DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
ÁREA DE CONSTRUÇÃO
Materiais de Construção I
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
1. Introdução
Todas as obras de engenharia civil são realizadas com recurso a materiais de construção.
O uso racional dos materiais, do ponto de vista técnico e económico, exige o conhecimento
adequado das suas propriedades e dos processos de fabrico ou de transformação. Só assim será
possível seleccionar, entre várias opções viáveis, aquela que permita melhores desempenhos.
Torna-se, pois, necessário conhecer as propriedades básicas dos materiais, a sua origem e
natureza, assim como o seu processo de fabrico.
2. Classificação dos materiais de construção
Os materiais de construção podem ser classificados segundo diversos critérios.
Seguidamente apresentam-se alguns critérios de classificação.
Critério de
classificação
Designação
Materiais estruturais
Descrição
Exemplos
Materiais que constituem os
Betão
elementos resistentes de uma
Aço
construção.
Pedra
Madeira
Materiais de
Relativamente à aplicação
enchimento
Materiais de
revestimento
Materiais de isolamento
térmico
Materiais de isolamento
acústico
Materiais
impermeabilizantes
Propriedades dos Materiais
Materiais que ocupam o
Tijolo cerâmico
espaço entre os elementos
estruturais.
Materiais que revestem os
Argamassa
materiais estruturais e os
Tinta
materiais de enchimento
Materiais
utilizados
melhorar
o
para
desempenho
Poliestireno
Cortiça
térmico dos edifícios
Materiais
utilizados
melhorar
o
para
Cortiça
desempenho
acústico dos edifícios
Materiais
utilizados
impermeabilizar
para
Betumes
elementos
de construção
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Materiais de Construção I
De origem vegetal
Relativamente à origem
Naturais
De origem mineral
Provenientes de compostos
químicos
Artificiais
Provenientes de metais
Provenientes de produtos
naturais
Madeira
Borracha
Pedras naturais
Areia
Plástico
Tintas
Colas
Ligas metálicas
Gesso
Materiais cerâmicos
Ferrosos:
Aço
Ferro Fundido
Materiais extraídos de
minérios e depois
Relativamente à natureza
Materiais metálicos
Não
ferrosos
de
elevada densidade:
transformados por
Níquel
complexos processos
Cobalto
metalúrgicos
Chumbo
Não
ferrosos
de
baixa densidade:
Alumínio
Materiais Cerâmicos ou
São substâncias inorgânicas
Inorgânicos não
formadas por ligações
Metálicos
iónicas e/ou covalentes.
São substâncias orgânicas de
estrutura complexa
Materiais Poliméricos1
Tijolo
Azulejo
PVC
Polipropileno
parcialmente cristalina e
parcialmente amorfa,
predominando a ligação
covalente
1
Há materiais poliméricos naturais como por exemplo a madeira, a borracha e fibras vegetais e materiais poliméricos
sintéticos dos quais o grupo mais importante é o dos plásticos.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Com formação de fase vítrea
Por cozedura
- Cerâmicos não refractários tradicionais
(tijolos, faianças, grés e porcelanas)
enfornados
- Cerâmicos refractários
não enfornados
cais
- Ligantes hidráulicos
cimentos
- Óxidos cerâmicos puros
Sem formação de fase vítrea
- Refractários de carbono e grafite
- Boretos,nitretos, silicietos, sulfuretos,
carbonetos
Vidros
Vitrocerâmica
Por fusão
Esmaltes
Refractários electrofundidos
Fibras cerâmicas
3. Os materiais usados em engenharia
Como foi dito no ponto anterior, podem-se considerar vários critérios para a
classificação dos materiais. No entanto, em engenharia, e por razões de conveniência, é habitual
admitir-se a classificação dos materiais em função da sua natureza. Dada a sua crescente
importância em engenharia, devem considerar-se, nesta classificação os materiais compósitos e
os materiais electrónicos [8]:
1. Metálicos
2. Poliméricos
3. Cerâmicos
4. Compósitos
5. Electrónicos
3.1 Materiais metálicos
Os materiais metálicos são substâncias de origem inorgânica que contêm elementos
metálicos (tais como ferro, cobre, alumínio, níquel ou titânio) e não metálicos (por exemplo,
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
azoto, carbono e oxigénio). Microscopicamente, os metais têm uma estrutura cristalina, na qual
os átomos se dispõem de forma ordenada. Estes materiais são, na generalidade, dúcteis e
resistentes à temperatura ambiente e apresentam boa condutibilidade térmica e eléctrica. Em
função da quantidade de ferro que contêm, dividem-se em materiais ferrosos (com elevada
percentagem de ferro) e não ferrosos (quando o ferro não entra na sua composição ou surge em
quantidades muito reduzidas). O ferro fundido e o aço são materiais ferrosos, enquanto que o
alumínio, o cobre, o zinco, o titânio e o níquel são materiais não ferrosos. Nas figuras 1 a), b) e
c) apresentam-se algumas obras que utilizam estes materiais na sua construção.
a)
b)
c)
Figura 1 - Utilização de materiais metálicos na construção: a) Ponte 25 de Abril, em Lisboa; b) Elevador de
Santa Justa, em Lisboa; c) Ponte D. Maria Pia, no Porto.
3.2 Materiais poliméricos
Os materiais poliméricos são constituídos por longas cadeias de moléculas orgânicas.
Tratam-se de meterias cuja estrutura é não cristalina ou mista (com regiões cristalinas e regiões
não cristalinas). A maioria destes materiais é mau condutor térmico e eléctrico, possuindo baixa
densidade e decompõem-se a baixas temperaturas. Na figura 2 apresentam-se algumas
aplicações de materiais poliméricos, na construção.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
a)
b)
c)
Figura 2 - Utilização de materiais poliméricos na construção: a) Tubos para a condução de água; b)
Caixilharias de janelas; c) Abobadilhas para Lajes aligeiradas.
3.3 Materiais cerâmicos
Os materiais cerâmicos são constituídos por elementos metálicos e elementos não
metálicos, podendo ser, do ponto de vista estrutural, cristalinos ou mistos. São inorgânicos de
elevadas dureza e resistência mecânica à compressão, mesmo quando submetidos a
temperaturas elevadas. Estes materiais apresentam baixa condutibilidade térmica e eléctrica e
elevada resistência ao calor e ao desgaste. No domínio da construção, os materiais cerâmicos
são utilizados desde tempos imemoriais. Na figura 3 apresentam-se dois exemplos de aplicação
deste tipo de materiais.
a)
b)
Figura 3 - Utilização de materiais cerâmicos na construção: a) Painel de azulejos no Convento de Cristo, em
Tomar; b) Elementos cerâmicos na fachada do edifício da Escola Superior de Tecnologia, em Tomar.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
3.4 Materiais compósitos
Os materiais compósitos resultam da mistura de pelo menos dois materiais, de modo a
obter um material com determinadas características e propriedades. Os materiais que constituem
um compósito não se dissolvem entre si, podendo ser facilmente identificáveis. O betão (figura
4a)) e a madeira (figura 4b)) são materiais compósitos. Existem outros tipos de materiais
compósitos, como por exemplo, os que resultam da associação de fibras de vidro e poliéster ou
de fibras de carbono e resina epoxídica. As figuras 5 a) e b) ilustram a utilização de materiais
compósitos na construção: o edifício da Torre do Tombo em betão branco e o pavilhão
temporário da Serpentine Galery, em Londres, cuja estrutura foi edificada em madeira e
policarbonato.
a)
b)
Figura 4 - Materiais compósitos: a) Betão; b) Madeira.
a)
b)
Figura 5 - Utilização de materiais compósitos na construção: a) Torre do Tombo, em Lisboa; b) Serpentine
galery, Londres (2005).
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
3.5 Materiais electrónicos
Os materiais electrónicos assumem importância extrema no domínio das tecnologias
avançadas, já que são utilizados em sistemas de microelectrónica. É graças a esta tecnologia que
são possíveis os computadores, os satélites de comunicação ou os relógios digitais. O silício é
um dos materiais mais importantes neste domínio, pois um simples cristal de silício permite
condensar num chip, um elevado número de circuitos electrónicos.
4. Normas e organismos relacionados com os materiais de construção
Para aferir todas as intervenções no domínio dos materiais de construção existem as
Normas. As Normas são documentos do domínio público com funções diversas, mas que
relativamente aos materiais de construção visam a satisfação de alguns dos seguintes objectivos:
-
estabelecer regras para cálculos ou métodos para a execução dos trabalhos;
-
especificar características de materiais e meios de as controlar;
-
descrever pormenorizadamente procedimentos de ensaios;
-
estabelecer dimensões e tolerâncias de materiais e produtos;
-
criar terminologia técnica específica e atribuir convenções simbólicas em desenhos;
-
definir classes de produtos ou materiais.
Em todos os países existem organismos responsáveis pela realização de normas:
NP – Normas Portuguesas – Instituto Português da Qualidade
ATIC / ONS – Associação Técnica da Indústria do Cimento / Organismo de
Normalização Sectorial.
ASTM – American Society for Testing Material
ACI – American Concrete Institute
PCA – Portland Cement Association
BS – British Standards Institution
AFNOR – Associação Francesa de Normalização
DIN – Deutsche Normenausschuss
UNE – União das Normas Espanholas
ISO – Organização Internacional de Normalização
CEN – Comissão Europeia de Normalização
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Outros organismos e centros de ensaios reconhecidos internacionalmente:
LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil
IETCC – Instituto Eduardo Torroja de la Construcción y del Cemento
CEB – Comissão Europeia de Betão
RILEM – Reunião Internacional de Laboratórios de Ensaios de Materiais
CSTB – Centro Científico e Tecnológico de Edifícios (França)
LCPC – Laboratório Central de Pontes e Estradas (França)
CEMBUREAU – Associação Europeia de Cimento
5. Selecção e controlo de qualidade dos materiais
A selecção de um material deve basear-se em critérios científicos que atendam à
estrutura interna e às propriedades desse material de modo a assegurar-se uma escolha é
adequada para um determinado fim.
Quando se selecciona um material para um determinado fim há que garantir a
“qualidade técnica” e um “custo aceitável”. A qualidade técnica deve ser uma garantia da
fiabilidade e durabilidade do material seleccionado.
-
Fiabilidade (reability) - é a aptidão de um material para realizar uma função
pretendida em condições definidas, durante um certo tempo.
-
Durabilidade (durability) – é a avaliação da resistência do material ao desgaste e às
alterações físicas e químicas sob determinadas condições de uso.
Para avaliar as propriedades dos materiais de construção recorre-se a ensaios que podem
ser de dois tipos:
-
Ensaios de Investigação – são ensaios em que se procede à pesquisa de todas as
propriedades físicas, químicas, mecânicas, etc., dos materiais.
-
Ensaios de Recepção – são ensaios mais simples que pretendem apenas determinar
certas propriedades.
Os ensaios de recepção dos materiais podem ser classificados como destrutivos e não
destrutivos. Os ensaios de recepção destrutivos inviabilizam o material para o uso (o ensaio de
resistência à tracção de um provete de aço e o ensaio de resistência à compressão do betão
inutilizam os respectivos materiais para o uso). Quando se realizam estes ensaios, não se
determina a verdadeira resistência do material, mas os valores comparativos dos esforços
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
exercidos pelo equipamento de ensaio no material, dado que os resultados dos ensaios
dependem de vários factores, tais como:
-
forma e dimensões do provete;
-
velocidade de realização do ensaio;
-
modo de aplicação das cargas;
-
tipo de máquina;
-
condições de realização do ensaio
Os ensaios de recepção não destrutivos utilizam métodos em que não há destruição das
peças a ensaiar. Estes ensaios têm a vantagem de se poderem realizar na própria peça e portanto
sem necessidade de recorrer a provetes, permitindo também acompanhar a resistência da peça
ao longo do tempo. Seguidamente apresentam-se alguns ensaios de recepção não destrutivos:
Esclerómetro de Schmidt – os métodos esclerométricos aferir a resistência do betão
à compressão, com base no recuo de um pistão depois deste colidir com a superfície
da peça a ensaiar, estimando, desta forma, a resistência a partir da dureza superficial
do betão. O esclerómetro de Schmidt (figura 6) é constituído por um pequeno
cilindro maciço de aço junto ao qual existe uma mola que recua ao fazê-lo chocar
com a superfície da peça. Este recuo é tanto maior quanto maior for a resistência à
compressão da peça. Este método é útil para determinar a evolução do
endurecimento do betão ou comparar a sua qualidade em diferentes zonas da
mesma obra, mas não para controlar a resistência do betão já que a dispersão dos
diferentes valores obtidos é bastante grande e além disso a parte ensaiada é apenas a
camada superficial do betão. Os valores obtidos dependem de alguns factores como
por exemplo, a posição do esclerómetro, o estado da superfície, a humidade do
betão, a rigidez da peça e a concentração de grãos à superfície.
Figura 6 - Esclerómetro de Schmidt.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Martelo de Einbeck – trata-se também de um ensaio de dureza, conseguido à custa
de uma mossa provocada na superfície da peça de betão com um martelo. Mede-se
o diâmetro da mossa e quanto maior ele for menos duro é o material.
Métodos de auscultação dinâmica – estes métodos consistem em imprimir
vibrações às peças em observação com vista a determinar a resistência mecânica.
Método de Propagação de Ondas – este método consiste na emissão de um pulso
sonoro (através de uma sonda de emissão) ao material a estudar e a partir da
trajectória das ondas no interior do material, aferir a integridade das propriedades
desse material.
A partir da velocidade de propagação pode-se determinar o módulo de elasticidade
e, a partir deste obter a resistência da peça. Há tendência para usar a velocidade de
propagação como elemento aferidor da resistência da peça, em vez do módulo de
elasticidade. Apresentam-se os valores médios da velocidade de propagação em
alguns materiais:
Granito – 4000 a 6000 m/s
Betão – 4400 a 5000 m/s
Aço – 5600 m/s a 5900 m/s
Alumínio – 6200 m/s
Terra vegetal – 300 a 600 m/s
Para a aplicação deste método pode-se usar um aparelho designado por PUNDIT –
“Portable Ultrasonic Non-Destructive Digital Indicating Tester” (figura 7). Este
equipamento produz ondas ultra sónicas que são transmitidas ao material através de
uma sonda que é colocada numa das faces do material. No extremo oposto é
posicionada outra sonda que recebe o sinal propagado através do material. Desta
forma é possível detectar defeitos no interior da peça, tais como cavidades, fendas e
fissuras.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
a)
b)
Figura 7 – Pundit.
Consultando o ábaco da figura 2b) pode-se determinar a resistência à rotura por
compressão. A velocidade de propagação das ondas no betão depende de vários
factores: distância percorrida através do betão, dimensões transversais da peça
testada, presença de armaduras e composição do betão.
Método das Radiações – estes métodos recorrem à aplicação de Raios X e
Raios γ para detecção de defeitos em metais e peças de betão.
6. Propriedades gerais dos materiais
A relação entre a massa e o volume dos materiais permite caracterizar objectivamente
alguns materiais. A massa corresponde à quantidade de matéria encerrada num corpo e a
unidade utilizada para a quantificar é quilograma (kg). A massa é proporcional ao peso do
mesmo corpo quando estas duas grandezas são aferidas no mesmo local, isto porque o peso de
um corpo corresponde à força com que a sua matéria é atraída para o centro da Terra. A unidade
utilizada para quantificar o peso de um corpo é quilograma força (kgf). A partir destas duas
propriedades podem ser definidas outras grandezas tais como:
Volume aparente, V (ou volume total): na quantificação do volume aparente de um
corpo consideram-se o volume de matéria e o volume dos vazios nele encerrados:
V=Vr+Vv
Em que:
Propriedades dos Materiais
V
Volume aparente (m3)
Vr
Volume absoluto (m3)
Vv
Volume de vazios (m3)
(1)
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Materiais de Construção I
Volume absoluto, Vr (ou volume real): corresponde ao volume ocupado pela matéria,
não se considerando o volume de vazios desse corpo;
Vr=V - Vv
(2)
Massa volúmica aparente: corresponde à massa de um corpo por unidade de volume
aparente desse corpo (kg/m3);
Massa volúmica absoluta: é a relação entre a massa de um corpo e o volume absoluto
(real) desse corpo (kg/m3);
Peso volúmico: é o peso de um corpo por unidade de volume aparente desse corpo
(kgf/m3);
Densidade: relaciona a massa de um corpo com a massa de igual volume de água a uma
temperatura de 4ºC;
Porosidade: corresponde ao quociente entre o volume de vazios e o volume aparente
(expresso em %).
7. Características mecânicas dos materiais
O dimensionamento estrutural de uma edificação só é possível quando se conhecem
perfeitamente as propriedades mecânicas dos materiais que vão ser utilizados na sua construção.
De uma forma muito simples, pode-se afirmar que o cálculo estrutural de um edifício consiste
na definição de áreas capazes de resistir a uma determinada solicitação (por exemplo a uma
carga, à acção do vento ou à acção de um sismo).
Qualquer corpo quando é submetido à acção de uma solicitação exterior (força ou
momento) sofre uma deformação (figura 8). As deformações podem ter carácter reversível ou
irreversível. No primeiro caso, quando a força externa deixa de ser aplicada, o corpo retoma a
sua forma inicial.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
a)
Barra
b)
Tracção
Compressão
c)
Esforço transverso
d)
Momento de flexão
e)
Momento de torção
Figura 8 – Deformações causadas por várias acções exercidas sobre uma barra.
Em cada secção o esforço distribui-se pela área. Se a área da secção transversal é pequena, o
esforço será grande; se a área aumentar, o esforço diminuirá. A relação entre as forças aplicadas
numa determinada secção e a sua área designa-se por tensão, σ.
σ=
Força
Superfície
(3)
O conceito de tensão é essencial em engenharia. A tensão máxima que um material suporta
em determinadas condições de carregamento é uma característica muito importante desse
material.
Cada material reage de forma diferente às tensões instaladas, isto é, para uma mesma tensão
poderá haver uma deformação diferente, em diferentes materiais. No entanto, a uma acção
aplicada num determinado elemento corresponde sempre uma variação das suas dimensões
(deformação). As variações dimensionais para além de serem proporcionais às tensões
instaladas, também variam em função das dimensões lineares dos elementos onde os esforços
estão a ser exercidos, pelo que devem ser expressas em função do comprimento unitário. É desta
forma que se definem as deformações unitárias ou extensões.
A extensão, ε, é expressa através da relação entre a variação dimensional provocada pelo
carregamento relativamente ao comprimento inicial, medido antes da aplicação da força (figura
9).
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
lo – comprimento inicial do corpo
(antes da aplicação da carga)
lf – comprimento do corpo medido
durante a aplicação da carga
Figura 9 – Deformação de um corpo devido à acção de uma força de compressão.
A Lei de Hooke estabelece a seguinte relação entre a tensão e a deformação sofrida por um
determinado material:
Tensão
= Constante
Deformação
(4)
A maioria das propriedades mecânicas dos materiais é obtida a partir de ensaios de
tracção ou de compressão. Nesses ensaios submete-se um provete do material a uma carga axial,
continuamente crescente até se dar a rotura (figura 10), registando-se os valores das cargas
aplicadas (F) e das correspondentes deformações.
Figura 10 – Ensaio de tracção num provete.
Os valores das tensões aplicadas e das respectivas deformações podem ser relacionados
através do designado diagrama de tensão-deformação (figura 11).
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Figura 11 - Diagrama tensões normais - deformações de um aço macio.
A partir da análise do diagrama da figura 11, podem-se quantificar alguns parâmetros,
tais como limite de resistência à rotura, limite elástico ou módulo de elasticidade. No mesmo
diagrama, as tensões nominais, σ, são dadas por :
σ=
F
A0
(5)
em que F é a força de tracção e A0 é a área da secção inicial do provete. A deformação nominal,
ε, isto é, a extensão, é calculada por
ε=
L - L0
L
=
L0
L0
(6)
em que ∆L é o aumento de comprimento e L0 é o comprimento inicial do provete.
Ainda da análise do diagrama da figura 11, é possível identificar as seguintes fases de
comportamento do material (até este atingir a rotura):
Regime elástico
Ocorre durante a fase inicial do ensaio, em que a tensão nominal, σ, é proporcional à
deformação nominal, ε. A tensão limite de proporcionalidade, σp, corresponde ao ponto
em que deixa de haver proporcionalidade entre as tensões e as deformações. A tensão
limite de elasticidade, σe, isto é, a tensão para além da qual o material apresenta, após
a descarga, deformações permanentes, é ligeiramente superior a σp. Usualmente
considera-se σe ≡ σp. A área triangular situada abaixo do diagrama, desde zero até σp,
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
chama-se módulo de resiliência e representa a capacidade física do material em
absorver energia sem adquirir deformações permanentes.
Cedência plástica
A cedência plástica é atingida quando a força aplicada, F, passa a manter-se
estacionária. A tensão correspondente designa-se por tensão de cedência, σc. O trecho
do diagrama que corresponde à cedência é sensivelmente horizontal e designa-se por
patamar de cedência. A partir desta fase e até à rotura, o material apresenta sempre
deformações permanentes após a descarga, o que caracteriza o comportamento
plástico.
Endurecimento
Na fase de endurecimento, a tensão nominal atinge o valor máximo, σr, a que se dá o
nome de tensão de rotura do material, ainda que a rotura do provete não ocorra nesta
fase. No entanto, esta designação justifica-se pelo facto do valor máximo da tensão
nominal coincidir com a rotura no caso dos materiais frágeis. Observa-se que até ao
final da fase de endurecimento, a deformação é sensivelmente uniforme ao longo do
provete.
Estricção
A estricção ocorre após o endurecimento e caracteriza-se por a deformação deixar de
ser uniforme ao longo do provete, concentrando-se numa determinada zona – zona de
estricção - facilmente identificável por um acentuado estrangulamento da secção
transversal do provete. O provete rompe finalmente pela secção mais reduzida na zona
de estricção. Durante esta fase, ao decréscimo da tensão nominal corresponde um
acréscimo da deformação nominal.
Um aspecto importante a referir no ensaio de tracção é a diferença do comportamento
observado entre materiais dúcteis e materiais frágeis: um material dúctil sofre uma deformação
plástica significativa antes da rotura, enquanto que um material frágil exibe um comportamento
praticamente elástico até à rotura.
Os materiais também se podem deformar devido a outras causas, tais como o acréscimo de
temperatura: se um material sofrer um aumento de temperatura dilatar-se-á. Para um estudo
mais pormenorizado, pode-se classificar essa dilatação em três tipos: dilatação linear (que
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
ocorre apenas numa dimensão), dilatação superficial (ocorre em duas dimensões) e dilatação
volumétrica (ocorre em três dimensões).
Todos os materiais são caracterizados por um coeficiente de dilatação térmica linear, α.
Este parâmetro permite prever as deformações sofridas pelos materiais devido à acção da
temperatura.
Uma barra de um determinado material, de comprimento inicial L0 e temperatura inicial T0,
ao ser aquecida à temperatura T, passa a ter um novo comprimento L (figura 12).
Figura 12 – Efeito do acréscimo de temperatura
no
comprimento
de
uma
barra
de
um
determinado material.
A variação do comprimento da barra, ∆L, da figura 12, pode ser calculada pela expressão
(7):
∆L = α × ∆T × L 0
(7)
O comprimento da barra, L, correspondente ao acréscimo de temperatura ∆t=t-t0 é dado
pela seguinte expressão:
L = L 0 (1 + α × ∆t )
(8)
Nas expressões (7) e (8):
L0 – Comprimento inicial (mm)
α – Coeficiente de dilatação térmica linear (ºC-1)
∆t – Variação de temperatura (ºC)
Quando se pretende estudar a dilatação de uma laje de betão devida ao aumento de
temperatura, a ocorrência predominante é o aumento da superfície dessa laje. Uma laje de área
inicial A0 a uma temperatura t0, ao ser aquecida à temperatura t, passa a ter uma área A (figura
13).
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Figura 13 – Efeito do acréscimo de
temperatura na área da secção de um
determinado material.
A variação da área da secção, ∆A, devido ao acréscimo de temperatura ∆t do material
da figura 13 é calculada pela expressão:
∆A = β × ∆t × A 0
(9)
β = 2α
(10)
Em que
A área da secção, A, correspondente à temperatura T pode ser calculada através da
expressão (11).
A = A 0 (1 + β × ∆t )
(11)
Nas expressões (9), (10) e (11):
∆t - Variação de temperatura, t-t0 (ºC)
A0 – Área da secção inicial (mm2)
β - Coeficiente de dilatação superficial (ºC-1)
Na dilatação de um paralelepípedo devido ao aumento de temperatura, o facto
predominante é o acréscimo de volume desse paralelepípedo. Um corpo de volume inicial V0 à
temperatura t0, ao ser aquecido à temperatura t, passa a ter um volume V (figura 14).
Figura 14 – Efeito do aumento de
temperatura no volume de um corpo
de um determinado material.
A variação de volume, ∆V, do corpo da figura 14, devido ao acréscimo de temperatura
∆t é:
∆V = γ × ∆t × V0
Propriedades dos Materiais
(12)
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Materiais de Construção I
Em que.
γ = 3α
(13)
O volume final do corpo, V, correspondente à temperatura t é dado pela expressão (14):
V = V0 (1 + γ × ∆t )
(14)
Nestas três ultimas expressões:
V0 – Volume do corpo (mm³), à temperatura t (ºC)
γ - Coeficiente de dilatação volumétrica (ºC-1))
∆t - variação de temperatura, t-t0 (ºC)
6. Características térmicas dos materiais
6.1 Comportamento ao fogo
A principal característica de um material, em termos de segurança contra incêndio, é a
sua maior ou menor contribuição para a deflagração de um incêndio ou para o seu
desenvolvimento. Esta característica designa-se por reacção ao fogo e permite classificar os
materiais em cinco classes (figura 15). No quadro 1 indicam-se as características mais
importantes de cada classe de reacção ao fogo dos materiais.
R eacção ao
F ogo
Incom bustível
M0
C om b ustível
N ão
inflam ável
M1
In flam ável
M2
M3
M4
Figura 15 – Classes de reacção ao fogo dos materiais.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Classes de
Descrição
reacção ao fogo
Exemplos
- Pedra
M0
- Gesso
São incombustíveis
- Betonilha
- Metais
M1
Submetidos ao calor, decompõem-se sem
- Reboco com pintura
chama, sem emissão sensível de calor, sem
- PVC rígido
libertação apreciável de gases combustíveis - Espuma de
ou nocivos.
poliestireno ignifugado
- Papel reforçado com
A sua combustão ou incandescência termina juta
M2
após a supressão da fonte de calor.
- Reboco ou estuque
com pintura espessa
- Tacos de madeira
A sua combustão ou incandescência
M3
prossegue mesmo após o afastamento da
fonte de calor.
Aglomerado
- Derivados de madeira
prossegue e propaga-se até à destruição
total.
-
composto de cortiça
A sua combustão ou incandescência
M4
- Mosaicos vinílicos
envernizados
- Aglomerado negro de
cortiça
Quadro 1 – Características das classes de reacção ao fogo dos materiais.
A classificação apresentada no quadro 1 será substituída pela classificação europeia de
desempenho de reacção ao fogo para os materiais de construção. Esta classificação baseia-se em
factores diversos, tais como aumento de temperatura, perda de massa, tempo de presença da
chama e taxa de propagação do fogo.
A classificação europeia estabelece a classificação da seguinte forma:
1. Produtos de construção, excluindo pavimentos
CLASSES: A1 – F;
2. Produtos de construção de pavimentos, incluindo os seus revestimentos, com classes
desde A1FL a FFL;
3. Produtos lineares para isolamento térmico de condutas, com classes desde A1L a FL.
Outra característica dependente dos materiais, tem a ver com a manutenção das funções
dos elementos estruturais e de compartimentação durante um determinado tempo. Designa-se
por resistência ao fogo e avalia o tempo que decorre entre o início do processo térmico a que o
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Materiais de Construção I
elemento é submetido e o momento em que ele deixa de satisfazer determinadas exigências
relacionadas com as suas funções. É analisada sob vários aspectos:
-
Estabilidade ao fogo – garantir que não se esgota a capacidade resistente, dos
elementos de construção a que apenas se exija a função de suporte, durante um
determinado tempo em minutos. O elemento designa-se por estável ao fogo, EF
(exemplo: pilar EF 90 – estável ao fogo durante pelo menos 90 minutos).
-
Estanquidade ao fogo – assegurar que não há emissão de chamas ou gases
inflamáveis, por atravessamento dos elementos, a que se exija função de
compartimentação, durante um certo período de tempo. Um elemento com estas
características designa-se por pára-chamas, PC. (exemplo: porta PC 30 –
estanque ao fogo durante pelo menos 30 minutos).
-
Isolamento Térmico – garantir que não se atingem certos limites de temperatura
na face do elemento não exposto ao fogo, durante um determinado período de
tempo. Um elemento que garanta este isolamento designa-se por corta-fogo, CF.
(exemplo: parede CF 60 – garante isolamento térmico pelo menos durante 60
minutos).
A classificação dos elementos estruturais ou de compartimentação do ponto de vista da
sua resistência ao fogo compreende, para cada uma das três qualificações consideradas – estável
ao fogo, pára-chamas e corta-fogo - nove classes, correspondentes aos seguintes escalões de
tempo, indicados em minutos:
15
30
45
60
90
120
180
240
360
A Directiva 2000/367/CE, apresenta outra classificação para avaliação do desempenho
ao fogo dos produtos de construção, baseada nos parâmetros REI:
R – Capacidade de suporte de carga
E – Estanquidade às chamas e gases quentes
I – Isolamento térmico
6.2 Comportamento térmico dos materiais
A transmissão do calor entre dois elementos ocorre sempre que se verifique uma
diferença de temperatura entre eles, dando-se o fluxo no sentido das menores temperaturas. O
fluxo de calor, φ, é a quantidade de calor que passa através de uma determinada superfície por
unidade de tempo. A transmissão de calor pode ocorrer por:
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Radiação – os corpos emitem energia sob a forma de ondas electromagnéticas. Quanto
mais quente estiver um corpo mais energia liberta.
Convecção – corresponde à passagem do calor de uma zona para a outra de um fluído,
por efeito do movimento relativo das suas partículas, provocado por uma diferença de
pressão devida a um diferencial de temperatura com a consequente diferença de
densidade da massa fluida considerada.
Condução – a condução de calor ocorre sempre que há diferença de temperatura, do
ponto de maior para o ponto de menor temperatura, sendo esta a forma típica de
propagação de calor nos sólidos. As partículas que constituem o corpo, no ponto de
maior temperatura vibram intensamente, transmitindo a sua energia cinética às
partículas vizinhas. O calor é transmitido do ponto de maior para o ponto de menor
temperatura, sem que a posição relativa das partículas varie.
Alguns materiais conduzem melhor o calor que outros. Esta propriedade é expressa pela
condutibilidade térmica, λ , que é uma propriedade térmica do material. A condutibilidade
térmica de um material corresponde ao fluxo de calor que percorre 1 m2 de uma parede com 1 m
de espessura desse material, quando a diferença de temperatura entre as duas faces da parede é
de 1ºC (figura 16) e exprime-se em W/m ºC.
Figura 16 – Condutibilidade térmica de um material.
A espessura de um material é um factor muito importante a considerar já que a
espessura é directamente proporcional ao seu isolamento térmico. No entanto, há outros factores
a considerar no estudo do comportamento térmico dos materiais, para além da espessura. A
resistência que um determinado material oferece à passagem de calor, é a relação entre a sua
espessura, expressa em metro, e a sua condutibilidade térmica, λ (figura 17). A resistência
térmica, R, de um elemento de construção pode ser determinada através da expressão (15) e
expressa-se em [(m2ºC)/W].
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Figura 17 – Resistência térmica de um material.
R=
e
(15)
λ
Em que
e – espessura do material (m)
λ – coeficiente de condutibilidade térmica do material [W/(mºC)]
No quadro 2 apresentam-se os valores dos coeficientes de condutibilidade térmica de
alguns materiais.
Material
Coeficiente de condutibilidade
térmica, λ (W/mºC)
Granito
3.0
Mármore
2.9
Xisto
2.2
Betão normal
1.75
Betão cavernoso
1.4
Estuque projectado
0.5
Gesso cartonado
0.35
Quadro 2 – Condutibilidade térmica de alguns materiais de construção.
6.3 Transmissão do calor através dos elementos construtivos da envolvente dos edifícios
A transmissão do calor numa construção, faz-se através dos elementos que separam
ambientes térmicos distintos, nomeadamente paredes, pavimentos e coberturas. Estes elementos
podem ser constituídos por um único material, ou por um conjunto de camadas de diversos
materiais que podem ter uma distribuição homogénea ou heterogénea.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
O fluxo de calor que passa através de 1m2 de parede simples de um material homogéneo
será tanto maior, quanto:
-
maior for a diferença de temperaturas entre os dois ambientes;
-
menor for a espessura da parede;
-
menor for a resistência do material à passagem do calor (isto é, quanto maior for
λ).
A resistência térmica global, U, de uma parede constituída por várias camadas contíguas
(figura 18), calcula-se somando as resistências correspondentes a cada camada, incluindo as
resistências térmicas superficiais (exterior e interior) junto a cada um dos paramentos, como é
expresso através da expressão (16).
U = Rsi +
R j + Rse
(16)
j
Em que:
Rsi - resistência térmica superficial do interior [(m2ºC)/W]
R j - resistência térmica da camada j [(m2ºC)/W]
R se - resistência térmica superficial do exterior [(m2ºC)/W]
Figura 18 – Resistência térmica global
As resistências superficiais estão relacionadas com a transmissão do calor por
convecção e por radiação, uma vez que junto às superfícies existe uma camada de ar em repouso
que acentuará localmente essas resistências. Dado que a sua quantificação é difícil, utilizam-se
valores tabelados para a resistência superficial interior, Rsi, e para a resistência superficial
exterior, Rse, em função do sentido do fluxo de ar (quadro 3a).
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Resistência térmica superficial (m2ºC/W)
Sentido do fluxo de calor
Exterior, Rse
Vertical
Horizontal
Local não
Interior, Rsi
aquecido
0.04
0.13
0.13
Ascendente
0.04
0.10
0.10
Descendente
0.04
0.17
0.17
Quadro 3a – Resistências térmicas superficiais [7].
Resistência térmica de espaços de ar não
Sentido do fluxo de calor
Horizontal
Vertical ascendente
Vertical descendente
ventilados
Espessura do
Resistência térmica, Rar
espaço (mm)
(m2ºC/W)
5
0.11
10
0.15
15
0.17
25 - 100
0.18
5
0.11
10
0.15
15 - 25
0.16
5
0.11
10
0.15
15
0.17
25
0.19
50
0.21
100
0.22
Quadro 3b – Resistências térmicas de espaços não ventilados [7].
Designa-se por condutância térmica, Kt, o inverso da resistência térmica – expressão
(17) – e exprime-se em [W/(m2ºC)].
Kt =
Propriedades dos Materiais
1
R
(17)
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Materiais de Construção I
O coeficiente da transmissão térmica de um material, exprime a perda súbita de calor
deste num metro quadrado por uma diferença de um grau entre a face interna e a face externa.
Quando os elementos de construção são constituídos por vários materiais, com
características térmicas distintas, deve-se dividir a área global em áreas parcelares de
condutibilidades térmicas diferentes e calcular, para esse pano, a designada condutibilidade
térmica ponderada, Kp A expressão (18) permite determinar Kp.
Kp =
K i Si
Si
(18)
Na expressão (18):
Ki – condutibilidade térmica do elemento i
Si – área do elemento i
O fluxo de calor, φ, que atravessa um elemento de construção pode ser determinado em
função da condutância térmica global, K, desse elemento e das temperaturas dos dois ambientes
separados pelo elemento, como se indica na expressão (19).
φ = K (θ i − θ e )
(19)
Nesta expressão:
θi – temperatura no ambiente interior (ºC)
θe – temperatura no ambiente exterior (ºC)
A expressão (19) permite determinar o fluxo de calor por unidade de superfície (m2)
atravessada. O fluxo de calor é constante ao longo de todas as camadas atravessadas.
6.4 Humidade absoluta e humidade relativa
O ar tem a capacidade de armazenar, em determinadas condições, água sob a forma de
vapor. Quanto maior for a temperatura do ar, tanto maior será a sua capacidade de
armazenamento. A quantidade de vapor de água contida no ar é designada por humidade
absoluta do ar e exprime-se em g/kg de ar seco ou em g/m3 de ar seco. Quando a uma
determinada temperatura, o ar armazenou a quantidade máxima de vapor que é possível, diz-se
que o ar está saturado. A humidade relativa, HR, do ar depende da temperatura e da pressão de
vapor de água e pode ser calculada, em valores percentuais, através da expressão (20). Na
prática, os equipamentos que permitem quantificar a humidade relativa do ar designam-se por
higrómetros.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
HR =
Massa de vapor de água em 1 m 3 de ar a t ºC
× 100
Massa de vapor de água em 1 m 3 de ar saturado a t ºC
(20)
Figura 19 – Diagrama psicrométrico.
A relação entre a temperatura ambiente, as humidades absoluta e a pressão de vapor de
água é expressa através do diagrama psicrométrico (figura 19). Admitindo que a temperatura
ambiente num determinado compartimento é 20ºC e que existe uma humidade relativa, HR, de
60%, verifica-se, por observação no diagrama psicrométrico, que humidade absoluta
corresponde a aproximadamente 8,8 g de vapor de água por kg de ar seco. Se o mesmo
ambiente arrefecer para um valor de temperatura de 12ºC, a humidade relativa passa a ser 100%,
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
ainda que com a mesma quantidade de vapor de água (8,8 g/kg). A temperatura correspondente
a uma humidade relativa de 100% é designada por ponto de orvalho, isto é, a temperatura a
partir do qual a condensação, nas paredes do ambiente considerado, se inicia.
No entanto, a condensação pode ocorrer à superfície (condensação superficial) dos
elementos de construção - paredes, pavimentos ou tectos - ou no interior dos materiais
(condensação interna) que constituem esses elementos. Tanto a condensação superficial como a
interna devem ser sempre evitadas, porque a primeira causa desconforto aos ocupantes do
compartimento em que ocorre e a segunda porque altera o desempenho esperado dos materiais e
provoca a sua deterioração.
O cálculo das temperaturas nas superfícies interiores das paredes exteriores, pavimentos
em contacto com o exterior, ou coberturas, faz-se de acordo com a expressão (19), sendo,
depois, necessário verificar se existe condensação na superfície dos elementos de construção.
6.5 Transmissão de vapor de água através dos elementos construtivos da envolvente dos
edifícios
Se uma parede é permeável ao vapor de água e separa dois ambientes em que a pressão
de vapor é muito diferente, então haverá fluxo de vapor do ambiente de maior pressão para o
ambiente de menor pressão.
O fluxo de vapor, φv, exprime-se em g/m2.h e é determinado pela seguinte expressão:
φv = π ×
pi - pe
e
(21)
Na fórmula (21):
π - coeficiente de permeabilidade ao vapor (g/m.h.mm Hg)
pi – pressão de vapor de água no ambiente interior (mmHg)
pe – pressão de vapor de água no ambiente exterior (mmHg)
O coeficiente de permeabilidade ao vapor de água, π, corresponde ao fluxo de vapor que
percorre 1 m2 de uma parede com 1 m de espessura desse material, quando a diferença de
pressões entre as duas faces da parede é de 1 mm Hg e exprime-se em g/m.h.mmHg.
O fluxo de vapor entre dois planos paralelos de um mesmo material é:
- Directamente proporcional à diferença de pressão entre os dois planos (pi –
pe), expressa em mmHg;
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
- Inversamente proporcional à distância entre os dois planos (espessura),
expressa em metro.
No quadro 4 apresentam-se os valores dos coeficientes de permeabilidade de alguns
materiais de construção
Permeabilidade ao vapor de
Material
água
(g/m.h.mmHg)
Granito
320×10-5
Aglomerado negro de cortiça
500×10-5
Tijolo furado
500×10-5
Betão normal
300×10-5
Betão celular
2000×10
Reboco à base de gesso
1050×10-5
Poliestireno expandido
300×10-5
Quadro 4 – Permeabilidade ao vapor de água de alguns materiais de construção.
Designa-se permeância ao vapor de água, Kπ, à relação entre o coeficiente de
permeabilidade ao vapor (π, expresso em g/m.h.mmHg) e a espessura (e, expressa em metro)
[expressão (22)] e resistência à difusão do vapor, Rπ, à relação inversa [expressão (23)].
Kπ =
e
π
(22)
Rπ =
1
π
=
e Kπ
(23)
No caso de uma parede múltipla, o fluxo de vapor é calculado através da fórmula (24):
φv =
p1 - p0 p2 - p1 p3 - p2 p4 - p3
=
=
=
=
e1
e2
e3
e4
e1
π1
Propriedades dos Materiais
π2
π3
π4
π1
p4 - p0
e2 e3 e4
+
+
+
π2
π3
(24)
π4
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Materiais de Construção I
π1
P0
π2
π4
π3
P4
e1
P0
e2
P1
e3
P2
e4
P3
P4
Figura 20 – Traçado da curva de pressões.
Na figura 20, apresenta-se o traçado da curva de pressões através de uma parede
constituída por vários elementos. Haverá condensação de vapor de água no interior da parede,
sempre que a pressão de vapor de água seja igual ou superior à pressão de saturação. Um
processo de evitar a condensação no interior da parede é utilizar, de forma criteriosa, uma
barreira pára vapor. Os materiais utilizados como barreiras pára vapor são materiais finos, de
fraca resistência térmica mas muito pouco permeáveis ao vapor, como por exemplo folhas de
alumínio, feltros betuminosos ou folhas de polietileno. As barreiras pára vapor devem colocarse do lado mais quente da parede, onde as pressões de vapor são maiores.
7. Características acústicas dos materiais
7.1 Conceitos elementares de acústica
A acústica é uma disciplina cujo objecto de estudo é o som. Do ponto de vista físico, podese definir som como uma sucessão de ondas com diferentes comprimentos e amplitudes. Do
ponto de vista fisiológico trata-se de um fenómeno acústico que produz uma sensação auditiva.
Esta sensação sonora é causada pela existência de uma fonte sonora que emite o som sendo este,
por sua vez, transmitido ao ouvido humano.
As ondas sonoras podem-se transmitir da fonte até ao ouvido de forma directa, através do
ar, ou de forma indirecta por condução nos materiais (por exemplo através das paredes e dos
pavimentos). A velocidade de propagação das ondas sonoras depende do meio através do qual
se transmitem. No quadro 5 apresentam-se alguns valores da velocidade de propagação do som
em função do meio de transmissão.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Meio de propagação
Velocidade de propagação
(m/s)
Ar
340
Aço
5800
Água
1500
Quadro 5 – Velocidade de propagação vs. meio de propagação.
Uma fonte sonora produz uma quantidade de energia sonora, E, por unidade de tempo,
ou seja, a fonte tem uma determinada potência sonora, W, como indica a expressão (25). A
potência de uma fonte sonora expressa-se em Watt (1 Watt = 1 Joule/s). A potência sonora serve
fundamentalmente para classificar, em termos quantitativos, as fontes de ruído.
W =
E
∆t
(25)
Quando o som é produzido por uma fonte sonora com uma potência sonora, W, dá-se
uma transferência de energia da fonte para as moléculas de ar adjacentes, segundo uma
propagação radial, ou seja, existe uma variação da pressão no ar (figura 21).
Figura 21 – Variação do valor da pressão do relativamente ao valor de referência.
A pressão sonora num dado pode ser determinada através da fórmula (26):
p = p atm + A sin (2πf ) t
Propriedades dos Materiais
(26)
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Materiais de Construção I
Na expressão anterior:
patm – pressão atmosférica (Pa)
A – amplitude da onda sonora (m)
f - frequência da onda sonora (Hz)
t – tempo (s)
A pressão sonora, p (1Pa=1N/m2), num determinado ponto depende da quantidade de
obstáculos que as ondas sonoras interceptem.
O fluxo de energia numa determinada direcção através de um elemento de superfície é
designado por intensidade sonora, I. Em cada ponto em redor da fonte sonora, o fluxo de
energia dará origem a uma pressão sonora, pi. A intensidade sonora permite localizar e
quantificar as fontes de ruído, sendo por isso extremamente útil no estudo de soluções para o
controlo de ruído.
A potência (W), pressão (p) e intensidade (I) sonoras são parâmetros básicos (figura 22)
que se podem relacionar através da expressão (27):
I=
W
p2
=
4πr 2 ρc
(27)
Em que
r – distância do ponto à fonte sonora
ρ – densidade do ar
c – velocidade de propagação do som
Figura 22 – Propagação de ondas sonoras.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
A fórmula (27) mostra claramente que a potência sonora, W, é proporcional à
intensidade sonora, I, e proporcional ao quadrado da pressão sonora. Do mesmo modo verificase que a intensidade sonora e a pressão sonora diminuem com o quadrado da distância à fonte.
A intensidade sonora e a pressão sonora podem ser medidas directamente utilizando
instrumentos apropriados.
Relativamente à pressão estática do ar, a variação da pressão sonora na gama audível é
relativamente muito pequena, situando-se entre os valores 20 µPa e 100 Pa. O primeiro valor
corresponde ao som mais fraco que um indivíduo médio consegue ouvir e por isso é
considerado o limiar da audição, enquanto que o segundo valor é considerado o limiar da dor,
por causar uma sensação dolorosa (figura 23).
A aplicação directa de uma escala linear de pressões (cujas unidades se exprimem em
Pa) implicaria a utilização de uma gama de valores numéricos muito elevada (entre 10-5 e 100
Pa!) e portanto nada prática. Por outro lado, sabe-se que o ouvido humano responde de uma
forma logarítmica e não linear aos estímulos sonoros. Por estas razões, recorre-se à definição de
nível. O nível de uma grandeza é definido como o logaritmo decimal da razão entre os valores
medidos e os valores de referência e exprime-se em decibel (dB).
Figura 23 – Gama de pressões sonoras e de níveis de pressão sonora.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
7.2 Nível de pressão sonora
O nível de pressão sonora, Lp, em decibel, correspondente a uma pressão sonora, p, em
Pa, é dado por:
L p = 20 log
p
p0
(28)
Em que
p – valor de pressão medido (Pa)
p0 – valor de referência de pressão sonora (2×10-5 Pa)
A expressão (28) permite converter Pa em dB ou vice-versa, e em alternativa é possível
utilizar tabelas ou gráficos.
7.3 Nível de Potência Sonora
O nível de potência sonora, Lw pode ser determinado através da expressão (29):
L w = 10 log
W
W0
(29)
Na expressão anterior:
W – potência sonora, em Watt
W0 – potência sonora de referência (W0= 10-12 W)
7.4 Nível de Intensidade Sonora
O nível de intensidade sonora, LI é dado por:
L I = 10 log
I
I0
(30)
I – intensidade sonora, em W/m2
I0 – intensidade sonora de referência (I0= 10-12 W/m2)
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
7.5 Frequência e comprimento de onda
A frequência é a seguir ao nível de pressão sonora, o parâmetro mais importante para
descrever um sinal sonoro. O som contém diferentes tons ou frequências que permitem
diferenciar e identificar as respectivas fontes. Na figura 24, representam-se algumas fontes de
ruído, caracterizadas por se manifestarem em gamas de frequência bem diferenciadas.
As ondas sonoras que radiam de uma fonte propagam-se através do meio adjacente a
uma velocidade constante, c. A velocidade de propagação do som (expressa em m/s) no ar é
aproximadamente 344 m/s. A frequência, f, é um fenómeno periódico que corresponde ao
número de ciclos de pressão por segundo e exprime-se em Hertz (Hz).
f=
1
T
(31)
em que T representa o tempo de duração de cada ciclo, em segundos.
Figura 24 – Fontes de ruído e respectivas gamas de frequência.
O timbre é outro parâmetro que permite caracterizar o som, para além da intensidade
(sons fracos/sons fortes) e da frequência (sons agudos e sons graves). O timbre permite
distinguir dois sons com a mesma intensidade e frequência, mas provenientes de fontes
distintas.
A propagação do som no ar manifesta-se por zonas de pressões máximas e mínimas. A
distância entre dois pontos de pressão máxima (ou mínima) é designada por comprimento de
onda, λ (figura 25) e exprime-se em metro.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Figura 25 – Comprimento de onda.
Os três parâmetros definidos anteriormente relacionam-se do seguinte modo:
λ=
c
f
(32)
Da análise da expressão (32), verifica-se que a frequência é inversamente proporcional
ao comprimento de onda, ou seja, sons de baixas frequências têm elevados comprimentos de
onda elevado, enquanto que sons de altas frequências têm pequenos comprimentos de onda
(figura 26).
Figura 26 – Frequência e comprimento de onda.
A gama de frequência do som vai desde valores inferiores a 1 Hz até várias centenas de
KHz. No entanto, a gama audível, para os humanos, varia entre 20 Hz e 20 KHz. Os valores de
frequência abaixo da gama audível designam-se por infrasons, enquanto que os valores acima
desta gama se designam por ultrasons (figura 27).
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
Figura 27 – Gama de sons audíveis.
Investigações realizadas com um elevado número de pessoas, submetidas a sons com
amplitudes e frequências diferentes, permitiram concluir que a sensibilidade auditiva varia com
a frequência. A sensibilidade máxima ocorre à volta dos 4 KHz, diminuindo nas altas e
especialmente nas baixas frequências. Por exemplo, um estímulo sonoro de 70 dB a 1 KHz é
equivalente a um estímulo sonoro de 85 dB a 50 Hz. No diagrama da figura 28 estão
representadas as designadas curvas isofónicas, ou seja, de igual sensibilidade auditiva.
Figura 28 – Curvas Isofónicas.
7.6 Transmissão de sons em edifícios - sons aéreos e sons de percussão
A Acústica de Edifícios é uma área de estudo da Engenharia Civil e cujo objectivo se
centra no estudo das condições de conforto acústico dos edifícios, em função das actividades aí
desenvolvidas. Para tal é necessário estudar os fenómenos acústicos envolvidos na propagação
dos sons e o comportamento acústico dos materiais e dos elementos de construção bem como
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
A propagação dos sons nos edifícios faz-se principalmente por via aérea e por via
sólida. Os sons que utilizam predominantemente o ar como meio de propagação são designados
sons aéreos. Os sons que se propagam através dos meios sólidos são denominados sons de
percussão ou de impacto.
Figura 29 – Meios de propagação dos sons: a) Ar; b) Elementos sólidos.
Os sons aéreos resultam da excitação do meio gasoso que envolve a fonte de excitação
(por exemplo, aparelhos de rádio e televisão, conversação) os quais, por norma, alteram de
forma dominante o campo sonoro nos compartimentos circunvizinhos ao compartimento onde
tem origem a excitação (figura 29 a)).
Os sons de percussão resultam da excitação directa de um elemento de
compartimentação qualquer e podem, devido à rigidez das ligações existentes, propagar-se com
grande facilidade através de toda a malha estrutural do edifício estabelecendo campos sonoros,
eventualmente intensos, em compartimentos bastante distantes do local da fonte sonora. Por este
motivo, os sons de percussão podem ter um carácter mais “incomodativo” no comportamento
acústico de um edifício relativamente aos sons aéreos (figura 29 b)).
Os impactos provocam sons de curta duração mas cuja potência vibradora se propaga
frequentemente a uma grande distância, apoiando-se nos componentes sólidos dos edifícios que
facilitam a sua transmissão. Por isso, há que diminuir a quantidade de energia fornecida. Os
sons aéreos são geralmente menos potentes mas de maior duração, criando condições sonoras
ambientais em zonas vizinhas do seu ponto de origem, com níveis de ruído que serão
certamente perturbadores. Relativamente à transmissão de sons aéreos, há uma atenuação de 6
dB, cada vez que se duplica a distância da fonte, em espaço livre.
Propriedades dos Materiais
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Materiais de Construção I
7.7 Coeficiente de absorção sonora
Quando as ondas sonoras “chocam” com uma superfície (por exemplo, uma parede ou
um pavimento), uma parte da energia reflecte-se, outra transmite-se e outra parte é absorvida
pela superfície. A parcela transmitida é função da frequência do som incidente e da massa por
unidade de superfície da parede. A eficácia de um material de revestimento de uma superfície é
quantificável através do coeficiente de absorção sonora, α, que se determina através do
quociente entre a energia absorvida e a energia incidente (0<α<1). Este parâmetro varia com a
frequência, como se demonstra no quadro 6 onde se indicam alguns valores que os coeficientes
de absorção podem assumir.
Pessoas e
mobiliário
Coeficientes de absorção sonora, α, para as frequências
expressas em Hz
125
250
500
1000
2000
4000
0.05
0.04
0.02
0.04
0.05
0.05
0.03
0.03
0.02
0.03
0.04
0.05
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
0.18
0.06
0.04
0.03
0.02
0.02
Parede de
alvenaria de tijolo
à vista
Tecto de betão
rebocado e
estucado
Vão aberto para o
exterior
Divisória
envidraçada com
6mm de espessura
Quadro 6 – Valores de absorção sonora para vários materiais.
7.8 Tempo de reverberação
A reverberação é a persistência do som num espaço, após ter cessado a vibração da
fonte que lhe deu origem. O tempo de reverberação é o parâmetro mais utilizado na avaliação da
qualidade acústica de espaços fechados. O tempo de reverberação, Tr, corresponde ao intervalo
de tempo necessário para se verificar um decrescimento no nível sonoro de 60 dB. O tempo de
reverberação é quantificado em segundo.
Se os tempos de reverberação são elevados, a comunicação pode-se tornar dificilmente
inteligível. Numa habitação é normal o tempo de reverberação assumir o valo 0,5 s, enquanto
Propriedades dos Materiais
39/43
Materiais de Construção I
que numa sala de aula o mesmo parâmetro deve estar compreendido entre 0,6 e 0,9 s. A fórmula
empírica de Sabine - expressão (33) - permite avaliar o tempo de reverberação de um
compartimento.
Tr = 0,163
V
A
(33)
Nesta expressão:
Tr – Tempo de reverberação, em segundo
V – volume do compartimento, em m3
A – área de absorção equivalente, que se pode determinar pela soma de várias
áreas equivalentes elementares:
A=
n
α × Si
i
(34)
i =1
Em que:
αi – coeficiente de absorção do material de revestimento, pessoa ou
equipamento
Si – área da superfície revestida com o material de coeficiente αi, ou o número
de pessoas, ou de determinados equipamentos.
O tempo de reverberação depende do volume do compartimento, da frequência do som,
do revestimento da envolvente e do recheio existente no interior do compartimento. Pode ser
alterado, modificando a geometria do espaço e/ou as características acústicas da envolvente. A
fórmula de Sabine (33) permite conhecer as condições acústicas de um local e decidir sobre a
necessidade da sua correcção, atendendo às funções desse local.
7.9 Materiais absorventes
7.9.1 Materiais porosos ou fibrosos
Os materiais porosos ou fibrosos são eficazes nas altas frequências: 1600 Hz a 6400 Hz
(figura 30). O movimento do ar contido nos pequenos orifícios do material permite, por efeito
da viscosidade, a dissipação da energia cinética em calor. Aplicam-se como revestimentos de
superfícies. Podem ainda aplicar-se como atenuadores suspensos.
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Materiais de Construção I
Figura 30 – Materiais fibrosos.
7.9.2 Ressoadores
Os materiais ressoadores são eficazes nas médias frequências, 400 Hz a 1600 Hz (figura
31). Consistem em painéis perfurados colocados a alguma distância de um elemento de suporte,
vertical ou horizontal rígido. As vibrações no ressoador, por atrito, dissipam parte da energia
sonora existente.
Figura 31 – Materiais ressoadores.
7.9.3 Membranas
As membranas são mais eficazes nas baixas frequências, 100 Hz a 400 Hz (figura 32).
A membrana é constituída por uma placa flexível separada de uma base de suporte, vertical ou
horizontal, através de apoios.
A absorção do som é conseguida através da dissipação da energia sonora no movimento da
placa (membrana).
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Materiais de Construção I
Figura 32 – Membranas.
Existem ainda soluções mistas de materiais absorventes, escolhidas em função da
componente acústica, do custo do material, da instalação e da manutenção, do isolamento
térmico, da resistência e auto sustentação, da segurança contra incêndios, da qualidade estática e
da adaptação aos sistemas de energia eléctrica, iluminação, aquecimento e refrigeração.
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Alvenaria de Tijolo”, Coimbra, 2000
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