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Propriedades físicas e mecânicas do vidro

13/05/2012

Propriedades físicas e mecânicas do vidro

 

A propriedade mais importante do vidro é a sua transparência, que é confirmada pela elevada transmitância na gama do visível. Na verdade, o vidro float apresenta valores de transmitância elevados até à radiação infravermelha média, tendo uma transmitância praticamente nula para a radiação infravermelha longa (λ > 5000 nm), que é nada mais que calor. Desta forma, em termos ambientais, o vidro permite a passagem de luz visível, o que atmosfericamente permite o aquecimento do espaço interior que o vidro protege, mas impossibilita a transferência desse mesmo calor para o exterior, dando origem ao principal problema ambiental associado ao vidro: o efeito de estufa. Além da sua transparência, o vidro é habitualmente fabricado em superfícies muito lisas e impermeáveis.
As restantes propriedades físicas do vidro encontram-se sintetizadas na Tabela 1. Comparando algumas das suas características com outros materiais comuns na construção, verifica-se que o vidro tem um peso específico aproximadamente igual ao do concreto armado, mas com uma rigidez mais elevada, ainda que, para ambas as propriedades apresente valores inferiores ao aço.

 

Mecanicamente, o vidro é um material com comportamento elástico quase perfeito, isotrópico e com rotura frágil, que não apresenta qualquer tipo de aviso nem possibilita redistribuição de esforços através de deformações plásticas.
 

Em termos resistentes, o vidro apresenta um comportamento não convencional. Teoricamente, se  tiver em conta as forças desenvolvidas ao nível molecular, o vidro pode atingir uma tensão de rotura à tração até 32 GPa. No entanto, trata-se de um valor que é muito mais elevado do que o alcançado pelo material fabricado, acabando por não ter utilidade prática ou estrutural. Esta diminuição deve-se, principalmente, à existência de defeitos ao nível da superfície que, por sua vez, estão relacionados com limitações existentes ao nível do processo de fabrico. Além de ser impossível obter elementos de vidro sem defeitos, também não é possível prever a posição, extensão ou quantidade desses mesmos defeitos, o que torna o valor da resistência à tração difícil de prever.
Vários estudos debruçaram-se sobre este tema, comprovando que só em raros casos é possível descrever o valor da tensão resistente à tração do vidro segundo uma distribuição normal ou segundo uma distribuição de Weibull. Os resultados demonstram que a resistência à tração do vidro apresenta uma grande dispersão e muito baixa repetitividade . Apesar disso, é consensual que o principal fator para esta ocorrência é o estado da superfície do vidro, que apresenta sempre pequenas fendas, defeitos, praticamente invisíveis a olho nu, e sem qualquer tipo de posicionamento conhecido. Além disso, fatores como a dimensão do elemento1 ou a história do carregamento2 (intensidade e duração) aumentam ainda mais a imprevisibilidade do problema, já que participam ativamente no desenvolvimento desses defeitos. Em suma, o importante a reter é que o desenvolvimento dos pequenos defeitos é extremamente variável e função de vários parâmetros.
Não se considera do âmbito desta matéria aprofundar o estudo do desenvolvimento de defeitos no vidro, que, por si só, seria tema de uma dissertação completa, mas resumem-se os seguintes fatores que influem no estado da superfície e, consequentemente, na tensão resistente do vidro:

• Estado da superfície;
• Dimensão do elemento;
• História do carregamento;
• Tensões residuais;
• Condições ambientais.

Em termos globais, a resistência à tração do vidro será tanto menor quanto maior a tensão aplicada, quanto maior o tempo de aplicação da tensão, quanto maior o tamanho do defeito inicial e quanto maior a probabilidade de existência de tal defeito. Compreende-se, então, que a quebra do vidro é originada por uma combinação de estado de tensão e de estado e número de defeitos. Desta forma, a abordagem moderna do cálculo da tensão de rotura tem-se dedicado não ao cálculo de uma tensão resistente mas ao cálculo de uma probabilidade de sobrevivência.
1 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
2 A história do carregamento tem influência direta no estado da superfície do vidro. De acordo com Haldimann et al. na presença de umidade e sob um estado de tensão que origine trações no vidro acima de um determinado valor, ocorre uma deterioração dos defeitos existentes no vidro fazendo com que o vidro quebre após um determinado período de aplicação de carga e para um nível de tensão inferior à sua resistência inicial
Na Figura 1 é apresentada uma comparação entre a distribuição do dano à superfície do vidro e a respectiva distribuição de resistência à tração. Verifica-se que com o aumento do tempo de carregamento, ocorre um aumento do dano à superfície, o que origina não só uma diminuição do valor médio da tensão de rotura, como também uma redução da sua dispersão.

Figura 1 – Distribuição estatística da tensão de rotura do vidro devido ao aumento do dano à superfície do vidro, com a) superfície de um vidro novo, b) superfície do vidro depois de sujeito a ações climáticas e c) superfície do vidro com dano inerente à sua utilização no tempo (adaptado de ).

Apesar dos vários parâmetros que influenciam a tensão de rotura do vidro, é frequente encontrar-se atribuído um valor para a mesma. Em geral, a bibliografia especializada atribuiu um valor médio entre os 45 e os 50 MPa  não fazendo qualquer referência a que tipo de situações se aplica este valor (por exemplo, em Njisse é referido que: “O vidro normal recozido quebra por volta dos 45 MPa”). A norma prEN 13474  (pré-norma de apoio ao dimensionamento de painéis de vidro) define um valor característico, isto é, com probabilidade de excedência de 95%, de 45 MPa. Apesar das condições para o seu cálculo serem diferentes das tabeladas pela própria norma3, este valor encontra-se uniformizado e atribuído para, por exemplo, painéis de vidro com área de 1 m2. 


 
De fato, a abordagem oferecida pela norma prEN 13474 é mais completa do que a simples assunção de um valor médio para todas as situações de aplicação do vidro. Por exemplo, em Veer et al.  foram efetuados ensaios de flexão de 4-pontos em vários tipos de amostras, variando, por exemplo, a sua dimensão e a sua posição de carregamento (um ensaio que é efetuado com a peça horizontal, significa que o painel de vidro é submetido a cargas perpendiculares ao seu plano; por sua vez, um ensaio que é efetuado com a peça na vertical, significa que o painel de vidro é submetido a cargas paralelas ao seu plano).
Aqui no Brasil existem varias normas e muitas vezes temos que fazer uma analise detalhada de duas ou mais normas para se chegar a  um termo apropriado.


São elas :

NBR11706: Vidro na construção civil
Esta norma fixa as condições exigíveis para vidros planos aplicados na construção civil.

NBR12067: Vidro plano - Determinação da resistência à tração na flexão
Esta norma especifica um método para a determinação da resistência à tração na flexão de vidros planos. Adicionalmente, apresenta-se o procedimento para a medição da flexão máxima oriunda do carregamento, a ser determinado sempre que houver interesse.

NBR7199: Projeto, execução e aplicações de vidros na construção civil
Esta norma fixa as condições que devem ser obedecidas no projeto de envidraçamento em construções.

NBR13866: Vidro temperado para aparelhos domésticos da linha branca
Esta norma especifica os requisitos e os métodos de ensaios para vidros temperados utilizados em aparelhos domésticos da linha branca.

NBR14207: Boxes de banheiro fabricados com vidro de segurança
Esta norma especifica os requisitos mínimos, em termos de segurança, para os materiais utilizados no projeto e na instalação de boxes de banheiro fabricados a partir de painéis de vidro de segurança para uso em apartamentos, casas, hotéis e outras residências.

NBR14488: Tampos de vidro para mesa - requisitos
Esta norma especifica as exigências de desempenho e as medidas lineares necessárias para garantir a segurança da aplicação de vidro plano maior que 0,02m², utilizado na composição de mesas que tenham o vidro como componente de uso aplicado à sua utilização.

NBR14564: Vidros para sistemas de prateleiras - Requisitos e métodos de ensaios
Esta norma especifica as exigências de desempenho e medidas lineares necessárias para garantir a segurança da aplicação de vidro plano utilizado na composição de sistemas de prateleiras que tenham o vidro como componente de uso aplicado à sua utilização.

NBR14696: Espelhos de prata
Esta norma especifica os requisitos gerais, métodos de ensaio para garantir a durabilidade e a qualidade dos espelhos de prata manufaturados; não se aplica a espelhos curvos e metalizados.

NBR14697: Vidro laminado
Esta norma especifica os requisitos gerais, métodos de ensaios e cuidados necessários para garantir a segurança e a durabilidade do vidro laminado em suas aplicações na construção civil e na indústria moveleira, bem como a metodologia de classificação deste produto como vidro de segurança.

NBR14698: Vidro temperado
Esta norma especifica os requisitos gerais, métodos de ensaios e cuidados necessários para garantir a segurança, a durabilidade e a qualidade do vidro temperado plano em suas aplicações na construção civil, na indústria moveleira e nos eletrodomésticos da linha branca. Também fornece a metodologia de classificação deste produto como vidro de segurança.
NBR15198: Espelho prata - Beneficiamento e instalação
Esta norma especifica os requisitos mínimos para beneficiamento e instalação dos espelhos prata, de maneira a garantir a durabilidade e a segurança do produto.

NBR NM293: Terminologia de vidros planos e dos componentes acessórios a sua aplicação
Esta norma estabelece os termos aplicáveis a produtos de vidro plano em chapas e acessórios usados na construção civil.

NBR NM294: Vidro float
Esta norma MERCOSUL tem por objetivo estabelecer as dimensões e requisitos de qualidade (em relação aos defeitos óticos e de aspecto) do vidro plano float, incolor e colorido, destinados aos mercados de arquitetura e decoração. Também estabelece a sua composição química e suas principais características físicas e mecânicas. Esta norma não se aplica ao vidro cortado em peças de tamanho adequado ao seu uso final.

NBR NM295: Vidro aramado
Esta norma MERCOSUL tem por objetivo especificar as dimensões e requisitos mínimos de quantidade em relação aos defeitos óticos, de aspecto e do arame metálico do vidro aramado. Esta norma não é aplicável ao vidro aramado cortado, apenas às chapas padrão.

NBR NM297: Vidro impresso
Esta norma MERCOSUL tem por objetivo especificar as dimensões e requisitos de qualidade em relação aos defeitos de aspecto de vidro plano impresso. Também estabelece a sua composição química e suas principais características físicas e mecânicas. Esta norma não é aplicável ao vidro impresso cortado.

NBR NM298: Classificação do vidro plano quanto ao impacto
Esta norma Mercosul estabelece a classificação de produtos de vidro plano, os requisitos e os métodos de ensaio para o vidro plano ser considerado como vidro de segurança.


3 De acordo com Haldimann et al.  este valor é determinado com base no ensaio estandardizado da norma EN 1288-2 [50] (ver secção 2.8.1), que é efetuado em amostras  com uma área de A = 0.24 m2 e aos quais é induzido um dano artificial ao nível da superfície. A razão pela qual a norma uniformiza o valor para outro tipo de situações não é de fácil compreensão, não sendo temática para desta dissertação. Para mais informações consultar a obra de Haldimann et al.], onde é elaborada uma abordagem exaustiva sobre estes e outros aspectos do rascunho da norma prEN 13474
A Tabela 2 sintetiza alguns dos valores obtidos nesses estudos. Como se pode verificar, os valores da tensão de rotura do vidro podem variar significativamente, bastando para isso modificar a dimensão ou a posição da amostra de vidro. Os resultados obtidos por Veer et al. , em ensaios realizados em placas de vidro sujeitas a carregamentos no plano da placa (flexão no plano da placa - viga), demonstram que a tensão de rotura do vidro pode atingir valores até 40% inferiores, e apresentar a mesma variabilidade e o mesmo comportamento que as peças carregadas na posição deitada (varia com o tamanho da espécie, condições de carregamento, entre outros).

 

Volta-se a salientar que o estudo da tensão de rotura do vidro não é de fácil compreensão, sendo muito abrangente para que seja totalmente descrito nesta dissertação. Por agora a discussão permanece ativa, sendo frequentemente publicados estudos técnico-científicos sobre o tema, sobre, por exemplo, qual o melhor método ou processo para determinar a tensão de rotura do vidro, já que por agora não existe um consenso sobre estes aspectos.
Contudo, de modo a simplificar o tema, na Tabela 3 são apresentados os principais valores de resistência mecânica do vidro e de produtos derivados do vidro. Estes valores foram recolhidos da principal bibliografia consultada para construção deste capítulo, e que, volta-se a referir, são calculados e definidos de modos diferentes. Registra-se a elevada diferença entre os valores médios da tensão de rotura do vidro temperado apresentados em Haldimann et al. e os valores médios do mesmo parâmetro e para o mesmo tipo de vidro obtidos por Veer et al. . Deve-se, no entanto, deixar claro que a tensão de rotura do vidro, ao contrário dos materiais mais comuns na construção, não se trata de um valor intrínseco ao material, mas 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 float torna-o relativamente inseguro para uso estrutural. Contudo, a utilização estrutural do vidro tem vindo a aumentar com o decorrer dos anos. A resposta a este fato surge com os vários tipos de vidro existentes no mercado e com os tratamentos que, quase sempre, são aplicados e que se encontram como a tempera e laminação com o pvb ou outros materiais mais resistentes e também transparentes. Como se pode observar na Tabela 3, o vidro temperado, com o processo de recozimento que lhe é aplicado, apresenta um aumento considerável da tensão de rotura à tração, o que faz com que se aproxime de valores idênticos aos obtidos, por exemplo, com o aço.

Em termos de resistência à compressão, o vidro apresenta um valor significativamente superior ao valor da resistência à tração, mas que não tem significado estrutural. Na prática, mesmo em elementos sujeitos unicamente a forças de compressão, desenvolvem-se sempre tensões de tração, quer devido a fenômenos  de instabilidade, quer pelo efeito estrutural do coeficiente de Poisson. Desta forma, o vidro acaba sempre por atingir o seu valor de resistência à tração, muito antes de atingir a sua resistência à compressão.
Para facilitar o entendimento:

Densidade
A densidade do vidro é de 2,5, ou seja, este tem uma massa de 2,5 Kg por m2 de superfície e por milímetro de espessura para os vidros planos.
A massa volúmica, expressa no sistema de unidades oficial é de 2500 kg/m3. Um m² de vidros com 4 mm tem assim uma massa de 10 kg.
Resistência à compressão
A resistência do vidro à compressão é muito elevada: 1000 N/mm2 ou 1000 MPa.
Isto significa que, para quebrar um cubo de vidro com 1 cm de aresta, a carga necessária é da ordem de 10 toneladas.
Resistência à flexão
Um vidro submetido à flexão fica com uma face em compressão e outra em extensão. A resistência à rotura em flexão é da ordem de:
40 MPa (N/mm²) para um vidro float com recozimento;
120 4 200 MPa (N/mm²) para um vidro temperado (dependendo da espessura, do acabamento das arestas e do tipo de manufatura)
A elevada resistência do vidro temperado é devido ao fraco que este tratamento coloca as faces do vidro em forte compressão.
As tensões limite de utilização G, preconizadas para as aplicações mais correntes considerando o coeficiente de segurança.
.
Elasticidade
O vidro é um material perfeitamente elástico: nunca apresenta deformações permanentes.
Contudo, é frágil, o que significa que, submetido a uma flexão constante, parte sem apresentar indício das causas.
Módulo de Young, E.
Este módulo exprime a força de tração que seria teoricamente necessário aplicar a um exemplar de vidro para lhe produzir um alongamento igual ao seu comprimento inicial.
Exprime-se em força por unidade de superfície. Para o vidro e segundo as normas
Europeias: 
E = 7 x 10¹º Pa = 70 GPa
• Coeficiente de Poisson, γ (coeficiente de contração lateral)
Quando um exemplar é alongado por ação duma tensão mecânica, verifica-se uma:
Retração da sua secção. O coeficiente de Poisson  γ, é a razão entre a retração unitária da secção na direção perpendicular ao sentido do esforço e o alongamento unitário na direção do esforço.
Para vidros de construção, o valor do coeficiente γ é de 0,2. 
Comportamento térmico
Dilatação linear
A dilatação linear é expressa por um coeficiente que mede o alongamento expresso em unidades de comprimento para uma variação de 1 °C. Este coeficiente é geralmente dado para um intervalo de temperaturas de 20 a 300 °C. 
O coeficiente de dilatação linear do vidro é de 9.10-6
.
Exemplo:
Um vidro com 2 m de comprimento (expressos em mm) ao aquecer 30°C verifica um
Alongamento de: 2000 x 9.10-6 x 30 = 0,54 mm
Uma elevação de temperatura de 100 °C resulta numa dilatação de cerca de 1 mm para
um vidro com um metro.
Em baixo pode encontrar os coeficientes de dilatação linear de outros materiais.
 

Tensões de origem térmica
Devido à baixa condutividade térmica do vidro o aquecimento ou o arrefecimento parcial de um vidro origina tensões no seu seio que podem provocar rotura, neste caso, designada como “rotura térmica”.
A ocorrência mais frequente de risco de rotura térmica reporta aos bordos de um vidro submetido a forte exposição solar, dado que estão dentro do caixilho e que estão a aquecer mais lentamente que a superfície do vidro
Quando as condições de utilização ou montagem acarretam o risco de um vidro estar submetido a diferenças de temperatura importantes (ver normas e regulamentação).
(Nacional), será necessário tomar determinadas precauções durante a montagem e a manufatura.
Um tratamento complementar (têmpera) permite ao vidro suportar diferenças de temperatura de 150 a 200 °C. 
 

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