ARTIGO TÉCNICO 25 - CONSIDERAÇÕES INICIAIS SOBRE A TERMOGRAFIA APLICADA À INSPEÇÃO DE FACHADAS

Abordamos aqui aspectos introdutórios da aplicação da termografia de infra-vermelho na inspeção de fachadas. Várias pesquisas estão sendo desenvolvidas no LEM-UnB buscando sistematizar a inspeção por termografia nas avaliações de patologias, infiltrações e das questões térmicas dos edifícios. O texto a seguir levanta alguns pontos iniciais que necessitam se estudados de modo a aplicar a técnica adequadamente.

E. Bauer (mat and mat)

MEDIÇÕES TERMOGRÁFICAS  EM FACHADAS

ELTON BAUER (1); FRANZ E CASTELO BRANCO LEAL (2)

(1) PECC – Universidade de Brasília – laboratório.unb@gmail.com;

(2) PECC – Universidade de Brasília – fzleal@gmail.com

Encaminhado e adaptado por: E. Bauer (mat and mat)

INTRODUÇÃO/JUSTIFICATIVA/OBJETIVOS:

A termografia é uma técnica de inspeção não destrutiva e não invasiva que tem como base a detecção da radiação infravermelha emitida naturalmente, por excitação de uma fonte da natureza ou artificialmente produzida, pelos corpos com intensidade proporcional à sua temperatura. Através dessa técnica é possível identificar regiões, ou pontos, onde a temperatura está alterada com relação a um padrão preestabelecido. É baseada na medida da radiação eletromagnética emitida por um corpo a uma temperatura acima do zero absoluto. A radiação eletromagnética de um corpo se dá devido à agitação de átomos e moléculas dos quais são constituídos.

Todos os objetos emitem radiação infravermelha. A intensidade da radiação emitida depende de dois fatores: a temperatura do objeto e a sua emissividade que é a capacidade do objeto de emitir radiação, intrínseca de cada material.

Câmeras apropriadas coletam a radiação infravermelha emitida pela superfície e a convertem em sinais elétricos, criando imagens térmicas do campo de temperatura, BARREIRA & FREITAS, (2007)(2). As imagens originadas pelas termocameras são chamadas de termogramas, que exibem as diferentes temperaturas de um determinado local da amostra na forma de gradientes de coloração (escala policromática) ou de tonalidades de cinza (escala monocromáticas), conforme mencionado por TARPANI ET AL (2009)(12). Segundo TAVARES (2006)(13), para que a termografia possa identificar a distribuição da temperatura superficial é necessário um diferencial de temperatura entre o corpo e o meio ou diferentes partes do corpo.

Segundo MALDAGUE (2002)(8), a termografia infravermelha pode ser classificada em ativa e passiva, de acordo com a excitação térmica utilizada. Para a termografia passiva, é necessário um diferencial natural de temperatura entre a amostra e o meio o qual se encontra, ou seja, nenhuma estimulação térmica artificial é utilizada, TAVARES (2006)(13). Já para a termografia ativa, um estímulo externo é indispensável para induzir os contrastes térmicos entre a amostra e o ambiente, MALDAGUE, (2002)(8).

Segundo WILLIANS ET AL (1980) APUD CORTIZO (2007)(3) a termografia infravermelha é um ensaio não destrutivo utilizado na obtenção de temperatura superficial em estruturas e, subsequentemente, da correlação da informação obtida com algumas imperfeições internas.

Para melhor entendimento da técnica da termografia é necessário revisar os conceitos relacionados a aplicações físicas como temperatura, calor e os métodos de condução de calor.

1. Temperatura 

A quantidade que informa quão quente ou frio é um objeto em relação a algum padrão é chamada de temperatura, e uma vez que corpos estejam em equilíbrio térmico (mesma temperatura), sua temperatura não se altera mais, a menos que seja perturbado por um meio externo (HALLIDAY; KRANE; RESNICK, 2002)(6).

2. Calor 

É possível definir calor como sendo a forma de energia transferida através da fronteira de um sistema numa dada temperatura, a um outro sistema (ou o meio) numa temperatura inferior, em virtude da diferença de  temperatura entre os dois sistemas. Isto é, o calor é transferido do sistema à temperatura superior ao sistema à temperatura inferior, e a transferência de calor ocorre unicamente devido à diferença de temperatura entre os dois sistemas. Outro aspecto desta definição de calor é que um corpo nunca contém calor. Ou melhor, o calor pode somente ser identificado quando ele atravessa a fronteira. Assim, o calor é um fenômeno transitório (HALLIDAY; KRANE; RESNICK, 2002)(6).

3. Mecanismos de transferência de calor 

A transferência de calor se processa pela transferência de energia de uma região para outra como resultado de uma diferença de temperatura entre essas regiões. Os mecanismos que permitem a transferência de calor são: Condução, Convecção e Radiação.

3.1. Condução de calor

Segundo LIA & QUITES (2005)(7), a condução de calor pode ser definida como o processo pelo qual a energia é transferida de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa dentro de um meio (sólido, líquido ou gasoso) ou entre meios diferentes em contato direto. Este mecanismo pode ser visualizado como a transferência de energia de partículas mais energéticas para partículas menos energéticas de uma substância devido a interações entre elas.

3.2. Convecção de calor

A troca de calor por convecção ocorre na superfície de um corpo sólido em contato com um fluido, cuja temperatura é diferente da temperatura do corpo, e acarreta transferência de energia e massa. A transmissão de calor por convecção pode ser natural ou forçada: a temperatura do fluido pode fazer com que ele fique mais ou menos denso, ocasionado variações na sua massa específica, o que origina a convecção natural; quando o fluido é movimentado por bombeamento ou por diferença de pressão atmosférica (vento) a convecção é forçada.

LIA & QUITES (2005)(7) afirmam que “a convecção pode ser definida como o processo pelo qual energia é transferida das porções quentes para as porções frias de um fluido através da ação combinada de: condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura”. 

3.3. Radiação térmica de calor

Toda superfície de um determinado material a uma temperatura maior que zero Kelvin, emite energia na forma de ondas eletromagnéticas. Assim, na ausência de um meio, existe uma transferência de calor por radiação entre duas superfícies que se encontram a diferentes temperaturas.

A radiação pode ser definida como o processo pelo qual o calor é transferido de uma superfície de alta temperatura para uma superfície de temperatura mais baixa, quando tais superfícies estão separadas no espaço (ainda que exista vácuo entre elas), através de ondas eletromagnéticas denominadas ondas caloríficas ou calor radiante, predominando os raios infravermelhos que viajam na velocidade da luz (LIA & QUITES, 2005)(7).

MOORE APUD SANTOS (2006)(11) esclarece que: A termografia detecta a radiação infravermelha emitida. A energia assim transferida é chamada radiação térmica e é feita sob a forma pelo objeto inspecionado, que é invisível ao olho humano, e a transforma em imagens térmicas visíveis, com a possibilidade de convertê-la em leituras de temperatura. 

3.4. Radiação de um corpo - emissividade

A emissão térmica dos sólidos está relacionada com a noção do corpo negro. Este é um objeto que absorve toda a energia que incide sobre ele, para qualquer comprimento de onda. Existem duas maneiras de criar um corpo negro: estabelecendo uma cavidade praticamente fechada ou utilizando um revestimento absorvente perfeito. O primeiro caso é uma cavidade formada no interior de um sólido que possui apenas um pequeno orifício de dimensões significativamente pequenas se comparadas com as dimensões da cavidade. O revestimento absorvente perfeito consiste em um tratamento superficial ou uma tinta que quando aplicado em qualquer objeto, este irá absorver praticamente toda a radiação incidente (BARREIRA, 2004)(2).

Ainda segundo BARREIRA (2004)(2) os corpos reais, de maneira geral, não são corpos negros. Quando uma radiação incide sobre os corpos reais, uma parcela é absorvida e o restante é refletido ou transmitido. Estas parcelas são dependentes do comprimento de onda e sua soma, para um dado comprimento de onda, é sempre igual à unidade.

BARREIRA APUD GONÇALVES (2011)(5) conclui que a emissividade consiste na razão entre a energia emitida por um corpo qualquer e a energia emitida por um corpo negro à mesma temperatura. Assim, numa pequena análise conclui-se que a emissividade de um corpo negro vale um e a de um espelho perfeito é zero.

CONDICIONANTES DAS MEDIÇÕES TERMOGRÁFICAS

Segundo BARREIRA (2004)(2), a técnica de termografia infravermelha parece ser de fácil procedimento, porém existem diversos fatores que influenciam na análise dos resultados e podem gerar conclusões erradas se não se tomarem precauções antes e durante a realização do ensaio. Conforme o mesmo autor, na análise dos termogramas é elevado o risco de confundir defeitos do objeto com anormalidades superficiais que alteram a medida da temperatura superficial devido a fatores externos, tais como:

a) condições térmicas do objeto e do meio em que se encontra, antes e durante o ensaio;

b) presença de fontes externas (sombra, reflexão de outras fontes de radiação que não o sol, superfícies com diferentes acabamentos e texturas, etc.);

c) condições de medição (emissividade adotada, temperatura do ar, distância entre a câmera e o objeto, ângulo de observação, etc.).

Segundo GONÇALVES (2011)(5) uma questão de grande relevo para a técnica da termografia é a dependência que a emissividade apresenta em relação à temperatura, ao comprimento de onda e à direção de observação do termovisor em relação à superfície.

Estes três fatores influenciam bastante os valores de emissividade dos materiais, o que pode conduzir à produção de erros quando de uma medição, adulterando resultados. Estes falsos resultados podem posteriormente conduzir também a conclusões que não traduzem a realidade.

Existem diversos materiais que apresentam emissividade independente da direção da radiação e do comprimento de onda. Nestes materiais é possível considerar a emissividade constante para uma determinada temperatura. Esta emissividade designa-se por emissividade total. Objetos não metais apresentam uma emissividade total normalmente superior a 0,80, diminuindo com o aumento da temperatura (figura 1) (BARREIRA, 2004)(2). Entretanto, nesse estudo a temperatura do meio e as temperaturas do material constituintes das fachadas, se localizam na faixa em que a emissividade não se altera expressivamente.

A emissividade varia com o comprimento de onda de uma forma relativamente lenta para materiais sólidos, porém em gases ou líquidos apresenta flutuações bruscas. Para os sólidos não metais a emissividade tende a aumentar com o aumento do comprimento de onda, conforme figura 2 (BARREIRA, 2004)(2).

A emissividade varia de acordo com o ângulo de observação. Sendo assim, superfícies não planas apresentam uma emissividade aparente, que varia de ponto para ponto apesar de não haver alteração do material. Para não metais, a variação da emissividade é praticamente nula para ângulos entre o 0º e 60º em relação a perpendicular à superfície (figura 3) (BARREIRA, 2004)(2).

Segundo GONÇALVES (2011)(5) a variação da emissividade com o ângulo de observação pode originar valores de emissividade não reais no caso de superfícies não planas, ou seja, pode dar origem ao que se apelida de emissividade aparente. No caso dos não metais esta variação não se faz sentir, sendo mesmo nula para ângulos entre o 0° e os 60° em relação à perpendicular à superfície, no entanto para valores acima dos 70° conota-se uma descida abrupta até zero (figura 3).

MÉTODOS/RESULTADOS/DISCUSSÃO
Para a avaliação foi necessário constituir um critério para a verificação das análises térmicas considerando a natureza do material, as condições ambientais, as características do equipamento, as fontes de incertezas. A agilidade da apresentação dos resultados é uma grande vantagem da utilização da técnica da termografia infravermelha.
Antes de estabelecer o procedimento para determinar as propriedades térmicas do material, foi necessário identificar características inerentes ao meio ambiente. Estas características são fundamentais para a identificação e controle de fontes de dúvidas.
Para monitoramento da umidade do ar utilizou-se o Banco de Dados Metereológicos para Ensino e Pesquisa – BDMEP do Instituto Nacional de Metereologia, pois por se tratar de um levantamento em campo aberto em período chuvoso não houve condição para estabilização da medida de umidade no local.
A temperatura e a velocidade do vento foram registradas por um mini anemômetro térmico, modelo 45158 da EXTECH, com resolução de 0,1 m/s para as medidas de velocidade de vento e de 0,1°C para as medidas de temperatura.
A distância entre a termocâmera e a amostra foi medida por meio de uma trena e o seu valor anotado e inserido como parâmetro na termocâmera e nos programas de manipulação de imagens térmicas: Flir Tools e Flir Report, fornecidos pelo fabricante da termocâmera.
A termocâmera utilizada foi o modelo T400 da Flir Systems, com faixa de medição de temperatura de -20 a 1200°C, resolução de infravermelho de 320x240 pixels e sensibilidade térmica de 0,05°C.

A identificação de estruturas ocultas pode ser realizada sem dificuldade pela termografia infravermelha, desde que não haja obstáculos à frente, entre a edificação e a termocâmera, não hajam manchamentos produzidos por sombreamentos de edificações ou arborizações próximas (essa característica não impede a identificação mais dificulta) ou sujidades que possam falsear ou camuflar parte de elementos estruturais. A definição da imagem oculta da estrutura da edificação será maior com o aumento da temperatura (figura 4). O mapeamento das estruturas pode auxiliar na identificação da causa de fissuras no revestimento argamassado com o conhecimento do seu substrato.

A identificação de vazamentos em lajes, que deteriora o revestimento argamassa no teto, também é possível através da termografia infravermelha, quanto maior for a diferença entre a temperatura da laje e da água infiltrada maior será a nitidez da abrangência da infiltração. A inspeção termográfica pode ser realizada com êxito tanto na parte superior quanto na parte inferior da laje como visto nas figuras 5 e 6.

Algumas patologias em fachadas também podem ser identificadas com a termografia infravermelha. Na figura 7 é possível identificar fissuras no revestimento argamassado não visíveis a olho nu. A imagem foi conseguida após a fachada ter sido molhada por chuva no período da tarde e ter recebido carga térmica solar durante a parte anterior do dia.

Problema com a reflexibilidade elevada de alguns materiais como a cerâmica esmaltada pode levar a falseamentos de resultados de medidas térmicas como mostrado na figura 8. O revestimento cerâmico da fachada apresenta, na imagem termográfica, uma temperatura diferente daquela medida na sua superfície. Para vencer este obstáculo seria necessário mudar o ângulo de observação do termovisor, de modo a não refletir parte do céu.

CONCLUSÕES

As principais influências da técnica de termografia estão na emissividade do material, que é função da temperatura superficial e do ângulo de observação, na refletividade da superfície, função da radiação direta incidente e da radiação de objetos próximos, e na atenuação atmosférica que é função das condições meteorológicas. Foi verificado que no início da manhã ou começo da noite quando a temperatura exterior é mais baixa, e quando há pouca radiação solar direta na fachada durante as inspeções são os períodos preferenciais do dia para realização da técnica termográfica.

A sujidade na superfície do revestimento analisado apresenta uma alteração da emissividade registrada. Assim, é necessário um adequado mapeamento dos condicionantes da superfície de modo a evitar possíveis falseamentos de resultados.

REFERÊNCIAS

1. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6023:  Informação e documentação - Referências – Elaboração. Rio de janeiro, 2002.

2. BARREIRA, E.; FREITAS, V. P.. Evaluation of building materials using infrared thermography. Construction and Building Materials, Amsterdam, v. 21, p. 218-224, 2007.

3. CORTIZO, E. C. Avaliação da técnica de termografia infravermelha para identificação de estruturas ocultas e diagnóstico de anomalias em edificações: ênfase em edificações do patrimônio histórico. Dissertação de Doutorado, UFMG, Minas Gerais, 2007.

4. FLIR SYSTEMSR. Manual do operador: FLIR bxx series, FLIR ixx series. Canada: FLIR Systems, Inc., 2010.

5. GONÇALVES, T. Estado da Arte da Dissertação de Sistemas de Energia e Máquinas Eléctricas com recurso a Termografia. Dissertação de Mestrado, FEUP, Porto, Portugal, 2011.

6. HALLIDAY, D.; KRANE, K. S.; RESNICK, R. Física 2. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. 

7. LIA, L. R. B.; QUITES, E. E. C. Introdução à transferencia de calor. 2005. Disponível em: <http://www.cursodefisica.com.br/termofisica/14-transferencia-de-calor-eduardo-emery-e-luiz-renato.pdf>. Acesso em: dezembro de 2012.

8. MALDAGUE, X.; MARINETTI, S. Pulse phase infrared thermography. Journal Applied Physics., New York, v. 79, p. 2694-2698, 1996.

9. MENDONÇA, Luis Viegas. Termografia por Infravermelhos: Inspeção de Betão. Disponível em <http://www.spybuilding.com/downloads/termografia.pdf>. Acesso em: dezembro de2012. 

10. NICOLAU, G. F.; RAMALHO JR, F.; TOLEDO, P. A. de. Termologia, óptica e ondas. 7. ed. São Paulo: Moderna, 1998. 

11. SANTOS, Laerte dos. Termografia infravermelha em subestações de alta tensão desabrigadas. Itajubá, 2006. Disponível em: <http://adm-net-a.unifei.edu.br/phl/pdf/0032852.pdf>. Acesso em: setembro de 2012. 

12. TARPANI, J. R.; ALMEIDA, E. G. R. de; SIMENCIO, E. C. A.; MOTA, L. P.; PAZ, J. H. A. A. Inspeção termográfica de danos por impacto em laminados de matriz polimérica reforçados por fibras de carbono. Polímeros: Ciência e Tecnologia, São Carlos, v. 19, n. 4, p. 318-328, 2009. 

13. TAVARES, S. G.; AGNANI, A.; ESPOSITO, E. FELIGIOTTI, M.; ROCCHI, S.; ANDRADE, R. M. Comparative study between infrared thermography and laser Doppler vibrometry apllied to frescoes diagnostic. In: QIRT – QUANTITATIVE INFRARED THERMOGRAPHY, 8., 2006, Padova. Anais... Padova: CNR-ITC, 2006. p. 1- Disponível em: http://qirt.gel.ulaval.ca/archives/qirt2006/papers/039.pdf. Acesso em: dezembro de 2012.