SISTEMA DE VENTILAÇÃO PARA SECAGEM DE PAREDES APÓS OCORRÊNCIA DE
CHEIA: INFLUÊNCIA DO TIPO DE PAREDE
ISABEL TORRES ÓSCAR LÓPEZ
Prof. Eng.ª Civil Mestre em Eng.ª Civil
UC ITeCons
Coimbra; Portugal Coimbra; Portugal
itorres@dec.uc.pt oscar.lopez@itecons.uc.pt
RESUMO
As nossas construções históricas eram, normalmente, construídas na proximidade das linhas de água, por questões de facilidade de abastecimento. Esta proximidade além de acarretar uma probabilidade acrescida de existência de humidade ascensional traz também um risco acrescido de serem atingidas por águas provenientes de cheias. Após a ocorrência de uma cheia todos os elementos construtivos afetados ficarão com elevados teores de humidade, com as nefastas consequências que esse facto origina, sendo então de grande importância promover a sua rápida secagem. Numa colaboração estreita que tem ocorrido entre a Universidade de Coimbra e a Universidade do Porto tem sido desenvolvida investigação sobre um sistema de tratamento de humidades ascensionais: a ventilação da base das paredes. Os estudos que atualmente estão em desenvolvimento vão no sentido de analisar a viabilidade da adaptação deste sistema para secagem de paredes após a ocorrência de uma cheia.
1. INTRODUÇÃO
Uma das principais causas de patologias das construções históricas é a presença de humidade [1]. Por razões históricas, a maioria dos edifícios de prestígio foram construídos perto de cursos de água naturais ou ao longo de planícies de inundação e, portanto, estão ameaçados por um alto risco de inundação [2]. Durante uma inundação os elementos de construção vão entrar em contato com água por várias horas ou dias e, devido a possuírem uma elevada porosidade, a sua humidade relativa pode aumentar até aos 100%. Além deste fenômeno, devido à proximidade com linhas de água é necessário considerar outros fenómenos que também podem aumentar o teor de humidade dos materiais, como é o caso da humidade ascensional. Nestes últimos anos, foi desenvolvida investigação, no Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade de Coimbra, em colaboração com o Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, a fim de desenvolver um método para minimizar os efeitos da humidade ascensional [1]. Este método consiste na instalação de um sistema de ventilação na base das paredes. Este sistema foi validado experimental e numericamente, e obteve resultados satisfatórios no que diz respeito à redução do nível atingido pela frente húmida na parede. No Instituto de Investigação e Desenvolvimento Tecnológico em Ciências da Construção (ITeCons), em colaboração com o Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade de Coimbra está a ser desenvolvida investigação numérica para validar a eficácia deste sistema de ventilação da base das paredes como uma técnica para melhorar a secagem de paredes de edifícios antigos após a ocorrência de uma cheia. A técnica consiste na instalação de um dispositivo mecânico de ventilação higro-regulável, na base das paredes, para acelerar o processo de secagem da parte inferior da parede, que é geralmente a mais afetada
devido à ascensão capilar da humidade ascensional e facilitar a secagem natural da parte superior [3, 4]. O presente estudo centrou-se na influência do tipo de material da parede na eficiência do sistema de ventilação.
2. SISTEMA DE VENTILAÇÃO PARA A SECAGEM DE EDIFÍCIOS APÓS UMA CHEIA
2.1 A técnica
O sistema de ventilação para a secagem de paredes após a ocorrência de uma cheia utiliza a mesma técnica que o sistema de ventilação da base das paredes para tratar a humidade ascensional [5], e consiste na circulação de ar na base das paredes do edifício através de canais periféricos em contato com elas, que previnem infiltrações laterais e aumentam a evaporação, provocando, assim, a redução do teor de humidade da parede (Figura 1) [3, 4].
Figura 1: Humidificação e secagem da parede na sequência de uma cheia [3,4]
O ar é introduzido dentro dos canais através de aberturas de ventilação nas quais podem ser instalados dispositivos mecânicos que promovam a circulação de ar e, por conseguinte, aumentem a evaporação. Estes dispositivos são extratores colocados no final dos canais, que forçam a extração de ar.
2.2 Simulação numérica
2.2.1 Programa de cálculo utilizado
Para simular o processo de secagem de uma parede após uma inundação foi utilizado o programa de cálculo WUFI-2D (versão 3.3), desenvolvido no Fraunhofer Institute for Buildings Physics. Este software permite analisar as variações de teor de humidade, humidade relativa, temperatura e pressão de vapor ao longo do tempo em materiais ou elementos de construção submetidos a diferentes condições iniciais e climatéricas [6, 7, 8].
Para a modelação dos canais de ventilação foi utilizado o recurso do software designado de “fontes de renovação de ar” que permite a simulação da troca de ar entre o interior e o exterior dos canais e em que apenas é necessário especificar as renovações de ar por hora (𝐴𝐶𝐻).
𝐴𝐶𝐻 =𝑄𝑉=𝐴∙𝑢𝐴∙𝐿 =𝑢𝐿 (1) Onde Q [m3/h] é o caudal de renovação de ar, 𝑉 [m3] é o volume, 𝐴 [m2] é a área da secção transversal, 𝑢 [m/h] é a velocidade do ar e 𝐿 [m] é o comprimento de cada canal de ventilação.
2.2.2 Modelo
O modelo utilizado é constituído por uma parede de 2.0 m de altura e 0.2 m de espessura. Foram utilizados dois modelos: um sem sistema de ventilação para secagem e outro com sistema. O sistema de ventilação para secagem consiste em dois canais com 0.2 x 0.2 m colocados em ambos os lados da base da parede. Foi considerada uma
impermeabilização entre a areia e o sistema de ventilação para evitar infiltrações laterais para o interior dos canais (Figura 2
)
[3, 4]. Sem si st ema de v ent ila çã o Co m si st ema de v ent ila çã oFigura 2: Modelos numéricos utilizados no software WUFI-2D versão 3.3 [3, 4]
2.2.3 Condições iniciais e condições climáticas
De forma a simular o processo de secagem da parede começamos a simulação considerando que toda ela tinha atingido uma humidade relativa do 100% durante a cheia. De um lado da parede foi considerado um clima real exterior (de Lisboa), com medições de vento, chuva, pressão barométrica, temperatura, humidade relativa e radiação solar. Do outro lado da parede foi considerado um clima interior (Figura 2) [3, 4]. Foi considerada ainda a existência de humidade ascensional na face inferior e manteve-se uma humidade do terreno do 100% dado que esta é uma situação comum [1, 2].
2.2.4 Propriedades dos materiais
No âmbito do projeto foi caracterizado um tipo de material muito corrente nas construções históricas do centro de Portugal: a pedra de Ançã. É uma pedra calcária de cor clara, entre o amarelado e o branco-azulado, de estrutura compacta e fina, de textura oolítica e muito macia, sendo originária da região de Ançã, no concelho de Cantanhede. A sua estrutura compacta e muito fina dão a este material condições de boa trabalhabilidade, facilitando o corte da rocha, trabalhos a pico e aperfeiçoamento a ponteiro e cinzel. Foi utilizada em Portugal desde a ocupação do território pelos romanos e tem sido exportada para obras de arte para países de diversos continentes. A torre da Universidade de Coimbra e o Mosteiro de Batalha são construções portuguesas de referência mundial neste material.
A caracterização da pedra de Ançã incluiu ensaios de determinação da massa volúmica, porosidade, calor específico, condutibilidade térmica, fator de resistência à difusão de vapor, absorção e curvas higroscópicas (Figura 3).
Além deste material, foram consideradas outras duas pedras caracterizadas em investigações anteriores, durante a validação do sistema de ventilação para o tratamento da humidade ascensional: pedra calcária e dolomite [5]. As características de todas estas pedras são apresentadas na Tabela 1 e na Figura 4.
Tabela 1 – Propriedades higrotérmicas dos materiais
Propriedade higrotérmica Pedra calcária Pedra de Ançã Dolomite
Densidade aparente [kg/m3] 2155 2265 2278
Porosidade aberta [%] 18.8 16.3 30.1
Calor específico [J/kg K] 1000 776 1000
Condutibilidade térmica [W/m K] 1.33 1.01 1.50
Fator de resistência à difusão de vapor 29.40 13.21 23.00
Coeficiente de absorção [kg/m2√𝑠] 0.024 0.145 0.067
Teor de humidade de referência (w80%)[kg/m3] 1.70 5.75 22.78 Teor de humidade de saturação (w100%) [kg/m3] 188.0 162.5 300.7
Figura 3: Ensaios para a caracterização da Pedra de Ançã
Figura 4: Curvas higroscópicas de adsorção dos materiais
2.3 Parâmetros analisados
2.3.1 Introdução
O objetivo deste estudo foi analisar a influência do tipo de material na eficácia do sistema de ventilação para secagem de edifícios após ocorrência de uma cheia. De acordo com os resultados e conclusões obtidos em estudos anteriores [3, 4] para uma pedra calcária, este sistema é uma técnica simples que acelera o processo de secagem da parte inferior da parede (abaixo do nível do terreno) ao impedir infiltrações laterais, introduz uma zona de evaporação de água da parede dentro do canal de ventilação e facilita a secagem natural da parte superior (parte sobre o terreno), mesmo em presença de humidade ascensional.
Uma investigação anterior [3] permitiu concluir que para uma parede de pedra calcária de 0.2 m de espessura com as características apresentadas na Tabela 1 existe uma taxa de renovação de ar (𝐴𝐶𝐻) ótima no interior do sistema de ventilação que consegue uma elevada eficácia na sua secagem. Concluiu-se também [4] que a eficácia do sistema de ventilação diminui com o aumento de espessura da parede, sendo elevada em paredes pouco espessas e reduzindo quando se aumenta a espessura. De facto ao aumentar a absorção por capilaridade, para manter o equilíbrio entre o “fluxo absorvido” e “fluxo evaporado”, a frente húmida vai aumentar dificultando a saída de água da parte inferior parede durante a secagem.
Estes dois estudos foram feitos para uma gama de taxas de renovação até 100 h-1, que são as taxas espectáveis em sistemas de ventilação entre 50 e 100 metros de comprimento [9, 3], pois é necessário limitar a velocidade máxima do ar no interior do sistema a 3 m/s para evitar ruídos e vibrações indesejados nos canais de ventilação. Pretende-se agora, realizar o mesmo estudo para três paredes construídas com três materiais diferentes (pedra calcária, pedra de Ançã e dolomite).
2.3.2 Resultados
Na Figura 5 apresentam-se os teores de humidade das três paredes (pedra calcária, pedra de Ançã e dolomite) durante um ano de secagem para valores de 𝐴𝐶𝐻 compreendidos entre 1 h-1 e 100 h-1. Os picos observados correspondem a períodos de chuva. 0 50 100 150 200 250 300 350 0 20 40 60 80 100 T eo r d e h u mi d ad e (k g /m 3) Humidade relativa (%)
Figura 5: Variação do teor de humidade total nas três paredes para valores de 𝐴𝐶𝐻 compreendidos entre 1 h-1 e 100 h-1 durante um ano de secagem
A Tabela 2 apresenta o teor de humidade total da parede e a redução no teor de humidade após um ano de secagem, para valores de 𝐴𝐶𝐻 compreendidos entre 1 h-1 e 100 h-1. Na Tabela 3 apresentam-se os perfis de teor de humidade para as três paredes sem sistema de ventilação e com sistema de ventilação, uma taxa de renovação de ar de 100 h-1 e após 1 ano de simulação. Na Figura 6 apresenta-se o teor de humidade na secção vertical que passa pelo centro da parece, após um ano de secagem, para cada uma das paredes, em função taxa de renovação de ar do sistema de ventilação.
Tabela 2: Teor de humidade total e redução do teor de humidade nas três paredes após dois anos de secagem
Material
Teor de humidade (kg/m3)
Redução do teor de humidade (%) Sem
vent.
Com sistema de ventilação Taxa de renovação de ar (h-1)
1 20 40 60 80 100 1 20 40 60 80 100 Pedra calcária 68.7 67.8 63.4 57.9 54.1 52.7 51.5 1.3 7.8 15.7 21.2 23.4 25.0 Pedra de Ançã 68.9 68.3 67.8 67.6 67.4 67.2 67.0 0.8 1.6 2.0 2.3 2.5 2.7 Dolomite 114.8 109.0 106.9 105.8 104.8 103.9 103.0 5.0 6.8 7.8 8.7 9.4 10.3 25 65 105 145 185 225 265 305 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 T eo r d e h u mi d ad e (k g /m 3) Tempo (h)
Sem ventilação ACH=1 ACH=20 ACH=40 ACH=60 ACH=80 ACH=100
Dolomite Pedra de Ançã Pedra calcária 60,0 62,5 65,0 2000 2025 2050 T eo r d e h u mi d ad e (k g /m 3) Tempo (h)
Tabela 3: Teor de humidade nas paredes em função do tempo transcorrido após cheia Tempo de secagem 0 h 50 h 200 h 500 h 1000 h 2500 h 4000 h 7000 h 8760 h Configuração A B A B A B A B A B A B A B A B A B Pedra calcária Teor de humidade [kg/m3] 0<=x<38 38<=x<75 75<=x<113 113<=x<150 150<=x<188 188<=x Pedra de Ançã Teor de humidade [kg/m3] 0<=x<32 32<=x<65 65<=x<97 97<=x<130 130<=x<162 162<=x Dolomite Teor de humidade [kg/m3] 0<=x<60 60<=x<120 120<=x<180 180<=x<240 240<=x<300 300<=x
Configurações: A – Sem sistema de ventilação; B – Com sistema de ventilação e 𝐴𝐶𝐻 = 100 h-1.
Figura 6: Variação do teor de humidade na secção vertical central das três paredes para valores de 𝐴𝐶𝐻 compreendidos entre 1 h-1 e 100 h-1 após um ano de secagem
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0 50 100 150 200 250 300 A ltu ra d a p ar ed e (m ) Teor de humidade (kg/m3)
Sem vent ACH=1 ACH=20 ACH=40 ACH=60 ACH=80 ACH=100
Dolomite Pedra
de Ançã
Pedra calcária
Na Tabela 4 podem-se observar as máximas percentagens de teor de humidade que o sistema de ventilação consegue remover da secção vertical que passa pelo centro da parede para cada material em função da taxa de renovação de ar e em comparação com o teor de humidade da respetiva parede sem sistema de ventilação.
Tabela 4: Máximas percentagens de teor de humidade removido na secção vertical que passa pelo centro da parede após um ano de secagem para os três materiais e valores de 𝐴𝐶𝐻 compreendidos entre 1 h-1 e 100 h-1
Material
Percentagem máxima de teor de humidade removido da secção vertical central da parede (%) Taxa de renovação de ar (h-1) 1 20 40 60 80 100 Pedra calcária 5.6 25.0 46.6 55.4 58.8 61.0 Pedra de Ançã 4.5 8.3 10.4 12.0 13.3 14.6 Dolomite 15.4 19.1 21.1 22.9 24.5 26.0
Dos resultados obtidos, independentemente da existência ou não de sistema de ventilação, conclui-se que o material que alcança a secagem mais rapidamente é a pedra de Ançã (Figura 5, Tabela 3 e Figura 6). A razão principal é o facto do baixo fator de resistência à difusão do vapor em comparação com a pedra calcária e a dolomite (um material que é resistente à difusão de vapor de água também o é relativamente à saída de água durante a secagem). Outra variável importante no processo de secagem dum material é a curva higroscópica do material que determina o teor de humidade dum material em função da humidade relativa do ambiente exterior e que, de acordo com a Figura 4, para o caso de estudo é maior para a dolomite, seguida da pedra de Ançã e da pedra calcária. Ainda que a pedra de Ançã tenha um teor de humidade superior à pedra calcária para determinadas condições de humidade, o baixo fator de resistência à difusão de vapor determina que a pedra de Ançã seja a mais propícia à saída de água durante a secagem. A curva higroscópica de um material e o fator de resistência à difusão do vapor também estão relacionados com a porosidade do material. Este fenómeno pode observar-se na parte não enterrada da parede e não influenciada pela humidade ascensional.
No entanto, o comportamento da parte da parede abaixo da superfície do terreno é completamente diferente. Nesta zona o comportamento do material está determinado, principalmente, pelo coeficiente de absorção devido à existência da humidade ascensional e quanto menor é o coeficiente de absorção do material maior é a influência do sistema de ventilação na secagem. Para a pedra calcária pode-se observar um valor ótimo de 𝐴𝐶𝐻 (𝐴𝐶𝐻=60 h-1) a partir do qual incrementos da taxa de renovação de ar não aumentam consideravelmente o teor de humidade removido da parede (Figura 7) [10]. No entanto, para a pedra de Ançã e a dolomite não existe um valor ótimo e quanto maior é o valor de 𝐴𝐶𝐻 maior é o teor de humidade removido da parede. Este facto é devido a que para coeficientes de absorção elevados o fenómeno da humidade ascensional por capilaridade introduz teores de humidade perto da saturação, permanentes na parte inferior da parede onde se encontra o sistema de ventilação dificultando a saída de água da parede.
Figura 7: Teor de humidade removido das três paredes pelo sistema de ventilação para taxas de renovação de ar
entre 1 h-1 e 100 h-1 após um ano de secagem
Figura 8: Teor de humidade removido das três paredes pelo sistema de ventilação para taxas de renovação de ar
entre 1 h-1 e 600 h-1 após um ano de secagem
Uma opção para aumentar a eficiência do sistema em paredes construídas com materiais com elevados coeficientes de absorção é aumentar ainda mais a evaporação aumentando o valor de 𝐴𝐶𝐻 através da diminuição do comprimento do sistema de ventilação. A título de exemplo, na Figura 8 podem-se observar os teores de humidade removidos em cada
0 5 10 15 20 0 20 40 60 80 100 T eo r d e h u mi d ad e re mo v id o p el o si st ema d e v en ti la çã o ( k g /m 3) ACH (h-1)
Pedra calcária Pedra de Ançã Dolomite
0 5 10 15 20 25 30 35 0 100 200 300 400 500 600 T eo r d e h u mi d ad e re mo v id o p el o si st ema d e v en ti la çã o ( k g /m 3) ACH (h-1)
parede para taxas de renovação de ar de até 600 h-1, que de acordo com a equação (1) seria equivalente a um comprimento de 18 m para limitar a velocidade máxima do ar no interior do sistema de ventilação a 3 m/s. Para este intervalo de taxas de renovação de ar já é possível determinar um 𝐴𝐶𝐻 ótimo para a dolomite, que estaria à volta dos 400 h-1 mas isto implicaria comprimentos máximos de apenas 27 m pelo que se tornaria necessário fazer um estudo de taxas de renovação e comprimentos viáveis para cada caso. Outra opção para aumentar a evaporação é aumentar o tamanho das caixas de ventilação [10] ou utilizar ar tratado com uma maior capacidade de absorção de humidade da parede.
3. CONCLUSÕES
As principais conclusões do nosso estudo, que tinha como objetivo analisar a influência do tipo de material na eficácia e eficiência dum sistema de ventilação hidro-regulável na base das paredes como uma técnica para secagem edifícios após a sequência de uma cheia são:
O processo de secagem de uma parede com existência de humidades ascensionais está determinado pelas características higrotérmicas do material, nomeadamente da porosidade, das curvas higroscópicas, do fator de resistência à difusão de vapor de água e do coeficiente de absorção.
A variação da taxa de renovação de ar tem grande influência na eficiência do sistema de ventilação para paredes construídas com materiais com baixos coeficientes de absorção. Podemos observar que para a pedra calcária (coeficiente de absorção de 0.024 kg/m2√𝑠) a redução do teor de humidade na parede, para uma taxa de renovação de ar de 100 h-1, é de 25.0%, enquanto para a dolomite (coeficiente de absorção de 0.067 kg/m2 √𝑠) é de 10.3% e para a pedra de Ançã (coeficiente de absorção de 0.145 kg/m2√𝑠) de 2.7%.
A eficácia do sistema de ventilação na secção vertical central da parede também diminui com o aumento do coeficiente de absorção porque o material é mais propício a repor a água evaporada por água procedente da humidade ascensional. Podemos observar que para a pedra calcária a máxima redução do teor de humidade na secção vertical central é de 61.0%, para a dolomite de 26.0% e para a pedra de Ançã de 14.6%.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer à FCT - Fundação para a Ciência e Tecnologia o seu apoio através do projeto PTDC/ECM-COM/3080/2012 Desenvolvimento e otimização de um sistema higro-regulável para secagem de edifícios na sequência de inundações. Esta obra foi enquadrada sob a Iniciativa da Energy for Sustainability da Universidade de Coimbra e apoiado pela Energy and Mobility for SUstainable REgions - EMSURE - Projeto (CENTRO-07-0224-FEDER-002004).
6. REFERÊNCIAS
[1] Torres, I. e Freitas, V.P., ‘Treatment of rising damp in historical buildings: Wall base ventilation system’, Build Environ, 2007, 42(1), p.424-435.
[2] Guimarães, A.S., et al, “Importância das cheias no fenómeno da humidade ascensional. Modelo Aplicado aos Monumentos Portugueses”, 5st Congress on Pathology and Rehabilitation of Buildings, Porto (2015).
[3] Torres, I., e López, Ó., “Ventilation system for drying out walls after a flood: influence of the thickness of the walls”, 1st Pan-American Congress on Computational Mechanics, Buenos Aires, Argentina (2015).
[4] Torres, I., e López, Ó., “Ventilation system for drying out building after a flood”, 1st International Symposium on Building Pathology, Porto (2015).
[5] Torres, M.I., “Humidade ascensional em paredes de construções históricas”, Tese de Doutoramento, FCTUC, 2004. [6] Holm, A. & Kunzel, H.M., “Two-dimensional transient heat and moisture simulations of rising dump with
WUFI-2D’, in 2nd Int. Conference on Building Physics, Leuven, Belgium, 2003, pp.363-367.
[7] Kunzel, H.M., “Simultaneous heat and moisture transport in building components; one and two dimensional calculation using simple parameters’, PhD Thesis, University of Stuttgart, 1994.
[8] Krus, M., “Moisture Transport and Storage Coefficients of Porous Mineral Building Materials. Theoretical Principles and New Test Methods”, Fraunhofer IRB Verlag, 1996.
[9] Guimarães, A.S., “Dimensionamento de Sistemas de Ventilação da Base das Paredes para Tratamento da Humidade Ascensional”, Tese de Doutoramento, FEUP, 2011.
[10] Torres, I., “Wall base ventilation system to treat rising damp: The influence of the size of the channels”, Journal of Cultural Heritage, 2014, nº15, pp.121-127.
