O que escondem os edifícios?

Foi esta a pergunta que serviu de mote para um projeto de práticas pedagógicas inovadoras no âmbito da Engenharia Civil. A ideia é garantir um papel mais ativo dos estudantes no processo de ensino e aprendizagem, utilizando montagens experimentais e equipamentos de diagnóstico, que lhes permitem movimentar-se num laboratório vivo, aplicando ferramentas de diagnóstico inovadoras para observar o que está “escondido” pelas camadas mais superficiais que revestem os edifícios.

No entanto, a pergunta “O que escondem os edifícios?” é pertinente, não só do ponto de vista pedagógico, mas também do ponto de vista profissional, quer para aqueles que trabalham no setor da construção e reabilitação de edifícios, quer para aqueles que desenvolvem investigação nessa área. Realmente, os edifícios são sistemas muito complexos, constituídos por diversas camadas sobrepostas, sendo apenas as mais exteriores as que são diretamente observáveis. Contudo, são muitas vezes as camadas mais interiores que mais condicionam o desempenho dos edifícios e que permitem garantir as exigências fundamentais e indispensáveis para que possam ser utilizados com qualidade.

Este aspeto é ainda mais relevante quanto falamos em reabilitação de edifícios. Se se procurar num dicionário de referência, a palavra reabilitar significa regenerar ou recuperar, total ou parcialmente. Apesar deste conceito ter surgido noutros domínios científicos e sociais, rapidamente foi adotado com muito sucesso ao setor da construção, sobretudo, dos edifícios.

Com efeito, o edifício pode e deve ser encarado como um sistema vivo, que interage com os seus ocupantes e com o espaço que o rodeia. Assim, é necessário cuidar dele e permitir que se adapte, de forma eficaz, a novas realidades e exigências, facilitando a sua regeneração ou recuperação, total ou parcial, para uma melhor interação com uma sociedade e um ambiente externo em contínua mudança. Mas tal só será possível se se conhecer em detalhe e de forma aprofundada o que se esconde nas várias camadas e sistemas que os constituem.

Efetivamente, num processo de reabilitação é muito importante avaliar o estado real de conservação dos edifícios antes de se iniciar qualquer tipo de intervenção, porque só desta forma será possível definir soluções que se adequem ao existente e que permitam alcançar o desempenho esperado após a reabilitação. Assim, em reabilitação não há estratégias pré-definidas e, precisamente por cada caso ser um caso, é que é fundamental a utilização de técnicas de levantamento e diagnóstico adequadas e eficazes, que garantam resultados fiáveis e realmente úteis.

Estas técnicas podem ser mais tradicionais ou verdadeiramente inovadoras, podendo ter diversos graus de destruição, ser aplicadas in situ ou em laboratório e seguirem diferentes princípios de funcionamento. Uma das técnicas de diagnóstico mais inovadoras que têm vindo a ser aplicadas ao estudo dos edifícios é a termografia de infravermelhos (TIV). Trata-se de uma tecnologia de ensaio não destrutiva, que mede temperaturas superficiais sem contacto, apresentando-as sob a forma de imagens 2D, e que permite obter resultados em tempo real, sem perturbar significativamente os utilizadores dos edifícios.

As medições podem ser realizadas utilizando uma abordagem passiva, que se utiliza quando a zona danificada está naturalmente a uma temperatura superior ou inferior à das áreas não danificadas, ou utilizando uma abordagem ativa, quando uma fonte de energia é utilizada para produzir um contraste térmico entre a zona sã e a zona com anomalia, que, estando naturalmente em equilíbrio térmico, não se conseguiria visualizar.

A análise dos resultados dos ensaios da TIV pode ser efetuada de duas formas distintas: qualitativamente ou quantitativamente. Na análise qualitativa apenas se identificam e comparam padrões térmicos. Por isso, é uma abordagem mais superficial, de fácil interpretação e relativamente rápida, podendo ser adotada in situ. Na análise quantitativa, o objetivo é a determinação das temperaturas reais ou da diferença de temperaturas entre pontos quentes e frios, pelo que requer mais detalhe e um maior número de parâmetros de medição. É, por isso, mais demorada, tendo obrigatoriamente de incluir algum trabalho em gabinete.

As medições por TIV são afetadas por diversos parâmetros, que podem estar relacionados com as propriedades dos materiais, com as condições de ensaio, com as condições fronteira ou com o próprio equipamento. Estes fatores originam distorções na temperatura superficial que podem ser confundidas com defeitos. Ou seja, observam-se anomalias térmicas que não correspondem a anomalias reais dos edifícios. É por isso, fundamental que as medições sejam realizadas por técnicos qualificados, que conheçam os fundamentos que estão na base desta tecnologia.

Com a TIV é possível estudar problemas relacionados com a humidade, sejam infiltrações ou humidades ascensionais. Tal é possível porque a evaporação da água líquida à superfície é um fenómeno endotérmico, que consome energia, fazendo diminuir a temperatura superficial relativamente à zona seca, permitindo assim que esta anomalia térmica seja detetada pela câmara de infravermelhos. Quanto maior a quantidade de água, mais intenso é este fenómeno e melhor se deteta a presença de água. Mas a principal vantagem da aplicação da TIV para a deteção de humidade é que, para além da zona detetada visualmente, é possível observar zonas intermédias, que correspondem a áreas de transição entre a parte molhada com água líquida à superfície e a parte seca, onde ocorrem fenómenos de evaporação e difusão em camadas mais interiores. Por outro lado, também se sabe que existe uma correlação entre a diferença de temperatura entre a zona húmida e a zona seca do material e o seu teor de humidade, embora a robustez dessa correlação dependa do tipo de material e das condições ambiente.

A TIV também permite detetar destacamentos dos revestimentos face ao suporte, que não são observados a olho nu. Neste caso, e ao contrário da humidade, é necessário utilizar uma fonte de calor, que pode ser a radiação solar, em elementos que estão diretamente expostos à ação do sol, ou uma lâmpada infravermelha, caso se pretenda estudar o problema no interior. Sob a ação da fonte de calor, verifica-se um aumento da temperatura superficial na zona do destacamento, porque existe uma lâmina de ar entre a camada de revestimento e o elemento de suporte, que introduz uma resistência térmica adicional ao fluxo de calor, que ocorre do exterior para o interior do elemento construtivo, aumentando a temperatura na zona da anomalia. Atualmente, existe já a possibilidade de detetar estes destacamentos de forma automática, com recurso à inteligência artificial, no entanto, um operador experiente será sempre necessário, uma vez que estes problemas são complexos, podendo uma análise automática indicar anomalias térmicas que não correspondem a anomalias reais.

A identificação de pontos de infiltração de ar nas ligações entre elementos construtivos, nomeadamente, na zona dos vãos, e a quantificação do seu impacto, também é possível de ser efetuada através da TIV. Esta tecnologia não permite visualizar o ar que passa através da ligação ou medir a temperatura desse ar, mas permite avaliar a diferença de temperatura que o fluxo de ar origina numa superfície próxima, quer seja porque a temperatura do ar exterior é inferior à da superfície em estudo, quer seja porque a própria movimentação do ar faz diminuir a temperatura da superfície devido à convexão. Para facilitar a visualização desses pontos de infiltração é necessário despressurizar o espaço ou realizar o ensaio em dias de maior intensidade do vento, não sendo, no entanto, necessário existir um diferencial de pressão muito elevado para que o fenómeno se torne evidente. A diferença de temperatura observada nas imagens térmicas depende da natureza e do tamanho do ponto de infiltração, do diferencial de pressão a que está sujeito o elemento construtivo e da diferença de temperatura entre o interior e exterior.

Outro exemplo de aplicação desta tecnologia é a deteção de pontes térmicas. Neste caso, é necessário que o ensaio seja realizado no Inverno, com o sistema de aquecimento ligado, para garantir diferenças de temperatura entre o interior e o exterior superiores a 10ºC durante pelo menos 24 horas. No entanto, em espaços não aquecidos também se pode utilizar a TIV, desde que nos ensaios seja utilizada uma fonte de calor artificial. Em qualquer uma das situações, a ponte térmica é detetada porque a transferência de calor na zona da ponte térmica é mais intensa, originando diferenças de temperatura que são detetadas pela câmara de infravermelhos.

Com os exemplos de aplicação da TIV apresentados anteriormente pretende-se demonstrar as suas potencialidades como técnica de diagnóstico aplicada ao estudo dos edifícios. Mas não só. Pretende-se também evidenciar, através destes exemplos, que só a utilização de técnicas de levantamento e diagnóstico adequadas e eficazes, seja a TIV ou qualquer outra, cujos princípios de funcionamento sejam perfeitamente conhecidos por quem as utiliza, permite responder à questão inicialmente colocada: “O que escondem os edifícios?”.

What do buildings hide?

This was the base question for a project of innovative pedagogical practices in the field of Civil Engineering. The idea is to ensure a more active role for students in the teaching and learning process, using experimental setups and diagnostic equipment, which allow them to work in a living laboratory, applying innovative diagnostic tools to see what is "hidden" by the most superficial layers of buildings.

However, the question "What do buildings hide?" is pertinent, not only from a pedagogical point of view, but also from a professional point of view, both for those who work in the construction and rehabilitation of buildings sector and for those who carry out research in this area. Indeed, buildings are very complex systems, made up by several overlapping layers, of which only the outermost ones being directly observable. However, it is often the inner layers that most influence the performance of buildings and that make it possible to guarantee the fundamental and indispensable requirements for them to be used with quality.

This aspect is even more relevant when we talk about building rehabilitation. According to the dictionary, the word "rehabilitate" means to regenerate or recover, on its whole or just partly. Although this concept emerged in other scientific and social fields, it was quickly adopted with great success in the construction sector, especially buildings.

In fact, the building can and should be seen as a living system, which interacts with its occupants and the environment. Thus, it is necessary to take care of it and allow it to adapt effectively to new realities and demands, facilitating its regeneration or recovery, on its whole or partly, for a better interaction with a society and an external environment in continuous change. But this will only be possible if we know in detail and in depth what is hidden in its various layers and systems.

Truth is, in a rehabilitation process it is very important to assess the real state of conservation of the buildings before starting any intervention, because only in this way will be possible to define suitable solutions that allow the expected performance after rehabilitation to be achieved. Thus, since each building is unique, when rehabilitating there are no pre-defined strategies, therefore being essential to use appropriate and effective survey and diagnosis techniques, which guarantee reliable and really useful results.

These techniques can be either traditional or more innovative, have different levels of destruction, can be used in situ or in the laboratory, and have different operating principles. One of the most innovative diagnostic techniques that have been applied to the study of buildings is infrared thermography (IRT). This non-destructive testing technology measures surface temperatures without contact, displaying them as 2D images, providing real-time results without significantly disturbing the building's occupants.

Measurements can be performed using a passive approach, which is used when the damaged zone is naturally at a higher or lower temperature than the undamaged areas, or using an active approach, when an energy source is used to produce thermal contrast between the area without problems and the ones with anomalies, which, being naturally in thermal equilibrium, is not possible to observe without this technology.

The analysis of the results of IRT tests can be carried out in two different ways: qualitatively or quantitatively. In qualitative analysis, only thermal patterns are identified and compared. Therefore, it is a more superficial approach, easy and relatively fast to implement, that can be adopted in situ. In quantitative analysis, the goal is to determine either the actual temperature or the temperature differences between hot and cold spots, so it requires more detail and a greater number of measurement parameters must be considered. It is, therefore, more time-consuming, having to include some office work.

IRT measurements are affected by a number of parameters, which can be related to material properties, test conditions, boundary conditions or the equipment itself. These factors lead to distortions in surface temperature that can be mistaken for defects. In other words, some thermal anomalies that are observed may not correspond to actual defects in the building. It is, therefore, essential that the measurements are carried out by qualified technicians, who know the fundamentals that are the basis of this technology.

With IRT it is possible to study moisture-related problems, weather infiltrations or rising damp. This is possible because evaporation of liquid water at the surface is an endothermic phenomenon, which consumes energy, causing the surface temperature to decrease in relation to the dry zone, thus allowing this thermal anomaly to be detected by the infrared camera. The greater the amount of water, the more intense this phenomenon is and the better moisture presence is detected. However, the main advantage of using IRT for moisture detection is that, in addition to the visually detected zone, it allows to observe intermediate zones, which correspond to transition areas between the wet area, with liquid water on the surface, and the dry area, where evaporation and diffusion phenomena occur in more internal layers. On the other hand, it is also known that there is a correlation between the temperature difference between the wet and dry zone of the material and its moisture content, although the robustness of this correlation depends on the type of material and the environmental conditions.

IRT also allows detachments of the coatings, which are not observed with the naked eye, to be detected. In this case, and unlike moisture, it is necessary to use a heat source, which can be solar radiation, in elements that are directly exposed to the sun, or an infrared lamp, if the problem is inside the building. Due to the heat source, there is a higher increase in the surface temperature in the detachment area, mainly because of the existence of an air layer between the cladding and the support, which introduces an additional thermal resistance to the heat flow, which occurs from the outside to the inside of the construction element, increasing the temperature in the defect zone. Currently, there is already the possibility of detecting these detachments automatically, using artificial intelligence, however, an experienced operator will always be necessary, as these problems are complex, and an automatic analysis can indicate thermal anomalies that do not correspond to real defects.

The identification of air leakage points in the connections between construction elements, namely in the openings, and the quantification of their impact, is also possible through IRT. This technology does not allow the visualization of the air passing through the leakage or the measurement of the temperature of the air, but it does allow the evaluation of the temperature difference that the air flow causes on a nearby surface, either because the temperature of the outdoor air is lower than that of the surface under study, or because the movement of the air causes the surface temperature to decrease due to convection. To enhance the visualization of these leakage points, it is necessary to depressurize the space or carry out the test on days of greater wind intensity, however, it is not necessary to have a very high pressure difference for highlighting the phenomenon. The temperature difference observed in thermal images depends not only on the nature and size of the leakage point but also on the pressure difference to which the component is subjected and the temperature difference inside and outside.

Another example of the application of this technology is the detection of thermal bridges. In this case, it is necessary that the test is carried out in winter, with the heating system on, to ensure temperature differences between inside and outside of more than 10ºC for at least 24 hours. However, in unheated spaces IRT can also be applied, as long as an artificial heat source is used during the tests. In either situation, the thermal bridge is detected because the heat transfer in the thermal bridge is more higher, causing temperature differences that are detected by the infrared camera.

With the examples of application of IRT presented above, it is intended to demonstrate its potential as a diagnostic technique applied to the study of buildings. But that is not all. It is also intended to highlight, through these examples, that only the use of appropriate and effective survey and diagnostic techniques, whether IRT or any other, whose operating principles are perfectly known by those who use them, allows to answer the initial question: "What do buildings hide?".

¿Qué esconden los edificios?

Esta fue la pregunta que sirvió de lema a un proyecto de prácticas pedagógicas innovadoras en el campo de la Ingeniería Civil. La idea es garantizar un papel más activo de los estudiantes en el proceso de enseñanza y aprendizaje, utilizando montajes experimentales y equipos de diagnóstico que les permitan moverse en un laboratorio vivo, aplicando herramientas de diagnóstico innovadoras para observar lo que "ocultan" las capas más superficiales que recubren los edificios.

Sin embargo, la pregunta "¿Qué esconden los edificios?" es pertinente no sólo desde el punto de vista pedagógico, sino también desde el punto de vista profesional, tanto para quienes trabajan en el sector de la construcción y la rehabilitación de edificios como para quienes investigan en este ámbito. Los edificios son sistemas muy complejos, formados por varias capas superpuestas, de las que sólo las más externas son directamente observables. Sin embargo, a menudo son las capas más internas las que más condicionan el rendimiento de los edificios y garantizan los requisitos fundamentales e indispensables para que puedan utilizarse con calidad.

Este aspecto es aún más relevante cuando hablamos de rehabilitar edificios. Si se busca en un diccionario de referencia, la palabra rehabilitar significa regenerar o recuperar, total o parcialmente. Aunque este concepto surgió en otros campos científicos y sociales, rápidamente se adoptó con gran éxito en el sector de la construcción, especialmente en el de los edificios.

En efecto, el edificio puede y debe considerarse como un sistema vivo que interactúa con sus ocupantes y el espacio que lo rodea. Por tanto, hay que cuidarlo y permitir que se adapte eficazmente a las nuevas realidades y demandas, facilitando su regeneración o recuperación, total o parcial, para una mejor interacción con una sociedad y un entorno exterior en constante cambio. Pero esto sólo será posible si conocemos en detalle y en profundidad lo que se esconde en las distintas capas y sistemas que los componen.

De hecho, en un proceso de rehabilitación es muy importante evaluar el estado real de conservación de los edificios antes de iniciar cualquier tipo de intervención, porque sólo así será posible definir soluciones que se adapten al edificio existente y que le permitan alcanzar las prestaciones esperadas tras la rehabilitación. Así, en rehabilitación no existen estrategias predefinidas y, precisamente porque cada caso es diferente, es imprescindible utilizar técnicas de estudio y diagnóstico adecuadas y eficaces que garanticen resultados fiables y realmente útiles.

Estas técnicas pueden ser más tradicionales o realmente innovadoras y pueden tener distintos grados de destrucción, aplicarse in situ o en el laboratorio y seguir distintos principios de funcionamiento. Una de las técnicas de diagnóstico más innovadoras que se ha aplicado al estudio de los edificios es la termografía infrarroja (TIV). Se trata de una tecnología de ensayos no destructivos que mide las temperaturas superficiales sin contacto, presentándolas en forma de imágenes 2D, y que permite obtener resultados en tiempo real sin molestar significativamente a los usuarios del edificio.

Las mediciones pueden realizarse mediante un enfoque pasivo, que se utiliza cuando la zona dañada se encuentra de forma natural a una temperatura superior o inferior a la de las zonas no dañadas, o mediante un enfoque activo, cuando se utiliza una fuente de energía para producir un contraste térmico entre la zona sana y la zona con la anomalía, que, al encontrarse de forma natural en equilibrio térmico, no se visualizaría.

Los resultados de las pruebas TIV pueden analizarse de dos formas distintas: cualitativa o cuantitativamente. El análisis cualitativo sólo identifica y compara patrones térmicos. Se trata, por tanto, de un enfoque más superficial, fácil de interpretar y relativamente rápido, que puede utilizarse in situ. En el análisis cuantitativo, el objetivo es determinar las temperaturas reales o la diferencia de temperaturas entre puntos calientes y fríos, por lo que requiere más detalle y un mayor número de parámetros de medición. Por lo tanto, requiere más tiempo y debe incluir cierto trabajo de oficina.

Las mediciones TIV se ven afectadas por diversos parámetros, que pueden estar relacionados con las propiedades del material, las condiciones de ensayo, las condiciones de contorno o el propio equipo. Estos factores provocan distorsiones en la temperatura de la superficie que pueden confundirse con defectos. En otras palabras, se observan anomalías térmicas que no corresponden a anomalías reales en los edificios. Por lo tanto, es esencial que las mediciones sean realizadas por técnicos cualificados que conozcan los fundamentos de esta tecnología.

Con la TIV es posible estudiar problemas relacionados con la humedad, ya sean infiltraciones o humedades por capilaridad. Esto es posible porque la evaporación del agua líquida en la superficie es un fenómeno endotérmico, que consume energía, haciendo que la temperatura de la superficie disminuya con respecto a la zona seca, permitiendo así que esta anomalía térmica sea detectada por la cámara de infrarrojos. Cuanto mayor es la cantidad de agua, más intenso es este fenómeno y mejor detecta la presencia de agua. Pero la principal ventaja de utilizar la TIV para detectar la humedad es que, además de la zona detectada visualmente, es posible observar zonas intermedias, que corresponden a zonas de transición entre la parte húmeda con agua líquida en la superficie y la parte seca, donde se producen fenómenos de evaporación y difusión en capas más interiores. Por otro lado, también se sabe que existe una correlación entre la diferencia de temperatura entre las zonas húmedas y secas del material y su contenido de humedad, aunque la fuerza de esta correlación depende del tipo de material y de las condiciones ambientales.

La TIV también permite detectar desprendimientos de revestimientos del sustrato que no son visibles a simple vista. En este caso, a diferencia de la humedad, es necesario utilizar una fuente de calor, que puede ser la radiación solar para los elementos expuestos directamente al sol, o una lámpara de infrarrojos si se desea estudiar el problema desde el interior. Bajo la acción de la fuente de calor, se produce un aumento de la temperatura superficial en la zona del desprendimiento, debido a que existe una capa de aire entre la capa de revestimiento y el elemento soporte, que introduce una resistencia térmica adicional al flujo de calor, que se produce desde el exterior hacia el interior del elemento constructivo, aumentando la temperatura en la zona de la anomalía. Actualmente es posible detectar estos desprendimientos de forma automática mediante inteligencia artificial, pero siempre será necesario un operario experimentado, ya que estos problemas son complejos y un análisis automático puede indicar anomalías térmicas que no se corresponden con anomalías reales.

La identificación de los puntos de infiltración de aire en las conexiones entre los elementos del edificio, especialmente en la zona de los huecos, y la cuantificación de su impacto, también pueden realizarse mediante TIV. Esta tecnología no permite visualizar el aire que pasa a través de la conexión ni medir la temperatura de ese aire, pero sí permite evaluar la diferencia de temperatura que el flujo de aire provoca en una superficie próxima, bien porque la temperatura del aire exterior es inferior a la de la superficie estudiada, bien porque el propio movimiento del aire disminuye la temperatura de la superficie debido a la convexidad. Para facilitar la visualización de estos puntos de infiltración, es necesario despresurizar el espacio o realizar el ensayo en los días en los que el viento es más fuerte, aunque no es necesario que exista un diferencial de presión muy elevado para que el fenómeno se haga evidente. La diferencia de temperatura observada en las imágenes térmicas depende de la naturaleza y el tamaño del punto de infiltración, del diferencial de presión al que esté sometido el elemento constructivo y de la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior.

Otro ejemplo de aplicación de esta tecnología es la detección de puentes térmicos. En este caso, la prueba debe realizarse en invierno, con el sistema de calefacción encendido, para garantizar diferencias de temperatura entre el interior y el exterior del edificio superiores a 10ºC durante al menos 24 horas. Sin embargo, la TIV también puede utilizarse en espacios sin calefacción, siempre que se utilice una fuente de calor artificial en las pruebas. En cualquiera de las dos situaciones, el puente térmico se detecta porque la transferencia de calor en la zona del puente térmico es más intensa, lo que provoca diferencias de temperatura que son detectadas por la cámara de infrarrojos.

Los ejemplos de aplicación de la TIV presentados anteriormente pretenden demostrar su potencial como técnica de diagnóstico aplicada al estudio de edificios. Pero eso no es todo. También se pretende demostrar, a través de estos ejemplos, que sólo el uso de técnicas de estudio y diagnóstico adecuadas y eficaces, ya sea la TIV o cualquier otra, cuyos principios de funcionamiento sean perfectamente conocidos por quienes las utilizan, puede responder a la pregunta inicial: "¿Qué esconden los edificios?".