção de materiais ... 36

Fig.3.8 – Atribuição de materiais ... 37

Fig.3.9 – Condições iniciais ... 37

Fig.3.10 – Condições de fronteira na interface ... 38

Fig.3.11 – Criação, edição e atribuição de condições de fronteira ... 38

Fig.3.12 – Criação de nova condição de fronteira ... 39

Fig.3.13 – Secção “Surface Coefficients” ... 39

Fig.3.14 – Secção " Climate" ... 40

Fig.3.15 – Definição de clima ... 40

Fig.3.17 – Definição de clima através da criação de sinusóide ... 41

Fig.3.18 – Modelo físico em estudo ... 42

Fig.3.19 – Modelo numérico em estudo ... 43

Fig.3.20 – Definição das propriedades da fonte de renovação de ar ... 43

Fig.3.21 – Secção “Simple” da caixa de diálogo parâmetros computacionais ... 44

Fig.3.22 – Secção “Enhanced” da caixa de diálogo parâmetros computacionais ... 44

Fig.3.23 – Caixa de diálogo "Processing" antes de se iniciar a simulação ... 45

Fig.3.24 – Caixa de diálogo "Processing" no decorrer de uma simulação ... 45

Fig.3.25 – Temperatura, humidade relativa e teor de humidade na secção transversal da parede ... 46

Fig.3.26 – Teor de humidade num ponto específico do elemento em estudo ao longo do tempo de simulação ... 46

Fig.4.1 – Combinações de simulações em estudo ... 53

Fig.4.2 – Teor de humidade na secção transversal da parede ao fim de 1 ano de simulação ... 54

Fig.4.3 – Altura da frente húmida para as espessuras em estudo ... 55

Fig.4.4 – Valores observados (simulação numérica) e curva de ajuste ... 56

Fig.4.5 – Teor de humidade na secção transversal da parede ao fim de 1 ano de simulação ... 57

Fig.4.6 – Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ao longo do tempo de simulação no Porto ... 58

Fig.4.7 – Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ao longo do tempo de simulação em Munique ... 58

Fig.4.8 – Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ao longo do tempo de simulação em São Paulo ... 59

Fig.4.9 – Altura da frente húmida para os climas em estudo no final da simulação ... 60

Fig.4.10 – Teor de humidade na secção transversal da parede ao fim de 1 ano de simulação ... 61

Fig.4.11 – Monitor de recolha de dados ... 61

Fig.4.12 – Alturas da frente húmida para os diversos materiais em estudo ao fim de 1 ano de simulação ... 64

Fig.4.13 – Alturas da frente húmida para os granitos em estudo ao fim de 1 ano de simulação ... 65

Fig.4.14 – Teor de humidade na secção transversal da parede no fim da simulação ... 66

Fig.4.15 – Variação do teor de humidade total da parede ao longo do tempo de simulação ... 67

Fig.4.16 – Teor de humidade na secção transversal da parede ... 68

Fig.4.17 – Variação do teor de humidade total da parede ao longo do tempo de simulação ... 69

Fig.4.19 – Variação do teor de humidade total da parede ao longo do tempo de simulação ... 71

Fig.4.20 – Teor de humidade na secção transversal da parede no fim da simulação ... 72

Fig.4.21 – Posição do monitor para recolha dos dados de humidade relativa na superfície interior .... 73

Fig.4.22 – Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 2,0m ao longo do tempo de simulação para o clima do Porto ... 74

Fig.4.23 – Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 2,0m ao longo do tempo de simulação para o clima de Munique ... 74

Fig.I.1 – Clima da cidade do Porto ... ii

Fig.I.2 – Clima da cidade de São Paulo ... iii

Fig.I.3 – Clima da cidade de Munique ... iv

Fig.I.4 – Clima interior de igreja ... v

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela _{2.1 – Sistemas electro–osmóticos [2] ... 9}

Tabela 2.2 – Tipos e características dos produtos utilizados em barreiras químicas [7,8] ... 11

Tabela 2.3 – Principais tipos de produtos e respectiva forma de aplicação [2] ... 12

Tabela 2.4 – Análise comparativa das diferentes técnicas de tratamento ... 16

Tabela 3.1 – Propriedades de entrada e condições fronteira [19] ... 29

Tabela 3.2 – Propriedades dos materiais (dados de entrada) ... 34

Tabela 3.3 – Coeficiente de transporte líquido de sucção ... 36

Tabela 3.4 – Coeficiente de transporte líquido de redistribuição ... 36

Tabela 4.1 – Configurações geométricas analisadas ... 50

Tabela 4.2 – Propriedades higrotérmicas dos materiais analisados ... 51

Tabela 4.3 – Combinações de simulações e objectivos ... 52

Tabela 4.4 – Condições climáticas em estudo ... 56

Tabela 4.5 – Valores do teor de humidade e humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ... 62

Tabela 4.6 – Curva higroscópica da Pedra de Ançã e da Sander Sandstone ... 62

Tabela 4.7 – Curva higroscópica do Granito ... 63

Tabela 4.8 – Valores do coeficiente de absorção para os granitos em análise ... 64

Tabela 4.9 – Propriedades higrotérmicas da areia ... 65

Tabela 4.10 – Caudais de ventilação em estudo ... 66

Tabela 4.11 – Teor de humidade total da parede no final da simulação e eficácia do sistema ... 67

Tabela 4.12 – Teor de humidade total da parede no final da simulação e eficácia do sistema ... 69

Tabela 4.13 – Teor de humidade total da parede no final da simulação e eficácia posicional do sistema ... 71

Tabela 4.14 – Velocidades e caudais de ventilação em estudo ... 72

Tabela 4.15 – Humidade relativa de cristalização dos sais em estudo ... 73

S_ÍMBOLOS

λ – Condutibilidade térmica do material húmido (W/(m.K)) hv – Entalpia de evaporação da água (J/kg)

Dφ – Coeficiente de condução líquida (kg/(m.s))

δp – Permeabilidade ao vapor de água do material (kg/(m.s.Pa)) T – Temperatura (ºC)

w – Teor de humidade do material (kg/m3) φ – Humidade relativa (-)

psat – Pressão de saturação do vapor de água (Pa) ρ – Massa volúmica (kg/m3)

cp – Calor específico (J/(kg.K)) ε – Porosidade (m3/m3)

µ – Factor de resistência à difusão de vapor (-)

w80 – Teor de humidade para 80% de humidade relativa (kg/m3) wsat – Teor de humidade de saturação (kg/m

3 ) b – factor de aproximação (-)

Dws – Coeficiente de transporte líquido de sucção (m2/s) Dww – Coeficiente de transporte líquido de redistribuição (m

2 /s) A – Coeficiente de absorção de água (kg/(m2.√s))

S – Sorptividade (mm/√min)

sd – Espessura da camada de ar de difusão equivalente (m) h – Condutância térmica superficial (W/(m2.K))

1

INTRODUÇÃO

1.1.ENQUADRAMENTO

A presença de humidade é uma das principais causas das patologias observadas nos edifícios. Deste modo, é necessário compreender os fenómenos que envolvem a transferência de humidade nos materiais e elementos de construção, de forma a caracterizar o seu comportamento face à acção da água.

A acção da humidade nos edifícios provoca a deterioração dos materiais de construção, com consequências graves para a sua durabilidade e aspecto, podendo acarretar condições insalubres de habitabilidade para os residentes. Trata-se de um fenómeno complexo cuja explicação científica é difícil.

Verifica-se que muitos dos edifícios padecem de várias patologias sendo uma das principais causas a presença de humidade, em particular a humidade ascensional. Neste sentido, o desenvolvimento de estudos que permitam, do lado da prevenção, definir boas regras de execução, e do lado tratamento, diagnosticar tecnologias eficazes, assume particular importância.

Este trabalho enquadra-se no tema da reabilitação do património edificado. A reabilitação trata-se de um processo complexo, que exige formação interdisciplinar para que exista rigor no levantamento das patologias existentes e compreensão da história que cada monumento encerra em si mesmo, pois só assim é possível a escolha das soluções de tratamento adequadas a cada caso em estudo.

Nas publicações mais relevantes em Portugal no que concerne ao tema da humidade ascensional, incluem-se o trabalho de Vasco P. de Freitas [1], orientador deste trabalho, os trabalhos de M. I. M. Torres [3,4], o trabalho de F. M. A. Henriques [5], o trabalho de A. S. Guimarães [7] e a nota técnica Humidade Ascensional [8] publicada por Vasco P. de Freitas, M. I. M. Torres e A. S. Guimarães. Para estudar a técnica de tratamento da humidade ascensional em análise neste trabalho, designada por “ventilação da base das paredes”, é necessário compreender os fenómenos que intervêm neste tipo de manifestação de humidade e de que forma a implementação desta técnica de tratamento permite eliminar, ou pelo menos reduzir, os efeitos nocivos da humidade ascensional nos elementos construtivos.

Acerca desta tecnologia de tratamento existem os estudos realizados no Laboratório de Física das Construções – LFC [4] com o objectivo de validar o sistema, e o estudo da importância da geometria do canal de ventilação e a influência das condições higrotérmicas [7].

Actualmente sabe-se que esta é uma técnica com potencialidades e com resultados comprovados ao nível do laboratório e através de avaliação “in situ”.

1.2.INTERESSE E OBJECTIVOS DO TRABALHO

O tratamento da humidade ascensional designado por “ventilação da base das paredes” surge devido à necessidade do desenvolvimento de uma técnica inovadora, capaz de ultrapassar as limitações que as outras técnicas de tratamento apresentam e aumentar as capacidades de tratamento, em particular no tratamento de paredes de elevada espessura e com elevada heterogeneidade, como as que constituem os edifícios históricos.

Neste trabalho pretende-se efectuar um estudo de sensibilidade com o auxílio de um programa de cálculo automático, com o objectivo de determinar qual a influência de algumas variáveis na ascensão capilar de diferentes paredes monolíticas, nomeadamente:

• Coeficiente de absorção; • Clima exterior/interior; • Espessura de parede;

• Introdução de um canal de ventilação: • Geometria;

• Posição;

• Velocidade/caudal de ventilação.

Todas as conclusões retiradas das simulações numéricas realizadas no âmbito deste trabalho não se encontram validadas com base em trabalhos experimentais, que permitam uma análise crítica das eventuais semelhanças/diferenças entre os resultados.

1.3.ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURAÇÃO DO TEXTO

Este trabalho encontra-se subdividido em quatro partes:

• A primeira parte (Capítulo 2) possui um carácter predominantemente monográfico, onde se analisa o fenómeno da humidade ascensional, identificando as causas, as técnicas de tratamento utilizadas [3,5,7,8], bem como uma análise comparativa entre estas, apresentando-se no final do capítulo um catálogo, que inclui um conjunto de fichas, onde apresentando-se pretende sistematizar a informação apresentada acerca das tecnologias de tratamento.

• A segunda parte (Capítulo 3), apresenta o programa de cálculo utilizado no âmbito deste trabalho, incluindo a apresentação das principais equações envolvidas e uma descrição de todos os passos necessários para a execução de uma simulação.

• A terceira parte (Capítulo 4), correspondente à simulação numérica, inicia-se com a caracterização dos elementos construtivos em análise, configurações analisadas e indicação das propriedades dos materiais que foram utilizados nas simulações, apresentando-se de seguida os resultados obtidos nas diversas simulações. Após a apresentação dos resultados de cada estudo é efectuada uma análise a estes e apresentadas as principais conclusões.

• A quarta parte (Capítulo 5) analisa toda a informação recolhida, procurando evidenciar os avanços conseguidos no conhecimento. Apresenta uma análise crítica dos resultados obtidos e perspectiva os trabalhos futuros neste âmbito.

2

HUMIDADE ASCENSIONAL

2.1.INTRODUÇÃO

Os materiais de construção em contacto com água ou com solo húmido encontram-se sujeitos à ascensão capilar. Com efeito, grande parte dos materiais de construção apresenta capilaridade elevada fazendo com que a água possa migrar através destes. A altura de água atingida pela ascensão capilar depende da porometria dos materiais - quanto menor o diâmetro maior a altura atingida pela frente húmida -, das condições de evaporação, da quantidade de água em contacto com a parede, da espessura, da orientação da parede e da presença de sais.

A água disponível para ascensão capilar pode ter duas origens: águas freáticas e águas superficiais, apresentando sintomatologias e formas de reparação distintas [3].

A ascensão capilar proveniente das águas freáticas pode ocorrer quando os elementos construtivos encontram-se abaixo do nível freático, ou quando se encontrem acima do nível freático, desde que o solo sobre o qual se encontram os elementos construtivos possua elevada capilaridade, permitindo assim a ascensão de água.

A ascensão capilar resultante de águas superficiais pode ocorrer quando a pendente do terreno se encontre voltada para as paredes, originando a escorrência de água sobre esta.

Águas freáticas – Parede construída abaixo do

nível freático.

Águas freáticas – Parede construída acima do

nível freático.

Águas superficiais.

A ascensão capilar numa parede progride até ao nível em que se verifique o equilíbrio entre a água evaporada e a água absorvida do solo por capilaridade [3].

Devido a este facto, sempre que se impermeabiliza uma parede reduzindo-se as condições de evaporação, eleva-se o nível atingido pela humidade ascensional, até que seja atingido novo equilíbrio entre a quantidade de água absorvida e a quantidade de água evaporada.

Tal como já referido, outro fenómeno que intervém na altura de água atingida pela ascensão capilar, conduzindo ao aumento da altura de ascensão, é a presença de sais no terreno e nos materiais de construção.

No interior das paredes dos edifícios constata-se a existência de sais solúveis na água. A presença de sais nas paredes dos edifícios deve-se ao transporte de sais solúveis na água e à sua presença na composição de um grande número de materiais de construção. Estes sais, na presença de água, são conduzidos até à superfície das paredes, onde cristalizam sob a forma de efluorescências, quando se verifica uma cristalização à superfície, ou criptoefluorescências, quando a cristalização ocorre sob o revestimento.

Este fenómeno de transporte de sais vai provocar o humedecimento das superfícies por adsorção da humidade do ar e causar degradações resultantes do aumento de volume que irá acompanhar cada cristalização [3].

Relativamente à espessura da parede, pode afirmar-se que mantendo-se constantes as condições ambientais, quanto maior for a espessura da parede maior será também a altura atingida pela humidade ascensional, já que será também superior a quantidade de água absorvida.

2.2.TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO

2.2.1.INTRODUÇÃO

Actualmente existem diversas técnicas de tratamento da humidade ascensional, no entanto, nem todas são aplicáveis às mesmas situações. Torna-se assim necessário compreender, para cada técnica de tratamento, os fenómenos que intervêm na forma como cada solução permite solucionar, ou pelo menos reduzir, os problemas associados à humidade ascensional, e das formas de implementação de cada solução. Neste trabalho optou-se por organizar as diversas metodologias existentes da seguinte forma:

1. Redução da secção absorvente; 2. Introdução de tubos de arejamento; 3. Electro-osmose;

4. Corte hídrico:

4.1. Introdução de barreiras químicas; 4.2. Introdução de barreiras físicas; 5. Ocultação de anomalias:

5.1. Aplicação de revestimento;

5.2. Aplicação de forra interior separada por espaço de ar; 6. Ventilação da base das paredes.

2.2.2.REDUÇÃO DA SECÇÃO ABSORVENTE

Esta técnica de tratamento tem como objectivo reduzir a secção absorvente. A aplicação desta técnica consiste na substituição de parte dos elementos de alvenaria por espaços de ar, reduzindo-se desta forma as zonas passíveis de migração de água e facilitando a evaporação de água absorvida através das aberturas criadas (Figura 2.3). Este método foi idealizado por Koch [3,5] com o objectivo de solucionar os problemas de humidade ascensional numa igreja, que provocavam a degradação dos frescos.

Apesar de se tratar de uma técnica interessante, não é muito utilizada devido a questões de índole estrutural.

2.2.3.INTRODUÇÃO DE TUBOS DE AREJAMENTO

Se mergulharmos numa tina com óleo um tubo de ensaio cheio de água, esta, por ser mais pesada que o óleo, vai sendo substituída por este, depositando-se a água no fundo da tina [3]. Foi com base neste princípio que Knappen [3,5] imaginou então que se introduzisse drenos oblíquos nas paredes húmidas estes ficariam imediatamente preenchidos com ar húmido, mais denso que o ar seco, criando-se desta forma um processo contínuo de condução de ar húmido para o exterior.

Embora se trate de uma técnica económica e de fácil execução não é muito utilizada devido à fraca eficácia que apresenta. A isto acrescem ainda as condicionantes de ordem estética relacionadas com a introdução dos tubos de arejamento.

Após pesquisa de catálogos comerciais referentes a produtos baseados nesta técnica de tratamento encontrou-se um sistema de patente Holandesa (figura 2.5). Através de uma abertura existente no sistema, com uma forma aerodinâmica de forma a facilitar a entrada de ar, é possível a criação de um processo contínuo de condução de ar húmido para o exterior. Em locais com baixa velocidade do vento poderá apresentar uma eficácia reduzida.

Figura 2.4 - Introdução de tubos de Knappen

2.2.4.ELECTRO-OSMOSE

As técnicas de electro-osmose têm como objectivo a criação de um potencial eléctrico contrário ao potencial capilar. Esta metodologia passa por introduzir na parede um conjunto de sondas condutoras que funcionam como ânodo, ligadas a uma tomada de terra que actua como cátodo [2,3].

Tabela 2.1 - Sistemas electro-osmóticos [2] Electro-osmose passiva

Procede-se à ligação entre os eléctrodos da parede (ânodo) e do terreno (cátodo). Os eléctrodos são da mesma natureza.

Electro-osmose semi-passiva

Esta técnica difere da anterior no facto de se proceder à introdução de tensão devido ao facto dos eléctrodos serem de materiais distintos criando uma espécie de pilha eléctrica.

Electro-osmose activa

Nesta técnica coloca-se entre os eléctrodos da parede e do terreno uma fonte de corrente contínua de baixa tensão, criando-se assim uma diferença de potencial que deverá ser limitada a 1,6V de forma a evitar a electrólise da água.

Electro-osmose forese

Esta técnica surgiu com o intuito de colmatar um dos principais inconvenientes dos processos anteriores: o reaparecimento da humidade quando se interrompe o sistema. Neste método, o ânodo é em cobre e o cátodo em aço galvanizado e procede-se à introdução de “produtos de forese” contendo partículas metálicas em suspensão. Funcionando o sistema sob a acção da corrente criada pela “pilha”, a água contida na parede desloca-se para o solo arrastando consigo os “produtos de forese” que colmatarão os tubos capilares. Assim, após ano e meio a dois anos de funcionamento os tubos capilares estarão colmatados e o sistema pode ser interrompido.

2.2.5.CORTE HÍDRICO

2.2.5.1Introdução de barreiras químicas

A execução de barreiras químicas tem como objectivo a criação de uma barreira impedindo a ascensão de água.

Esta técnica inicia-se com a execução de furos ao longo da parede com um afastamento de 10 a 20cm e com uma profundidade de 1/3 da espessura desta, no caso da furação se executar nas duas faces. Se a furação for efectuada apenas numa das faces a profundidade de furação deve ser de 2/3 da espessura da parede (Fig. 2.6).

Estas regras de furação permitirão, na maioria dos casos, uma boa distribuição do produto ao longo da espessura da parede e a continuidade da barreira estanque.

Executada a furação procede-se à introdução do produto no interior da parede. A introdução deste pode ser efectuada através de duas técnicas: difusão ou injecção.

No caso da difusão a furação pode ser executada na horizontal ou inclinada no sentido da base da parede. Após a furação da parede são introduzidos tubos associados a garrafas contendo o produto seleccionado. O produto penetra nos furos pela acção da gravidade [8].

A introdução de produtos por injecção requer o auxílio de um equipamento de pressão. A pressão utilizada pode variar em função da porosidade e resistência mecânica do material não excedendo, normalmente, os 0,4MPa. A introdução sob pressão tem a vantagem de facilitar a expulsão de água contida nos poros, auxiliando assim a penetração do produto e a sua distribuição homogénea e contínua [8].

Figura 2.6 - Esquema de furação [8]

Os principais tipos de produtos apresentam-se na tabela 2.2.

Tabela 2.2 - Tipos e características dos produtos utilizados em barreiras químicas [7,8]

Produtos Características

Acrilamidas Resultam da mistura de dois compostos orgânicos. Dão origem a um material com viscosidade semelhante à da água e que se mantém até ao momento em que se dá a gelificação desejada para obturar os poros. É considerado dos mais eficazes.

Organo-metálicos Produtos mais recentes constituídos por compostos orgânicos de titânio e de alumínio que se polimerizam em presença da água após a evaporação dos solventes.

Resinas epoxídicas Produto de mais difícil penetração nomeadamente nos casos em que a parede é constituída por poros de pequenas dimensões. O endurecimento é muito rápido e começa logo após o início da introdução do produto nos orifícios efectuados, podendo levar a um bloqueamento dos poros antes do término da operação.

Silicatos Conjunto de produtos que têm em comum a formação de um gel de sílica que irá obturar os poros e os tubos capilares. Estes produtos apresentam uma baixa capacidade de penetração nas paredes. A sua introdução pode originar efluorescências e levar a uma desagregação de partes superficiais do material.

Siliconatos Compostos solúveis na água que em presença do dióxido de carbono se transformam em materiais hidrófugos. No caso específico de paredes espessas poderá haver alguma dificuldade em garantir a sua eficácia, uma vez que existe carência de dióxido de carbono.

Silicones Compostos macromoleculares dissolvidos em solventes hidrófugos, o que dificulta a impregnação, pelo que a sua aplicação implica um maior número de furos.

Siloxanos _{Solução aquosa de metasiliconato de potássio.}

Para que uma barreira química possa cumprir os seus objectivos é necessário garantir a boa penetração do produto e a sua continuidade. Contudo, é necessário seguir uma escolha criteriosa na selecção dos produtos, bem como a respectiva forma de aplicação, pois nem todos os produtos se adequam a todo o tipo de paredes.

Na tabela 2.3 apresenta-se uma descrição e classificação dos produtos mais utilizados e respectiva forma de aplicação.

Tabela 2.3 - Principais tipos de produtos e respectiva forma de aplicação [2]

2.2.5.2Introdução de barreiras físicas Substituição parcial de alvenarias

Esta técnica consiste na substituição de elementos da alvenaria por materiais não capilares. Inicialmente começa-se por demolir a alvenaria em troços de 20 a 30 cm de altura em toda a espessura da parede substituindo-a por materiais impermeáveis.

Outra possibilidade consiste na execução de um rasgo na parede, em troços de 1m de comprimento, preenchendo-os com materiais estanques, nomeadamente, membranas betuminosas, placas de chumbo, folhas de polietileno ou de policloreto de vinilo e argamassas de ligantes sintéticos. Para garantir bom desempenho é necessário verificar-se a continuidade do material e o preenchimento de espaços livres após execução da técnica.

Este método tem como inconvenientes a produção de vibrações e eventual instabilidade [7,8].

Método de Massari

Este método consiste na execução de carotagens sucessivas em troços de cerca de 45 a 50cm de comprimento. Inicialmente executa-se uma primeira série de furações tangentes umas às outras e posteriormente realiza-se uma segunda série com centros nos pontos de tangência anteriores.

Produtos Tipo Modo de aplicação

Hidrófugo Tapa-poros Injecção Difusão

Acrilamidas - √ √ - Organo-metálicos √ - √ - Resinas epoxídicas - √ √ - Silicatos alcalinos - √ √ √ Siliconatos √ - √ - Silicones √ - √ - Siloxanos √ - √ -

Efectuada a furação realiza-se a limpeza e preenchimento com argamassa de ligantes sintéticos. Após o endurecimento da argamassa é possível avançar para o troço seguinte [7,8].

Método de Schöner Turn

Neste método são introduzidas chapas de aço inoxidável onduladas nas paredes através do recurso a martelos pneumáticos. Devido a este procedimento, este método encontra-se limitado a alvenarias constituídas por elementos regulares, tais como tijolos, com juntas horizontais e bem definidas [7,8].

2.2.6.OCULTAÇÃO DE ANOMALIAS 2.2.6.1Aplicação de revestimento

Esta técnica consiste na aplicação de revestimentos com propriedades que permitem minorar a degradação superficial provocada pela ascensão capilar de água.

Através de investigação desenvolvida pelo programa COMPASS [15], verificou-se que a composição dos revestimentos influencia fortemente o seu comportamento no que concerne ao transporte de soluções salinas através destes.

Figura 2.9 - Método de Massari

No projecto COMPASS são definidas 5 diferentes categorias de revestimentos [16]:

1;2 – Revestimentos de transporte lento ou rápido de sal;

3 – Revestimentos de acumulação de sal;

4 – Revestimentos de bloqueio de sal;

5 – Revestimentos selantes.

O projecto COMPASS define como revestimentos de transporte de sal aqueles que permitem o transporte das soluções salinas, desde o substrato até à sua superfície, permitindo que a sua cristalização ocorra na superfície do revestimento. A segunda categoria de revestimentos é definida pelo programa COMPASS como aqueles que absorvem as soluções salinas presentes no substrato permitindo a sua cristalização (acumulação) no interior da camada de revestimento, impedindo, no entanto, que estas soluções atinjam a superfície destes.

Os sistemas de bloqueio de sal e os selantes provocam a ascensão das soluções salinas na parede. Este fenómeno agrava os problemas com sais.

2.2.6.2Aplicação de forra interior separada por espaço de ar

Esta técnica tem como objectivo ocultar os efeitos visíveis da presença de humidade ascensional. Não se pretende actuar sobre as causas do problema mas apenas que as consequências não sejam visíveis. O princípio de aplicação desta técnica consiste na execução de uma parede de espessura reduzida pelo interior, afastada cerca de 10cm da parede original sem que exista ponto de contacto entre ambas. Cria-se assim um espaço de ar que permite a ventilação. Esta efectua-se através de orifícios instalados

Figura 2.11 - Classificação de revestimentos aplicáveis em substratos contendo sais (COMPASS): Secções representativas do revestimento aplicado no substrato (direita) [15]

a diferentes níveis, sendo apenas admissível a ventilação para o exterior. A base da parede deve ser impermeável de forma a não existir continuidade hídrica.

Esta técnica apresenta, entre outros, o inconveniente de reduzir a área útil, ocultar a parede original, e de obrigar ao ajuste de qualquer dispositivo aplicado na parede [8].

2.2.7.VENTILAÇÃO DA BASE DAS PAREDES

Este método de tratamento consiste na ventilação da base das paredes através da ventilação natural ou da instalação de um dispositivo mecânico higro-regulável. Os canais exteriores deverão possuir uma caleira para recolha e condução das águas pluviais sendo protegidos superiormente e ventilados. As exigências de estabilidade estrutural condicionam a profundidade a que os canais são colocados. O sistema de ventilação poderá ser constituído por tubos perfurados com elevada permeabilidade ao vapor associados a um dispositivo de ventilação natural ou mecânico higro-regulável. Esta é uma técnica que deve ser usada quando a cota da fundação da parede se situar acima do nível freático [8].

Figura 2.12 - Execução de forra interior

2.2.8.ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS DIFERENTES SOLUÇÕES

Na tabela 2.4 apresenta-se uma síntese comparativa das diferentes técnicas anterior descritas, com base em diversos documentos [2,3,5,7,8].

Tabela 2.4 - Análise comparativa das diferentes técnicas de tratamento Técnica de tratamento Eficácia Polivalência* Aspecto** Limitações Introdução de Tubos de

Arejamento

Má Média Médio Aspecto. Eficácia

reduzida.

Redução da Secção Absorvente

Má Média Médio Estruturais e

arquitectónicas.

Electro-osmose Má/Média Boa Bom Inadequados

quando a resistência do terreno é elevada. Execução de barreiras químicas

Muito boa Boa Bom Paredes de

elevada espessura e grande

heterogeneidade.

Execução de barreiras físicas Boa Boa Médio Produz

vibrações. Só aplicável em alvenarias com juntas regulares.

Aplicação de revestimento Média Média Bom Eventual

aparecimento de efluorescências.

Aplicação de forra interior separada por espaço de ar

Boa Média Bom Diminuição de

áreas úteis. Na ausência de ventilação pode não apresentar os resultados esperados. Ventilação da base das

paredes

Muito boa Boa Bom Instabilidade

estrutural. Apenas aplicável acima do nível freático. * - Aplicação em diferentes tipos de materiais e paredes

2.3.FICHAS RELATIVAS ÀS TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO

Nas páginas seguintes apresenta-se um conjunto de fichas com o objectivo de sintetizar e agrupar toda a informação relativa às tecnologias anteriormente enumeradas, indicando as formas de execução, as principais limitações, os materiais utilizados e a eficácia de cada uma.

Tecnologia de tratamento: Introdução de tubos de arejamento

Esta tecnologia compreende a introdução de drenos atmosféricos na fachada nos edifícios.

A introdução de drenos oblíquos nas paredes húmidas possibilita que estes fiquem imediatamente preenchidos com ar húmido, mais denso que o ar seco, criando-se desta forma um processo contínuo de condução de ar húmido para o exterior.

Eficácia

Este sistema apresenta má eficácia.

Limitações

As limitações deste sistema prendem-se com as questões estéticas.

Tecnologia de tratamento: Execução de corte hídrico através da redução da secção absorvente

Esta tecnologia consiste na substituição de parte da alvenaria existente por espaços de ar, reduzindo-se desta forma as zonas passíveis de migração de água e facilitando a evaporação de água absorvida através das aberturas criadas. Nas figuras abaixo pretende-se ilustrar o princípio de funcionamento da tecnologia, à esquerda antes da execução e à direita após execução do procedimento descrito.

Eficácia

Este sistema apresenta má eficácia.

Limitações

As limitações deste sistema prendem-se com as questões estruturais e arquitectónicas.

Tecnologia de tratamento: Electro-osmose

Electro-osmose passiva

Procede-se à ligação entre os eléctrodos da parede (ânodo) e do terreno (cátodo). Os eléctrodos são da mesma natureza.

Electro-osmose semi-passiva

Esta técnica difere da anterior no facto de se proceder à introdução de tensão devido ao facto dos eléctrodos serem de materiais distintos criando uma espécie de pilha eléctrica.

Electro-osmose activa

Nesta técnica coloca-se entre os eléctrodos da parede e do terreno uma fonte de corrente contínua de baixa tensão, criando-se assim uma diferença de potencial que deverá ser limitada a 1,6V de forma a evitar a electrólise da água.

Electro-osmose forese

Esta técnica surgiu com o intuito de colmatar um dos principais inconvenientes dos processos anteriores: o reaparecimento da humidade quando se interrompe o sistema. Neste método, o ânodo é em cobre e o cátodo em aço galvanizado e procede-se à

introdução de “produtos de forese” contendo partículas metálicas em suspensão. Funcionando o sistema sob a acção da corrente criada pela “pilha”, a água contida na parede desloca-se para o solo arrastando consigo os “produtos de forese” que colmatarão os tubos capilares. Assim, após ano e meio a dois anos de funcionamento os tubos capilares estarão colmatados e o sistema pode ser

interrompido. Eficácia

Estes métodos apresentam má/média eficácia.

Limitações

Inadequados quando a resistência do terreno é elevada.

Tecnologia de tratamento: Execução de corte hídrico através da introdução de barreiras químicas

Difusão

A furação pode ser efectuada na horizontal ou inclinada no sentido da base das paredes sendo executada com base no esquema abaixo (furação numa face (esq.) ou nas duas faces (dir.):

Após furação da parede são introduzidos tubos associados a garrafas contendo o produto seleccionado. O produto penetra nos furos pela acção da gravidade.

Injecção

O produto é introduzido na parede com o auxílio de um equipamento de pressão. A estrutura porosa e a resistência mecânica do material determinam qual a pressão a utilizar, não excedendo os 0,4MPa. A injecção facilita a expulsão da água contida nos poros e a penetração do produto.

Materiais utilizados

Na tabela abaixo apresenta-se uma descrição e classificação dos produtos mais utilizados e respectiva forma de aplicação.

Produtos

Tipo Modo de aplicação Hidrófugo

Tapa-poros Injecção Difusão Acrilamidas - √ √ - Organo-metálicos √ - √ - Resinas epoxídicas - √ √ - Silicatos - √ √ √ Siliconatos √ - √ - Silicones √ - √ - Siloxanos √ - √ - Eficácia

Este tipo de sistema apresenta geralmente muito boa eficácia.

Limitações

Paredes de elevada espessura e grande heterogeneidade.

Tecnologia de tratamento: Execução de corte hídrico através da introdução de barreiras físicas

Substituição parcial de alvenarias

Esta técnica consiste na substituição de elementos da

alvenaria por materiais não capilares. Inicialmente começa-se por demolir a alvenaria em troços de 20 a 30 cm de altura em toda a espessura da parede substituindo-a por materiais impermeáveis.

Outra possibilidade consiste na execução de um rasgo na parede, em troços de 1m de comprimento, preenchendo-os com materiais estanques, nomeadamente, membranas betuminosas, placas de chumbo, folhas de polietileno ou de policloreto de vinilo e argamassas de ligantes sintéticos. Para garantir bom desempenho é necessário verificar-se a

continuidade do material e o preenchimento de espaços livres após execução da técnica.

Método de Massari

Este método consiste na execução de carotagens sucessivas em troços de cerca de 45 a 50cm de comprimento.

Inicialmente executa-se uma primeira série de furações tangentes umas às outras e posteriormente realiza-se uma segunda série com centros nos pontos de tangencia anteriores. Efectuada a furação realiza-se a limpeza e preenchimento com argamassa de ligantes sintéticos. Após endurecimento da argamassa é possível avançar para o troço seguinte.

Método de Schöner Turn

Neste método são introduzidas chapas de aço inoxidável onduladas nas paredes através do recurso a martelos pneumáticos. Devido a este procedimento este método encontra-se limitado a alvenarias constituídas por elementos regulares, com juntas horizontais e bem definidas.

Eficácia

Este tipo de sistema apresenta boa eficácia.

Limitações

Produz vibrações. Só aplicável em alvenarias com juntas regulares.

Tecnologia de tratamento: Aplicação de revestimento na parede

Esta técnica consiste na aplicação de um revestimento na parede.

Revestimentos de acumulação de sal

Os revestimentos de acumulação de sal absorvem as soluções salinas presentes no suporte permitindo a sua cristalização (acumulação) no interior da camada de revestimento, impedindo, no entanto, que estas soluções atinjam a superfície do revestimento.

Eficácia

Este tipo de sistema apresenta média eficácia.

Limitações

Tecnologia de tratamento: Aplicação de forra interior separada por um espaço de ar

Nesta técnica executa-se uma forra pelo interior afastada da parede cerca de 10cm sem que exista contacto entre ambas. A base da parede deve ser impermeável de forma a não existir continuidade hídrica. A ventilação efectua-se através de orifícios instalados a diferentes níveis, sendo apenas admissível a ventilação para o exterior.

Eficácia

Este tipo de sistema apresenta boa eficácia.

Limitações

Diminuição de áreas úteis. Na ausência de ventilação pode não apresentar os resultados esperados.

Tecnologia de tratamento: Ventilação da base das paredes

Esta técnica consiste na ventilação da base das paredes através da ventilação natural ou instalando um dispositivo mecânico higro-regulável. Os canais exteriores deverão possuir uma caleira para recolha e condução das águas pluviais sendo protegidos superiormente e ventilados. As exigências de estabilidade estrutural condicionam a profundidade a que o canal é colocado. O sistema de ventilação poderá ser constituído por tubos perfurados com elevada permeabilidade ao vapor associados a um dispositivo de ventilação natural ou mecânico higro-regulável. Esta é uma técnica que deve ser usada quando a cota da fundação da parede se situar acima do nível freático.

Eficácia

Este sistema apresenta muito boa eficácia.

Limitações

Instabilidade estrutural. Apenas executável acima do nível freático.

3

PROGRAMA DE CÁLCULO

AUTOMÁTICO WUFI 2D 3.3

3.1.INTRODUÇÃO

A existência de programas de cálculo automático que permitam analisar o comportamento higrotérmico dos elementos construtivos assume particular importância, pois permitem evitar o aparecimento de patologias durante o seu tempo de vida útil. Ao longo dos últimos 50 anos foram desenvolvidos ou melhorados inúmeros programas informáticos relativos ao comportamento energético e higrotérmico dos edifícios. Na página da internet do “U.S. Department of Energy” é possível encontrar uma lista destes programas [17]. Nesta página encontram-se mais de 350 programas informáticos relacionados com a construção que permitem uma análise acerca da eficiência energética, das energias renováveis, e da sustentabilidade na construção.

O problema da degradação dos elementos de construção causada pela humidade tem suscitado um grande interesse desde o início do século XX. No entanto, nas últimas décadas o tema do transporte de humidade nos elementos de construção tem sido objecto de um estudo mais aprofundado, nomeadamente com o desenvolvimento de modelação no que concerne ao desempenho higrotérmico. No âmbito da física das construções, os modelos higrotérmicos são largamente utilizados para a simulação do processo de transporte conjunto de calor e humidade, numa ou várias dimensões. Estes modelos podem ter em consideração um componente isolado ou a globalidade do elemento construtivo.

Na literatura é possível encontrar diversas ferramentas informáticas que permitem uma análise do desempenho higrotérmico dos edifícios. Estes modelos variam significativamente de acordo com a sofisticação do seu esquema matemático, sendo que esta sofisticação depende essencialmente dos parâmetros considerados por cada modelo, nomeadamente [18]: as dimensões do processo de transferência de humidade e calor, tipo de fluxo (constante, quase-estático, ou dinâmico), qualidade e disponibilidade da informação, e a natureza estatocástica dos dados, isto é, da aleatoriedade da informação (propriedades do material, clima, qualidade da construção, entre outras).

Todas as ferramentas de simulação higrotérmica apresentadas de seguida baseiam-se em métodos numéricos de discretização espacial e temporal. Existem diversos métodos numéricos entre os quais os (i) métodos das diferenças finitas (MDF) (ii) métodos de volumes finitos (MVF), (iii) o método dos elementos finitos (MEF), entre outros.

Diversos modelos tendo em conta o transporte conjunto de calor, ar, humidade e transporte de sais têm sido desenvolvidos e incorporados em diversos programas informáticos aplicados na área dos materiais porosos utilizados na construção e na área relacionada com esta, humedecimento e secagem de solos. Os modelos de calor, ar e humidade (HAM) combinam as equações de fluxo com os balanços de massa e energia.

Recentemente, uma revisão aos modelos de simulação higrotérmica [19] identificou mais de 60 modelos higrotérmicos presentes na literatura, contudo a grande maioria desses modelos não estão disponíveis para uso público corrente. Assim, dos 14 programas de simulação higrotérmica disponíveis para o público em geral, apenas 4 realizam simulação numérica em mais de que uma dimensão:

• Delphin 5 (programa comercial) – modelo numérico de simulação a duas dimensões do transporte de calor, ar, humidade, poluição e transporte de sais em materiais de construção porosos. Este programa pode ser utilizado para simular os processos de transporte de massa e energia para condições climáticas definidas pelo utilizador ou climas reais (temperatura, humidade relativa, chuva incidente, velocidade e direcção do vento, radiação de onda longa e onda curta). Esta ferramenta informática é utilizada para: (1) Cálculo de pontes térmicas incluindo a avaliação de problemas higrotérmicos (condensação superficial, condensação no interior dos elementos de construção); (2) Modelos e avaliação de isolamentos no interior dos elementos de construção; (3) Avaliação de sistemas de fachada ventilada, telhados ventilados; (4) Cálculo das necessidades anuais de aquecimento (tendo em consideração a variação do coeficiente de transmissão térmica em função da humidade); (5) Secagem (caves, humidade na construção, entre outras); (6) Cálculo dos riscos de desenvolvimento de bolores [20].

• hygIRC-2D (programa comercial) – programa bidimensional que permite modelar os fluxos de calor, ar e humidade em paredes exteriores. Trata-se de um modelo higrotérmico avançado resultante do melhoramento do modelo LATENITE desenvolvido em conjunto pelo “Institute for Research in Construction” e o “VTT” (Finlândia). O hygIRC pode ser utilizado na modelação de sistemas comuns de parede.

• Moisture-expert 2D (programa comercial) – este programa permite a modelação a duas dimensões do transporte de calor, ar e humidade em sistemas envolventes de fachada [21]. Trata-se de uma adaptação da versão original do programa WUFI para EUA e Canadá, e foi desenvolvido pelo “Oak Ridge National Laboratory” em colaboração com o “Fraunhofer Institut für Bauphysik”. O transporte de vapor e líquido são tratados separadamente. Neste programa o transporte de humidade dá-se por gradientes de humidade relativa e pressão de vapor, e o transporte de energia por gradientes de temperatura. O programa inclui a capacidade de utilizar a isotérmica de sorpção a diferentes temperaturas e as propriedades líquidas de transporte como função dos processos de secagem e humedecimento.

• WUFI 2D (programa comercial) – modelo bidimensional para transporte de calor e humidade desenvolvido no “Fraunhofer Institut für Bauphysik” e validado utilizando informação proveniente de testes em laboratório e “in situ”. O programa permite o cálculo do comportamento higrotérmico de elementos de construção constituídos por várias camadas expostos a condições climáticas naturais [22]. A transferência de calor ocorre através de condução, entalpia (incluindo a mudança de fase), radiação de onda curta e arrefecimento radiativo de onda longa. A transferência de massa e calor por convecção não são consideradas. O transporte em fase de vapor é simulado através da difusão de vapor, e o transporte de água em fase líquida é simulado através da capilaridade e da difusão superficial.

Na tabela 3.1 encontra-se uma análise sumária aos programas anteriormente referidos. Esta análise contempla as propriedades de entrada dos materiais e as condições de fronteira (interior e exterior). Os parâmetros físicos com influência directa no transporte de humidade são: (1) temperatura ambiente, (2) humidade relativa ambiente, (3) radiação solar difusa, (4) radiação solar directa, (5) índice de nebulosidade, (6) velocidade do vento, (7) direcção do vento e (8) precipitação numa superfície horizontal.

Tabela 3.1 - Propriedades de entrada e condições fronteira [19]

Programa Propriedades dos materiais

Condições de fronteira Exterior Interior 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A B C D E F G H I J I II III IV Delphin 5 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X hygIRC-2D X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Moist-exp. X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X WUFI 2D X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Lista de símbolos

1 - Massa volúmica 8 - Pressão de sucção B - Humidade relativa I - Índice de nebulosidade 2 - Porosidade 9 - Difusividade líquida C - Pressão atmosférica J - Fugas de água 3 - Calor específico 10 - Factor de

resistência à difusão ao vapor

D - Radiação solar I - Temperatura

4 - Condutibilidade térmica

11 - Condutibilidade da água líquida

E - Velocidade do vento II - Humidade relativa 5 - Isotérmica de sorpção 12 - Capacidade específica da humidade F - Direcção do vento 6 - Permeabilidade ao vapor de água 13 - Permeabilidade ao ar

G - Precipitação III - Pressão atmosférica 7 - Difusividade do

vapor de água

A - Temperatura H - Trocas radiativas de onda longa

IV - Efeito interior da coluna de ar

Na realização deste trabalho optou-se pelo programa WUFI 2D, que foi utilizado no âmbito do trabalho de M.I.M. Torres [4], e pelo facto de ter sido desenvolvido um protocolo de difusão desta ferramenta informática entre a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e o “Fraunhofer Institut für Bauphysik”.

3.2.PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO

Neste trabalho foi utilizada a versão 3.3 do programa WUFI 2D. Este programa, desenvolvido no “Fraunhofer Institut für Bauphysik”, permite uma análise bidimensional da transferência de calor e humidade nos materiais de construção. Deste modo, é possível efectuar simulações em regime dinâmico e estudos de sensibilidade sobre as propriedades higrotérmicas dos materiais, condições climáticas, entre outras.

Este programa tem como base um sistema de equações não-lineares de transferência de calor e humidade, interligadas pela mútua dependência dos parâmetros, pois, se por um lado a entalpia total, a condutibilidade térmica e o calor gerado no interior do elemento dependem do teor de humidade, por outro lado, os fluxos de humidade dependem da temperatura. Estas podem ser resolvidas em conjunto em função da temperatura e da humidade relativa. Obtêm-se assim as seguintes equações para a transferência simultânea de calor e humidade:

)) p ( (δ h T) (λ t T dT dH sat p v∇ ∇ φ + ∇ ∇ = ∂ ∂

))

p

(

D

(

t

d

dw

∇

φ

δ

+

φ

∇

∇

=

∂

φ

∂

φ

dH/dT – Capacidade de armazenamento de calor do material húmido (J/(m3.K)) dw/dφ – Capacidade de armazenamento de humidade do material húmido (kg/m3) λ – Condutibilidade térmica do material húmido (W/(m.K))

hv – Entalpia de evaporação da água (J/kg)

Dφ – Coeficiente de condução líquida (kg/(m.s))

δp – Permeabilidade ao vapor de água do material (kg/(m.s.Pa))

T – Temperatura (ºC)

w – Teor de humidade do material (kg/m3) φ – Humidade relativa (-)

psat – Pressão de saturação do vapor de água (Pa)

(3.2) (3.1)

3.3.FUNCIONAMENTO DO PROGRAMA

3.3.1DESCRIÇÃO

O programa de cálculo automático WUFI 2D 3.3 visa analisar a transferência bidimensional de calor e humidade em materiais e elementos de construção. Com este programa de cálculo é possível obter a variação ao longo do tempo de diversos parâmetros tais como o teor de humidade total do elemento, o teor de humidade para cada material envolvido, entre outros. É também possível a visualização de um filme, a duas dimensões, da variação de temperatura, humidade relativa e teor de humidade de um material ou elemento construtivo ao longo do tempo de simulação.

O WUFI 2D 3.3 inicia-se com a apresentação de um ecrã principal (figura 3.1) que permite o acesso aos diversos menus que contêm as opções necessárias à formulação de uma simulação.

Barra de título Barra de menus Barra de ferramentas

Explorador de projecto

Informação do projecto

Figura 3.1 - Ecrã principal (WUFI 2D 3.3)

Barra de estado

No ecrã principal encontram-se os seguintes elementos: • Barra de título • Barra de menus • Barra de ferramentas • Explorador de projecto • Informação do projecto • Barra de estado

De seguida serão apresentados todos os passos necessários para proceder à execução de uma simulação.

3.3.2INFORMAÇÃO DO PROJECTO

Esta caixa de diálogo (figura 3.3), de preenchimento opcional, permite a introdução de informações adicionais sobre o projecto em análise.

3.3.3GEOMETRIA

Nesta caixa de diálogo (figura 3.4) é possível definir a geometria dos elementos de construção.

3.3.4GRELHA

Para a definição do número total de elementos da grelha é necessário recorrer à caixa de diálogo “Grid” (figura 3.5). Aqui apenas se define o número mínimo e máximo de elementos em cada direcção sendo depois gerada automaticamente uma grelha.

Figura 3.4 - Caixa de diálogo "Geometria"

3.3.5MATERIAIS

Nesta caixa de diálogo é possível atribuir a cada elemento de construção o material pretendido (figura 3.6).

Genericamente as propriedades a definir são as apresentadas na Tabela 3.2. Tabela 3.2 - Propriedades dos materiais (dados de entrada)

Para a inserção das curvas higroscópicas de cada material introduz-se apenas a curva de adsorção. Não se dispondo desta curva recorre-se ao teor de humidade de saturação (wsat) e ao teor de humidade para

80% de humidade relativa (w80), duas grandezas de fácil determinação e normalmente conhecidas.

Através dos valores destas duas grandezas é possível caracterizar o comportamento higroscópico, para a maior parte dos materiais de construção, recorrendo à equação (3.3),

Massa volúmica – ρ kg/m3

Calor específico – cp J/(kg.K)

Porosidade – ε % ou m3 /m3

Condutibilidade térmica – λ W/(m.K)

Factor de resistência à difusão de vapor – µ -

Curva higroscópica – w=f (φ)

Coeficiente de absorção de água – A kg/(m2.√s)

Teor de humidade de saturação – wsat kg/m3

Teor de humidade para 80% de humidade relativa – w80 kg/m3 Coeficiente de transporte líquido – Dw (w80, wsat) m2/s

φ

−

φ

−

=

b

)

1

b

(

w

w

wsat – Teor de humidade de saturação (kg/m 3

) b – factor de aproximação (-)

φ – Humidade relativa (-)

Em função das condições de fronteira, presença ou não de chuva, o programa de cálculo WUFI 2D 3.3 utiliza dois coeficientes distintos de transporte líquido. O coeficiente de transporte líquido de sucção, Dws, descreve a absorção da água quando a superfície está completamente molhada (presença de

chuva), e o coeficiente de transporte líquido de redistribuição, Dww, que descreve a redistribuição da

água absorvida após o desaparecimento da água líquida da superfície (migração da humidade na ausência de chuva). A redistribuição é um processo lento pelo que o coeficiente de redistribuição é bastante menor que o coeficiente de sucção. A medição destes coeficientes não é fácil para a maior parte dos materiais. Assim, estes terão que ser estimados a partir de propriedades básicas. Na maior parte dos casos Dws aumenta exponencialmente com o aumento do teor de humidade, podendo

considerar-se a seguinte relação entre Dws e o coeficiente de absorção de água:

      −













=

1000

w

A

8

,

3

)

w

(

D

Dws – Coeficiente de transporte líquido de sucção (m2/s)

A – Coeficiente de absorção de água (kg/(m2.√s)) wsat – Teor de humidade de saturação (kg/m

3

) w – Teor de humidade (kg/m3)

Com recurso à expressão 3.4 e às curvas higroscópicas o programa WUFI 2D 3.3 gera automaticamente uma tabela com os valores estimados para o coeficiente de transporte líquido de sucção (tabela 3.3).

(3.3)

Tabela 3.3 - Coeficiente de transporte líquido de sucção

w (kg/m3) Dws (m2/s)

0 0

w80 Dws(w80)

wsat Dws(wsat)

Do mesmo modo é também gerada uma tabela para o coeficiente de transporte líquido de redistribuição, Dww:

Tabela 3.4 - Coeficiente de transporte líquido de redistribuição

w (kg/m3) Dww (m2/s)

0 0

w80 Dws(w80)

wsat (Dws(wsat))/10

No presente trabalho recorreu-se a materiais que constavam da base de dados do programa (Sander Sandstone e Solid Brick Historical) e a outros que não se encontravam na base de dados do programa, designados por Pedra de Ançã e Granito, sendo, no caso dos últimos, necessário adicioná-los à base de dados já existente. As propriedades higrotérmicas de todos os materiais utilizados nas simulações apresentam-se no capítulo 4.

A base de dados do programa encontra-se dividida em fontes e catálogos (1). Em (2) é possível seleccionar um material e atribuí-lo ao elemento pretendido através de (3). As propriedades dos materiais encontram-se em (4) e (5). (1) (2) (3) (4) (5)

Após a atribuição do material seleccionado ao elemento de construção pretendido surge uma nova caixa de diálogo (figura 3.8) que permite a edição (1) das propriedades do material em causa, sem alterar as propriedades que constam na base de dados, ou apenas finalizar a atribuição do material através de (2).

3.3.6CONDIÇÕES INICIAIS

A definição das condições iniciais implica a definição da temperatura (1) e da humidade relativa (2). O teor de humidade inicial (3) é determinado pelo programa através da curva higroscópica do material em questão, com base no valor de humidade relativa. Por outro lado se definir o valor do teor de humidade o programa calcula a humidade relativa, também através da curva higroscópica do material.

Figura 3.8 - Atribuição de materiais

Figura 3.9 - Condições iniciais (1) (3) (2)

(1)

3.3.7CONDIÇÕES DE FRONTEIRA NA INTERFACE

É nesta fase que são definidas as condições de fronteira nas interfaces dos elementos de construção em estudo (figura 3.10).

Clicando em (1) abre-se uma nova caixa de diálogo (figura 3.11). Nesta caixa de diálogo é possível criar uma nova condição de fronteira (1), editar uma já existente (2) e atribuir uma determinada condição de fronteira a uma superfície (3).

Clicando em (1) surge uma nova caixa de diálogo (figura 3.12). Nesta nova janela clicando em (1) abre-se uma nova caixa de diálogo (figura 3.13). Nesta janela existem duas secções, “Surface Coefficients” e “Climate”.

Figura 3.10 – Condições de fronteira na interface

Figura 3.11 - Criação, edição e atribuição de condições de fronteira (1)

(2) (3)

Na secção “Surface Coefficients” introduzem-se os coeficientes de transferência superficial (figura 3.13). Nesta secção introduz-se o valor da espessura da camada de ar de difusão equivalente, da condutância térmica superficial, do coeficiente de absorção de radiação de onda curta, da emissividade de radiação de onda longa, e o factor de redução de chuva. Este último factor tem em consideração a quantidade de água da chuva que se encontra disponível para absorção na superfície em questão (valor zero significa que não existe chuva disponível para absorção). Como neste trabalho se pretende o estudo da absorção de água apenas na base da parede, este assume o valor de 1 na base da parede e nas restantes superfícies do elemento é nulo.

Figura 3.13 - Secção “Surface Coefficients” Figura 3.12 - Criação de nova condição de fronteira