Resumo - Os Pequenos edifícios substituem-se por prédios altos e arranha-céus. Esta questão faz

surgir um dos problemas em que decorrem luz natural no prédio, devido à obstrução de estruturas

vizinhas. Devido a este problema,o uso de fontes artificiais de iluminação em prédios aumentou

significativamente. Por isso, é essencial reduzir o consumo de luz artificial em edificações. Este é

considerado um dos melhores materiais sensores disponíveis e tem sido amplamente utilizado desde

1990. O arquiteto húngaro, Aron Losonczi, introduziu pela primeira vez a ideia de transmitir luz pelo

concreto em 2001 e, em seguida, conseguiu chegar ao primeiro bloco de concreto transparente em

2003, chamado LiTraCon.Visto que concreto é resistente à compressão e pouco eficiente em relação a

tensão e flexão.

Index Terms—OFRC, Transparent Concrete, Lux, LITCON

I. INTRODUÇÃO

A. Geral

O concreto tem um papel-chave no desenvolvimento da infra-estrutura e habitação.

Devido ao grande crescimento econômico, crescimento populacional e a utilização do

espaço no mundo inteiro, assim há mudanças drásticas na tecnologia da construção.

Pequenos edifícios são substituídos por prédios altos e arranha-céus.Por esta questão

surge um dos problemas em que decorrem luz natural no prédio, devido à obstrução de

estruturas vizinhas. Devido a este problema, o uso de fontes artificiais de iluminação do

prédio aumentou. Por isso, é essencial reduzir o consumo de luz artificial na estrutura.

Considerado um dos melhores materiais sensores disponíveis, tem sido amplamente

utilizado desde 1990. O arquiteto húngaro, Aron Losonczi, introduziu pela primeira vez

a ideia de transmitir luz pelo concreto em 2001 e, em seguida, conseguiu chegar ao

primeiro bloco transparente de concreto em 2003, chamado LiTraCon. Visto que

concreto é forte em compressão e fraco em tensão e flexão.

B. Consumo de energia

Uso doméstico total de energia elétrica; 30% da electricidade é usada para iluminar

apenas, portanto é necessário utilizar luz natural para iluminar interior do edifício.

1) Fibra Ótica

A ideia de usar a luz para envio de mensagens é desenvolvida desde o século VIII a.c. ,

quando os gregos utilizavam sinais de incêndio para enviar alarmes ou chamadas para

conseguir ajuda. Foi apenas em meados da década de 1960, que Charles K. Kao

determinou que o vidro tinha uma perda de 20 db/km, o que levou os pesquisadores a

explorarem métodos para fazer um vidro mais puro. Esta descoberta desencadeou uma

revolução na indústria de telecomunicações como uma nova indústria de processamento

das fibras ópticas, se tornou comercialmente importante. As fibras ópticas têm grande

capacidade de transmissão de luz.

As típicas fibras de hoje são feitas de vidro ou de plástico uma vez que é possível torná-

los fino e longo. Também ambos, vidros e plásticos, são transparentes em particular

comprimentos de onda, que permitem que a fibra guie a luz eficientemente. A fibra é

constituída por um núcleo com alto índice rodeado por uma camada de revestimento

interno com índice menor. O núcleo e o revestimento podem ser feitos de plástico e de

vidro. Para plásticos, o centro pode ser de poliestireno ou Polimetacrilato e o

revestimento geralmente é de silicone ou teflon para vidros ambos, o revestimento e o

núcleo são feitos com sílica com pequenas quantidades de dopantes como o Boro,

Germânio para alterar seu índice.

Existem grandes diferenças existentes entre os dois materiais quando usados para fazer

a fibra ótica. Com o núcleo de plástico as fibras são mais flexíveis e baratas em

comparação com fibras de vidro. Eles são mais fáceis de instalar e podem suportar

maiores tensões e pesar 60% menos do que a fibra de vidro. Mas as perdas, limitam o

seu uso em aplicações de comunicação. As fibras de plástico são práticas para pequenas

distancias, tais como no interior de edifícios. Assim, devido à sua natureza restritiva as

fibras com núcleo de vidro são mais usadas, pois elas são capazes de transmitir luz

eficientemente para grandes distâncias.

2) Comum e Recomendado níveis de luz interior

O nível de luz exterior é aproximadamente 10 000 lux em um dia claro. Nos edifícios,

em áreas próximas das janelas, o nível de luz pode reduzir-se para aproximadamente

1000 lux. Nas áreas do meio pode ter níveis muito baixos. Antes era comum os níveis

de luz estarem entre 100 - 300 lux para atividades normais. Hoje o nível de luz mais

comum é entre 500 - 1000 lux - dependendo da atividade. Para trabalhos precisos e

detalhados, o nível de luz pode se aproximar de 1500 - 2000 lux.

C. Objetivos da Presente Investigação

Tradicionalmente o concreto é considerado apenas como um membro estrutural, mas

recentemente esse conceito está mudando e o uso do concreto como material decorativo

nas estruturas tem surgido. Observou-se que alto desempenho do concreto usando fibras

ópticas também pode ser utilizado como um material decorativo para melhorar a

elegância da estrutura, tornando-a parcialmente transparente. Assim, este projeto

pretende atingir os objetivos como:

Fazer um concreto parcialmente transparente usando fibra ótica em sua

composição garantindo boa aparência para a estrutura.

Estudar a melhora no desempenho do concreto na transmissão de luz, utilizando

fibra ótica e melhorar o desempenho da estrutura na obtenção de luz natural.

Estudar a economia de energia para iluminação usando o bloco transparente

nos edifícios.

Estudar os custos efetivos para esse melhor desempenho do concreto.

D. Teoria da Luz

A eficácia do fio depende de sua capacidade de orientar o raio de luz por longas

distâncias com as menores dispersão ou absorção de luz possíveis. Isso significa que a

fibra óptica deve apresentar reflexão interna total nos fios, assim, quando se considera a

propagação da luz por uma fibra óptica o índice de refração dielétrica média precisa ser

contabilizado. Como raios de luz tornam-se incidente sobre uma interface entre dois

dieléctricos com índice diferente de refração, essa ocorre entre os dois meios. Isso pode

ser melhor descrito através da Lei de Snell para refração com estados, N1sinØ1=

N2sinØ2, esta equação mostra que em certos ângulos a reflexão interna parcial surgirá,

como também em outros ângulos a reflexão interna total ocorrerá conforme mostrado na

figura a seguir.

Figura 1: Figura 1: Light Ray Diagram (Diagrama do Raio de Luz)

Esta relação pode, então, ser usada para encontrar o ângulo crítico Oc que serve como a

limitação no caso de refração e o ângulo de incidência. Ao lançar o raio de luz em um

ângulo Ø > Oc , dentro da fibra óptica, uma típica fibra óptica com reflexão interna

total, como visto na figura 2, que se reflete no mesmo ângulo que o normal, levando os

meios dielétrico mostrados na figura 2, com o centro de sílica tendo o índice refração do

n1 e o revestimento interno de sílica com um índice menor de refração de n2. Com esta

configuração é possível enviar informações através raios de luz que pode se propagar

através de uma fibra óptica com pouca perda ou distorção.

Figura 2: Total internal refletion between 2 dieletric mediums ( Reflexão total interna entre 2 meios

dieletricos)

1) Tipos de Fibra Ótica

Existem 3 tipos básicos de fibra ótica: fibra multimodo graded-index, fibra multimodo

step-index e fibra monomodo step-index. A fibra multimodo pode propagar centenas de

modos de luz ao mesmo tempo enquanto a fibra monomodo propaga apenas um modo

como mostra a fig. 3.

Figura 3: Optical Fibre (Fibra Ótica)

A diferença entre as fibras graded-index e step-index é que, a fibra graded-index tem

um núcleo cujo índice de refração varia de acordo com a distância de eixo da fibra,

enquanto a step-index tem o núcleo com o mesmo índice de refração ao longo da fibra.

As fibras monomodo propagam luz em um percurso bem definido, efeitos da dispersão

intermodal não estão presentes, permitindo que a fibra opere em distancias maiores que

a fibra multimodo. Por outro lado, as fibras multimodo possuem grande dispersão

intermodal devido aos muitos modos de propagação de luz de uma só vez. Neste

documento, a intensidade da luz que passa por blocos de concreto com fibra óptica é

medida em lux, unidade de medição de luz.

II. CONCRETE DESIGN MIX (M30)

A. Moldagem dos Cubos

Os cubos foram preparados pela compactação do concreto em três camadas. A mesa

vibratória foi usada para compactação do concreto. Após a realização da compactação, o

excesso de material foi removido e o molde foi nivelado com movimentação.

B. Desmolde e Cura dos Cubos

Os moldes foram mantidos intactos na plataforma nivelada. Em seguida, foi

cuidadosamente desmoldado depois de decorridas 24 horas, da fundição imediatamente

após a desmoldagem, os cubos foram marcados com suas respectivas

identificações/números (ID). Cuidadosamente transferimos esses cubos para o tanque de

água para cura.

III. TESTANDO AS AMOSTRAS

A. Resistência à compressão

Os testes dos cubos foram realizados em uma máquina de ensaio de compressão com

capacidade para 2000 kN para determinar a força de compressão do design mix.

1) Testando a amostra para a reflexão de luz

Etapa 1 - Prepare as 5 caixas de contraplacado de tamanho 0,3m x 0,3m x

0,75m. Coloque 4 cubos de cada percentual em caixas separadas para verificar a

intensidade da luz refletida por meio do bloco de concreto para diferentes

percentuais de fibras no concreto.

Etapa 2 - Preparar as 8 caixas de contraplacado de profundidade 0,75m com

diferentes áreas da superfície, para verificar o reflexo da intensidade da luz

através dos blocos de concreto para diferentes superfícies com percentagem

constante de fibra. (para 4% e 5% de fibras apenas )

IV. RESULTADOS ANALISADOS

Os resultados obtidos a partir de ensaios de concreto convencional e concreto fibra

óptica é tabelado. Dois testes são efetuados com o concreto endurecido, tais como

resistência à compressão e quanto a luz refletida através dos blocos de concreto. As

fibras ópticas são utilizadas em bloco de concreto em 5 percentagens diferentes, varia de

1% a 5% da superfície. Este blocos de concreto são então testadas para resistência

compressiva após 3 dias, 7 dias. Reflexão da luz por blocos de concreto de cada

percentual foi verificado antes dos 28 dias para testes quanto à compressão.

A. Resultados para Força de Compressão

Os cubos de concreto foram testadas em máquina de ensaio de compressão com

capacidade de 2000 KN após período de cura de 3 dias, 7 dias e 28 dias. Os resultados

obtidos encontram-se na tabela 2.

B. reflexão da luz nos blocos (para diferentes porcentagem de fibra):

Depois de 28 dias antes de cura os cubos antes testados para forças compressivas,

reflexão da luz através de 4 blocos de concreto (superfície 0,09 m) de cada % de fibra

ótica foi testado. Os resultados obtidos encontram-se na tabela 3.

C. reflexão da luz por blocos (de diferentes área de bloco):

Depois,a reflexão da luz foi verificada através de blocos de concreto com 4 e 5% de

fibras ópticas, mas para as diferentes áreas da superfície. Os resultados dos mesmos são

tabuladas na tabela 4 e 5.

V. ANÁLISE DE CUSTOS

VI. EFICÁCIA NA TRANSMISSÃO DE LUZ ATRAVÉS DOS BLOCOS DE

CONCRETO.

A. Consumo da energia para iluminação artificial

• Consumo de energia quando uma lâmpada 60 watts é utilizada para iluminação de 30

dias para 8 horas = 60 X 30 X 8 = 14400 = 14.4 Units

B. Período de retorno do investimento:

1) Para 0,45 m²área (20 blocos) com referência a comparação da tabela de custos;

diferença de custo inicial para 20 N° de cubos = Rs. 3876.35 - Rs. 285.50 = Rs. 3590.85

/-

• Energia economizada em um espaço residencial em um ano = 14.4 X 4.85 X 12 =

838.08 /- Rs

• Período necessário para recuperar quantidade extra de OFRC do bloco transparente =

3590.86/838.08 = 4.285 Years § 4.3 Years

• Energia economizada em um espaço comercial/industrial em um ano = 14.4 X 7.9 X

12 = 1368.58/- Rs

• Período necessário para recuperar quantidade extra de OFRC do bloco transparente =

3590.85/1368.58 = 2.624 Years § 2.7 Year

A partir da análise de custo e prazo de retorno do investimento, foi confirmado que , o

período de recuperação para bloco transmissor de luz é de 4,3 anos para uso residencial

e é 2,7 anos para uso comercial . O período de retorno é muito menor em relação às

prestações do transmissor de luz concreto. Da mesma forma período de retorno para

outras áreas são tabulados abaixo

VII. DISCUTINDO RESULTADOS

A. Resistência à Compressão

Conforme o trabalho experimental o resultado mostra que em 3 dias forças

compressivas de blocos de concreto diminuir de 25,176 N/mm2 para 16,125 N/mm2, a

resistência as forças compressivas é diminuído devido ao aumento da porcentagem de

fibra óptica.

Da mesma forma, para 7 dias tem-se a redução da força compressiva 34.956N/mm2

para 26.378N/mm2, e para 28 dias a redução da força compressiva de 47,208 N/mm2

para 38.167N/mm2 .

B. Reflexão de Luz

Na tabela de nº 3 a 5, a radiação externa da luz solar é máxima no período da tarde

quando comparado com os períodos da manhã e da noite, ou seja 1092, 1193 e 1075 no

lux às 12h, 1h, 2h resp.

A intensidade da luz que passa através do bloco de concreto com 1% de fibra (1% da

superfície dos blocos de concreto) em face da caixa é 125,5 e 149,8 e 108,8 no lux.

(11,5, 12,6 e 10,1 em porcentagem) .

A intensidade da luz que passa através do bloco de concreto com 2% de fibra (2% da

superfície dos blocos de concreto) em face da caixa é 186,219 & 161 no lux. (17,18.4 e

15 em porcentagem). A intensidade da luz que passa através do bloco de concreto com

3% de fibra (3% da superfície dos blocos de concreto) em face da caixa é 215.3,247 e

201,8 no lux. (19,7, 20,7 e 18,8 em porcentagem).

A intensidade da luz que passa através do bloco de concreto com 4% de fibra (4% da

superfície dos blocos de concreto) em face da caixa é 217,3 e 250,5 & 203º no lux

(19,9, 21 e 18,9 em porcentagem ).

A intensidade da luz que passa através do bloco de concreto com 5% de fibra (5% da

superfície dos blocos de concreto) em face da caixa é 242.278 e 226º no lux. (22,2, 23,3

e 21 em porcentagem).

C. Combinação da Discussão sobre forças compressivas e a reflexão da luz

Os resultados e os gráficos, desenhados de acordo com as tabelas, acima apresentados,

pode-se observar que a resistência à compressão de blocos de concreto reduz com o

aumento da percentagem de fibras (por exemplo, a percentagem de área de superfície de

blocos de concreto) comparado com o bloco utilizando apenas concreto.

Com referência ao gráfico nº 6 pode-se observar que

A intersecção da linha de 28 dias das forças compressivas e a linha da

porcentagem de fibra utilizada. Ela dá a melhor porcentagem de fibra usada em

blocos de concreto.

• Ele também mostra que o ponto de intersecção da linha alvo forças compressivas e 28

dias de forças compressivas .

A partir dessa observação pode-se concluir que não há diferença no ponto de interseção

que permite um aumento da porcentagem de fibras sem cair as forças compressivas a 28

dias.

As observação e comentários discutidos em pontos anteriores desse projeto foi efetuada

em 4% e 5% de fibras (isto é percentual de área de superfície de blocos de

concreto ) ,porque para 5% de fibra as forças compressivas são um pouco menores do

que força e alvo de 4%, e é ligeiramente superior à meta.

VIII. CONCLUSÃO

A. Geral

Com referência às discussões anteriores sobre fabricação de concreto transmissor de luz,

a resistência à compressão, a capacidade de transmissão de luz através dela, e a eficácia

de custo as seguintes conclusões podem ser feitas.

B. conclusões em relação à resistência à compressão

Como por discussão na análise dos resultados, conclui-se que a mesma concepção de M

30, a resistência à compressão do concreto transmissor de luz (4%) é reduzido em 30 %,

20 %, 18% para 3dias7dias e 28 dias, respectivamente, que do concreto convencional .

Para alcançar o equilíbrio entre forças compressivas e percentagem de fibras ópticas no

cubo, foi feita a avaliação dos cubos com diferentes porcentagens de fibras ( 1 % a 5%).

Estes resultados experimentais estão expostos a seguir, que proporciona uma ótima %

de fibras ópticas para ser usado. Assim 4% as fibras são usadas para um estudo mais

aprofundado.

C. conclusões a respeito da transmissão da luz através da luz transmitindo

Bloquear :

A transmissão da luz através do bloco depende da porcentagem de fibra óptica utilizada

na área de superfície. A transmissão da luz aumenta com o aumento da porcentagem de

fibra óptica. A intensidade da luz que passa através do bloco é de, no máximo, 13H. O

máximo da intensidade da luz que passa através do bloco de 1% de fibra é 149,8 lux a

face da caixa da mesma forma, para 2% de fibra é de 219 lux, de 3% de fibra 247 lux,

4% de fibra 250,5 lux, de 5% de fibra é de 278 lux. Antes era comum com os níveis de

luz no intervalo de 100 a 300 lux para as atividades normais. Hoje o nível de luz é mais

comum no intervalo de 500 a 1.000 lux - dependendo da atividade. Para precisão e

trabalhos detalhados, o nível de luz poderá estar entre 1500 - 2000 lux. Na Tabela 3, 4 e

5, pode-se concluir que, a condição de luz exterior varia de dia nublado e dia limpo,

mas o tempo máximo durante análise experimental estava nublado. A intensidade de luz

exterior varia de 0 lux para 1193 lux no dia entre 7 :00 e 19:00. Na tabela nº. 4 e 5 está

claro que o valor médio de transmissão de luz através bloco é suficiente para as

atividades diárias, tais como visitas gerais, trabalho normal em escritório ,trabalho no

computador, trabalho com desenhos detalhados, trabalho mecânico muito detalhado, o

desempenho de tarefas visuais de baixo contraste e tamanho muito pequeno por

períodos prolongados de tempo e no local, tais como Supermercados, oficinas

mecânicas, Office paisagens, estudo biblioteca, supermercado, salas de exposição,

laboratórios, armazéns, casas, teatros , arquivos, Classes. Esta luz difusa é muito útil

principalmente para lugares onde o trabalho é feito no computador.

D. As conclusões relativas ao custo:

Mesmo que o custo inicial do concreto transmissor de luz seja 12 vezes maior que o

do concreto convencional, com o contínuo aumento na tarifa a pagar voltando ao

cálculo feito, a partir da análise de retorno financeiro, pode-se concluir que uma parede

com 16 blocos (0,360 m² de área construída) poupa em custos com electricidade

838.03/ -Rs. Portanto, o período de retorno de montante excedente investido para bloco

transmissor de luz será recuperado em 3,5 anos para consumo residencial e 2,1 anos

para consumo industrial e comercial. Além disso, reduzirá as emissões de dióxido de

carbono que é perigoso para o meio ambiente. Portanto, esta pode ser tratada como um

alto desempenho concreto. O uso deste alto desempenho do concreto transmissor de luz

é benéfico para proteger mãe terra.

E. Conclusão quanto à resistência à compressão e a reflexão da luz

A partir tabelas de resultados e os gráficos desenhados de acordo com as tabelas , pode-

se concluir que a resistência à compressão de blocos de concreto reduz com o aumento

da percentagem de fibras . (por exemplo, a percentagem de superfície de blocos de

concreto utilizado em bloco de concreto. Como por observação e comentários discutir

em pontos anteriores do projeto foi efetuada em 4% e 5% de fibras. (isto é percentual de

área de superfície de blocos de concreto ) ,porque para 5% de fibra as forças

compressivas são um pouco menores do que força e alvo de 4% é ligeiramente superior

à meta.

REFERENCES

[1] B. Huiszoon, Interferometric element, interferometric N-stage tree element,and

method of processing a ¯rst optical input signal and a second optical input signal so as

to provide a plurality of orthogonal output signals, PCTpatent WO2007/133066/A3,

Eindhoven University of Technology, May 17,2006.

[2] Carl Hartman, Seeing the future of construction through translucent concrete, The

Associated Press, July 8, 2004.

[3] Craig A. Shutt, Yeshiva Keter Torah, Fall 08 Ascent magazine, Awards for Best

Elementary School, and Best Sustainable Design Innovation Award.

[4] Craig C. Freudenrich, Ph.D., How Fiber Optics Work,

[5] Hanna Kite; Yuki Oda/Tokyo, Coolest Inventions 2004, Time Magazine, Nov.

29,2004

[6] J.C. Suárez, B. Remartınez, J.M. Menéndez, A. Güemes, F. Molleda, (2003) Optical

fiber sensors for monitoring of welding residual tresses, Journal of Materials Processing

Technology, vol. 143–144, 316–320.

[7] Jeff Hecht, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River,

NJ,USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9). National Instruments´ Developer Zone, Light

collection and propagation,

[8] Ken Shulman, X-Ray Architecture, Metropolis Magazine, April 1st, 2001.

http://www.metropolismag.com/html/content_0401/shulman/

[9] L. F. Boswell and B. McKinley. (2006), Use of optical fiber technology to measure

structural performance, Proceedings of the Tenth East Asian-Pacific Conference on

Structural Engineering and Construction, Thailand.

[10] Light transmitting concrete is set to go on sale this year, Mar 11, 2004.

[11] Light Transmitting Concrete: www.litracon.hu

[12] Luccon - Translucent Concrete: www.luccon.com Schott North America

[13] Massai, Hormigón: Ideas concretas e iluminadas, Todoarquitectura.com- Noticias

de arquitectura, diseño, construcción y CAD, October 19, 2005.

[14] McKinley, B., and Boswell, L. F. (2002), Optical fiber systems for bridge

monitoring. Proceedings of First International Conference on Bridge Maintenance,

Safety and Management, Barcelona, Spain.

[15] Progress in optical devices and materials : proceedings 2007 annual workshop of

the IEEE/LEOS Benelux Chapter, Technische Universities Eindhoven,May, 2007.

Editors: B. Huiszoon, P. J. Urban, and C. Caucheteur

[16] Sarazin G, Newhook JP. (2004) Strain monitoring techniques for FRP laminates.

Proceedings of the 2nd international conference on FRP in civil engineering, Adelaide.

[17] Translucent Concrete: www.andreasbittis.de