Neste artigo serão abordadas as propriedades físicas e mecânicas do vidro, com ênfase à sua tensão de ruptura e cálculo dos esforços para determinar a espessura de uma chapa
Propriedades físicas
Os valores a seguir foram retirados da NBR 7199/1989. As variações dos valores apresentados são decorrentes do fato de que as propriedades físicas de um vidro são a média ponderada das propriedades físicas de seus óxidos constituintes.
* Módulo de elasticidade: E = (75000 +/- 5000) MPa;
* Tensão de ruptura à flexão:
Para vidro recozido: (40 +/- 5) MPa;
Para vidro de segurança temperado: (180 +/- 20) MPa;
· Coeficiente de Poisson: 0,22;
· Massa específica: (2500 +/- 50)kg/m³;
· Dureza: entre 6 e 7 na escala de Mohs;
· Propriedades térmicas:
Coeficiente de dilatação linear entre 20°C e 220°C: α = 9 ∙ 10 -6 °C-1;
Coeficiente de condutibilidade térm. a 20°C: K = (0,8 a 1) kcal/m.h°C (vidro incolor);
Calor específico entre 20°C e 100°C: c = 0,19 kcal/kg°C;
· Tensão admissível de flexão:
Para vidro recozido: σ = (13 +/- 2) MPa
Para vidro de segurança temperado: σ = (60 +/- 4) MPa.
Propriedades mecânicas
O vidro é um material de comportamento frágil (ou rígido), não apresenta qualquer tipo de aviso nem possibilita redistribuição de esforços através de deformações plásticas.
Teoricamente, se levarmos em conta as forças desenvolvidas ao nível molecular, o vidro pode atingir uma tensão de ruptura à tração até 32GPa. Porém, esse valor está muito acima do alcançado pelo material fabricado, ou seja, não tem utilidade prática ou estrutural. A diminuição desse valor na prática deve-se, principalmente, à existência de defeitos na superfície do vidro, que por sua vez, estão relacionados com limitações existentes no processo de fabricação. Alem de ser impossível obter elementos de vidro sem defeito, também não se pode prever a posição ou quantidade desses mesmos defeitos, fazendo com que seja igualmente difícil de prever o valor da resistência à tração desse material. Além disso, fatores como a dimensão do elemento – a dimensão do elemento tem uma influência estatística, já que, quanto maior for o elemento de vidro analisado, mais elevada é a probabilidade de se encontrar um defeito que diminua a resistência à tração no vidro – e a intensidade e duração do carregamento aumentam ainda mais a imprevisibilidade do problema por participarem ativamente no desenvolvimento desses defeitos.
No geral, a resistência a tração do vidro será tanto menor quanto maior a tensão aplicada, quanto maior o tempo de aplicação dessa tensão, quanto maior o tamanho do defeito inicial e quanto maior a probabilidade de existência de tal defeito. Portanto, sua quebra é originada por uma combinação de estado de tensão e de estado e número de defeitos.
Apesar de vários parâmetros influenciarem a tensão de ruptura do vidro é freqüente encontrar-se atribuído um valor para a mesma. Em geral, a bibliografia especializada atribui um valor médio entre 45 e 50MPa para vidro recozido (NBR 7199), porém não se especifica qual a extensão da placa nem a disposição do carregamento na placa.
A seguir , uma tabela (VALARINHO) em que é demonstrada uma variação bastante significativa do valor de tensão conforme a dimensão e a posição da chapa – com a peça horizontal, em que o painel de vidro é submetido a cargas perpendiculares ao seu plano e com a peça na vertical, significa que o painel de vidro é submetido a cargas paralelas ao seu plano.
VALORES DA TENSÃO DE RUPTURA DO VIDRO
Em termos de resistência à compressão, o vidro apresenta um valor significativamente superior ao valor da resistência à tração, mas que também não tem significado estrutural. Na prática, mesmo em elementos sujeitos unicamente a forças de compressão, desenvolvem-se sempre tensões de tração, Desta forma, o vidro acaba sempre por atingir o seu valor de resistência à tração, muito antes de atingir a sua resistência à compressão.
Fica claro que a tensão de ruptura do vidro, ao contrário dos materiais mais comuns na construção, não se trata de um valor intrínseco ao material, mas sim de um valor que depende da qualidade do fabrico e do nível de dano existente à superfície dos painéis de vidro. Por outro lado, toda esta incerteza relativa ao cálculo da tensão resistente do vidro torna-o relativamente inseguro para uso estrutural.
Apesar de todas essas questões, a utilização estrutural do vidro tem aumentado com o decorrer dos anos, com os vários tipos de vidro existentes no mercado e com os tratamentos aplicados, considerando-se os vidros corretamente elaborados, ou seja, homogêneos e bem afinados, pois heterogeneidades químicas põem causar tensões que não podem ser removidas no recozimento e que intensificam a fragilidade do material.
O que se faz, na prática, é proteger a superfície contra fissuras decorrentes do manuseio, daí a importância dada pela NBR 7199 a esse assunto. A têmpera também pode agir para aumentar a resistência a esses defeitos de superfície, onde é criada tensões de compressão que dificultam a penetração de trinca e sua propagação. O vidro temperado tem compressão na superfície, portanto, mesmo com defeitos, até certa magnitude, não há tração para que eles cresçam. A região interna do vidro está tracionada, porém não existem núcleos de trincas.
Esforços solicitantes
O cálculo dos esforços solicitantes é necessário para que se determine a espessura da chapa de vidro. Deve-se considerar a pressão do vento, o peso próprio da chapa por unidade de área e a pressão de calculo.
* Pressão do vento
Determinada pela expressão:
pv = C ∙ q.
Onde:
pv = ação do vento, em Pa (N/m²)
C = coeficiente de forma
q = pressão dinâmica do vento
* Peso próprio por unidade de área
Deve ser levado em conta para as chapas de vidro não-verticais, como coberturas e pisos, ou quando suscetíveis a inclinações em relação à horizontal.²
É considerado o peso próprio da chapa por unidade de área, pp.
* Pressão de cálculo
Considera-se atuando normalmente ao plano da chapa de vidro.
Para vidro recozido:
pc = 1,2 (pv + 2 ∙ pp ∙cos θ)
Para vidro temperado:
pc = 1,2 (pv + pp∙ cos θ)
Onde:
pc = pressão de cálculo
pv = pressão do vento
pp = peso próprio por unidade de área
θ = menor ângulo que a chapa de vidro pode formar com a horizontal
2 = coeficiente para levar em conta que o peso próprio é uma carga permanente, uma vez que se utiliza no calculo a tensão admissível de flexão para as cargas acidentais.
1,2 = coeficiente para levar em conta os esforços devidos à limpeza e manutenção.
A CEBRACE desenvolveu um programa em que o calculo da espessura da chapa é feito com base em algumas informações fornecidas pelo usuário e para diversas situações de uso.
Notas
¹NBR7199:1989. Projeto, execução e aplicações de vidros na construção civil.
²Informação foi extraída da NBR 7199, onde não há indicações quanto à necessidade de se considerar o peso próprio também em chapas na vertical, com força atuante paralelamente a chapa.
BIBLIOGRAFIA
AKERRMA, Mauro.Natureza, Estrutura e propriedades do vidro. Centro técnico de elaboração do vidro. Saint Gobain, 2000.
NBR7199: 1989 . Projeto, execução e aplicações de vidros na construção civil.
VALARINHO, Luís Guilherme da Cunha Seixas. Construção em Vidro Estrutural. Comportamento Estrutural de Vigas Mistas Vidro-Gfrp. Instituto Superior Técnico Universidade Técnica de Lisboa. Dissertação de Mestrado. Lisboa, 2010.
Fontes: Cebrace / sites.google.com/arquiteturaemvidro