Laboratório de Sistemas e Componentes Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Transcrição

1 Caracterização do Desempenho de Sistemas de Caixilharia em Fachadas de Edifícios 1

2 1. Importância dos sistemas de caixilharia 2. Alguns aspectos funcionais associados ao desempenho das fachadas 3. Enquadramento normativo dos aspectos funcionais dos sistemas de caixilharia 4. Avaliação da qualidade de desempenho nos sistemas de caixilharia exterior 5. Caracterização experimental em laboratório de sistemas de caixilharia 6. Desempenho de caixilhos em laboratório 7. Factores que influenciam o desempenho dos caixilhos 8. Conclusões 2

3 1. Importância dos sistemas de caixilharia (portas, janelas e fachadas-cortina) cortina) Os sistemas de caixilharia têm um papel de grande importância sob o ponto de vista estético e no cumprimento das exigências de desempenho das fachadas, sendo determinantes para que um edifício possa ser considerado eficiente e confortável. Exemplo de janelas construídas com tecnologia moderna (Pavilhão Alemão na Exposição de Barcelona) Exemplo de janelas construídas com tecnologia antiga (Saint Chapelle, em Paris) Exemplo de uma fachada envidraçada moderna (Edifício St Mary Axe, em Londres) 3

4 2. Alguns aspectos funcionais dos caixilhos associados ao desempenho das fachadas Estanquidade à Água Os sistemas de caixilharia devem evitar a presença de água nas partes da construção destinadas a manterem-se secas - factores importantes: sistemas de vedação eficientes e união adequada entre as partes fixas e móveis do caixilho Permeabilidade ao Ar Os sistemas de caixilharia devem ser suficientemente permeáveis ao ar para permitir ventilar os espaços interiores dos edifícios (renovação do ar), sem prejudicar outros aspectos funcionais (eficiência energética, do conforto térmico, do isolamento acústico) Resistência ao Vento e Resistência a Forças de Manobra O sistema de caixilharia deve ser resistente, estável e funcional quando submetido às acções do vento e às acções resultantes de manobras associadas ao uso - factores importantes: rigidez e resistência dos elementos adequada às solicitações (perfis, vidros e ferragens resistentes e pouco deformáveis); construção sólida dos sistemas de caixilharia (ligação entre elementos e fixação da caixilharia ao vão adequadas) 4

5 2. Alguns aspectos funcionais dos caixilhos associados ao desempenho das fachadas Isolamento Térmico Os sistemas de caixilharia devem contribuir para a eficiência energética dos edifícios aspectos a considerar: O desempenho térmico dos sistemas de caixilharia estão directamente ligados às propriedades térmicas dos materiais que a compõem (coeficiente de transmissão térmico) e à proporção de área ocupada pelos sistemas de caixilharia na fachada Transmissão de Energia Luminosa Os sistemas de caixilharia devem proporcionar boa qualidade de luminosidade e evitar sobreaquecimento dos espaços interiores - factores importantes: propriedades de radiação do vidro equilíbrio entre a transmissão de luz e reflexão solar; uso de protecções solares.) Isolamento aos Ruídos Aéreos Exteriores Os sistemas de caixilharia devem proporcionar conforto acústico - factores importantes: quanto maior a massa do vidro e a largura da caixa-de-ar (ou gás) melhor será o isolamento; utilização de vidros duplos/triplos com espessuras diferentes para evitar fenómenos ressonância; baixa permeabilidade ao ar 5

6 3. Enquadramento normativo dos aspectos funcionais dos sistemas de caixilharia Visando a aplicação da marcação CE, as normas europeias aplicáveis aos sistemas de caixilharia (EN : Portas e janelas e EN 13830: Fachadas-cortina) estabelecem um conjunto de especificações e requisitos associados a propriedades físicas de mecânicas destes sistemas De uma forma geral estas propriedades são caracterizadas através de ensaios laboratoriais com provetes de janelas, portas em tamanho real e nas fachadas-cortina são porções representativas (módulos de fachada) Alternativamente, é admitido na normalização a possibilidade de algumas propriedades serem determinadas analiticamente ou recorrendo a valores tabelados: o Coeficiente de transmissão térmica U (o método de ensaio é difícil e dispendioso de concretizar) o Isolamento sonoro a sons aéreos - Rw (aplicável apenas em janelas com determinadas características - dimensões, tipo de caixilho, tipo de vidro.) Duma forma geral estas propriedades são caracterizadas através de classes de desempenho, encontrando-se definidas nas normas Europeias já referidas 6

7 3. Enquadramento normativo dos aspectos funcionais dos sistemas de caixilharia No caso das propriedades associadas à resistência ao vento, à estanquidade à água e à permeabilidade ao ar, são definidas classes de desempenho (classes determinadas exclusivamente através de ensaios em laboratório) em função de pressões de referência associadas à acção do vento Exemplo de classes de desempenho definidas na EN : Portas e janelas (#) resistência vento estanquidade à água permeabilidade ao ar 7

8 4. Avaliação da qualidade de desempenho nos sistemas de caixilharia exterior A avaliação da aptidão ao uso e o nível de qualidade de desempenho dos sistemas de caixilharia é realizada através da comparação entre as classes determinadas em ensaios laboratoriais (definidas na marcação CE) e as classes mínimas de desempenho expectável (definidas em especificações do LNEC - ITE 51) O ITE 51 define para Portugal classes mínimas de desempenho expectável para caixilhos em várias condições de exposição ao vento nos edifícios Exemplo de aplicação para avaliar a aptidão ao usode janelas: Condições de exposição de um conjunto de janelas (dados existentes no projecto do edifício): Janelas com vidro duplo localizadas a uma cota de 40 m (cota do terreno até 1/2 altura das janelas em análise) numa fachada não abrigada (sem protecção conferida por edifícios adjacentes) de um Edifício localizado na periferia da zona urbana de Matosinhos (rugosidade do solo tipo II) a uma distância inferior a 1Km do mar (Zona B). 8

9 4. Avaliação da qualidade de desempenho nos sistemas de caixilharia exterior Classes mínimas de desempenho definidas pelo ITE 51 para janelas exteriores Estanquidade à água Resistência ao vento Classes mínimas de desempenho (ITE 51) Estanquidade à água: 6A Resistência ao vento: 5B (1) Permeabilidade ao ar Permeabilidade ao ar: 2 (1) ITE 51 define a utilização da classe de deformação B para janelas com vidro duplo 9

10 Características de desempenho de uma janela tipo testada em laboratório (definidas na marcação CE que é obrigatória para portas e janelas desde Fev.2010): Solicitar ao fabricantes de caixilhos o certificado da marcação CE com as propriedades da janela (1) Classes de desempenho da janela (Marcação CE) Resistência ao vento: 5B Estanquidade à água: 8A Permeabilidade ao ar: 4 Conclusão: Classes da Marcação CE Classes mínimas ITE 51 => Janela adequada para as condições de exposição em análise Nota (1): Em Portugal - NP EN :2008.Janelas e portas. Norma de produto, características de desempenho. Parte 1: Janelas e portas pedonais exteriores sem características de resistência ao fogo e/ou de estanquidade ao fumo. 10

11 5. Caracterização experimental em laboratório dos sistemas de caixilharia O (LSC) do Departamento de Engenharia Civil da FEUP desenvolveu uma estrutura de ensaios que visa testar sistemas de caixilharia em laboratório (portas, janelas exteriores e fachadas-cortina), designadamente: Ensaios standard visando a determinação das classes de desempenho de resistência ao vento, de estanquidade à água e de permeabilidade ao ar, de acordo com a normalização europeia Ensaios de desenvolvimento que visam apoiar o estudo e desenvolvimento de protótipos de caixilharia com comportamento melhorado aos efeitos da água da chuva e da acção do vento Este sistema possibilita ainda utilizar os resultados experimentais para calibrar e validar modelos matemáticos que visam simular o estado de tensão/deformação de caixilhos submetidos às solicitações do vento 11

12 5. Caracterização experimental em laboratório dos sistemas de caixilharia Descrição Sucinta do Sistema de Ensaio Câmara de Ensaios Estrutura rígida para montagem dos protótipos em câmara fechada (zona interior da câmara simula o exterior dos caixilhos no edifício) Sistema Hidráulico de Aspersão de Água Circuito de água sob pressão que permite a simulação da acção da água chuva nos caixilhos (actua em simultâneo com a acção simulada do vento) Sistema Electromecânico Permite simular o efeito da acção do vento nos caixilhos através da pressurização/despressurização da câmara de ensaios (capacidade de simular pressões equivalentes a ventos com 250 km/h) 12

13 5. Caracterização experimental em laboratório dos sistemas de caixilharia Exemplos de Ensaios Fachadas-cortinacortina envidraçadas com caixilho de alumínio Ensaios standard e de desenvolvimento visando determinar as classes de desempenho (estanquidade água, permeabilidade ao ar e resistência ao vento) 13

14 5. Caracterização experimental em laboratório dos sistemas de caixilharia Exemplos de Ensaios - Portas e Janelas com caixilho de alumínio Ensaios standard e desenvolvimento visando determinar as classes de desempenho (estanquidade água, permeabilidade ao ar e resistência ao vento) 14

15 5. Caracterização experimental em laboratório dos sistemas de caixilharia Exemplo de Ensaios - Portas e Janelas com caixilho em madeira Ensaios visando a reabilitação de janelas melhoria da estanquidade à água da janela Ensaios standard para determinar as classes de desempenho 15

16 5. Caracterização experimental em laboratório dos sistemas de caixilharia Exemplo de simulações numéricas Fachada-cortinacortina de alumínio Simulação numérica visando um estudo da deformabilidade e resistência de um modulo de fachada com maiores dimensões em relação a um módulo de fachada mais pequeno testado e laboratório 16

17 5. Caracterização experimental em laboratório dos sistemas de caixilharia Descrição Sucinta do Sistema de Ensaio A gestão dos sistemas electromecânico e hidráulico é realizada por intermédio de um sistema electrónico de controlo automático Os parâmetros necessários para a realização dos ensaios (valores da pressão positiva/negativa do ar em função do tempo e caudal de água) são introduzidos no sistema de controlo através de um programa de computador Exemplo da introdução no programa de computador do diagrama de pressão/tempo necessário para o ensaio de permeabilidade ao ar 17

18 5. Caracterização experimental em laboratório dos sistemas de caixilharia Descrição Sucinta do Sistema de Ensaio O sistema permite a aquisição e registo dos dados dos ensaios em tempo real e em simultâneo (valor da pressão/depressão, do caudal de água e de ar e da medição dos deslocamentos dos caixilhos montados na câmara de ensaios) Exemplo da aquisição e registo de dados durante um ensaio de permeabilidade ao ar Pressão Caudal de ar Diagrama pretendido/normalizado de ensaio (pressão/tempo) Diagrama de ensaio real - Aquisição e registo em simultâneo da pressão e do caudal de ar escoado por uma janela durante o ensaio 18

19 5. Caracterização experimental em laboratório dos sistemas de caixilharia Descrição Sucinta do Sistema de Ensaio Exemplo da aquisição e registo de dados durante um ensaio de resistência ao vento (medição da deformações nos perfis mais desfavoráveis #) Deslocamentos LVDT S Pressão +/- e Caudal de ar 19

20 6. Desempenho de caixilhos em laboratório Metodologia de ensaio Exemplo Os caixilhos são montados na câmara de ensaios pelo Instalador/Fabricante nas mesmas condições de montagem em obra 20

21 6. Desempenho de Caixilhos em Laboratório Metodologia de ensaio Exemplo Realização do ensaio de permeabilidade ao ar - A determinação da respectiva classe de desempenho é realizada através da comparação entre o caudal ar escoado pelo caixilho e o caudal de referência normalizado para diferentes patamares de pressão/depressão Registo dos Patamares de Pressão Registo do caudal de ar Linha de tendência experimental inferior ao limite de referência da classe 4 Comparação dos resultados de ensaio com limites de referencia normativos visando a determinação da classe de permeabilidade ao ar 21

22 6. Desempenho de Caixilhos em Laboratório Metodologia de ensaio Exemplo Realização do ensaio de estanquidade à água A classe de desempenho é atribuída em função da perda de estanquidade observada no protótipo durante a realização do ensaio num dado patamar de pressão Caudal de água Patamar com perda de estanquidade Patamares de Pressão 7A 1A 2A 3A 4A 5A 6A Acção simultânea dos patamares de pressão do ar e caudal de água com indicação das classes correspondentes Registo esquemático dos locais onde se observou a perda de estanquidade para um dado patamar de pressão 22

23 6. Desempenho de Caixilhos em Laboratório Metodologia de ensaio Exemplo Realização do ensaio de resistência ao vento A classificação resulta de uma avaliação dos resultados de 3 ensaios: ensaio de deformação (P1), ensaio cíclico (P2) e ensaio de segurança (P3) - P1= pressão de serviço (E.L. Utilização); P2=0,5 P1 ; P3=1,5 P1 (E.L. Últimos) Ensaio de Deformação Registo dos deslocamentos Determinar a flecha absoluta e relativa dos elementos do caixilho e detectar eventuais perdas de funcionalidade ou danos permanentes em condições de serviço Registo das pressões + câmara de ensaio pressões + deslocamentos Registo das pressões - caixilho 23

24 6. Desempenho de Caixilhos em Laboratório Metodologia de ensaio Exemplo Realização do ensaio de resistência ao vento A classificação resulta de uma avaliação dos resultados de 3 ensaios: ensaio de deformação (P1), ensaio cíclico (P2) e ensaio de segurança (P3) - P1= pressão de serviço (E.L. Utilização); P2=0,5 P1 ; P3=1,5 P1 (E.L. Últimos) 1 ciclo de pressão negativa/ positiva Ensaio de Cíclico Detectar perdas de funcionalidade nos caixilhos devido à acção cíclica do vento: empenos e perda de capacidade de manobra dos elementos móveis ou fixos Incremento do caudal de ar escoado, realizando um 2º ensaio de permeabilidade ao ar 50 Ciclos de Pressão Positiva /Negativa 24

25 6. Desempenho de Caixilhos em Laboratório Metodologia de ensaio Exemplo Realização do ensaio de resistência ao vento A classificação resulta de uma avaliação dos resultados de 3 ensaios: ensaio de deformação (P1), ensaio cíclico (P2) e ensaio de segurança (P3) - P1= pressão de serviço (E.L. Utilização); P2=0,5 P1 ; P3=1,5 P1 (E.L. Últimos) Ensaio de Segurança Verificar estabilidade e detectar eventuais danos permanentes nos caixilhos em situações de ventos extremos 1 ciclo de pressão negativa/ positiva 25

26 6. Desempenho de Caixilhos em Laboratório Metodologia de ensaio Exemplo LSC Síntese dos resultados obtidos neste exemplo em termos de classes de desempenho normalizadas para a marcação CE: Permeabilidade ao Ar: Classe 4 (classes 1 a 4) Estanquidade à água: Classe 7A (classes 1 a 9; A designa caixilho não abrigado) Resistência ao vento: Classe 4C (classes de pressão 1 a 5; A,B,C designam classes de flecha relativa) - A classificação da resistência ao vento resulta da verificação dos seguintes requisitos: Requisito Critério de Verificação Valor obtido em Ensaio Resultado Deflexão frontal relativa (flecha relativa) 1/ 150 (Classe A) 1/ 200 (Classe B) 1/ 300 (Classe C) (1) 1/872 (classe 4) Satisfaz Classe C Incremento de caudal de ar após realização do ensaio de deformação e do ensaio cíclico depressão/pressão 20% do caudal máximo de ar permitido pela classe de permeabilidade ao ar obtida 10% Satisfaz Danos observados a uma distância de 1m com luz natural Não devem existir Não se observaram danos Satisfaz 26

27 6. Desempenho de Caixilhos em Laboratório Avaliação global do comportamento Tendo como base as classes de desempenho mínimas estabelecidas pelo ITE 51 e os resultados obtidos nos diversos ensaios realizados em Laboratório, verifica-se a tendência para ocorrer os seguintes aspectos: A resistência e estabilidade mecânica dos caixilhos é satisfatória quando submetidos a cargas de ventos extremos, não se verificando a rotura e a deformação excessiva e permanente dos seus elementos A deformação dos elementos dos caixilhos é frequentemente pouco equilibrada quando submetidos a cargas de vento em serviço varia entre muito deformável e muito rígida (afasta-se muito dos limites de referência de 1/150 e 1/300) As classes de permeabilidade ao ar atingem valores acima das classes mínimas e atingem-se classes distintas em pressão positiva e em pressão negativa (assimetrias de comportamento associado ao sistema construtivo dos caixilhos) As classes de estanquidade à agua atingem valores abaixo das classes mínimas e são muito sensíveis a erros de concepção e montagem 27

28 6. Desempenho de Caixilhos em Laboratório Avaliação global do comportamento - Exemplos LSC Exemplo da deformação pouco equilibrada Caixilho muito deformável (flecha relativa de 1/67 muito superior ao limite permitido de 1/150) quando submetido à acção simulada do vento em serviço de intensidade moderada (pressão negativa de 600Pa ou 60kg/m 2 equivalente a ventos com 110 km/h - forte temporal) Deslocamentos nos perfis dos caixilhos 40mm Pressões de ensaio -600 Pa 28

29 6. Desempenho de Caixilhos em Laboratório Avaliação global do comportamento - Exemplos LSC Exemplo de perda de estanquidade de caixilhos simultaneamente submetidos à acção simulada do vento em serviço de baixa intensidade (pressão 200Pa ou 20kg/m 2 equivalente a ventos com 65 km/h - vento forte) e à acção da chuva (caudal de água de 2 l/minuto/m 2 equivalente a uma precipitação de 180mm) Caudal de água Patamares de pressão de ensaio Patamar de pressão com perda de estanquidade 29

30 7. Factores que influenciam o desempenho dos caixilhos Qualidade de fabrico e montagem dos caixilhos Grande influência no desempenho da estanquidade à água e permeabilidade ao ar Exemplos de alguns aspectos que parecem melhorar o desempenho Execução cuidada durante a montagem e isolamento adequado das ligações entre os perfilados, as ferragens e as juntas de estanquidade Instalação cuidada das folhas de preenchimento (normalmente em painéis de vidro) Esquadria e posicionamento cuidado dos caixilhos no vão respeitando critérios de tolerância geométricos Qualidade do corte e maquinagem dos perfilados em fábrica 30

31 7. Factores que influenciam o desempenho dos caixilhos A qualidade da concepção dos sistemas de caixilharia Grande influência no desempenho global e na qualidade de montagem dos caixilhos Exemplos de alguns aspectos que parecem melhorar o desempenho estudos detalhados visando a definição adequada dos canais de escoamento de água e de ar e de juntas de estanquidade (empírico) Desempenho global Escolha de perfis com geometria adequada às solicitações do vento em situações de serviço e em situações extremas Definição de rigidez suficiente nas uniões de perfis e ferragens e ligação adequada dos caixilhos ao vão (disposição e número de fixações) Realização de estudos que, por intermédio de simulações numéricas ou experimentais, visam a optimização do comportamento dos caixilhos ao nível das deformações e tensões Qualidade de montagem Pormenorização suficiente das soluções construtivas visando uma montagem adequada dos caixilhos em obra, sem improvisações 31

32 8.Conclusões Assim, para a melhoria do desempenho das caixilharias os seguintes aspectos parecem fundamentais: Caracterização experimental do comportamento dos caixilhos em laboratório na fase de concepção e desenvolvimento dos sistemas construtivos, facilitando assim o processo de certificação do produto; Sensibilizar os agentes da construção para a importância da influência da qualidade da concepção, desenvolvimento e montagem no desempenho dos caixilhos Fabricantes Instaladores Projectistas 32

33 8. Conclusões Os Fabricantes Promover estudos de concepção e desenvolvimento mais aprofundados recorrendo a estudos teóricos e experimentais especializados Garantir o fornecimento de certificados de conformidade do produto de acordo com as normas europeias (marcação CE ou outras) Disponibilizar esquemas suficientemente claros e detalhados dos sistemas construtivos aos instaladores e projectistas Recorrer a processos de produção de caixilharia modernos e industrializados com controlo de qualidade; 33

34 8. Conclusões Os Instaladores Montagem cuidada das caixilharias em obra recorrendo à inspecção de pontos críticos durante a montagem dos caixilhos Privilegiar mão-de-obra especializada e experiente na construção de caixilharia Os Projectistas Especificar em projecto o desempenho pretendido para as caixilharias (adequado à situação de exposição dos caixilhos no edifício e respeitar o referencial de qualidade mínima de desempenho) Escolha de sistemas de caixilharia com certificados de conformidade (marcação CE) ou solicitar ao fabricante evidências do desempenho dos caixilhos 34

35 Bibliografia Sousa, H.; Sousa, R., Castro, M. - Caracterização experimental de caixilhos em laboratório. 3.º Congresso Nacional da Construção, Coimbra, pp.-, Sousa H., Sousa R. - Concepção de fachadas. Revista internacional Cadernos de Obra, nº 1, pp.73-77, 2009 Sousa, R., Giacomini, E. - O vidro nas fachadas. Construção Magazine - Revista Técnico-Científica de Engenharia Civil, nº 26, pp.15-18, Viegas, J. - Componentes de edifícios. Selecção de caixilharia e seu dimensionamento mecânico. ITE 51, LNEC, Pinto, A. - Componentes de edifícios. Aspectos de segurança e resistência mecânica do vidro. ITE 52, LNEC, Mimoso, J. Estanquidade à chuva em caixilharia de alumínio. ITE22, LNEC, EN Curtain walling Product standard. CEN, Brussels, September NP EN : Janelas e portas. Norma de produto, características de desempenho. Parte 1: Janelas e portas pedonais exteriores sem características de resistência ao fogo e/ou de estanquidade ao fumo. IPQ, Lisboa, Abril Site na internet : 35