Vidro

Materiais de Construção I

Módulo 9 – Vidro

Apontamentos das Aulas Teóricas

Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto

Mestrado Integrado em Engenharia Civil

2008/2009

Augusto Gomes, A. P. Ferreira Pinto, 2009 – Apontamentos das aulas teóricas – “Vidro”

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VIDRO

VIDRO = Sólido de estrutura interna não cristalina (amorfa)

Elevada resistência química (durabilidade) e transparência à luz visível

VIDROS DE SILÍCIO-SODA-CÁLCIO – COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA PRIMA

- VITRIFICANTE – Sílica – Si O2– Areia (70%); A sílica tem a capacidade de se transformar em vidro pela acção do calor

- FUNDENTE – Soda – Na2 O – óxido de sódio (15%);

Provém do carbonato de sódio

Faz baixar a temperatura de fusão da sílica

- ESTABILIZANTE – Óxido de cálcio - Ca O (10%); Provém do carbonato de sódio Ca2 CO3

Melhora a resistência química do vidro

- OUTROS – Casco - Vidro partido -

Abaixamento do ponto de fusão

PROCESSO DE FABRICO – FLOAT – Vidro recozido (Vidro normal em chapa) - Mistura das matérias-primas

- Forno até 1550 ºC – as matérias-primas fundem

- Arrefecimento até 1100ºC

- Massa fundida vertida sobre estanho fundido (232ºC) - arrefece até 600ºC

o estanho é mais denso que o vidro

- Forno de recozimento – Arrefecimento controlado até 250º

- Arrefecimento ao ar (Vidro normal em chapa)

- Corte

- Velocidade ≈ 15 m/min


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TÉCNICAS ANTIGAS DE PRODUÇÃO DE VIDRO

- PROCESSO DE DISCO – ESPESSURA VARIÁVEL


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- PROCESSO DO CILINDRO

- ESTIRAGEM

- LAMINAGEM (vidro impresso)

TIPOS DE VIDRO – CONSTITUIÇÃO QUÍMICA

- VIDRO DE SÍLICA SODA E CÁLCIO – Vidro Normal

- Si O2 (70%), Na2 O (15%), Ca O (10%)

- vidro corrente, embalagens

- VIDRO DE CHUMBO – “ CRISTAL”

- Si O2 (30 a 70%), Pb O (18 a 65%), Na2 O ou k2 O (5 a 20%)

- Baixo ponto de fusão

- Maior reflectividade

- Elevado peso volúmico - γ até 60 kN/m3

- Cristal, vidros para óptica

- VIDRO DE BOROSILICATOS – resistente à temperatura

- Si O2 (60 a 80%), B2 O3 (10 a 25%), Al2 O3 (1 a 4%)

- Elevada resistência química

- Coeficiente de dilatação térmica (0,3 E-5) ≈ 1/3 do vido normal

- Resistência a altas temperaturas e a variações bruscas de temperatura

- Utensílios de laboratório, lâmpadas, fornos, etc – “Pyrex”

- VIDRO DE SÍLICA – Sílica – Si O2 (99.5%)

- Muito elevada temperatura de fabrico

- É transparente a uma elevada gama de frequências

- Coeficiente de dilatação térmica muito baixo (0,1E-5) ⇒ resistência ao choque térmico

- Aplicações especiais – electrónica, física

- VIDRO DE ALUMINOSILICATOS –

- Si O2 (5 a 60%), Al2 O3 (20 a 40%), Ca O (5 a 50%), B2 O3 (0 a 10%)

- Elevada temperatura de produção

- Resiste a altas temperaturas

- Vidros para óptica e para fins militares


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PROPRIEDADES DO VIDRO DE SÍLICA, SODA E CÁLCIO

- RESISTÊNCIA

- Fibras de vidro atingem 7 000 MPa (fibras correntes 1000 a 2000 MPa).

- Quanto menor o diâmetro das fibras maior a resistência

- No vidro em chapa os defeitos superficiais originam concentrações de tensões que precipitam roturas frágeis (responsáveis pelo fraco desempenho mecânico do vidro à flexão)

- Resistência à flexão - vidro recozido: 40 a 50 MPa

- vidro temperado: 120 a 200 MPa

- Rotura frágil à flexão (associada a uma elevada dispersão de valores)

- Resistência à compressão – 1000 MPa (100 kN/cm2, 10 ton/cm2)

- Comportamento elástico linear

- Módulo de elasticidade: 70 GPa (≈ 2 x betão, 1/3 aço)

- Coeficiente de Poisson: ν = 0.22

- Coeficiente de dilatação térmica: α = 0.9E-5 ≈ 1E-5

- Peso volúmico – γ = 25 kN/m3 (e = 10 mm ⇒ m = 25 kg/m2)

- Dureza na escala de Mohs = 5.5

- Durabilidade e resistência química – o vidro só é atacado pelo ácido fluorídico

- Aspecto visual do vidro

- O vidro tem uma coloração esverdeada que é visível em vidros de maior espessura e nos topos

- Reflexos inconvenientes

- Roturas frágeis devidas a:

- Dilatação térmica – é necessário deixar folgas nos caixilhos ou sistemas de fixação para permitir a sua livre dilatação

- Choque térmico

– rotura devida a variações bruscas de temperatura ou a zonas que estejam a temperaturas diferentes (± 25ºC) (⇒ ≠ deformações)

– Este fenómeno é mais significativo nos vidros de controlo solar que absorvem a radiação


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TRATAMENTOS SUPERFICÍAIS (CAPEAMENTOS)

- REVESTIMENTOS DUROS - aplicados na linha de fabrico float

- Revestimento de óxidos metálicos aplicado a T=600ºC por pirólise

- e ≈ 0,1 mm

- Elevada durabilidade

- REVESTIMENTOS MACIOS MULTICAMADA – APLICADOS DEPOIS DO FABRICO FLOAT

- Permitem maior flexibilidade de soluções

- Aplicados por: imersão em banho, deposição por vapor, ...

- Originam películas reflexivas

- Tratamentos Antireflexo

- OS TRATAMENTOS SUPERFICÍAIS CONFEREM ALTERAÇÃO DE :

- Reflectância

- Coloração ⇒ variação da absorção e da transmissão

- Emissividade da superfície

- Filtros dicróicos

- Vidros de transmissão variável, em função da temperatura, da intensidade luminosa ou de controlo eléctrico

TIPOS DE VIDROS – CONSTRUÇÃO CIVIL

- RECOZIDO – vidro em chapa normal

– pode ser colorido e reflectante – aplicação de tratamentos superficiais

- TEMPERADO – maior resistência à flexão

- ARAMADO – contêm uma rede tremida de aço no interior

– Vidro de segurança

- ESTRATIFICADO – (laminado)

– 2 ou mais camadas ligados por uma película de PVB - Polivinil de Butiral

– Podem ser incluídas camadas de policarbonato, poliuretano ou película decorativa de poliester serigrafada

– 2x3, 2x4, 2x5, .3 ou 4 x 4 a 6 mm

– Vidro de segurança: - protecção de queda de pedaços em caso de quebra

- anti intrusão

- anti-bala


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- IMPRESSO –

- Vidros translúcidos - deixa passar luz sem permitir distinguir nitidamente os objectos

- Submetidos a um processo mecânico (rolos rugosos) que lhe confere rugosidade na superfície

- Superfície atacada com ácido fluorídrico◊ vidro fosco

- MOLDADO – Perfis em U, tijolos e telhas de vidro,

- VIDROS COM REDES METÁLICAS NO INTERIOR - CONTROLO DA RADIAÇÃO SOLAR E DA LUMINOSIDADE


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TÊMPERA DO VIDRO

- Aquecimento a 650º seguido de arrefecimento rápido com ar

- da têmpera resultam tensões auto-equilibradas na secção, de compressão junto das faces exteriores e de compressão no interior (onde existem poucas microfendas) que melhoram o comportamento à flexão

- Se partir, um vidro temperado fragmenta-se completamente devido às tensões

residuais instaladas

- Por razões de segurança é imposta uma dimensão máxima dos fragmentos

- Não pode ser manufacturado (corte, furação) depois de ser temperado


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TRANSMISSÃO DE ENERGIA ATRAVÉS DO VIDRO

- O factor solar depende da temperatura interior e exterior e da gama de frequências

- Energia solar: 3% U.V.; 53% espectro visível; 44% Infra-vermelho

- EFEITO DE ESTUFA – Os vidros são transparentes à radiação solar e praticamente opacos à radiação emitida pelos materiais que estão no interior

- a radiação proveniente dos materiais à temperatura ambiente é emitida na gama do infra-vermelho longo λ > 5 mm


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- TRANSMISSÃO LUMINOSA

TROCAS TÉRMICAS

- CONDUÇÃO – Transferência de calor ao longo do interior do corpo

- CONVECÇÃO – Transferência de calor entre a superfície dum sólido e um fluído

- RADIAÇÃO – Depende da emissividade da superfície do material

CONFORTO

- ELEVADA TRANSMISSÃO LUMINOSA – factor luz do dia

- REDUZIDA TRANSMISSÃO U.V. – descoloração e alteração de materiais

- REDUZIDA TRANSMISSÃO ENERGÉTICA - verão ext. → int.; Inverno int. ← ext.

- O vidro tem uma condutibilidade térmica alta – 1,16 W/mºC ⇒

- perdas de calor condução, convecção e radiação

- sensação de parede fria

- condensações


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CONTROLO SOLAR

- Orientação das fachadas - Sul e Oeste ⇒ + calor no verão

- Norte e Este ⇒ Luz uniforme e sem calor

- Altura e dimensão dos vãos – + alto ⇒ + luz

- ÁREA EFECTIVA DO ENVIDRAÇADO

- PROTECÇÃO SOLAR DO VÃO


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SOLUÇÕES DE VIDROS

- VIDROS DE SEGURANÇA – vidros estratificados, temperados e aramados

a) Protecção contra ferimentos em caso de choque acidental

b) Segurança contra queda de pedaços em caso de quebra

c) Protecção contra a queda de objectos em vidros de coberturas

d) Segurança contra intrusão

e) Anti-bala

- VIDROS ESTRATIFICADOS (laminados)

- As películas de plástico (PBV, policarbonato ou poliuretano) não permitem que em caso de quebra os pedaços se soltem ou caiam

- A camada de poliuretano permite absorver a diferença de deformação térmica que ocorre entre as placas de vidro e de policarbonato

- Vidros estratificados aplicados em: em grandes vãos, em montras, protecção anti-roubo, vidros anti-bala,

- VIDROS TEMPERADOS: a) e (d)

- VIDROS ARAMADOS : a), b), c) e d)

- VIDROS DE CONTROLO SOLAR - depósito de óxidos metálicos na superfície ou revestimentos multicamada

- alteração da coloração, da opacidade e da reflectância (transmissão luminosa)

- colorações: azul, prata, bronze, rosa, verde, ...

- Os depósitos metálicos no exterior reflectem a luz e a energia (Verão)

- A reflectância impede a entrada de energia da radiação do sol (Verão)

- Superfície de baixa emissividade: aumento do índice de reflexão no espectro dos infra-vermelhos longos diminuindo as perdas térmicas (Inverno)

- Os vidros de controlo solar procuram assegurar uma boa transmissão de luz visível e um elevado índice de reflexão reduzindo as trocas térmicas


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- VIDROS RESISTENTES AO FOGO

- o vidro comporta-se mal face ao fogo devido ao choque térmico

- vidro aramado – evita a queda e não a rotura nem a transmissão térmica

- vidros de borosilicatos (Pyrex) – menor coeficiente de dilatação térmica

- soluções de vidros duplos de borosilicatos armados e com um gel transparente no interior

- com a acção da temperatura o gel expande-se e transforma-se num material poroso e isolante

- VIDROS TEMPERADOS – maior resistência mecânica

- Utilizados em soluções sem caixilhos, em fachadas de vidros fixados pontualmente, em portas e montras, como vidro de segurança (contra intrusão e protecção de lesões em caso de quebra), …

- VIDROS DE COMPORTAMENTO ÓPTICO MODIFICADO

- Vidros dicróicos – decompõem a luz nas suas várias cores

- Espelho frio – reflectem a luz visível e deixam passar os infravermelhos

- Vidros esmaltados

SOLUÇÕES DE ENVIDRAÇADOS - VIDRO SIMPLES E DUPLO

- VIDRO SIMPLES: U = 5.8 W/(m2.ºC)

- VIDRO DUPLO (ou vidros múltiplos): U = 2.9 W/(m2.ºC) (4-12-4)

- U = Coeficiente de Transmissão Térmica

- Perfil metálico, selante exterior e material absorvente de humidade

- Em geral o espaço é preenchido com ar seco (baixa condutibilidade térmica)

- Se o espaço for preenchido com um gás raro, argon, xenon ou crípton a condutibilidade térmica é inferior ( U = 1,3 W/(m2.ºC) )

- Ex. de solução de qualidade: 10-12-6

- Até certas espessuras o vidro de maior espessura deve ser colocado no lado exterior de modo a assegurar a resistência necessária à acção do vento

- A eficácia aumenta ligeiramente até espaçamentos da ordem de 0.10 m


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TRANSMISSÃO SONORA

- SOM AMBIENTE

- propagação através do ar

- a transmissão reduz-se com a massa da divisória e com a existência de materiais absorventes:

materiais porosos ou deformáveis - esponjas, lãs minerais (que não reflectem ou difundem o som – superfícies irregulares)

- PERCUSSÃO

- transmissão através do material

- depende do módulo de elasticidade do material

- Isolamento conseguido com materiais elásticos (deformáveis)

- Caso particular do ANDAR – propagação através do pavimento e da estrutura

CARACTERÍSTICAS ACÚSTICAS DOS ENVIDRAÇADOS

- É mais importante a espessura total (massa)

- Vidro duplo 4-10-4 ≈ Vidro simples 8 mm

- Os vidros duplos com caixas de ar até 20 mm não melhoram o isolamento acústico

- Para ser eficiente a redução acústica, a caixa de ar deve ter e > 100 mm

- Para e > 100 mm o isolamento térmico é um pouco menor por haver convecção

- Espessura diferente dos dois panos ⇒ diferentes frequências críticas ⇒ melhor comportamento acústico

- Maior isolamento acústico com dois caixilhos independentes separados por uma distância da ordem de 0.20 m.

- Neste último caso é vantajoso apoiar elasticamente os caixilhos para evitar transmissão através da parede


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- VIDROS ACÚSTICOS

- Existem vidros laminados “acústicos” com PVB (resina) de maior espessura e com características de absorção acústica

Vidro duplo acústico Chapas de diferentes

espessuras sendo uma delas estratificada com

PVB “acústico” (Solução mais eficiente que

a representada à direita)

Vidro duplo acústico Chapas de diferentes espessuras com maior massa total

Vidro duplo Ganho térmico

Vidro duplo “acústico” Ganho térmico e acústico Chapas de diferentes espessuras Espessura total superior à solução da esquerda ⇒ maior massa

Vidro duplo “acústico” Ganho térmico e acústico Chapas de diferentes espessuras Chapa exterior estratificada com PVB absorvente acústico . Solução melhor do que a representada ao centro

Vidro duplo acústico 6-12-13

13=6+1(resina)+6

Vidro duplo acústico 10-12-13

13=6+1(resina)+6 Solução de maior massa do que a indicada à esquerda


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TIPOS DE ABERTURA DE JANELAS OU DE PORTAS

BIBLIOGRAFIA

“Tectonica, Vol 10 – Vidro (I)”, 3ª Edición – mayo-junio 2004, ATC Ediciones, S.L., Madrid, ISSN: 1136-0062

“Manual do Vidro“, Saint Gobain

Christian Schittich et.al., “Construire em verre”, Preces Polytechniques et Universitaires Romandes, Lausanne, Suisse, 2001, ISBN:2-88074-474-1.

”Glass – Structure and Technology in Architecture”, Edited by Sophia and Stefan Behling, Prestel Verlag, 1999, ISBN: Christian Schittich et.al., “Construire em verre”, Preces Polytechniques et Universitaires Romandes, Lausanne, Suisse, 2001, ISBN:3-7913-2155-2.

Margarita MendizábaL, ”Manual de La Ventana”, Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo, Madrid, 1988, ISBN:84-7433-575-2

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