Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA POLITÉCNICA Departamento de Engenharia de Construção Civil Diretrizes para o Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro Dissertação apresentada ao Departamento de Engenharia de Construção Civil para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Vanessa Gomes da Silva Prof. Dr. Vanderley M. John São Paulo, 1998

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULOESCOLA POLITÉCNICA

Departamento de Engenharia de Construção Civil

Diretrizes para o Projeto de Painéis de Fachadaem Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Dissertação apresentada ao Departamento deEngenharia de Construção Civil para a obtençãodo título de Mestre em Engenharia

Vanessa Gomes da SilvaProf. Dr. Vanderley M. John

São Paulo, 1998

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Silva, Vanessa Gomes da

Diretrizes para o projeto de painéis de fachada em cimentoreforçado com fibras de vidro (GRC). São Paulo, 1998.

145p.

Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica daUniversidade de São Paulo. Departamento de Engenharia deConstrução Civil.

1. Painéis de fachada 2. Desempenho 3. Projeto. I.Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia deConstrução Civil II. t

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Aos meus pais,

sempre presentes, mesmo estando tão longe.

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Agradecimentos

Este é o tempo de voltar a fita dos últimos três anos e rever os acontecimentos

bons - e ruins - que precederam um momento muito esperado.

Começando pelas coisas boas, não poderia deixar de agradecer a minha irmã

Maristela, pelo empurrão inicial rumo a uma carreira não imaginada e,

também, pelo empurrão final, quando as menores coisas pareciam tão difíceis.

Agradeço a Ary e Paola, pelo ponto de apoio em meio à distância da

família e também à família Costa, que trouxe um colorido especial aos

domingos em São Paulo.

Obrigada aos professores Luiz Sérgio Franco, Maria Alba Cincotto e Paulo

Helene, tão importantes na formação pessoal e acadêmica. Um abraço

especial nos queridos orientadores: Vanderley John e Vahan Agopyan.

Aos amigos que tive a felicidade de encontrar nessa Escola, agradeço

pelo convívio e pelas tentativas de animação nas horas mais duras.

Reservo um agradecimento especial a Léo, da Biblioteca da

Engenharia Civil, aos colegas do laboratório e da secretaria: Alcione,

Cristina, Paulo, Engrácia, Ivana e Iara. Não poderia esquecer de

Fátima, secretária de Pós-Graduação, nem de Rose, da Biblioteca da

ABCP; tampouco de sua eficiência inacreditável.

Ao colega Regattieri, sempre pronto a ajudar, uma linha exclusiva

e um agradecimento merecido.

Aos colegas do Atelier de Arquitetura e Construtora Glória, eternos

locais de trabalho, obrigada pelo apoio e pela certeza de sucesso

que só mesmo vocês poderiam ter.

Mais que tudo, agradeço a Deus, por mostrar que o limite de

nossas forças sempre pode ser ultrapassado.

Finalmente, o meu agradecimento à CAPES, pelo financiamento da pesquisa.

Quanto às coisas ruins..., bem, a grande vantagem de se rever

um filme é poder pular as partes que não nos agradaram.

Nada como um bom controle remoto...

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Se, de um lado, o desenho é risco, traçado,

mediação para a expressão de um plano a realizar,

linguagem de uma técnica construtiva, de outro é

desígnio, intenção, propósito, projeto humano no

sentido de proposta do espírito. Um espírito que

cria objetos e os introduz na vida real.

Para desenhar, é preciso ter talento, ter

imaginação, ter vocação. Nada mais falso.

Desenho é linguagem e, enquanto linguagem é

acessível a todos. Demais, em cada homem há o

germe, quando nada, do criador que todos os

homens juntos constituem. A arte, e com ela

uma de suas linguagens – o desenho – é,

também, uma forma de conhecimento.

Vilanova Artigas

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i

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS v

LISTA DE TABELAS viii

LISTA DE ABREVIATURAS ix

RESUMO

ABSTRACT

1 INTRODUÇÃO 1

1.1 CONTEXTO DA PESQUISA 1

1.2 OBJETIVOS 5

1.3 METODOLOGIA ADOTADA 5

1.4 JUSTIFICATIVAS PARA A ÊNFASE EM PROJETO 5

1.5 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO 7

2 CIMENTOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE VIDRO (GRC) 8

2.1 HISTÓRICO DO DESENVOLVIMENTO DO GRC 8

2.2 PANORAMA ATUAL DE UTILIZAÇÃO DE COMPONENTES GRC 11

2.3 AS FIBRAS DE VIDRO 16

2.3.1 O MATERIAL VIDRO 16

2.3.2 VANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DAS FIBRAS DE VIDRO 19

2.3.3 COMPOSIÇÃO E MÉTODOS DE PRODUÇÃO DAS FIBRAS 20

2.4 A MATRIZ DO COMPÓSITO 25

2.4.1 MATRIZES DE CIMENTO PORTLAND 27

2.4.1.1 Interações vidro-cimento 27

2.4.1.2 Densificação da interface fibra-matriz 29

2.4.2 OUTRAS MATRIZES 31

2.5 CONSIDERAÇÕES SOBRE O CAPÍTULO 35

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Sumário

ii

3 PAINÉIS EM CIMENTO REFORÇADO COM FIBRA DE VIDRO 38

3.1 INTRODUÇÃO 38

3.2 VANTAGENS DO USO DE GRC NA CONFECÇÃO DE PAINÉIS DE FACHADA 39

3.3 DIMENSÕES TÍPICAS E PROPRIEDADES MECÂNICAS DE PAINÉIS GRC 44

3.4 PROCESSOS DE PRODUÇÃO 45

3.4.1 PRÉ-MISTURA 47

3.4.2 MÉTODOS DE PROJEÇÃO 50

3.4.2.1 A mecanização da produção 54

3.4.2.2 O processo spraymix 57

3.5 FORMULAÇÃO DAS MISTURAS DE GRC E DE ACABAMENTO UTILIZADAS EM

PAINÉIS DE FACHADA 58

3.6 CONSIDERAÇÕES SOBRE O CAPÍTULO 62

4 REQUISITOS E CRITÉRIOS DE DESEMPENHO DE FACHADAS LEVES EMPAINÉIS – APLICAÇÃO A PAINÉIS GRC 65

4.1 INTRODUÇÃO 65

4.2 SISTEMAS LEVES PARA A VEDAÇÃO DE FACHADAS 67

4.2.1 COMPOSIÇÃO DOS SISTEMAS LEVES 67

4.2.2 ESTÁGIO ATUAL DA NORMALIZAÇÃO DE DESEMPENHO 68

4.3 SEGURANÇA ESTRUTURAL 69

4.3.1 PRINCIPAIS ESFORÇOS ATUANDO EM COMPONENTES DE VEDAÇÃO DE FACHADAS

LEVES 69

4.3.2 REQUISITOS DE DESEMPENHO 70

4.3.3 CRITÉRIOS DE DESEMPENHO SUGERIDOS PARA PAINÉIS GRC PARA FACHADAS 71

4.3.3.1 Critérios de resistência a cargas de vento 71

4.3.3.2 Critérios de resistência a impactos 72

4.3.3.3 Critérios de desempenho para o sistema de fixação 73

4.3.3.4 Resumo dos critérios de segurança estrutural sugeridos para painéis GRCpara fachadas 75

4.4 SEGURANÇA CONTRA FOGO 75

4.4.1 REQUISITOS DE DESEMPENHO 75

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Sumário

iii

4.4.2 DETERMINAÇÃO DA REAÇÃO AO FOGO 76

4.4.3 DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA AO FOGO 77

4.4.4 CRITÉRIOS DE SEGURANÇA AO FOGO SUGERIDOS PARA FACHADAS EM PAINÉIS

GRC 78

4.5 DESEMPENHO ACÚSTICO 80

4.5.1 REQUISITOS DOS USUÁRIOS 80

4.5.2 CRITÉRIO DE DESEMPENHO ACÚSTICO SUGERIDO PARA PAINÉIS GRC 82

4.5.3 OBSERVAÇÕES FINAIS 83

4.6 DESEMPENHO TÉRMICO 83

4.6.1 REQUISITOS DOS USUÁRIOS 83

4.6.2 INDICADORES DE DESEMPENHO TÉRMICO 85

4.6.3 CRITÉRIO DE DESEMPENHO TÉRMICO SUGERIDO PARA PAINÉIS GRC 85

4.6.4 OBSERVAÇÕES FINAIS 87

4.7 ESTANQUEIDADE À ÁGUA 88

4.7.1 REQUISITOS DE DESEMPENHO 88

4.7.2 PENETRAÇÃO DE ÁGUA DE CHUVA ATRAVÉS DAS FACHADAS 88

4.7.2.1 Avaliação de estanqueidade à água de fachadas 90

4.7.3 CRITÉRIO DE ESTANQUEIDADE À ÁGUA SUGERIDO PARA FACHADAS LEVES EM

PAINÉIS GRC 91

4.8 DURABILIDADE E ECONOMIA 92

4.8.1 REQUISITO DE DESEMPENHO 92

4.8.2 CRITÉRIOS DE DURABILIDADE DE FACHADAS – O CASO DOS PAINÉIS GRC 93

4.9 CONSIDERAÇÕES SOBRE O CAPÍTULO 93

5 DIRETRIZES PARA O PROJETO DE PAINÉIS EM CIMENTO REFORÇADOCOM FIBRAS DE VIDRO 95

5.1 INTRODUÇÃO 95

5.2 METODOLOGIA DE PROJETO 96

5.3 DEFINIÇÃO DOS REQUISITOS ARQUITETÔNICOS E ASSOCIADOS AO PROCESSODE PRODUÇÃO 98

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Sumário

iv

5.3.1 DEFINIÇÃO DA GEOMETRIA DOS PAINÉIS 98

5.3.2 DEFINIÇÃO DA MODULAÇÃO 100

5.3.3 ESPECIFICAÇÃO DE CORES, ACABAMENTOS E TEXTURAS SUPERFICIAIS 101

5.3.4 DETALHAMENTO DAS BORDAS 102

5.4 DIMENSIONAMENTO DO PAINEL GRC 103

5.4.1 DIMENSIONAMENTO SEGUNDO AS SOLICITAÇÕES DE NATUREZA MECÂNICA 104

5.4.2 DIMENSIONAMENTO SEGUNDO AS INFLUÊNCIAS AMBIENTAIS – SOLICITAÇÕES

DE NATUREZA FÍSICA 106

5.4.2.1 Efeito de gradientes de temperatura e umidade em painéis GRC 107

5.4.2.2 Recomendações para a especificação de acabamentos para painéis GRC 109

5.5 DIMENSIONAMENTO DE JUNTAS 110

5.6 SISTEMAS DE ENRIJECIMENTO 114

5.6.1 ENRIJECIMENTO INCORPORADO 114

5.6.2 ENRIJECIMENTO METÁLICO 116

5.6.3 SOLUÇÕES DE PROJETO DEFINIDAS PELO EMPREGO DE ENRIJECIMENTO

METÁLICO 119

5.7 ADEQUAÇÃO DO NÍVEL DE DESEMPENHO 124

5.7.1 RESISTÊNCIA AO FOGO 124

5.7.2 ESTANQUEIDADE 125

5.7.3 CONFORTO AMBIENTAL 126

5.8 CONSIDERAÇÕES SOBRE O CAPÍTULO 127

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS 131

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 134

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v

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Aplicação de GRC em simulação de cenários naturais utilizando aprojeção de GRC sobre moldes perdidos e tubulações de grandesdimensões 12

Figura 2.2 – Fôrmas permanentes utilizadas em passarela no Japão e em canalizaçõesrurais 13

Figura 2.3 – Emprego de GRC em mobiliário urbano e revestimento decorativo detúneis nas Ilhas Canárias e Japão 13

Figura 2.4 – Barreiras anti-ruído na França e Austrália 14

Figura 2.5 – Aplicação de componentes GRC em revestimento interno 14

Figura 2.6 – Utilização de painéis GRC na restauração de edifícios de valor histórico 15

Figura 2.7 – Utilização de GRC na reprodução de ornamentos arquitetônicos 15

Figura 2.8 – Painéis GRC para vedação de fachadas 16

Figura 2.9 – Representação esquemática bidimensional da estrutura do vidro alcalino 18

Figura 2.10 – Representação esquemática do ataque alcalino à estrutura atômica dovidro 18

Figura 2.11 – Corte transversal idealizado de um feixe de fibras de vidro 22

Figura 2.12 – Fibras de vidro pré-cortadas (chopped), em rolos (rovings) e na forma demantas e tecidos 22

Figura 2.13 – Seqüência de produção de fibras de vidro e mantas para reforço 23

Figura 2.14 – Esquema do forno para fusão de fibras de vidro 24

Figura 2.15 – Seção esquemática mostrando o ataque alcalino em fibras de vidro E 28

Figura 2.16 – Quebra da estrutura at6omica do material vítreo em fibras E e AR G20em pastas de cimento Portland 28

Figura 2.17 – Resultados de ensaios SIC para fibras AR com vários teores de ZrO2 (emmassa) embebidas em matrizes de cimento Portland 29

Figura 2.18 – Microfotografias de compósitos de GRC expostos por 90 dias emambiente seco e ambiente úmido, e compósito envelhecido naturalmentepor um ano 30

Figura 3.1 – (a) Painel GRC com enrijecimento incorporado e (b) painel enrijecidopor uma estrutura metálica leve (stud frame) 38

Figura 3.2 – Enrijecimento metálico incorporado aos painéis em GRC 40

Figura 3.3 – Passagem de tubulações na cavidade entre os painéis de revestimento e oparamento interno 41

Figura 3.4 – Flexibilidade de projeto: os painéis de cimento reforçado com fibras devidro admitem diversas formas, cores, texturas e acabamentos 41

Figura 3.5 – Diferentes formas e dimensões estão disponíveis para painéis reforçadoscom fibra de vidro 42

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Lista de Figuras

vi

Figura 3.6 – Painel com esquadria recuada em relação ao plano da fachada 42

Figura 3.7 – Acabamentos superficiais para painéis GRC 43

Figura 3.8 – Incorporação de lâminas de pedras naturais a painéis de cimentoreforçado com fibra de vidro 43

Figura 3.9 – Nervuras para enrijecimento de painéis de cimento reforçado com fibrade vidro 45

Figura 3.10 – Projeção indireta (spray-suction) 50

Figura 3.11 – Esquema de bico utilizado na projeção direta (spray-up) 51

Figura 3.12 – Painel sendo produzido por projeção e adensamento manual 52

Figura 3.13 – Posicionamento e incorporação do enrijecimento metálico a painéis GRC 53

Figura 3.14 – Equipamento para projeção mecânica de painéis 55

Figura 3.15 – Variabilidade da espessura projetada manual e automaticamente 56

Figura 3.16 – Projetores transversais utilizados na projeção contínua (automática) depainéis GRC 57

Figura 3.17 – Misturador com projetor acoplado – processo spraymix 58

Figura 4.1 – Corte esquemático de uma cortina de vidro ilustrando a descontinuidadena compartimentação vertical e o detalhamento do encontro da fachadacom as lajes 81

Figura 4.2 – Forças responsáveis pela penetração de água nas fachadas 91

Figura 4.3 – Padrão típico de umedecimento, com concentração de umidade na regiãopróxima ao topo e às arestas das fachadas 92

Figura 4.4 – Características da migração do fluxo de água superficial, conforme a taxade incidência 92

Figura 5.1 – Metodologia de projeto de painéis reforçados com fibras de vidro 97

Figura 5.2 – Influência do perfil geométrico dos painéis sobre a natureza das tensõesinstaladas na camada de GRC 99

Figura 5.3 – Interferência do posicionamento e dimensões das aberturas sobre amodulação dos painéis 100

Figura 5.4 – Esquema de fixação de esquadrias 101

Figura 5.5 – (a) Painel de GRC com diferentes cores e tratamentos superficiais (PCI,1995) e (b) recurso para delimitar acabamentos diferentes em umamesma peça 102

Figura 5.6 – Recomendações do PCI (1994) para (a) detalhamento de arestas e (b)abas nas lateral dos painéis para receber a aplicação do selante 103

Figura 5.7 – (a) Comportamento na flexão de GRC aos 28 dias e envelhecido; (b)estabilização da resistência à flexão do compósito após envelhecimentoacelerado 104

Figura 5.8 – Comportamento a longo prazo de compósitos GRC submetidos aenvelhecimento natural 105

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Lista de Figuras

vii

Figura 5.9 – Incompatibilidade entre materiais com diferentes variações volumétricasdiante de gradientes de temperatura 107

Figura 5.10 – (a) Comportamento do GRC em relação a variações de umidade do meioe (b) influência do teor de areia na retração 108

Figura 5.11 – Opções de ancoragem para revestimento em pedra natural 110

Figura 5.12 – Detalhe típico de juntas entre painéis GRC. 111

Figura 5.13 – Dimensionamento de juntas com selantes. 112

Figura 5.14 – (a) Detalhe típico do sistema de fixação de painéis GRC comenrijecimento incorporado e (b) painel enrijecido por uma estruturametálica leve (stud frame) 114

Figura 5.15 – Ancoragens encapsuladas para a fixação direta de painéis GRC àestrutura do edifício 115

Figura 5.16 – Posicionamento de ancoragens em painéis com enrijecimentoincorporado. L é o comprimento da ancoragem encapsulada no GRC 115

Figura 5.17 – (a) Esquema de fixação direta de painéis GRC com enrijecimentoincorporado à estrutura do edifício e (b) detalhe da proteção da área detrabalho das ancoragens de suporte junto ao piso do pavimento 116

Figura 5.18 – Estrutura metálica para enrijecimento de painéis GRC 118

Figura 5.19 – Detalhe típico de ancoragens flexíveis para a transmissão de carga devento 118

Figura 5.20 – Ancoragens de apoio para a transferência de carga de peso próprio 119

Figura 5.21 - Influência de (a) relevos e juntas falsas e (b) abas nas laterais do painelsobre o afastamento entre o painel de GRC e a estrutura metálica deenrijecimento 120

Figura 5.22 – Influência da distância da ancoragem à borda do painel 120

Figura 5.23 – Esquema típico de distribuição de ancoragens em painéis GRC 121

Figura 5.24 – Ancoragens para sustentação de abas nas laterais e no topo de painéis 122

Figura 5.25 – Detalhes do encontro de painéis (b e c) e de painéis de canto inteiriços(d) 123

Figura 5.26 - Detalhes de juntas e isolamento em componentes GRC segundo o nívelde proteção contra incêndio 124

Figura 5.27 – (a) Sistema de selagem com barreira dupla e (b) saliência na borda dopainel para evitar que os fluxos sejam canalizados pelas juntas verticais 126

Figura 5.28 – Reflexo do emprego de estrutura simples (a) ou dupla (b) sobre a fixaçãodo acabamento interno e o posicionamento das camadas de isolamento 126

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viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 – Vantagens de sistemas pré-fabricados como alternativa para a vedação defachadas 2

Tabela 2.1 – Propriedades e preço de fibras utilizadas para reforço de plásticos ematrizes cimentícias 20

Tabela 2.2 – Composição química dos tipos de vidro, expressa em porcentagem emmassa 21

Tabela 2.3 – Propriedades típicas de compósitos GRC aos 28 dias e apósenvelhecimento acelerado por imersão em água quente (50oC a 80oC), ede pasta de cimento Portland sem reforço 26

Tabela 3.1 – Propriedades típicas de painéis GRC aos 28 dias 44

Tabela 3.2 – Processos utilizados na produção de componentes de GRC 48

Tabela 3.3 – Formulação típica de misturas GRC empregadas na produção de painéisde fachada 61

Tabela 4.1 – Requisitos de desempenho de fachadas em painéis 66

Tabela 4.2 – Critérios da UEAtc e do LNEC para impacto externo em fachadas 72

Tabela 4.3 – Critérios de segurança estrutural sugeridos para painéis leves em GRCdestinados à vedação de fachadas 74

Tabela 4.4 – Critérios de segurança contra fogo sugeridos para fachadas leves empainéis GRC, a serem mantidos ao longo do tempo de Rfogo especificado 79

Tabela 4.5 – Níveis máximos de pressão sonora interna admitidos no Brasil e naEuropa 80

Tabela 4.6 – Grau de poluição sonora conforme o nível sonoro contínuo equivalente(Leq) medido no local de implantação 81

Tabela 4.7 – Critérios de desempenho térmico de fachadas leves, sugeridos pelaUEAtc; critérios sugeridos por MASCARÓ;MASCARÓ (s.d.), parafachadas no Brasil, e critérios sugeridos para painéis GRC 86

Tabela 5.1 – Valores de resistência de projeto recomendados pela GRCA 105

Tabela 5.2 – Resistência a fogo de sistemas de painéis GRC testados nos EUA 125

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ix

LISTA DE ABREVIATURAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

ACI American Concrete Institute

AFNOR Association Française de Normalisation

ASTM American Society for Testing and Materials

BRE Building Research Establisment, Reino Unido

BRI Building Research Institute, Japão

BSI British Standard Institution

CCMC Canadian Construction Materials Centre

CEN European Committee for Standardization

CIB International Council for Research and Innovation

in Building and Construction

CII Construction Industry Institute, EUA

CSTB Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, França

CTL Construction Technology Laboratories, EUA

EPEBat Association Pour l’Etude de la pathologie et de

l’entretien du Bâtiment, França

FIP Fédération Internationale de la Précontrainte

GRCA The Glassfibre Reinforced Cement Association, Inglaterra

ICCE Instituciones Colegiales para la Calidad en la Edificación, Espanha

IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

ISO International Organization for Standardization

ISCC Interdepartmental Sub-committee for Component Coordination, Inglaterra

LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Portugal

PCI Precast/Prestressed Concrete Institute, EUA

UEAtc Union Européenne pour l’Agrément Technique dans la construction

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DIRETRIZES PARA O PROJETO DE PAINÉIS DE FACHADA EMDIRETRIZES PARA O PROJETO DE PAINÉIS DE FACHADA EMCIMENTO REFORÇADO COM FIBRAS DE VIDRO (GRC)CIMENTO REFORÇADO COM FIBRAS DE VIDRO (GRC) 1

Vanessa Gomes da Silva2

RESUMO

A falta de tecnologias racionalizadas de fachadas tem sido considerada pelas empresasconstrutoras de vanguarda como um ponto crítico na racionalização da prática de construçãonacional. Paralelamente, as vantagens da utilização de painéis pré-fabricados vêm sendocrescentemente divulgadas e, juntamente com o emprego de materiais compósitos, constituiuma tendência consolidada na indústria da construção civil mundial.

Painéis leves em cimento reforçado com fibras de vidro são utilizados nos Estados Unidos,Europa e Japão como uma alternativa capaz de ampliar consideravelmente o potencialarquitetônico de fachadas pré-fabricadas. Apesar da adição de fibras de vidro aumentarsignificativamente o desempenho mecânico de compósitos jovens em relação à matriz pura, aresistência e a capacidade de deformação do GRC diminui com o tempo.

O principal objetivo deste trabalho é reunir as informações necessárias para o projeto de umatecnologia racionalizada para a vedação de fachadas com base na abordagem de desempenhoe identificar em que medida os problemas de durabilidade relatados na literatura relacionam-se a falhas do procedimento de projeto utilizado.

O estudo detalhado das origens da incompatibilidade química entre as fibras e a matriz decimento Portland é complementado pela apresentação do estado atual da tecnologia depainéis GRC. Os requisitos de desempenho de fachadas leves são relacionados, com ênfase nadefinição de critérios de desempenho que alimentarão a etapa de projeto.

Sugere-se uma metodologia de projeto e os principais conceitos envolvidos no projeto depainéis de cimento reforçado com fibras de vidro são reunidos, abordando os valores deresistência de projeto, as principais solicitações consideradas e a forma como ocomportamento do compósito é tratada no projeto.

1Dissertação de Mestrado apresentada ao Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica daUniversidade de São Paulo, sob orientação do Prof. Dr. Vanderley M. John.

2Arquiteta, bolsista CAPES e mestranda do PCC/USP. E-mail [email protected]

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DESIGN GUIDELINES FOR GLASSFIBRE REINFORCEDDESIGN GUIDELINES FOR GLASSFIBRE REINFORCEDCEMENT FAÇADE PANELSCEMENT FAÇADE PANELS

Vanessa Gomes da Silva

ABSTRACT

The lack of rationalized façade technologies in Brazil is pointed out as one of the most criticalaspects towards building construction rationalization. The advantages of using prefabricatedfaçade panels have been increasingly published in the past years, particularly when thin-walled glass fiber-reinforced units are employed.

Lightweight glass fiber reinforced cement (GRC) panels are used in the United States, Europeand Japan to extend the possibilities of architectural expression of façade systems forcommercial structures. Although the addition of small amounts of glass fibers increasesignificantly the mechanical properties of young composites, GRC loses strength and straincapacity with time and some records of durability problems were found in literature.

This research aims to gather the necessary information for designing a performace-basedfaçade technology and to identify the extent of design influence on durability of GRC panelssystems.

A detailed durability approach of the composite is followed by the presentation of the state-of-the-art of GRC panels systems currently available. The performance requirements forlightweight building façades are listed, with emphasis on the definition of acceptableperformance levels to be used in the design stage.

A design methodology is presented and an exclusive chapter addresses concepts for design ofGRC panels including discussion of the fundamental material behavior, design strengths andloading conditions during production, erection and service life of installed panels that mustbe considered in design process.

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1 INTRODUÇÃO

1.1 Contexto da pesquisa

A busca de competitividade e excelência entre as empresas que atuam no setor de construção

de edifícios tem motivado a implantação de medidas de racionalização da produção,

direcionadas a cada etapa do ciclo construtivo. Em meio a esse processo, a racionalização do

subsistema vedações verticais tem sido apontada como um dos principais pontos críticos,

principalmente devido à carência de alternativas competitivas e eficientes no mercado

nacional (SABBATINI, 1998a; BARROS, 1998a; LORDSLEEM JR., 1998).

No Brasil, na construção de edifícios multipavimentos com estrutura reticulada em concreto

armado, as tentativas de racionalização da vedação de fachadas tem sido centrada na

racionalização da alvenaria tradicional (SABBATINI, 1998a).

Entretanto, há situações em que mesmo a alvenaria racionalizada não é a solução mais

adequada, sobretudo nas situações em que a velocidade da execução das vedações verticais

seja fator crítico na construção do edifício. É o caso, por exemplo, de edifícios com estrutura

metálica e de edifícios comerciais multipavimentos que utilizem tecnologia de ponta na

racionalização dos demais subsistemas, em que a alvenaria racionalizada ainda não é capaz de

acompanhar o ritmo de execução da estrutura.

Uma das soluções empregadas mundialmente para aliar racionalização à velocidade de

produção do sub-sistema vedação é a utilização de painéis pré-fabricados na vedação de

fachadas, que oferece diversas vantagens, algumas delas apresentadas na Tabela 1.1.

Após cerca de dez anos de estagnação, o mercado nacional também começa a despertar para

utilização de painéis pré-fabricados na vedação de fachadas, com destaque para recente

disponibilização de painéis pré-fabricados metálicos, em concreto alveolar e em concreto

arquitetônico, com revestimento incorporado, que busca preencher uma lacuna evidente do

mercado e contribuir para a modernização tecnológica da construção civil.

Essas três tecnologias têm em comum o fato de serem importadas dos Estados Unidos ou do

Canadá. Afora os painéis métalicos, os painéis de concreto alveolar ou arquitetônico são

pesados (massa de 230 kg/m2 e 450 kg/m2, respectivamente) e têm suas dimensões limitadas

pela capacidade das gruas disponíveis no país.

Page 18: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 1- Introdução 2

Tabela 1.1 - Vantagens de sistemas pré-fabricados como alternativa para a vedação defachadas (DAWSON, 1995; OLIVEIRA, 1995; SILVA et al., 1997).

Cronograma eprogramação de atividades

• elimina as etapas de execução e encunhamento das paredes emalvenaria, chumbamento de contramarcos e aplicação derevestimento.

• instalação rápida em canteiro, acelera a liberação para a execuçãode tarefas subseqüentes

• possibilidade de alteração do cronograma de desembolsofinanceiro

Menor índice de trabalhono canteiro

• número de operações no canteiro é limitado (montagem ealinhamento dos componentes, selagem de juntas e execução dasinterfaces)

• dispensa do uso total ou parcial de revestimentos

• mínima necessidade de andaimes

Qualidade do produto final

• produção em ambiente industrial controlado, por mão-de-obraespecializada

• controle geométrico das peças garante maior precisão de prumo ealinhamento

• racionalização das esquadrias, com eliminação ou incorporaçãodos contramarcos aos painéis

Melhoria do ambiente detrabalho

• menor geração de ruído, entulho e poeira

Organização e limpezado canteiro

• economia na retirada de entulho, devido à redução das quebras e àmodulação prévia que elimina cortes in situ

• redução do número de itens manipulados no canteiro reduzem ademanda por área de armazenamento e operações

• os painéis podem ser entregues no canteiro segundo cronogramaspreviamente estipulados e em quantidades que possam serinstaladas no mesmo dia

Em paralelo ao uso de painéis pré-fabricados, observa-se uma outra tendência na construção

civil rumo à utilização de materiais reforçados com fibras na construção civil (THE

CONCRETE SOCIETY, 1973; BERGSTRÖM; GRAM, 1984; FIP, 1984; BENTUR;

MINDESS, 1990; BALAGURU;SHAH, 1992).

O concreto puro é um material frágil, com resistência à tração e capacidade de deformação

muito baixas e o emprego de barras de aço é inconveniente ou mesmo impossível em

determinadas aplicações (MAJUMDAR, 1975; FIP, 1984; BALAGURU;SHAH, 1992). Os

inúmeros estudos realizados a partir da década de 70 procuraram solucionar essas deficiências

através do desenvolvimento de fibras que funcionassem como um reforço não mais

concentrado nas zonas tracionadas, mas disperso por toda a peça.

Page 19: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 1- Introdução 3

A principal contribuição das fibras como reforço de matrizes de cimento é no controle da

fissuração do compósito e alteração de seu comportamento após a fissuração da matriz. As

fibras retardam o aparecimento da primeira fissura e distribuem as tensões de forma a originar

um maior número de fissuras menores e menos visíveis (HANNANT, 1978; WEIGLER,

1988; BENTUR; MINDESS, 1990; PROCTOR, 1990).

A adição de fibras aumenta significativamente a deformação até a ruptura e a resistência à

tração e a impactos. O escorregamento e o arrancamento dos filamentos são mecanismos

importantes de absorção de energia que resultam em aumento considerável de tenacidade1

(SWAMY, 1980; BERGSTRÖM; GRAM, 1984; DANIEL;SCHULTZ, 1985; PROCTOR,

1990; MAJUMDAR;LAWS, 1991).

Ao interromper a continuidade das fissuras, as fibras também contribuem na resistência a

solicitações cíclicas, categoria em que se enquadra, por exemplo, o dano progressivo causado

pelas inúmeras variações volumétricas por que passam os componentes de fachada ao longo

de sua vida útil.

O aumento de resistência mecânica, o comportamento dúctil apresentado pelos compósitos

após a fissuração da matriz frágil e a dispensa do cobrimento de armadura utilizado em

painéis de concreto permitem a redução significativa da espessura dos painéis e são de

extrema importância para mantê-los livres de fissuras diante dos esforços consideráveis que

são introduzidos durante a sua produção, transporte e içamento (MOORE, 1984; FIP, 1984;

BENTUR;MINDESS, 1990).

A principal aplicação de componentes de pequena espessura (thin-sheet products) na

construção civil é na substituição de peças pesadas de concreto por outras alternativas de

fachadas também pré-fabricadas, mas que ofereçam maior variedade de formas. O reforço das

matrizes de cimento pode ser feito por fibras de aço, fibras plásticas e fibras de vidro.

As fibras de aço podem ser utilizadas apenas em componentes com mais de 40mm de

espessura, devido à rigidez dos feixes e ao risco de corrosão das fibras. Em componentes para

fachada, seu emprego mais freqüente é na substituição parcial da armadura de aço em painéis

sanduíche com espessura convencional. As fibras plásticas, por sua vez, têm sido utilizadas

principalmente para permitir a impressão de relevos na superfície de componentes recém-

concretados, reduzindo assim os custos de produção de peças decorativas (FIP, 1984).

Page 20: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 1- Introdução 4

As fibras de vidro tornam-se, então, o tipo de reforço mais adequado, pois permitem que

painéis de fachada com espessura entre 6 e 20mm assumam grande diversidade de formas,

graças às técnicas de projeção desenvolvidas a partir da indústria de plástico reforçado.

O potencial de mercado de painéis cimento Portland reforçado com fibras de vidro tem

motivado inúmeras pesquisas em todo o mundo visando a solução da incompatibilidade

química entre a matriz de cimento comum e as fibras (MAJUMDAR;NURSE, 1974;

PROCTOR, 1990; BENTUR;MINDESS, 1990; MAJUMDAR;LAWS, 1991).

O Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de

São Paulo, sensível à necessidade de racionalização e modernização das alternativas de

vedação de fachadas e à tendência de utilização de materiais reforçados com fibras e, ao

mesmo tempo, somando esforços à solução do problema de durabilidade das fibras de vidro

em meios alcalinos e aos programas de controle ambiental, propôs o projeto pesquisa

intitulado Painéis de cimentos de escória reforçados com fibra de vidro E (E-GRS), fruto

de sua cooperação com a Companhia Siderúrgica de Tubarão e a Owens Corning.

O objetivo final do Projeto E-GRS é oferecer ao mercado uma tecnologia racionalizada de

vedação, obtida pela produção de cimentos de escória de alto-forno, adequados ao reforço

com fibra de vidro E, que, quando reforçados com fibras de vidro, permitem a conformação

de componentes de fachada capazes de conciliar flexibilidade de projeto às vantagens da pré-

fabricação.

Nesse contexto, cabe a esta dissertação reunir as principais diretrizes para o projeto de painéis

de fachada em cimentos reforçados com fibras de vidro. No âmbito do Projeto E-GRS, a

abordagem de projeto complementa os estudos de formulação dos cimentos de escória e de

estabilidade das fibras de vidro embebidas nessas matrizes.

A confecção do Manual de Projeto da tecnologia de painéis E-GRS está prevista para uma

etapa posterior do projeto cooperativo, quando a disponibilidade de resultados experimentais

evidenciará eventuais peculiaridades trazidas pelo novo compósito e a avaliação do

desempenho de protótipos consubstanciarão as informações reunidas nessa dissertação e

subsidiarão os ajustes de projeto que se fizerem necessários.

1 Energia total absorvida antes da separação total das partes do corpo-de-prova (ACI State-of-the-art Report on Fibre

Reinforced Concrete, apud MAJUMDAR, 1975).

Page 21: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 1- Introdução 5

1.2 Objetivos

Os objetivos desta dissertação são sistematizar as informações disponíveis na literatura

técnica internacional acerca de painéis de fachada de cimento Portland reforçado com fibras

de vidro resistentes a álcalis (GRC), delinear uma metodologia de projeto e relacionar as

principais diretrizes para o projeto adequado desses componentes.

1.3 Metodologia adotada

A similaridade esperada para as propriedades do compósito à base de cimento de escória (E-

GRS) e o cimento Portland reforçado com fibras de vidro resistentes a álcalis (GRC)

permitem que, em princípio, o projeto de painéis E-GRS siga os mesmos conceitos válidos

para painéis de cimento Portland reforçado com fibras de vidro resistentes a álcalis (GRC).

Procede-se, então, a coleta de dados acerca do comportamento físico e mecânico do GRC e do

estado atual de sua utilização em painéis de fachada a partir de interações com fabricantes e

de profunda revisão bibliográfica. A revisão da literatura é conduzida com uma visão crítica e

apartidária, com o propósito de identificar até que ponto os problemas de durabilidade

observados estão relacionados a decisões inadequadas de projeto ou resultam estritamente de

limitações intrínsecas ao compósito. Os aspectos críticos de projeto são identificados e

discutidos.

A formulação de critérios mínimos de desempenho para os painéis e a sistematização de

informações sobre a tecnologia de GRC constituem as bases de conhecimento necessárias à

proposição de uma metodologia e de diretrizes para o projeto desses componentes.

1.4 Justificativas para a ênfase em projeto

Dois centros de pesquisa dividem - inclusive geograficamente - a liderança nos estudos acerca

de cimento reforçado com fibras de vidro: a Glassfibre Reinforced Cement Association

(GRCA), na Inglaterra, berço das primeiras fibras de vidro resistentes a álcalis, desenvolvidas

pelo Building Research Establishment (BRE); e o Prestressed Concrete Institute (PCI, 1994),

nos Estados Unidos, país cuja indústria de GRC introduziu uma série de inovações no projeto,

dosagem e cura, sendo a mais notável delas, o uso de estruturas metálicas leves no

enrijecimento de painéis com uma tipologia muito mais arrojada que a dos componentes

desenvolvidos pioneiramente pelo BRE.

A pesquisa sobre o compósito é relativamente farta, com destaque para os pesquisadores do

BRE, que desenvolveram as primeiras fibras resistentes a álcalis e estudaram a melhor forma

Page 22: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 1- Introdução 6

de incorporá-las às matrizes de cimento. No entanto, quando o foco é direcionado

especificamente para painéis de GRC, afora as publicações específicas do PCI e da GRCA, há

apenas alguns trabalhos do BRE (LANGLEY, 1981; MOORE, 1984) e trechos de publicações

do ACI Committee 544 on Fiber Reinforced Concrete (ACI, 1992) e da Fédération

Internationale de la Précontrainte (FIP, 1984) na linha de produtos de pequena espessura

para uso na construção civil.

O manual do PCI (1994) é adotado como publicação de referência para o projeto de painéis de

GRC, mas traça um panorama de exaltação à tecnologia, que contrasta com os relatos de

problemas de durabilidade em painéis nos Estados Unidos (SCHULTZ et al., 1987;

NICASTRO, 1994; OESTERLE et al., 1990; PFEIFER et al., 1992). A GRCA, por sua vez,

deverá divulgar em breve um documento equivalente ao manual do PCI, porém com ênfase

em painéis com enrijecimento incorporado (Cem-FIL LTD., 1997).

A literatura disponível, além de ser claramente escassa no que tange ao projeto de painéis de

GRC, não apresenta uma metodologia de projeto ou uma seqüência ordenada de idéias que

permita uma visão sistêmica do processo projetual.

Um outro aspecto relevante é a dificuldade de introduzir no mercado tecnologias inovadoras

como a que é proposta neste trabalho, diante da ausência de parâmetros que atestem sua

qualidade perante outras inovações tecnológicas ou soluções já enraizadas na cultura

construtiva.

Ao confrontar os níveis de desempenho atingidos em ensaios que procuram reproduzir as

solicitações em serviço com os níveis desejáveis para uma certa finalidade, a abordagem de

desempenho torna possível a seleção racionalizada de diferentes alternativas concorrendo a

uma mesma aplicação, sejam elas inovações tecnológicas ou sistemas de uso tradicional

(AGOPYAN, 1978; SOUZA, 1988; SABBATINI, 1998b).

Entretanto, não há documentos normativos em nível nacional ou internacional que apresentem

critérios de desempenho para painéis de fachada em edifícios com vários pavimentos. As

especificações atualmente disponíveis dedicam-se à nomeação dos requisitos de desempenho

e à uniformização dos métodos de ensaio, deixando a definição dos critérios de desempenho a

cargo do projetista, que nem sempre detém as informações que sustentam a definição desses

critérios e a sua adequação a cada projeto.

Page 23: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 1- Introdução 7

Esta dissertação é, portanto, plenamente justificada na necessidade de sistematização de

informações que orientem a proposição de diretrizes para o projeto de painéis GRC, incluindo

a dinâmica de adequação da tecnologia aos níveis de desempenho exigidos em cada situação.

1.5 Estrutura da dissertação

Os capítulos 2, 3 e 4 são dedicados à revisão bibliográfica. No capítulo 2, faz-se,

inicialmente uma abordagem da evolução das pesquisas sobre o emprego de fibra de vidro

como reforço de matrizes cimentícias e do panorama atual de utilização de produtos GRC.

Alguns aspectos da microestrutura do compósito são enfatizados, com vistas à compreensão

dos mecanismos de degradação que desencadearam a série de pesquisas para a modificação

das fibras e das matrizes feita nas duas últimas décadas.

O capítulo 3 apresenta os tipos de painéis GRC disponíveis no mercado internacional e

aponta as principais vantagens de sua utilização. Esse mesmo capítulo reúne as tecnologias

utilizadas na produção de painéis de fachada em GRC, detalha o procedimento de fabricação

dos componentes e aborda sucintamente o seu comportamento físico e mecânico.

O capítulo 4 aborda os requisitos de desempenho de fachadas em painéis leves, categoria em

que se enquadram os painéis de cimento reforçado com fibras. As considerações pertinentes

encontradas na literatura são discutidas e, ao final do capítulo, propõe-se critérios

desempenho que, juntamente com as informações reunidas sobre o material e sobre a sua

forma atual de utilização, alimentam a etapa de projeto apresentada no capítulo seguinte.

Cabe ao capítulo 5, então, a proposição de uma metodologia de projeto e de diretrizes para o

projeto preliminar de painéis reforçados com fibras de vidro com base nas recomendações

feitas pelos principais centros de suporte a pesquisa nesta área, por fabricantes de painéis

GRC e por empresas independentes de consultoria.

O capítulo 6 realça os principais pontos abordados ao longo do trabalho, reúne as

considerações finais desta dissertação e indicam as principais linhas para a continuidade da

pesquisa.

Page 24: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

2 CIMENTOS REFORÇADOS COM FIBRAS DE VIDRO (GRC)

2.1 Histórico do desenvolvimento do GRC

Internacionalmente, a designação GRC1 (Glassfibre Reinforced Cement) refere-se a

compósitos constituídos por fibras de vidro resistentes a álcalis embebidas e aleatoriamente

dispersas ao longo de uma fase cimentícia contínua denominada matriz, que pode conter

fillers, pigmentos e adições minerais (BENTUR; MINDESS, 1990; MAJUMDAR; LAWS,

1991; PCI, 1994).

A incorporação de fibras dúcteis, como as de vidro, em matrizes de aglomerantes minerais

tem objetivo semelhante ao do uso de barras de aço no concreto armado, isto é, melhorar

algumas propriedades mecânicas dessas matrizes e contornar o problema de sua ruptura frágil.

Diferentemente do que acontece no concreto armado, onde o posicionamento da armadura

atende basicamente às regiões submetidas a tração, este reforço dá-se aleatoriamente ao longo

de toda a matriz, propiciando o aumento e estabilização da tensão de fissuração da matriz na

tração e na flexão, além do aumento sensível de tenacidade2 do compósito decorrente da

ampliação da capacidade de suporte de carga da matriz após a sua fissuração (PROCTOR,

1990; PCI, 1994).

Os estudos pioneiros das fibras de vidro como reforço de cimento remontam à década de 30

na Europa (CRAEMER, 1934 e GOLDSTEIN et al., 1938 apud ISSA et al., 1995),

subseqüentes à expansão da indústria de polímeros e ao aprimoramento de técnicas de

produção de filamentos contínuos de vidro borossilicato (tipo E3). Nos anos 40, as

experiências feitas para o desenvolvimento de matrizes poliméricas reforçadas com fibras E já

denunciavam o potencial do emprego de fibras de vidro no reforço de matrizes cimentícias

(PCI, 1994).

No início da década de 60, BIRYUKOVICH publicou resultados dos primeiros estudos

sistêmicos sobre o reforço de matrizes frágeis com fibras de vidro, que envolviam

1Também denominado GFRC, nos Estados Unidos (BENTUR;MINDESS, 1990).

2Entende-se por tenacidade a energia total absorvida até a completa separação (ruptura) do corpo-de-prova. A tenacidade érelacionada à propagação das fissuras. Nos materiais fibrosos, o crescimento das fissuras não ocorre facilmente sempromover o tensionamento e posterior arrancamento de fibras, processos que consomem grande quantidade de energia(ACI, 1973; MAJUMDAR, 1975).

3Notação para vidro comum de borossilicato, utilizado no reforço de matrizes poliméricas por suas propriedades de isolanteelétrico.

Page 25: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 9

propriedades e métodos de fabricação de compósitos reforçados com fibras de vidro comum

(tipo E) (HANNANT, 1978). Já naquela época, constatada a incompatibilidade química

denunciada pela rápida deterioração do vidro E em contato com a solução altamente alcalina

dos poros de matrizes Portland, os cimentos de baixa alcalinidade (cimento aluminoso ou

cimento Portland com adição de pozolana) e cimentos com adição de polímeros foram

apontados como possíveis alternativas para contornar o problema de solubilidade das fibras

(BENTUR; MINDESS, 1990).

Com a consolidação da teoria dos materiais fibrosos, do desenvolvimento de técnicas de

produção dos compósitos e do estudo de diferentes tipos de cimento e das interações químicas

na interface fibra-matriz, a década de 60 foi palco de grandes avanços nos estudos do GRC.

Entretanto, o primeiro grande impulso na pesquisa sobre GRC aconteceu apenas em meados

dos anos 60, quando a constatação do prejuízo à saúde decorrente da inalação das fibras de

asbesto4 desencadeou uma série de proibições quanto ao uso e manuseio de elementos em

cimento-amianto e intensificou a busca por substitutos potenciais (MAJUMDAR, 1975;

WEIGLER, 1988; Cem-FIL Ltd., 1995).

Durante muitas décadas, a indústria de cimento-amianto manteve-se na Europa como um dos

principais consumidores do cimento produzido. Visando garantir a continuidade das vendas,

coube à indústria cimenteira conduzir o desenvolvimento dessas pesquisas iniciais, que

partiram de estudos comparativos envolvendo todas as fibras então disponíveis no mercado:

naturais, artificiais, orgânicas, inorgânicas e metálicas (Cem-FIL Ltd., 1995).

As fibras de vidro têm incombustibilidade, flexibilidade e propriedades mecânicas

semelhantes às das fibras de amianto, com a vantagem adicional de serem produzidas de

modo econômico - e em quaisquer comprimentos - a partir de materiais facilmente

disponíveis em todo o mundo, de sorte que, já no início da década de 70, diversas pesquisas

dedicaram-se às fibras de vidro, antes mesmo que o BRE concluísse seus estudos acerca de

fibras resistentes a meios alcalinos (fibras AR). Esta pesquisa inicial estava especialmente

interessada na maximização do teor de fibras incorporado e no monitoramento das

características de aderência à matriz à medida em que elevava-se a parcela de agregados

presente na mistura (Cem-FIL Ltd., 1995).

4Fibras consideradas nocivas à saúde (fibras respiráveis) apresentam diâmetro e comprimento inferiores a 2,5 µm e 80 µm,respectivamente (HEALTH AND SAFETY COMMISSION, 1979, apud MAJUMDAR;LAWS, 1991). Os diâmetros das fibrasde vidro utilizadas na construção civil variam entre 8 e 16µm (OWENS CORNING, 1992); fibras AR estão normalmentedisponíveis com diâmetro de 10µm (MAJUMDAR;LAWS, 1991).

Page 26: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 10

Um dos primeiros recursos estudados para tentar reduzir o ataque hidroxílico às fibras de

vidro E foi a carbonatação da matriz de cimento Portland, cujo efeito na redução do pH

favoreceria a integridade das fibras (BIJEN, 1985). Durante a definição da espessura dos

componentes, alguns projetistas partiam da hipótese que espessuras entre 1 e 2,5 cm, por

exemplo, permitiriam a completa carbonatação in situ do componente em poucos anos

(SCHIEBL; SCHNEIDER, 1987). Em paralelo, foram feitas algumas tentativas de carbonatar

a matriz ainda na fábrica de pré-moldados, mas a redução de pH obtida mostrou-se limitada e

per si insuficiente para permitir que a aplicação de componentes GRC pudesse ser estendida

para fins estruturais (BIJEN, 1985; Cem-FIL Ltd., 1995).

No início dos anos 70, estimulados pelos resultados de BIRYUKOVICH (cimento aluminoso

reforçado com fibra E), de ROMUALDI e BATSON (fibras de aço) e de KRENCHEL

(diversos tipos de fibras), MAJUMDAR e RYDER, pesquisadores da equipe técnica da

Building Research Station procuraram desenvolver fibras de vidro que tolerassem a utilização

do cimento Portland comum (MAJUMDAR; LAWS, 1991), configurando o segundo grande

impulso no estudo de matrizes cimentícias reforçadas com fibras de vidro.

Matrizes de gesso5 reforçadas com fibra E, foram inicialmente utilizadas para permitir a

continuidade da pesquisa e o desenvolvimento das técnicas de manufatura a serem utilizadas

para o GRC, enquanto os estudos de fibras resistentes a álcalis estavam em andamento no

BRE e ainda não se dispunha de maiores quantidades para testes (HANNANT, 1978). A

produção em larga escala da primeira geração de fibras resistentes a álcalis (à base de óxido

de zircônio) pela Pilkington Brothers Ltd., na Inglaterra, permitiu a produção do compósito

em escala industrial e a difusão do uso do GRC, que foi alçado da escala laboratorial para a

capacitação em atender a um nicho de mercado que rapidamente se estendeu para diversos

segmentos da construção civil (MAJUMDAR; LAWS, 1991).

O ataque alcalino era, até então, o alvo principal das pesquisas em GRC, e resultou em

alterações sucessivas da composição do vidro que daria origem as fibras (PROCTOR, 1985;

BIJEN 1985; PROCTOR et al., 1982). Entretanto, estudos seqüenciais de durabilidade

detectaram um outro fator de deterioração do compósito: a afinidade dos cristais de hidróxido

de cálcio pela superfície das fibras de vidro, que provocava a densificação da interface fibra-

matriz à medida em que avançava a hidratação do cimento (MILLS, 1981; BIJEN, 1985).

5Matriz frágil como o cimento Portland, porém com alcalinidade muito menor (pH neutro ou ligeiramente ácido).

Page 27: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 11

Na década de 80, as pesquisas foram direcionadas para o desenvolvimento de uma segunda

geração de fibras AR (Cem-FIL 2), a partir de resultados de pesquisas envolvendo uma nova

composição de vidro menos sensível aos meios alcalinos e dotada de um revestimento

inibidor da nucleação e crescimento dos produtos hidratados que, de certa maneira, evita ou

retarda a densificação da interface (PROCTOR et al., 1982; BIJEN, 1985).

Foram feitas ainda tentativas de confeccionar fibras com maior teor de zircônio através do

método sol-gel6 (SHIN, 1981, apud BENTUR; MINDESS, 1990) e, posteriormente, de

incorporar substâncias resistentes à álcalis no sizing por este mesmo método (GUGLIELMI,

MADDALENA, 1985; MADDALENA et al., 1986). BENTUR;DIAMOND (1987)

desenvolveram estudos sobre a incorporação direta de sílica ativa entre os feixes, para

consumir o hidróxido de cálcio à medida em que fosse se precipitando em torno dos

filamentos.

Em paralelo, foram conduzidos estudos com matrizes de menor alcalinidade, polímeros e

pozolanas, especialmente cinza volante, mas a perda de resistência mecânica de ductilidade

ainda não foi completamente solucionada. Estudos recentes com novas matrizes associadas a

fibras AR parecem apresentar resultados encorajadores, porém ainda não se dispõe de

resultados de envelhecimento natural de longa duração.

2.2 Panorama atual de utilização de componentes GRC

Apesar de feitas tentativas de utilizar o GRC em peças estruturais através de reforço com

feixes rígidos, impregnados com epóxi para serem dispersos pela matriz durante a mistura ou

de forma de barras semelhantes às de aço (NAWY et al., 1979 e KLINK, 1969, apud

BENTUR;MINDESS, 1990), os compósitos de GRC foram desenvolvidos principalmente

para a produção de componentes de espessura reduzida (thin-sheet) (MAJUMDAR;NURSE,

1974; FIP, 1984; BENTUR;MINDESS, 1990).

A proibição do uso de fibras de amianto abriu caminho para toda uma nova geração de

componentes construtivos “asbestos-free”, que, ao lado dos painéis de fachada, constitui o

principal nicho de mercado para produtos GRC (MAJUMDAR, 1975; Cem-FIL Ltd., 1995).

O mercado de outros substitutos potenciais para o cimento-amianto também vem crescendo

continuamente, mas a possibilidade de empregar matrizes relativamente baratas na produção

6 Dessa forma, as fibras seriam produzidas por hidrólise e gelificação em vez do processo tradicional de fusão e

filamentização, o que seria particularmente interessante no caso de fibras AR, em que a presença de zircônio exige maiortemperatura de fusão.

Page 28: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 12

de componentes leves, com resistência a fogo considerável e elevada resistência mecânica

inicial é a principal vantagem do GRC na disputa por maior penetração no mercado de

componentes de construção (HILLS, 1975).

O GRC pode substituir materiais tradicionais de construção civil em diversas aplicações,

basicamente sob forma de argamassas aplicadas in situ ou de componentes pré-fabricados

(MAJUMDAR, 1975).

O emprego de argamassas de cimento reforçadas com 1 a 2% (em massa) de fibra de vidro

como revestimento de alvenaria contribui para o aumento da resistência à flexão das paredes.

Já os componentes pré-fabricados utilizam teores de fibra maiores (acima de 3%) e encontram

aplicação em situações que explorem a leveza e facilidade de moldagem dos compósitos de

cimento com fibras de vidro nas mais diversas formas e seções, necessária para a produção de

elementos decorativos, chapas planas e corrugadas, rochas artificiais (Figura 2.1a), instalações

rurais, tubulações de grandes dimensões (Figura 2.1b), mobiliário urbano, barreiras anti-ruído,

pisos elevados , esquadrias imunes à corrosão, painéis de fachada e revestimento interno.

Figura 2.1 - Aplicação de GRC em (a) simulação de cenários naturais utilizando aprojeção de GRC sobre moldes perdidos7 e (b) tubulações de grandesdimensões (GRCA, 1995).

Uma das primeiras aplicações estudadas para o GRC foi na confecção de fôrmas permanentes

para concreto8 (Figura 2.2) (TRUE, 1985; WEIGLER, 1988; GRCA, 1995). Nessa aplicação,

a solicitação é imposta aos componentes enquanto ainda estão jovens e a perda de resistência

7Fotografia cedida pela Art Rock Italiana.

8Também denominadas fôrmas integradas, elementos que servem inicialmente como fôrma e, posteriormente, comorevestimento para o concreto moldado in situ.

Page 29: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 13

ao longo do tempo não prejudica sua função original (McDOUGLE, 1995; Cem-FIL Ltd.,

1997).

Figura 2.2 - Fôrmas permanentes utilizadas em passarela no Japão e em canalizaçõesrurais9 (GRCA, 1995).

O aprimoramento dos equipamentos de projeção automática poderá permitir, em um futuro

próximo, a confecção de fôrmas permanentes para concreto moldado in loco, abrindo uma

frente de mercado importante para produtos GRC (BENNETT Jr, 1988).

Uma outra frente de aplicação do GRC é em objetos sujeitos a vandalismo como, por

exemplo, revestimento decorativo de túneis, barreiras anti-ruído e peças de mobiliário urbano

(Figura 2.3). A superfície do GRC é incombustível, dura, impermeável, com alta resistência a

abrasão e impacto, o que resulta em produtos que exigem poucas intervenções – e

investimento - de manutenção (GRCA, 1995; ESPECO S.A., s.d.).

Figura 2.3 - Emprego de GRC em mobiliário urbano e revestimento decorativo detúneis nas Ilhas Canárias (esquerda) e Japão (GRCA, 1995).

9As peças de concreto empregadas em tubulações e canais são usualmente curtas e pesadas. A superfície do GRC é maislisa que a do concreto, facilitando o fluxo dos líquidos para uma mesma seção; cada unidade pode ter entre 2 e 3m decomprimento, porém com massa que permite a manipulação por um único operário.

Page 30: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 14

A utilização do GRC em barreiras anti-ruído permite criar superfícies de reflexão das ondas

sonoras, cujo efeito se soma ao da cavidade interna que proporciona isolamento acústico

(Figura 2.4).

Figura 2.4 - Barreiras anti-ruído na França (esquerda) e Austrália (GRCA, 1995).

O GRC é utilizado, ainda, na produção de componentes para revestimento interno, que

concorrem diretamente com peças de gesso (Figura 2.5).

Figura 2.5 - Aplicação de componentes GRC em revestimento interno (PCI, 1995).

No entanto, apesar da diversidade de aplicações descritas até aqui, o principal emprego do

GRC no mercado internacional é, indiscutivelmente, na forma de painéis para vedação e

revestimento de fachadas. Os painéis para uso externo podem ser empregados na restauração

de edifícios históricos (Figura 2.6 e Figura 2.7), para a renovação de fachadas ou para a

vedação externa de edifícios novos (Figura 2.8).

Page 31: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 15

Figura 2.6 - Utilização de painéis de GRC na restauração de edifícios de valor histórico(GRCA, 1995).

Figura 2.7 - Utilização de GRC na reprodução de ornamentos arquitetônicos(PCI, 1995).

No primeiro caso, a leveza do novo revestimento minimiza o acréscimo de carga a ser

transferido para a estrutura existente e a grande flexibilidade de acabamentos superficiais

permite reproduzir fielmente o desenho, cor e textura originais de ornamentos confeccionados

com materiais de difícil reposição (PCI, 1995; GRCA, 1995; McDOUGLE, 1995; PARK,

1996).

Page 32: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 16

A chamada renovação de fachadas, consiste em revestir externamente fachadas existentes

com painéis montados em uma estrutura metálica leve presa à estrutura original do edifício. A

minimização do incômodo aos moradores tem ampliado a utilização do GRC nesse setor:

todos os serviços são feitos a partir do exterior da edificação, praticamente sem demolição e

com uma produção média de 300 m2 por dia, para uma equipe de 4 operários (Cem-FIL LTD,

1992).

Os painéis para vedação de fachadas podem ser conformados como peças inteiriças, com

esquadrias ou específicas para o revestimento de pilares. Os componentes são extremamente

delgados, com diferentes acabamentos superficiais e normalmente montados sobre perfis

leves de chapa dobrada (steel studs) que propiciam o enrijecimento do conjunto e a conexão à

estrutura do edifício. Internamente, são complementados por placas e componentes do tipo

wallboard, em gesso acartonado ou também em GRC (PCI, 1994; PCI, 1995).

Figura 2.8 - Painéis GRC para vedação de fachadas (PCI, 1994; PCI, 1995).

2.3 As fibras de vidro

2.3.1 O material vidro

O vidro é constituído por silicatos não cristalinos contendo outros óxidos, principalmente

CaO, Na2O, K2O e Al2O3 (CALLISTER JR, 1997). Os átomos não estão arranjados segundo

estruturas organizadas e repetitivas, e grupos atômicos com arranjos espaciais definidos são

notados apenas em pequenas extensões (WICKS, 1986).

Page 33: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 17

Com o decréscimo da temperatura, o vidro torna-se progressivamente mais viscoso, mas,

diferentemente dos materiais cristalinos, os vidros não apresentam um ponto claro de

transição entre os estados sólido e líquido. Por esta razão, o vidro é tratado na literatura como

um líquido super-resfriado, cujo conteúdo energético no estado líquido-viscoso forma um

meio descontínuo composto por óxidos desordenadamente dispostos (WICKS, 1986;

CALLISTER JR, 1997).

Taxas de resfriamento suficientemente lentas permitem a reorganização atômica segundo uma

configuração com um nível menor de energia, permitindo a formação de redes cristalinas.

Como a reatividade é definida pelo desequilíbrio energético da estrutura do material, quanto

maior o seu grau de cristalização, menos reativo será o vidro (WICKS, 1986).

ZACHARIASEN (1932) foi o primeiro pesquisador a formular uma teoria consistente para o

arranjo atômico dos materiais vítreos e suas conseqüentes propriedades. Sua teoria foi

fundamentada a partir da observação de que, considerados extensos intervalos de temperatura,

as propriedades mecânicas dos vidros são comparáveis às dos materiais cristalinos.

Entretanto, apesar de os átomos apresentarem posições de equilíbrio definidas em extensas

redes tridimensionais e de as distâncias internucleares na rede obedecerem a valores

definidos, os experimentos de difração de raios-X feitos por ZACHARIASEN, demonstraram

que essas redes não são simétricas nem periódicas como nos materiais cristalinos.

Segundo o modelo de estrutura atômica proposto por ZACHARIASEN (1932), a célula básica

de um material vítreo é um poliedro constituído por átomos de oxigênio agrupados em torno

de um átomo central, normalmente de silício, e as redes tridimensionais resultam do

compartilhamento dos átomos de oxigênio existentes nos vértices dos poliedros (Figura 2.9).

Os diversos óxidos constituintes dos materiais vítreos têm os átomos de oxigênio

incorporados à rede tridimensional e cátions que, para manter o equilíbrio de cargas iônicas,

conforme o seu número de coordenação são incorporados ora na rede (átomos formadores de

cadeia) ora nos espaços entre os poliedros (átomos modificadores de cadeia) sem estabelecer

ligações com qualquer elemento (Figura 2.9).

Page 34: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 18

Figura 2.9 - Representação esquemática bidimensional da estrutura do vidro alcalino(HULL, 1981, apud BENTUR;MINDESS, 1990).

São as proporções destes óxidos e a posição que os cátions ocupam na rede tridimensional que

determinam as propriedades dos vidros (CALLISTER JR, 1997). Durante o processamento do

vidro, os cátions modificadores, especialmente de metais alcalinos e alcalinos terrosos, são

adicionados na forma de óxidos que aumentam a taxa de oxigênio no sistema. A modificação

na estrutura provoca alterações e quebras na rede tridimensional e tem por principal objetivo

aumentar a fluidez e melhorar propriedades ópticas e térmicas (OLIVEIRA, 1995). Os

elementos modificadores devem ser corretamente dosados, uma vez que estas alterações

introduzem ligações com menor energia, que reduzem a resistência do vidro e aumentam o

potencial iônico do sistema, acelerando reações que podem levar ao endurecimento precoce

da mistura (WICKS, 1986).

Esta estrutura atômica é sensível ao ataque alcalino, que provoca a redução da resistência

mecânica e perda de massa do material vítreo. De acordo com BENTUR; MINDESS (1990),

esse fenômeno pode ser atribuído à quebra das ligações entre os átomos de silício e oxigênio

pelos íons hidroxila, presentes em alta concentração nas soluções alcalinas (Figura 2.10).

__ __−− Si −− O −− Si −− ++ OH →→ −− Si −− OH ++ −− Si −− O (em solução)

Figura 2.10 - Representação esquemática do ataque alcalino à estrutura atômica dovidro (BENTUR; MINDESS, 1990).

Page 35: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 19

A discussão acerca das interações entre as fibras de vidro e a solução alcalina dos poros de

matrizes de cimento será retomada mais adiante, no item 2.4.1.1- Interações vidro-cimento.

2.3.2 Vantagens da utilização das fibras de vidro

As fibras de vidro foram inicialmente comercializadas na década de 40, para a produção de

plásticos reforçados desenvolvidos para aplicações até então dominadas pelo emprego dos

metais e suas ligas, porém com a vantagem de não serem susceptíveis à corrosão, mesmo em

altas temperaturas (CARVALHO, 1993).

Embora seja ele próprio um material frágil, quando conformado em fibras, o vidro apresenta

propriedades satisfatórias para o emprego como reforço de matrizes frágeis, tais como (Cem-

FIL Ltd., s.d.):

• elevada resistência mecânica – resistência à tração específica (por unidade demassa) igual a 3 ou 4 vezes a do aço;

• elevado módulo de elasticidade – aproximadamente o triplo do módulo da matriz decimento e dez vezes o módulo da maior parte das fibras orgânicas;

• incombustibilidade – o vidro é um material inorgânico e, conseqüentemente, éincombustível, não propaga chama nem libera fumaça ou gases tóxicos;

• estabilidade dimensional – baixo coeficiente de dilatação linear (5,0 x10-6/°C, parafibras E e 7,5 x10-6/°C, para fibras AR)10. Insensível a gradientes de umidade;

• são fisiologicamente inócuas – as fibras não são respiráveis;

• resistente à corrosão, ao ataque biológico (não apodrece) e de insetos;

• retenção de propriedades em altas temperaturas - a temperatura de amolecimento dovidro AR é 860oC;

• grande alongamento na ruptura;

• facilidade de processamento;

• baixo custo quando comparadas com outras fibras dúcteis (Tabela 2.1) –especialmente custo por volume de fibra.

A Tabela 2.1 relaciona propriedades físicas e mecânicas de fibras de diferentes tipos de vidro

e permite comparar seus preços de venda com os de fibras de aço e polipropileno, também

utilizadas no reforço de matrizes de cimento.

10MAJUMDAR;LAWS (1991).

Page 36: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 20

Tabela 2.1 - Propriedades e preço de fibras utilizadas para reforço de plásticos ematrizes cimentícias (a partir de MAJUMDAR, 1975+; FIP, 1984++;OWENS CORNING, 1997*, Cem-FIL Ltd., s.d.** e MAJUMDAR;LAWS,1991***).

Tipo de fibra Massaespecífica

(kg/m3)

Resistência àTração(MPa)

MóduloElasticidade

(GPa)

Alongamentona ruptura

(%)

Preço/Kgnos EUA(US$)

A-glass* 2.463,11 3.309,60 68,95 4,8 1,40 a 2,00

C-glass* 2.539,88 3.309,60 68,95 4,8 1,70 a 2,20

3.447,50*(filam.) 4,76*(filamento)E-glass 2.601,49*

1.700 a 2.700 (feixe)*** 75,85*

2,0 (feixe)***

1,70 a 2,20*

3.570,00**(filam.) 5,00 (filamento)**

vid

ro

AR Glass 2.680,00**

1.450,00 a 1.900,00(feixe)***

71,71**2,0 (feixe)***

6,50++

Polipropileno+ 900,00+ 500,00+ 5,00+ ~20,00+ 9,5011

ou

tras

Aço+ 7.800,00+ 1.000,00 a 3.000,00+ 200,00+ 3,0 - 4,0+ 0,80 a 1,50++

2.3.3 Composição e métodos de produção das fibras

Os vidros são obtidos da fusão de uma mistura de óxidos metálicos, cujo proporcionamento

define seu comportamento (Tabela 2.2). Existem vários tipos de vidro, que são classificados,

com base em suas propriedades, nos tipos A12, C13, E14, ECR15, e AR16.

Apesar de HANNANT (1978) relatar o emprego do vidro A na produção de fibras, no Brasil,

sua utilização restringe-se à fabricação de garrafas e vidraçaria em geral, enquanto que a

produção de fibras para reforço de plásticos (matrizes dúcteis) é feita, em pequena parcela, a

partir dos vidros C e ECR, sendo o vidro E utilizado em quase sua totalidade (CARVALHO,

1993). Apenas as fibras dos vidros E e AR são utilizadas como reforço de matrizes frágeis.

11Preço de venda médio, fornecido via e-mail no dia 23/03/98 por Mr. Ron Vermillion, da FIBERMESH (Message ID<[email protected]>).

12A-glass - vidro soda-cal-sílica (Alcalino).

13C-glass - vidro resistente a ataque ácido (Chemical resistant).

14E-glass - vidro borossilicato (isolante Elétrico).

15 ECR-glass – vidro isolante Elétrico com maior Resistência a alguns tipos de ataque Químico, especialmente acidez.

16AR-glass - vidro zircônio-silicato (Resistente a Álcalis).

Page 37: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 21

Tabela 2.2 - Composição química dos tipos de vidro, expressa em porcentagemem massa, segundo dados de HANNANT (1978)* e MAJUMDAR;LAWS (1991)**.

Composição A-glass*(1978)

E-glass**(1991)

G20-glass17

(Zirconia glass)*(1978)

Cem-FIL 2AR**(1991)

Outras FibrasAR18

(1991)

SiO2 72.66 54.0 70.25 62.0 56.4 a 63.2Fe2O3 0.13 0.3 0.05 - 0 e 0.3%

TiO2 0.05 - 0.07 0.1 0 e 6%

Al2O3 1.10 15.0 0.24 0.8 0 a 1.6

ZrO2 - - 16.05 16.7 14.3 a 19.8CaO 8.43 22.0 0.04 5.6 0 a 6.9

MgO 3.85 0.5 0.04 - 0 e 0.1

Mn2O3 0.01 - - - -

Na2O 12.81 0.3 11.84 14.8 12.2 a 16.4K2O 0.57 0.8 0.04 - 0.3 a 2.5Li2O - - 1.04 - 0 e 1.0

SO3 0.23 - 0.02 - -

B2O3 - 7.0 - - -As2O3 - - 0.04 - -

PbO - - 0.03 - -

F2 - 0.3 - - -óxidos

terras raras- - - - 0 e 10.3

Determinados aspectos operacionais impõem limites à composição final dos vidros. Entre

todos os tipos de vidro, a composição do vidro alcalino (tipo A) é a mais rica em sílica. Para

fundir essa maior proporção de sílica, é necessária maior quantidade de óxidos alcalinos, que

conferem condutividade elétrica ao material.

A indústria de plásticos reforçados desenvolveu, então, um tipo de vidro para apresentar

elevada resistividade – o vidro E. Nesta nova composição, os óxidos de metais alcalinos

foram significativamente reduzidos, especialmente o de sódio, e o papel de fundente passou a

ser desempenhado pelo óxido de boro (CARVALHO, 1993).

A produção de fibras AR enfrenta uma dificuldade diferente. O aumento no teor de zircônio

introduz dificuldades de homogeneização e processamento da massa vítrea, de forma que, nas

formulações comerciais, o principal objetivo é otimizar a fusão e as características de

fiberização do vidro sem sacrificar sua resistência a álcalis (PROCTOR, 1985; MAJUMDAR;

LAWS, 1991).

17G20-glass - primeira geração de fibras resistentes a álcalis (AR).

Page 38: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 22

Na confecção de matrizes cimentícias reforçadas com fibra de vidro normalmente utiliza-se

feixes que agrupam 204 filamentos com 10 a 13µm de diâmetro cada, que são revestidos no

próprio processo de produção e unidos em feixes com forma de lente, como mostra a Figura

2.11 (BENTUR;MINDESS, 1990; PCI, 1994).

Figura 2.11 - Corte transversal idealizado de um feixe de fibras de vidro, conformeKRENCHEL (1975, apud HANNANT, 1978).

Conforme o processo de produção do componente e a natureza do reforço pretendido, os

feixes de fibras de vidro podem ser adquiridos pré-cortados19, próprios para utilização em

tecnologias de pré-mistura (Figura 2.12a); na forma de rolos que alimentam continuamente as

máquinas que cortam as fibras no ato da projeção (Figura 2.12b); ou de mantas utilizadas nas

técnicas de laminação para reforço localizado de áreas de concentração de tensões (Figura

2.12c).

(a) (b) (c)

Figura 2.12 - Fibras de vidro (a) pré-cortadas (chopped), (b) em rolos (rovings) e (c) naforma de mantas e tecidos.

18Englobando fibras AR Mineton, NEG, Asahi Super e AR Chinese.

19Comprimentos entre 25 e 51 mm são os mais usuais na fabricação de produtos GRC, mas casos específicos podemrequerer outros comprimentos de fibra (PCI, 1994).

Page 39: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 23

A Figura 2.13 ilustra as diversas etapas do processo de produção de fibras de vidro, obtidas

basicamente pela fusão da massa vítrea e posterior conformação em filamentos contínuos e

com diâmetro controlado.

Figura 2.13 - Seqüência de produção de fibras de vidro e mantas para reforço (OWENSCORNING, 1997).

Uma vez moídos, dosados e misturados, os óxidos metálicos alimentam fornos de fusão que

podem ser divididos basicamente em três regiões, de acordo com a função e temperatura de

trabalho utilizada (Figura 2.14).

Na zona de fusão, queimadores a óleo mantêm a temperatura em torno de 1550oC e a massa

fundida é homogeneizada por borbulhadores de ar antes de seguir para o canal de

alimentação. O canal de alimentação utiliza queimadores a gás que reduzem gradualmente a

temperatura da massa vítrea até a chamada temperatura de fiberização (cerca de 1250oC), em

que o vidro E atinge a viscosidade mais favorável ao estiramento, com minimização de

quebras. Na terceira parte do forno, a massa de vidro flui através de fieiras, placas de platina

retangulares com milhares de orifícios de diâmetro e posicionamento controlados. Os fios de

vidro fundido são então puxados e posteriormente resfriados por ar ou água para manter o

diâmetro preciso e gerar os filamentos (CARVALHO, 1993; OWENS CORNING, 1997).

Page 40: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 24

Figura 2.14 - Esquema do forno para fusão de fibras de vidro (CARVALHO, 1993).

O diâmetro dos filamentos é função da velocidade das enroladeiras, isto é, quanto maior a

velocidade com que os filamentos são puxados, menor o diâmetro obtido. Os diâmetros muito

pequenos devem ser produzidos por uma combinação de fieiras de pequena vazão com

enroladeiras operando em altas velocidades. Independentemente do diâmetro desejado para os

filamentos, o principal parâmetro a ser controlado durante o estiramento é a temperatura das

fieiras, que controla a viscosidade do vidro. Alterações na viscosidade interferem na vazão do

vidro fundido, no diâmetro dos filamentos e na eficiência global do processo (CARVALHO,

1993).

Após passarem pelas fieiras, os filamentos recebem um tratamento químico superficial

(sizing), constituído basicamente por polímeros orgânicos20 emulsificados em água, que

funciona como veículo não inflamável a ser eliminado em estufa após o enrolamento dos

feixes. O sizing envolve as fibras e as mantém unidas durante todo o processamento,

protegendo os filamentos dos efeitos da abrasão durante o manuseio dos feixes, mistura e

conformação dos componentes e, em se tratando de reforço de plásticos, auxiliando na

compatibilização das fibras com a matriz (CARVALHO, 1993; OWENS CORNING, 1997).

20Que desempenham a função de emulsificante, lubrificante; filmógeno (polímero formador de filme que aglutina osfilamentos e facilita o processamento); antiestático (substância condutora adicionada para dissipar a eletricidade estáticaacumulada nas fibras em ambientes muitos secos); e silano (fundamental para o reforço de matrizes plásticas, pois uneas fibras às resinas e contribui na retenção de propriedades mecânicas de laminados expostos a ambientes úmidos)(CARVALHO, 1993).

Page 41: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 25

No caso de fibras usadas como reforço de matrizes cimentícias, a principal evolução entre a

primeira (vidro à base de zircônio) e a segunda geração de fibras resistentes a álcalis (Cem-

FIL 2 AR) foi justamente a incorporação de inibidores químicos ao sizing, a serem

lentamente liberados para o meio alcalino durante a hidratação do cimento, provocando

redução sensível na perda de resistência das fibras (PROCTOR et al., 1982; PROCTOR,

1985; BIJEN, 1985; MAJUMDAR; LAWS, 1991)21.

Uma vez agrupados, os filamentos são temporariamente acomodados em rolos intermediários

que, conforme o processo a ser posteriormente utilizado, serão desenrolados e enrolados

novamente a partir de um feixe único, que assegura o paralelismo entre os filamentos e

maximiza o aproveitamento da capacidade de reforço das fibras empregadas em pultrusão,

tecelagem ou laminação por enrolamento ou de vários feixes, para uso nos processos de

laminação manual ou com pistola (Figura 2.13).

Na fabricação de mantas, os feixes são desenrolados, cortados com comprimento de 5 cm e

espalhados aleatoriamente sobre uma esteira transportadora, onde é adicionada uma resina

sólida em temperatura ambiente. As esteiras passam por uma estufa onde as partículas de

resina moída fundem-se e aglutinam as fibras, conferindo manuseabilidade à manta. A

velocidade da esteira define a gramagem da manta, isto é, a quantidade de fibras por metro

quadrado. Ao sair da estufa, a manta passa por rolos compactadores, para depois ser cortada

nas dimensões desejadas e enrolada em tubetes de papelão (CARVALHO, 1993).

2.4 A matriz do compósito

Ainda que os teores usuais sejam aparentemente pequenos (entre 3 e 5%, em massa de

compósito), a adição de fibras interfere significativamente em algumas propriedades do

compósito em relação à matriz pura, notadamente na resistência última à tração e à flexão e na

resistência a impacto (MAJUMDAR, 1975). A matriz constitui parcela superior a 95% do

volume de compósito e, por sua vez, determina o seu comportamento face a solicitações de

compressão e cisalhamento interlaminar, entre outras propriedades (PCI, 1994; Cem FIL Ltd.,

1997).

A incompatibilidade química entre a matriz de cimento e as fibras de vidro impede que o

aumento significativo de resistência à tração, flexão e impacto, tenacidade e capacidade de

21Esse revestimento inibe a nucleação e o crescimento dos produtos hidratados, evitando ou retardando a densificação dainterface (ver item 2.1 - Histórico do desenvolvimento).

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Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 26

deformação observado nos compósitos jovens (28 dias) seja mantido ao longo do tempo em

ambientes úmidos (Tabela 2.3).

Tabela 2.3 - Propriedades típicas de compósitos GRC aos 28 dias e após envelhecimentoacelerado por imersão em água quente (50oC a 80oC) (PCI, 1994) e de pastade cimento Portland sem reforço (MAJUMDAR;LAWS, 1991).

Propriedade 28 dias Envelhecido Pasta de cimentoPortland

Resistência à compressão (MPa) 48,2 a 82,7 69,0 a 82,7 14,0 a 140,0

Flexão

Tensão de escoamento (MPa) 6,2 a 10,3 6,9 a 11,0

Tensão de ruptura (MPa) 17,2 a 27,5 9,0 a 13,8 2,8 a 14,0

Módulo de Elasticidade (GPa) 10,34 a 20,7 17,2 a 27,6 7,0 a 20,0

Tração Direta

Tensão de escoamento (MPa) 4,8 a 6,9 4,8 a 7,6

Tensão de ruptura (MPa) 6,9 a 11,0 5,0 a 7,6 1,4 a 7,0

Deformação na ruptura (%) 0,6 a 1,2 0,03 a 0,06 0,02 a 0,06

Cisalhamento

Interlaminar (MPa) 2,75 a 5,5 2,75 a 5,5

In-plane (MPa) 6,9 a 11,0 5,0 a 7,6

Os mecanismos de envelhecimento detectados nos compósitos à base de cimento Portland

levaram aos inúmeros estudos realizados nas últimas décadas em busca de matrizes

alternativas que permitissem a utilização tanto de fibras de vidro E, mais baratas, ou que

aumentassem a durabilidade das fibras de vidro AR (SINGH; MAJUMDAR, 1981; BIJEN;

JACOBS, 1982; MAJUMDAR; SINGH, 1982;; SINGH et al., 1984; SINGH; MAJUMDAR,

1985; AMBROISE et al., 1985; AKIHAMA et al., 1987; WEISER, 1990).

Para aumentar a durabilidade de sistemas GRC, as principais características das matrizes a

serem controladas são (1) a alcalinidade, diretamente relacionada à intensidade do ataque

hidroxílico sobre as fibras de vidro, e (2) a natureza dos produtos formados na hidratação do

aglomerante, de forma a garantir uma porosidade na interface fibra-matriz que evite o dano

superficial dos filamentos e permita explorar a flexibilidade dos feixes e o arrancamento das

fibras como mecanismo de absorção de energia e, conseqüentemente, de aumento de

tenacidade.

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Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 27

A ausência de hidróxido de cálcio - ou a formação de quantidades significativamente

inferiores à produzida na hidratação do cimento comum - permite que a relação vazios/sólidos

em torno das fibras permaneça alta mesmo em ambientes úmidos, preservando o

arrancamento das fibras. A adição de polímeros não altera a natureza dos produtos de

hidratação da matriz Portland, mas procura atenuar o ataque químico e preservar o grau de

arrancamento de fibras através do preenchimento do espaço entre os filamentos com um

material flexível em vez dos cristais de hidróxido de cálcio.

2.4.1 Matrizes de cimento Portland

O decréscimo nas propriedades mecânicas de matrizes de cimento Portland reforçadas com

fibra de vidro vem sendo atribuído à dissolução da camada superficial da fibra por ataque

alcalino localizado e ao envolvimento dos filamentos por grandes depósitos de hidróxido de

cálcio resultantes da hidratação do cimento (BENTUR, 1985; BENTUR;MINDESS, 1990;

WEISER, 1990; MAJUMDAR; LAWS, 1991).

A primeira teoria originou as pesquisas sobre as fibras resistentes a álcalis (vidro AR).

Entretanto, essa hipótese não é aceita integralmente por todos os pesquisadores do assunto,

posto que, mesmo depois de desenvolvidas as fibras AR, o envelhecimento do compósito

persistiu e parece estar mais relacionado à afinidade do hidróxido de cálcio com a superfície

das fibras, onde se deposita em cristais grandes que provocam dano superficial por atrito e

aumentam a aderência com a matriz, reduzindo assim o arrancamento das fibras (MILLS,

1981; BENTUR;MINDESS, 1990; PCI, 1994).

2.4.1.1 Interações vidro-cimento

Os vidros inorgânicos de silicato são altamente reativos em presença de álcalis. Os íons

hidroxila penetram na cadeia estrutural dos vidros, promovendo a quebra das ligações de

silício-oxigênio-silício (MAJUMDAR; LAWS, 1991) (Figura 2.15).

As fibras tipo E podem ser utilizadas apenas quando o pH da água do poro da matriz for

menor ou igual a 1022. A água do poro de matrizes de cimento Portland tem pH entre 12.5 e

13 (HANNANT, 1978) e, especificamente para esta finalidade, foram desenvolvidas as fibras

de vidro resistentes a álcalis (tipo AR).

22Informação obtida junto à Owens Corning via e-mail.

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Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 28

Figura 2.15 - Seção esquemática mostrando o ataque alcalino em fibras de vidro E.

Retornando à Tabela 2.1, é possível notar que a adição de zircônio não traz grande diferença

de propriedades mecânicas em relação às fibras E; a resistência a álcalis relaciona-se

diretamente à extensão da quebra da cadeia de óxidos que forma o vidro por reação com

soluções alcalinas (Figura 2.16).

Figura 2.16 - Quebra da estrutura atômica do material vítreo em fibras E e AR G20 empastas de cimento Portland (MAJUMDAR; LAWS, 1991).

As ligações Zr-O são menos susceptíveis às reações com os íons hidroxila (OH-) que as

ligações Si-O, mas, apesar de reduzir a velocidade e incidência de quebras na cadeia

estrutural, a adição de ZrO2 não as elimina por completo, e mesmo os vidros AR apresentam

uma certa susceptibilidade à reação com soluções alcalinas (MAJUMDAR; LAWS, 1991).

Entretanto, com o progresso da dissolução da sílica, forma-se uma camada rica em óxido de

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Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 29

zircônio na superfície do vidro que retarda o prosseguimento da dissolução rumo ao centro da

fibra (PROCTOR, 1985).

Inicialmente, poder-se-ia pensar que o aumento do teor de óxido de zircônio aumentaria

continuamente a resistência do vidro ao ataque alcalino, o que é apenas parcialmente verdade.

Apesar de testes em laboratório mostrarem melhorias nas propriedades mecânicas e na

durabilidade proporcionais ao acréscimo de zircônio, em escala industrial a adição de uma

substância mais refratária - e, portanto, de dissolução mais lenta – dificulta a fusão e a

homogeneização da massa vítrea na temperatura usual de processamento23, aumentando a

tendência de separação de fases e cristalização do material (MAJUMDAR; LAWS, 1991).

Adicionalmente, os resultados de ensaios SIC 24 divulgados por PROCTOR (1985) mostraram

uma melhoria na estabilidade da resistência mecânica das fibras frente ao ataque alcalino até

teores de óxido de zircônio da ordem de 16,8%, não apresentando melhor comportamento

para teores superiores (Figura 2.17).

Figura 2.17 - Resultados de ensaios SIC para fibras AR com vários teores de ZrO2 (emmassa) embebidas em matrizes de cimento Portland (PROCTOR, 1985).

2.4.1.2 Densificação da interface fibra-matriz

Com o desenvolvimento da primeira geração de fibras AR (Cem-FIL), a questão do ataque

hidroxílico começou a ser solucionada e evidenciou que a afinidade dos cristais de hidróxido

23Por razões econômicas a temperatura de trabalho é mantida em torno de 1300oC, para controlar o consumo energéticodurante a produção e prolongar a vida útil da fieira em liga de platina (PROCTOR, 1985; MAJUMDAR, LAWS, 1991).

24Strand in cement test (SIC), em que mede-se a resistência de fibras de vidro incorporadas a blocos de cimento mantidosúmidos e à temperatura de 50°C.

Page 46: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 30

de cálcio pela superfície das fibras provoca alteração da microestrutura da interface fibra-

matriz, constituindo o fator crítico que parece controlar a durabilidade do GRC (HANNANT,

1978; MILLS, 1981; BIJEN, 1985; MAJUMDAR;LAWS, 1991).

Microscopias de varredura de superfícies de ruptura típicas de compósitos jovens e sem

presença de umidade evidenciam considerável arrancamento de fibras de vidro íntegras e que

podem ser efetivamente podem ser consideradas como reforço da matriz (Figura 2.18a).

(a) (b) (c)

Figura 2.18 - Microfotografias de compósitos de GRC expostos por 90 dias em (a)ambiente seco e (b) ambiente úmido, e (c) compósito envelhecidonaturalmente por um ano (MAJUMDAR, LAWS, 1991).

Com o progresso da hidratação do cimento, a microestrutura de pastas de cimento Portland

vai-se alterando à medida em que se formam o C-S-H, responsável pelo decréscimo gradativo

de porosidade e ganho de resistência, e o hidróxido de cálcio, que tende a depositar-se em

volta das fibras.

A precipitação de Ca(OH)2 em grandes placas entre os filamentos reduz a porosidade na

interface em uma velocidade que é função do tempo e das condições de exposição. O aumento

da aderência resultante diminui consideravelmente o arrancamento das fibras, anulando um

dos principais mecanismos de absorção de energia e, conseqüentemente, de ganho de

tenacidade por matrizes frágeis (MAJUMDAR, 1975).

Page 47: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 31

MAJUMDAR; LAWS (1991) verificaram que, em compósitos armazenados em ambiente

seco, a microestrutura da interface é praticamente a mesma para 90 dias ou 5 anos e o grau de

arrancamento mantém-se inalterado por pelo menos 20 anos. Na Figura 2.18a é possível

perceber formato característico do C-S-H, bem aderido às fibras, mas que ainda não

preencheu massivamente o espaço entre os filamentos.

Já para amostras expostas em ambiente úmido (Figura 2.18b) ou submetidas a envelhecimento

natural (Figura 2.18c), a interface apresenta-se quase completamente densificada pela

precipitação massiva de hidróxido de cálcio junto à superfície das fibras, que atuam como

pontos de nucleação. A densificação progressiva da interface altera o comportamento do

compósito na ruptura: o mecanismo de arrancamento das fibras vai gradativamente cedendo

lugar à formação de superfícies planares, caracterizadas pela ruptura das fibras

(MAJUMDAR;LAWS, 1991).

Feitas essas constatações, as pesquisas sobre o GRC voltaram-se, então, para o

aprimoramento do sizing que envolve os filamentos e para o estudo de matrizes alternativas,

que fossem capazes de manter a porosidade na interface fibra matriz.

No desenvolvimento da segunda geração de fibras AR (Cem-FIL 2AR), foi incorporado um

inibidor químico25 que é lentamente liberado para o meio aquoso, dificultando o acesso do

Ca++ da água do poro ao interior dos feixes e, conseqüentemente, a precipitação de hidróxido

de cálcio, permitindo a retenção de maior parcela das propriedades iniciais do compósito,

mesmo em ambientes úmidos (PROCTOR, 1985; BIJEN, 1985; MAJUMDAR;LAWS, 1991).

Estudos de envelhecimento natural feitos pelo BRE demonstraram que, apesar de

preenchimento parcial do espaço entre as fibras por produtos hidratados, a microestrutura de

compósitos com fibras Cem-FIL 2AR não difere muito da encontrada nos compósitos com

fibras Cem-FIL expostos à condição de armazenamento mais favorável (ambiente seco)

(MAJUMDAR, LAWS, 1991).

2.4.2 Outras matrizes

As sucessivas pesquisas em busca de cimentos compatíveis com o reforço com fibra de vidro

feitas ao longo dessas três últimas décadas procuravam avaliar a viabilidade de emprego de

matrizes com menor alcalinidade e que, preferencialmente, não formassem hidróxido de

25Da família polihidroxi-fenol (MAJUMDAR;LAWS, 1991).

Page 48: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 32

cálcio durante a hidratação ou consumissem rapidamente as quantidades eventualmente

precipitadas.

Nesse sentido, foram estudadas matrizes de cimento aluminoso e de cimento supersulfatado,

além de matrizes de cimento Portland composto com escória de alto forno e pozolanas ou

com adição de polímeros (BIRYUKOVICH et al., 1965 apud MAJUMDAR;LAWS, 1991;

SINGH;MAJUMDAR, 1981; BIJEN; JACOBS, 1982; MAJUMDAR; SINGH, 1982;

SINGH et al., 1984; SINGH; MAJUMDAR, 1985; AMBROISE et al., 1985; WEISER,

1990; BIJEN, 1993).

O cimento aluminoso foi o primeiro cimento investigado como um possível substituto do

cimento Portland26 em compósitos reforçados com fibra de vidro E por não produzir

hidróxido de cálcio durante a hidratação e pela menor alcalinidade de sua solução aquosa, que

tem pH entre 11.8 e 12.05 e teor total de álcalis variando entre 0.15 e 0.20%

(BIRYUKOVICH et al., 1965, apud MAJUMDAR;LAWS, 1991; HANNANT, 1978).

Em ambiente seco, as resistências à tração, à compressão e à flexão dos compósitos à base de

cimento aluminoso permanecem praticamente inalteradas. Entretanto, quando expostos a

ambiente úmido ou envelhecimento natural, esses compósitos experimentam um decréscimo

contínuo de resistência e séria perda de ductilidade já nos dois primeiros anos, sempre mais

acentuados quando o reforço é feito com fibras E (MAJUMDAR;NURSE, 1974;

MAJUMDAR, 1975; ALLEN, s.d.).

Embora a alcalinidade da água do poro do cimento aluminoso seja inferior à do cimento

Portland, ainda não é suficiente para garantir a estabilidade do vidro E (pH<10).

Adicionalmente, a alteração da aderência fibra-matriz, a fissuração térmica da matriz e a

conversão27 dos produtos hidratados em presença de umidade, contribuem para o decréscimo

gradual de resistência mecânica (HANNANT, 1978; COLLEPARDI, 1979; MEHTA,

MONTEIRO, 1994).

O cimento supersulfatado também foi estudado como alternativa para o cimento Portland

devido à sua menor alcalinidade e por formar pouco Ca(OH)2, durante a hidratação. De fato,

resultados de ensaios de longa duração demonstraram que a resistência e a tenacidade desses

26pH=12.5 a 13, com formação de grandes quantidades de Ca(OH)2 bem cristalizado (HANNANT, 1978).

27O produto de hidratação formado em baixa temperatura (CAH10) é termodinamicamente instável e, em condições quente eúmida, essas fases hidratadas hexagonais tendem a converterem-se em fases cúbicas, mais estáveis, de C3AH6. Aconversão dos produtos hidratados conduz a uma redução de mais de 50% no volume de sólidos e à perda de resistênciaassociada a esse acréscimo de porosidade (MEHTA; MONTEIRO, 1994).

Page 49: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 33

compósitos é melhor preservada em ambiente úmido que no GRC à base de cimento Portland

(BENTUR;MINDESS, 1990).

No entanto, o desenvolvimento de resistência do cimento supersulfatado deve-se parcialmente

à formação de etringita, muito susceptível à carbonatação em ambiente seco. Ao carbonatar, a

etringita gera grande quantidade de água, que evapora e deixa vazios na matriz. Micrografias

detectaram a desintegração da interface fibra-matriz por carbonatação e a carbonatação de

etringita nos encontros dos cristais de C-S-H com a escória anidra, levando a um acréscimo de

porosidade que favorece o prosseguimento da carbonatação. Como resultado, as propriedades

do compósito dependentes da matriz, como o limite de proporcionalidade e a resistência à

compressão, são inferiores às de compósitos com cimento Portland (MAJUMDAR et al.,

1981; MAJUMDAR;STUCKE, 1981; SINGH;MAJUMDAR, 1987; BENTUR;MINDESS,

1990; MAJUMDAR;LAWS, 1991).

As pozolanas reagem quimicamente com o hidróxido de cálcio formado na hidratação do

cimento Portland e reduzem a concentração do íon hidroxila na solução do poro da pasta de

cimento (YOUNG, 1985; MAJUMDAR; LAWS, 1991), de modo a diminuir a velocidade de

degradação do GRC causada tanto por ataque químico quanto por alteração microestrutural da

interface.

Apesar de não impedirem a perda de resistência e ductilidade, em matrizes com pozolanas, a

mobilidade dos íons dissolvidos é menor (SINGH;MAJUMDAR, 1981; BIJEN, 1985;

BENTUR;MINDESS, 1990). Com a menor disponibilidade de cálcio, os cristais de Ca(OH)2

formados são também menores e não preenchem completamente os espaços entre os

filamentos, mantendo certa parcela de escorregamento de fibras (MAJUMDAR; LAWS,

1991).

As experiências com adição de escória de alto-forno não obtiveram sucesso, tendo em vista a

grande quantidade de hidróxido de cálcio que permanece disponível por um longo período e a

maior seletividade de precipitação desses cristais, que têm maior afinidade pela superfície das

fíbras do que pelas partículas de escória (MILLS, 1981; MAJUMDAR;SINGH, 1982).

Os primeiros trabalhos envolvendo matrizes de cimento Portland modificadas com polímeros

em GRC foram feitos por BIRYUKOVICH et al. (1965, apud MAJUMDAR;LAWS, 1991),

para compósitos reforçados com fibras E, enquanto ainda era desenvolvida a segunda geração

de fibras AR (Cem FIL 2).

O emprego de polímeros tornou-se prática corrente na produção de painéis de GRC desde

meados da década de 80, quando pesquisadores do CTL comprovaram ser possível a

Page 50: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 34

eliminação dos 7 dias de cura úmida quando adicionada uma proporção mínima de sólidos de

polímero (SCHULTZ et al., 1992). Atualmente, tanto o PCI quanto a GRCA vinculam a

quantidade de sólidos de polímero à massa de cimento utilizada, chegando a teores em torno

de 27% da quantidade de cimento (PCI, 1994; Cem-FIL Ltd., 1997).

A emulsão de polímeros favorece a dispersão homogênea das fibras e tem efeito plastificante,

com uma redução de porosidade que aumenta a resistência mecânica da pasta

(MAJUMDAR;LAWS, 1991). Adicionalmente, a matriz torna-se hidrofóbica e, com o

aumento do teor de polímero adicionado, o módulo de elasticidade diminui e os componentes

tornam-se menos susceptíveis às deformações causadas por retração por secagem e ciclos de

absorção de água (PCI, 1994).

As partículas de polímero preenchem o espaço entre filamentos e, posteriormente, formam um

filme que envolve as fibras e atenua o ataque químico superficial (PCI, 1994). No entanto,

apesar de melhorar significativamente o desempenho de compósitos em ambiente seco, o

efeito da adição de polímeros mostra-se limitado em presença de umidade, que favorece a

desintegração do filme em torno das fibras.

Uma outra frente de pesquisa empregando polímeros para melhorar a durabilidade do GRC

utiliza a técnica de impregnação, a partir dos estudos pioneiros do fim da década de 60

(STEINBERG et al., 1968 apud MAJUMDAR;LAWS, 1991). A impregnação consiste em

fazer um monômero líquido permear os poros do compósito já endurecido para, então,

polimerizar-se in situ (BIJEN, 1993). O efeito conseguido é efetivamente de tamponamento

dos poros, entretanto o custo deste procedimento ainda inviabiliza seu emprego em aplicações

corriqueiras de engenharia.

Os avanços mais recentes na viabilização de matrizes compatíveis com o reforço com fibras

de vidro podem ser sumarizados como sendo:

• o uso de um cimento de endurecimento rápido à base de sulfoaluminato de cálcio, que em

24 horas atinge cerca de 80% da resistência de matrizes Portland aos 28 dias

(TALLENTIRE, 1987; MOLLOY;JONES, 1993);

• a adição de uma pozolana sintética rica em metacaolinita28. O objetivo é o mesmo que

norteou os estudos anteriores com pozolanas, com a diferença que a metacaolinita é muito

28A metacaolinita (2SiO2 .Al2O3) é o produto da ativação térmica do caulim (calcinação a 700-900oC), capaz de consumirrapidamente (até os 28 dias) todo o hidróxido de cálcio produzido na hidratação do cimento quando adicionada em grandequantidade (até 50%), viabilizando, inclusive, o emprego de fibras E (AMBROISE et al., 1985).

Page 51: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 35

reativa e consome todo o hidróxido de cálcio, além de desenvolver resistência rapidamente

e possibilitar a desmoldagem dos componentes em tempo normal (AMBROISE et al.,

1985; van der PLAAS et al., 1992); e

• o emprego de matrizes Portland com adição de agentes fixadores de íons (WEISER,

1990).

Os dois primeiros sistemas foram introduzidos no mercado americano em 1993 e a adição de

metacaolinita e as matrizes fixadoras de íons são objeto de patente na Europa,

respectivamente sob as marcas Cem-FIL STAR, da Vetrotex, e Durapact. No entanto, em

todos os casos acima descritos, o emprego é ainda muito recente e faltam resultados de

envelhecimento natural que confirmem a retenção das propriedades iniciais do compósito a

longo prazo.

2.5 Considerações sobre o capítulo

A produção massiva de componentes com espessura reduzida vem sendo perseguida desde o

advento do concreto armado, material que mostra-se limitado para uso nessas aplicações. A

adição de fibras permite a conformação de componentes esbeltos sem prejuízo de resistência

mecânica e, ao compor um reforço distribuído ao longo de toda a matriz, eleva notavelmente a

resistência à fissuração.

A década de 70 constituiu o cenário dos dois principais impulsos no desenvolvimento do

GRC; primeiro, pela restrição do uso de fibras de amianto na Europa e nos Estados Unidos e,

segundo, pela consolidação do estudo científico dos materiais fibrosos. Com o

desenvolvimento da primeira geração de fibras AR pelo BRE, vislumbrava-se o potencial de

utilização dos componentes com as propriedades mecânicas semelhantes às do cimento-

amianto, mas que não oferecessem risco de saúde durante a manipulação.

Nesses últimos 20 anos, o grande potencial de mercado de componentes GRC tem atraído

inúmeras pesquisas com o objetivo de aumentar a durabilidade do compósito através da

modificação das características das fibras (composição química e tratamento superficial) e das

matrizes (redução da alcalinidade ou alteração da precipitação dos produtos de hidratação).

A primeira geração de fibras AR procurava solucionar a incompatibilidade química detectada

entre as fibras de vidro E e a matriz de cimento Portland através da adição de zircônio, o que

evidenciou que o envelhecimento do compósito não estava relacionado apenas com o ataque

químico do vidro, mas também com o preenchimento do espaço entre elas. Na segunda

Page 52: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 36

geração de fibras AR, trabalhou-se, então, com a adição de um inibidor químico ao tratamento

superficial.

Novas pesquisas para aumentar a estabilidade das fibras de vidro em meios alcalinos através

da modificação de sua composição dificilmente produzirão benefícios que atendam às

limitações econômicas, salvo se técnicas mais baratas como o método sol-gel, por exemplo,

que permite a produção de vidro puro de zircônio-silicato a partir de princípios diferentes da

técnica tradicionalmente utilizada de fusão e estiramento do vidro, sejam alçados da escala

laboratorial (MAJUMDAR;LAWS, 1991). Segundo os mesmos autores, há um espaço

potencialmente maior a pesquisa de tratamentos superficiais para as fibras existentes.

Apesar de conservarem maior parcela das propriedades mecânicas iniciais que matrizes de

cimento Portland comum expostas em ambiente úmido e submetidas a envelhecimento

natural, matrizes de cimento aluminoso e supersulfatado também apresentam perda de

resistência causada por mecanismos próprios de sua natureza que acabam inviabilizando seu

emprego em compósitos reforçados com fibra de vidro. Em ambos os casos ocorre a redução

da tensão para início da fissuração, que é um dos parâmetros mais importantes considerados

no projeto de painéis em GRC.

Na verdade, os problemas de durabilidade do GRC também não foram completamente

solucionados para nenhuma das outras matrizes estudadas até o momentoe, mesmo com o

emprego de fibras resistentes a álcalis, a perda progressiva de resistência e de capacidade de

deformação do GRC até a ruptura impede que o projeto de painéis de fachada considere o

benefício trazido pela adição de fibras em compósitos jovens (ver Capítulo 5).

Os mais recentes avanços para tentar modificar esse quadro parecem ser a combinação da

segunda geração de fibras AR (Cem-FIL 2) com cimento à base de sulfoaluminato de cálcio

ou matrizes Portland com adição de metacaolinita ou agentes fixadores de íons, mas ainda

faltam dados acumulados de envelhecimento natural que confirmem a retenção de

propriedades mecânicas desses compósitos.

Ainda não há exemplos nacionais do uso de cimento reforçado com fibras de vidro.

Entretanto, é provável que seja apenas uma questão de tempo até que, em tempos de

globalização e conscientização ambiental, a restrição ao uso de fibras de amianto seja adotada

também pelo Brasil e configure um mercado importante para o GRC, a exemplo do ocorrido

na década de 70 na Europa e Estados Unidos.

Mesmo que isso não aconteça a curto prazo, a absoluta carência de alternativas racionalizadas

de vedação no horizonte nacional, especialmente em se tratando de vedações adequadas a

Page 53: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 2 Cimentos reforçados com fibras de vidro - GRC 37

situações que exijam velocidade de execução, torna a oferta de painéis de fachada em cimento

reforçado com fibras de vidro duráveis uma opção com grande potencial de mercado.

No próximo Capítulo são apresentadas as características dos painéis de cimento reforçado

com fibras de vidro disponíveis no mercado internacional, acompanhadas de um breve relato

das vantagens do emprego do compósito na produção de painéis de fachada, dos principais

métodos de produção dos componentes e das possibilidades de projeto oferecidas pelo estado

atual da tecnologia de painéis GRC.

Page 54: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

3. PAINÉIS EM CIMENTO REFORÇADO COM FIBRA DE VIDRO

3.1 Introdução

A aplicação de GRC na produção de painéis foi pioneiramente utilizada na Inglaterra, como

extensão das pesquisas realizadas pelo BRE para o desenvolvimento das fibras de vidro

resistentes a álcalis.

Os primeiros painéis apresentavam configuração em sanduíche ou apenas um paramento

externo com geometria simples, utilizando enrijecedores incorporados e cantoneiras de

fixação aparafusadas ao componente (Figura 3.1a). Essa última solução é utilizada ainda hoje,

mas sua freqüência foi diminuindo gradativamente com a consolidação do emprego de painéis

enrijecidos por uma estrutura metálica leve (Figura 3.1b), uma inovação criada na década de

70 pela indústria americana que permite peças maiores e com grande liberdade de formas

(MOLLOY, 1985; SCHULTZ et al., 1987; PCI, 1994; McDOUGLE, 1995; PCI, 1995).

(a) (b)

Figura 3.1 - (a) Painel GRC com enrijecimento incorporado e (b) painel enrijecido poruma estrutura metálica leve (stud frame1).

Os painéis de GRC podem ser empregados como alternativa ao uso de painéis de concreto ou

em outras situações em que as tecnologias atualmente disponíveis mostrem-se pouco

1Estrutura metálica composta por perfis leves em chapa dobrada, ligada ao painel por meio de placas de GRC (bondingpads) que fixam as ancoragens.

Page 55: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 39

adequadas, como na restauração de edifícios de valor histórico, na reconstituição de materiais

não mais disponíveis e na reabilitação de estruturas antigas ou danificadas.

A produção anual de painéis de fachada em GRC beira os 10 bilhões de m2 2, diluídos em

diversos centros produtores em que se destacam Espanha, Inglaterra, Estados Unidos, Canadá

e Japão. A exemplo do ocorrido em nível internacional, a introdução de painéis GRC no

mercado de construção brasileiro poderá representar, simultaneamente, a oferta de uma

tecnologia eficiente de vedação de fachadas e a geração de novas frentes de atuação para os

fabricantes de pré-fabricados em concreto, com vantagens para projetistas e executores.

3.2 Vantagens do uso de GRC na confecção de painéis de fachada

As vantagens do emprego de painéis na vedação de fachadas foram apresentadas

sinteticamente no Capítulo 1. A elas acrescentam-se diversas outras quando se utiliza o GRC

na produção dos painéis, principalmente no que tange à leveza, à aptidão à incorporação de

instalações e camadas de isolamento embutidas e à flexibilidade de projeto oferecidas pelos

componentes.

Apesar de contar com alguma flexibilidade de formas, a geometria dos painéis em concreto é

definida basicamente pela disposição e cobrimento para a proteção da armadura de aço. Nos

painéis de GRC, o reforço é disperso uniforme e bidimensionalmente pela matriz de cimento,

eliminando as limitações impostas por dificuldades de armação. Como as fibras não são

susceptíveis à corrosão, o cobrimento é da ordem de milímetros, estritamente o necessário

para evitar a exposição das fibras.

O aumento significativo da resistência inicial a impacto, à tração e à flexão é fundamental

para evitar quebras e danos superficiais durante o manuseio e içamento dos painéis e permite

reduzir a espessura dos componentes e eliminar a armação de reforço em torno das

ancoragens para içamento de painéis de concreto.

Quando comparados a componentes similares em concreto convencional, as principais

vantagens do GRC relacionam-se à massa significativamente inferior, proporcionada por uma

espessura típica entre 10 e 15 mm. Com a redução da massa dos painéis, a imposição de

cargas permanentes diminui e permite reduzir as seções de elementos de fundação3,

2Estimativa obtida via e-mail do atual chairman da GRCA, Mr. Graham Gilbert, no dia 27/06/97 (Message IDv01510103afd820b2ae9f@[194.119.162.47]).

3 SABBATINI (1998b) alerta que, no Brasil, o alívio de carga de peso próprio imposto por painéis leves que não contraventam

a estrutura pode ser considerado apenas no dimensionamento de fundações e não para a redução de seção das peçasestruturais. O procedimento de dimensionamento utilizado no país gera estruturas que normalmente não atendem às

Page 56: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 40

constituindo uma alternativa especialmente indicada para situações em que solos com

pequena capacidade de suporte ou danos ao sistema estrutural do edifício limitem o peso

máximo do sistema de vedação e revestimento.

A redução no peso dos componentes permite que os painéis sejam manipulados com

equipamentos de menor porte desde a etapa de fabricação, além de reduzir os custos unitários

de transporte dos componentes acabados4, já que uma maior área de painéis pode ser

embarcada por vez (BENNETT Jr., 1988).

Em sua versão mais comum, os painéis de GRC são entregues nas obras enrijecidos por uma

estrutura metálica, que promove a fixação dos painéis à estrutura do edifício e serve de

suporte para a aplicação dos elementos de acabamento interno e para os caixilhos das

esquadrias (Figura 3.2).

Figura 3.2 - Enrijecimento metálico incorporado aos painéis em GRC (PCI, 1994).

A cavidade criada entre os paramentos interno e externo que compõem a fachada é apropriada

para abrigar a passagem de instalações e camadas de material isolante e fonoabsorvente

(Figura 3.3), propiciando a graduação do nível de isolamento termoacústico de acordo com o

rigor das condições de exposição, a racionalização dos projetos complementares e o aumento

na área útil dos pavimentos, normalmente prejudicada pela necessidade de maior espessura de

parede para oferecer níveis de conforto termoacústico equivalentes.

exigências normativas de estabilidade global frente às solicitações de vento e, para uso de vedações que não contribuamna rigidez da estrutura, as seções das peças estruturais provavelmente serão maiores que as praticadas para vedaçãotradicional.

4O custo do transporte é estabelecido em função da unidade de volume ou de massa transportada. Um painel em GRCpesa aproximadamente 1/6 de um componente de função similar feito em concreto armado. Sendo assim, para umamesma massa transportada, é possível embarcar uma área superficial muitas vezes superior.

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 41

Figura 3.3 - Passagem de tubulações na cavidade entre os painéis de revestimento e oparamento interno (PCI, 1994).

A utilização do cimento reforçado com fibras de vidro confere grande flexibilidade de formas,

dimensões, cores e texturas superficiais aos componentes.

A tixotropia inicial induzida pelas fibras, associada à moldabilidade da mistura e às

características das tecnologias de produção, permite a conformação de painéis retilíneos,

curvos e peças de canto com raio reduzido ou arestas vivas (Figura 3.4) (FIP, 1984;

BENTUR;MINDESS, 1990; PCI, 1994). Independentemente da complexidade superficial do

componente, o custo final do painel é função do grau de reutilização dos moldes, um dos

principais fatores que determinam a modulação adotada no projeto.

Figura 3.4 - Flexibilidade de projeto: os painéis de cimento reforçado com fibras devidro admitem diversas formas, cores, texturas e acabamentos (PCI, 1995).

O reforço proporcionado pelas fibras permite que os painéis GRC tenham sua maior dimensão

tanto no sentido horizontal como vertical (Figura 3.4 e Figura 3.5), o que facilita a definição

da modulação da fachada. A versatilidade de geometrias e seções pode ser explorada para

criar recuos do plano das esquadrias, um recursos de sombreamento horizontal e vertical que

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 42

contribui na redução do ganho de calor por incidência solar direta sem prejuízo da ventilação

e iluminação naturais (Figura 3.6).

Figura 3.5 - Diferentes formas e dimensões estão disponíveis para painéis reforçadoscom fibra de vidro (PCI, 1995).

Figura 3.6 - Painel com esquadria recuada em relação ao plano da fachada (PCI, 1995).

Seja por requisito estético ou para reproduzir outros materiais de construção, é possível

aplicar diversas cores e texturas aos componentes em GRC. A textura dada pela superfície do

molde é, certamente, a alternativa de acabamento superficial mais econômica, mas esbarra em

dois problemas: a falta de uniformidade de aspecto e a fissuração superficial da pasta de

cimento que reveste o painel. A uniformidade do acabamento depende diretamente da

homogeneidade de coloração do cimento e dos pigmentos, e requer maior controle da origem

dos materiais e da homogeneização da mistura.

O prejuízo estético provocado pelas fissuras superficiais pode ser amenizado pela alteração do

perfil geométrico do painel ou pela subdivisão de sua superfície em áreas menores.

Entretanto, apesar de invisíveis a média distância e de não serem críticas em termos de

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 43

durabilidade, essas fissuras acumulam água e poluentes, criando condições ideais para a

proliferação de microorganismos (PCI, 1994).

Por essas razões, a cor do painel é normalmente dada pela formulação de uma mistura de

acabamento – pigmentada ou não - onde são depositados agregados decorativos (face mix). A

remoção da pasta em torno dos agregados pode ser feita quimica (utilizando retardadores ou

aplicando ácido diluído) ou mecanicamente (utilizando abrasivos, escovas, jato de areia ou

polimento), resultando em diferentes graus de exposição (Figura 3.7).

Figura 3.7 - Acabamentos superficiais para painéis GRC (PCI, 1995).

As publicações do PCI (PCI, 1991 e PCI, 1994) incluem a incorporação de placas de granito

(Figura 3.8), terracotta e cerâmica5 entre os padrões de acabamento de painéis GRC,

recomendando o emprego de barreiras de aderência na interface e de ancoragens flexíveis que

minimizem as tensões geradas no GRC devido à movimentação diferencial do revestimento.

Figura 3.8 - Incorporação de lâminas de pedras naturais a painéis de cimento reforçadocom fibra de vidro (PCI, 1995).

5Ver considerações a esse respeito no Capítulo 5 – Diretrizes para o projeto de painéis GRC.

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 44

A necessidade de limpeza dos painéis está diretamente relacionada ao acabamento superficial

e ao nível de poluição atmosférica a que estarão submetidos em serviço. A forma e

características superficiais dos componentes definem o modo como a água escoará ao longo

da superfície e constituem ferramentas de projeto que podem interferir na freqüência e

otimização das intervenções de limpeza.

3.3 Dimensões típicas e propriedades mecânicas de painéis GRC

Os painéis GRC para fachadas podem ser produzidos como peças inteiriças, que vencem todo

o pé-direito ou apenas o vão entre esquadrias, ou específicas para o revestimento de pilares

(PCI, 1994; PCI, 1995). Uma outra frente de pesquisa importante em GRC ocupa-se de sua

aplicação em painéis sanduíche, entretanto ainda estão sendo estudadas formas de evitar o

empenamento dos painéis causado pelo gradiente de temperatura e umidade entre as faces do

painel (MOORE, 1984; MAJUMDAR;LAWS, 1991; Cem-FIL Ltd., 1997).

A Tabela 3.1 ilustra o comportamento mecânico de painéis GRC aos 28 dias de idade.

A massa dos componentes normalmente varia entre 50 e 120 kg/m2, de acordo com a forma,

dimensões e o tipo de acabamento, fatores que definem o tipo de enrijecimento a ser utilizado.

As dimensões usuais são de 1,5 e 3 m de altura por 2 a 6 m de comprimento, mas painéis com

até 4m x 9m já foram moldados com espessura de 13 mm (SCHULTZ, et al., 1987;

McDOUGLE, 1995).

Tabela 3.1 - Propriedades típicas de painéis GRC aos 28 dias (GRCA, 1995).

Tecnologia de ProduçãoPropriedades

Projeção Pré-mistura e moldagem

Resistência à flexão 20 - 30 MPa 10 - 14 MPa

Resistência à tração última 8 - 11 MPa 4 - 7 MPa

Resistência à compressão 50 - 80 MPa 40 - 60 MPa

Resistência a impacto 10 - 25 KJ/m2 10 - 15 KJ/m2

Módulo de elasticidade 10 - 20 GPa 10 - 20 GPa

Deformação na ruptura 0,6 - 1,2 % 0,1 - 0,2 %

A espessura típica da camada de GRC é de 13 a 20 mm, não devendo em nenhum caso ser

inferior a 13mm, devido ao risco de exposição de fibras e à heterogeneidade de projeção, que

pode gerar pontos com espessura inferior à especificada. Por serem peças tão esbeltas, apenas

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 45

os painéis com dimensões inferiores a 1m e com geometria funcionalmente eficiente podem

prescindir de artifícios de enrijecimento (PCI, 1994, McDOUGLE, 1995).

Aumentar a espessura dos componentes para produzir painéis de grandes dimensões não é

economicamente interessante e, nesse caso, torna-se imperativa a utilização de enrijecedores

pré-fabricados como estruturas metálicas leves (Figura 3.2), tubos estruturais ou chapas

metálicas; ou de nervuras na face interna do painel obtidas pela projeção de GRC em torno

de tiras de poliestireno expandido ou espuma de poliuretano previamente distribuídas (Figura

3.9). Cada um destes sistemas fornece meios para ligação dos painéis à estrutura do edifício.

Figura 3.9 - Nervuras para enrijecimento de painéis de cimento reforçado com fibras devidro (PCI, 1995).

Atualmente, a quase totalidade dos painéis GRC utiliza enrijecimento metálico, uma

tecnologia americana em que ancoragens flexíveis transmitem os esforços de vento atuando

sobre a placa de GRC para a estrutura metálica auxiliar. Conforme as dimensões do painel,

ancoragens especiais podem ser necessárias para transmitir o peso próprio do componente

para o sistema de enrijecimento (SCHULTZ et al., 1987; OESTERLE et al., 1990; PCI,

1994).

3.4 Processos de produção

A maior parte dos métodos de produção de componentes GRC são derivados daqueles

propostos por Biryukovich a partir da tecnologia empregada na indústria de plásticos

reforçados com fibras e cimento-amianto ou de processos de moldagem semelhantes aos

utilizados para pré-moldados de concreto.

Para que as fibras funcionem como reforço primário de produtos com espessura reduzida e

efetivamente aumentem a resistência e a tenacidade do compósito, normalmente é preciso

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 46

adicioná-las em teores acima de 5%, em volume (FIP, 1984; BENTUR;MINDESS, 1990). A

resistência mecânica dos componentes resulta da combinação da dosagem do compósito com

o tipo de método empregado na produção, que determina a orientação das fibras - e, portanto,

a eficiência do reforço - e o teor máximo tolerado antes que dificuldades de compactação

prejudiquem o comportamento mecânico (MAJUMDAR;NURSE, 1974;

BENTUR;MINDESS, 1990).

De acordo com a geometria e o tipo, intensidade e eventuais direções preferenciais das

tensões a que o componente estará submetido nas etapas de manuseio, instalação e uso,

seleciona-se o método de produção mais adequado (HILLS, 1975; HANNANT, 1978).

A Tabela 3.2 reúne as principais características das tecnologias de fabricação de GRC, que

podem ser divididas basicamente em três grupos: (1) pré-mistura, em que as fibras tendem a

distribuir-se tridimensionalmente; (2) adaptações da indústria de plásticos reforçados e

variações do processo HATSCHEK, em que se utiliza fibras contínuas para maximizar a

resistência em uma ou em duas direções ou a combinação de fibras contínuas e discretas e (3)

métodos de projeção, que promovem a distribuição bidimensional aleatória de fibras discretas

ao longo do plano projetado.

As tecnologias derivadas de procedimentos tradicionalmente utilizados pelas indústrias de

cimento-amianto (processos HATSCHEK e MAGNANI) e plástico reforçado (laminação) são

os métodos de produção que oferecem maior capacidade de incorporação de fibras, vencendo

uma dificuldade prática que usualmente impede a maximização do aproveitamento da

capacidade do reforço, tanto maior quanto mais próximo o volume de fibras adicionado

estiver do volume de fibras crítico6 (HANNANT, 1978, BENTUR; MINDESS, 1990,

BALAGURU;SHAH, 1992).

No entanto, o custo elevado dessas tecnologias as tem mantido com uma participação pouco

expresssiva na produção de componentes GRC (MAJUMDAR; LAWS, 1991), e apenas

alguns tratamentos subseqüentes à pré-mistura e os métodos de projeção são empregados na

produção de painéis de fachada. A laminação manual (lay-up process) é utilizada na produção

de peças pequenas e muito ornamentadas, empregadas na restauração de edifícios de valor

histórico.

6 Volume mínimo de fibras para que capacidade de reforço das fibras seja superior à tensão de fissuração da matriz. A

ruptura de compósitos com volume de fibra inferior ao volume crítico é provocada pela propagação de uma única fissura,uma vez que não há quantidade de fibras suficiente para suportar a tensão transmitida pela matriz ao fissurar. Emcompósitos com volume de fibra inferior ao volume crítico, a matriz passa por um estágio de fissuração múltipla sem queocorra a ruptura do compósito (BENTUR;MINDESS, 1990).

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 47

Apesar de também serem adaptações da indústria de plástico reforçado, as técnicas de

projeção foram apresentadas em separado na tabela por constituírem a forma mais usual de

produção de painéis. A projeção gera componentes com aproximadamente o dobro da

resistência mecânica de produtos similares obtidos por pré-mistura por não danificar a

superfície das fibras e distribuir bidimensionalmente um maior teor (~5%) de fibras maiores

(~38mm), mediante uma relação água/cimento menor (~0.3) (MAJUMDAR;NURSE, 1974;

HILLS, 1975; HANNANT, 1978; BENTUR;MINDESS, 1990).

Embora os produtos obtidos por projeção indireta apresentem excelente desempenho, o custo

do desse processo desenvolvido pelo BRE encorajou o desenvolvimento de métodos

alternativos, como a projeção manual (direta) e, mais recentemente, da tecnologia spraymix,

em que um equipamento único promove a mistura dos constituintes e a projeção do

compósito.

3.4.1 Pré-mistura

Os diferentes métodos de fabricação de componentes por pré-mistura foram desenvolvidos

como uma tentativa natural de se empregar na produção de componentes GRC os mesmos

equipamentos e técnicas utilizados para pré-fabricados de concreto comum. Nesse processo,

os constituintes do GRC são intimamente misturados e posteriormente moldados, injetados

em moldes fechados, extrudados ou prensados.

Os teores usuais de fibra adicionados na pré-mistura estão entre 1,5 e 5% da massa dos

demais sólidos secos, para feixes de até 25 mm de comprimento (HANNANT, 1978). Teores

maiores de fibra geram dificuldades de compactação, que são apenas parcialmente

contornadas pela vibração dos moldes. Fibras com comprimentos maiores, por outro lado,

embolam e dificultam a homogeneização.

Salvo quando utilizados feixes rígidos ou quando a espessura do componente é

consideravelmente inferior ao comprimento da fibra, as fibras tendem a se orientar

aleatoriamente nas três dimensões, resultando em uma perda de eficiência do reforço (HILLS,

1975; HANNANT, 1978).

O emprego desse método esbarra em dificuldades inerentes ao processo de mistura. A

presença de areia diminui a mobilidade da mistura e, apesar de fibras longas e com diâmetro

pequeno serem mais eficientes no reforço do compósito endurecido, a dificuldade em

dispersá-las uniformemente prejudica o manuseio da mistura fresca e limita a quantidade de

fibras incorporadas (HILLS, 1975; HANNANT, 1978).

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 48

Tabela 3.2 - Processos utilizados na produção de componentes de GRC.

Processo deProdução

Teor de Fibras Tipo de componente Propriedades/condicionantes

Pré-mistura

1.5 a 5% (em massa desólidos)

comp. 10 a 25 mm

conforme tratamento posterior • tendência à distribuiçãotridimensional das fibras

Processamentos pós-mistura

Prensagem 1.5 a 2.5% (em massa desólidos)

comp. 11 a 22 mm

chapas planas com espessura entre10 e 20 mm

• excelente acabamento superficial

• desmoldagem imediata

Moldagem porinjeção

até 5% (em massa desólidos)

caixilhos, mourões e colunas e postesvazados

• dano superficial das fibras

• a presença de fibras dificulta aremoção do ar aprisionado,gerando cavidades superficiais(cuidado em meios agressivos)

Extrusão até 3% de fibras (emmassa de sólidos)(garante a retenção deforma imediata)

componentes de seções complexas,com direção de esforços preferencial

• permite orientação preferencialno sentido dos esforços

• otimização da dosagem xentupimentos e segregação

Variações da indústria de plástico reforçado* ou cimento-amianto**

Laminação porenrolamento

(Winding)*

Entre 15 e 20% chapas planas que podem serdobradas e conformadas em seçõesabertas com o compósito aindafresco

• Distribuição uniforme das fibras

• Produção contínua viabilizaprodução em escala

Utiliza fibras discretas e contínuas

• reforço altamente eficiente

• alta resistência no estado fresco

Laminação(Lay-up)*

Entre 15 a 20%

fibras contínuas (rovingsou mantas)

formas complexas (caixilhos emoldes de superfície)

peças pequenas e muitoornamentadas, utilizadas narecuperação de edifícios de valorhistórico (laminação manual)

• distribuição homogênea dasfibras na matriz

• vibração e prensagem paragarantir penetração edistribuição uniforme da misturano molde

WELLcrete** fibras discretas econtínuas .

chapas onduladas ou planas parafachadas, fôrmas permanentes ebalaustradas, chapas paracanalizações

Viabiliza produção em massa

• automatização total da produção

• excelente durabilidade(certificada para 50 anos)

Métodos de Projeção

Projeção Indireta ou“jateamento-sucção”(spray suction)

teor ótimo de 6%

comp. entre 10 e 50mm

chapas planas e corrugadas, painéissimples

Distribuição bidimensionalaleatória das fibras

Automatização viabiliza produçãoem massa. Método restrito para aprodução de geometrias simples

• densidade 2000 a 2100 kg/m3

↑↑ teor de fibras permite:

• desmoldagem imediata

• conformação das chapas planasoriginais em outras formas aindano estado fresco

Projeção Direta(spray-up) manual ouautomática

3 a 5%, em massa total docompósito

formas complexas (fôrmaspermanentes, painéis de fachada)

Distribuição bidimensional ealeatória das fibras

• a/c de 0.30 a 0.35

• densidade 1750 a 2000 kg/m3

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 49

Aumentar o tempo ou a intensidade da mistura aumenta o dano superficial das fibras e reduz

ainda mais a trabalhabilidade devido à filamentização dos feixes (MAJUMDAR;NURSE,

1974; BENTUR;MINDESS, 1990) e, usualmente, emprega-se uma elevada relação a/c para

facilitar a dispersão das fibras e o preenchimento do molde. Com o aumento da quantidade de

água, surgem problemas de exsudação, pois as fibras criam caminhos preferenciais para o

escape de água rumo à superfície do compósito, mesmo para pequenas pressões de

bombeamento (moldagem por injeção), prensagem ou extrusão.

A rápida expulsão de água pode resultar na obstrução dos equipamentos e torna indispensável

o emprego de aditivos espessantes7 à base de polímeros para facilitar a dispersão das fibras e,

principalmente, garantir a homogeneidade do compósito, evitando que a exsudação reduza a

fluidez e dificulte o processamento pós-mistura (HILLS, 1975). Esses aditivos lubrificam as

fibras e alteram a reologia da mistura fresca. Ao aumentarem a viscosidade da fase aquosa,

facilitam a dispersão dos feixes e aumentam a retenção de água. A aplicação de vácuo elimina

o excesso de água, reduzindo a variabilidade das propriedades do material e elevando sua

resistência inicial de modo a acelerar a desmoldagem (TRUE, 1985).

Dos tratamentos subsequentes à pré-mistura relacionados na Tabela 3.2, apenas a prensagem

e, eventualmente, a moldagem tradicional seguida por vibração do componente na fôrma são

utilizados na produção de painéis (FIP, 1984; MAJUMDAR;LAWS, 1991).

As fibras dificultam a remoção de ar incorporado durante a injeção do compósito nos moldes,

o que pode gerar cavidades superficiais (HILLS, 1975; HANNANT, 1978) que são pontos

críticos para a distribuição de tensões em componentes tão delgados. A extrusão propicia a

orientação das fibras segundo uma direção preferencial (HILLS, 1975), o que é extremamente

benéfico para determinadas aplicações, mas mostra-se de pouca utilidade no caso de painéis,

em que a resistência mecânica nas duas direções é fundamental. Em ambos os métodos,

cresce o dano superficial das fibras iniciado pela operação de mistura.

A prensagem é normalmente utilizada na produção de chapas planas com espessura entre 10

e 20 mm, já que alterações significativas de seção podem gerar problemas de consolidação. A

prensagem aumenta a compacidade e distribui as fibras bidimensionalmente, melhorando as

propriedades mecânicas e conferindo uma coesão inicial que permite a desmoldagem imediata

dos componentes (HILLS, 1975; HANNANT, 1978).

7Polioxietileno ou metil-celulose, em teor de 0.1 a 1% da quantidade total de água da mistura, conforme a magnitude e avelocidade de aplicação da pressão de processamento (HILLS, 1975).

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 50

Esse processo aceita de 1.7 a 2.5% de fibras com comprimento entre 11 e 22 mm. A relação

a/c inicial é próxima de 0.8 e aditivos espessantes são imprescindíveis para dispersar as fibras

e evitar o escape de água nos estágios iniciais de prensagem. As fibras são inicialmente

dispersas em uma mistura de aditivo e 80% da água para, então, proceder a adição dos

materiais sólidos e do restante da água (MAJUMDAR;NURSE, 1974; HILLS, 1975;

HANNANT, 1978). Feita a pré-mistura, aplica-se pressões de até 100 MPa para promover o

preenchimento de moldes revestidos de papel-filtro, seguido da aplicação de vácuo para a

retirada do excesso de água (HILLS, 1975; HANNANT, 1978).

3.4.2 Métodos de Projeção

Os processos de projeção podem ser divididos em dois tipos: projeção indireta (spray-suction)

e direta (spray-up). A projeção indireta foi desenvolvida a partir da indústria de plásticos

reforçados e consiste da alimentação da máquina de projeção com feixes contínuos de fibra,

que são cortados em comprimentos entre 10 e 50 mm (HANNANT, 1978;

MAJUMDAR;LAWS, 1991).

As fibras e a matriz são projetadas simultaneamente e em alta velocidade contra o molde

revestido com papel de filtro, sendo o excesso de água retirado pela aplicação de vácuo

(Figura 3.10). Atingida a espessura desejada, o componente pode ser imediatamente

desmoldado e apresenta resistência no estado fresco suficiente para a impressão de formas

variadas (HANNANT, 1978).

Figura 3.10 - Projeção indireta (spray-suction) (HANNANT, 1978).

Na projeção direta (spray-up), a etapa final de sucção é eliminada e o compósito é projetado

diretamente contra o molde através de um equipamento dotado de duas unidades de projeção:

uma para a argamassa e outra que corta e projeta as fibras de vidro (Figura 3.11). Os jatos

encontram-se na superfície do molde, gerando a distribuição uniforme de um compósito com

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 51

teor de fibras relativamente alto (~5%), distribuído bidimensionalmente no plano projetado

(BENTUR; MINDESS, 1990).

Figura 3.11 - Esquema do bico utilizado na projeção direta (spray-up) (BENTUR;MINDESS, 1990).

O teor de fibras pode ser controlado pelo ajuste da taxa de saída de cada unidade de projeção.

Para dispensar a aplicação de vácuo, a relação a/c utilizada é baixa, entre 0.30 a 0.35,

exigindo o emprego de aditivos para manter a consistência adequada à projeção. O

adensamento é manual, gerando componentes com densidade entre 1750 e 2000 kg/m3,

ligeiramente inferior àquela obtida por projeção indireta (2000 a 2100 kg/m3) (HANNANT,

1978; BENTUR; MINDESS, 1990).

Ao eliminar as etapas finais de compactação e sucção que acabam limitando a geometria dos

componentes, a projeção direta aplica-se ao preenchimento de moldes simples ou complexos,

uma vantagem decisiva sobre as demais tecnologias de produção que isolou esse método

como o processo mais freqüentemente empregado na fabricação de painéis de fachada.

A produção de painéis por projeção direta começa pela projeção ou emprego de rolos para

distribuir, logo após a aplicação de um agente desmoldante, uma fina camada de pasta para

preencher a textura do molde e garantir o cobrimento das fibras (face coat ou mist coat) ou de

uma camada mais espessa, com espessura entre 3 e 13 mm8, que constituirá o acabamento

superficial (face mix) (PCI, 1994; BALAGUER et al, 1995; McDOUGLE, 1995).

A argamassa é bombeada até o bico de projeção, onde as fibras de vidro contínuas são

cortadas em feixes com 38mm de comprimento (PCI, 1995). Argamassa e fibras são, então,

projetadas simultaneamente (Figura 3.12a).

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 52

Figura 3.12 - Painel sendo produzido por projeção e adensamento manual (PCI, 1995).

As camadas do compósito são sucessivamente projetadas com espessura entre 6 e 8 mm (PCI,

1994), sendo cada uma delas compactada manualmente (Figura 3.12b) até que o painel atinja a

espessura especificada em projeto, normalmente entre 13 e 20 mm (McDOUGLE, 1995).

Desde a camada de cobrimento ou de acabamento, cada nova camada deve ser aplicada e

compactada antes do início de pega da camada anterior.

A própria pressão de projeção compacta parcialmente o compósito, mas precisa ser

complementada pela compactação a rolo, que evita a delaminação das camadas projetadas e

assegura o preenchimento do molde e a remoção do ar incorporado. O controle da espessura é

feito desde a camada de acabamento, tendo em vista que espessura de compósito projetado é

controlada pela introdução de pinos que medem a distância até a superfície do molde

(DANIEL et al., 1989; PCI, 1994; McDOUGLE, 1995).

A espessura mínima da camada de acabamento deve ser mantida para garantir que haverá

material suficiente para ser retirado durante a aplicação de jato de areia ou outro tratamento

utilizado na exposição dos agregados. A espessura máxima da camada também deve ser

observada, para minimizar a restrição imposta pelo revestimento à variação volumétrica do

GRC (DANIEL et al., 1989; PCI, 1994; McDOUGLE, 1995).

Entre os sucessivos ciclos de projeção, os elementos de isolamento (no caso de painéis

sanduíche), enrijecimento e ancoragem são posicionados (BALAGUER et al, 1995). Nos

8 Sempre 3 mm maior que o diâmetro máximo do agregado utilizado (PCI, 1994).

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 53

painéis enrijecidos por estrutura metálica, a confecção e o posicionamento das chapas que

ligam as ancoragens ao painel de GRC (bonding pads9) são feitos manualmente (Figura 3.13).

Figura 3.13 - Posicionamento e incorporação do enrijecimento metálico a painéis GRC(PCI, 1995).

Nos painéis com enrijecedores incorporados, a ligação dos painéis à estrutura do edifício é

feita por parafusos. As buchas a serem embebidas no GRC são posicionadas em regiões com

volume adequado de compósito com boa distribuição de fibras e ficam ligeiramente salientes

para evitar danos no painel durante o aperto dos parafusos e chumbadores (GRCA, 1994).

Para evitar fixações muito próximas das bordas dos painéis, costuma-se chanfrar os encontros

das arestas para criar as condições ideais para fixação (ver Capítulo 5).

Seções vazadas são produzidas com o auxílio de peças auxiliares de GRC ou papelão rígido

que servem de fôrma para a projeção do GRC. É possível incorporar aos painéis peças de

GRC muito ornamentadas, produzidas por laminação manual, por exemplo, desde que sejam

posicionadas e feita a projeção antes de secar completamente, para minimizar a restrição

causada por retração diferencial (PCI, 1994).

Como na pré-fabricação tradicional, finalizada a compactação (ou a ligação ao enrijecimento),

o passo seguinte é a cura do componente. Os painéis em GRC são ainda mais sensíveis à

perda de água do que produtos similares em concreto. A elevada relação entre a área

superficial e a espessura dos componentes facilitam a evaporação rápida da água e a retração

resultante prejudica as propriedades dependentes da qualidade da matriz e pode levar à

deformação irreversível das peças (FIP, 1984; BENTUR; MINDESS, 1990).

Quando utiliza-se a cura úmida, completada a projeção e – se for o caso – a montagem do

enrijecimento metálico, os painéis devem ser cobertos por um filme de polietileno e deixados

9Porção suplementar de GRC com área efetiva mínima de 155cm2 que cobre a base das ancoragens em “L” soldadas ouaparafusadas à estrutura de enrijecimento (PCI, 1994). A área ideal para a chapa de ligação deve ser definida por ensaiosde arrancamento axial ou por cisalhamento de corpos-de-prova envelhecidos (PCI, 1991).

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 54

em câmara de cura por pelo menos 7 dias (PCI, 1991). Para diminuir a sensibilidade dos

painéis GRC a deficiências na cura úmida e reduzir o prazo de produção, um dos métodos

estudados foi a adição de polímeros na formulação do compósito (BENTUR; MINDESS,

1990).

As partículas de polímeros coalescem e formam um filme que retém a umidade, garantindo a

hidratação do cimento e inibindo a fissuração superficial. Os painéis devem ser protegidos da

umidade e de movimentos de ar durante as três primeiras horas, enquanto dá-se a formação do

filme (PCI, 1991). Verificados os efeitos benéficos sobre outras propriedades do compósito, a

adição de polímeros converteu-se em uma prática consolidada na indústria de GRC

(SCHULTZ et al., 1992; PCI, 1994; Cem-FIL Ltd., 1997).

3.4.2.1 A mecanização da produção

O método de projeção e compactação manual é intensamente utilizado para a fabricação de

painéis GRC (BENNETT Jr., 1988; CII, 1995). Até 1988, dos 27 fabricantes de painéis GRC

cadastrados pelo PCI, todos adotavam a projeção manual (BENNETT Jr., 1988). Segundo o

mesmo autor, apesar de incorporar os inúmeros avanços no que diz respeito a materiais,

equipamentos e projeto de conexões e ancoragens, a indústria americana reluta em adotar

métodos de produção desenvolvidos em outros países com vistas à redução do número de

operações manuais embutido no processo de projeção.

A dificuldade de obtenção de mão-de-obra uniforme e de qualidade, a pressão econômica

quanto à necessidade de aumentar a produtividade e reduzir custos operacionais somam-se à

tendência mundial de atingir padrões de qualidade superiores e constituem os principais

motores rumo à automatização da produção (CII, 1995).

Entretanto, apesar da flexibilidade das soluções arquitetônicas que proporciona, a projeção

direta embute elevado índice de trabalho. Para cada operário trabalhando na projeção, três

outros são necessários para fazer a compactação do painel (BALAGUER et al, 1995). Caso

sejam considerados a adição de enrijecedores, o posicionamento e projeção de bonding pads e

as atividades que complementam os ciclos de projeção (como o transporte dos moldes e a

aplicação de tratamentos superficiais), o volume de trabalho manual incorporado e o ciclo de

produção crescem significativamente (BENNETT Jr., 1988).

Com as inúmeras operações manuais que compõem o processo de produção, a qualidade final

do componente torna-se muito sensível à habilidade do operador, o que aumenta a

necessidade de monitoramento e controle de qualidade (BENNETT Jr., 1988). Em se tratando

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Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 55

de componentes muito esbeltos (thin-sheet products), os defeitos de projeção adquirem peso

muito maior (TRUE, 1985; BIJEN; PLAS, 1993).

Com o objetivo de reduzir o número de operações manuais durante o processo e efetivamente

aproximar a manufatura do conceito de linha de produção, vêm sendo consolidados estudos

acerca da automatização da projeção de painéis (BALAGUER et al., 1993, BALAGUER et

al., 1995). As tecnologias para fabricação contínua (Figura 3.14) ou semi-contínua utilizam

ambientes de CAD10 controlando projetores automáticos que ladeiam as esteiras que

transportam os componentes ao longo das estações de moldagem, desforma, cura e

armazenamento (BENNETT Jr., 1988).

Figura 3.14 - Equipamento para projeção mecânica de painéis (GRCA, 1995).

O princípio da mecanização consiste na aplicação de maior pressão de projeção de forma a

eliminar a necessidade de compactação intermediária, o que, juntamente com o aumento na

quantidade de material projetado (28kg/min, contra 12 kg/min obtidos na projeção manual),

reduz o ciclo de produção e incrementa notavelmente a produtividade (BENNETT Jr., 1988;

CII, 1995).

A uniformidade de espessura da camada projetada tem reflexos importantes na densidade

superficial do painel e na distribuição das tensões atuando sobre ele. A orientação do

equipamento de projeção é um fator importante que afeta a uniformidade do compósito e a

distribuição das fibras (DANIEL et al., 1989).

10Projeto auxiliado por computador (Computer aided design).

Page 72: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 56

No processo manual, é humanamente impossível manter o equipamento projetor sempre

perpendicular ao plano de projeção e percorrer as dimensões usuais dos painéis sem

interrupção, o que dificulta o controle da espessura projetada. Para compensar a variabilidade

intrínseca a essa tecnologia, é prática corrente projetar uma espessura final com

aproximadamente 3 mm acima do valor especificado no projeto (PCI, 1994; BALAGUER et

al, 1995).

Ao mesmo tempo em que livram os operários de um ambiente de trabalho extremamente

poluído, na projeção automática, robôs seguem trajetórias retilíneas com direção e velocidade

controladas e a projeção de cada camada é feita transversalmente à direção de projeção da

camada anterior (MAJUMDAR;LAWS, 1991; BALAGUER et al, 1995). Com isso, a

espessura média projetada é uniforme e muito próxima daquela especificada (Figura 3.15). O

tempo e o material que, na projeção manual, seriam gastos para regularizar os trechos com

espessura inferior à de projeto são economizados e o comportamento mecânico na tração e na

flexão é praticamente idêntico nas duas direções (CII, 1995; BALAGUER et al, 1995).

Figura 3.15 - Variabilidade da espessura projetada manual e automaticamente(BALAGUER et al, 1995).

Os chamados projetores transversais (Figura 3.16) são dotados de dois bicos de projeção, um

deles atuando no sentido longitudinal e, o outro, no transversal. A velocidade de corte do

roving de fibra é afinada à do equipamento, que projeta camadas de 10 mm de espessura.

Com isso, chapas e painéis simples podem ser fabricados pela projeção em camada única, que

requer apenas uma operação de compactação. A natureza do equipamento, porém, limita a

largura do painel a cerca de 3,60 m (BENNETT Jr., 1988).

Page 73: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 57

Figura 3.16 - Projetores transversais utilizados na produção contínua (automática)de painéis GRC (BENNETT Jr., 1988).

Painéis com relevos ou abas laterais podem ser projetados planos e imediatamente

conformados. Em se tratando de painéis com acabamentos decorativos, os equipamentos de

projeção contínua também podem ser utilizados, porém com menor eficiência, tendo em vista

que a compactação manual torna-se indispensável (BENNETT Jr., 1988).

Modificações nos equipamentos de projeção permitem a produção de outros componentes

como painéis sanduíche (introdução de um bico extra para a projeção da face superior) e

seções “U” (alteração do trajeto do bico de projeção em relação ao molde), e torna possível a

confecção de fôrmas permanentes para concreto moldado in loco, o que parece ser uma

extensão natural para a linha de produtos GRC (BENNETT Jr., 1988).

3.4.2.2 O processo spraymix

A projeção do compósito pré-misturado (spraymix) resulta de combinação dos dois métodos

clássicos de produção de painéis: projeção direta e pré-mistura. O equipamento desenvolvido

em 1984, na França (Figura 3.17), contém um misturador especial, capaz de produzir

compósitos homogêneos e com elevada incorporação de fibras, sem aprisionamento de ar ou

prejuízo da integridade dos filamentos.

Cerca de 20 a 140 litros de GRC são bombeados por hora em direção ao bico de projeção sem

causar entupimentos. O material é, então, projetado em alta velocidade, o que garante a auto-

Page 74: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 58

compactação e facilita o controle da espessura projetada e o preenchimento de moldes

complexos (Cem-FIL Ltd., 1994).

Figura 3.17 - Misturador com projetor acoplado - processo spraymix (Cem-FIL Ltd.,1994).

O volume bombeado nesse processo (0,02 a 0,14 m3/h) é baixo em relação à quantidade de

compósito projetado nas técnicas de projeção manual (0,36 m3/h) e automática (0,84 m3/h).

Em contrapartida, como o bombeamento exige misturas fluidas e ricas em pasta de cimento, o

processo spraymix elimina a necessidade de mist coat11 e da série de adensamentos

intermediários, utilizando um equipamento compacto e cujo manuseio envolve apenas um

operário para promover a pré-mistura e outro para controlar o projetor.

3.5 Formulação das misturas de GRC e de acabamento utilizadas em

painéis de fachada

O melhor proporcionamento do GRC é definido com base nos requisitos de desempenho

(resistência mecânica, resistência ao fogo e densidade, entre outras propriedades) e de

fabricação dos painéis (teor de fibras, complexidade de formas e texturas). A seleção dos

constituintes do compósito e das misturas de acabamento é função de sua adequação à

tecnologia adotada na produção do componente e às condições de exposição a que estarão

submetidos.

As características e quantidade de cimento interferem na dosagem do compósito e nos

procedimentos de projeção e acabamento (PCI, 1994).

Page 75: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 59

O bombeamento que precede a projeção das misturas exige uma mistura rica em pasta de

cimento e com agregados com diâmetro controlado, o que aumenta a fluidez e permite que o

compósito adquira facilmente os contornos e texturas impressas nos moldes. A única

limitação nesse sentido é a escala de detalhes em que as fibras de vidro podem penetrar, que

pode exigir uma camada inicial, sem reforço (mist coat), para reproduzir a textura, seguida da

projeção do compósito propriamente (PCI, 1991; PCI, 1994).

A seleção do cimento deve atender às exigências normativas de resistência e durabilidade e

apresentar uniformidade de coloração, especialmente quando se trata de componentes sem

revestimento incorporado. Nesses casos, o PCI (1994) recomenda que o cimento a ser

empregado na confecção de painéis em um mesmo pano de fachada seja sempre proveniente

de um mesmo lote, principalmente em se tratando de cimento branco. O mesmo cuidado

aplica-se aos pigmentos utilizados.

Conforme o produto final, pode-se utilizar uma série de aditivos redutores de água,

incorporadores de ar e aceleradores ou retardadores de pega, pigmentos e adições minerais

(PCI, 1994).

Aceleradores de pega à base de cloreto de cálcio, por vezes empregados na produção de

artefatos pré-fabricados de concreto, não devem definitivamente ser utilizados em painéis de

GRC, sob pena de propiciar a corrosão das peças metálicas embebidas, além de aumentar a

retração e acentuar o ataque alcalino sobre as fibras de vidro pela introdução de íons cálcio

no sistema. Agentes tixotrópicos à base de celulose podem ser utilizados para evitar a

segregação da areia e o escorrimento do material durante a projeção de trechos na posição

vertical.

Os pigmentos devem ser estáveis sob alta temperatura e radiação ultravioleta, resistentes a

meios alcalinos e inofensivos à pega do cimento e resistência do GRC e da camada de

acabamento12.

Os agregados são utilizados nos painéis GRC em duas situações distintas: como parte do

compósito, para controlar a retração; e na camada de acabamento, para definir a textura e a

coloração do componente.

11Nas técnicas de projeção convencionais, as fibras e a matriz são projetadas em bicos separados (Figura 3.11), e, paraevitar a exposição das fibras na superfície do componente, uma camada fina de pasta (mist coat ou face coat) é distribuídacontra o molde antes da projeção do compósito.

12De acordo com a ASTM C979 - Specification for Pigments for Integrally Colored Concrete.

Page 76: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 60

Apesar do atrito com os agregados acentuar o dano à superfície das fibras durante a operação

de mistura, a adição de grandes proporções de areia dificulta a continuidade das fissuras,

diminuindo a retração e, conseqüentemente, evitando o empenamento irreversível dos

componentes (HILLS, 1975; HANNANT, 1978; PCI, 1994).

Os agregados usados na mistura de GRC13 têm suas características controladas pela tecnologia

de projeção, que limita o diâmetro máximo a 0,85mm para evitar entupimentos do

equipamento e facilitar a dispersão das fibras. Grãos arredondados facilitam o bombeamento e

o teor de finos (φ < 0,15 mm) é limitado a 2%, visando controlar a quantidade de água

necessária para manter uma trabalhabilidade já prejudicada pela presença das fibras (FIP,

1984; BALAGURU;SHAH, 1992; PCI, 1994).

Nos agregados decorativos, as características mais importantes passam a ser a dureza, exigida

pelos tratamentos superficiais que promovem a exposição dos agregados; a estabilidade a

longo prazo, relacionada à reatividade e à presença de materiais orgânicos, deletérios ou que

possam provocar manchas ou alterações superficiais; e o diâmetro máximo dos grãos.

A cor e textura especificadas no projeto do painel determinam a graduação, a cor e o

proporcionamento entre diferentes agregados. Qualquer variação nesses parâmetros altera

significativamente a uniformidade e a aparência final do componente, especialmente se o

tratamento superficial aplicado utilizar retardadores e jateamento com areia.

O diâmetro máximo deve ser inferior a 10mm (PCI, 1994; McDOUGLE, 1995), para limitar

a espessura da camada de acabamento e, conseqüentemente, o aumento de peso próprio do

painel sem aumento equivalente da seção resistente; e para evitar o desprendimento das

partículas de agregado por ancoragem insuficiente.

Além da durabilidade e das propriedades mecânicas propriamente, em se tratando de

componentes de pequena espessura, cresce a dependência de outras propriedades em relação à

formulação do compósito, em especial da trabalhabilidade da mistura fresca, relacionada à

facilidade de bombeamento (projeção, injeção) e ao preenchimento completo do molde

(injeção, prensagem); da retração por secagem e da absorção d’água (BALAGURU;SHAH,

1992).

No caso específico de painéis de fachada, os dois últimos aspectos merecem especial atenção.

A absorção de água afeta diretamente a estabilidade dimensional e o peso do componente. A

retração por secagem, por sua vez, é fonte de uma fissuração intensa, tendo em vista o elevado

Page 77: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 61

consumo de cimento necessário para evitar a exposição das fibras e facilitar o bombeamento

até o bico de projeção (Tabela 3.3).

Tabela 3.3 - Formulação típica de misturas GRC empregadas na produção de painéis defachada (Cem-FIL LTD., 1996).

Tecnologia de ProduçãoConstituintes

(por m3) Projeção(5% fibras)

Pré-mistura e moldagem(3% fibras)

Cimento 723,56 kg 723,56 kg

Areia 723,56 kg 723,56 kg

Plastificantes 10,20 kg 10,20 kg

Polímeros 200,84 kg 200,84 kg

Fibras AR 100,64 kg 60,30 kg

Água 241,19 kg 281,53 kg

Relação a/c = 0,33; proporção cimento:areia = 1:1

Diversos estudos relataram a redução na absorção de água e na retração por secagem na

medida em que aumentava o teor de fibras (BALAGURU;SHAH, 1992; MAJUMDAR;

LAWS, 1991) até um teor ótimo, que passa a dificultar a compactação (ALI et al, 1975). O

regime de cura também interfere na magnitude da retração por secagem. Produtos submetidos

a cura úmida apresentam maior retração por secagem do que componentes similares

autoclavados, em que se observa a estabilização da retração já em baixíssimas idades

(BALAGURU;SHAH, 1992).

Dispersões de co-polímeros termoplásticos foram inicialmente utilizadas como uma

alternativa para substituir a cura úmida14. Verificou-se, posteriormente, que a adição de

polímeros reduz o módulo de elasticidade e a variação volumétrica causada por ciclos de

absorção de água, vantagens importantes quando se trata de painéis de fachada

(DANIEL;SCHULTZ, 1985; SCHULTZ et al., 1992; BIJEN, 1993; PCI, 1994; Cem-FIL

Ltd., 1997).

Por vezes, adiciona-se polímeros também à camada de acabamento, de acordo com o tipo de

tratamento superficial pretendido. A presença de polímeros aumenta o tempo de espera antes

de fazer o acabamento com retardador e aplicação de ácido. Já no caso de acabamentos que

13NBR 07211 (Agregados para concreto) e ASTM C144 (Standard specification for aggregate for masonry mortar).

14Estas dispersões devem atender às especificações do Apêndice L do PCI Recommended Practice for GFRC CladdingPanels (PCI, 1994).

Page 78: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 62

não envolvam remoção de pasta, a adição de polímeros é benéfica, pois resulta em uma

camada mais densa, com menos imperfeições e menor potencial de fissuração superficial

(PCI, 1991).

3.6 Considerações sobre o capítulo

Os produtos de cimento-amianto criaram um mercado próprio na indústria da construção civil,

que ficou descoberto com a restrição ao emprego de fibras de asbesto. De modo geral, as

pesquisas acerca de métodos de produção de GRC feitas nos últimos anos buscavam

desenvolver um processo que viabilizasse a produção massiva de componentes asbestos-free,

com uma tendência notável de investimentos em processos automatizados capazes de

substituir em definitivo o processo HATSCHEK tradicionalmente empregado na indústria de

cimento-amianto.

Na produção de painéis, utiliza-se apenas as técnicas de pré-mistura e projeção. A pré-mistura

tem menor custo e é semelhante aos métodos de moldagem tradicionalmente empregados para

concreto, porém admite teores de fibra menores, entre 2 e 3.5% e adaptam-se melhor à

produção de componentes planos. As tecnologias de projeção permitem adicionar até 5% de

fibras e a projeção direta, especialmente, torna-se mais adequada à produção de painéis de

fachada devido à combinação de melhor comportamento mecânico com a possibilidade de

alterar a forma e as dimensões das peças sem implicar em ajustes custosos de processamento.

As principais inovações nas tecnologias de pré-mistura envolvem a disponibilização de feixes

mais rígidos, específicos para esse fim, o que permite a incorporação de até 5% de fibras de

vidro sem necessidade de se empregar aditivos; e o desenvolvimento de misturadores mais

eficientes, que aumentam o teor de fibras incorporado ao mesmo tempo em que diminuem o

dano às fibras e o teor de ar aprisionado.

No que tange às tecnologias de projeção, os equipamentos evoluíram para a projeção

automática e para a sofisticação dos bicos de projeção, originando a projeção concêntrica da

argamassa e das fibras, que aumenta a homogeneização do material projetado e elimina a

necessidade de projetar camadas de cobrimento.

As pesquisas sobre a automatização da projeção vêm crescendo, com destaque para os estudos

conduzidos na Espanha pela equipe liderada por BALAGUER, da Dragados y

Construcciones S.A. A principal barreira à utilização da produção automática é, obviamente,

o investimento inicial necessário à implantação do sistema. Em um segundo momento, porém,

Page 79: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 63

a otimização da produção em escala permite reduzir custos e amortizar o investimento, a

exemplo de outras sofisticações ocorridas em diversos segmentos industriais.

A exemplo do ocorrido em nível internacional, a introdução de painéis GRC no mercado de

construção brasileiro poderá representar a oferta de uma tecnologia eficiente de vedação de

fachadas, com vantagens para projetistas e executores. A projeção manual é,

indiscutivelmente, o método mais indicado para o estágio inicial de implantação da tecnologia

no Brasil. Basta uma adaptação nos bicos de projeção para concreto para adicionar o cortador

de fibras (chopper) ou, eventualmente usar uma tecnologia intermediária como o spraymix,

que projeta o compósito pré-misturado.

Em quaisquer dos casos, são procedimentos tão simples quanto a pré-mistura e relativamente

baratos, porém capazes de gerar componentes com propriedades mecânicas muito superiores.

A projeção automática viria em um segundo momento, quando uma demanda consolidada por

produtos repetitivos exigisse um processo produtivo mais dinâmico.

Os painéis GRC para uso externo estão no mercado desde o início da década de 80 e vem

sendo empregados em barreiras anti-ruído, na restauração de edifícios de valor histórico, na

renovação de fachadas e, principalmente, como alternativa para os painéis pesados de

concreto na vedação de fachadas. O volume de produção anual é significativo e tende a

crescer com a viabilização de compósitos mais duráveis.

A principal inovação na tecnologia de painéis foi a incorporação de uma estrutura metálica de

enrijecimento (stud frame), que serve de ponte de ligação à estrutura do edifício e de suporte

para a fixação de esquadrias e dos revestimentos internos. Essa tipologia de painéis

conquistou um nicho de mercado próprio nos Estados Unidos e é hoje ativamente

recomendada na Austrália, Cingapura, Japão e outros países do Extremo Oriente. Entre as

vantagens oferecidas por essa tecnologia destacam-se a leveza, a aptidão à incorporação de

instalações e camadas de isolamento embutidas e a flexibilidade de projeto oferecidas pelos

componentes.

Com a introdução do stud frame, os projetistas americanos passaram a utilizar componentes

com maiores dimensões e variedade de formas e acabamentos que os desenvolvidos

pioneiramente na Inglaterra. Essa inovação trouxe consigo configurações nem sempre

adequadas e que acabaram gerando problemas patológicos por falta de domínio das limitações

do compósito e, principalmente, do seu comportamento quando associado a determinados

revestimentos e à própria estrutura de enrijecimento. O Capítulo 5 traz considerações a esse

respeito.

Page 80: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 3 Painéis em cimento reforçado com fibras de vidro 64

O emprego de fibras de vidro confere um conjunto de propriedades mecânicas que permite

gerar componentes com espessura muito reduzida. A redução de massa correspondente,

enquadra os painéis GRC no grupo das chamadas fachadas leves, cujos principais requisitos

de desempenho são abordados no próximo Capítulo.

Page 81: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

4. REQUISITOS E CRITÉRIOS DE DESEMPENHO DE FACHADAS LEVES

EM PAINÉIS – APLICAÇÃO A PAINÉIS GRC

4.1 Introdução

As fachadas respondem pela imagem transmitida pelo edifício e por sua adequação ao cenário

urbano, com funções estética e social inegáveis. A vedação de fachada constitui, juntamente

com os elementos de cobertura, o chamado envelope da edificação, que funciona como um

filtro que separa o espaço interno do meio externo que o envolve e, ao mesmo tempo, permite

controlar a interação do usuário com este mesmo meio.

Esta interface é, portanto, a construção responsável pela manutenção dos valores de variáveis

essenciais como a temperatura, insolação, ruído ou privacidade nos níveis de bem-estar e deve

responder satisfatoriamente a uma série de solicitações impostas pelo meio (alterações

climáticas, chuva, vento, ruído, radiação térmica) e pela própria ocupação do edifício

(impactos, adição de cargas suspensas e geração de umidade).

A partir das diversas listagens genéricas de necessidades dos usuários que têm sido propostas

nas últimas décadas (CIB, 1982; ISO 6241, 1984; HENKET, 1992; ISO 9699, 1994) e de

trabalhos e normas desenvolvidos especificamente sobre o desempenho de paredes exteriores

(CULLEN; SNECK, s.d.; ISCC, 1971; LNEC, 1974; DAWANCE, 1977; ISO 7361, 1986;

NF P 05-321, 1986), é possível reunir os requisitos básicos de desempenho de fachadas e

organizá-los em três grupos: (1) segurança, que envolve o comportamento mecânico e em

relação ao fogo e a resistência a intrusões; (2) habitabilidade, que abrange estanqueidade,

pureza do ar, conforto higrotérmico e acústico, aspecto e adaptação ao uso; e (3)

durabilidade, que refere-se à conservação do desempenho ao longo do tempo e à

racionalização dos custos associados às operações de manutenção e limpeza (exigências de

economia) (Tabela 4.1).

Essa extensa coleção de requisitos a serem atendidos, detalhada exaustivamente na ISO

7361, inevitavelmente conduz a uma priorização a ser estabelecida por um acordo entre

projetista e cliente durante a definição do perfil do empreendimento. Os requisitos de

segurança são sempre absolutos. Respeitado o atendimento dos limites mínimos

relacionados à saúde dos usuários, a escala de prioridade entre os requisitos de

habitabilidade é função do contexto de inserção e ocupação (agressividade do meio, uso e

padrão da edificação). As exigências de durabilidade também variam com as características

Page 82: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 66

de exposição e são fixadas a partir do equilíbrio entre circunstâncias econômicas e

ambientais.

Tabela 4.1 - Requisitos de desempenho de fachadas em painéis (a partir da ISO 6241,1984 e ISO 7361, 1986).

Requisitos de desempenho na fase de uso

1. Segurança estrutural

• resistência mecânica a cargas estáticas, dinâmicas e cíclicas decorrentes do uso normal ouabuso no uso (ação imediata e fadiga provocada pelo vento, impactos, riscamento, cargas verticais ealterações climáticas)

• eficiência das ancoragens que ligam o painel ao sistema de enrijecimento (resistência, aderênciae flexibilidade)

• eficiência do sistema de enrijecimento e conexão à estrutura principal (efetividade natransmissão de esforços horizontais - carga de vento; eliminação do risco de queda do componente)

• capacidade de deformação das juntas

2. Segurança ao fogo

• reação ao fogo dos materiais (combustibilidade e propagação de chama e liberação de gases efumaça)

• resistência ao fogo do sistema (integridade, estanqueidade, isolamento)

Seg

ura

nça

3. Segurança de utilização (resistência a intrusões)

4. Estanqueidade à água

• pequena absorção de água (para minimizar alterações de volume e de massa)

• eficácia na drenagem de águas pluviais

5. Conforto térmico e economia de energia

• estanqueidade ao ar

• isolamento térmico no inverno e no verão

6. Aspecto

• planeza dos componentes e do conjunto

• condição superficial (cor, brilho, textura...)

• uniformidade de coloração

7. Conforto acústico

• Isolamento e absorção sonora

• não ser fonte de ruído por ação das movimentações térmicas ou de vibração e/ou impactoprovocados pelos agentes atmosféricos

• não permitir a passagem de ruído nos encontros com as vedações internas

8. Pureza do ar e conforto tátil

9. Adaptação ao uso

Hab

itab

ilid

ade

• Integração de instalações; possibilidade de fixação de placas e logomarcas

• Facilidade de montagem e estocagem

10. Durabilidade (manutenção do desempenho durante a vida útil pretendida)

• Conservação de aspecto (cor, brilho etc.)

• Conservação de prop. mecânicas (capac. deformação, resist. a impacto)

11. Economia

Du

rab

ilid

ade

• Facilidade e freqüência de limpeza e manutenção

• Custo global

Page 83: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 67

A exemplo da principal aplicação dos painéis de GRC em nível internacional, os painéis

estudados neste trabalho destinam-se à vedação de fachadas de edifícios comerciais

multipavimentos e condicionados artificialmente, contexto que orienta a discussão de

requisitos e critérios de desempenho feita a seguir.

4.2 Sistemas leves para a vedação de fachadas

4.2.1 Composição dos sistemas leves

Os fechamentos constituídos por painéis de GRC enquadram-se no grupo das chamadas

fachadas leves, compostas por uma ou várias camadas em que pelo menos a mais externa

delas caracteriza-se por pesar menos de 100 kg/m2, ser usualmente sem fins estruturais e

utilizar componentes pré-acabados (BLACHÉRE, 1977; AFNOR NF P 28-001, 1990; LNEC,

1994).

As fachadas leves maciças não são objeto de estudo deste trabalho, que se ocupa das

tecnologias multi-camada, como os painéis de GRC, em que o sistema de vedação é

constituído basicamente pelos seguintes sub-componentes:

1. face externa, que deve ter resistência a vento e aimpacto e deformação compatível com a da estrutura deenrijecimento, esquadrias e revestimentos aplicados,além de proteger o interior da ação da água e daradiação solar;

2. estrutura enrijecedora que serve, ainda, de ponte demontagem. O dimensionamento é definido pelo rigordas condições de exposição e pela massa e dimensãodos componentes. Conforme o nível de isolamentonecessário, os paramentos podem ser enrijecidos porestruturas independentes, gerando uma descontinuidadede fluxos de calor e ondas sonoras;

3. camadas de isolamento térmico e acústico; barreiras devapor, em situações com risco de condensaçãointersticial; e membranas impermeabilizantesposicionadas entre os paramentos externo e interno;

4. sistema de fixação; que inclui as ancoragens de ligaçãodo paramento externo ao enrijecimento e os conectoresdo enrijecimento à estrutura do edifício;

5. face interna;

6. juntas preenchidas com selantes elastoméricos, queacomodam a variação geométrica dos componentes epreservam a estanqueidade dos encontros entrecomponentes ou materiais diferentes.

Page 84: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 68

O uso de sistemas leves multi-camada promove a autonomia e a especialização das diferentes

partes que constituem a fachada. As funções de vedação e estrutura tornam-se definitivamente

desvinculadas: os componentes não são estruturais nem podem assumir papel de

contraventamento da estrutura devido às folgas necessárias para a sua própria movimentação

e montagem.

O paramento externo leve não conta com as vantagens de isolamento térmico e acústico

atreladas à massa e demanda o emprego de isolamento adicional. Essa separação de funções

acaba resultando em grande flexibilidade de soluções, já que, mediante uma pequena variação

de dimensionamento e características dos sub-componentes, é possível obter diferentes níveis

de desempenho.

O desempenho das juntas é fundamental para a garantia da segurança estrutural,

estanqueidade, isolamento termoacústico, resistência ao fogo e durabilidade do conjunto. A

eficiência das ligações dos painéis à estrutura do edifício deve ser avaliada como parte do

requisito de segurança estrutural; e a integridade das juntas, esquadrias e eventuais

revestimentos impõe limites à deformação admitida para os componentes, também

determinada por questões estéticas.

4.2.2 Estágio atual da normalização de desempenho

As fachadas leves representam um mercado importante na França, país que atualmente detém

o mais avançado estágio de conhecimento sobre fachadas pré-fabricadas e, provavelmente, a

mais completa coleção de documentos normativos sobre classificação, desempenho e

materiais para juntas de fachadas leves (NF P 28-001, 1990; XP 28-002-1, 1990; NF P 85-

301, 1979; T 47-901, 1982), e sobre requisitos de desempenho (P 05-321, 1986, a partir da

ISO 7361, 1986) e métodos de ensaio específicos para fachadas em painéis (P 08-321, 1986,

P 08-322, 1986; P 08-331, 1987; P 09-511, 1987 e P 08-341, 1987).

Após extensa busca bibliográfica, constatou-se não haver documentos normativos em nível

nacional ou internacional que apresentassem critérios para todos os requisitos levantados para

painéis leves para fachadas de edifícios com vários pavimentos. As diretrizes da UEAtc, de

1963 (LNEC, 1974), constituem uma abordagem pioneira e abrangente sobre a definição de

requisitos de desempenho de fachadas leves, mas não chegam a estabelecer critérios.

Os trabalhos posteriores do CIB, da ISO e da AFNOR foram desenvolvidos com base nos

conceitos lançados pela UEAtc, mas as normas atualmente disponíveis dedicam-se à

uniformização dos métodos de ensaio e deixam a definição dos critérios de desempenho a

cargo do projetista.

Page 85: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 69

Os critérios de desempenho sugeridos neste trabalho foram delineados a partir de

recomendações de diversas instituições de pesquisa diluídas pela literatura técnica. Essas

recomendações estão reunidas e discutidas nos próximos itens desse Capítulo.

4.3 Segurança estrutural

4.3.1 Principais esforços atuando em componentes de vedação de fachadas leves

Antes mesmo de seu posicionamento final, os componentes precisam resistir a esforços de

flexão e impacto que normalmente superam as solicitações em serviço. Os esforços

provocados durante as operações de desmoldagem, transporte e instalação acontecem já nas

idades iniciais, quando o painel ainda não desenvolveu toda a sua resistência. Como resultado,

podem surgir defeitos que, com o passar do tempo, provavelmente originarão fissuras.

Uma vez instalados, os painéis de fachada ficam expostos principalmente à ação do vento, de

seu peso próprio, de movimentos relativos provocados pela deformação elástica ou

permanente da estrutura do edifício, de ciclos de variação de temperatura e umidade do

ambiente e de impactos durante o uso e operações de limpeza e manutenção (THOROGOOD;

SAUNDERS, 1979; FIP, 1984; MOORE, 1984; SCHULTZ et al., 1987; BS 8297, 1995;

Cem-FIL Ltd., 1997; SORIANO, 1998). Algumas dessas solicitações variam com a posição

relativa dos painéis na envoltória e podem ter critérios também variáveis.

A esbeltez das peças torna o efeito do peso próprio um fator menos crítico para fachadas leves

que para vedações tradicionais, mas acentua o efeito das cargas de vento, que geram tensões

de flexão consideráveis nos painéis (FIP, 1984; MOORE, 1984; SCHULTZ et al., 1987). A

pressão de vento que incide sobre as fachadas varia com a velocidade básica do vento em

cada região, com a topografia e ocupação do entorno e com a posição relativa do painel na

envoltória, aumentando com a altura e com a proximidade das arestas do edifício1 (BAUER,

1987; BS 8297, 1995; HACHICH, 1997; SORIANO, 1998).

Em painéis com espessura reduzida, o efeito dos ciclos de aquecimento e/ou molhagem pode

ser tão ou mais significativo que a ação do vento. Os componentes deformam-se rapidamente

em resposta às alterações de temperatura e umidade relativa do ambiente de exposição. A

parcela de deformação restringida por deformação diferencial do revestimento e pela rigidez

das ancoragens e fixações pode provocar tensões de tração suficientes para levar à fissuração

do painel (THOROGOOD; SAUNDERS, 1979; MOORE, 1984; FIP, 1984).

Page 86: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 70

A resistência a impacto é importante em duas etapas da vida do painel: primeiro, durante o

manuseio, transporte e içamento e, depois, na fase de uso. Os impactos em componentes

instalados são normalmente produzidos por pequenos objetos atirados propositalmente,

trazidos pelo vento ou pelo fluxo de veículos, por choques acidentais em locais próximos a

vias públicas e por gôndolas de limpeza usadas na manutenção da fachada. Os impactos

durante o manuseio, o transporte e a instalação freqüentemente superam os impactos em

serviço e são particularmente críticos para componentes de pequena espessura (FIP, 1984;

BALAGURU;SHAH, 1992; IPT, 1995a; SORIANO, 1998).

As solicitações provenientes de peças suspensas decorrem da fixação de letreiros e

logomarcas na fachada, que devem ser suportados sem causar deformações que comprometam

o alinhamento e aspecto dos componentes ou prejudiquem a conservação do desempenho da

fachada, especialmente da estanqueidade.

4.3.2 Requisitos de desempenho

Os requisitos genéricos de segurança estrutural de fachadas estão descritos em diversos

documentos, entre eles a nota técnica publicada pelo ISCC (1971), a ISO 7361 (1986) e,

especificamente sobre fachadas leves, as diretrizes de homologação propostas pela UEAtc

(LNEC, 1974) e o Cahier 2383 do CSTB (FONTAN, 1990).

Cada item do sistema de fachada precisa resistir não só ao efeito imediato das solicitações,

como também aos ciclos de carregamento que podem levar à ruptura por fadiga das peças

metálicas e dos selantes nas juntas e à fissuração por dano progressivo do paramento externo.

Os componentes de vedação devem ser capazes de transmitir aos seus pontos de apoio ou

estrutura de enrijecimento todo o carregamento proveniente de peso próprio, da ação do

vento, de peças suspensas e outras solicitações sem romper, deformar-se excessivamente nem

apresentar prejuízo permanente de desempenho (ISCC, 1971; LNEC, 1974; ISO 7361).

A estrutura de enrijecimento deve transmitir os esforços atuando no painel para as

ancoragens sem apresentar deformação permanente e mediante um deslocamento horizontal

inferior a h/300 (FONTAN, 1990). Adicionalmente, essas estruturas devem resistir aos

impactos incidindo na face externa da fachada sem apresentar deformação permanente ou

arrancamentos, além de impedir que seus efeitos atinjam o paramento interno (LNEC, 1974).

1Para painéis que distem das bordas menos de 1/6 da altura ou largura da fachada, a BS 8297 (1995) recomenda que acarga de vento considerada no dimensionamento seja majorada em 20%.

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Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 71

As ancoragens que ligam o painel à estrutura de enrijecimento devem Ter rigidez para

transmitir as cargas de vento e peso próprio e, ao mesmo tempo, flexibilidade suficiente para

acomodar a resposta do painel às alterações do meio. Os conectores devem manter inalterada

a ligação do painel à estrutura sob a ação das solicitações atuando repetidamente ao longo da

vida útil dos painéis e do edifício; acomodar movimentos relativos de translação e rotação

entre os painéis, assim como a deformação que os membros estruturais a que estão ancoradas

apresentarão com o passar do tempo (GRCA, 1994).

O peso dos componentes, a ação do vento e os movimentos diferenciais entre os painéis e a

estrutura de suporte tendem a gerar esforços cisalhamento nas fixações e esforços de flexão

podem surgir nas peças muito longas. A ação do vento cria, ainda, solicitações alternadas de

compressão e tração, que concorrem para a fadiga da peça metálica e, conforme a aderência,

o comprimento de ancoragem e a resistência do suporte pode, eventualmente, provocar o

arrancamento (GRCA, 1994; SCHULTZ et al., 1987; Cem-FIL Ltd., 1997; SORIANO, 1998).

Finalmente, cabe às juntas acomodar, sem descolamento, a deformação sob carga e a

movimentação higrotérmica dos painéis, evitando que a restrição dessas deformações origine

tensões internas capazes de provocar a fissuração, destacamento ou esmagamento dos

componentes de vedação. O selante utilizado deve ter capacidade de deformação compatível

com a magnitude de movimentação prevista e suportar o efeito acumulado dos inúmeros

ciclos de tração e compressão a que é submetido ao longo do tempo.

4.3.3 Critérios de desempenho sugeridos para painéis GRC para fachadas

4.3.3.1 Critérios de resistência a cargas de vento

A maior parte das recomendações quantifica a deformação horizontal admitida para os

componentes e a elege como indicador do desempenho do sistema sob a ação do vento,

procurando garantir o bom aspecto da fachada e a integridade do revestimento externo, dos

caixilhos e do próprio componente de vedação (BS 8110, 1985; PCI, 1994; CCMC, 1994;

IPT, 1995a).

A publicação do PCI (1994) fixa para painéis de GRC uma deformação horizontal máxima de

1/240 do vão. A GRCA utiliza o procedimento da BS 8110 (1985) para o dimensionamento

de painéis GRC e adota o mesmo critério que essa norma estabelece para componentes de

concreto para fachada: a deformação deve ser inferior a 1/350 do vão, para a pressão de

projeto obtida segundo a norma de vento (Cem-FIL Ltd., 1997). O critério da GRCA é a favor

da segurança e é também sugerido neste trabalho (Tabela 4.3).

Page 88: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 72

4.3.3.2 Critérios de resistência a impactos

Durante o uso, o pavimento térreo é sempre mais exposto a tentativas de intrusão e choques

de veículos e ciclistas, e os painéis localizados nessa região devem atender a critérios de

impacto externo mais rigorosos. Nos demais pavimentos, o mesmo se aplica aos locais onde

houver acesso e possibilidade de manipulação pelo usuário, como em sacadas e terraços.

Com base nesse raciocínio, as recomendações da UEAtc para fachadas leves (LNEC, 1974) e

do LNEC para revestimento de fachadas (LUCAS, 1994) adotam critérios diferenciados para

o pavimento térreo (Tabela 4.2). Para estar a favor da segurança diante de uma tecnologia sem

histórico de utilização no Brasil, sugere-se utilizar os critérios da UEAtc também para painéis

GRC (Tabela 4.3).

Tabela 4.2 - Critérios da UEAtc e do LNEC para impacto externo em fachadas2.

UEAtc (LNEC, 1974)fachadas leves

Impacto externo de corpo mole Impacto externo de corpo duro

Componentes nopavimento térreo eoutras regiões acessíveis

• 60J* (M=3kg e hqueda = 200 cm), semdano

• 750J** (M=50kg e hqueda = 150 cm)ou 600 J (hqueda = 120 cm), paracomponentes de fácil reposição,sem perfuração, arrancamento ou quedade fragmentos do paramento e semdeformação permanente e fissuração quecomprometa o desempenho

• 10J (M=1kg e hqueda = 100 cm), semprejuízo inadmissível de aspecto ouestanqueidade

Componentes nosdemais pavimentos

• 10J (M=3kg e hqueda = 33 cm) • 3,75J (M=0,5kg e hqueda = 75 cm)

Estrutura deenrijecimento e fixações

• 60J* (choques de abalo:10 impactossucessivos com M=3kg), sem dano

• 1000J** (M=50kg e hqueda = 200 cm),sem deformação permanente da estruturae sem deterioração do paramento interno

LNEC (LUCAS, 1994)revestimentos de fachada

Impacto externo de corpo mole Impacto externo de corpo duro

Componentes nopavimento térreo

• 60J* (choques de abalo:10 impactossucessivos com M=3kg)

• 400J** (M=50kg e hqueda = 80 cm)• 10J (M=1kg e hqueda = 100 cm)

Componentes nosdemais pavimentos

• 3 J* (M= 0,25kg e hqueda = 120 cm)

• 10J** (M=1kg e hqueda = 100 cm)

* impacto de utilização ** impacto de segurança

2A título ilustrativo, impactos de 1000J correspondem, por exemplo, ao impacto de um ciclista contra a fachada, enquantoum golpe de ombro e um pontapé geram uma energia de 120 J e 60 J, respectivamente. Os impactos de corpo duro de 10Jprocuram reproduzir o efeito de pequenos objetos como pedras projetadas pelo trânsito de veículos (ISCC, 1971). Nospavimentos elevados, a energia de impacto sugerida é bem menor e corresponde a possíveis impactos durante amanutenção ou limpeza da fachada.

Page 89: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 73

4.3.3.3 Critérios de desempenho para o sistema de fixação

Além de transmitir as cargas do painel para a estrutura, o sistema de fixação deve oferecer

uma margem de ajuste dimensional que permita acomodar as deformações elásticas e

permanentes dos membros estruturais (LNEC, 1974; BLACHÉRE, 1977; ISO 7361, 1986;

FONTAN, 1990; BS 8297, 1995; SORIANO, 1998)3.

A NBR 6118 limita a flecha dos elementos estruturais em concreto em L/500 (cargas

acidentais) e L/300 (sob todas as ações). Os conectores precisarão apresentar um ajuste

dimensional mínimo que acomode essa deformação, somada a uma margem de segurança e ao

ajuste reservado às tolerâncias de fabricação dos componentes e à acomodação das variações

volumétricas dos painéis.

A aderência das fixações e ancoragens é avaliada indiretamente, uma vez que exige-se que os

corpos-de-prova submetidos aos testes de segurança estrutural sejam representativos do

sistema de fachada e atendam satisfatoriamente a todas as solicitações simuladas sem

desprenderem-se das fixações (LNEC, 1974; BLACHÉRE, 1977) e sem apresentarem danos

na região da vinculação que possam comprometer a segurança.

Apesar de não serem propriamente ensaios de desempenho, uma vez que a natureza da

solicitação aplicada não representa as solicitações que ocorrem em condições reais de serviço,

os ensaios de arrancamento podem ser utilizados para a comparação e seleção preliminar

entre os vários tipos de fixações disponíveis no mercado.

A ASTM desenvolveu um método de ensaio específico para verificar a aderência das chapas

de ligação (bonding pads) que cobrem as ancoragens de ligação dos painéis GRC ao

enrijecimento metálico (ASTM C 1230, 1994). A precisão do método ainda está sendo

avaliada mas, nesse meio tempo, esse ensaio vem sendo utilizado na indústria de painéis GRC

para determinar a área necessária para as chapas de ligação, de acordo com a dosagem e as

características da mão-de-obra utilizada por cada fabricante.

3Requisito indicado na ISO 7361 (1986) como resistência a deformações impostas, expressa pelo deslocamento máximodos pontos de fixação à estrutura de suporte (em mm) em relação à posição original que não provoca colapso oudeformações excessivas nos componentes.

Page 90: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 74

Tabela 4.3 - Critérios de segurança estrutural sugeridos para painéis leves em GRCdestinados à vedação de fachadas.

Item do sistema devedação

Critérios sugeridos

Cargas horizontaisuniformemente distribuídas(vento)

Para a pressão de vento do local de implantação a dh < vão/3504

Pavimento térreo e áreas acessíveis Demaispavimentos

Impacto externo de corpoduro

• 10J, sem prejuízo inadmissível de aspecto ouestanqueidade

• 3,75J

Pavimento térreo e áreas expostas ao uso Demaispavimentos

Impacto externo de corpomole • 60J, sem dano

• 750J, sem perfuração, arrancamento ou queda defragmentos do paramento e sem deformaçãopermanente e fissuração que comprometa odesempenho

• 10J

Cargas de peças suspensas • dh< h/500 e dhr < h/2000, sem danos, para uma carga igual ao dobro dacarga transmitida pelo objeto suspenso, aplicada em dois pontos, comexcentricidade definida pela geometria do objeto.

Co

mp

on

ente

de

ved

ação

Interações com portas

• Fechamento brusco (ensaio segundo NBR 8054)10 operações, sem danos na parede e nas regiões de solidarização ao marco

• 2 impactos de corpo mole de 240 J no centro geométrico da folha:um no sentido de abertura e outro contra o batente; sem arrancamento domarco, ruptura ou perda de estabilidade da parede (ensaio segundo NBR8051)

Estrutura de enrijecimento

Impactos de corpo mole

• 60J, choques de abalo (10 impactos sucessivos), sem dano

• 1000J, sem deformação permanente, perfuração ou arrancamento doparamento externo e sem deterioração do paramento interno

Resistência

As peças de fixação devem resistir, durante toda a vida útil da fachada, aosesforços de tração, compressão, flexão e cisalhamento impostos pelo pesopróprio dos painéis, cargas de vento e demais solicitações sem apresentarruptura ou afrouxamento capaz de induzir vibrações não previstas.

Possibilidade de ajusteAs fixações deverão prover folga para acomodar a deformação da estrutura nãoinferior a 1/300 do vão; as tolerâncias de fabricação dos componentes (nãoinferior a 6 mm, segundo o PCI, 1994) e para acomodação de variaçõesvolumétricas dos painéis deverão ser adicionadas.

FlexibilidadeAs ancoragens de ligação entre o painel e a estrutura de enrijecimento devemser suficientemente rígidas para transmitirem esforços sem restringirexcessivamente a movimentação das peças.

Fix

açõ

es e

an

cora

gen

s

AderênciaOs painéis devem atender satisfatoriamente a todas as solicitações simuladas,sem desprenderem-se das fixações e sem apresentarem danos na região davinculação que comprometam a segurança.

Juntas Acomodar toda a movimentação dos painéis sem descolamento.

4 Para essa deformação, painéis GRC com espessura de 20 mm atendem às pressões de vento calculadas segundo a NBR

6123 (1988) para edifícios com até 20 pavimentos em qualquer região do Brasil.

Page 91: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 75

4.3.3.4 Resumo dos critérios de segurança estrutural sugeridos para painéis GRCpara fachadas

Os critérios sugeridos para fachadas em painéis GRC estão reunidos na Tabela 4.3. Foram

atribuídos critérios para as três verificações determinadas pela ISO 7361 para painéis não-

estruturais, que são: resistência a cargas de vento; resistência a impactos e resistência a

cargas suspensas. A quarta verificação da ISO 7361 (resistência a deformações impostas5) foi

registrada no campo destinado às fixações.

Para considerar solicitações de uso normal em componentes ligados a portas, foram

acrescentadas na Tabela 4.3 as verificações em que procura-se observar a qualidade da

solidarização do marco à vedação e a resistência desta à solicitações de uso corriqueiras,

representadas por operações repetidas de fechamento brusco somadas a impactos de corpo

mole na folha da porta.

4.4 Segurança contra fogo

4.4.1 Requisitos de desempenho

Em situações de incêndio, cabe à fachada confinar o fogo no pavimento em que ele se

originou, controlando a passagem de chamas, fumaça e gases quentes de um pavimento para o

outro (compartimentação vertical) e evitar a conflagração do incêndio para construções

vizinhas (compartimentação perimetral).

Especificamente sobre fachadas leves, as diretivas da UEAtc (LNEC, 1974) relacionam os

requisitos de segurança ao fogo como sendo:

• os materiais que constituem as fachadas não devem favorecer o desenvolvimento oua propagação do fogo nem desprender gases tóxicos ou nocivos em quantidadesperigosas;

• a elevação de temperatura e a combustão da fachada não devem provocar projeçõesperigosas de materiais para o exterior;

• os dispositivos de fixação da fachada à estrutura do edifício devem resistir a umincêndio limitado ao pavimento correspondente;

• as fachadas não devem constituir um risco grave de transmissão do fogo para o andarsuperior.

O requisito de segurança contra fogo da fachada envolve, portanto, dois aspectos: a reação ao

fogo do material constituinte e a resistência ao fogo do sistema de vedação.

Page 92: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 76

A reação ao fogo é uma característica de cada material, responsável por sua contribuição na

sustentação da combustão, propagação superficial de chama e desenvolvimento de calor,

fumaça ou gases nocivos. Já a resistência ao fogo é avaliada com base na estabilidade,

estanqueidade e isolamento térmico dos componentes ou conjuntos de componentes, sendo

indicada como o período de tempo em que, quando submetidos a um aumento de temperatura

padronizado, estes elementos são capazes de resistir à ação do fogo e confiná-lo no espaço por

eles definido (ROSSO, 1975; STOLLARD;JOHNSTON, 1994).

O requisito de estabilidade é característico de vedações estruturais. No ensaio, além da

elevação de temperatura, os corpos-de-prova são submetidos ao carregamento de projeto e é

medida a temperatura crítica em que a ação do fogo provoca a redução das tensões limites

admissíveis e o componente entra em colapso. Nas vedações sem função estrutural, este

requisito é substituído pelo requisito de integridade, e considera-se íntegro o corpo de prova

que, durante todo o ensaio (elevação de temperatura e aplicação dos choques mecânicos

padronizados), não entrar em colapso nem apresentar trincas ou deslocamento transversal

maior do que o estipulado (BERTO, 1988).

4.4.2 Determinação da reação ao fogo

Os diversos ensaios de reação ao fogo compreendem a determinação de combustibilidade,

desenvolvimento de fumaça, propagação superficial de chama, desenvolvimento de calor,

ignescência, resistência à chama e verificações específicas para determinadas aplicações,

como toxicidade, por exemplo (KATO, 1988).

Os ensaios normalizados que classificam os materiais de construção quanto à segurança ao

fogo normalmente ocupam-se apenas das três primeiras verificações mencionadas (KATO,

1988), mas, conforme a classe de propagação superficial, verificações como ignescência e

resistência à chama podem se fazer necessárias (ISCC, 1971).

A combustibilidade é determinada através de métodos como o da BS 476, parte 4 (1983) ou

da ASTM E 136 (1994), que nomeiam como não combustível o material que não contribuir

termicamente para o aquecimento do forno utilizado e/ou não produzir chama que persista em

sua superfície além de um tempo máximo determinado.

5 Expressa pelo deslocamento máximo dos pontos de fixação à estrutura de suporte (em mm) em relação à posição original

que não provoca colapso ou deformações excessivas nos componentes submetidos às solicitações de serviço.

Page 93: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 77

Materiais não combustíveis dispensam outras verificações de reação ao fogo, enquanto os

materiais combustíveis têm sua combustibilidade graduada através de medidas de, pelo

menos:

• desenvolvimento de fumaça (ASTM E 662, 1994 e ASTM E 84, 1995), relacionado à

velocidade de obscurecimento das rotas de fuga e à probabilidade de intoxicação dos

ocupantes ainda no interior da edificação; e

• propagação superficial de chama (ASTM E 84, 1995; ASTM E 162, 1994; NBR 9442,

1986), relacionada à velocidade com que o fogo alastra-se ao longo das superfícies e ao

tempo em que mantém-se sobre elas, podendo iniciar e/ou sustentar a combustão de outras

partes do edifício.

4.4.3 Determinação da resistência ao fogo

A resistência ao fogo pode ser determinada através dos métodos da BS 476, parte 1 (1983), da

ASTM E 119 (1995) ou ISO 834 (1980).

O modelo de ação de fogo adotado nos países europeus e também no Brasil6 é o proposto pela

ISO 834, que parte da simplificação das condições reais de incêndio e estabelece uma curva

normalizada de variação da temperatura no tempo segundo a Eq. 1.

T-To = 345 log (8t+1)Eq. 1 onde T é a temperatura do forno no tempo decorrido de ensaio t

(em minutos), e To é a temperatura inicial do forno(10oC<To <40oC). Para duas horas de ensaio, atemperatura T chega a pouco mais de 1000oC.

O número de ensaios é estabelecido em função do tipo de juntas, de fixação e de

revestimento, de maneira que melhor se caracterize o sistema de vedação e reproduza as

condições de uso. De toda forma, devem ser feitas ao menos duas repetições de ensaios para

cada aspecto analisado (IPT, 1995b).

As vedações não estruturais são avaliadas quanto à integridade, estanqueidade e isolamento

térmico. Os corpos-de-prova não devem (1) entrar em colapso, apresentar trincas nem

deformações excessivas (requisito de integridade); (2) apresentar trincas ou aberturas

suficientes para permitir a passagem de gases quentes ou chamas para a face não exposta

capazes de inflamar um chumaço de algodão padronizado em intervalo de tempo inferior a 10

segundos (requisito de estanqueidade) e (3) apresentar aumento de temperatura na face não

6Pelas normas brasileiras ABNT/MB 1192, 1977 (Determinação da resistência ao fogo de componentes construtivosestruturais) e ABNT/MB 564, 1977 (Método de ensaio ao fogo de portas e vedações).

Page 94: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 78

exposta ao programa térmico superior a 140oC (valor médio) e 180oC (valor pontual)

(requisito de isolamento térmico ) (ISO 834, 1980).

4.4.4 Critérios de segurança ao fogo sugeridos para fachadas em painéis GRC

Os constituintes do GRC são inorgânicos e não liberam gases tóxicos durante a combustão,

atendendo aos requisitos de incombustibilidade estabelecidos pela ASTM E 136 e de

incombustibilidade, propagação superficial de chama e densidade de fumaça fixados pela BS

4767. Mesmo com a adição de polímeros em sua composição, apresenta índice de propagação

de chama zero8 e densidade de fumaça inferior a 5 (PCI, 1994), em conformidade ao

estabelecido pela ASTM C 1186 (1991).

A incombustibilidade do GRC elimina a preocupação com a reação ao fogo, de sorte que a

avaliação da segurança ao fogo de fachadas em painéis GRC refere-se à resistência ao fogo

do sistema e à presença de detalhes construtivos que evitem a circulação de fumaça e a

propagação do fogo entre partes do edifício (Tabela 4.4).

Os critérios de resistência ao fogo que constam na Tabela 4.4 foram construídos a partir das

recomendações do RSCIEH9 (1990, apud LNEC 1995), que classifica as vedações de fachada

como sendo da categoria corta-fogo (CF), isto é, que deve manter sua função de

estanqueidade e isolamento térmico por um período entre 30 e 90 minutos, de acordo com a

altura do edifício. O requisito de integridade foi adicionado aos critérios do RSCIEH, assim

como a ressalva quanto ao afastamento entre edificações.

7BS 476 - Fire Tests on Building Materials and Structures, Part 4, 5 and 6.

8 Segundo o método da ASTM E 84 - Test Method for Surface Burning Characteristics of Building Materials.

9 RSCIEH – Regulamento de Segurança Contra Incêndios em Edifícios de Habitação. Lisboa, Decreto-lei no. 64/90, de 21 de

fevereiro de 1990.

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Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 79

Tabela 4.4 - Critérios de segurança contra fogo sugeridos para fachadas leves em painéisGRC, a serem mantidos ao longo do tempo de Rfogo especificado.

CritériosRequisitos Método de

avaliação Alturaaté 9m

Altura9 a 28m

Altura28 a 60m

Integridade 1h 1h 1½ h

Estanqueidade ½h* 1h* 1½h*

½h* 1h* 1½h*

Res

istê

nci

aao

Fo

go

Isolamento Térmico

ISO 834

* para afastamento <1,5m, acrescentar 30minutos.

Aspectos construtivos Análise do projetobarreiras contra-fogo protegendo aspeças de fixação e impedindo acirculação de fumaça e gases quentespelas ligações com as lajes

Semelhantemente ao que ocorre nos sistema pele-de-vidro, as fachadas-cortinas em painéis

projetam-se além das bordas das lajes e geram, a cada pavimento, pontos de descontinuidade

na compartimentação (Figura 4.1). A análise do projeto foi incluída para avaliar a efetividade

do detalhamento de barreiras contra fogo nas junções do fechamento perimetral com as

vedações horizontais e verticais internas, como recomendado pela UEAtc (LNEC, 1974), pela

ISO 7361 (1986) e pelo CSTB (1990).

Figura 4.1 - Corte esquemático de uma cortina de vidro ilustrando a descontinuidade nacompartimentação vertical e o detalhamento do encontro da fachada com aslajes.

Page 96: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 80

4.5 Desempenho acústico

4.5.1 Requisitos dos usuários

O requisito genérico de desempenho acústico de fachadas pode ser descrito como garantir a

ausência de ruídos aéreos e de impacto desagradáveis aos ocupantes, originados por ações

normais interiores ou exteriores, incluindo vibrações excessivas e silvos incômodos

resultantes da ação do vento na fachada e ruídos sistemáticos nos componentes e nas fixações

decorrentes das variações dimensionais das peças (ISCC, 1971; LNEC, 1974).

Os requisitos dos usuários são traduzidos nas especificações de conforto acústico pelo

estabelecimento de níveis de pressão sonora máximos para manter a condição de conforto nos

ambientes, conforme o nível de concentração exigido pelas atividades que abrigam ou para

permitir o repouso.

Na França, Noruega e Suécia10 o nível médio de ruído produzido por fontes internas

(atividades e equipamentos) e externas (tráfego) é regulamentado através da limitação do

nível sonoro contínuo equivalente11 (Leq) medido no interior da edificação(Tabela 4.5). No

Brasil, a NBR 10.152 (1987) também estabelece faixas de pressão sonora de conforto (Tabela

4.5), além de curvas de avaliação de ruído (curvas NC - noise control) que permitem avaliar

todo o espectro sonoro e identificar as bandas de freqüência que necessitem correção.

Tabela 4.5 – Níveis máximos de pressão sonora interna admitidos no Brasil e na Europa.

Brasil (Leq em dB(A))(NBR 10.152, 1987)

Países Europeus (Leq em dB(A))(BATIFOL; ROLAND, 1995)

Residências Áustria 27 a 32 Grécia 35

Dormitórios 35*-45** Bélgica 30 a 45 Noruega 30

Salas de estar 40*-50** Dinamarca 30 Holanda 30 a 35

Escritórios Alemanha 30 a 35 Portugal 40

Salas reunião 30*-40** Espanha 27 Suécia 30 a 40*

Gerência 35*-45** França 30 a 35 UK __

Sala computadores 45*-65**

* Nível de conforto e

** nível máximo aceitável (desconforto, porém ainda sem dano à saude).

10Os demais países europeus utilizam o isolamento normalizado (Dn), o isolamento acústico aparente (R’) ou o índice ISO(Rw). Os valores mostrados na Tabela 4.5 foram uniformizados por BATIFOL; ROLAND (1995) a partir dos índicescorrespondentes adotados em cada país.

11Segundo a NBR 10.151, de 1987 (Avaliação do ruído em áreas habitadas visando ao conforto da comunidade), o nível deruído contínuo equivalente (Leq) é o ruído contínuo cuja energia num certo período é igual à energia total de uma sucessãode ruídos discretos ocorridos no mesmo período.

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Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 81

Os critérios de desempenho são estabelecidos em termos da redução mínima de ruído externo

que as fachadas deverão proporcionar, para que seja mantido o nível de caracterização do

ruído de fundo desejado no ambiente. Essa redução mínima de ruído pode ser definida para

cada banda de freqüência (índice de redução sonora12) ou expressa por um índice único,

obtido em ensaio de medição simplificada ou por uma metodologia sistemática de

ponderação dos índices de redução sonora nas oitavas e terços de oitava entre 100 e 3150 Hz.

Para caracterizar o nível de ruído no local de implantação (Tabela 4.6), utiliza-se ensaios

simplificados em que o aparelho de medição é calibrado segundo uma determinada escala que

pondera os índices de redução sonora medidos para terços e oitavas e os aproxima de forma a

simular a sensibilidade da audição humana13 (PURKIS, 1966; BÁRING, 1988a).

Já para descrever o desempenho global do anteparo quanto ao isolamento de sons graves,

médios e agudos, utiliza-se a classe de transmissão sonora (STC14), um classificador relativo

à freqüência de 500 Hz, que considera fatores de correção para cada banda de freqüência

(deficiência máxima)15 (ASTM E 413, 1994). A STC a que as fachadas devem pertencer é

determinada pelo cruzamento das condições de exposição (Leq, em dB(A), medido no local de

implantação - Tabela 4.6) com os requisitos dos usuários (níveis de conforto relacionados na

NBR 10.152/87, também em dB(A) - Tabela 4.5).

Tabela 4.6 – Grau de poluição sonora conforme o nível sonoro contínuo equivalente(Leq) medido no local de implantação (a partir de BÁRING, 1992).

Poluição sonora Leq na face externa da fachada

Baixa Leq < 35 dB(A)

Moderada 35 < Leq < 50dB(A)

Acentuada 50 < Leq < 65 dB(A)

Grave 65 < Leq < 70 dB(A)

12O índice de redução sonora descrito na ISO 140/III (sound reduction index – SRI, ou sound transmition loss - TL ,designação equivalente utilizada nos EUA) é a representação em dB da relação entre a energia sonora incidente e aenergia transmitida pelo anteparo (GIBBS, 1995).

13 A escala A de calibração do aparelho (indicada em db(A)), reduz a sensibilidade para freqüências abaixo de 1000 Hz e

aumenta a sensibilidade para as freqüências mais altas (HARRIS et al., 1994).

14 Sound Transmission Class (STC) ou classe de transmissão de som aéreo (CTSA).

15O índice de redução sonora ponderado (Weighted sound reduction index - Rw), definido na ISO 713, parte 3 (1982) é muitosemelhante à STC, porém é menos utilizado e não utiliza fatores de correção no cálculo.

Page 98: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 82

4.5.2 Critério de desempenho acústico sugerido para painéis GRC

O ruído de tráfego produzido nas grandes cidades chega facilmente à pior condição mostrada

na Tabela 4.6 (70 dB(A)) (BÁRING, 1992), condição crítica utilizada para a definição do

critério de desempenho acústico sugerido a seguir.

Tomando 35 dB(A) como um valor de ruído de fundo (Leq) que atende às exigências

relacionadas na NBR 10.152/87 para escritórios (Tabela 4.5), em princípio teríamos que a

redução sonora exigida das fachadas estaria em torno de 35 dB. Entretanto, essa faixa de

isolamento não pode ser simplesmente descrita pelo índice STC35.

A classe de transmissão sonora (STC) foi inicialmente desenvolvida para descrever o

isolamento de divisórias internas, referindo-se principalmente ao isolamento de vozes (500

Hz), sons que têm pouca energia nas freqüências mais baixas. Já o ruído de tráfego tem

componentes importantes nas baixas freqüências e o isolamento efetivamente proporcionado

pelas paredes externas tende a ser menor que o indicado pela STC correspondente (HARRIS

et al., 1994).

A diferença entre o nível de ruído externo e o ruído de fundo desejado precisa, portanto, ser

corrigida por um fator (fc) que considera o tipo de ruído presente no local, da absorção sonora

conferida pelo mobiliário e pelos revestimentos internos e da proporção entre a área de

fachada e a área de piso dos compartimento (Eq. 2).

STC* = Leq EXT – LeqINT +fc

Eq. 2 Onde fc é um fator de correção, retirado de HARRIS et al.(1994) e STC* indica a classe de transmissão sonoraglobal da fachada, incluindo portas e janelas.

Esse fator de correção cresce à medida em que a área de fachada aproxima-se da área de piso

(compartimentos menores). Considerando que o principal ruído a isolar é proveniente do

tráfego local e tomando a pior condição de absorção no ambiente interno16, temos que, para

uma relação área de fachada/área de piso de 100% (situação mais freqüente), o fc

correspondente é +817, o que resulta em uma STC* pelo menos igual a 43 (STC*=70-35+8).

Detalhando esse cálculo para extrair separadamente as STC exigidas para o trecho opaco e

para a janela, e considerando que a relação entre a área envidraçada e a área opaca

16Paredes, forro e piso refletivos e ambiente pouco mobiliado (HARRIS et al., 1994).

17 Valor extraído da Tabela 10.5, de HARRIS et al. (1994).

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Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 83

normalmente exigida pelos códigos de edificações é de 1/6 da área do piso (~20%), temos que

a janela deverá ser STC39 (STC*-4) e o trecho opaco, STC45 (STC*+2)18.

Esse resultado corrobora com a sugestão de BÁRING (1998) e é sugerido como critério de

desempenho acústico de fachadas em GRC. Nos casos que fujam das situações típicas

consideradas, esse valor deve ser recalculado pelo mesmo procedimento.

4.5.3 Observações finais

As janelas são caminhos potenciais de penetração de som aéreo vindo do exterior (BRE,

1976; BRE, 1989), seja por permanecerem abertas devido a exigências de ventilação ou pelo

fraco desempenho acústico do vidro. A redução sonora média de uma janela com vidro

simples com 4 mm de espessura é de 22 a 30 dB. A ampliação de massa, recurso

tradicionalmente empregado para aumentar o isolamento, tem efeito limitado e, em condições

de exposição mais críticas, freqüentemente opta-se pelo emprego de vidro duplo, que confere

isolamento entre 40 e 45 dB (BRE, 1993).

O aumento da massa do vidro desloca os furos de isolamento (efeito coincidente) para

freqüências mais baixas e acaba prejudicando o isolamento de sons médios. Na construção

dupla, o espaço preenchido com ar ou outro gás interrompe a vibração do vidro (efeito

diafragma), desde que o afastamento entre as lâminas seja suficiente para evitar o efeito

massa-mola-massa, em que o gás aprisionado transmite a vibração de uma placa de vidro para

a outra.

A transmissão de som através de canais acústicos formados ao longo de regiões com

isolamento deficiente (pontes acústicas e transmissão indireta através de forros e vibração de

lajes) independe das propriedades de isolamento e absorção dos materiais e componentes. As

pontes acústicas podem ser eliminadas unicamente pelo detalhamento criterioso, em que as

configurações de projeto criem descontinuidades que impeçam a propagação de ondas ao

longo dos elementos construtivos. Nesse sentido, a ligação da fachada com as vedações

internas verticais e horizontais merece atenção particular do projetista.

4.6 Desempenho térmico

4.6.1 Requisitos dos usuários

As normas dedicadas ao desempenho de fachadas (ISO 7361/86 e P 05-321/86) tratam

conforto térmico e economia de energia como um requisito único.

18 Valor extraído da Tabela 5.7, de HARRIS et al. (1994).

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Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 84

As exigências humanas de conforto térmico são caracterizadas pela interrelação entre a

temperatura radiante média do ambiente interno e faixas de temperatura, umidade relativa e

velocidade do ar interior, fixados em função da atividade do usuário e da resistência térmica

de suas roupas (FROTA; SCHIFFER, 1988; IPT, 1995e).

A sensação de conforto é normalmente atingida para temperaturas entre 20 e 30oC e umidade

relativa entre 30 e 70%19. As características térmicas da envolvente para as condições de

temperatura e umidade relativa do microclima em que se insere a edificação definem quão

próximo da zona de conforto estará o interior da construção. Quando o isolamento térmico da

envolvente é deficiente, as superfícies interiores ora emitem radiação térmica que

imediatamente causa o desconforto dos usuários, ora tornam-se excessivamente frias e

também causam desconforto devido à perda de calor do corpo por condução.

Um outro aspecto importante é o consumo de energia despendida em condicionamento

artificial durante a fase de utilização, que é economicamente importante e concentra parcela

considerável do impacto ambiental causado ao longo do ciclo de vida do edifício

(HÄKKINEN;SAARI, 1998; SARJA, 1998). A preocupação com o controle da parcela dessa

energia que é perdida através das fachadas emergiu vigorosamente com a crise do petróleo em

meados da década de 70, originando inúmeras regulamentações de controle do isolamento e

da estanqueidade ao ar das vedações externas.

O ganho (ou a perda) de calor através da fachada é estimado pela combinação da temperatura

e umidade relativa locais com a orientação e propriedades térmicas da envoltória e, somado à

contribuição das fontes internas de carga térmica (número de ocupantes, iluminação,

equipamentos e infiltrações de ar), determina a quantidade de calor a ser fornecida ou extraída

do ambiente para mantê-lo nas condições ideais de temperatura e umidade (LAMBERTS et

al., 1997). Diversos softwares, inclusive nacionais, estão atualmente ao alcance do projetista

para a simulação do desempenho térmico nos vários estágios de projeto.

Na etapa de especificação, o objetivo principal do projetista é selecionar materiais e sistemas

construtivos capazes de evitar ganhos (no verão) ou perdas (no inverno) excessivos de calor

através da fachada. Para tanto, é preciso eleger as características físicas que melhor descrevam

o comportamento térmico da envoltória do edifício como indicadores de desempenho e,

19 A ASHRAE considera 26 +2 oC como temperatura ótima de inverno para a América do Norte para umidade relativa entre 30

e 70% e velocidade do ar de 0,5 m/s, considerando pessoas sentadas, com vestimenta normal. A zona de confortosegundo a Carta Bioclimática de Olgyay para usuários fazendo trabalhos leves e trajando 1 clo em países de clima quente,corresponde a temperaturas entre 20 e 30 oC, para umidade relativa entre 30 e 65% e o Índice de Temperatura Efetiva;também para trabalhos leves e vestimenta normal, apresenta uma zona de conforto definida pela faixa temperatura efetivaentre 22 e 27 oC e velocidades do ar entre 0,1 e 0,5 m/s (FROTA; SCHIFFER, 1988).

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Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 85

então, estabelecer valores-limite (critérios de desempenho) que atendam às exigências de

instrumentos normativos e do cliente quanto ao consumo máximo de energia de

condicionamento durante o uso.

4.6.2 Indicadores de desempenho térmico

Um anteparo pode conferir isolamento térmico através da resistência que oferece à passagem

de fluxos de calor e por sua inércia térmica.

A interferência da inércia térmica cresce com a massa da parede, que define sua capacidade

de armazenar energia na forma de calor (capacidade térmica). No caso de fachadas leves, o

efeito da inércia é limitado pela massa reduzida e pelo emprego de materiais isolantes que

reduzem as trocas térmicas da parede com o ar interior. Nessas condições, a capacidade

térmica pode ser desprezada e a eficiência térmica do sistema construtivo indicada por sua

resistência térmica.

A resistência térmica é o parâmetro que caracteriza o comportamento do material em relação

a fluxos de calor em regime permanente, em que o gradiente de temperatura entre as faces do

anteparo é constante e apenas as trocas térmicas por condução são consideradas. Para

sólidos homogêneos, a resistência térmica é dada pelo produto da resistividade20 do material

pela espessura do componente (R= e 1/λ) (BRE, 1976a).

A transmitância térmica (U-value) é o inverso da resistência térmica total do anteparo (Rt),

obtida da soma da resistência térmica das superfícies interna e externa21 e de cada camada do

sistema de vedação (revestimento externo, câmaras de ar, isolantes e revestimento interno),

tomadas algumas suposições padronizadas acerca do teor de umidade dos materiais, das taxas

de fluxo de ar em espaços ventilados e das taxas de transferência de calor para as superfícies

interna e externa por radiação e convecção (BRE, 1976a).

4.6.3 Critério de desempenho térmico sugerido para painéis GRC

As recomendações de desempenho referem-se tanto à resistência térmica da parede (R) como

à transmitância térmica (U). Por ser o parâmetro que representa o comportamento térmico

dos materiais no cálculo da parcela de carga térmica de condicionamento introduzida pela

20A resistividade térmica (indicada em moC/W) é o inverso da condutividade (λ), propriedade do material que mede suacapacidade de transmitir calor por condução, expressa em W/m oC, que indica o fluxo de calor (em W x m) por m2 de áreapara uma diferença de temperatura de 1oC por cada metro de espessura. Assim como a condutividade, a resistividade éuma propriedade do material, independente de sua espessura.

21 Segundo a ISO 6946/1 (1976), as resistências térmicas das superfícies interna e externa podem ser adotadas como

0,13 m2 oC/W e 0,04 m2 oC/W, respectivamente.

Page 102: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 86

fachada22, o critério sugerido neste trabalho está, por conveniência, expresso também em

termos de transmitância térmica (Tabela 4.7).

Tabela 4.7 – Critérios de desempenho térmico de fachadas leves, sugeridos pela UEAtc;critérios sugeridos por MASCARÓ;MASCARÓ (s.d.), para fachadas noBrasil, e critérios sugeridos para painéis GRC.

UEAtc*(BLACHÉRE, 1977) MASCARÓ;MASCARÓ (s.d.)* Critérios sugeridos

U < 1,16 W/m2 oC(R > 0,7 m2 oC/W)

R > 0,7 a 0,9 m2 oC/W,conforme clima e orientação da fachada

(fachadas claras)

(U < 1,16 – 0,93 W/m2 oC)

fachadas sulU< 1,16 W /m2 oC(R > 0,7 m2 oC/W)

fachadas norte, leste e oesteU< 0,93 W /m2 oC(R > 0,9 m2 oC/W)

* para edifícios condicionados artificialmente

No Brasil, o critério da UEAtc atende à sugestão de MASCARÓ; MASCARÓ (s.d.) apenas

para as fachadas sul. Para as fachadas norte, leste e oeste, a resistência térmica da vedação

precisa ser ligeiramente superior (Tabela 4.7).

Os critérios sugeridos na tabela são referências a serem confrontadas com as circunstâncias

ambientais e financeiras envolvidas em cada projeto. Esses valores correspondem a cerca de

50% da transmitância de uma parede de alvenaria23, em que o efeito da inércia térmica retarda

em várias horas o pico de demanda por energia de condicionamento e compensa o maior fluxo

de calor conduzido pela parede.

Devido à elevada condutividade do vidro, a transmitância das janelas é muito alta

(~5,0 W/m2 oC) e as aberturas tornam-se os principais caminhos para os fluxos de calor

através das fachadas (BRE, 1993). Em função do consumo energético máximo aceitável para

o edifício, o projetista precisa, então, controlar a relação entre a área de vidro e a área total do

22 A carga térmica introduzida pela envoltória é dada por: Q= U A ∆T, onde Q é a carga térmica, isto é, a perda ou ganho de

calor por condução através de um anteparo com área A, para uma diferença de ∆T entre as temperaturas externa e interna.

23 Uma parede em tijolos cerâmicos de 8 furos, revestida em ambas as faces e com espessura acabada de 15 cm, apresenta

transmitância térmica de 2,24 W/m2 oC (Projeto de NBR: CB-02:135.07, 1997).

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Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 87

paramento, que define o ganho global da fachada por condução (Eq. 324) e também o ganho

por radiação através da área envidraçada, dado pelo fator solar do vidro25.

Um = (Ujanela x Ajanela) + (Uopaco x Aopaco) Atotal

(Eq. 3) Onde os índices U e A designam astransmitâncias térmicas as áreas,respectivamente.

A Eq. 3 mostra que, para manter a mesma contribuição no ganho por condução da fachada

(Um), à medida em que se aumenta a área de janela, é preciso compensar no isolamento do

trecho opaco, seja pela substituição do material ou pela adição de isolamento complementar.

4.6.4 Observações finais

As fachadas têm papel fundamental no isolamento térmico, no controle de infiltração do ar

externo e na proteção contra a incidência solar direta ou troca de calor por radiação. As

aberturas nas fachadas, por sua vez, são responsáveis pela renovação do ar interior e pela

expulsão do excesso de vapor d’água, importantes para o conforto dos usuários, para a

higienização do ambiente e para a durabilidade dos materiais de construção.

De modo semelhante ao que acontece no desempenho acústico, mesmo quando as

características térmicas dos componentes são controladas e o isolamento é complementado

por materiais isolantes e câmaras de ar, o desempenho da envoltória pode ser prejudicado pela

existência de heterogeneidades dos elementos construtivos que ofereçam menor resistência à

passagem dos fluxos de calor (pontes térmicas).

Essas heterogeneidades podem ser provocadas pelos caixilhos, pelo sistema de fixação dos

painéis ou qualquer situação em que um elemento mais condutor faça a ligação térmica entre

o meio externo e o interior da edificação. As pontes térmicas são o único aspecto

interveniente no desempenho termo-energético da envoltória cuja solução encontra-se

exclusivamente dentro da esfera de projeto, que define a configuração e o detalhamento do

sistema construtivo.

24 No verão, ao ganho de calor por condução (Qc=UA∆∆T) deve-se acrescer o ganho por radiação nos fechamentos opacos

[Q=UA(tsol-ar +∆∆t)], onde tsol-ar é obtrida pelo porduto da absortividade do fechamento (αα) pela radiação local (I) e pelaresistência superficial externa (Rext) (LAMBERTS et al., 1997).

25 Nos fechamentos transparentes, o ganho por radiação é dado por Qr=Fs I, onde I é a radiação local e Fs é o fator solar do

vidro, entendido como a parcela da radiação incidente que atravessa a janela e penetra no ambiente (LAMBERTS et al.,1997).

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Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 88

4.7 Estanqueidade à água

4.7.1 Requisitos de desempenho

Além de estanques ao ar e vento, os elementos da envoltória do edifício devem ser estanques

à água da chuva, do solo e operações típicas de limpeza (BAUER, 1987). Entre as origens de

umidade citadas, as infiltrações de água de chuva representam a maior parte das

manifestações patológicas associadas à umidade (60 a 70%, segundo PEREZ, 1988) e serão

abordadas mais detalhadamente.

A estanqueidade à água da fachada é fundamental do ponto de vista de durabilidade dos

materiais. Quando a fachada é constituída por uma barreira única (paredes simples), a

estanqueidade à água é dada basicamente pela qualidade do revestimento externo e/ou por

uma espessura considerável de parede (CSTB, 1982; BS 5628, 1985).

Nas fachadas leves multi-camada, as camadas de isolamento e o enrijecimento metálico ou

em madeira são vulneráveis à ação da água e devem necessariamente estar protegidos pelo

paramento externo (FONTAN, 1990). A organização em camadas explora, ainda, a proteção

através de barreira múltipla, em que uma lâmina de ar interna impede que a água que

porventura atravessar o paramento externo ou suas juntas consiga atingir as partes do sistema

passíveis de degradação.

Além de interromper fisicamente a continuidade do caminho de penetração de água, essa

lâmina de ar tem a função de permitir a evacuação da água eventualmente infiltrada e do

vapor d’água vindo do interior da edificação, evitando a condensação no interior da parede,

especialmente grave nas situações sujeitas a congelamento. Conclui-se, portanto, que a

superfície externa da fachada, deve combinar estanqueidade à água com permeabilidade ao

vapor tal que permita a sua secagem após os períodos de precipitação (BRE, 1972).

4.7.2 Penetração de água de chuva através das fachadas

A penetração de água nas fachadas está condicionada à presença simultânea de água sobre a

superfície (resultado da ação do vento sobre as gotas caindo na vertical), aberturas por onde a

água possa penetrar (poros, fissuras e defeitos de execução) e forças que conduzam a água

através dessas aberturas (ação da gravidade, pressão de vento, energia cinética das gotas e

forças capilaridade) (BAUER, 1987; PEREZ, 1988). O diâmetro da abertura disponível para a

penetração de água define qual (ou quais) dessas forças será preponderante (Figura 4.2).

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Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 89

Figura 4.2 - Forças responsáveis pela penetração de água nas fachadas (a partir deBAUER, 1987).

O grau de exposição de uma parede é dado pela intensidade da precipitação e pela orientação

da fachada em relação à direção predominante dos ventos. As gotas de chuva caem segundo

uma trajetória vertical e só incidem nos planos verticais devido à sua interação com o vento,

que provoca a deflexão gotas de sua trajetória original e gera a diferença de pressão entre o

interior e o exterior do edifício (PEREZ, 1988).

Nas superfícies diretamente expostas à ação do vento, as solicitações de pressão aumentam

com a altura do edifício. Nas laterais, os fluxos de ar são acelerados até que, próximo às

arestas das fachadas, descolam-se das superfícies e geram solicitações de sucção.

Essa alteração na dinâmica dos fluxos de ar nos encontros de fachadas e as diferenças de

energia cinética em função do tamanho dos pingos26, resultam na deflexão irregular da

trajetória das gotas (BAUER, 1987). Como resultado, observa-se um padrão típico de

umedecimento em forma de parábola27, mais intenso nos cantos e no topo do edifício (Figura

4.3).

26 Gotas menores - de menor energia cinética – são desviadas mais facilmente, enquanto a inércia das gotas maiores impede

que estas mudem sua trajetória.

27Ponto de separação do fluxo de ar, em que ele se “descola” da superfície (aproximadamente 80% da altura da fachada).Abaixo deste ponto, as gotas de chuva de tamanho pequeno a médio são defletidas paralelamente à face do edifício,enquanto que acima dele, elas são defletidas de modo a incidir sobre ela. As gotas maiores (em chuvas de grandeintensidade) não são afetadas (BAUER, 1987).

Page 106: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 90

Figura 4.3 - Padrão típico de umedecimento, com concentração de umidade na regiãopróxima ao topo e às arestas das fachadas (áreas mais escuras).

4.7.2.1 Avaliação de estanqueidade à água de fachadas

Os ensaios de estanqueidade à água são construídos basicamente a partir de um filme

contínuo ou de aspersão de água na superfície combinada com a aplicação de pressão estática

ou dinâmica para simular a ação do vento. Essa combinação de solicitações procura compor

as condições mais críticas que as fachadas poderão encontrar ao longo de sua vida útil;

condições estas que são distintas para fachadas em materiais porosos e fachadas em

componentes com juntas.

Em fachadas constituídas por materiais porosos, a água incidente é absorvida até que a sua

taxa de absorção seja superada pela taxa de incidência de chuva e ocorra a formação de um

filme d’água superficial. Para pequenas taxas de fluxo, o filme flui aderido à superfície

(Figura 4.4a). Havendo saliências na fachada, à medida em que a taxa de fluxo cresce, inicia-

se e intensifica-se o gotejamento (Figura 4.4b), até que o filme d’água ganhe inércia suficiente

para romper a tensão superficial da água e cair livremente (Figura 4.4c) (BAUER, 1987).

Figura 4.4 - Características da migração do fluxo de água superficial, conforme a taxade incidência (BAUER, 1987).

Page 107: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 91

Em fachadas completamente planas, não ocorre o desprendimento do filme d’água e, pelo

tempo em que ele estiver em contato com a superfície da parede, esta estará absorvendo água.

Conforme as características de porosidade do material, a água poderá chegar à face interna ou

parar em algum ponto da espessura da parede, onde permanecerá até ser evaporada pelo

aquecimento provocado pelos raios solares.

O ensaio concentra-se nos fenômenos de absorção e difusão de água e procura simular

rajadas de vento e grandes precipitações através da combinação de película de água com

pressão estática representando a ação do vento e a energia cinética das gotas. As variáveis que

controlam a simulação são o tempo de exposição e a pressão de vento (PEREZ, 1988).

Já nas fachadas pré-fabricadas, estando as juntas perfeitamente seladas, a água que não

escorrer ao longo da superfície tenderá a ser absorvida pelo paramento e, eventualmente, a

atravessá-lo caso os poros estejam conectados. Quando, por outro lado, a eficiência das juntas

for prejudicada por problemas de execução ou por abertura causada pela deformação

excessiva dos componentes sob a ação do vento, as juntas passarão a constituir os caminhos

preferenciais para a penetração de água, especialmente as juntas verticais, que tendem a

canalizar os fluxos diagonais vindos das superfícies adjacentes (BAUER, 1987; PEREZ,

1988).

Nesse caso, a solicitação crítica ocorre nos picos de pressão e depressão de vento, e o ensaio

consiste na projeção de gotas d’água nas partes mais vulneráveis do sistema, combinada com

a aplicação de pressão estática e dinâmica de ar. Dessa forma, a vazão de água aspergida e as

pressões de vento aplicadas são as variáveis que controlam a simulação (PEREZ, 1988).

Apesar de diversas instituições apresentarem métodos próprios para avaliar a estanqueidade

de fachadas e suas partes (CSTB, 1959; BS4315/2, 1970; BRI, 1976; ASTM E 547, 1993;

ASTM E 331, 1993, ASTM E514, 1990; AFNOR P 08-341, 1987 e P 28-105, 1998, entre

outros), o único procedimento dedicado exclusivamente à avaliação de fachadas leves é o

proposto nas diretrizes da UEAtc (LNEC, 1974). Segundo esse documento, o corpo de prova

deve ser mantido por 1 hora sob uma pressão de 500 Pa enquanto recebe pulverização de água

em toda a sua superfície (25 l/h/metro de largura de corpo-de-prova).

4.7.3 Critério de estanqueidade à água sugerido para fachadas leves em painéis GRC

Como critério de desempenho, este trabalho adota que a estanqueidade a água das fachadas

leves deve ser tal que, independentemente do rigor da condição de exposição, o paramento

exterior não permita que a água incidente em sua superfície atinja o material de isolamento e

as partes metálicas do sistema.

Page 108: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 92

Para tanto, sugere-se neste trabalho que:

• o paramento externo seja necessariamente considerado estanque ao final do ensaio

proposto pela UEAtc descrito anteriormente, isto é: não poderão ocorrer escorrimentos,

gotas aderentes ou manchas de umidade na face oposta à molhagem com área total

superior a 10% da área do corpo de prova; e que

• esse paramento externo seja complementado por uma lâmina de ar ventilada (e> 2cm) que

interrompa a passagem da água e apresente dispositivos de coleta e drenagem da água que

eventualmente conseguir penetrar.

4.8 Durabilidade

4.8.1 Requisito de desempenho

O requisito de durabilidade refere-se à capacidade de um produto, componente ou sistema

suportar os efeitos da degradação pelo uso e pelo ambiente e manter o desempenho acima do

mínimo estipulado para um conjunto de requisitos por um período de tempo determinado,

denominado vida útil.

Os sistemas de fachada atendem às exigências de durabilidade quando seus componentes e

sub-componentes são capazes de manter o seu desempenho por tempo igual ou superior à vida

útil de projeto28, para uma freqüência máxima de intervenções de manutenção que determina a

sua viabilidade econômica e operacional.

A vida útil de um componente ou sistema é influenciada pela natureza dos materiais, pelas

condições de uso e exposição aos agentes agressivos29, pela evolução das exigências dos

usuários e pela freqüência de manutenção (CIB W60, 1983, apud JOHN, 1987). A

quantificação da vida útil orienta a seleção de sistemas concorrentes e o planejamento da

manutenção , além de alimentar o cálculo do custo global e do impacto ambiental30 dos

edifícios (JOHN, 1987; SJÖSTRÖM, 1996; ISO CD 15686-1, 1997).

A ISO 7361 (1986) elege o aspecto, a estanqueidade e o isolamento térmico como as

propriedades críticas que descrevem o decréscimo de desempenho de fachadas em painéis e

28 Entendida como o período de uso estabelecido pelo acordo entre projetista e cliente que baliza a especificação de

materiais e a seleção de propriedades críticas de desempenho (ISO CD 15686-1, 1997).

29 A ISO 6241 (1984) apresenta uma extensa relação dos agentes atuando sobre o edifício conforme a sua origem (interna

ou externa ao edifício) e natureza (agentes mecânicos, eletromagnéticos, térmicos, químicos e biológicos).

30 Do ponto de vista do desenvolvimento sustentável, a durabilidade deixa de ser um aspecto importante apenas para o

desempenho econômico e passa a significar o período de tempo em que as atividades que produziram um determinadoimpacto ambiental cumprem sua função social, evitando o consumo de novos recursos (SJÖSTRÖM, 1996).

Page 109: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 93

toma, como indicadores de degradação correspondentes, a perda de planeza (desalinhamento

ou empenamento) e a deterioração superficial da fachada; a redução da estanqueidade e da

resistência térmica; e a ocorrência de tensões perpendiculares à fachada provocadas por

restrição de deformações.

A freqüência de manutenção necessária à conservação dessas propriedades, somada à

facilidade de reparo e substituição, determinam o nível de exigência de durabilidade aplicável

aos componentes e sistemas de fachada (ISCC, 1971; EPEBat, 1984; FONTAN, 1990).

4.8.2 Critérios de durabilidade de fachadas – o caso dos painéis GRC

A ISO CD 15686-1 (1997) recomenda que a vida útil das fachadas seja pelo menos igual a 25

anos (componentes não substituíveis), o que necessariamente implica na necessidade de pelo

menos duas intervenções de manutenção (itens passíveis de reparo ou substituição) -

considerando intervalos de 10 anos (freqüência normal de manutenção) - e, em construções

com vida útil superior a 25 anos, na substituição completa da fachada.

No estado atual de desenvolvimento do compósito, os painéis GRC atendem ao critério da

ISO apenas em países de clima frio e seco (HANSON et al., 1990). Diante da escassez da

dados de envelhecimento natural, a previsão da durabilidade do compósito tem sido feita a

partir do ensaio de envelhecimento acelerado proposto por LITHERLAND et al. (1981). Com

base na tabela de correlação entre os resultados dos ensaios e a projeção para envelhecimento

natural conforme a temperatura média anual de diversas regiões divulgada por esses autores,

estima-se que, no Brasil, a vida útil desses painéis estaria em torno de 5 anos.

A deterioração dos painéis resulta principalmente do envelhecimento do compósito, tratado

no Capítulo 2, mas pode ser acelerada pelo efeito de medidas inadequadas de projeto. O

projeto E-GRS, assim como outras pesquisas de desenvolvimento de cimentos alternativos,

procura eliminar a primeira forma de degradação pelo estudo de matrizes que não apresentem

os mecanismos de envelhecimento do GRC. As formas de contornar a contribuição de falhas

de projeto na deterioração dos painéis serão vistas no próximo Capítulo.

4.9 Considerações sobre o Capítulo

O Brasil não dispõe de documentos normativos que permitam avaliar processos construtivos

inovadores com base no seu desempenho e subsidiem a seleção técnica de alternativas que

concorram a uma mesma aplicação. De um lado, isso permite que produtos de baixa qualidade

sejam comercializados sem restrições legais e, de outro, dificulta a introdução de inovações

tecnológicas no mercado, que acabam competindo apenas por preço com alternativas de

Page 110: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 4 Requisitos e critérios de desempenho de fachadas leves em painéis – aplicação a painéis GRC 94

menor desempenho. Esse segundo quadro é especialmente verdadeiro no caso das vedações

de fachada.

Após extensa revisão bibliográfica, foi possível constatar que, também em nível internacional,

não há critérios mínimos normalizados para o desempenho de fachadas. As especificações de

desempenho atualmente disponíveis dedicam-se apenas à enunciação dos requisitos que

devem ser atendidos e à uniformização dos métodos de ensaio, deixando a definição dos

critérios de desempenho a cargo dos projetistas, de acordo com o seu conhecimento acerca

dos materiais e das condições de exposição ao uso e ao clima que caracterizarão cada projeto.

A definição de critérios de desempenho é, portanto, uma área de pesquisa importante e, apesar

de reunida com o objetivo de alimentar o processo de projeto de painéis de fachada em GRC,

a maior parte das considerações feitas neste Capítulo é passível de adaptação para outras

tecnologias de vedação de fachadas.

Confrontando os critérios de desempenho sugeridos com as informações constantes na

literatura, é possível constatar que painéis de GRC não envelhecido atendem satisfatoriamente

a todos os requisitos realçados para fachadas leves. O envelhecimento do compósito, porém, é

crítico para a conservação do desempenho dos painéis ao longo do tempo.

Com o envelhecimento, perde-se o benefício trazido pelo reforço com fibras na resistência a

impacto, à tração e à flexão. Como os painéis envelhecidos continuarão a ser submetidos a

tensões de tração ao transferirem as cargas de vento para as ancoragens, tensões térmicas ou

de retração e concentrações de tensão em relevos e cantos, a tensão introduzida pode

facilmente superar a resistência do material. A fissuração resultante prejudica a estanqueidade

e, conseqüentemente, o desempenho dos materiais isolantes e fonoabsorventes e a

durabilidade dos sub-componentes internos do sistema de vedação.

Os mecanismos químicos que provocam o envelhecimento do GRC à base de cimento

Portland puro tornam a durabilidade do compósito extremamente dependente do clima local.

No caso de painéis, à degradação provocada pela incompatibilidade química entre as fibras e a

matriz de cimento soma-se a incompatibilidade física entre o GRC - conformado em placas

muito finas e que respondem intensamente às variações ambientais - e determinados

revestimentos e sistemas de fixação, cujo efeito é potencializado pela perda de resistência

mecânica e capacidade de deformação que caracteriza o envelhecimento progressivo do

compósito em ambiente natural.

A origem dessa incompatibilidade física, assim como o efeito de decisões de projeto na

durabilidade dos painéis GRC são objeto de discussão no Capítulo 5.

Page 111: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

5 DIRETRIZES PARA O PROJETO DE PAINÉIS DE GRC

5.1 Introdução

O desenvolvimento da tecnologia de painéis reforçados com fibra de vidro é centralizado por

dois grandes núcleos de pesquisa: a GRCA (Glassfibre Reinforced Cement Association), na

Inglaterra, e o PCI (Precast/Prestressed Concrete Institute), nos Estados Unidos.

A GRCA tem-se dedicado ao estudo e fornecimento de informações acerca dos painéis de

fachada com enrijecimento incorporado, enquanto o PCI trabalha intensamente a divulgação e

o desenvolvimento da tecnologia de painéis com enrijecimento metálico (stud frame).

O emprego de nervuras de enrijecimento introduz algumas limitações de forma e dimensões

dos painéis. A dificuldade de enrijecer geometrias complexas com nervuras a cada 60 ou 70

cm faz com que os componentes sejam usualmente planos ou com relevos discretos e com

dimensões típicas de 3 m x 2m.

A introdução do enrijecimento metálico na década de 70 alterou radicalmente as

possibilidades arquitetônicas dos painéis de cimento reforçado com fibras de vidro. Do ponto

de vista de potencial de projeto, essa alternativa torna-se muito mais interessante, pois admite

a incorporação de placas de GRC com dimensões incomparavelmente maiores

(3 x 9 m) e seção dificilmente obtida de outra maneira.

Cada uma dessas tecnologias tem limitações próprias. Afora as restrições quanto à tipologia

dos painéis, o material isolante contido no enrijecedor pode provocar deformação térmica

diferencial entre a face em GRC e o fundo da nervura de enrijecimento, assim como reter

umidade e provocar sombras nas bordas dos componentes.

Já no caso de painéis com estrutura metálica de enrijecimento, as principais patologias

detectadas em uma série de fachadas em GRC investigadas nos Estados Unidos pelo CTL

(Construction Technology Laboratories) e pela WJE Associates, relacionavam-se à fissuração

prematura, nem sempre visível a olho nu mas que, em algumas situações, permitiu a

penetração de água e o conseqüente dano aos componentes internos; ao empenamento dos

componentes, que normalmente precedia o aparecimento de fissuras visíveis; à descoloração

superficial dos painéis, resultante da carbonatação do GRC; e ao descolamento do

revestimento na interface (SCHULTZ et al., 1992; PFEIFER et al., 1992).

Page 112: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 96

Considerando que, em algumas das situações estudadas, os problemas acima descritos foram

notados logo após a instalação da fachada, descarta-se a hipótese de estarem exclusivamente

associados ao envelhecimento do compósito. Salvo a questão da carbonatação, os demais

fenômenos podem ser atribuídos a falhas do projeto, principalmente nos casos em que houve

dano imediato, e a falhas nas operações de desmoldagem e içamento, que introduziram

tensões superiores ao limite elástico do compósito e resultaram em defeitos latentes que se

manifestaram anos após a conclusão da fachada, à medida em que avançavam os mecanismos

de envelhecimento do GRC.

Pretende-se, neste Capítulo, apresentar as formas com que o comportamento físico e

mecânico do compósito e as particularidades das tecnologias de painéis de fachada em GRC

atualmente disponíveis podem reduzir potencialmente a durabilidade dos componentes, assim

como as principais diretrizes de projeto a serem seguidas para evitá-las. Visando abordar

sistemicamente o projeto de painéis de cimento reforçado com fibras de vidro, procura-se

ordenar os passos envolvidos no processo de projeto, evidenciando a seqüência lógica de

decisões e as interfaces entre profissionais.

Em razão da intensa utilização e das sucessivas inovações por que a tecnologia de painéis

enrijecidos por estrutura metálica tem passado nos últimos anos, os cuidados no projeto dessa

tipologia de vedação serão destacados, inevitavelmente através de intensa citação às

publicações do PCI e do CTL.

5.2 Metodologia de projeto

O fluxograma ilustrado na Figura 5.1 ilustra a seqüência de decisões que compõem o processo

de projeto de painéis de GRC.

Ao definir o partido estético da fachada, o arquiteto fornece as primeiras entradas para o

processo de projeto (1). A geometria e a modulação são estabelecidas através da interação

com o fabricante e, com base nessas informações, define-se o tipo de enrijecimento mais

adequado (2).

Page 113: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 97

Figura 5.1 - Metodologia de projeto de painéis reforçados com fibras de vidro.

Page 114: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 98

As condições de exposição e a interferência desse sistema de enrijecimento e do acabamento

inicialmente pretendido para os componentes alimentam a etapa de dimensionamento,

dividida em dois estágios que consideram (Figura 5.1):

(a) solicitações mecânicas (3): envolvem a ação do vento, do peso próprio e os esforços

durante a desforma, manuseio, transporte e içamento dos painéis. Todo o histórico de

carregamento é importante, para evitar que os esforços superem a tensão de fissuração da

matriz.

(b) solicitações introduzidas por influências ambientais (4): as alterações de temperatura e

umidade do meio externo têm reflexos significativos sobre o compósito, não raro capazes

de provocar tensões que superam inclusive a ação do vento. A restrição imposta pelas

fixações e acabamentos freqüentemente tem influência decisiva na solução final e requer

que os efeitos das alterações de temperatura e umidade sejam considerados como de alta

probabilidade de ocorrência simultânea na combinação de cargas adotada.

Os passos seguintes são o dimensionamento dos sistemas de enrijecimento e fixação (5), o

dimensionamento das juntas (6), a graduação dos níveis de desempenho térmico, acústico e

em relação ao fogo conforme os critérios previamente estabelecidos (7) e o detalhamento final

do sistema e interfaces (8).

5.3 Definição dos requisitos arquitetônicos e associados ao processo

de produção

5.3.1 Definição da geometria dos painéis

As características geométricas dos painéis definem a complexidade dos moldes e têm reflexos

importantes no dimensionamento do GRC e no projeto do sistema de fixação, que devem

orientar as decisões do projetista de arquitetura.

Quando a geometria é rebuscada, o peso próprio do painel raramente gera tensões de

compressão pura (SCHULTZ et al., 1987; PCI, 1994). Relevos profundos criam regiões de

flexão no GRC (Figura 5.2a, situação 2) como uma modificação do caminho ideal de

transmissão do peso próprio da porção superior do painel para ancoragens de apoio e

precisam ser reforçados adequadamente (Figura 5.2b) (OESTERLE et al., 1990).

Page 115: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 99

Figura 5.2 – Influência do perfil geométrico dos painéis sobre a natureza das tensõesinstaladas na camada de GRC.

A configuração em “L” das ancoragens de ligação confere boa resistência às solicitações de

tração, mas, para painéis com perfil geométrico complexo, algumas peças são mais longas e a

situação de compressão criada por pressão de vento tende a provocar instabilidade lateral das

barras metálicas (Figura 5.2a, situação 1). Peças muito curtas, por outro lado, tendem a

restringir a movimentação do trecho compreendido entre elas e as ancoragens para

transmissão de peso próprio, criando tensões de flexão no GRC (Figura 5.2a, situação 4).

Como será discutido no item 5.6.3, as ancoragens mais afastadas do eixo horizontal que passa

pelas ancoragens de apoio e do eixo vertical no centro do painel são as que devem acomodar a

maior faixa de variação volumétrica. Assim, a maior dimensão dos painéis deve ser

controlada para evitar que as tensões de tração acumuladas cheguem à faixa de escoamento do

aço e, com a repetição dos ciclos de aquecimento e molhagem, submetam as barras de ligação

a esforços de fadiga de baixo ciclo (OESTERLE et al., 1990).

O perfil geométrico do painel pode, ainda, criar áreas parcialmente sombreadas ou protegidas

da incidência direta da chuva (Figura 5.2a, situação 3), que originarão tensões diferenciais

associadas a variações de temperatura e umidade do meio.

Page 116: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 100

5.3.2 Definição da modulação

A modulação define a dimensão dos componentes, diretamente relacionada à magnitude das

deformações induzidas por variação de temperatura e umidade, e a massa dos painéis, ambos

parâmetros importantes de construtibilidade.

Como para qualquer produto pré-moldado, a modulação deve ser orientada para a

maximização do reaproveitamento dos moldes e, também por essa razão, as dimensões dos

painéis provavelmente precisarão ser ajustadas às tipologias básicas de fabricação.

O posicionamento das aberturas na fachada interfere na modulação dos painéis e no

lançamento das juntas de dilatação e eventuais juntas falsas. É sempre preferível trabalhar

com aberturas menores e completamente envolvidas pelo GRC (Figura 5.3a), minimizando as

tolerâncias para adequação dimensional e as dificuldades de selagem de juntas.

Figura 5.3 – Interferência do posicionamento e dimensões das aberturas sobre amodulação dos painéis.

Quando os vãos forem grandes demais para ficarem inscritos nos painéis sem criar partes

muito estreitas que aumentem o risco de quebras durante o manuseio (Figura 5.3b), a área de

GRC deve ser dividida em panos menores, priorizando sempre a continuidade das juntas

horizontais (PCI, 1994).

Para evitar que as esquadrias restrinjam a variação volumétrica do GRC, os caixilhos devem

ser ligados ao enrijecimento metálico e a linha de contato entre o caixilho e o paramento de

GRC deve ser isolada por cordão de selante flexível que acomoda a movimentação diferencial

(Figura 5.4) (PCI, 1994; McDOUGLE, 1995). A modulação dos painéis deve assegurar,

então, que cada caixilho seja vinculado a um único quadro de enrijecimento.

Page 117: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 101

Figura 5.4 – Esquema de fixação de esquadrias (a partir de PCI, 1994).

5.3.3 Especificação de cores, acabamentos e texturas superficiais

Antes de especificar determinado acabamento, é necessário conhecer as características do

meio e seus prováveis efeitos sobre a aparência e a durabilidade dos painéis, que deverão ser

considerados na seleção de pigmentos e agregados que constituirão a mistura de acabamento.

Na confecção de painéis de fachada, não se deve utilizar pigmentos escuros, pois, além de

aumentar a absorção da radiação solar, quanto mais escura a coloração, maior será a variação

de tonalidade (PCI, 1994).

Quando o acabamento é dado pela camada de cobrimento, sem reforço, a superfície do painel

provavelmente apresentará fissuras discretas decorrentes do elevado consumo de cimento.

Essa fissuração é superficial pode ser parcialmente contornada pela adição de polímeros na

composição da camada de acabamento, mas, com o tempo, acaba comprometendo o aspecto

do painel (PCI, 1994; PCI, 1991; Cem-FIL Ltd., 1997).

A camada de acabamento não é considerada como parte da seção resistente do painel de GRC,

deve-se atentar que o emprego de agregados decorativos e placas de pedra natural eleva

consideravelmente o peso dos painéis.

Para modificar cores e texturas, é possível especificar diferentes acabamentos e tratamentos

superficiais para uma mesma peça (Figura 5.5a), bastando para isso a previsão de elementos

de demarcação presos aos moldes (Figura 5.5b) e o emprego de misturas de acabamento com

comportamento volumétrico semelhante para evitar fissuras nas linhas de demarcação. Nesse

caso, o projetista deve considerar as linhas de demarcação entre acabamentos na composição

das juntas, para que seu efeito possa ser diluído visualmente.

Page 118: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 102

Figura 5.5 – (a) Painel de GRC com diferentes cores e tratamentos superficiais (PCI,1995) e (b) recurso para delimitar acabamentos diferentes em uma mesmapeça.

Independentemente do acabamento empregado, a sua compatibilidade com a camada de GRC

deve ser alvo de minuciosa investigação. Diferenças notáveis no comportamento em relação à

retração, absorção de umidade e coeficiente de dilatação térmica certamente resultarão em

deformações ou tensões elevadas que freqüentemente superam a resistência à tração do

compósito (ver item 5.4.2).

5.3.4 Detalhamento das bordas

As dificuldades de desmoldagem e o risco de exposição das fibras ou possibilidade de danos

durante o manuseio das peças inviabilizam a produção de painéis com quinas vivas. As

arestas devem ser preferencialmente chanfradas, obtidas pela introdução de calços na face

interna do molde (Figura 5.6 a).

Da mesma forma, não é recomendável utilizar relevos em ângulo exato de 90oC, seja por

exigência do tipo de acabamento escolhido ou, o que é mais determinante, para facilitar a

desmoldagem das peças. Alternativamente, utiliza-se inclinações leves e imperceptíveis

visualmente, normalmente na razão de 1:8 (Figura 5.6b). Quando as laterais dos moldes são

removíveis, as abas nas laterais dos painéis podem ser moldadas a 90oC, mas isso implica em

uma elevação do custo e do desgaste dos moldes que, na maior parte dos casos, não se

justifica.

Page 119: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 103

Figura 5.6 – Recomendações do PCI (1994) para (a) detalhamento de arestas e (b) abasnas lateral dos painéis para receber a aplicação do selante.

5.4 Dimensionamento do painel GRC

Os principais esforços atuando sobre painéis de fachada em condições de serviço foram

discutidos no Capítulo 4 (ver item 2.1). Em linhas gerais, o projeto dos painéis deve

considerar os efeitos do peso próprio, da carga de vento e de alterações de temperatura e

umidade.

Em painéis leves, a ação do vento governa as decisões de projeto juntamente com as

influências ambientais. A resposta de componentes com pequena espessura às alterações de

temperatura e umidade do meio são muito mais rápidas que em painéis robustos e o efeito das

variações volumétricas freqüentemente supera o da carga de vento, especialmente em painéis

revestidos.

O sistema de vedação deve, então, ser projetado de modo que os ciclos de contração e

dilatação do GRC ocorram livremente nas direções horizontal e vertical, sem introduzir

tensões superiores à resistência dos componentes e fixações. Especial atenção deve ser

dirigida para situações potencialmente capazes de restringir essa movimentação entre elas

variações de espessura e na geometria da peça, materiais rígidos embebidos no compósito,

materiais de acabamento com propriedades diferentes das do GRC, fixações, esquadrias

vinculadas e materiais adjacentes (SCHULTZ et al., 1987; OESTERLE, et al., 1990; PCI,

1994).

Em virtude da perda gradual de resistência e capacidade de deformação quando submetido a

envelhecimento natural, as propriedades do GRC aos 28 dias são utilizadas apenas para a

determinação de parâmetros adequados para o projeto e para o monitoramento da qualidade

Page 120: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 104

dos componentes produzidos. No dimensionamento dos painéis, considera-se as propriedades

do compósito envelhecido.

5.4.1 Dimensionamento segundo as solicitações de natureza mecânica

O envelhecimento do GRC impede que a contribuição notável das fibras no comportamento

mecânico obtida nas idades iniciais seja mantida ao longo do tempo e possa ser aproveitada

integralmente na etapa de projeto. O histórico de carregamento também é importante, para

evitar que tensões excessivas provocadas pelas operações de desmoldagem, manuseio,

transporte e instalação do painel provoquem fissuras no compósito ainda jovem que poderão

permanecer invisíveis até que o envelhecimento do GRC as acentue.

Os resultados de LITHERLAND et al. (1981) para ensaios de envelhecimento acelerado

(imersão em água quente a 50oC) demonstraram que, após uma queda progressiva, a

resistência à flexão estabiliza-se um pouco acima de 10 MPa (Figura 5.7b). A partir desses

dados e das recomendações feitas pela equipe do BRE (MOORE, 1984), a GRCA fixou a

resistência à flexão de projeto como 6 MPa1 (Figura 5.7; Tabela 5.1).

(a) (b)

Figura 5.7 - (a) Comportamento na flexão de GRC aos 28 dias e envelhecido; (b)estabilização da resistência à flexão do compósito após envelhecimentoacelerado (Cem-FIL LTD., 1997).

1 Para compósitos com MORk de 18 MPa e LOPk de 6,5 MPa aos 28 dias (Cem-FIL Ltd., 1997).

Page 121: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 105

Tabela 5.1 - Valores de resistência de projeto recomendados pela GRCA (Cem-FIL Ltd.,1997).

Resistências de projeto (MPa)Tipo de solicitação Projeção*

(5% fibras)Pré-mistura**

(3,5% de fibras)

Compressão 12 12

Flexão 6*** 4

Tração 3*** 2

Flexão enrijecedores 4 2,5

Cisalhamento interlaminar (no encontroenrijecedor ou bonding pad com a placa GRC)

2 1

Cisalhamento nos apoios 1 1

* Para compósitos com MORk de 18 MPa e LOPk de 6,5 MPa aos 28 dias e ** Para compósitos com MORk de8 MPa e LOPk de 5 MPa aos 28 dias.

*** Para considerar que o compósito ainda não atingiu sua resistência por ocasião da desmoldagem, esses valoressão minorados para 25% da resistência de projeto durante a verificação dessa solicitação.

O procedimento de cálculo preconizado pelo PCI é ligeiramente diferente e construído a partir

de dois princípios básicos: (1) o limite de proporcionalidade aos 28 dias (LOP28) é tomado

como indicador da resistência à flexão última do compósito envelhecido (MORenv) (Figura

5.8) e (2) todas as tensões que possam atuar sobre o painel até a sua instalação devem ser

inferiores à tensão de fissuração do compósito, o que implica em rígido controle da produção

e instalação dos painéis.

Figura 5.8 - Comportamento a longo prazo de compósitos GRC submetidos aenvelhecimento natural (PCI, 1994).

Page 122: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 106

A resistência à flexão de projeto (fu) é obtida pela Eq. 4, onde aplica-se um fator de segurança

(φφ=0,75) e um fator de forma (s), definido conforme o formato da seção da peça2.

fu= φφ s f’u(Eq. 4) Onde f’u é o menor valor entre:

• 8 MPa;• fyr (1-tV), onde fyr é o LOP médio aos 28 dias; V é o coeficiente de

variação e t, o valor de Student, para 20 ensaios (t=2,539)• 1/3 fur (1-tV), onde fur é o MOR médio aos 28 dias; V é o coeficiente de

variação e t, o valor de Student, para 20 ensaios (t=2,539)

Independentemente do dimensionamento seguir os conceitos da GRCA ou do PCI, os painéis

são normalmente decompostos em vigas ou dimensionados como lajes de concreto. Como

algumas das tensões atuantes nos painéis são de flexão (vento e, conforme a geometria, peso

próprio) e outras, axiais (peso próprio e efeitos de temperatura e umidade), a verificação das

cargas atuantes (devidamente majoradas pelos fatores adequados3) em relação às tensões-

limite do material deve considerá-las separadamente, já que a tensão-limite para solicitações

de tração é significativamente inferior à da flexão (PCI, 19944).

5.4.2 Dimensionamento segundo as influências ambientais – solicitações de

natureza física

Livre de restrição, o GRC deforma-se para acomodar as alterações de umidade e temperatura

do ambiente de exposição. Quando restringido, porém, a força para remover essa deformação

é exercida na própria camada de GRC, nas ancoragens e, caso utilizado, no enrijecimento

metálico (PCI, 1994). Isso determina a fixação do painel em apenas quatro pontos, sem

fixações intermediárias (Figura 5.17a), e o controle das alterações do perfil geométrico do

painel (Cem-FIL Ltd., 1997).

Para que camadas de agregados expostos ou outros revestimentos possam ser utilizados, estes

devem apresentar variação volumétrica próxima da mostrada pelo GRC, caso contrário, o

material que se deformar menos restringirá a movimentação do outro e essa incompatibilidade

resultará em tensões significativas em ambos5 (Figura 5.9).

2 Para seções retangulares, s=1 (PCI, 1994).

3 A combinação de cargas adotada pelo PCI (1994) é adaptada das equações do ACI 318 (1989) para peças de concreto. A

GRCA adota as combinações da BS 8110 (1985), também para peças de concreto.

4 Ver Anexo H (Combining load factors and limiting stresses).

5 A restrição imposta pelo revestimento pode ser estimada através do procedimento apresentado no Anexo F

(Facing/backing interaction stress analysis) da publicação do PCI (1994).

Page 123: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 107

Figura 5.9 – Incompatibilidade entre materiais com diferentes variações volumétricasdiante de gradientes de temperatura6.

5.4.2.1 Efeito de gradientes de temperatura e umidade em painéis GRC

O coeficiente de dilatação do GRC varia amplamente com a formulação do compósito e com

o teor de umidade. A GRCA adota 20 x 10-6/oC para o coeficiente de dilatação térmica do

GRC, em função de trabalho anterior do BRE (MOORE, 1984). O PCI, por sua vez, trabalha

com uma faixa entre 10,8 a 21,6 x 10-6/oC. As medições de PFEIFER et al. (1992), no entanto,

demonstraram que o coeficiente de dilatação do GRC varia de 10 a 27 x 10-6/oC, conforme o

teor de umidade do compósito. Essas constatações sugerem que, em certos casos, as diretrizes

de projeto disponíveis poderão subestimar as deformações induzidas por alterações de

temperatura.

Em condições reais, ocorrem movimentações cíclicas causadas por alteração uniforme de

temperatura (painel não revestido ou, no máximo, utilizando mistura de acabamento com

proporções e materiais muito semelhantes aos do GRC) e gradientes de temperatura ao longo

da espessura (em materiais com propriedades diferentes) e do plano do painel (abas laterais e

porções do painel protegidas da incidência solar direta). De acordo com as condições

climáticas e grau de exposição da superfície, esses gradientes chegam a 16oC e 27oC7,

respectivamente (SCHULTZ et al., 1987), e podem gerar tensões de tração entre 6,4 e 10,8

MPa, considerando o coeficiente de dilatação do GRC igual a 20x10-6/oC.

As misturas de acabamento, revestimento cerâmico e terracotta, apresentam coeficientes de

dilatação de 9 x 10-6/oC, 7.2 x 10-6/oC e 6.8 x 10-6/oC, respectivamente (PFEIFER et al., 1992).

A restrição exercida por esses dois últimos revestimentos chega a 23 MPa, que é mais que o

triplo da resistência à tração última do GRC envelhecido (entre 5 e 7,5 MPa). As tensões de

6 O efeito de gradientes de umidade é semelhante.

7No caso, medido na Flórida, região sul dos Estados Unidos. Para o Brasil, as mediadas provavelmente seriam dessaordem.

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Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 108

tração medidas para as misturas de acabamento testadas por esses autores foram

aproximadamente 12 MPa.

Assim como todos os produtos à base de aglomerantes hidráulicos, o GRC sofre uma retração

inicial por secagem com recuperação parcial de volume com posterior molhagem (Figura

5.10a), isto é, parte dessa deformação inicial é irreversível e impede que o painel retorne ao

seu estado original (SCHULTZ et al., 1987; PCI, 1994).

Figura 5.10 - (a) Comportamento do GRC em relação a variações de umidade do meio e(b) influência do teor de areia na retração (PCI, 1994).

A retração tende a diminuir com a adição de areia, mas continua sendo alta devido ao elevado

teor de cimento utilizado na mistura (Figura 5.10a). Para as formulações mais usuais de GRC

para painéis (relação cimento:areia variando entre 1:1 e 1:0,5), a deformação causada por

retração irreversível é de aproximadamente 0,05% (0,5 mm/m) e chega a 0,15%

(1,5 mm/m) para a retração reversível (Figura 5.10b) (MOORE, 1984). Esses valores são

adotados nas recomendações da GRCA (Cem-FIL Ltd., 1997) e do PCI (1994).

Os efeitos de variações de umidade sobre o GRC são semelhantes aos da temperatura, mas

com magnitude até três vezes superior (SCHULTZ et al., 1987). O GRC poderá estar sujeito a

movimentações cíclicas causadas por alteração uniforme de umidade (retração inicial por

secagem), gradientes de umidade ao longo da espessura (quando o acabamento se deforma

diferentemente do GRC ou quando a face externa estiver saturada com a água da chuva e a

Page 125: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 109

face interna relativamente seca e vice-versa) e alteração de temperatura diferenciada ao

longo do plano do painel (áreas protegidas da incidência de chuva).

A variação dimensional provocada por alterações de temperatura do meio pode ser calculada

em função do coeficiente de dilatação térmica (α), dos extremos de temperatura (∆T) e da

dimensão original da peça (l) (Eq. 5). Raciocínio semelhante pode ser aplicado para estimar a

variação dimensional associada a alterações de umidade, multiplicando a deformação

decorrente de retração irreversível (ou parcela reversível) pela dimensão do painel

considerada (BRE, 1979b).

∆∆ll=εε ll(Eq. 5)

Onde εε representa a deformação associada a variação deumidade (retração irreversível ou reversível) ou de temperatura(α∆T).

A retração por secagem é a primeira fonte de deformação a que o painel será submetido,

acontecendo antes mesmo da exposição do componente a variações de temperatura. Isso

impossibilita a colocação de revestimento cerâmico, material que se deforma muito pouco e

que não se retrai, no fundo do molde antes da projeção do compósito, como é feito em painéis

de concreto.

Adicionalmente, deve-se aguardar que a maior parcela possível da retração ocorra antes da

instalação do componente (McDOUGLE, 1995), de modo a garantir o espaçamento adequado

e uniforme entre painéis e evitar deslocamento significativo em relação à estrutura do edifício.

Com isso, essa deformação inicial não precisa entrar no cálculo de dimensionamento das

juntas, mas deve ser considerada no projeto das ancoragens (ver 5.6.3).

5.4.2.2 Recomendações para a especificação de acabamentos para painéis GRC

Como regra geral, não é possível especificar acabamento cerâmico ou outros revestimentos

pouco deformáveis sobre painéis GRC (McDOUGLE, 1995).

O emprego de acabamento em pedra natural é detalhado nas publicações do PCI (PCI, 1994;

PCI 1995), que recomendam o emprego de barreiras de aderência e ancoragens com

flexibilidade suficiente para permitir a movimentação independente entre o painel e o

revestimento (Figura 5.11).

Page 126: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 110

Figura 5.11 – Opções de ancoragem para revestimento em pedra natural (PCI, 1991;PCI, 1994).

Não foram encontrados dados na literatura que sustentem ou condenem o emprego de pedras

naturais, mas esta solução deve ser vista com reservas devido ao envelhecimento do GRC à

base de cimento Portland. As pedras naturais não apresentam retração irreversível e o

coeficiente de dilatação térmica de granitos é da faixa de 8 a 10 x 10-6/oC (BRE, 1979b), o que

corresponde a cerca de 1/3 a ½ do coeficiente do GRC. O uso de barreiras de aderência é

indicado para evitar problemas de incompatibilidade física, mas o revestimento em pedra

impõe uma carga de peso próprio considerável, que é especialmente crítica em painéis que

não sejam planos (Figura 5.2), principalmente em se tratando de um componente que perderá

resistência com o tempo.

As misturas de acabamento parecem provocar a menor restrição, principalmente quando (1)

os teores de cimento, água e agregados são próximos daqueles utilizados na formulação do

GRC, (2) os agregados decorativos têm dimensão máxima de 10 mm e (3) a absorção de água

é menor que 10% (PCI, 1994; McDOUGLE, 1995). Os resultados de PFEIFER et al. (1992)

confirmam essas suposições.

Em virtude dos sérios problemas de restrição interna que podem ser causados por

incompatibilidade física entre o GRC e o acabamento, recomenda-se neste trabalho utilizar

apenas painéis integralmente pigmentados e com a gama de acabamentos que misturas com

propriedades físicas próximas das do GRC possam oferecer, através da variação de cor,

composição e combinação com moldes com revestimento de madeira, plástico reforçado ou

material elastomérico reproduzindo diferentes texturas.

5.5 Dimensionamento de juntas

As juntas têm a função de acomodar as tolerâncias de fabricação dos componentes, garantir a

estanqueidade e contribuir no isolamento termo-acústico da fachada e acomodar os

Page 127: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 111

movimentos cíclicos freqüentes e de alta intensidade a que os painéis estão sujeitos. Essas

solicitações podem provocar a perda de aderência e/ou ruptura do selante por cisalhamento e,

nessas condições, os selantes elásticos (poliuretano e silicone) tornam-se os mais indicados

(HUTCHINSON et al.; 1995).

Além do selante propriamente, o sistema de selagem de juntas é composto pelo material de

enchimento e, conforme as características do selante e das superfícies, um primer para

melhorar a aderência. Para acomodar adequadamente esses elementos, os painéis de GRC

precisam formar uma aba lateral com, no mínimo, 38 mm (PCI, 1994), sendo sempre

preferível adotar 50 mm (PCI, 1995) (Figura 5.12).

Figura 5.12 – Detalhe típico de juntas entre painéis GRC.

Considerando apenas as dificuldades práticas de selagem, o espaçamento mínimo entre os

painéis deve ser de 19 mm (Figura 5.12b). Quando utilizadas nas arestas do edifício (Figura

5.12a), as juntas a 45o deverão ter pelo menos 25mm de largura para acomodar as

deformações acumuladas, os empenamentos e desalinhamentos freqüentes nos encontros de

planos de fachada (PCI, 1995).

O dimensionamento final das juntas, porém, deve ser definido a partir do gradiente de

temperatura a que os painéis estarão submetidos, da capacidade de deformação do selante e da

temperatura inicial em que ele será aplicado e, finalmente, das dimensões nominais dos

painéis e desvios toleráveis na fabricação (Figura 5.13).

Em juntas subdimensionadas, ora ocorrerão tensões de tração capazes de provocar falhas de

aderência ou ruptura do selante, ora as peças adjacentes entrarão em contato e estarão

submetidas a esforços mecânicos que podem levar a distorções, fissuração e esmagamentos

localizados.

Page 128: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 112

Onde,

xx largura da junta (mm)

ll comprimento da peça (mm)

εεmax deformação máxima do selante (%)

∆∆ll alteração dimensional prevista (mm)

∆∆T variação em relação à temperatura de aplicação doselante (oC)

αα coeficiente de dilatação térmica

Figura 5.13 - Dimensionamento de juntas com selantes.

O procedimento de dimensionamento de juntas com selantes é clássico (ver ASTM C 1193,

1991). Inicialmente, determina-se a movimentação térmica do painel através da Eq. 6:

∆∆ll = αα∆∆T(Eq. 6)

O selante deve ser selecionado de forma que sua capacidade de deformação8 atenda à relação

entre a movimentação do componente (∆l) e a largura da junta (x) (Eq. 7)

ε . maxl

x=

∆ ε α.

. .max

l T

x=

max.

..ε

α Tlx

∆=

(Eq. 7)

A variação térmica adotada no cálculo para dimensionamento das juntas representa a

diferença entre a temperatura de aplicação do selante e os extremos de temperatura típicos

locais, para evitar que, caso o selante tenha sido aplicado em um mês frio, por exemplo, a

junta se feche no verão. O BRE registrou, para painéis instalados no Reino Unido, uma

variação anual da temperatura superficial entre -10oC e 80oC9, capaz de provocar deformações

de 1.8 mm/m (MOORE, 1984). Conforme a estação do ano, a orientação, o grau de exposição

e a cor da fachada, a temperatura superficial chega a ser entre 11oC e 45oC superior à do ar

exterior (PCI, 1994).

8Alguns autores propõem que não se utilize toda a capacidade de deformação do selante no dimensionamento da junta(BEALL, 1993). No Capítulo 4, sugeriu-se que a movimentação dos painéis deve ser acomodada com 90% da capacidadede deformação do selante.

9A temperatura superficial máxima chegou a 60oC, em painéis claros, e a 80oC, para painéis escuros tipo sanduíche(MOORE, 1984).

Page 129: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 113

Ainda não se dispõe de dados nacionais semelhantes, mas a amplitude térmica a ser

considerada no país deve ser igual ou superior. O emprego de painéis escuros torna-se, no

Brasil, definitivamente desaconselhável, pois absorvem maior parcela da radiação solar e a

camada de isolamento usualmente empregada impede a dissipação do calor em direção à face

interna, aumentando ainda mais a temperatura superficial. A orientação do edifício também

deve ser considerada e, no Brasil, os planos de fachada voltados para o norte, leste e oeste

experimentarão patamares de temperatura - e movimentações - superiores aos das fachadas

sul, praticamente sem insolação durante todo o ano.

Painéis de grandes dimensões requerem juntas maiores, capazes de absorver tolerâncias

realistas no que tange à planeza do painel e ao alinhamento das bordas. O PCI (1994) sugere

uma modificação na Eq. 7 de modo a se considerar as tolerâncias dimensionais dos painéis em

GRC (F)10 (Eq. 8).

FTl

x +∆

=max.

..

εα (Eq. 8)

O dimensionamento sugerido pelo PCI (1994) adota a recomendação da ASTM C719, que

determina que os selantes devem acomodar deformações de + 25% da largura original da

junta. Nos casos em que este cálculo resultar em juntas muito largas, que consumam

quantidades excessivas de selante, trazendo dificuldades de cura, ou comprometam o

resultado estético da fachada, deve-se optar por um selante com maior capacidade de

deformação.

A profundidade do selante é função da largura da junta (Figura 5.13), sendo prática corrente

adotar profundidade igual a ½ largura para juntas com até 25 mm e, para juntas mais largas,

utilizar profundidade de 13mm (PCI, 1994). Depois de aplicado, o selante deve ser moldado

segundo uma seção que permita bordas espessas combinadas a uma faixa central mais fina,

visando maximizar a área de aderência sem prejuízo da flexibilidade (Figura 5.12 e Figura

5.13).

A forma e profundidade do selante aplicado são controladas pelo emprego de um material de

enchimento com superfície não adesiva, que, após posicionado, permanece comprimido a

cerca de 30 a 50% de seu tamanho original (PCI, 1994).

10A tolerância para altura e largura de painéis GRC é de + 6mm. Para informações detalhadas sobre as demais tolerânciasde fabricação estabelecidas para painéis GRC, consultar PCI (1994).

Page 130: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 114

5.6 Sistemas de enrijecimento

Painéis pequenos, com até 1m de lado, podem ser suficientemente enrijecidos por sua

geometria, mas painéis maiores invariavelmente exigem enrijecedores incorporados (Figura

5.14a) ou enrijecimento metálico independente (Figura 5.14b) (McDOUGLE, 1995). A

escolha entre um ou outro sistema de enrijecimento é balizada pela carga de vento, tipo de

acabamento, dimensões e perfil geométrico pretendido para o painel, que interferem na massa

do componente e magnitude das tensões causadas por movimentação diferencial.

(a) (b)

Figura 5.14 – (a) Detalhe típico do sistema de fixação de painéis GRC com enrijecimentoincorporado e (b) painel enrijecido por uma estrutura metálica leve (studframe).

5.6.1 Enrijecimento incorporado

Em termos de projeto, a principal influência da escolha do sistema de enrijecimento é sobre a

forma de fixação do painel à estrutura do edifício. Painéis com nervuras de enrijecimento são

vinculados diretamente à estrutura principal do edifício através de fixações simples, nos

moldes daquelas usadas para painéis de concreto, cimento amianto e fachadas ventiladas em

pedra natural, selecionadas conforme os esforços atuando sobre o componente (Figura 5.14a e

Figura 5.15).

Page 131: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 115

Figura 5.15 – Ancoragens encapsuladas para a fixação direta de painéis GRC àestrutura do edifício (GRCA, 1994).

As forças transmitidas ao longo das fixações devem ser distribuídas na maior área de GRC

possível e a base do painel deve estar adequadamente apoiada (Figura 5.17), para evitar

concentração de tensões. Chanfros nos cantos do painel aumentam a área para embutimento

das ancoragens (Figura 5. 16), preenchida com compósito de boa qualidade e nunca com

material refletido na projeção (PCI, 1994; Cem-FIL Ltd., 1997). Os inserts encapsulados no

GRC devem projetar-se ligeiramente (Figura 5.15), para evitar danos ou tensões no GRC

provocados pelo aperto dos parafusos.

Figura 5. 16 - Posicionamento de ancoragens em painéis com enrijecimento incorporado.L é o comprimento da ancoragem encapsulada no GRC (GRCA, 1994).

Page 132: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 116

Visando reduzir a restrição dimensional do painel, o painel é fixado em apenas quatro pontos.

Duas ancoragens são posicionadas junto à base para suportar o peso próprio do painel sem

introduzir tensões de tração no GRC e as duas ancoragens restantes contribuem para

estabilidade lateral e resistência à carga de vento. Uma das fixações de suporte é fixa e serve

como referência de locação enquanto as demais permitem deslocamento horizontal e vertical.

Todos os pontos devem permitir ajuste na direção perpendicular ao plano do painel (Figura

5.17a).

Essa margem de ajuste tridimensional é necessária para acomodar a variação dimensional do

painel e sua movimentação em relação à estrutura, as tolerâncias de fabricação e instalação e

as imprecisões construtivas da execução da estrutura. Obviamente, essa margem é limitada e

as fixações podem restringir excessivamente a movimentação do painel e introduzir tensões e

distorções permanentes no GRC que não foram previstas no dimensionamento.

Detalhes construtivos devem garantir que a execução de elementos internos, principalmente

pisos, não impeça a movimentação das ancoragens (Figura 5.17b).

Figura 5.17 – (a) Esquema de fixação direta de painéis GRC com enrijecimentoincorporado à estrutura do edifício e (b) detalhe da proteção da área detrabalho das ancoragens de suporte junto ao piso do pavimento (Cem-FIL LTD., 1997).

5.6.2 Enrijecimento metálico

A vinculação direta do painel à estrutura do edifício e as dificuldades associadas à

incorporação de nervuras para a confecção de painéis de seção complexa acabam limitando a

Page 133: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 117

forma e as dimensões dos painéis e levaram ao desenvolvimento de painéis com enrijecimento

metálico.

O princípio de enrijecimento com uma estrutura leve ligada ao painel de GRC através de

peças metálicas flexíveis e regularmente espaçadas pretende a livre movimentação da camada

de GRC segundo as alterações do ambiente (SCHULTZ et al., 1987; DANIEL et al., 1989;

OESTERLE, et al., 1990; PCI, 1994).

O sistema de enrijecimento e fixação dos painéis é constituído por três partes distintas: as

ancoragens que ligam o painel ao enrijecimento metálico e transmitem a carga de vento

(ancoragens flexíveis) e/ou peso próprio (ancoragens de apoio); a estrutura metálica e os

conectores de apoio ou restrição lateral (Figura 5.14b).

Analogamente aos painéis ligados diretamente à estrutura, a estrutura de enrijecimento é presa

em quatro pontos. Em painéis vencendo todo o pé-direito, as peças para restrição lateral, são

posicionadas na parte superior do painel e presas sob as vigas do edifício, enquanto as

cantoneiras de suporte, na base do painel, apoiam-se em rebaixos nas lajes (Figura 5.2). Já

para painéis que vencem apenas o vão entre esquadrias, essa disposição é invertida e loca-se

as peças de restrição lateral na parte de baixo, ligadas às vigas, e as cantoneiras de apoio no

topo do painel (comparar Figura 5.2 e Figura 5.14b).

As ancoragens de ligação transmitem a carga de vento e peso próprio do painel para as peças

verticais a que estão soldadas, que redistribuem o carregamento para as peças horizontais. O

carregamento é então coletado por peças verticais reforçadas que alojam os conectores que

fazem a transmissão de esforços para a estrutura do edifício (Figura 5.18).

Para transmitirem a carga de vento atuando no painel para a estrutura metálica, as ancoragens

de ligação são projetadas para serem flexíveis no plano do painel, minimizando a restrição à

movimentação do GRC, e rígidas na direção perpendicular (SCHULTZ et al., 1987;

DANIEL et al., 1989; OESTERLE et al., 1990; PCI, 1994).

A solução mais usual emprega barras de aço cilíndricas dobradas em “L” (Figura 5.19), com

diâmetro definido pela magnitude da carga de vento, pelo espaçamento e comprimento das

peças e pela existência ou não de ancoragens exclusivas para transmitir peso próprio. A

movimentação do painel de GRC é parcialmente acomodada pela flexão das barras, enquanto

a rigidez necessária para a transmissão de carga de vento resulta da combinação de seu

diâmetro, comprimento efetivo (Figura 5.19) e orientação (DANIEL et al., 1989; OESTERLE

et al., 1990; PCI, 1994).

Page 134: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 118

Figura 5.18 – Estrutura metálica para enrijecimento de painéis GRC (PCI, 1994).

Figura 5.19 – Detalhe típico de ancoragens flexíveis para a transmissão de carga devento (PCI, 1994).

Em painéis pequenos, ancoragens com diâmetro usual de 6 mm são utilizadas para a

transmissão de carga de vento (Figura 5.19). Para painéis maiores, em que esse diâmetro seja

insuficiente para também transmitir o peso próprio, as cargas de vento e de peso próprio são

tratadas separadamente (OESTERLE et al., 1990; PCI, 1994).

Nesse caso, todas as ancoragens transmitem a carga de vento, mas a carga de peso próprio é

transmitida por ancoragens de apoio distribuídas em uma linha próxima à base do painel

(Figura 5.18 e Figura 5.23), de modo a introduzir uma pequena compressão acima da linha

Page 135: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 119

das ancoragens que compensa parcialmente as tensões de tração que possam surgir devido a

outras condições de carregamento.

A transmissão da cargas verticais de peso próprio requer peças de ligação necessariamente

rígidas no plano do GRC e, para tanto, são utilizadas duas barras cilíndricas dobradas em “L”

(Figura 5.20a) ou barras chatas soldadas em “T” (Figura 5.20b). Nessa segunda configuração,

a resistência à carga vertical pode resultar em excesso de rigidez na direção horizontal através

da alteração da seção da barra e, quando necessário, pela introdução de furos ovais (PCI,

1994).

Figura 5.20 – Ancoragens de apoio para a transferência de carga de peso próprio.

5.6.3 Soluções de projeto definidas pelo emprego de enrijecimento metálico

Como exposto nos itens anteriores, a minimização da restrição à rápida e freqüente variação

volumétrica do GRC é o principal parâmetro de projeto de painéis enrijecidos por estrutura

metálica. O detalhamento dos painéis deve, portanto, atentar para alguns aspectos críticos:

a) afastamento mínimo permanente entre a placa de GRC e a estrutura de enrijecimento

A distância entre o GRC e a borda dos perfis de enrijecimento é importante para permitir a

movimentação do painel e o acesso dos operários durante a moldagem das chapas de GRC

que ligam as ancoragens ao painel (bonding pads).

Esse afastamento varia com o formato do painel e é determinado pela existência de rebaixos

na superfície externa e pelo tamanho das abas nas laterais dos painéis destinadas à

acomodação do selante (Figura 5.21). Em todos os casos, deve-se manter um afastamento

mínimo de 13 mm (PCI, 1994).

Page 136: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 120

Figura 5.21 - Influência de (a) relevos e juntas falsas e (b) abas nas laterais do painelsobre o afastamento entre o painel de GRC e a estrutura metálica deenrijecimento (PCI, 1994).

Durante a produção dos painéis, as ancoragens também não podem encostar na camada de

GRC (Figura 5.19) para não comprimir o compósito fresco e reduzir localmente sua espessura

nem funcionar como um item embebido que enrijeça indevidamente o painel.

b) distribuição das ancoragens

A distribuição das ancoragens interfere na capacidade de carga do painel, e deve-se considerar

alteração no espaçamento entre as peças de ligação, especialmente nas bordas dos painéis. O

afastamento típico entre pontos de ancoragem é de 60 cm (PCI, 1994) e é recomendável

manter uma distância pequena e uniforme entre a última linha ou coluna de ancoragens e as

bordas (Figura 5.22), para evitar dificuldades de alinhamento e selagem de juntas,

especialmente em painéis revestidos.

Figura 5.22 – Influência da distância da ancoragem à borda do painel (PCI, 1994).

c) orientação das ancoragens

Na análise das alterações volumétricas da peça de GRC, estabelece-se eixos de referência em

que as alterações volumétricas são nulas (Figura 5.23) (PCI, 1994). O eixo de referência

horizontal e vertical passam pelo centro do painel e, à medida em que se afasta desses eixos,

Page 137: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 121

as deformações induzidas por variação de temperatura e umidade aumentam. Assim, quanto

mais afastada do eixo de referência estiver a ancoragem, mais flexível ela deverá ser para

provocar a menor restrição possível à movimentação do GRC11 .

Figura 5.23 – Esquema típico de distribuição de ancoragens em painéis GRC (a partir de(DANIEL et al., 1989; OESTERLE et al., 1990; PCI, 1994; GRCA, 1994).

As características de fixação das ancoragens ao painel geram uma restrição de deslocamento

na horizontal potencialmente maior do que na vertical (DANIEL et al., 1989). Na direção

vertical, a ancoragem trabalha com apenas uma extremidade fixa (Figura 5.19). Com a

colocação de barreiras de aderência, base da ancoragem pode girar no interior da chapa de

ligação (bonding pad) e, para o diâmetro de 6mm usualmente empregado, o comprimento

efetivo define a sua flexibilidade.

Na horizontal, porém, a ancoragem trabalha com as duas extremidades fixas, o que gera uma

restrição de deslocamento potencialmente maior do que na direção vertical. A orientação da

ancoragem em relação ao eixo de referência (deformação = 0) pode reduzir o comprimento

efetivo e passa a ser também importante.

A ponta da ancoragem que fica sob a placa de ligação (bonding pad) deve ser orientada em

direção ao eixo vertical no centro do painel. Assim, para acompanhar a movimentação

causada pela retração por secagem do GRC, a barra tenderá a se afastar do perfil de

enrijecimento a que está soldada, mantendo seu comprimento efetivo original (Figura 5.18)

(DANIEL et al., 1989; PCI, 1994).

11 A restrição imposta pelas ancoragens pode ser estimada através do procedimento apresentado no Anexo E (In-plane

anchor restraint – skin stress analysis) da publicação do PCI (1994).

Page 138: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 122

Em painéis que utilizem ancoragens de apoio, o eixo de referência horizontal é deslocado do

centro do painel para o alinhamento das ancoragens (Figura 5.23). As ancoragens de apoio

são projetadas para permitirem movimentação apenas na direção horizontal; a rigidez na

direção vertical é intencional, para promover a transferência de peso próprio (DANIEL et al.,

1989; OESTERLE et al., 1990).

Para evitar que mais de uma linha de deformação nula (pontos que ficarão “fixos” durante a

variação dimensional do painel) restrinjam excessivamente a porção de GRC compreendidas

entre elas, todas as ancoragens de apoio devem estar sobre o mesmo alinhamento horizontal,

que passa a ser tomado como eixo de referência (Figura 5.23) (DANIEL et al., 1989;

OESTERLE et al., 1990; PCI, 1994).

d) dimensão máxima de relevos e abas laterais inferior a 30 cm

A existência de abas laterais introduz uma tridimensionalidade no painel que demanda

ancoragens especiais (Figura 5.24), capazes de acomodar variações volumétricas em dois

planos simultaneamente (DANIEL et al., 1989).

Figura 5.24 – Ancoragens para sustentação de abas nas laterais e no topo de painéis.Essas peças devem acomodar a movimentação do GRC e transmitir cargade vento simultaneamente (a partir de DANIEL et al., 1989; PCI, 1994).

O tamanho das abas e recuos no plano dos painéis é limitado pela grande variabilidade de

espessura e aspecto superficial quando se tenta confeccioná-los com mais de 30 cm em

painéis revestidos com misturas decorativas. Como o painel é moldado horizontalmente, as

reentrâncias e abas laterais são sempre projetadas na posição vertical, o que favorece o

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Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 123

escorrimento do compósito recém-projetado e introduz dificuldades de consolidação da

camada de acabamento (PCI, 1994).

Em painéis de canto, a configuração ilustrada na Figura 5.25a não deve ser adotada em

nenhuma hipótese, pois a continuidade do enrijecimento gera tensões elevadas sobre o GRC.

As estruturas de enrijecimento devem guardar entre si uma distância de, no mínimo, 5 cm

(Figura 5.25b).

Figura 5.25 – Detalhes do encontro de painéis (b e c) e de painéis de canto inteiriços (d)(adaptado de PCI, 1994 e PCI, 1995).

As juntas próximas aos cantos normalmente precisam acomodar as irregularidades na largura

das demais juntas da fachada e, em certos casos, o emprego de juntas a 45o pode ter um

impacto visual indesejável. Nestas situações, é preferível adotar as soluções mostradas na

Figura 5.25c, em que a junta é deslocada para uma das laterais através do prolongamento de

um dos painéis de canto, ou na Figura 5.25d, em que se utiliza um painel de canto com

enrijecimento independente.

Page 140: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 124

5.7 Adequação do nível de desempenho

As exigências de segurança estrutural orientam a dosagem (teor de fibras) e o

dimensionamento da camada de GRC, sendo o primeiro requisito de desempenho considerado

no projeto dos painéis (item 5.4.1).

Na etapa de adequação do desempenho, as características do sistema de vedação já estão

definidas e todas as partes foram dimensionadas. A resistência ao fogo e os requisitos de

habitabilidade da fachada (estanqueidade, isolamento térmico e redução sonora) são, então,

ajustados aos níveis de desempenho considerados necessários pelo projetista.

Em se tratando de fachadas pré-fabricadas, o atendimento satisfatório de todos os requisitos

de desempenho dependem de alguma forma da qualidade da solução das juntas entre painéis e

entre a fachada e as vedações horizontais e verticais internas. A graduação dos isolamentos

térmico e acústico é função, ainda, da adequação das espessuras dos materiais isolantes e

fonoabsorventes. Os exemplos numéricos utilizaram os critérios sugeridos no Capítulo 4.

5.7.1 Resistência ao fogo

O detalhamento dos painéis permite que a resistência ao fogo do sistema chegue a até duas

horas12 (Tabela 5.2). A partir da espessura de compósito e do tipo de paramento interno,

seleciona-se a combinação mais adequada de espessura de GRC com largura de junta e

profundidade de fibra cerâmica (indicada por C, naFigura 5.26a) ou com espessura de material

isolante na cavidade entre os paramentos da fachada (Figura 5.26b).

(a) (b)

Figura 5.26 - Detalhes de juntas e isolamento em componentes GRC segundo o nível deproteção contra incêndio (PCI, 1994).

12 Utilizando o método da ASTM E 119, que inclui a aplicação de jatos d’água ao final do programa térmico para simular o

efeito dos choques térmicos provocados pelo resfriamento durante a extinção do incêndio.

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Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 125

Tabela 5.2 - Resistência a fogo de sistemas de painéis GRC testados nos EUA (PCI,1994).

Resist. ao fogo Face Externa Face interna Espessura total

10mm de GRC, bordaslaterais 152mm 16mm GWB-C 187mm

13mm de GRC, bordaslaterais 38mm

2 placas de 13mmde GWB-C 165mm2 horas

13mm de GRC**, bordaslaterais 38mm

2 placas de 13mmde GWB-X 229mm

Iso

lam

ento

12,

5 cm

TF

B

1 hora 13mm de GRC, bordaslaterais 127mm 16mm GWB-C 156mm

Resist. ao fogo Largura da junta Profundidade de fibra cerâmica

9mm 19mm2 horas

25mm 57mm

9mm 13mm

Jun

ta c

om

fib

race

râm

ica

1 hora25mm 25mm

** Contendo 5%, em volume, de polímero acrílico termoplástico.

As designações GWB-X e GWB-C referem-se a placas de gesso (tipo wallboard). TFB descreve oisolamento em fibra mineral (THERMAFIBER CW40, marca registrada da United Gypsum),ilustrado na Figura 5.26.

É importante lembrar que a integridade do sistema de vedação em relação ao fogo é também

dada pela integridade das fixações de aço, material cujas propriedades alteram-se

significativamente em temperaturas muito inferiores às da inflamação generalizada13 (1000oC

e 1200 oC) (ROSSO, 1975; BERTO, 1988). Trata-se de um ponto frágil do sistema em relação

a incêndios, que exige barreiras contra fogo entre os pavimentos (ver Figura 4.1) e entre os

paramentos de fachada para evitar ou retardar o acesso das chamas às partes metálicas.

5.7.2 Estanqueidade

O GRC tende a absorver e distribuir a água rapida e uniformemente por todo o componente,

mas não foram detectados sinais de umidade no verso de painéis com 10 mm de espessura

submetidos a simulação de chuva com vento a 47m/s (PCI, 1994).

A preocupação volta-se, então, para as juntas verticais, que constituem as partes mais

vulneráveis de qualquer sistema pré-fabricado pela tendência a canalizar os fluxos diagonais

vindos das superfícies adjacentes.

Para painéis GRC, as juntas simples, preenchidas com selantes elastoméricos, são as mais

utilizadas. Juntas duplas exigem abas laterais maiores (Figura 5.27a), mas podem ser

13A temperatura crítica do aço é de 550oC, sendo que o escoamento a quente ocorre em torno de 400oC (BERTO, 1988).

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Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 126

necessárias em condições críticas de exposição14. Outra possibilidade é aproveitar a facilidade

de conformação do GRC para criar uma saliência ao longo das juntas verticais (Figura 5.27b),

que intercepta o fluxo de água antes de chegar à superfície do selante.

Figura 5.27 – (a) Sistema de selagem com barreira dupla e (b) saliência na borda dopainel para evitar que os fluxos sejam canalizados pelas juntas verticais.

5.7.3 Conforto ambiental

A alinhamento externo dos painéis é priorizado durante a etapa de instalação, o que pode

resultar em um desalinhamento do enrijecimento metálico que impede a fixação do

revestimento interno diretamente sobre ele (Figura 5.28a); nessa situação, o paramento interno

exige uma estrutura de fixação exclusiva (Figura 5.28b).

Figura 5.28 – Reflexo do emprego de estrutura simples (a) ou dupla (b) sobre a fixaçãodo acabamento interno e o posicionamento das camadas de isolamento(PCI, 1995).

14No princípio de barreira dupla, formam-se dois planos de estanqueidade: um externo, com a função de pára-chuva e outro,junto à face interna do componente, com a função de pára-vento. Um dreno elimina eventuais acúmulos de água decondensação ou infiltração, além de conectar o espaço entre os planos de estanqueidade com o exterior, promovendo oequilíbrio de pressões que se opõe à infiltração de água.

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Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 127

O uso de estruturas duplas contribui no aumento do isolamento térmico - e, principalmente,

do isolamento acústico - ao eliminar a continuidade física que favorece a propagação das

ondas de determinadas freqüências através dos sólidos (pontes acústicas) ou a transferência

de calor entre os meios interno e externo (pontes térmicas).

Adotando a condutividade térmica típica do GRC (λ= 1,0 W/m oC, segundo PCI, 1994), tem-

se que a resistência térmica de um painel com 15mm de espessura é igual a 0.015 m2 oC/W.

Considerando um paramento interno com 10mm de gesso acartonado (R=0,0625 m2 oC/W,

segundo BRE, 1976a) e resistência térmica superficial interna e externa de 0,13 m2 oC/W e

0,04 m2 oC/W, repectivamente (ISO 6946/1, 1976), os valores mínimos de resistência térmica

sugeridos no Capítulo 4 (0,7 e 0,9 m2 oC/W) são alcançados com a adição de,

respectivamente, 18 e 26 mm de lã de vidro (λ=0,04 W/m2 oC, segundo BRE, 1976a) na

cavidade entre os paramentos da fachada.

A classe de transmissão sonora (ASTM E413) para as espessuras usuais de placas de GRC

varia entre STC34 (10mm) e STC40 (20 mm) (PCI, 1994). Lembrando que a câmara de ar e o

paramento interno15 também contribuem para aumentar a redução sonora, e que o material

normalmente utilizado como isolante térmico e barreira contra fogo é a lã de vidro, um

excelente absorvente acústico, a configuração do sistema de vedação completo certamente

superará o critério de desempenho sugerido (STC45).

5.8 Considerações sobre o Capítulo

O tipo de enrijecimento distingue as duas tecnologias de painéis GRC atualmente disponíveis,

que consistem em componentes com enrijecedores incorporados ou ligados a uma estrutura

metálica leve. Essa segunda configuração tem sido intensamente utilizada desde meados da

década de 80, mas, por outro lado, tem acumulado um histórico considerável de problemas de

durabilidade em espaços de tempo relativamente curtos.

As principais patologias detectadas derivavam do descolamento do revestimento na interface

e da fissuração prematura, empenamento e descoloração superficial dos painéis (SCHULTZ

et al., 1992; PFEIFER et al., 1992). A observação desses problemas logo após a instalação da

fachada descarta a hipótese de estarem associados exclusivamente ao envelhecimento do

15Não foram encontrados dados referentes à placa de gesso isoladamente, mas uma divisória interna com uma placa de15mm de cada lado promove uma redução sonora de 39 dB (PLACO DO BRASIL, s.d.). Cada placa de gesso contribui,então, com pelo menos metade do isolamento proporcionado pela divisória, já que a continuidade acústica formada pelasguias internas tende a diminuir o isolamento total.

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Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 128

compósito e confirma a parcela de responsabilidade de falhas de projeto e de controle de

execução.

Na esfera de projeto, a experiência com essa primeira geração de painéis GRC demonstrou

que a falha em considerar adequadamente o problema das alterações dimensionais do

compósito no projeto de componentes GRC foi a principal causa da fissuração observada,

agravada pela perda de resistência e tenacidade com o passar do tempo

(BENTUR;MINDESS, 1990).

Em se tratando de elementos tradicionais de vedação, com maior espessura, o efeito de

variações de temperatura é menos importante, haja vista que, enquanto a face mais externa é

aquecida, por exemplo, a face interna mantém sua temperatura e controla a alteração

volumétrica. O mesmo se aplica para os ciclos de absorção e perda de umidade.

Nos painéis de GRC, porém, a alta proporção entre a quantidade de pasta de cimento e a de

agregados resulta em coeficiente de dilatação térmica, retração por secagem e retração

reversível elevados. A resposta às alterações ambientais são, portanto, intensas e, devido à

pequena espessura, são também muito rápidas. Em termos de projeto, os principais

condicionantes impostos por esse comportamento físico relacionam-se dimensionamento das

juntas, ao emprego de materiais de acabamento e à rigidez do sistema de fixação dos painéis.

O manual do PCI é visto como o estado-da-arte sobre projeto de painéis de GRC. No entanto,

essa publicação ainda inclui revestimento cerâmico e terracotta na gama de acabamentos

possíveis para os painéis . O coeficiente de dilatação térmica do GRC pode ser quase três

vezes o coeficiente desses revestimentos (PFEIFER et al., 1992), o que pode provocar uma

restrição de deformação no GRC capaz de gerar tensões de tração de 3 a 4 vezes maiores que

a resistência à tração última do GRC envelhecido. Mesmo as misturas de acabamento podem

gerar tensões de tração de 12 MPa, e devem, por isso, ter espessura controlada e composição

próxima da do GRC.

Como mostrado no Capítulo 2, mesmo quando utilizadas as fibras AR, o compósito perde

parcela significativa de sua resistência e dutilidade iniciais e, no dimensionamento do painel,

trabalha-se dentro do limite elástico do compósito. Algumas publicações mais recentes têm

tratado a melhoria de propriedades trazida pelo reforço com fibras de vidro como uma

margem extra e temporária de resistência, isto é, uma espécie de bônus a ser explorado na

fabricação, manuseio e instalação dos componentes, fases críticas na produção de thin-sheet

products por gerarem esforços que muitas vezes superam as próprias solicitações de serviço

(McDOUGLE, 1995; Cem-FIL Ltd., 1997).

Page 145: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 129

Essa postura é contestada por SCHULTZ et al. (1992) e OESTERLE et al. (1992), uma vez

que, caso o limite elástico do compósito seja excedido, serão geradas fissuras que, ainda que

não se tornem imediatamente visíveis, constituirão defeitos latentes que serão acentuados com

o envelhecimento do GRC. Estudos feitos pelo CTL (SCHULTZ et al., 1992) concluíram que

provavelmente não ocorrerá a colmatação autógena de fissuras causadas após 24 horas de

idade, o que permite aproveitar o ganho temporário de resistência, no máximo, durante a

operação de desmoldagem.

As principais diretrizes de projeto de painéis GRC podem ser reunidas em torno de dois

princípios básicos: (1) permitir que a camada GRC movimente-se livremente em resposta às

alterações ambientais e (2) dimensionar o painel de modo que as tensões sejam sempre

mantidas abaixo do limite elástico do compósito; o controle de produção deve garantir que as

tensões geradas ao longo do processo também sejam mantidas abaixo desse limite. Em linhas

gerais, pode-se salientar as seguintes recomendações:

1. A geometria do painel interfere nas tensões geradas no GRC. O ideal é trabalhar com

painéis planos. O efeito da restrição causada pela forma, relevos e abas laterais deve ser

considerado na análise estrutural do painel;

2. Não utilizar modulação que resulte em painéis em formato de “L”. Essa configuração

em L exige duas linhas de ancoragens de apoio, o que não é recomendável, pois restringe

a deformação do GRC;

3. As esquadrias devem estar inscritas em um único painel, evitando bordas estreitas e

propensas à fissuração;

4. Não vincular esquadrias, peitoris e rufos ou chapim de platibanda diretamente à

camada de GRC, mas ao enrijecimento metálico.

5. Observar a compatibilidade entre a face de acabamento e a camada de GRC. Não

utilizar acabamento cerâmico ou outros revestimentos pouco deformáveis sobre painéis

GRC. Recomenda-se usar painéis integralmente pigmentados ou misturas de acabamento

com consumo de cimento e relação a/c semelhantes aos do GRC e diâmetro máximo dos

agregados decorativos inferior a 10 mm.

6. Aguardar que a maior parcela de retração dos painéis ocorra antes de proceder a

instalação, para minimizar movimentação diferencial em relação à estrutura. Em edifícios

com estrutura de concreto armado, sempre que possível, deve-se carregar o edifício ao

Page 146: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 5 Diretrizes para o projeto de painéis GRC 130

máximo antes de iniciar o fechamento externo; dessa forma, minimiza-se problemas de

acomodação da deformação lenta da estrutura.

7. Adotar uma amplitude térmica conservadora no dimensionamento das juntas e

estimativa de deformação do GRC e tensões correspondentes;

8. Limitar dimensões máximas das partes em GRC. Com isso, controla-se a deformação

induzida por alterações de temperatura e umidade e evita-se que as tensões acumuladas

nas ancoragens na periferia do painel atinjam a tensão de escoamento do aço.

Adicionalmente, em peças menores, pode-se utilizar apenas ancoragens flexíveis para a

transmissão de carga de vento e peso próprio e prescindir de ancoragens de apoio, que

restringem a movimentação da camada de GRC na direção vertical.

Uma outra alternativa é utilizar uma estrutura metálica enrijecendo várias partes pequenas

de GRC, em uma adaptação da solução recomendada pelo PCI para vedar vãos com mais

de 6m.

9. Em painéis com enrijecimento incorporado, fixar em apenas 4 pontos, sendo uma

fização de referência na base do painel e as demais, com possibilidade de ajuste nas três

direções;

10. Em painéis com enrijecimento metálico,

• garantir a flexibilidade das ancoragens, através da combinação de diâmetro,

comprimento efetivo e orientação das barras em “L”. A ponta das ancoragens sob as

chapas de ligação (bonding pads) devem ser orientadas para o eixo de referência

vertical que passa pelo centro geométrico do painel

• distribuir homogeneamente as ancoragens, com atenção para o balanço nas bordas do

painel (entre 7,5 e 30 cm);

• Manter o afastamento mínimo de 13mm entre o GRC e a estrutura de enrijecimento;

• Não utilizar abas laterais com mais de 30 cm; providenciar estruturas de enrijecimento

independentes em painéis de canto.

Esse capítulo deve ser visto como uma etapa que antecede a confecção de um Manual de

Projeto, em que foi promovida uma discussão abrangente dos principais aspectos de projeto

de painéis de cimento reforçado com fibras de vidro resistentes a álcalis (GRC). A aplicação

desses conceitos a painéis à base de cimento de escória (E-GRS) apenas poderá ser validada

com a disponibilização de resultados experimentais específicos.

Page 147: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O mercado nacional é absolutamente carente de alternativas racionalizadas de vedação. Nesse

contexto, os painéis de fachada reforçados com fibras de vidro são uma alternativa

interessante, uma vez que esta tecnologia combina as vantagens da pré-fabricação com leveza,

grande flexibilidade de formas e níveis de desempenho ajustáveis a diferentes condições de

exposição e exigências dos usuários.

A projeção manual é o método mais indicado para o estágio inicial de implantação da

tecnologia no Brasil. O procedimento de produção dos painéis é simples, porém o maior teor

de fibras incorporado na projeção tem reflexos importantes nas propriedades dos

componentes. A projeção automática estaria reservada para uma etapa posterior, caracterizada

por uma demanda consolidada por produtos padronizados.

Em ambientes relativamente secos, como no interior de edifícios, o GRC é um material

durável. Em climas quentes e úmidos como o do Brasil, no entanto, os mecanismos de

degradação do compósito levam a uma perda progressiva de resistência mecânica e

ductilidade que, provavelmente, reduziria a vida útil dos componentes a níveis inaceitáveis.

O projeto é determinante na durabilidade de fachadas de painéis em GRC. Devido ao alto teor

de pasta utilizado nas misturas GRC, o coeficiente de dilatação e a retração são elevados e,

como resultado, a resposta do GRC às alterações de temperatura e umidade do meio são

intensas e muito rápidas. A falha em considerar adequadamente a magnitude das alterações

dimensionais do compósito no projeto, especialmente quando utilizados revestimentos, é

apontada como a principal causa da fissuração observada nos componentes.

As diretrizes de projeto apresentadas foram definidas com base no estudo do comportamento

físico e mecânico do compósito e no estado atual da tecnologia de painéis GRC. As etapas

compreendidas no processo projetual foram ordenadas de modo a evidenciar a seqüência

lógica de decisões e a interdependência de informações que balizam as decisões de projeto,

assim como as interfaces entre os diversos profissionais envolvidos.

As principais diretrizes que orientam o projeto de painéis GRC podem ser reunidas em torno

de dois princípios básicos: (1) dimensionar o painel de modo que as tensões sejam sempre

mantidas abaixo do limite elástico do compósito e (2) permitir que a camada GRC

movimente-se livremente em resposta às alterações ambientais.

Page 148: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 6 – Considerações Finais 132

Devido à rapidez e à magnitude das deformações higrotérmicas dos painéis, o projeto deve

buscar formas de minimizar as restrições internas, causadas pela geometria do painel e pela

utilização de materiais de acabamentos incompatíveis, e externas, provocadas pela rigidez das

ancoragens de ligação entre o painel e o enrijecimento metálico ou pela incapacidade de as

fixações à estrutura acomodarem a movimentação diferencial entre o painel e a estrutura do

edifício.

As formas mais efetivas de controle do efeito das variações dimensionais dos painéis são a

limitação da área superficial dos componentes, envolvidos por juntas flexíveis; o emprego de

ancoragens flexíveis para transmitir os esforços do GRC para a estrutura de enrijecimento e a

seleção criteriosa dos revestimentos empregados, que devem apresentar deformação próxima

da experimentada pelo compósito.

A geometria e a modulação interferem nas tensões geradas no GRC e o seu efeito deve ser

considerado na análise estrutural do painel. Em painéis com enrijecimento metálico, a

distribuição, orientação, diâmetro e comprimento efetivo das barras metálicas definem a

flexibilidade das ancoragens de ligação. Já, para as configurações com enrijecimento

incorporado, a movimentação do painel deve ser garantida pelo ajuste das fixações.

Embora o manual do PCI inclua revestimentos pouco deformáveis como cerâmica e

terracotta entre os revestimentos possíveis para painéis GRC, para evitar tensões diferenciais

entre o acabamento e o painel, recomenda-se neste trabalho que somente sejam empregados

painéis integralmente pigmentados ou recobertos por misturas de acabamento com

composição semelhante à do GRC e com absorção de água e diâmetro de agregados

controlados.

6.1 Linhas para a continuidade da pesquisa

No campo de painéis de cimento reforçado com fibras de vidro e sistemas de fachadas leves,

as principais linhas de pesquisa que se delineiam são:

(a) a continuidade de pesquisas direcionadas para a normalização do desempenho de

fachadas;

(b) pesquisas que procurem aumentar a durabilidade do compósito em ambiente quente e

úmido, através da modificação do tratamento superficial das fibras e, principalmente, do

desenvolvimento de matrizes alternativas, compatíveis com as fibras de vidro;

Page 149: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

Capítulo 6 – Considerações Finais 133

(c) modificação da formulação das matrizes visando controlar a sua movimentação diante das

alterações ambientais;

(d) modelos que permitam estimar a amplitude térmica experimentada pelo painel de fachada

a partir de dados ambientais nacionais, a exemplo de trabalhos que vêm sendo feitos no

exterior para a definição da amplitude térmica de projeto mais adequada;

(e) desenvolvimento de modelos simplificados para estimar a restrição causada pela

geometria dos painéis. Esse é um ponto crítico no projeto que vem sendo tratado através

de análise por elementos finitos; o desenvolvimento de programas com interface amigável

que incorporem com facilidade a estimativa dessas restrições à rotina do projetista mostra-

se bastante interessante;

(f) desenvolvimento de ancoragens que provoquem menor restrição nos painéis,

eventualmente em materiais resistentes à corrosão, como o plástico reforçado com fibras

de vidro, que já vem sendo utilizado com sucesso na substituição dos conectores de aço

empregados em painéis sanduíche de concreto.

Page 150: Diretrizes de Projeto de Painéis de Fachada em Cimento Reforçado com Fibras de Vidro

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Capítulo 7 Referências Bibliográficas 135

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