Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias

VENTILAÇÃO DA BASE DAS PAREDES PARA SECAGEM DE EDIFÍCIOS NA SEQUÊNCIA DE INUNDAÇÕES/CHEIAS MARIA RAMOS MARTINS Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÕES Orientador: Professora Doutora Ana Sofia Moreira dos Santos Guimarães Teixeira JUNHO DE 2015 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2014/2015 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446  [email protected] Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440  [email protected]  http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2012/2013 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2013. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo 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 eletrónica fornecida pelo respetivo Autor. Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias Aos meus Pais e Irmã, Audaces fortuna juvat Virgílio Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias i AGRADECIMENTOS Ao concluir o presente trabalho quero manifestar o meu profundo e sincero agradecimento a todos os que contribuíram para a sua realização, fazendo destaque a algumas pessoas que direta ou indiretamente tiveram um papel fundamental na sua realização. À Professora Ana Sofia Guimarães agradeço toda a disponibilidade, paciência e ajuda manifestadas na sua orientação; Ao Engenheiro Óscar López a ajuda prestada, fundamental para a concretização deste trabalho. Aos meus pais e irmã por tudo o que sempre me proporcionaram, o mais sincero agradecimento por estarem sempre do meu lado, por me apoiarem incondicionalmente em todas as etapas e por serem os pilares da minha vida; Às minhas primas Margarida, Carla (e João), Paula, Luísa e Cristina por me terem ajudado a ultrapassar momentos difíceis, por sempre acreditarem em mim, bem como por estarem sempre presentes; A alguns tios, o meu agradecimento pela confiança e orgulho que sempre me transmitiram e por serem quase meus pais; Aos restantes primos e tios que, direta ou indiretamente, se mostraram sempre felizes pelas minhas conquistas; À minha amiga Vivi, por todas as vivências e tempo juntas; À minha amiga Mónica, por me ter acompanhado ao longo deste percurso e se tornar indispensável nos momentos mais importantes; À minha amiga Rita, por estar na base do meu crescimento neste percurso; Às amigas Joana S., Joana L., Diana, Marília, Teresa, Brito, pelos conselhos e boa disposição; Aos colegas com os quais me cruzei e que foram essenciais para as aprendizagens adquiridas ao longo destes 5 anos. Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias ii Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias iii RESUMO Os edifícios do Património nacional são compostos por um elevado valor histórico e cultural sendo cada vez mais necessário preservá-los. A sua proximidade aos rios e a sua exposição às alterações climáticas torna-o cada vez mais vulnerável e constantemente ameaçado pelos fenómenos das inundações e cheias. Estudos acreditam que estes fenómenos serão agravados nos próximos anos e, por isso, será necessário adotar medidas preventivas que minimizem e controlem os efeitos adversos de movo a evitar o aparecimento de patologias nos edifícios. Nos últimos anos foi desenvolvido no Laboratório de Física das Construções – LFC, da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto – FEUP, uma técnica de tratamento de ventilação da base das paredes com o intuito de tratar o problema da humidade ascensional. Com este trabalho pretende-se, através de simulações efetuadas no programa de cálculo automático WUFI 2D versão 3.3, validar esta técnica de tratamento mas, neste caso, na sequência de uma inundação ou cheia. Serão procuradas as melhores soluções em termos de caudal e geometria do sistema de ventilação e avaliada a influência da espessura da parede. PALAVRAS-CHAVE: Inundações, Cheias, Património Nacional, Sistema de ventilação, Ventilação da base das paredes Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias iv Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias v ABSTRACT Portuguese cultural heritage buildings have a great historic value and their preservation have turned into a very important issue. The proximity to the rivers and their exposure to the climate changes make them more vulnerable and are often threaten by floods. Previous studies believe this phenomenon will become worse in the following years; therefore, new preventive measures to minimise and control collateral damage and pathologies that might appear in the buildings are going to be essential in a near future. In recent years, the Laboratory of Physics of the Constructions – L. F. C. in the College of Engineering of Porto University (FEUP) – developed an air vent method/technique for the walls base in order to prevent rising damp. This thesis's goal is to validate the air vent technique through a flood simulation in the automatic calculus program WUFI 2D, version 3.3. The best solutions will be searched, related to the ventilation system's geometry and flow. Nevertheless, the influence of wall thickness will be evaluated and its importance for this method will be defined. KEYWORDS: floods, Portuguese cultural heritage buildings, ventilation system, ventilation on the base of the wall Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias xii Fig. 3.8 – Caixa de diálogo para escolha do material e respetivas propriedades ................................. 31 Fig. 3.9 – Caixa de diálogo para a conclusão de escolha do material .................................................. 32 Fig. 3.10 – Método para abrir o WUFI Editor ........................................................................................ 32 Fig. 3.11 – Caixa de diálogo para a criar de um novo material ............................................................. 33 Fig. 3.12 – Caixa de diálogo par a criação de um novo material ........................................................... 33 Fig. 3.13 – Caixa de diálogo par a criação de um novo material ........................................................... 34 Fig. 3.14 – Condições iniciais ................................................................................................................. 34 Fig. 3.15 – Condições fronteira na interface .......................................................................................... 35 Fig. 3.16 – Condições fronteira na interface .......................................................................................... 35 Fig. 3.17 – Secção ‘’Surface Coefficients’’ ............................................................................................. 36 Fig. 3.18 – Secção ‘’Climate’’ ................................................................................................................. 37 Fig. 3.19 – Definição do clima ................................................................................................................ 37 Fig. 3.20 – Ficheiro para simular a saturação da base .......................................................................... 38 Fig. 3.21 – Ficheiro para simular as restantes interfaces ...................................................................... 38 Fig. 3.22 – Condições fronteira definidas ............................................................................................... 39 Fig. 3.23 – Adicionar nova fonte............................................................................................................. 39 Fig. 3.24 – Características do sistema de ventilação............................................................................. 40 Fig. 3.25 – Características das fontes inseridas .................................................................................... 40 Fig. 3.26 – Separador ‘’simple’’ da caixa de diálogo parâmetros computacionais ................................ 41 Fig. 3.27 – Caixa de diálogo processamento no decorrer da simulação ............................................... 41 Fig. 3.28 – Ver resultados ...................................................................................................................... 42 Fig. 3.29 – Resultados da simulação: temperatura, teor de humidade e humidade relativa ................. 42 Fig. 3.30 – Teor de humidade num ponto específico do elemento em estudo ...................................... 43 Fig. 4.1 – Percurso típico de uma curva higroscópica [26] .................................................................... 47 Fig. 4.2 – Comportamento higroscópico de materiais de construção em função da humidade relativa [14] .......................................................................................................................................................... 47 Fig. 4.3 – Representação e pormenor da curva higroscópica do granito .............................................. 48 Fig. 4.4 – Configuração do sistema de ventilação ................................................................................. 50 Fig. 4.5 –Definição de hmax ................................................................................................................... 52 Fig. 4.6 – Configuração A ...................................................................................................................... 55 Fig. 4.7 – Configuração B, C, D e E ...................................................................................................... 56 Fig. 4.8 – Configuração A, B, C, D e E para b=0.20m .......................................................................... 58 Fig. 4.9 – Configuração A, B, C, D e E para b=0.40m .......................................................................... 57 Fig. 4.10 – Configuração A, B, C, D e E para b=0.60m ........................................................................ 58 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias xiii Fig. 4.11 – Configuração A, B, C, D e E para b=0.80m ........................................................................ 59 Fig. 4.12 – Configuração A, B, C, D e E para b=1m ............................................................................. 60 Fig. 4.13 – hmax das simulações numéricas. Configuração A ............................................................. 61 Fig. 4.14 – hmax das simulações numéricas. Configuração A, B, C, D e E ......................................... 62 Fig. 4.15 – Configuração A, B, C, D e E ............................................................................................... 62 Fig. 4.16 – hmax para valor de renovação horária. b=20cm ................................................................ 64 Fig. 4.17 – hmax para valor de renovação horária. b=100cm .............................................................. 65 Fig. 4.18 – Representação do hmax, ao fim de dois anos de simulação, para b=0.2m e b=1m, respetivamente ...................................................................................................................................... 65 Fig. 4.19 – hmax para cada valor de renovação horária ...................................................................... 66 Fig. 4.20 – hmax para cada geometria ................................................................................................. 67 Fig. 4.21 – hmax atingida para cada espessura ................................................................................... 68 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias xiv Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias xv ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2.1 – Histórico de inundações/cheias em Portugal (adaptado de [3], [12] e [13]) ....................... 8 Tabela 3.1 – Dados de entrada – Propriedades dos materiais ............................................................. 30 Tabela 4.1 – Propriedades dos materiais .............................................................................................. 46 Tabela 4.2 – Curva higroscópica do Granito [20]................................................................................... 48 Tabela 4.3 – Velocidades e nº de renovações horárias de ventilação em estudo para um sistema de ventilação 20cm x 20cm ........................................................................................................................ 51 Tabela 4.4 – Configurações geométricas analisadas ........................................................................... 53 Tabela 4.5 – Combinações das simulações ......................................................................................... 55 Tabela 4.6 – Velocidades testadas nas simulações ............................................................................. 64 Tabela 4.7 – Esquematização das conclusões finais ........................................................................... 69 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias xvi Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias xvii SÍMBOLOS i  : Temperatura do paramento interior (ºC) teti, : Temperaturas do ar, interior e exterior (ºC) hi 1 : Resistência térmica superficial interior (m2ºC/W) U : Coeficiente de transmissão térmica W/m2ºC dT dH : Capacidade de armazenamento de calor do material húmido (J/(m3.K))  d dw : Capacidade de armazenamento de humidade do material húmido (kg/m3)  : Condutibilidade térmica do material húmido (W/(m.K)) v h : Entalpia de evaporação da água (J/kg)  D : Coeficiente de condução líquida (kg/(m.s)) p  : Permeabilidade ao vapor de água do material (kg/(m.s.Pa)) T : Temperatura (ºC) w : Teor de humidade do material (kg/m3)  : Humidade relativa (-) sat p : Pressão de saturação do vapor de água (Pa) Q : Caudal (m3/s) u : Velocidade (m/s) A : Área da secção (m2) hmax: Valor da altura máxima atingida pela frente húmida Rph : Número de renovações por hora (h-1) V : Volume (m3) L : Comprimento do canal (m) Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias xviii Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 1 1 INTRODUÇÃO 1.1. ENQUADRAMENTO A água é um dos principais agentes de degradação dos edifícios penetrando de diversas formas e através de diversos mecanismos tratando-se portanto de um fator de risco para o Património Monumental. Desta forma, o estudo das suas consequências é cada vez mais importante para o tratamento e prevenção das patologias associadas. Desde sempre que a humidade nos edifícios tem suscitado dúvidas tratando-se de um assunto com grande interesse. Contudo, não são muitos os estudos que permitem analisar este fenómeno. Sendo a humidade ascensional uma das maiores causas deste problema, começaram a ser desenvolvidos estudos para o tratamento da envolvente dos edifícios face a esta questão. A sensibilização para este assunto começa a crescer nomeadamente ao nível do património português. Como se tratam de edifícios históricos com elevado significado, é cada vez maior a necessidade de os proteger destes fenómenos. Assim surgiu o conceito de sistema de ventilação na base das paredes como forma de proteção e tratamento destes edifícios históricos. Inicialmente estudado e analisado para o controlo de humidade ascensional, tenciona-se agora prosseguir com esse estudo mas, desta vez, abordar a sua aplicabilidade na sequência de uma inundação. Com o intuito de tomar medidas no sentido de salvaguardar o património, serão aprofundados os conhecimentos sobre o fenómeno das inundações/cheias e os seus efeitos nos monumentos históricos. Recorrendo ao auxílio dum programa de cálculo automático, serão simuladas várias caraterísticas do sistema de ventilação bem como a espessura da parede, de forma a encontrar a melhor resposta ao problema exposto. Para tirar resultados e conclusões é importante conhecer a informação existente sobre esta técnica inovadora do sistema de ventilação. Serão então apresentados os principais conceitos bem como a análise dos estudos já realizados. 1.2. OBJETIVOS Existem já diversos estudos que enunciam as diversas formas de manifestação de humidade, causas associadas e fatores que são determinantes para o seu aparecimento e progressão. As técnicas de tratamento de patologias associadas à humidade ascensional nos Monumentos têm vindo a ser desenvolvidas apresentando resultados satisfatórios. Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 2 Foi recentemente validada uma técnica de tratamento da humidade ascensional designada por “ventilação da base das paredes”. Tem como objetivo prevenir e tratar este problema abrangendo todas as particularidades que as paredes do património nacional apresentam. O principal objetivo deste trabalho passa por analisar a técnica da ventilação da base das paredes associada à humidade proveniente de uma inundação. Pretende-se avaliar a sua eficácia como:  Efetuar a comparação de uma parede em estudo com e sem a aplicação do sistema na sua base;  Variar determinadas propriedades de modo a entender as que apresentam maior e menor influência no estudo;  Estudar várias configurações do sistema (geometria e velocidade) com o intuito de encontrar aquela que traduza uma melhor solução. 1.3. ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURAÇÃO DO TRABALHO A presente dissertação encontra-se dividida em cinco capítulos. O primeiro capítulo consta de uma parte introdutória onde são apresentados o enquadramento do tema escolhido, os objetivos inerentes à sua realização e a estruturação da mesma. Os três capítulos seguintes, referentes ao corpo principal do trabalho, são divididos em:  Capítulo 2 de carácter essencialmente teórico onde serão definidos os conceitos de cheia, de inundação e de bacia hidrográfica. Apresenta-se o histórico de inundações em Portugal e são descritas e exemplificadas as diferentes formas de manifestações da humidade. Neste capítulo é ainda introduzido o conceito do sistema de ventilação, a sua evolução e enquadramento para o estudo que irá ser realizado.  Capítulo 3 também de carácter teórico onde é apresentado o funcionamento do programa de cálculo utilizado, WUFI 2D, e os passos que devem ser seguidos para se proceder a uma simulação de uma parede saturada e respetiva secagem com e sem o sistema de ventilação. Para uma melhor compreensão optou-se por não generalizar e apresentar uma simulação específica do trabalho.  Capítulo 4 dividido em duas partes: uma de caráter informativo que descreve os parâmetros escolhidos, os valores inseridos e as configurações que irão ser estudadas e simuladas e uma segunda parte onde são apresentados todos os resultados recolhidos e conclusões obtidas. Por último, no Capítulo 5, expõem-se as conclusões finais do trabalho desenvolvido bem como possíveis desenvolvimentos futuros que seriam interessantes para dar uma continuidade ao estudo apresentado nesta dissertação. Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 3 2 AS INUNDAÇÕES E AS CHEIAS 2.1. INTRODUÇÃO As alterações climáticas influenciam a manifestação e a gravidade dos riscos naturais no domínio da hidrologia como as cheias e as inundações. Estas ocorrem principalmente na sequência de fenómenos de precipitação extrema e de frequência variável que, de forma natural ou induzida pela ação humana, podem resultar na submersão de terrenos usualmente emersos. Estes fenómenos hidrológicos não são possíveis de evitar e podem ser potencialmente perigosos, dependendo da magnitude atingida (altura da água e caudais), da velocidade com que progridem e da frequência com que ocorrem. Embora os conceitos de inundação e cheia sejam entendidos como sinónimos é necessário distinguilos e perceber a sua influência nas construções no património nacional. É cada vez mais importante o seu estudo uma vez que os edifícios estão cada vez mais expostos ao fenómeno. A humidade, que por capilaridade atinge e progride no interior dos elementos de construção, é considerada uma das maiores causas de degradação das construções sendo por este motivo fundamentalmente prevenir e tratar o problema. 2.2. CARACTERIZAÇÃO DOS CONCEITOS: CHEIA E INUNDAÇÃO 2.2.1. DISTINÇÃO CONCETUAL DE CHEIA E INUNDAÇÃO Todas as cheias causam inundações mas nem todas as inundações são causadas por cheias sendo então importante diferenciar os conceitos. Dentro das causas meteorológicas, a pluviosidade é a principal causa destes fenómenos. Muitas abordagens podem ser feitas para o conceito de cheia mas todas se resumem ao mesmo fenómeno, fenómeno esse que tem como causas condições meteorológicas ou fatores humanos. As cheias são fenómenos naturais extremos e temporários, provocados por precipitações contínuas e prolongadas ou repentinas e de elevada intensidade [1]. No primeiro caso, com duração de semanas a meses, não é atingida uma grande intensidade mas o solo é levado a uma saturação tal que ocorrem fenómenos de transbordo [2]. No segundo caso a chuva já é de grande intensidade dando origem às cheias rápidas e às inundações urbanas. O excesso de precipitação faz aumentar o caudal dos cursos de água, originando o extravase do leito normal. Estes transbordamentos, associados a sistemas de drenagem incapacitados de absorver toda a água, provocam a cheia [2]. Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 10 Verifica-se que a ocorrência de inundações em Portugal tem uma forte sazonalidade, decorrendo essencialmente durante o semestre húmido (entre Outubro a Março). Segundo algumas análises, é possível afirmar que 70% destes fenómenos ocorrem nos meses de Novembro, Dezembro, Janeiro e Fevereiro. Pelo histórico de Portugal é também possível concluir que a maioria das inundações são devidas a cheias que ocorrem nas bacias hidrográficas dos grandes e médios rios afetando principalmente o centro do país. Para além destas referências, ocorreram ainda alguns episódios pontuais, com uma gravidade reduzida. Em Fevereiro de 1978 fortes temporais fizeram avançar as águas marinhas sobre o litoral inundando espaços urbanos perto de Aveiro. A 8 de Janeiro de 1996 deu-se a ocorrência de uma cheia no norte e no centro do país e, a 22 de Dezembro desse mesmo ano, também se verificou uma cheia após o preenchimento da capacidade de armazenamento das albufeiras (figuras 2.4 e 2.5). Fig. 2.4 – Cheia de Dezembro de 1909 e cheia de 1962 Fig. 2.5 – Cheia de 1979 e cheia de 2010 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 11 2.3.2. CARTAS DE RISCO REGIONAL Com base no estudo realizado por Ana Dias [3] é possível identificar os monumentos de Portugal Continental que apresentam um maior e menor risco de cheia. A análise é dividida em Norte, Centro e Sul do país para uma melhor perceção dos monumentos em risco e dos rios existentes em cada zona. Foram apenas considerados monumentos classificados e foram retirados edifícios em ruínas ou não habitáveis. 2.3.2.1. Região Norte Viana do Castelo, Braga, Porto, Vila Real e Bragança são distritos da Região Norte do país assim como parte dos distritos de Aveiro, Viseu e Guarda. Na figura 2.6 apresenta-se o mapa de risco de cheia para esta região. Fig. 2.6 – Mapa de risco de cheia da região Norte [3] A figura 2.7 apresenta a distribuição de resultados [3] onde mais de metade dos monumentos da região Norte apresentam um risco de cheia baixo havendo no entanto cerca de 15 % de risco elevado e 28% de risco médio. Fig. 2.7 – Distribuição do risco na região Norte [3] Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 12 2.3.2.2. Região Centro Parte dos distritos de Aveiro, Viseu, Guarda, Lisboa e Santarém fazem então parte da região Centro tal como Coimbra, Castelo Branco e Leiria. Na figura 2.8, apresenta-se o mapa de risco de cheia desta região. Fig. 2.8 – Mapa de risco de cheia da região Centro [3] A figura 2.9 apresenta a repartição do risco pelas diferentes categorias, para a região Centro [3]. Verifica-se que os valores não são muito diferentes dos da região Norte, com 54% de risco baixo, 30% de risco médio, 15% de risco elevado e apenas 1% de risco muito elevado. Fig. 2.9 – Distribuição do risco na região Centro [3] Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 13 2.3.2.3. Região Sul A região Sul é constituída pelos distritos de Portalegre, Setúbal, Évora, Beja, Faro e parte dos distritos de Lisboa e Santarém. A carta de risco de cheia obtida para esta região é apresentada na figura 2.10. Fig. 2.10 – Mapa de risco de cheia da região Sul [3] Relativamente à região Sul, verifica-se ser a região que apresenta uma percentagem de risco baixo mais elevada e onde as percentagens são inferiores à das regiões anteriores com cerca de 69% de risco baixo, 23% de risco médio e 8% de risco elevado. Figura 2.11 Fig. 2.11 – Distribuição do risco na região Sul [3] Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 14 2.4. A PRESENÇA DE ÁGUA NOS MONUMENTOS 2.4.1. ENQUADRAMENTO A estabilidade, a durabilidade e o bom funcionamento são características e parâmetros que os elementos construtivos devem manter, principalmente os monumentos nacionais que devem ser preservados. Para tal é necessário criar condições que permitam prevenir, ou mesmo eliminar, as patologias que possam surgir. A água está presente em três estados físicos: sólido, líquido e gasoso, onde o estado líquido cobre três quartos do planeta. No que toca à degradação dos edifícios, a água é o maior agente de degradação uma vez que, manifestando-se de diversas maneiras, dá origem a humidades presentes nas construções. Os monumentos são parte integrante do património Nacional e são bastante afetados pela humidade devido não só à sua constituição mas também à sua localização. As fachadas são normalmente de pedra o que significa que são porosas, e consequentemente permeáveis à água. Tratam-se de materiais de elevada capilaridade que, em contacto com o solo, absorvem água onde predominam os sais. A sua considerável espessura é também uma questão particular destas construções. Quanto maior é a espessura da parede, maior é a área de absorção da mesma e pior a manifestação. Estes edifícios muitas vezes também se encontram construídos junto a rios, aumentando a sua exposição ao risco de cheias [14]. A sensibilização deste tema é cada vez maior em Portugal sendo necessário tomar precauções, analisar os riscos e garantir a proteção do património Nacional. 2.4.2. FORMAS DE MANIFESTAÇÃO DA HUMIDADE A humidade pode surgir tanto na fase de construção como posteriormente durante a sua utilização. É então importante que não se agrave para não comprometer a durabilidade dos materiais, a alteração de propriedades e a saúde dos utilizadores [15]. As anomalias com origem na humidade podem-se manifestar de várias formas assim como as manifestações/identificações podem ser detetados por ensaios ou observação direta. Por alguns desses indícios serem comuns a várias anomalias, por vezes o diagnóstico é complexo e torna-se difícil identificar o problema da humidade. Para se proceder a uma correta reparação, é necessário conhecer as várias formas de manifestação de humidade e caracterizá-las. 2.4.2.1. Humidade por precipitação A precipitação não causa por si só esta situação pois as paredes não estão muitas vezes expostas diretamente à água da chuva. É devido à força de vento e à sua direção que a água assume uma trajetória horizontal, escorrendo desta forma diretamente nas paredes. Independentemente dos anos que a construção tem, a humidade aparece devido a erros de conceção ou de manutenção. Quando as gotas de água incidem diretamente em fissuras, juntas mal vedadas ou quando o revestimento se encontra deteriorado, a parede fica sujeita à presença de água começando a infiltrar-se e a causar problemas de humidade. A anomalia pode ser identificada na parte interior das paredes exteriores através do aparecimento de manchas, bolores e eflorescências que se manifestam normalmente no período de inverno mas que se Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 15 mantêm durante todo o ano. Está normalmente localizada junto a janelas e em zonas de fissuração [15]. 2.4.2.2. Humidade de construção A humidade na construção corresponde à presença de água nos materiais durante a fase de construção. Muitas vezes é introduzida nas paredes devido ao excesso de água nas argamassas (figura 2.12). Se não forem garantidas as medidas de secagem necessárias, os materiais permanecem húmidos durante a execução do edifício, causando problemas de humidade. Para além disso, se durante a construção esta não se encontrar protegida em períodos de precipitação tal como acontece na figura 2.13, os materiais ficam expostos e sujeitos à água. Só ao fim de um período longo de tempo é que começam a aparecer as consequências desta anomalia dependendo do uso e da localização (diferentes condições climáticas). Contudo, se a construção for inferior a 2 anos, é muito provável a ocorrência desta patologia uma vez que não houve tempo necessário para o processo de secagem dos materiais. As anomalias, devido ao excesso de humidade e à sua evaporação, podem ir desde o aparecimento de manchas até ao destaque de alguns materiais [15]. 2.4.2.3. Higroscopicidade dos sais Os sais estão presentes em qualquer tipo de construção quer seja nos materiais quer seja no solo. Estes sais, combinados com a água, dissolvem-se migrando até à superfície onde cristalizam sob a forma de fluorescências (cristalização à superfície) ou de criptoefluorescências (cristalização sob o revestimento da parede). Quando os sais se dissolvem com uma humidade relativa acima dos 65% e cristalizam quando a humidade relativa baixa, chamam-se sais higroscópicos. Mesmo quando a humidade desaparece, os sais continuam presentes provocando assim o humedecimento das paredes causando degradações. Estas anomalias são caracterizadas por manchas em locais de concentração de sais e pela degradação de revestimentos de paredes (figura 2.14) [15]. Fig. 2.13 – Materiais não totalmente protegidos da chuva no estaleiro [15] Fig. 2.12 – Água introduzida nas paredes através do excesso de água nas argamassas [15] Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 16 Fig. 2.14 – Pormenor da formação de eflorescências sobre tijolo-à-vista [15] 2.4.2.4. Humidade de condensação As condensações nos elementos de construção são a causa mais comum da humidade nos edifícios. A quantidade máxima de vapor de água que o ar pode conter sem condensar designa-se por limite de saturação e este limite aumenta com a temperatura. Quando a temperatura exterior desce e as perdas térmicas através das paredes são grandes, a temperatura desce abaixo da temperatura de saturação, provocando condensações. A produção de vapor é causada por toda a atividade humana desde a respiração até à confeção de alimentos. Assim, é necessário garantir isolamento térmico para que o coeficiente de transmissão térmico seja baixo impedindo que a temperatura superficial interior não desça abaixo da temperatura de saturação. Relativamente ao abaixamento da temperatura, as novas construções já estão dotadas de um bom isolamento térmico que permite que a temperatura superficial interior não desça abaixo da temperatura de saturação provocando o aparecimento de condensações. O maior problema encontra-se nas zonas de menor isolamento térmico chamadas de ‘’pontes térmicas’’ característica de paredes em zonas de pilares não protegidos (figura 2.15). Para evitar as condensações poder-se-á analisar a equação 2.1 que permite conhecer a influência que cada parâmetro acarreta )( 1tetiU hi tii  (2.1) em que: i  : Temperatura do paramento interior (ºC) teti, : Temperaturas do ar, interior e exterior (ºC) hi 1 : Resistência térmica superficial interior (m2ºC/W) U : Coeficiente de transmissão térmica (W/m2ºC) Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 17 Daqui se conclui que, para aumentar o i  e consequentemente evitar as condensações, podem ser tomadas as medidas:  Diminuir U, aumentando o isolamento térmico;  Aumentar a temperatura ambiente. Para diminuir a humidade relativa é também vantajoso ventilar a área. Quando não ocorrem condensações superficiais, se o ar que circula passar por algum ponto da envolvente em que a pressão parcial do vapor de água iguale a pressão de saturação, irão ocorrer o que se designa por “condensações internas”. Esta patologia é caracterizada pelo aparecimento de manchas de humidade e bolores na superfície interior das paredes (figura 2.16). As zonas mais afetadas são as paredes exteriores e os compartimentos sanitários [15]. 2.4.2.5. Humidade devido a causas fortuitas A humidade devido a causas fortuitas pode dever-se a acidentes pontuais ou à falta de manutenção. Correspondem normalmente a um mau funcionamento do equipamento ou a um defeito na construção sendo típica uma fuga na canalização. A identificação da origem da humidade nem sempre é simples. Normalmente as manifestações dão-se num local longe da fonte uma vez que a água migra no interior dos elementos [15]. 2.4.2.6. Humidade ascensional Os materiais, quando em contacto com água e, essencialmente, em contacto com um solo húmido, ficam sujeitos à ascensão capilar. A ascensão da água pode atingir várias alturas dependendo de fatores como a porosidade dos materiais, da espessura e orientação das paredes, e, claro, da quantidade de água em contacto. A altura máxima atingida pela frente húmida ocorre quando a água evaporada pela superfície da parede atinge o equilíbrio com a água absorvida pelo solo sendo portanto importante que a parede não se encontre revestidas com materiais impermeabilizantes o que iria contribuir para que a frente húmida aumentasse (figura 2.17) [15]. Fig. 2.16 – Aspeto de pormenor de fungos e bolores instalados em paramento, por efeito da condensação superficial [15] Fig. 2.15 – Condensações em zonas de pontes térmicas [15] Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 18 Fig. 2.17 – Parede sujeita a fenómeno de humidade ascensional agravado pela impermeabilização parcial da face interior [15]. A água pode ter origem em águas freáticas (atinge as paredes interiores e as manchas de humidade são constantes ao longo do ano) ou em águas superficiais (os danos dão-se maioritariamente nas paredes exteriores e as manchas variam ao longo do ano aumentando no período húmido). O contacto com a água dá origem à ascensão e pode ocorrer tanto na fase de construção como de utilização. Manifesta-se sob a forma de manchas de humidade nas zonas das paredes junto ao solo podendo também apresentar eflorescências, criptoflorescências e manchas de bolor [15]. 2.5. SISTEMA DE VENTILAÇÃO DA BASE DAS PAREDES - HUMIVENT 2.5.1. CAPILARIDADE VS INUNDAÇÃO Foi já mencionado que existem diversas formas de manifestação de humidade tornando-se necessário destacar a humidade ascensional. Existem vários estudos qua caracterizam e analisam este problema e o que se pretende com este trabalho é perceber se as soluções adotadas podem ser igualmente aplicadas na sequência de uma inundação. Segundo A. S. Guimarães [14] a capilaridade ocorre quando um material poroso é posto em contacto com água na sua fase líquida. Este fenómeno pode ser identificado na figura 2.18. Fig. 2.18 – O fenómeno da capilaridade [16] A água em fase líquida está presente no solo através das águas freáticas ou das águas superficiais (ver figura 2.19) e ascende por capilaridade até atingir o pavimento e as paredes do edifício. Como a Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 19 maioria dos materiais de construção tradicionais são porosos, a sua capilaridade é elevada provocando degradação e mau desempenho dos elementos. Fig. 2.19 – Humidificação por águas freáticas e superficiais [14] Não havendo fatores que impeçam a migração (como barreiras inibidoras de deslocamento) da água ou mesmo havendo condições propícias para que isso aconteça (telas impermeabilizantes que não permitem a evaporação), a água, em contacto com o solo, ascende. A altura desta ascensão pode variar dependendo de vários fatores como:  Quantidade de água em contacto com o solo;  Condições de evaporação mais ou menos favoráveis. Quando a quantidade de água absorvida é a mesma que a evaporada, a altura da humidade atinge o equilíbrio. Assim, quanto menos permeável ao vapor é o revestimento utilizado (como por exemplo o azulejo), mais elevado é o nível atingido pela frente húmida [14][14];  Espessura da parede. Estudos de simulação efetuados permitem verificar que quanto maior é a espessura da parede maior é a altura atingida pela frente húmida uma vez que a quantidade de absorção também é maior;  Porosidade dos materiais. A porosidade dos materiais pode ser classificada como aberta ou fechada sendo esta última a situação mais difícil de encontrar. Nos materiais com porosidade aberta os vazios comunicam entre si permitindo a circulação de fluidos no seu interior. A comunicação entre os poros e o material torna o material mais vulnerável e permeável. Esta situação não é a desejada mas é a mais comum nos elementos construtivos;  A presença de sais. Quando a humidade relativa do ar aumenta os sais dissolvem-se e quando a humidade relativa diminui os sais cristalizam gerando a degradação dos materiais. Estes sais encontram-se presentes nos materiais de construção ou são transportados através do solo. Entre os estragos, refira-se a fendilhação, a perda de coesão e a formação de vazios, tudo meios de comunicação para uma maior propagação da água [14]. a) Águas freáticas – Parede construída abaixo do nível freático b) Águas freáticas – Parede construída acima do nível freático c) Águas superficiais Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 26 O WUFI 2D permite uma análise bidimensional da transferência de calor e humidade nos materiais de construção baseada no método dos volumes-finitos, permitindo a modelação de elementos de construção com geometrias complexas [20], [21]. Este programa tem como base um sistema de equações não lineares de transferência de calor e humidade com dependência mútua dos parâmetros. 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 [20]. Apresentam-se as equações 3.1 e 3.2 ))(()( satpv phT t T dT dH     (3.1) ))(( satp pD td dw       (3.2) em que: dT dH : Capacidade de armazenamento de calor do material húmido (J/(m3.K))  d dw : Capacidade de armazenamento de humidade do material húmido (kg/m3)  : Condutibilidade térmica do material húmido (W/(m.K)) v h : Entalpia de evaporação da água (J/kg)  D : Coeficiente de condução líquida (kg/(m.s)) p  : Permeabilidade ao vapor de água do material (kg/(m.s.Pa)) T : Temperatura (ºC) w : Teor de humidade do material (kg/m3)  : Humidade relativa (-) sat p : Pressão de saturação do vapor de água (Pa) Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 27 3.3. FUNCIONAMENTO DO PROGRAMA APLICADO AO CENÁRIO DE SIMULAÇÃO 3.3.1. DESCRIÇÃO O programa permite obter resultados do elemento de construção em estudo como o teor de humidade, a humidade relativa e a temperatura. Estes resultados podem ser visualizados em 2D e são obtidos para o período de tempo escolhido. Através da janela principal do programa pode-se aceder aos vários menus (figura 3.1 e 3.2). Fig. 3.1 – Ecrã principal Fig. 3.2 – Barra de menus Irá ser mostrado um exemplo de uma simulação para apresentar os passos que devem ser seguidos no WUFI 2D. Informações do projeto Ferramentas Barra de título Barra de menus Barra de ferramentas Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 28 3.3.2. INFORMAÇÃO DO PROJETO Neste campo podem ser inseridas as informações do projeto como:  Nome do projeto (1)  Número do projeto (2)  Informações do cliente (3)  Data do projeto (4) São campos meramente informativos e que em nada afetam a simulação. Figura 3.3. Fig. 3.3 – Caixa de diálogo ‘’Informação do projeto’’ 3.3.3. GEOMETRIA No campo da geometria é possível definir as dimensões do elemento construtivo. Neste caso pretendese simular uma parede com 20 cm de espessura. Desenha-se a figura e, ajustando os eixos de referência (x e y) inserem-se as dimensões pretendidas. Na base da parede foi inserida areia considerando-se tratar do material o terreno envolvente. Sendo a areia muito absorvente considera-se tratar de uma situação menos favorável. O terreno foi revestido com uma membrana de forma a impermeabilizá-lo (figura 3.4). 1 3 2 4 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 29 Fig. 3.4 – Caixa de diálogo ‘’Geometria’’ 3.3.4. GRELHA Em ‘’Grid’’ pode ser definido o número mínimo e máximo dos elementos em cada direção e, a partir daí, é gerada a grelha automaticamente. Dependendo do detalhe que se quer ter no elemento, ter-se-á de efetuar um reajuste à malha definida. Na figura 3.5 representam-se malhas com detalhes distintos. Fig. 3.5 – Conceito de malha A parede é avaliada em cada ‘’nó’’, no cruzamento de cada direção, pelo que se percebe que quanto menor for a malha maior será a precisão e definição dos resultados. Foram testadas várias soluções até encontrar a situação intermédia que apresenta o detalhe necessário. Para a secagem da parede, adotamse os valores de:  100 na direção X  120 na direção y apresentados na figura 3.6. h b b = Espessura h = Altura Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 30 Fig. 3.6 – Grelha escolhida para a simulação 3.3.5. MATERIAIS Relativamente aos materiais escolhidos para as simulações efetuadas, existem duas situações possíveis: atribuir um material já existente na base de dados ou criar um novo material com as propriedades que se pretende. Em ambos os casos, os materiais são caracterizados através de um conjunto de propriedades fundamentais definidas na tabela 3.1. Tabela 3.1 – Dados de entrada – Propriedades dos materiais Massa volúmicaρ kg/m3 Calor especifico - cp J/(kg.K) Porosidade - ε % ou m3 /m3 Condutibilidade térmica - λ W/(m.K) Fator de resistência a difusão de vapor - μ - Curva higroscópica w=f (φ) Coeficiente de absorção de água - A kg/(m2. s ) Teor de humidade de saturação - wsat kg/m3 Teor de humidade para 80% de humidade relativa - w80 kg/m3 Coeficiente de transporte liquido - Dw (w80, wsat) m2/s Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 31 Para a inserção das curvas higroscópicas de cada material introduz-se apenas a curva de adsorção. Estes valores são apresentados no capítulo 4 tabela 4.4. 3.3.5.1. Material já existente na base de dados Caso se pretenda utilizar um material já existente na base de dados basta selecionar o elemento construtivo desenhado à qual abrirá automaticamente uma janela. Figura 3.7. Fig. 3.7 – Caixa de diálogo para seleção de um material Ao selecionar ‘’new’’ abrirá uma nova janela em que, mediante a ‘’fonte’’ (1) se poderá selecionar um catálogo (2). É possível selecionar desde argamassas, betão, tijolo, materiais de isolamento, pedra, entre outros. Figura 3.8. Fig. 3.8 – Caixa de diálogo para escolha do material e respetivas propriedades Seleciona-se o material pretendido e o programa apresenta as características desse material (3), (4), (5), (6), nomeadamente a curva higroscópica. 1 2 3 4 5 6 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 32 Carregando no botão ‘’Assign’’ (1) o programa assume o material escolhido. O material pode ser editado em ‘’Edit’’ (2) e, assim que a escolha estiver definida, seleciona-se novamente ‘’Assign’’. Figura 3.9. Fig. 3.9 – Caixa de diálogo para a conclusão de escolha do material O processo repete-se para os outros elementos de construção. 3.3.5.2. Criação de novo material Para se proceder à criação de um novo material é necessário correr o ‘’WUFI Editor’’ (figura 3.10 e 3.11). Fig. 3.10 – Método para abrir o WUFI Editor 1 2 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 33 Fig. 3.11 – Caixa de diálogo para a criar de um novo material Em ‘’Source’’ (1) escolher a opção ‘’User defined’’ – definido pelo utilizador – e clicar em ‘’New’’ (2). Abre uma nova janela em que o utilizador define as propriedades que pretende (3) correspondentes a cada material. Figura 3.12. Fig. 3.12 – Caixa de diálogo para a criação de um novo material 1 2 3 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 34 Selecionando a opção ‘’Liquid Transport Coefficient Function’’ (1) e escolhendo a opção ‘’Generate’’ (2) podem ser atribuídas as restantes características (3) ao material que se está a criar. Figura 3.13. Fig. 3.13 – Caixa de diálogo par a criação de um novo material 3.3.6. CONDIÇÕES INICIAIS Para definir as condições iniciais definem-se os valores da temperatura (1), 20º C foi o valor considerado neste caso, e da humidade relativa (2) considerada 100% para simular a saturação da parede e 70% para simular o terreno envolvente. 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 definida (figura 3.14). Fig. 3.14 – Condições iniciais 1 2 3 1 2 3 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 35 3.3.7. CONDIÇÕES DE FRONTEIRA NA INTERFACE / CLIMA Neste campo definem-se as condições fronteira das interfaces dos elementos de construção em estudo. Clicando em cada uma das interfaces abre uma nova caixa de diálogo que permite inserir novas condições ou editar as já existentes. Clicando em ‘’New’’ (1) surge uma nova caixa de diálogo que será editável (figura 3.15). Fig. 3.15 – Condições fronteira na interface Clicando duas vezes é possível alterar o nome (1) e em ‘’Edit’’ (2) as propriedades a atribuir. Figura 3.16. Fig. 3.16 – Condições fronteira na interface 1 2 1 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 42 3.3.11. RESULTADOS Em’’ Output’’ é possível selecionar a janela que permite observar os resultados da simulação. Figura 3.28. Fig. 3.28 – Ver resultados A observação e interpretação dos resultados é possível por duas vias:  Visualizar resultados na secção transversal do elemento: onde é possível analisar um filme 2D que apresenta a variação da temperatura, do teor de humidade e da humidade relativa ao longo do tempo de simulação na secção transversal do elemento de construção (figura 3.29). Fig. 3.29 – Resultados da simulação: temperatura, teor de humidade e humidade relativa Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 43  Visualizar os resultados globais: onde é possível obter a variação dos parâmetros, ao longo do tempo de simulação, para a totalidade do elemento em estudo ou para um ponto específico deste (figura 3.30). Avaliando o gráfico é ainda possível exportar os dados como um ficheiro em formato .txt,. Este ficheiro permite um tratamento de dados exportando o ficheiro para o Excel onde a informação poderá ser avaliada de outra forma. Fig. 3.30 – Teor de humidade num ponto específico do elemento em estudo 3.4. SÍNTESE DO CAPÍTULO  Com o programa de cálculo automático WUFI 2D são várias as propriedades que se podem variar em consequência no desempenho dos elementos construtivos.  Foi apresentado um exemplo para que se pudesse entender o funcionamento do programa.  Foram apresentados os passos desde a introdução dos dados até a obtenção de resultados.  É possível analisar fenómenos como a humidade ascensional e a secagem de paredes sujeitas a inundações.  São recolhidos resultados fundamentais para a análise do problema da humidade. Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 44 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 45 4 SECAGEM DE EDIFÍCIOS NA SEQUÊNCIA DE INUNDAÇÃO/CHEIA COM E SEM UM SISTEMA DE VENTILAÇÃO NA BASE DAS PAREDES 4.1. INTRODUÇÃO Conhecido o funcionamento do programa de cálculo utilizado, inicia-se o estudo da secagem das paredes. Com a introdução dos dados de entrada previamente definidos, o programa, permite o estudo do comportamento dos elementos de construção expostos às inundações. O WUFI 2D versão 3.3 permite o cálculo da evolução temporal da temperatura, humidade relativa e teor de humidade viabilizando uma análise cuidada e completa das consequências e duração da secagem de uma parede saturada. A humidade num edifico acarreta um grande desconforto, insegurança e degradação rápida da construção. É assim importante e essencial uma análise das consequências para a correção das patologias. Neste capítulo serão detalhadas as simulações realizadas e apresentados os resultados cujo objetivo passa por analisar o teor de humidade de uma parede com e sem um sistema de ventilação aplicado na base. 4.2. PROPRIEDADES DAS VARIÁVEIS NECESSÁRIAS PARA AS SIMULAÇÕES 4.2.1. INPUT’S Tendo em conta o número de edifícios potencialmente expostos a inundações, optou-se por focar a atenção apenas no Património Nacional. As construções históricas apresentam características muito específicas com determinadas particularidades. A base em que são construídas, os materiais com que são constituídos, a localização e o clima, são tudo variantes que influenciam o seu comportamento ao longo dos anos. São estas particularidades, que variam de construção para construção, que os tornam distintos com maior ou menor vulnerabilidade. Por forma a poder analisar diferentes cenários, é importante simular alguns parâmetros enquanto outros se mantém constantes. Nas simulações a realizar irão avaliar-se os seguintes parâmetros:  a espessura da parede; Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 46  a implementação de um sistema de ventilação (com diferentes dimensões e velocidades). 4.2.1.1. Propriedades dos materiais As características dos materiais ditam a forma como estes se comportam face à humidade. Assim, o teor de água presente é essencial para o conhecimento do comportamento dos materiais de construção. Conhecer as características dos materiais é um dos primeiros passos para entender a sua relação com a humidade e identificar o problema a que está associado. O material escolhido foi o granito tendo-se optado por um material típico do Norte de Portugal nas construções mais antigas. O granito é uma pedra muito utilizada na construção civil de cor clara composto por vários minerais como quartzo, micas e feldspatos. Apresenta uma textura muito granular e é caraterizado por ser uma rocha cristalina e muito dura [22]. Está presente em muitos edifícios e não só como em igrejas, casas, barragens e pavimentos de ruas e estradas. É muito utilizado pela sua resistência, é pouco afetado pelos agentes químicos e alterações climáticas e, por isso, torna-se interessante a sua análise. As propriedades higrotérmicas recolhidas da dissertação de Mestrado de M. Morais [20] deste material apresentam-se na tabela 4.1. Relativamente aos materiais escolhidos para a envolvente da parede, para uma simulação mais real, irá optar-se por pedra arenosa que está presente na base de dados do programa como ‘’Sander Sandstone’’. As propriedades higrotérmicas deste material apresentam-se na tabela 4.1. Para simular a caixa de ar do sistema de ventilação criou-se um material que simula o ar. As propriedades higrotérmicas deste material apresentam-se na tabela 4.1. A envolver o sistema de ventilação estará uma membrana com o intuito de impermeabilizar o sistema. Terá de se escolher um material cuja densidade seja elevada para tal irá ser utilizada uma membrana com baixa porosidade que se encontra na base de dados como ‘’PA-Membrane’’. As propriedades higrotérmicas deste material apresentam-se na tabela 4.1. Tabela 4.1 – Propriedades dos materiais Granito Sander Sandstone PAMembrane Ar Massa Volúmica (kg/m3) 2550 2120 65 1,23 Porosidade (m3/m3) 0,125 0,17 0,001 0,999 Calor Específico (J/(kg.K)) 850 850 2300 1008 Condutibilidade térmica (W/(m.K)) 2,30 1,6 2,9 0.025 Fator de resistência à difusão de vapor (-) 55 33 4380 1 Teor de humidade de saturação (kg/m3) 50 130 11.2 - Coeficiente de Absorção de água (kg/(m2. s )) 0,012 0,021 - - Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 47 4.2.1.2. Curva higroscópica Quando os materiais são submetidos a uma ambiência em que a humidade relativa varia, o seu teor de humidade também varia – materiais higroscópicos [14]. A representação dessa relação entre o valor de equilíbrio do teor de humidade de um material, no domínio higroscópico, e a humidade relativa da ambiência correspondente, é feita através da curva higroscópica (figura 4.1) [23]. Fig. 4.1 – Percurso típico de uma curva higroscópica [23] O comportamento de cada material é caraterizado pela não coincidência das curvas obtidas em adsorção (posição inferior) e desadsorção (posição superior) [23]. Esta não coincidência – histerésis – é algo difícil de explicar. Ver figura 4.2. Fig. 4.2 – Comportamento higroscópico de materiais de construção em função da humidade relativa [14] Em seguida apresenta-se as curva higroscópica do granito (tabela 4.2 e figura 4.3). Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 48 Tabela 4.2 – Curva higroscópica do Granito [20] Humidade Relativa Teor de Humidade (kg/m3) 0 0 0,1 0,23 0,2 0,5 0,3 0,86 0,4 1,32 0,5 1,96 0,55 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 0,95 21,8 0,96 24,71 0,97 28,41 0,98 33,3 0,99 40,06 1 50 Fig. 4.3 – Representação e pormenor da curva higroscópica do granito 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 5 10 15 20 25 30 35 40 0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 49 4.2.1.3. Clima exterior e interior A degradação dos edifícios é também causada pelas condensações superficiais e internas nos elementos construtivos. Estas são influenciadas pelas alterações climáticas que afetam o desempenho higrotérmico dos monumentos. Assim, o parâmetro ‘’clima’’ é um dos mais importantes neste estudo [24]. Os dados de entrada relativos ao clima exterior e interior corresponderão apenas aos valores da temperatura e da humidade relativa. Estes conceitos têm de ser entendidos de forma a encontrar a solução que melhor represente a realidade e a solução mais favorável à resolução do problema. O clima exterior é definido como ‘’tempo meteorológico médio’’ e a OMM – Organização Mundial de Meteorologia adotou um período de 30 anos para analisar as mudanças deste tempo meteorológico. Os parâmetros que o definem são variáveis medidas e observadas na superfície da Terra como a temperatura, a humidade relativa, a precipitação e o vento [24]. Fatores climáticos como a pressão atmosférica, a latitude, a altitude, as correntes de marítimas, as massas de ar, o relevo e a vegetação, influenciam o clima devido às suas características e dinâmica [25]. Para além disso, a estação do ano que se vivencia também influencia o clima. Quando se fala em humidade relativa fala-se na relação entre a quantidade de água existente no ar e a quantidade máxima que o ar, àquela temperatura, pode atingir. É um fator relevante na determinação do estado do tempo. Possui um limite máximo que, ao ser atingido, provoca o ponto de saturação [26]. A humidade relativa varia entre 0 e 1 e é apresentada normalmente em percentagem. O valor médio mundial é de 60% [26]. Considerar-se-á um clima exterior constante com o objetivo de não interferir com os outros parâmetros, ou seja:  Temperatura exterior = 20ºC  Humidade Relativa = 60% À semelhança do clima exterior, o clima interior será definido pela temperatura e pela humidade relativa. A diferença dos valores entre os climas não é muito significativa e, portanto, o desempenho higrotérmico será semelhante. Para controlar o clima interior, existem mecanismos de aquecimento e arrefecimento. Contudo, os monumentos em estudo não estão dotados desses equipamentos para além de exigirem custos e manutenção [24]. Em relação à temperatura vai ser adotado o valor de 20ºC tal como no clima exterior. Este valor pode prejudicar o desempenho higrotérmico do edifício no verão mas, como as condensações internas ocorrem essencialmente na estação fria, não prejudicará o desempenho do elemento na simulação [24]. Considerar-se-á um clima exterior constante com o objetivo de não interferir com os outros parâmetros, ou seja:  Temperatura exterior = 20ºC  Humidade Relativa = 60% Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 50 4.2.1.4. Espessura da parede A espessura da parede a considerar é também fundamental para o estudo da evolução de humidade. Pretende-se analisar uma parede de espessura reduzida, a partir de 20 cm comparada com espessuras elevadas e muito elevadas. Com o intuito de abranger várias situações existentes nos edifícios em particular no património nacional, vão ser efetuadas simulações para espessuras de:  200 mm  400 mm  600 mm  800 mm  1000 mm  1200 mm  1400 mm Desta forma será possível demonstrar as alterações provocadas nas várias hipóteses. 4.2.1.5. Geometria e número de renovações horárias do canal de ventilação Um dos principais objetivos será comparar a influência de um sistema de ventilação na secagem de paredes. Por se ter mostrado uma mais-valia na resolução de problemas de humidade ascensional, vai ser agora testado na base das paredes na sequência de uma inundação. O objetivo passa por testar várias soluções e selecionar a que melhor se adequa a cada situação. Com o modelo utilizado serão recolhidos os resultados relativos ao comportamento do sistema. Serão escolhidas as configurações já utilizadas noutros estudos. A configuração do sistema apresenta-se na figura 4.4. Da ideia de ventilação natural passou-se rapidamente à necessidade de um processo mecânico controlado. Pretende-se estudar a sua geometria e avaliar parâmetros como a velocidade de circulação do ar. Fig. 4.4 – Configuração do sistema de ventilação Legenda: 1 – Canal de ventilação 2 – Caixa de ar 2 1 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 51 Para além de se analisar a secagem de uma parede com e sem um sistema de ventilação também se irão variar parâmetros do próprio sistema no sentido de encontrar a geometria e velocidades que otimizam a solução. Irão ser testadas alternativas à geometria do canal bem como da velocidade. Serão usadas as dimensões:  20 cm x 20 cm  30 cm x 30 cm  40 cm x 40 cm  50 cm x 50 cm Serão comparadas várias velocidades e, por isso, diferentes renovações horárias. A partir da expressão 4.1 exemplifica-se o cálculo do número de renovações horárias para uma área de 0.04 m2 (sistema 20 cm x 20 cm). L u LA uA V Q Rph     (h-1) (4.1) Rph : Número de renovações por hora (h-1) Q : Caudal (m3/h) V : Volume (m3) A : Área da Secção (m2) u : Velocidade (m/h) L : Comprimento do canal (m) Tabela 4.3 – Velocidades e nº de renovações horárias de ventilação em estudo para um sistema de ventilação 20cm x 20cm Como se pode ver pela equação 4.1, apenas a velocidade e o comprimento da tubagem influenciam o número de renovações horárias. Deste modo, estes valores mantêm-se iguais para um sistema de ventilação 30 cm x 30cm. A : Área (m2) 0.04 L : Comprimento do canal (m) 2 u : Velocidade (m/h) 43.2 144 u : Velocidade (m/s) 0.012 0.04 Nº de renovações horárias (h-1) 21.6 72 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 58 Fig. 4.9 – Configuração A, B, C, D e E para b=0.40m b=0.6m Fig. 4.10 – Configuração A, B, C, D e E para b=0.60m Conf. D Conf. E hs=0.20m hs=0.30m Rph2=72 h-1 Rph2=72 h-1 Conf. A Conf. B Conf. C Sem sistema hs=0.20m hs=0.30m Rph1=21.6 h-1 Rph 1=21.6 h-1 Conf. D Conf. E hs=0.20m hs=0.30m Rph2=72 h-1 Rph2=72 h-1 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 59 b=0.8m Fig. 4.11 – Configuração A, B, C, D e E para b=0.80m b=1m Conf. A Conf. B Conf. C Sem sistema hs=0.20m hs=0.30m Rph1=21.6 h-1 Rph1=21.6 h-1 Conf. D Conf. E hs=0.20m hs=0.30m Rph2=72 h-1 Rph2=72 h-1 Conf. A Conf. B Conf. C Sem sistema hs=0.20m hs=0.30m Rph1=21.6 h-1 Rph 1=21.6 h-1 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 60 Fig. 4.12 – Configuração A, B, C, D e E para b=1m Para todas as espessuras nota-se um decréscimo significativo no teor de humidade da Configuração A para a Configuração B, após a introdução do sistema 0.20m x 0.20m com um Rph de 21.6 h-1. Inicialmente a zona correspondente ao intervalo 41 ≤ x < 51 Kg/m3 encontra-se sensivelmente à altura do terreno envolvente e, após a introdução do sistema, essa altura desce substancialmente. Essa descida é tanto maior quando menor for a espessura da parede. Ou seja, o decréscimo é maior numa parede de espessura de 20cm em relação a uma parede de 40cm que, por sua vez, é maior do que numa parede de 60cm e assim sucessivamente. É também percetível que o sistema de ventilação permite uma maior secagem nas paredes com uma menor espessura. Para a mesma configuração B, os valores do teor de humidade acima da linha da base do sistema situam-se no intervalo 31 ≤ X < 41 Kg/m3 enquanto que nas restantes espessuras os valores encontram-se no intervalo 41 ≤ x < 51 Kg/m3. Para o mesmo número de renovações horárias (configuração B e C ou D e E), quanto maior for a geometria do sistema de ventilação menor é a altura da frente húmida. Para diferentes caudais (configuração B e D ou C e E), quanto maior for o geometria do sistema de ventilação menor é a altura da frente húmida. De um modo geral pode-se comprovar que a as características da Configuração E são as que mais reduzem a frente húmida. Com o objetivo de melhor analisar os resultados obtidos, foram recolhidos os valores da altura da frente húmida para as várias simulações realizadas. O critério utilizado neste trabalho para a definição desta altura, designada por hmax (m), é explicado e exemplificada na figura 4.5. Recolhidos estes valores foi possível construir a figura 4.13 referente à configuração A. Conf. D Conf. E hs=0.20m hs=0.30m Rph2=72 h-1 Rph2=72 h-1 Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 61 Fig. 4.13 – hmax das simulações numéricas. Configuração A Verifica-se que, para estas condições, à medida que a espessura da parede aumenta, o valor de hmax aumenta também. O crescimento polinomial apresentado permite concluir que quanto maior é a espessura maior é a altura de frente húmida Contudo, este aumento da altura de frente húmida, para cada intervalo de 20 cm vai diminuindo progressivamente, facto observado nos declives das retas que são sucessivamente menores. Aos valores obtidos na figura 4.13 ajustou-se uma função que permitisse calcular hmax para qualquer que seja a espessura da parede. A função obtida encontra-se representada na figura 4.13 e apresenta um crescimento polinomial com um R2=0.9974. A equação 4.2 permite chegar à função: 771.631015.00009.0 2 xxy (4.2) Para avaliar a reprodutibilidade destes resultados relativamente às restantes configurações apresenta-se na figura 4.14 os valores de hmax para cada configuração e espessura. Espessura (cm) hmax (cm) Curva de ajuste 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 20 40 60 80 100 120 140 Series1 Poly. (Series1) Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 62 Fig. 4.14 – hmax das simulações numéricas. Configuração A,B, C, D e E Fig. 4.15 – Configuração A, B, C, D e E Espessura (cm) hmax (cm) 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 20 40 60 80 100 120 140 Series1 Series2 Series3 Series4 Series5 Q=21.6 h-1 Q=21.6 h-1 Q=72 h-1 Q=72 h-1 Conf. C Conf. A Conf. B Conf. D Conf. E A B D C E Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 63 Na figura 4.14 observa-se que qualquer uma das configurações dotadas de sistema de ventilação é melhor quando comparada com a parede sem qualquer tipo de mecanismo. Ao contrário do que acontece para a Configuração A, verifica-se, pelas funções de ajuste traçadas, que qualquer configuração com sistema de ventilação, independentemente das suas características, tende a estabilizar a partir de uma certa espessura. Chegará um momento à partir do qual aumentar a geometria ou o número de renovações horárias de ventilação já não irá trazer vantagens. De entre todas as hipóteses, a Configuração B é aquela que, mesmo apresentando vantagens significativas, menores resultados traz ao estudo. A sua função de ajuste pode ser definida pela equação 4.3: 2.126653.00014.0 2 xxy (4.3) A Configuração C e D apresentam valores muito semelhantes contudo verifica-se que para uma solução mais eficiente é preferível aumentar o número de renovações horárias de ventilação do que a geometria do sistema. Em ambas as configurações é notório o decréscimo dos declives à medida que a espessura aumenta concluindo-se uma vez mais que as espessuras menores têm melhores resultados de secagem. Analisando agora a solução mais vantajosa para o problema considera-se que a melhor solução para combater a humidade numa parede de granito com as características definidas passa por instalar um sistema de ventilação com dimensões de 30cm x 30cm com um Rph de 72 h-1. Esta solução é capaz de diminuir até aproximadamente 45cm da frente húmida sendo uma redução bastante satisfatória. A curva de ajuste traçada é definida pela equação: 8714.9426.010626  xxy (4.4) À medida que a espessura aumenta os declives das retas diminuem. Contudo, esta redução não é muito significativa atendendo ao facto que esta solução não será benéfica para espessuras muito elevadas. Esta função tende a estabilizar e a tornar-se constante para espessuras superiores. 4.4.2. VARIAÇÃO DAS VELOCIDADES DE VENTILAÇÃO Realizaram-se novas simulações designadas de Configuração B, D, F, G e H onde, para casa espessura, foram testados vários caudais desde os 21.6h-1 até aos 144 h-1. Estes valores foram obtidos de acordo com a velocidade atribuída tal como se pode consultar na tabela 4.7. Os modelos foram testados para a parede de granito com as condições já definidas anteriormente e dotada de sistema de ventilação com geometria de 0.20m x 0.20m. Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 64 Tabela 4.6 – Velocidades testadas nas simulações Para a espessura de 20cm foram recolhidos os valores de hmax correspondentes à altura de frente húmida para cada valor de número de renovações horárias (figura 4.16). Fig. 4.16 – hmax para cada valor de renovação horária. b=20cm Na figura 4.16 observa-se que a relação entre as duas variáveis não é linear. Contudo, verifica-se que para valores acima e abaixo de 57.6 h-1 poderá ser efetuada uma aproximação de duas retas: uma para valores inferiores e outra para valores superiores. Quanto maior é o número de renovações horárias introduzido, menor é o hmax. O decréscimo deste valor é positivo uma vez que quanto menor é a altura de frente húmida, menor é o teor de água na parede logo a secagem da parede é maior. Sistema 20x20 A (m2) 0,04 Configuração Conf. B Conf. F Conf. G Conf.D Conf. H V (m/s) 0,012 0,024 0,032 0,04 0.08 NR/h (h-1) 21,6 43,2 57,6 72 144 y = -0.017x + 23.119 y = -0.057x + 25.426 15 17 19 21 23 25 020 40 60 80 100 120 140 57.6 Nº de renovações horárias (h-1) hmax (cm) Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 65 Esta análise foi efetuada para as espessuras de 40, 60, 80, 100 cm. Apresentam-se agora os resultados para esta última espessura com o intuito de comparar os valores de hmax quando existe uma diferença na espessura da parede de 1m (figura 4.17). Fig. 4.17 – hmax para cada valor de renovação horária. b=100cm O comportamento para uma parede de 1m é semelhante ao da espessura de 0.20m. Também se verifica que não há uma relação linear entre as variáveis mas que existe uma diferença para valores superiores e inferiores a um Rph de 57.6 h-1. A aproximação linear dos valores mostra que para dois caudais elevados distintos, o valor de hmax é constante não havendo qualquer diferença não se justificando a adoção de um Rph de 72 h-1. Tal como na figura 4.16, aqui também se comprova que que quanto maior é o caudal menor é o hmax. Contudo, verifica-se que estes valores são bastantes mais elevados do que na parede de menor espessura. Esta diferença pode ser observada na figura 4.18. Fig. 4.18 – Representação do hmax, ao fim de dois anos de simulação, para b=0.2m e b=1m, respetivamente y = -0.1849x + 67.479 y = -0.0403x + 59.9 15 30 45 60 75 020 40 60 80 100 120 140 Nº de renovações horárias (h-1) hmax (cm) 57.6 hmax hmax Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 66 Para um número de renovações horárias de 57.6 h-1 a altura de frente húmida atingida é muito menor na parede de menor espessura. Isto significa que, perante as mesmas condições, as soluções adotadas, embora sejam benéficas para todas as configurações, são mais eficazes quanto menor for a espessura da parede. Na figura 4.19 estão representadas as alturas correspondentes aos caudais para cada espessura. Fig. 4.19 – hmax para cada valor de renovação horária Para todas as espessuras o comportamento entre as variáveis é semelhante. Através da análise das figuras conclui-se que:  A relação entre as duas variáveis: Rph e hmax, não é linear;  Para a mesma espessura, quanto maior é o Rph menor é hmax permitindo uma secagem mais rápida sendo que cada vez é menos eficaz aumentar o caudal;  Para diferentes espessura e Rph iguais, quanto maior é a espessura maior é o hmax, ou seja, quanto maior é a espessura mais tempo demora a secagem;  Pode-se efetuar uma aproximação de duas retas para valores superiores e inferiores a 57.6 h-1;  Considera-se o Rph de 56.7 h-1 um valor interessante (para estas características) pois a partir desse valor não há uma diminuição significativa do hmax. 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 025 50 75 100 125 150 Nº de renovações horárias (h-1) hmax (cm) Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 67 4.4.3. VARIAÇÃO DA GEOMETRIA DO SISTEMA DE VENTILAÇÃO Analisada já a influência que o número de renovações horárias apresenta em função da espessura analisou-se a influência da geometria do sistema de ventilação. Deste modo definiram-se as configurações I, J, K, L. A cada geometria atribuiu-se o número de renovações horárias de 60 h-1, valor aproximado da solução considerada ideal em 4.4.2. Para cada espessura registaram-se os valores de hmax apresentados na figura 4.20. Fig. 4.20 – hmax para cada geometria Uma vez mais se verifica que qualquer sistema é mais eficaz quanto menor for a espessura da parede. Pelo comportamento das curvas de ajuste traçadas atenta-se que o hmax a partir da instalação de um sistema de dimensões 0.40m x 0.40m tende para um valor quase estável. Esta observação excetua-se para a parede de 20cm de espessura onde os seus valores só começam a apresentar um comportamento constante a partir da instalação de um sistema de dimensões 0.50m x 0.50m. Observa-se que:  Para b=0.2, hmax não irá tomar valores abaixo dos 10cm;  Para b=0.4, por mais que se aumente a geometria do sistema, a parede só irá secar até um hmax de 20cm;  Para b=0.6, hmax tende a estabilizar aos 30cm;  Para b=0.8, hmax não irá ultrapassar valores inferiores a 40cm; X 20 X 30 X 40 X 50 X 60 Geometria (m2) hmax (cm) 0 10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 Series1 Series2 Series3 Series4 Series5 Series6 b=0.2m b=0.4m b=0.6m b=0.8m b=1m b=1.2m Ventilação da base das paredes para secagem de edifícios na sequência de inundações/cheias 74 para tratamento da humidade ascensional”, Dissertação de Douturamento, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2011. [18] http://www.itise.pt/?cont_=ver&id=395&tem=132. [Accessed: 18-Apr-2015]. [19] I. Torres, and O. López, “Ventilation system for drying out buildings after a flood”, 1st International Symposium on Building Pathology, ISBP 2015. [20] M. J. A. 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