Avaliação do Desempenho de Soluções Estruturais em...

* MestrepelaUFOP.** ProfessordaUFOP.

Avaliação do Desempenho de Soluções Estruturais em Aço para Telhados Coloniais

Mirvane Vasconcelos Santos Melo*Geraldo Donizetti de Paula**

Resumo

Nestetrabalhofoirealizadoumestudofocadonaavaliaçãododesempenhodassoluçõesestruturaisem aço visando à aplicação em telhados coloniais.As tipologias estruturais consistem em tesourasmetálicasdotipoHowe,Howesimplificada,PratteFinkempregadasemcoberturascoloniaisdeduaságuasedirecionadasparaaarquiteturadepequenosemédiosvãos,constituídasporperfisformadosafrio.Ametodologiaadotadalevou-seemconsideraçãoavariaçãodecaracterísticasqueinfluencianarespostaestruturaldoobjetodeestudocomoosvãoslivresde06,08,10,12m,espaçamentosentretesourasde1,50;2,00e3,00metrosepédireitodaedificaçãode3,00m,comprimentolongitudinaldaedificaçãode12,00e18,00m.Oestudodestasvariaçõesdecaracterísticaspossibilitoudesenvolver48modelos estruturais que foram analisados no programa computacional SAP 2000, versão 11. Odimensionamento dos elementos constituintes das tesouras foi realizado em planilhas elaboradasnoprograma computacionalMicrosoftExcel, versão2007, de acordo comas prescrições da normabrasileiraparaodimensionamentodeestruturasdeaçoconstituídasporperfisformadosafrio.Paraavaliar a eficiência do sistema estrutural utilizou-se como parâmetro de avaliação tanto a taxa deconsumodeaçoearespostaestruturalquantoaodesempenhodastesouras.

Palavras-chave:telhadoscoloniais,avaliaçãododesempenho,tesourasmetálicas,perfisleves.

1 IntroduçãoAsestruturasmetálicassãoutilizadasemescala

industrialdesde1750.Noentanto,ousodeestruturasmetálicas no Brasil teve início somente em 1812(Nogueira,2009).

O grande avanço na fabricação de perfis emlargaescalanoBrasilocorreucomaimplantaçãodasgrandessiderúrgicasegraçasaosavançostecnológicosdasiderurgia.Aampliaçãoeamodernizaçãodasusinasnacionais processaram um efeito multiplicador quepermitiualcançarelevadosíndicesdeprodutividadeedequalidade(Teobaldo,2004).

Apartirdestemomentooaçopassourealmenteaserumainteressantealternativaaoconcretoarmadoeamadeira,poiséummaterialquepodeserusadoemtodososníveisdareabilitaçãoestrutural.

Segundo Brasil (2008), a construção civil,no país, utiliza a madeira como principal materialestrutural para a construção dos elementos quecompõemostelhadoscoloniais,sobretudo,astesourasoutreliças.OusodamadeiranaconstruçãodetelhadoséumapráticaadotadadesdeaépocadoBrasilcolônia.

Porém, devido às leis ambientais empregadas nocontroledousodestematerial,oaçosurgecomoumaalternativaaestademanda.

DeacordocomTeobaldo(2004),éumatendênciado mercado, a utilização do aço na reabilitação,modernização e recuperação de edificações antigas erecentes.Osantigosedifíciosdealvenaria,danificados,muitasvezes,pelotempodeuso,epelasintempéries,requerem sua reabilitação funcional que passa pelarecuperação estrutural. Isto também ocorre nasedificaçõesmaisnovasdevidoàfaltademanutenção.Dentre as principais vantagens da utilização deestruturasdeaçonareabilitaçãodeestruturas,asquaissedestacamsãoa resistência, a leveza e a facilidadedemontagemqueestasproporcionam.Essasvantagenssãolevadasemconsideração,principalmente,devidoàimportânciaarquitetônicaehistóricadaedificaçãodoperíodocolonial.

Teobaldo(2004)aindaafirmaqueaescassezdamadeira,fatorespatológicos,bemcomoafaltademãodeobraqualificadaparaserviçosdecarpintariadamadeiraaplicadosàsestruturasdetelhados,comoastesouras,pode-se justificar um estudo direcionado à avaliação

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do uso do aço em sistemas estruturais adequados àaplicabilidadeemcoberturasdasedificaçõeshistóricasdosítiocolonialecontemporâneo.

Esta pesquisa tem como objetivo avaliar odesempenho de soluções estruturais em aço paratelhados coloniais, ou seja, as tesouras isostáticas,compostas por perfis formados a frio. A partir dosresultados obtidos, espera-se contribuir para as áreasde arquitetura e engenharia na seleção de tesourasmais competitivas, buscando a tipologia com menorconsumodeaçoemelhordesempenhoestrutural, emrelaçãoaoutrosmateriaisqueestãonomercado.

2 Telhados

SegundoMoliterno(2010),naconstruçãocivil,otelhadodestina-seaprotegeroedifíciocontraaçõesdasintempéries,taiscomochuvas,ventos,raiossolares,

neve,alémdeimpedirapenetraçãodepoeiraeruídosnoseuinterior. Porém,comofunçãosecundária,nãomenos importante,o telhadocontribuiparaoaspectoestéticoeconfortotérmicodaedificação.

2.1 Tipos de Coberturas

Logsdon(2002)descrevequeascoberturasousuperfícies dos telhados podem ser construídas nosmais diferentes formatos.Alguns tipos de coberturastêmsuadenominaçãooriginadanonúmerodeplanospara escoamento das águas pluviais, denominadas“águasdotelhado”.Umasuperfíciedetelhadopodeserformadaporumoumaisplanos(umaágua,duaságuas,trêságuas,quatroáguasoumúltiplaságuas),ademaispodem ser encontradas em formas curvas que tem omesmonomedasuageometriacomoarco,cúpulaouarcosmúltipos(Figura1a5).

(a) (b)Figura 1 – Telhado tipo uma água: (a)elevação e (b) planta; MELO (2011).

(a) (b)Figura 2 – Telhado tipo duas águas os dois planos se encontram no meio do vão da planta, seguindo uma aresta de

nível, denominada cumeeira: (a) elevação e (b) planta; Melo (2011).

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Mirvane Vasconcelos Santos Melo, Geraldo Donizetti de Paula

2.3 Tipos de Telhas Moliterno (2010) relata que as telhas podem

serencontradasemdiversosmateriais,taiscomo:açocorrugado,alumínio,zinco,madeira,barro(cerâmicas),fibrocimento (cimento amianto) e outras. As telhas

cerâmicaseasdefibrocimentosãoasmaisutilizadasno Brasil. Já aquelas produzidas em chapa de açocorrugado, ou por alumínio, são de aplicação quaserestritaàsindústrias.Noentantoastelhasgalvanizadas,poucoutilizadasatualmente,sãoencontradasemobrasrústicas,depósitoseabrigoparaanimais.

(a) (b)Figura 3 – A forma triangular da planta fornece uma solução para o telhado que consiste em três tacaniças ou

águas triangulares iguais: (a) elevação e (b) planta; Melo (2011).

(a) (b)Figura 4 – Telhado em formato quadrado, as quatro águas são iguais entre si formando um vértice, sem cumeeira:

(a) elevação e (b) planta; Melo (2011).

(a) (b)Figura 5 – Telhados compostos podem cobrir plantas de formatos variados iguais ou diferentes, elaborados de

acordo com a imaginação do arquiteto: (a) elevação e (b) planta; Melo (2011).



coberturas de duas águas e toma-se como referenciauma inclinação de 30%, o que é usual no caso detelhadoscoloniais.

Figura 7 – Perfil U enrijecido; Melo (2011).

Aformageométricadasquatrotesouraslinearesadotadas nesta pesquisa e a nomenclatura das barrasretas ligadas por suas articulações perfeitas, umahipótese,émostradanaFiguras8.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 8 – Desenhos esquemáticos para demonstração das Treliças: (a) Howe Simplificada

(b) Treliça Howe, (c) Treliça Pratt, (d) Treliça Fink; Melo (2011).

Osparâmetrosdefinidosestãorepresentadosem

diagramas de cobertura ilustrados na Figura 9. Essesdiagramas representam as medidas de comprimento

2.4 Algumas Considerações Sobre Tesouras

Atesouraéumatreliçaplanaverticaldestinadaao suporte de uma cobertura, que também pode serconsiderada comouma estrutura linear composta porbarrasretasligadasporarticulações.Deveseconsideraralgumas hipóteses básicas sobre treliças tais como:os nós como articulações perfeitas; o peso própriodas barras deve encontra-se concentrado em suasextremidades (nós); as ações são aplicadas somentenos nós da treliça; a geometria da treliça não devevariarconformeocarregamentoaplicado;finalmente,suas barras devem ser solicitadas somentepor forçasnormais(açãoecompressão).

A principal característica das treliças é apre-sentarem pequeno peso próprio em relação a outrostiposdeelementoscomamesmafunçãoestrutural.NaFigura6 apresenta-seos elementos estruturaisdeumtelhadocolonial.

Figura 6 – Elementos estruturais componentes dos

telhados coloniais; Melo (2011).

3 Modelos Analisados

Tendo em vista que o objetivo principal destetrabalho é o de avaliar o desempenho de soluçõesestruturaisemaçoparacoberturascoloniais,presentesemgrandequantidade,naarquiteturacontemporâneaenosítiohistóriconacional.Parasuacomposiçãoserãoutilizadososperfisdeaçoformadosafrio.

Neste trabalho as barras da tesoura foramconstituídas pelo perfil U enrijecido formado a frio,também conhecidos como perfil leve (Figura 7). OsprocedimentosdedimensionamentosãoestabelecidospelaNBR14622:2010.

Realizou-se uma análise panorâmica dassoluções estruturais consideradas como geometriasconsagradas nomeio técnico, às tesouras isostáticas:Howesimplificada,Howe,PratteFink.Utilizadasem



longitudinal 12,00 m e 18,00 m das edificaçõesestabelecidas nesta pesquisa, sendo o espaçamentoentre treliças de 1,50 m. No entanto, é importantemencionar que os espaçamentos de 2,50m e 3,00mforamigualmenteestudados.Opédireitodaedificaçãoadotadoéde3,00m.

4 Análise Estrutural

As ações atuantes nos modelos foramdeterminadas de acordo com as recomendações daNBR14762 :Foramconsideradas as seguintes açõesnaanáliseestrutural:

a) açõespermanentes (G),que correspondemaopesoprópriodoselementosconstituintesda estrutura e dos materiais a ela ligados.O peso próprio dos elementos estruturaisavaliado após o pré-dimensionamento dastreliças foi calculado usando a fórmulade howe representada pela expressão (1),segundoMoliterno(2010).

PP=2,45(1+0,33L) (1)

onde: L representa a medida do vão livre em

metros. Paratodososmodelosconsiderou-seopeso

própriodas telhas, ripasecaibros,alémdeumacargade30%amaisdopesodastelhascerâmicasdevidoàabsorçãodeáguapluvialeumacargade0,1471kN/m²devidoaopesodoforro;

b) ações variáveis, que são aquelas cargas queresultamdousooudaocupaçãodaedificaçãoao longo de sua vida útil e representamvalores significativos.Nocasodasestruturasde cobertura estudadas neste trabalho asações variáveis aplicadas as estruturas são asobrecargadecoberturaeaaçãodovento;

c) sobrecarga de cobertura (Q), para osmodelos considerados foi acrescentado àcarga normal uma sobrecarga de coberturade1,50kN/m2,conformerecomendaçãodaNBR6120:1980;

d) açãodosventos(V)naestruturadecoberturasãosignificativase,conseqüentemente,con-sideradasnestetrabalho,sedãoporsucçãoesobpressão.

(a) (b)Figura 9 – Desenhos esquemáticos para demonstração dos diagramas de cobertura:

(a) 6,00 x 12,00 m (b) 6,00 x 18,00 m; Melo (2011).



A ação por sucção, no caso particular decoberturas com telhas cerâmicas, quando não amar-radas ou fixadas pormeio de pregos na estrutura dearmaçãodotelhado,nãotemsignificado.Comrelaçãoàaçãodesobrepressãoéumaquestãorelevantenestapesquisa, de acordo com a NBR 6120:1980 item2.2.1.4, “Todo elemento isolado de cobertura (ripas,terças e barras do banzo superior de tesouras outreliças) deve ser projetado para receber, na posiçãomaisdesfavorável,umacargaverticalde1,0kN,alémdacargapermanente.”

O fator determinante na escolha do tipo daanalise estrutural a ser feita é assegurar que osresultados obtidos serão a representação do realcomportamentodaestrutura.Nosentindodeauxiliar

esta análise estrutural, há no mercado internacionaldiversos programas computacionais, amplamenteempregados na avaliação do comportamento deum grande número de problemas de engenharia.Muitos desses programas são baseados no Métododos Elementos Finitos, enquanto outros, que estãolimitados a elementos de barras, utilizam oMétododosDeslocamentos.

Neste contexto, utiliza-se o programa compu-tacional SAP 2000, versão 11 (COMPUTERSANDSTRUCTURES, 2005), para realização das análisesestruturaisedimensionamentodosmodelos.

As Figuras 10 a 13 ilustram em detalhes asconseqüentesdeformaçõesparaastreliças,queforamgeradaspeloprograma.

Figura 10 – Análise SAP para treliça Howe Simplificada - deformação (vão 6m - espaçamento 1,50m); Melo (2011).

Figura 11 – Análise SAP para treliça Howe - deformação (vão 6m - espaçamento 1,50m); Melo (2011).



5 Resultados Apresenta-seopesodecadamodelopertencente

àstipologias:HoweSimplifcada,Howe,PratteFink,levandoemconsideraçãoovãolivreeoespaçamentoentreastesouras.Discute-setambém,osresultadosdetaxas de consumo de aço, bem como o desempenhoestruturaldasquatrotipologiasquecompõemoestudoparamétrico.

OpesodastesourasapresentadasnasTabelas1a4éutilizadoparaadeterminaçãodataxadeconsumodeaçoparacada tipologia, em funçãodovão livreeespaçamentoentreasmesmas.

As Figuras 14 a 16 ilustram em forma degráficos o desempenho de cada tipologia de estudoem função dos três espaçamentos adotados, pode-seperceberqueparaoespaçamentode1,50mastesourasque demonstraram o melhor rendimento quantoao consumo de aço são as tesouras Fink e Pratt. Noentanto,nosespaçamentosde2,00me3,00mapenasatesouraFinkdemonstrouummelhordesempenho.

Considerando a taxa de consumo de aço pormetro quadrado (m2) verifica-se que a tipologiaestruturaldenominadatesouraFink,alémdeapresentarummelhordesempenhoemrelaçãoàsdemais,registra-seummenorconsumodeaçoparaoespaçamentoentreasreferidastesourasiguala3,0m.

Figura 12 – Análise SAP para treliça Pratt - deformação (vão 6m - espaçamento 1,50m); Melo (2011).

Figura 13 – Análise SAP para treliça Fink - deformação (vão 6m e espaçamento 1,50m); Melo (2011).



Tabela 4–DescriçãodatesouraFink

Vãolivre Espaçamento Pesototaltreliça (m) (m) (kg) 6,00 1,50 58,46 6,00 2,00 58,46 6,00 3,00 58,46 8,00 1,50 77,94 8,00 2,00 77,94 8,00 3,00 77,94 10,00 1,50 97,43 10,00 2,00 97,43 10,00 3,00 97,43 12,00 1,50 116,91 12,00 2,00 126,92 12,00 3,00 157,27

Figura 14 –Taxa de consumo de aço global para as tipologias TH, TF, TP e THS em função

do espaçamento de 1,50 m; Melo (2011).

Figura 15 – Taxa de consumo de aço global para as tipologias TH, TF, TP e THS em função

do espaçamento de 2,00 m; Melo (2011).

As tipologiasHoweeprincipalmente, aHoweSimplificada apresentam um desempenho beminferioràstipologiasPratteFinke,portanto,nãosãorecomendadas para o uso como tesouras de aço paratelhadoscoloniais.

As tesouras Pratt e Fink apresentarem ataxa de consumo de aço praticamente idêntica parao espaçamento igual a 1,5 m, entretanto, para osespaçamentosiguaisa2,0me3,0mrespectivamente,

Tabela 1 –DescriçãotesouraHoweSimplificada


Tabela 2–DescriçãotesouraHowe


Tabela 3–DescriçãodatesouraPratt




percebe-sequeocorreumaumentodataxadeconsumodeaçoparaatesouraPrattemrelaçãoàFink,apartirdovãolivreiguala10,00me8,00m,respectivamente.Poressarazão,levandoemconsideraçãoosresultadosobtidos neste trabalho, a tipologia Fink é escolhidacomoamelhoremaçoparaconfecçãodetesourasparatelhadoscoloniais.

Figura 16 – Taxa de consumo de aço global para as tipologias TH, TF, TP e THS em função do

espaçamento de 3,00 m; Melo (2011).

6 Conclusões

Constata-se que nem sempre as soluçõesadotadas, mesmo que marcadas pelo número signi-ficativo de repetições baseadas em exemplos dopassado, levam a resultados técnicos e econômicossatisfatóriosnopresente.

As análises indicam que as tesouras Howe eHowe Simplificada apresentam taxas de consumo deaço superiores às tesourasPratt eFink para todos osquatrovãoslivreseostrêsespaçamentosselecionados.Assimsendo,astesourasHoweeHoweSimplificada,asmaisutilizadasnoBrasile,porconseguinte,naregiãodeOuroPreto,emcoberturascoloniaisemmadeira,seexecutadasemaçonãoserãoeconomicamenteviáveis,levandoemcontaosquatromodelosanalisados.ParaastipologiasPratteFink,osresultadosdemonstramumarelaçãopraticamentelinearparaataxadeconsumodeaçoparatodososvãoslivres.

No que se refere ao espaçamento entre es-truturas, verifica-se que quantomaior este parâmetro(dentrodoslimitesabrangidospelopresenteestudo),ataxadeconsumodeaçotendeasermenor.

Neste contexto, cabe destacar a conclusão dequeésempreimportantebuscarsoluçõesnosentidodeviabilizar o aumento do espaçamento entre tesouras,pois além do ganho com a taxa de consumo de aço,reduz-setambémonúmerodetesourasaexecutar,compotencialreduçãodocustodamão-de-obranecessáriaparaainstalaçãodacoberturapropriamentedita.

A tesoura Fink apresenta melhor desempenho

em relação às demais, em função dos parâmetrosconsiderados. Esta conclusão é baseada no contextodeque esta tipologia,mesmocomumnúmeromaiorde barras internas, proporciona a possibilidade deredução do comprimento de flambagem das barrascomprimidas.

O fato de uma tipologia sobressair-se emrelaçãoàsoutras,quantoàtaxadeconsumodeaço,nãopermite afirmar que esta seja amais econômica parasolucionartodaequalquercobertura,dopontodevistade projeto. Existem distintas variáveis num projetoqueirãocondicionaraescolhadeumatipologia: tipodetelhaeinclinaçõesdosplanosdotelhado;custodefabricação;possibilidadedemontagemdaestruturanaobra,entreoutras.

Agradecimentos

AgradecemosaFundaçãodeAmparoàPesquisadoEstadodeMinasGerais(FAPEMIG)eaCoordenaçãode Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior(CAPES) pelo suporte dado ao desenvolvimento dotrabalho.

Abstract

In this paper a study was carried out focusedon performance evaluation of the structural steelsolutions aiming at the application in colonial roofs.The structural typologies consist ofmetal shears likeHowe,Howesimplified,PrattandFinkusedincolonialroofsoftwoslopesanddirectedtothearchitectureofsmall and medium spans, consisted of cold formedsteel. In the methodology adopted it was taken intoaccount the variationof characteristics that influenceon structural response of the object of study such asthefreespansof06,08,10,12meters,spacingamongshearsof1.50,2.00and3.00metersandthebuildingright foot of 3.00 meters, the longitudinal length ofthebuildingof12.00and18.00meters.Thestudyofthesevariationsof characteristicsmade it possible todevelop48structuralmodelsthatwereanalyzedusingthe SAP 2000 computer program, version 11. Thesizing of the constituent elements of the shears wasperformedinspreadsheetselaboratedinthecomputerprogramMicrosoftExcel,version2007, according tothe requirements of the Brazilian standard for sizingof steel structures consistingof cold-formedprofiles.To evaluate the efficiency of the structural systemit was used as evaluation parameter both the rate ofconsumption of steel and the structural response forperformanceoftheshears.



Keywords: colonial roofs, performanceevaluation,metalshears,lightprofiles.

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