SIMULAÇÃO NUMÉRICA DA HUMIDADE ASCENSIONAL EM EDIFÍCIOS HISTÓRICOS

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1 SIMULAÇÃO NUMÉRICA DA HUMIDADE ASCENSIONAL EM EDIFÍCIOS HISTÓRICOS MÁRIO JORGE ARAÚJO MORAIS 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 JULHO DE 2011

2 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2010/2011 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel Fax Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias PORTO Portugal Tel Fax Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil / Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 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.

3 Aos meus Pais

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5 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. i

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7 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. iii

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9 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. KEYWORDS: Rising damp, Wall Base Ventilation, Numerical Simulation, Historical Buildings. v

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11 ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS... i RESUMO... iii ABSTRACT... v 1. INTRODUÇÃO ENQUADRAMENTO INTERESSE E OBJECTIVOS DO TRABALHO ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURAÇÃO DO TEXTO HUMIDADE ASCENSIONAL INTRODUÇÃO TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO INTRODUÇÃO REDUÇÃO DA SECÇÃO ABSORVENTE INTRODUÇÃO DE TUBOS DE AREJAMENTO ELECTRO-OSMOSE CORTE HÍDRICO Introdução de barreiras químicas Introdução de barreiras físicas OCULTAÇÃO DAS ANOMALIAS Aplicação de revestimento Aplicação de forra interior separada por espaço de ar VENTILAÇÃO DA BASE DAS PAREDES ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS DIFERENTES SOLUÇÕES FICHAS RELATIVAS ÀS TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO WUFI 2D INTRODUÇÃO PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO FUNCIONAMENTO DO PROGRAMA DESCRIÇÃO vii

12 INFORMAÇÃO DO PROJECTO GEOMETRIA GRELHA MATERIAIS CONDIÇÕES INICIAIS CONDIÇÕES DE FRONTEIRA NA INTERFACE FONTES PARÂMETROS COMPUTACIONAIS CÁLCULO SAÍDA DE DADOS HUMIDADE ASCENSIONAL NUMA PAREDE MONOLÍTICA ESTUDOS DE SENSIBILIDADE INTRODUÇÃO ELEMENTOS NECESSÁRIOS PARA A EXECUÇÃO DE UMA SIMULAÇÃO CONFIGURAÇÕES DAS SIMULAÇÕES EFECTUADAS SIMULAÇÃO NUMÉRICA DA HUMIDADE ASCENSIONAL PARÂMETROS AVALIADOS INFLUÊNCIA DA ESPESSURA DA PAREDE INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES CLIMÁTICAS INFLUÊNCIA DAS PROPRIEDADES DO MATERIAL INFLUÊNCIA DA GEOMETRIA DO CANAL DE VENTILAÇÃO INFLUÊNCIA NA HUMIDADE ASCENSIONAL INFLUÊNCIA NO PROCESSO DE SECAGEM INFLUÊNCIA DA POSIÇÃO DO CANAL DE VENTILAÇÃO INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE/CAUDAL DE VENTILAÇÃO ESTUDO DE CRISTALIZAÇÃO DE SAIS CONCLUSÕES CONSIDERAÇÕES FINAIS DESENVOLVIMENTOS FUTUROS BIBLIOGRAFIA Anexo I... i I.1. CLIMAS ANALISADOS... i viii

13 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] Fig.2.7 Injecção (esquerda) e difusão (direita) Fig.2.8 Substituição parcial de alvenarias Fig.2.9 Método de Massari Fig.2.10 Método de Schöner Turn Fig.2.11 Classificação de revestimentos aplicáveis em substratos contendo sais (COMPASS): Secções representativas do revestimento aplicado no substrato (direita) [15] Fig.2.12 Execução de forra interior Fig.2.13 Ventilação da base das paredes Fig.3.1 Ecrã principal (WUFI 2D 3.3) Fig.3.2 Barra de menus Fig.3.3 Caixa de diálogo "Informação de projecto" Fig.3.4 Caixa de diálogo "Geometria" Fig.3.5 Caixa de diálogo "Grid" Fig.3.6 Caixa de diálogo "Materials" Fig.3.7 Selecção de materiais Fig.3.8 Atribuição de materiais Fig.3.9 Condições iniciais Fig.3.10 Condições de fronteira na interface Fig.3.11 Criação, edição e atribuição de condições de fronteira Fig.3.12 Criação de nova condição de fronteira Fig.3.13 Secção Surface Coefficients Fig.3.14 Secção " Climate" Fig.3.15 Definição de clima Fig.3.16 Definição de clima através de mapa ou ficheiro ix

14 Fig.3.17 Definição de clima através da criação de sinusóide Fig.3.18 Modelo físico em estudo Fig.3.19 Modelo numérico em estudo Fig.3.20 Definição das propriedades da fonte de renovação de ar Fig.3.21 Secção Simple da caixa de diálogo parâmetros computacionais Fig.3.22 Secção Enhanced da caixa de diálogo parâmetros computacionais Fig.3.23 Caixa de diálogo "Processing" antes de se iniciar a simulação Fig.3.24 Caixa de diálogo "Processing" no decorrer de uma simulação Fig.3.25 Temperatura, humidade relativa e teor de humidade na secção transversal da parede Fig.3.26 Teor de humidade num ponto específico do elemento em estudo ao longo do tempo de simulação Fig.4.1 Combinações de simulações em estudo Fig.4.2 Teor de humidade na secção transversal da parede ao fim de 1 ano de simulação Fig.4.3 Altura da frente húmida para as espessuras em estudo Fig.4.4 Valores observados (simulação numérica) e curva de ajuste Fig.4.5 Teor de humidade na secção transversal da parede ao fim de 1 ano de simulação Fig.4.6 Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ao longo do tempo de simulação no Porto Fig.4.7 Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ao longo do tempo de simulação em Munique Fig.4.8 Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ao longo do tempo de simulação em São Paulo Fig.4.9 Altura da frente húmida para os climas em estudo no final da simulação Fig.4.10 Teor de humidade na secção transversal da parede ao fim de 1 ano de simulação Fig.4.11 Monitor de recolha de dados Fig.4.12 Alturas da frente húmida para os diversos materiais em estudo ao fim de 1 ano de simulação Fig.4.13 Alturas da frente húmida para os granitos em estudo ao fim de 1 ano de simulação Fig.4.14 Teor de humidade na secção transversal da parede no fim da simulação Fig.4.15 Variação do teor de humidade total da parede ao longo do tempo de simulação Fig.4.16 Teor de humidade na secção transversal da parede Fig.4.17 Variação do teor de humidade total da parede ao longo do tempo de simulação Fig.4.18 Teor de humidade na secção transversal da parede no fim da simulação x

15 Fig.4.19 Variação do teor de humidade total da parede ao longo do tempo de simulação Fig.4.20 Teor de humidade na secção transversal da parede no fim da simulação Fig.4.21 Posição do monitor para recolha dos dados de humidade relativa na superfície interior 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 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 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 Fig.I.5 Clima LFC... vi xi

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17 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] Tabela 2.3 Principais tipos de produtos e respectiva forma de aplicação [2] Tabela 2.4 Análise comparativa das diferentes técnicas de tratamento Tabela 3.1 Propriedades de entrada e condições fronteira [19] Tabela 3.2 Propriedades dos materiais (dados de entrada) Tabela 3.3 Coeficiente de transporte líquido de sucção Tabela 3.4 Coeficiente de transporte líquido de redistribuição Tabela 4.1 Configurações geométricas analisadas Tabela 4.2 Propriedades higrotérmicas dos materiais analisados Tabela 4.3 Combinações de simulações e objectivos Tabela 4.4 Condições climáticas em estudo Tabela 4.5 Valores do teor de humidade e humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m Tabela 4.6 Curva higroscópica da Pedra de Ançã e da Sander Sandstone Tabela 4.7 Curva higroscópica do Granito Tabela 4.8 Valores do coeficiente de absorção para os granitos em análise Tabela 4.9 Propriedades higrotérmicas da areia Tabela 4.10 Caudais de ventilação em estudo Tabela 4.11 Teor de humidade total da parede no final da simulação e eficácia do sistema Tabela 4.12 Teor de humidade total da parede no final da simulação e eficácia do sistema Tabela 4.13 Teor de humidade total da parede no final da simulação e eficácia posicional do sistema Tabela 4.14 Velocidades e caudais de ventilação em estudo Tabela 4.15 Humidade relativa de cristalização dos sais em estudo Tabela 4.16 Número de ciclos de cristalização-dissolução e de dissolução-cristalização xiii

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19 SÍMBOLOS λ Condutibilidade térmica do material húmido (W/(m.K)) h v Entalpia de evaporação da água (J/kg) D φ Coeficiente de condução líquida (kg/(m.s)) δ p Permeabilidade ao vapor de água do material (kg/(m.s.pa)) T Temperatura (ºC) w Teor de humidade do material (kg/m 3 ) φ Humidade relativa (-) p sat Pressão de saturação do vapor de água (Pa) ρ Massa volúmica (kg/m 3 ) c p Calor específico (J/(kg.K)) ε Porosidade (m 3 /m 3 ) µ Factor de resistência à difusão de vapor (-) w 80 Teor de humidade para 80% de humidade relativa (kg/m 3 ) w sat Teor de humidade de saturação (kg/m 3 ) b factor de aproximação (-) D ws Coeficiente de transporte líquido de sucção (m 2 /s) D ww Coeficiente de transporte líquido de redistribuição (m 2 /s) A Coeficiente de absorção de água (kg/(m 2. s)) S Sorptividade (mm/ min) s d Espessura da camada de ar de difusão equivalente (m) h Condutância térmica superficial (W/(m 2.K)) xv

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21 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]. 1

22 Actualmente sabe-se que esta é uma técnica com potencialidades e com resultados comprovados ao nível do laboratório e através de avaliação in situ 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 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, apresentandose no final do capítulo um catálogo, que inclui um conjunto de fichas, onde 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. 2

23 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. 3

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25 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. Figura Águas freáticas e superficiais [3] Águas superficiais. 5

26 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. Figura Influência da colocação de material impermeável [3] 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. 6

27 2.2. TECNOLOGIAS DE TRATAMENTO 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 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. Figura Princípio de funcionamento da técnica de redução da secção absorvente 7

28 Apesar de se tratar de uma técnica interessante, não é muito utilizada devido a questões de índole estrutural 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. Figura Introdução de tubos de Knappen 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 Princípio de funcionamento e exemplo de aplicação do Schrijver System (catálogo comercial) 8

29 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]. Electro-osmose passiva Procede-se à ligação entre os eléctrodos da parede (ânodo) e do terreno (cátodo). Os eléctrodos são da mesma natureza. Tabela Sistemas electro-osmóticos [2] 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. 9

30 CORTE HÍDRICO Introdução 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). Figura Esquema de furação [8] 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 Injecção (esquerda) e difusão (direita) 10

31 Os principais tipos de produtos apresentam-se na tabela 2.2. Tabela Tipos e características dos produtos utilizados em barreiras químicas [7,8] Produtos Acrilamidas Organo-metálicos Resinas epoxídicas Silicatos Siliconatos Silicones Siloxanos Características 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. Produtos mais recentes constituídos por compostos orgânicos de titânio e de alumínio que se polimerizam em presença da água após a evaporação dos solventes. 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. 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. 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. Compostos macromoleculares dissolvidos em solventes hidrófugos, o que dificulta a impregnação, pelo que a sua aplicação implica um maior número de furos. 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. 11

32 Tabela Principais tipos de produtos e respectiva forma de aplicação [2] Produtos Tipo Modo de aplicação Hidrófugo Tapa-poros Injecção Difusão Acrilamidas - - Organo-metálicos - - Resinas epoxídicas - - Silicatos alcalinos - Siliconatos - - Silicones - - Siloxanos 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. Este método tem como inconvenientes a produção de vibrações e eventual instabilidade [7,8]. Figura Substituição parcial de alvenarias 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. 12

33 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]. Figura Método de Massari 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]. Figura Método de Schöner Turn OCULTAÇÃO DE ANOMALIAS Aplicação 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. 13

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

35 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. Figura Execução de forra interior 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] 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 Ventilação da base das paredes 15

36 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 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 Ventilação da base das paredes * - Aplicação em diferentes tipos de materiais e paredes ** - Aspecto estético da zona após tratamento Boa Média Bom Diminuição de áreas úteis. Na ausência de ventilação pode não apresentar os resultados esperados. Muito boa Boa Bom Instabilidade estrutural. Apenas aplicável acima do nível freático. 16

37 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. 17

38 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. 18

39 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. 19

40 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. 20

41 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.): Materiais utilizados Na tabela abaixo apresenta-se uma descrição e classificação dos produtos mais utilizados e respectiva forma de aplicação. 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. Produtos Acrilamidas Hidrófugo Tipo Modo de aplicação Injecção Difusão - - Tapaporos Organometálicos - - Resinas epoxídicas - - Silicatos Siliconatos Silicones Siloxanos Injecção (esquerda) e difusão (direita) Eficácia Este tipo de sistema apresenta geralmente muito boa eficácia. Limitações Paredes de elevada espessura e grande heterogeneidade. 21

42 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. 22

43 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 Eventual aparecimento de efluorescências. 23

44 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. 24

45 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 Limitações Este sistema apresenta muito boa eficácia. Instabilidade estrutural. Apenas executável acima do nível freático. 25

46 26

47 3 PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO WUFI 2D 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. 27

48 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. 28

49 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 Propriedades de entrada e condições fronteira [19] Programa Condições de fronteira Propriedades dos materiais Exterior Interior 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 D - Radiação solar I - Temperatura resistência à difusão ao vapor 4 - Condutibilidade 11 - Condutibilidade da E - Velocidade do vento II - Humidade relativa térmica água líquida 5 - Isotérmica de 12 - Capacidade F - Direcção do vento sorpção específica da humidade 6 - Permeabilidade 13 - Permeabilidade ao G - Precipitação III - Pressão ao vapor de água 7 - Difusividade do vapor de água ar A - Temperatura H - Trocas radiativas de onda longa atmosférica 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. 29

50 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: dh dt T t = (λ T) + h (δ ( φp v p sat )) (3.1) dw φ = (Dφ φ+δp ( φp dφ t sat )) (3.2) em que: dh/dt Capacidade de armazenamento de calor do material húmido (J/(m 3.K)) dw/dφ Capacidade de armazenamento de humidade do material húmido (kg/m 3 ) λ Condutibilidade térmica do material húmido (W/(m.K)) h v Entalpia de evaporação da água (J/kg) D φ Coeficiente de condução líquida (kg/(m.s)) δ p Permeabilidade ao vapor de água do material (kg/(m.s.pa)) T Temperatura (ºC) w Teor de humidade do material (kg/m 3 ) φ Humidade relativa (-) p sat Pressão de saturação do vapor de água (Pa) 30

51 3.3. FUNCIONAMENTO DO PROGRAMA DESCRIÇÃO 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 Informação do projecto Explorador de projecto Barra de estado Figura Ecrã principal (WUFI 2D 3.3) Figura Barra de menus 31

52 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 INFORMAÇÃO DO PROJECTO Esta caixa de diálogo (figura 3.3), de preenchimento opcional, permite a introdução de informações adicionais sobre o projecto em análise. Figura Caixa de diálogo "Informação de projecto" 32

53 3.3.3 GEOMETRIA Nesta caixa de diálogo (figura 3.4) é possível definir a geometria dos elementos de construção. Figura Caixa de diálogo "Geometria" GRELHA 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 Caixa de diálogo "Grid" 33

54 3.3.5 MATERIAIS Nesta caixa de diálogo é possível atribuir a cada elemento de construção o material pretendido (figura 3.6). Figura Caixa de diálogo "Materials" Genericamente as propriedades a definir são as apresentadas na Tabela 3.2. Tabela Propriedades dos materiais (dados de entrada) Massa volúmica ρ kg/m 3 Calor específico c p J/(kg.K) Porosidade ε % ou m 3 /m 3 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/(m 2. s) Teor de humidade de saturação w sat kg/m 3 Teor de humidade para 80% de humidade relativa w 80 kg/m 3 Coeficiente de transporte líquido D w (w 80, w sat ) m 2 /s 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 (w sat ) e ao teor de humidade para 80% de humidade relativa (w 80 ), 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), 34

55 em que: w sat Teor de humidade de saturação (kg/m 3 ) b factor de aproximação (-) φ Humidade relativa (-) w = w sat (b 1) φ b φ (3.3) 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, D ws, descreve a absorção da água quando a superfície está completamente molhada (presença de chuva), e o coeficiente de transporte líquido de redistribuição, D ww, 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 D ws aumenta exponencialmente com o aumento do teor de humidade, podendo considerar-se a seguinte relação entre D ws e o coeficiente de absorção de água: D ws (w) = 3,8 A w sat w w sat 1 (3.4) em que: D ws Coeficiente de transporte líquido de sucção (m 2 /s) A Coeficiente de absorção de água (kg/(m 2. s)) w sat Teor de humidade de saturação (kg/m 3 ) w Teor de humidade (kg/m 3 ) 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). 35

56 Tabela Coeficiente de transporte líquido de sucção w (kg/m 3 ) D ws (m 2 /s) 0 0 w 80 D ws (w 80 ) w sat D ws (w sat ) Do mesmo modo é também gerada uma tabela para o coeficiente de transporte líquido de redistribuição, D ww : Tabela Coeficiente de transporte líquido de redistribuição w (kg/m 3 ) D ww (m 2 /s) 0 0 w 80 D ws (w 80 ) w sat (D ws (w sat ))/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) (5) (2) (4) (3) Figura 3.7 Selecção de materiais 36

57 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). (1) (2) Figura Atribuição de materiais CONDIÇÕES 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. (1) (3) (2) Figura Condições iniciais 37

58 3.3.7 CONDIÇÕES 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). (1) Figura 3.10 Condições de fronteira na interface 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). (3) (1) (2) Figura Criação, edição e atribuição de condições de fronteira 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. 38

59 (1) Figura Criação de nova condição de fronteira Figura Secção Surface Coefficients 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. 39

60 (1) (2) (3) Figura Secção "Climate" Na secção Climate (figura 3.14) é possível definir em (1) a orientação da superfície em termos de azimute e inclinação. Em (2) definem-se os coeficientes utilizados pelo programa para o cálculo da quantidade de chuva que é conduzida para a superfície em questão. Clicando em (3) é possível definir o clima a utilizar, surgindo uma nova caixa de diálogo (figura 3.15). (1) (2) Figura 3.15 Definição de clima Na janela apresentada na figura 3.15, clicando em (2) abre-se uma nova janela (figura 3.16) onde é possível seleccionar um clima da base de dados do programa a partir do mapa (1), ou inserir um clima através de um ficheiro climático (2). 40

61 (1) (2) Figura Definição de clima através de mapa ou ficheiro Ainda na janela da figura 3.15, clicando em (1) surge uma nova caixa de diálogo (figura 3.17) onde é possível aceder a climas já pré-definidos pelo programa ou criar um definido pelo utilizador (1). (1) Figura Definição de clima através da criação de sinusóide Neste trabalho como climas exteriores foram considerados o clima da cidade do Porto (Anexo I figura I.1), São Paulo (Anexo I figura I.2) e Munique (Anexo I figura I.3). Os climas de Porto e São Paulo não se encontram na base de dados do WUFI, pelo que se consideraram os dados relativos ao ano de referência de 2005, obtidos pelo Meteonorm 6.0. Como clima interior optou-se por gerar uma função sinusoidal (Anexo I figura I.4) que se aproximasse o mais possível do clima que se verifica no interior de uma igreja ao longo do ano. Foi ainda simulada uma parede no interior do Laboratório de Física das Construções LFC, também recorrendo à criação de uma sinusóide, utilizando-se o clima definido na figura I.5 do Anexo I nas duas faces da parede. 41

62 A simulação da ascensão capilar pretendida neste trabalho foi feita através da inserção de um ficheiro climático.kli, na base da parede, com uma quantidade de chuva constante, 100l/(m 2.h) FONTES A opção de inserir fontes nos elementos de construção apenas se encontra disponível clicando na secção Sources no diálogo lateral Explorador de projecto. Aqui podemos inserir uma fonte de calor, uma fonte de humidade ou uma fonte de renovação de ar. Neste trabalho foi necessário a inserção de duas fontes de renovação de ar na base da parede, com o objectivo de estudar a influência de um canal de ventilação no tratamento da humidade ascensional, com caudal constante, associadas ao clima exterior, isto é, as condições climáticas (temperatura e humidade relativa) do ar que entra no canal de ventilação são iguais às condições climáticas consideradas para o exterior. Fisicamente um dos modelos em estudo encontra-se representado na figura Figura Modelo físico em estudo Neste estudo a areia permaneceu sempre com uma humidade relativa de 100%. Optou-se por esta situação por ser a mais desfavorável, sendo também aquela que se verifica mais frequentemente nas construções históricas. Em termos de simulação numérica o programa WUFI 2D 3.3 permite recriar exactamente o modelo representado na figura 3.18 e inserir as fontes de renovação de ar. Na figura 3.19 apresenta-se o modelo em estudo inserido no programa de cálculo e a inserção das fontes de renovação de ar. 42

63 (1) Figura Modelo numérico em estudo Após a inserção das fontes é possível definir as propriedades de cada fonte de renovação de ar clicando em (1), abrindo-se uma nova caixa de diálogo (figura 3.20). Nesta caixa de diálogo é possível definir o tipo de caudal, constante (1) ou variável (2). No caso da selecção de caudal variável, é necessária a criação de um ficheiro com os valores do caudal em cada intervalo de tempo e posterior importação deste. Tal como já referido, neste trabalho o caudal presente no canal de ventilação foi mantido constante durante a simulação. Para se reproduzir esta situação é necessário clicar em (1) e inserir o valor referente ao caudal horário em (3). Em (4) definem-se as condições climáticas (temperatura e humidade relativa) do ar utilizado na ventilação da base da parede através da sua associação a uma das condições de fronteira na interface criadas anteriormente. (1) (2) (3) (4) Figura Definição das propriedades da fonte de renovação de ar 43

64 3.3.9 PARÂMETROS COMPUTACIONAIS É nesta caixa de diálogo que se definem os valores de parâmetros como a data de início de uma simulação, o número de intervalos de tempo, a duração de um intervalo de tempo e a informação contida no ficheiro de resultados. Esta caixa de diálogo encontra-se dividida em 2 secções, Simple e Enhanced. Na secção Simple (figura 3.21) é possível definir a data de início de uma simulação (1), o número de intervalos de tempo (2) e o conteúdo do ficheiro de resultados (3). (1) (2) (3) Figura 3.21 Secção Simple da caixa de diálogo parâmetros computacionais Na secção Enhanced (figura 3.22) é possível definir a duração de um intervalo de tempo (1), entre outros parâmetros para utilizadores avançados. (1) Figura Secção Enhanced da caixa de diálogo parâmetros computacionais 44

65 CÁLCULO Para dar início ao cálculo é necessário clicar no botão Start (1) na caixa de diálogo de processamento (figura 3.23). Após o início do cálculo ficam disponíveis duas opções Suspend (2) e Terminate (3) (figura 3.24), que permitem, respectivamente, parar o processo de cálculo ou suspender todo o processo de cálculo. (1) Figura Caixa de diálogo "Processing" antes de se iniciar a simulação (2) (3) Figura Caixa de diálogo "Processing" no decorrer de uma simulação SAÍDA DE DADOS O menu Output apresenta quatro opções: Ver resultados na secção transversal do elemento: onde é possível ver um filme 2D que mostra a variação do teor de humidade, temperatura e humidade relativa, ao longo do tempo de simulação na secção transversal do elemento de construção (figura 3.25); 45

66 Ver resultados: aqui é possível obter a variação do teor de humidade, temperatura e humidade relativa, ao longo do tempo de simulação, para a totalidade do elemento em estudo ou para um ponto específico deste (figura 3.26). Clicando com o botão do lado direito do rato sobre o gráfico é ainda possível exportar os dados (1) como um ficheiro em formato.txt, que pode ser aberto com o auxílio do Excel para posterior tratamento de dados; Analisar a convergência: onde é possível analisar a convergência das diversas iterações realizadas pelo programa; Ver relatório: gera um relatório com os dados introduzidos. Figura 3.25 Temperatura, humidade relativa e teor de humidade na secção transversal da parede (1) Figura 3.26 Teor de humidade num ponto específico do elemento em estudo ao longo do tempo de simulação 46

67 4 HUMIDADE ASCENSIONAL NUMA PAREDE MONOLÍTICA ESTUDOS DE SENSIBILIDADE 4.1. INTRODUÇÃO No capítulo anterior apresentou-se em detalhe o programa de cálculo WUFI 2D 3.3 com indicação de todos os passos necessários à execução de uma simulação. Partindo dos dados de entrada definidos pelo utilizador, o programa WUFI 2D 3.3 calcula a evolução temporal da temperatura, humidade relativa e teor de humidade nos elementos de construção. O programa foi desenvolvido especificamente para edifícios, permitindo estudar o comportamento de elementos de construção expostos a condições atmosféricas. As condições de fronteira necessárias são os parâmetros meteorológicos tais como temperatura, humidade relativa, radiação solar, entre outras, e ainda os coeficientes de transferência de calor e humidade superficiais. Para proceder ao cálculo o programa necessita, para cada intervalo de tempo, dos seguintes dados climáticos: Chuva (l/(m 2.h)): carga incidente na superfície vertical exterior. Para a sua determinação é considerada a orientação e inclinação da superfície; Radiação solar (W/m 2 ): radiação solar incidente na superfície vertical exterior. Para o cálculo da radiação incidente numa superfície o programa WUFI 2D 3.3 tem em consideração a sua inclinação e orientação; Temperatura ( C): do ar interior e exterior; Humidade relativa (%): do ar interior e exterior; Pressão atmosférica (hpa); Vento: velocidade e direcção do vento; Grau de nebulosidade. 47

68 Para além destes dados o programa necessita ainda dos coeficientes de transferência superficiais: Valor da espessura da camada de ar de difusão equivalente, s d (m): valor na superfície interior e exterior; Condutância térmica superficial, h (W/(m 2.K)): condutância térmica superficial na superfície exterior e interior; Coeficiente de absorção de radiação de onda curta (-): traduz a fracção da radiação solar incidente que é absorvida pela superfície do elemento; Emissividade de radiação de onda longa (-): representa a emissividade da superfície para radiação térmica; Factor de absorção da água da chuva (-): este factor tem em consideração o facto de parte da água da chuva que atinge as superfícies salpicar, não se encontrando disponível para absorção capilar ELEMENTOS NECESSÁRIOS PARA EXECUÇÃO DE UMA SIMULAÇÃO Os elementos necessários para execução de uma simulação no programa WUFI 2D 3.3 são os seguintes: Definição da geometria do(s) elemento(s) de construção em análise e indicação do número mínimo e máximo de elementos que compõe a grelha, sendo depois automaticamente gerada a grelha que melhor se adapte ao(s) elemento(s) em estudo; Propriedades higrotérmicas de todos os materiais envolvidos; Condições climáticas em todas as superfícies. No caso deste trabalho, estudo da humidade ascensional em paredes, a superfície inferior encontra-se em contacto com a água líquida; Coeficientes de transferência de calor e humidade superficiais; Condições iniciais (temperatura e humidade relativa/teor de humidade). Após o fornecimento dos dados acima referidos inicia-se o cálculo partindo das condições iniciais definidas. Para cada um dos sucessivos intervalos de tempo o programa de cálculo resolve as equações de transferência de calor e humidade, tendo como critério de paragem o critério de convergência. Concluído o cálculo de todos os intervalos de tempo é possível retirar os valores de temperatura, teor de humidade e humidade relativa para cada ponto constituinte da grelha. 48

69 4.3. CONFIGURAÇÕES DAS SIMULAÇÕES EFECTUADAS O estudo numérico da humidade ascensional iniciou-se tendo como base um elemento monolítico com 2m de altura e 0,4m de espessura, com a sua base imersa em água, de forma a simular o comportamento de uma parede sujeita à humidade ascensional. Partindo deste elemento foram efectuadas diversas simulações que contemplaram o estudo da influência da espessura da parede, das condições climáticas interiores e exteriores, do tipo de material, da geometria do canal de ventilação, velocidade/caudal do ar no interior deste, e a influência do seu posicionamento. Todas as simulações efectuadas no âmbito deste trabalho tiveram a duração de 1 ano, correspondente a 8760h, iniciando-se sempre no dia 1 Janeiro. Neste trabalho foram analisadas as configurações apresentadas na tabela 4.1. As configurações referentes ao estudo geral incluíram a análise da influência da espessura da parede, dos climas exteriores e interiores, do tipo de material, da geometria, e da velocidade do ar no interior do canal de ventilação. As configurações do estudo específico centraram-se apenas no estudo da posição do canal de ventilação. A areia presente nas configurações em estudo permaneceu sempre com uma humidade relativa de 100%. Optou-se por esta situação por ser a mais desfavorável, sendo também aquela que se verifica mais frequentemente nas construções históricas. 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. A razão da escolha destes materiais prende-se com o facto de serem os mais correntemente observados nas construções históricas. As propriedades higrotérmicas destes materiais apresentam-se na tabela 4.2. Os climas exteriores em estudo foram o clima da cidade do Porto (Anexo I figura I.1), São Paulo (Anexo I figura I.2) e Munique (Anexo I figura I.3). Como clima interior optou-se por gerar uma função sinusoidal (Anexo figura I.4) que se aproximasse o mais possível do clima que se verifica no interior de uma igreja ao longo do ano. Foi ainda simulada uma parede no interior do Laboratório de Física das Construções LFC utilizando-se o clima definido na figura I.5 do Anexo I nas duas faces. O ar utilizado no canal de ventilação da base da parede encontra-se associado ao clima exterior, isto é, as condições climáticas (temperatura e humidade relativa) do ar que entra no canal de ventilação são iguais às condições climáticas consideradas para o exterior. O sistema que permitiu efectuar a ventilação da base da parede é um sistema de ventilação mecânica, o que permitiu a definição de um caudal horário no decorrer da simulação. 49

70 Tabela 4.1 Configurações geométricas analisadas Estudo geral Estudo específico (Posição canal de ventilação) C1 C7 C2 C8 C3 C9 C4 C10 C5 C6 50

71 Tal como é possível observar na tabela 4.1, nas configurações que incluem a presença de um canal de ventilação a redução da quantidade de água ascendente é feita não apenas com a inserção de um canal de ventilação, mas também pela redução das infiltrações laterais, devido à existência de uma membrana, nas superfícies verticais da parede, desde a cota superior do canal de ventilação até à cota superior da areia. Esta membrana envolve também o canal de ventilação. Tabela Propriedades higrotérmicas dos materiais analisados Pedra de Ançã Sander Sandstone Solid Brick Historical Granito Massa Volúmica (kg/m 3 ) Porosidade (m 3 /m 3 ) 0,197 0,170 0,310 0,125 Calor Específico (J/(kg.K)) Condutibilidade térmica (W/(m.K)) 1,33 1,60 0,60 2,30 Factor de resistência à difusão de vapor (-) 29, Teor de humidade de saturação (kg/m 3 ) Coeficiente de Absorção de água (kg/(m 2. s )) 0,024 0,021 0,360 0,012 Sorptividade (mm/ min ) 0,186 0,163 2,788 0,093 Na tabela 4.3 encontra-se uma síntese das simulações efectuadas com indicação dos objectivos pretendidos. Na figura 4.1 apresenta-se um quadro com um esquema de cores onde se pretende ilustrar as diferentes combinações de configurações, espessuras, materiais e climas. 51

72 Tabela Combinações de simulações e objectivos Simulações estudadas Objectivo Cor (figura 4.1) Espessuras de 20, 40, 60, 80 e 100cm para configuração C1 para Porto e material Pedra de Ançã. Estudo da influência da espessura da parede. Configuração C1 para 5 climas (Porto, Munique, São Paulo, Clima interior de igreja e LFC) e material Pedra de Ançã. Estudo da influência do clima. Configuração C1 para Porto com 4 materiais: Pedra de Ançã, Sander Sandstone, Solid Brick Historical e Granito. Estudo da influência do material. Configurações C2, C3, C4, C5 e C6 para Porto com material Pedra de Ançã. Estudo da influência da geometria do canal de ventilação. Configurações C7, C8, C9, C10 para Porto com material Pedra de Ançã. Estudo da influência da posição do canal de ventilação. Recolha dos dados de HR superf na superfície interior à cota 2,0m para configuração C2 para Porto e Munique com material Pedra de Ançã. Estudo de cristalização de sais. 52

73 Configuração geométrica Simulação Numérica da Humidade Ascensional em Edifícios Históricos Espessura Material Clima face exterior Clima face interior C1 20cm E1 Pedra de Ançã M1 Porto CE1 Clima interior de Igreja C2 40cm E2 Sander Sandstone M2 Munique CE2 LFC CI2 CI1 C3 60cm E3 Solid Brick Historical M3 São Paulo CE3 C4 80cm E4 Granito M4 C5 100cm E5 C6 C7 C8 C9 C10 Figura Combinações de simulações em estudo A leitura conjunta da tabela 4.3 e da figura 4.1 permite identificar as diferentes configurações em estudo. A título de exemplo, podemos verificar na tabela 4.3 que a cor verde encontra-se associada ao estudo da influência dos materiais. Na figura 4.1 é possível verificar que este estudo centrou-se na configuração C1, espessura E2, materiais M1, M2, M3 e M4, clima exterior CE1 e clima interior CI1. 53

74 4.4 SIMULAÇÃO NUMÉRICA DA HUMIDADE ASCENSIONAL PARÂMETROS AVALIADOS INFLUÊNCIA DA ESPESSURA DA PAREDE O estudo iniciou-se considerando uma parede monolítica com 2m de altura e espessura inicial de 0,2m. Progressivamente foi-se aumentando a espessura da parede até 1m em intervalos de 0,2m. Neste estudo considerou-se o material Pedra de Ançã, clima exterior CE1 e clima interior CI1. Figura 4.2 Teor de humidade na secção transversal da parede ao fim de 1 ano de simulação Para cada espessura em estudo calculou-se a altura da frente húmida. O critério utilizado neste trabalho para a definição desta altura, designada por h(m) e exemplificada na figura 4.2 para a espessura E1, foi a transição entre os valores de teor de humidade de equilíbrio com os ambientes exterior e interior, e os valores de teor de humidade observados na parede devido à presença da humidade ascensional. Assim, observando a figura 4.2 a transição verifica-se na passagem do intervalo [0;20] para o intervalo [20;40] definido na escala. Na figura 4.3 apresentam-se as alturas correspondentes à altura h(m) para cada espessura de parede. 54

75 h (m) 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Espessura (m) Figura Altura da frente húmida para as espessuras em estudo Observando a figura 4.3 verifica-se que com o aumento da espessura da parede aumenta também a altura de água atingida pela humidade ascensional. No entanto, o acréscimo na altura da frente húmida para cada intervalo de 20cm de espessura de parede é sucessivamente menor, facto observado nos declives das rectas, sucessivamente menores, que unem os valores de h(m) entre cada acréscimo de 20cm de espessura. Aos valores obtidos na figura 4.3 ajustou-se uma função que permitisse obter um valor máximo que a frente húmida possa atingir para este material sujeito às condições climáticas em estudo. Deste modo, a preocupação não se centrou apenas nos valores de R 2 dos ajustes possíveis, centrando-se também no objectivo de se obter uma equação matemática que permitisse a determinação de uma assímptota quando. Assim, a equação que permitiu atingir estes objectivos, com um valor de R 2 de 0,979, é: 0,085 0,78 (4.1) Na figura 4.4 apresenta-se uma comparação entre os resultados provenientes da simulação numérica e a curva de ajuste enunciada na equação

76 h (m) 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Espessura (m) Valores observados (simulação numérica) Curva de ajuste Figura Valores observados (simulação numérica) e curva de ajuste Como é possível verificar pela equação 4.1 o lim f x 0,78, o que permite concluir que, para o material Pedra de Ançã sujeito às condições climáticas em estudo, com o aumento da espessura da parede a altura da frente húmida tende a estabilizar neste valor INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES CLIMÁTICAS Após o estudo da influência da espessura procedeu-se ao estudo da influência das condições climáticas. Em todas as simulações efectuadas foi considerada uma parede monolítica constituída por Pedra de Ançã com 2m de altura e espessura de 0,40m. Neste estudo efectuaram-se 4 simulações. Inicialmente considerou-se uma parede exterior com um clima interior fixo (CI1), variando apenas o clima exterior. Neste caso, considerou-se como climas exteriores o clima CE1, CE2 e CE3. De seguida, com o objectivo de avaliar o comportamento de uma parede no interior do Laboratório de Física das Construções - LFC, realizou-se uma simulação na qual foi considerado o clima CI2 em ambas as faces da parede. Na tabela 4.4 apresenta-se uma análise aos climas em estudo com indicação dos valores médios e de pico para a temperatura e humidade relativa, e o somatório da radiação solar incidente na superfície exterior em análise num ano (azimute oeste e inclinação 90 ). Clima Tabela Condições climáticas em estudo Temperatura ( C) Humidade relativa (%) Radiação Solar (kwh/m 2 ) Máx. Médio Mín. Máx. Médio Mín. São Paulo 33,1 20,1 7, Porto 33,3 15,1 2, Munique 30,6 8,0-17, Clima interior de igreja 22,0 15,0 8, LFC

77 Como é possível observar na tabela 4.4, relativamente aos climas exteriores, Munique possui o clima mais frio, mais húmido (a par do Porto) e com menor radiação solar incidente. Comparando os climas de Porto e São Paulo, o clima do Porto é mais frio, mais húmido, no entanto a quantidade de radiação solar incidente é superior. Figura Teor de humidade na secção transversal da parede ao fim de 1 ano de simulação Na figura 4.5 é possível observar que os perfis de teor de humidade para Porto e São Paulo aproximam-se bastante. Com efeito, é possível afirmar que apesar do clima do Porto, comparativamente com São Paulo, ser mais húmido e frio, o facto da quantidade de radiação solar incidente ser superior permite que os perfis relativos ao teor de humidade no final da simulação sejam semelhantes. No perfil de teor de humidade para o clima do LFC observa-se uma simetria, o que era de esperar pois as condições de fronteira e climáticas nas faces verticais da parede são iguais. De forma a permitir uma análise mais detalhada acerca das diferenças observadas na superfície interior no perfil de teor de humidade de Munique, comparativamente com o do Porto e o de São Paulo, apresentam-se nas figuras 4.6 a 4.8 os valores de humidade relativa para Porto, Munique e São Paulo, ao longo do tempo de simulação, na superfície interior à cota 1,5m. 57

78 HR (%) Tempo (horas) Figura Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ao longo do tempo de simulação no Porto HR (%) Tempo (horas) Figura Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ao longo do tempo de simulação em Munique 58

79 HR (%) Tempo (horas) Figura Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ao longo do tempo de simulação em São Paulo Através das figuras 4.6 a 4.8 é possível observar que a humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m no Porto oscila entre 60% e 95%, em Munique entre 60% e 100% e em São Paulo entre 60% e 84%. Assim, é possível verificar que em Munique, os valores exteriores de temperatura, humidade relativa e radiação solar que intervêm na distribuição do teor de humidade no elemento, conduzem a valores de humidade relativa na superfície interior bastantes superiores quando comparados com os valores obtidos para Porto e São Paulo. Na figura 4.7 observam-se dois patamares no perfil de humidade relativa, com valores muito próximos de 100%, na fase inicial e final da simulação, o que implica a ocorrência de condensações. Para cada clima em estudo mediu-se a altura da frente húmida. Para esta medição considerou-se o mesmo critério enunciado no estudo da espessura. Na figura 4.9 apresentam-se os valores relativos à altura da frente húmida para os diferentes climas em estudo. 59

80 Figura 4.9 Altura da frente húmida para os climas em estudo no final da simulação Através da figura 4.9 é possível observar que o clima de Munique apresenta a maior altura de frente húmida (0,57m). Verifica-se também que as alturas atingidas pela frente húmida para Porto e São Paulo são bastante semelhantes, verificando-se apenas uma ligeira diferença 0,52m para São Paulo e 0,54m para Porto. Efectivamente, apesar de o clima do Porto ser mais frio e mais húmido que o clima de São Paulo, o facto da radiação solar incidente ser superior conduz a alturas de frente húmida semelhantes. O perfil relativo ao clima do laboratório (LFC) apresenta a altura de frente húmida mais baixa. Este facto permite concluir que, mesmo tratando-se de um clima em que a radiação solar é inexistente, o facto de ser o clima mais quente e menos húmido permitiu obter uma secagem superior INFLUÊNCIA DAS PROPRIEDADES DO MATERIAL Para o estudo da influência das propriedades do material considerou-se 3 tipos de pedra natural (Pedra de Ançã, Sander Sandstone e Granito), e tijolo (Solid Brick Historical), cujas propriedades foram já enunciadas na tabela 4.2. A geometria da parede permaneceu fixa, 2m de altura e espessura E2. Para analisar a influência das propriedades do material constituinte da parede na altura atingida pela humidade ascensional consideraram-se como clima exterior CE1 e como clima interior CI1. 60

81 Figura Teor de humidade na secção transversal da parede ao fim de 1 ano de simulação Analisando a figura 4.10 observa-se que no final da simulação a parede constituída pelo material Solid Brick Historical encontra-se totalmente saturada. Comparando apenas o formato dos perfis de teor de humidade relativos à Pedra de Ançã, Sander Sandstone e Granito, verifica-se que, no caso da Sander Sandstone, os valores de teor de humidade na superfície interior acima da cota atingida pela frente húmida são superiores aos valores obtidos nas restantes pedras. De forma a analisar em detalhe esta situação efectuou-se a recolha dos dados relativos à humidade relativa ao longo do tempo de simulação num ponto da superfície interior à cota 1,5m, tal como indicado na figura Figura 4.11 Monitor de recolha de dados Na tabela 4.5 apresentam-se os valores de humidade relativa e teor de humidade na superfície interior à cota 1,5m no final da simulação para os materiais em estudo. 61

82 Tabela Valores do teor de humidade e humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m Material Pedra de Ançã Sander Sandstone Granito Teor de humidade (kg/m 3 ) 1,8 22,9 8,0 Humidade relativa (%) 84,8 83,9 82,2 Os valores referentes às curvas higroscópicas dos materiais em estudo na tabela 4.5 apresentam-se nas tabelas 4.6 e 4.7. Humidade relativa Tabela Curva higroscópica da Pedra de Ançã e da Sander Sandstone Pedra de Ançã Teor de humidade (kg/m 3 ) Humidade relativa Sander Sandstone ,04 0, ,1 4,4 0,112 0,5926 0,3 10,2 0,348 0,8728 0,65 15,2 0,586 1,043 0,8 19 0,763 1, , ,8 1,5835 0,95 45,9 0,9 2,1169 0,99 61,7 0,92 2,3186 0, ,95 2,8 0, ,3 0,96 3, ,98 4,0141 0,99 5, ,995 6,8416 0,999 12,4988 0, ,0858 0, ,1802 0, , Teor de humidade (kg/m 3 ) 62

83 Tabela Curva higroscópica do Granito Granito Humidade relativa Teor de humidade Teor de humidade (kg/m 3 Humidade relativa ) (kg/m 3 ) 0 0 0,95 21,8 0,1 0,23 0,96 24,71 0,2 0,5 0,97 28,41 0,3 0,86 0,98 33,3 0,4 1,32 0,99 40,06 0,5 1, ,55 2,37 0,6 2,88 0,65 3,51 0,7 4,34 0,75 5,44 0,8 7 0,85 9,37 0,9 13,4 0,91 14,58 0,92 15,94 0,93 17,55 0,94 19,47 Como é possível observar na tabela 4.5 os valores de humidade relativa na superfície interior no final da simulação são bastante próximos, no entanto, a curva higroscópica da Sander Sandstone, no intervalo em estudo que inclui estes valores (tabela 4.6), difere bastante dos outros dois materiais (tabela 4.6 e 4.7), apresentando valores de teor de humidade superiores, o que conduz ao facto observado anteriormente, valores de teor de humidade superiores na superfície interior para o material Sander Sandstone comparativamente com a Pedra de Ançã e o Granito. Para cada material em estudo mediu-se a altura da frente húmida h(m). Esta medição foi efectuada com base no mesmo critério que o enunciado no estudo da espessura (ponto 4.4.1). Na figura 4.12 apresentam-se os valores observados da frente húmida para os diferentes materiais em estudo. 63

84 Figura Alturas da frente húmida para os diversos materiais em estudo ao fim de 1 ano de simulação Observando a figura 4.12 verifica-se que o material Solid Brick Historical apresenta o maior valor de altura de frente húmida de todos os materiais em estudo. Com efeito, este material possui um valor de coeficiente de absorção bastante elevado, conduzindo a que este atinja rapidamente o teor de humidade de saturação em toda a altura do elemento considerado. Após este material seguem-se, por ordem decrescente de altura de frente húmida, a Sander Sandstone, o Granito e a Pedra de Ançã. De forma a avaliar a influência do coeficiente de absorção de água, mantendo-se todas as restantes propriedades do material fixas, na ascensão capilar, consideraram-se 4 tipos de granito, no qual se inclui o já apresentado na tabela 4.2. Utilizou-se esta pedra pois apresenta elevada variabilidade de propriedades. A única variável que distingue os tipos de granito em estudo é o coeficiente de absorção de água. Os valores adoptados para o coeficiente de absorção de água dos restantes tipos de granito analisados tiveram em consideração o facto de se escolher um valor abaixo do tipo de granito definido na tabela 4.2 e dois valores acima deste. Na tabela 4.8 apresentam-se todos os tipos de granito em análise, indicando-se apenas o valor do coeficiente de absorção, pois todas as restantes variáveis foram já apresentadas na tabela 4.2 e a curva higroscópica na tabela 4.7. Tabela Valores do coeficiente de absorção para os granitos em análise Granito 1 Granito Granito 2 Granito 3 Coeficiente de absorção de água (kg/(m 2. s )) 0,005 0,012 0,03 0,04 Na figura 4.13 apresentam-se as alturas da frente húmida para os granitos em estudo, medidas com base no mesmo critério utilizado no estudo da espessura. 64

85 Figura Altura da frente húmida para os granitos em estudo ao fim de 1 ano de simulação Através da figura 4.13 é possível verificar que, com o aumento do coeficiente de absorção de água, mantendo-se todas as restantes variáveis fixas, a altura da frente húmida aumenta para o material granito nas condições em análise INFLUÊNCIA DA GEOMETRIA DO CANAL DE VENTILAÇÃO A análise da influência da geometria do canal de ventilação contemplou duas vertentes. Numa primeira situação estudou-se a sua influência na humidade ascensional, e numa segunda fase a sua influência no processo de secagem de uma parede. Para analisar a influência da geometria do canal de ventilação consideraram-se as configurações C2 a C6. O material considerado foi a Pedra de Ançã, como clima exterior considerou-se o clima do Porto e como clima interior CI1. As propriedades higrotérmicas da areia utilizada nas simulações encontramse na tabela 4.9. Tabela Propriedades higrotérmicas da areia Massa Volúmica (kg/m 3 ) Porosidade (m 3 /m 3 ) Calor Específico (J/(kg.K)) Condutibilidade térmica (W/(m.K)) Factor de resistência à difusão de vapor (-) Areia , Nas configurações em que existe canal de ventilação optou-se por utilizar uma velocidade de ventilação fixa com o valor de 0,5m/s. Adoptou-se este valor pois é correntemente utilizado nos sistemas de ventilação aplicados in situ. 65

86 A esta velocidade corresponde, para cada configuração, o seguinte caudal de ventilação: Tabela Caudais de ventilação em estudo Configuração C3 C4 C5 C6 Velocidade (m/s) 0,5 Caudal de ventilação (m 3 /s) 0,03 0,04 0,05 0,06 Caudal de ventilação (m 3 /h) INFLUÊNCIA NA HUMIDADE ASCENSIONAL Na figura 4.14 apresenta-se o teor de humidade na secção transversal da parede no final da simulação para cada configuração em estudo. C2 C3 C4 C5 C6 Teor de humidade (kg/m 3 ) [0;20] [20;40] [40;60] [60;80] Configuração Espessura Material Clima exterior Clima interior C2, C3, C4, C5, C6 E2 M1 CE1 CI1 [80;100] [100;120] [120;140] [140;160] [160;180] [180;200] Figura 4.14 Teor de humidade na secção transversal da parede no fim da simulação Analisando a figura 4.14 verifica-se que a introdução do canal de ventilação diminui significativamente a ascensão capilar. É também possível verificar que, após a configuração C3, a influência do aumento da altura do canal de ventilação nos valores de teor de humidade do troço de parede acima da cota da areia é reduzida. Na figura 4.15 apresentam-se os valores relativos ao teor de humidade total na parede ao longo do período de simulação para as configurações em estudo. 66

87 Teor de humidade (kg/m 3 ) C2 C3 C4 C5 C Tempo (horas) Configuração Espessura Material Clima exterior Clima interior C2, C3, C4, C5, C6 E2 M1 CE1 CI1 Figura Variação do teor de humidade total da parede ao longo do tempo de simulação Como é possível observar na figura 4.15 a configuração C6 é a que permite obter o menor valor de teor de humidade total da parede no final da simulação. De forma a analisar melhor a quantidade de água que a introdução do sistema de ventilação permitiu retirar, apresenta-se na tabela 4.11 o teor de humidade total da parede para cada configuração geométrica em estudo no final da simulação. Apresenta-se ainda uma análise relativa à eficácia do sistema. Considerou-se que o valor máximo de eficácia corresponde à configuração C6 e calculou-se a eficácia relativa para todas as restantes configurações geométricas em estudo. Tabela Teor de humidade total da parede no final da simulação e eficácia do sistema Configuração geométrica Teor de humidade total (kg/m 3 ) Redução no teor de humidade total após introdução do canal de ventilação (%) Eficácia (%) C2 131,2 - - C3 84,5 35,6 66,0 C4 76,1 42,0 77,8 C5 68,1 48,1 89,1 C6 60,4 54,0 100,0 Analisando a tabela 4.11 é possível concluir que com o aumento da altura do canal de ventilação diminui o teor de humidade total da parede no final da simulação. Observa-se também que a configuração C6 permite uma redução de 54% no teor de humidade total da parede em comparação com a configuração C2. 67

88 Relativamente à eficácia, procurando relacioná-la com a altura do canal de ventilação, é possível afirmar que a duplicação da altura do canal (de 0,3m para 0,6m) permitiu obter um aumento da eficácia relativa em cerca de 50% INFLUÊNCIA NO PROCESSO DE SECAGEM Este estudo centrou-se na avaliação da influência de um canal de ventilação na secagem de uma parede com uma humidade relativa inicial de 100% em toda a sua altura. Na figura 4.16 apresenta-se o teor de humidade na secção transversal da parede no início da simulação apenas para a configuração C2, pois para as restantes configurações o perfil inicial é o mesmo, e no final da simulação para todas as configurações incluídas neste estudo. Início da simulação Fim da simulação C2 C2 C3 C4 C5 C6 Teor de humidade (kg/m 3 ) [0;20] [20;40] [40;60] [60;80] [80;100] [100;120] [120;140] [140;160] Configuração Espessura Material Clima exterior Clima interior C2, C3, C4, C5, C6 E2 M1 CE1 CI1 [160;180] [180;200] Figura Teor de humidade na secção transversal da parede Analisando a figura 4.16 verifica-se que a introdução de um canal de ventilação favorece significativamente a secagem da parede. É também possível verificar que nas configurações em que existe canal de ventilação, os valores de teor de humidade no troço de parede acima da areia permanecem sensivelmente nos mesmos intervalos na escala adoptada. Na figura 4.17 apresentam-se os valores relativos ao teor de humidade total na parede ao longo do tempo de simulação. 68

89 Teor de humidade (kg/m 3 ) C2 C3 C4 C5 C Tempo (horas) Configuração Espessura Material Clima exterior Clima interior C2, C3, C4, C5, C6 E2 M1 CE1 CI1 Figura Variação do teor de humidade total da parede ao longo do tempo de simulação Na figura 4.17 observa-se que a configuração C6 é a que permite a maior secagem da parede no final da simulação. Na tabela 4.12 apresenta-se o teor de humidade total da parede para cada configuração geométrica em estudo no final da simulação. Inclui-se ainda uma análise relativa à eficácia do sistema. Considerou-se que o valor máximo de eficácia corresponde à configuração C6 e calculou-se a eficácia relativa para todas as restantes configurações geométricas em estudo. Tabela Teor de humidade total da parede no final da simulação e eficácia do sistema Configuração geométrica Teor de humidade total (kg/m 3 ) Redução no teor de humidade total após introdução do canal de ventilação (%) Eficácia (%) C2 146,3 - - C3 116,4 20,4 64,4 C4 111,4 23,9 75,2 C5 105,7 27,8 87,5 C6 99,9 31,7 100,0 Observando a tabela 4.12 é possível concluir que com o aumento da altura do canal de ventilação diminui o teor de humidade total da parede no final da simulação. Observa-se também que a configuração C6 é a que possibilita a maior redução do teor de humidade total da parede, permitindo uma redução de 32% do teor de humidade total da parede em comparação com a configuração C2. 69

90 Relativamente à eficácia, procurando relacioná-la com a altura do canal de ventilação, é possível afirmar que a duplicação da altura do canal (de 0,3m para 0,6m) permitiu obter um aumento da eficácia relativa em cerca de 55% INFLUÊNCIA DA POSIÇÃO DO CANAL DE VENTILAÇÃO Para o estudo da influência da posição do canal de ventilação consideraram-se as configurações geométricas C7 a C10 apresentadas na tabela 4.1. Como clima exterior considerou-se o clima do Porto e como clima interior CI1. A velocidade de ventilação utilizada foi novamente de 0,5m/s, correspondente a 108m 3 /h. Na figura 4.18 apresenta-se o teor de humidade na secção transversal da parede no final da simulação para cada configuração em estudo. C7 C8 C9 C10 Teor de humidade (kg/m 3 ) [0;20] [20;40] [40;60] [60;80] [80;100] [100;120] [120;140] [140;160] Configuração Espessura Material Clima exterior Clima interior C7, C8, C9, C10 E2 M1 CE1 CI1 [160;180] [180;200] Figura Teor de humidade na secção transversal da parede no fim da simulação Através da análise da figura 4.18 observa-se que a posição do canal é relevante na ascensão capilar, verificando-se que quanto mais abaixo do pavimento se encontrar o canal de ventilação menor é a cota atingida pela frente húmida. Com efeito, na configuração C7 a frente húmida ultrapassa a cota da areia e só para as configurações C9 e C10 é que a frente húmida se apresenta a uma cota inferior. Na figura 4.19 apresentam-se os valores relativos ao teor de humidade total na parede ao longo do período de simulação. 70

91 C7 C8 C9 C10 Teor de humidade (kg/m 3 ) Tempo (horas) Configuração Espessura Material Clima exterior Clima interior C7, C8, C9, C10 E2 M1 CE1 CI1 Figura Variação do teor de humidade total da parede ao longo do tempo de simulação Através da figura 4.19 verifica-se que a configuração C10 é a que apresenta menor valor de teor de humidade total da parede no final da simulação. Na tabela 4.13 apresenta-se o teor de humidade total da parede para cada configuração geométrica em estudo no final da simulação. Analisa-se também a eficácia posicional do sistema, em que se considerou que o valor máximo de eficácia corresponde à configuração C10, calculando-se posteriormente a eficácia relativa para todas as restantes configurações geométricas em estudo. Tabela Teor de humidade total da parede no final da simulação e eficácia posicional do sistema Configuração geométrica Teor de humidade total (kg/m 3 ) Redução no teor de humidade total após introdução do canal de ventilação (%) Eficácia (%) C7 106,8 - - C8 99,5 6,8 32,7 C9 91,9 14,0 66,8 C10 84,5 20,9 100,0 Analisando a tabela 4.13 é possível verificar que a configuração C10 é a que permite obter o menor teor de humidade total da parede. É também possível observar que o abaixamento de 30cm, relativo à diferença posicional entre as configurações C7 e C10, permitiu obter um aumento da eficácia relativa em cerca de 205%. 71

92 4.4.6 INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE/CAUDAL DE VENTILAÇÃO Neste ponto o estudo centrou-se apenas na configuração C3, na qual apenas se variou a velocidade, e consequentemente, o caudal de ventilação. O material constituinte da parede é a Pedra de Ançã e como climas exterior e interior utilizaram-se, respectivamente, CE1 e CI1. No estudo da velocidade, tendo como base o valor de 0,5m/s pelas razões anteriormente já definidas, definiram-se mais dois valores, um acima (1,0m/s) e outro abaixo (0,1m/s). Os valores relativos à velocidade de ventilação utilizada encontram-se na tabela Tabela 4.14 Velocidades e caudais de ventilação em estudo Velocidade (m/s) 0,1 0,5 1,0 Caudal de ventilação (m 3 /s) 0,006 0,03 0,06 Caudal de ventilação (m 3 /h) 21, Caudal de ventilação (m 3 /h) 21, Configuração Espessura Material Clima exterior Clima interior C3 E2 M1 CE1 CI1 Teor de humidade (kg/m 3 ) [0;20] [20;40] [40;60] [60;80] [80;100] [100;120] [120;140] [140;160] [160;180] [180;200] Figura Teor de humidade na secção transversal da parede no fim da simulação Analisando a figura 4.20 verifica-se que o aumento da velocidade de ventilação de 0,1m/s para 0,5m/s é ligeiramente favorável na diminuição da ascensão capilar. No entanto, o aumento para 1,0m/s não apresenta vantagens no que concerne à diminuição da ascensão capilar. 72

93 4.4.7 ESTUDO DE CRISTALIZAÇÃO DE SAIS Para o estudo da cristalização de sais efectuou-se a recolha dos dados referentes à humidade relativa ao longo do tempo de simulação na superfície interior da parede à cota 2,0m (0,50m acima da areia): Figura Posição do monitor para recolha dos dados de humidade relativa na superfície interior Neste estudo considerou-se a configuração C2, material M1, climas exteriores CE1 e CE2, e clima interior CI1. Na tabela 4.15 apresentam-se as humidades relativas de cristalização dos sais em estudo. Sempre que se verificar um ciclo em que a humidade relativa à superfície, começando num valor abaixo, ultrapasse o valor de humidade relativa definido na tabela 4.15, verifica-se um ciclo de cristalização-dissolução. Ao invés, estamos em presença de um ciclo de dissolução-cristalização. Tabela 4.15 Humidade relativa de cristalização dos sais em estudo Sal A B C Humidade relativa de cristalização (%) Nas figuras 4.22 e 4.23 apresenta-se a variação de humidade relativa na superfície interior à cota 1,5m ao longo do tempo de simulação para, respectivamente, Porto e Munique, bem como uma análise aos períodos em que ocorrem as flutuações de humidade relativa em torno da humidade relativa de cristalização dos sais em estudo. Com a numeração I assinalam-se os períodos de flutuação em torno da humidade relativa de cristalização do sal A, e com a numeração II assinalam-se os períodos de flutuação em torno da humidade relativa de cristalização do sal B. 73

94 HR (%) 100 Porto Sal A Sal B Sal C I II I Tempo (horas) Configuração Espessura Material Clima exterior Clima interior C2 E2 M1 CE1 CI1 Figura Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 2,0m ao longo do tempo de simulação para o clima do Porto HR (%) 100 Munique Sal A Sal B Sal C I II I Tempo (horas) Configuração Espessura Material Clima exterior Clima interior C2 E2 M1 CE2 CI1 Figura Variação da humidade relativa na superfície interior à cota 2,0m ao longo do tempo de simulação para o clima de Munique O número de ciclos de cristalização-dissolução e de dissolução-cristalização para cada sal e clima em estudo encontra-se na tabela

95 Tabela Número de ciclos de cristalização-dissolução e de dissolução-cristalização Porto Munique Sal A Sal B Sal C Cristalização-Dissolução 23 7 Dissolução-Cristalização 23 6 Cristalização-Dissolução Dissolução-Cristalização Cristalização-Dissolução 1 1 Dissolução-Cristalização 0 0 Através da tabela 4.16 é possível verificar que, no que diz respeito ao fenómeno de cristalização/dissolução de sais, o clima do Porto é mais adverso que o clima de Munique. Relativamente ao sal A é possível afirmar que o clima de Munique apresenta menores riscos no que concerne à degradação dos revestimentos interiores, pois o número de ciclos de cristalizaçãodissolução/dissolução-cristalização é inferior. Verifica-se também que a acção conjunta das flutuações climáticas exteriores e interiores no Porto fez com que a oscilação da humidade relativa em torno dos 85%, apresentada na figura 4.22 e assinalada com I, ocorra durante um período de tempo bastante superior, comparativamente com o observado em Munique. Por outro lado, comparando o número de ciclos de cristalização-dissolução/dissolução-cristalização do sal B relativos a Porto e Munique com a duração das fases II nas figuras 4.22 e 4.23, verifica-se que, apesar da duração da fase II em Munique ser inferior à duração observada no Porto, o número de ciclos de cristalização-dissolução/dissolução-cristalização é bastante próximo. Daqui podemos concluir que, nesta fase, a acção conjunta das condições climáticas exteriores e interiores conduz à existência de oscilações mais frequentes em torno de 75% de humidade relativa em Munique do que no Porto. 75

96 76

97 5 CONCLUSÕES 5.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS Ao concluir este trabalho é possível afirmar que os objectivos fundamentais inicialmente propostos foram atingidos, nomeadamente, a avaliação da influência na ascensão capilar das propriedades dos materiais, do clima exterior e interior, da geometria do canal de ventilação, da sua posição e a influência da velocidade/caudal de ventilação. No que concerne aos resultados provenientes da simulação numérica, é possível concluir o seguinte: O aumento da espessura da parede aumenta a altura atingida pela frente húmida, no entanto, este aumento vai sendo progressivamente menor. Neste trabalho foi possível ajustar uma função aos valores referentes às alturas da frente húmida para as diversas espessuras em estudo, que permitiu determinar uma assímptota quando. Assim, foi possível verificar que a altura da frente húmida não aumenta indefinidamente com o aumento da espessura, verificando-se antes uma estabilização; Climas exteriores bastante díspares no que diz respeito à temperatura, humidade relativa e radiação solar influenciam a ascensão capilar; No que diz respeito às propriedades dos materiais, foi possível verificar que para um mesmo material (granito) o aumento do valor do coeficiente de absorção de água, mantendo-se todas as restantes propriedades deste material, conduziu ao aumento da altura da frente húmida; O aumento da altura do canal de ventilação tem influência na ascensão capilar, sendo a configuração C6 a que permite a maior redução do teor de humidade total da parede; No processo de secagem considerado neste trabalho é possível afirmar que a presença de um canal de ventilação favorece significativamente a secagem da parede. A configuração que permitiu uma maior secagem ao fim de um ano de simulação foi a C6; Relativamente à posição do canal de ventilação, de entra as 4 configurações estudadas, a configuração C10, posição mais abaixo do pavimento, é aquela que permite maior redução da ascensão capilar; 77

98 O aumento da velocidade/caudal de ventilação efectuado neste trabalho de 0,1m/s para 0,5m/s é ligeiramente benéfico na diminuição da ascensão capilar. No entanto, o segundo aumento efectuado de 0,5m/s para 1,0m/s não apresenta vantagens em termos de ascensão capilar. Esta conclusão é relevante na medida em que velocidades de ventilação baixas podem ser alcançadas com dispositivos de pequena dimensão, com baixo custo energético e que requerem uma manutenção reduzida; Por último, relativamente à cristalização de sais é possível afirmar que o clima do Porto, mesmo tratando-se de um clima menos agressivo que o clima de Munique, apresenta maiores perigos no que concerne à degradação dos revestimentos interiores por sais solúveis DESENVOLVIMENTOS FUTUROS No seguimento deste trabalho, outras acções de investigação poderão ser realizadas, apresentando-se de seguida algumas propostas: Criação de uma ampla base de dados no programa WUFI 2D 3.3, que inclua as propriedades dos materiais mais correntes utilizados na construção; Simulação numérica de elementos de construção com juntas e espessuras elevadas; Estudar a influência das condições climáticas do ar presente no canal de ventilação na eficácia deste sistema; Incluir o efeito dos sais nas simulações numéricas. 78

99 BIBLIOGRAFIA [1] FREITAS, Vasco P. de. Transferência de Humidade em Paredes de Edifícios Análise do Fenómeno da Interface. Dissertação de Doutoramento. Porto, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto FEUP, [2] Centre Scientifique et Technique du Bâtiment. Les procèdes de traitment dês maçonneries contre l humidité ascensionnelle. Note d information technique 162, Nov-Dez, 1985, 32 pgs., Bruxelas, Bélgica. [3] TORRES, M. I. M. Humidade Ascensional em Paredes. Dissertação de Mestrado. Coimbra, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade da Coimbra FCTUC, [4] TORRES, M. I. M. Humidade Ascensional em Paredes de Construções Históricas. Dissertação de Doutoramento. Coimbra, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade da Coimbra FCTUC, [5] HENRIQUES, Fernando M. A. Humidade em Paredes. Colecção Edifícios, Série Conservação e Reabilitação, LNEC, Lisboa, [6] FREITAS, Vasco P. de [et al]. Tratamento da humidade ascensional na igreja de Vilar de Frades. Revista Estudos Património, 2002, pgs [7] GUIMARÃES, Ana. Caracterização experimental do funcionamento de sistemas de ventilação da base das paredes para tratamento da humidade ascensional. Dissertação de Mestrado. Porto, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto FEUP, [8] FREITAS, Vasco P. de; TORRES, M. I. M.; GUIMARÃES, Ana. Humidade Ascensional. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto FEUP, Lisboa, [9] FREITAS, Vasco P. de; PINTO, Paulo S. Permeabilidade ao vapor de materiais de construção condensações internas. Nota de Informação Técnica 002, Laboratório de Física das Construções LFC, [10] TORRES, M. I. M.; FREITAS, Vasco P. de. Modelling of rising damp in historical buildings. Historical Construction, 2001, pgs , Guimarães. [11] HOLM, A.; KUNZEL, H. M. Two-dimensional transient heat and moisture simulations on rising damp with WUFI-2D. 2 nd Internacional conference on building physics, 14/18 Setembro de 2003, pgs , Leuven, Bélgica. [12] KUNZEL, H. M. Simultaneous heat and moisture transport in building components; One and two dimensional calculation using simple parameters. Ph. D. Thesis. Stuttgart, University of Stuttgart, [13] KUNZEL, H. M. [et al]. WUFI-2D Installation & Introduction. [14] KUNZEL, H. M. [et al]. WUFI-2D 3.3 Calculation example step by step. [15] GROOT, Caspar; HEES, Rob van; WIJFFELS, Tomas. Selection of plasters and renders for salt laden masonry substrates. Construction and building materials, 2009, pgs [16] DELGADO RODRIGUEZ J; VERGES-BELMIN V. A proposal for classification of salt crystallization behaviour of plasters and renders. EU-COMPASS final report, TNO 2006 D-R0461. COMPASS-compability of plasters and renders with salt loaded substrates in historic buildings,

100 [17] US Department of Energy Webpage (2007). Building energy software tools directory [18] STRAUBE, J.; BURNETT, E. F. P. Overview of hygrothermal (HAM) analysis methods. ASTM manual 40-moisture analysis and condensation control in building envelopes, 1991, HR Trechsel. [19] DELGADO J. M. P. Q. [et al]. A critical review of hygrothermal models used in porous building materials. Journal of Porous Media, 2010, pgs , Begell House. [20] NICOLAI, A.; GRUNEWALD, J; ZHANG J.S. Calculation of Heat and Moisture Transfer in Exposed Building Components. Salztransport und Phasenumwandlung - Modellierung und numerische Lösung im Simulationsprogramm Delphin 5, 2007, pgs , Bauphysik. [21] KARAGIOZIS, A. Advanced Hygrothermal Modelling of Building Materials using Moisture- Expert 1.0. Proceedings of the 35th International Particleboard/Composite Materials Symposium, 2001, Pullman Washington. [22] KUNZEL, H.M.; KIESSL, K. Calculation of Heat and Moisture Transfer in Exposed Building Components. International Journal of heat and mass transfer vol.40, 1997, pgs

101 Anexo I I.1. CLIMAS ANALISADOS Neste trabalho como climas exteriores foram considerados o clima da cidade do Porto (figura I.1), São Paulo (figura I.2) e Munique (figura I.3). Os climas de Porto e São Paulo não se encontram na base de dados do WUFI, pelo que se consideraram os dados relativos ao ano de referência de 2005, obtidos pelo Meteonorm 6.0. Como clima interior optou-se por gerar uma função sinusoidal (figura I.4) que se aproximasse o mais possível do clima que se verifica no interior de uma igreja ao longo do ano. Foi ainda simulada uma parede no interior do Laboratório de Física das Construções LFC utilizando-se o clima definido na figura I.5 nas duas faces. i

102 Figura I.1 - Clima da cidade do Porto ii

103 Figura I.2 - Clima da cidade de São Paulo iii

104 Figura I.3 - Clima da cidade de Munique iv

105 Figura I.4 - Clima interior de igreja v

106 Figura I.5 - Clima LFC vi