Calculo LSF

7/27/2019 Calculo LSF

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SUSTENTABILIDADE E PERFORMANCE ENERGTICA DEEDIFCIOS RESIDENCIAIS UNIFAMILIARES METLICOS

Raquel Martins 1 , Helena Gervsio 2, Lus Simes da Silva 3, Jos Alexandre Henriques 4 eMarta Agante 4

RESUMO

Apresenta-se neste trabalho um exemplo de uma moradia unifamiliar com estruturametlica constituida por perfis enformados a frio cuja concepo teve, desde o incio, a

preocupao em respeitar os trs factores fundamentais para o desenvolvimento sustentvelda construo: a utilizao de materiais amigos do ambiente, a eficincia energtica dosedifcios e a gesto dos resduos resultantes tanto da construo como da demolio deestruturas.

O primeiro e o terceiro factores so implementados atravs da escolha de uma soluoestrutural com recurso a perfis enformados a frio. O segundo factor, eficincia energtica optimizado quer pela pormenorizao de solues com performances que minimizam anecessidade de climatizao, quer pelo recurso utilizao de fontes de energia renovvel ereutilizao e reciclagem. Todo o projecto desenvolvido numa perspectiva integrada, sendoapresentadas as metodologias de avaliao de ciclo de vida, tanto no que diz respeito eficincia ambiental como eficincia energtica.

1. INTRODUOA construo e explorao de edifcios consome energia, materiais e gua em to

grandes quantidades, que se torna legtimo dizer que o desenvolvimento sustentvel depende,de alguma forma, do sector da construo [1]. A Unio Europeia tem empreendido grandesesforos no sentido de desenvolver estratgias para a minimizao de impactos ambientaisresultantes da actividade da construo, e promover as condies necessrias para que aindstria da construo se torne cada vez mais competitiva. Neste contexto, numa recenteComunicao da Comisso para a competitividade da indstria da construo

1 Engenheira Civil, GIPAMB Ltd., Lisboa2

Mestre em Engenharia de Estruturas, GIPAMB Ltd., Lisboa3 Professor Catedrtico, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra, Coimbra4 Engenheiro Civil, Aluno de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra, Coimbra


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II-784 V Congresso de Construo Metlica e Mista

(COM(97)539) [2], trs factores foram identificados como fundamentais para odesenvolvimento sustentvel da construo: a utilizao de materiais amigos do ambiente, aeficincia energtica dos edifcios e a gesto dos resduos resultantes tanto da construocomo da demolio de estruturas [1].

A utilizao do ao em estruturas de edifcios contribui para os objectivos da

construo sustentvel em dois aspectos principais (i) as estruturas metlicas so facilmenteadaptveis a novas exigncias funcionais que eventualmente ocorram durante a vida til dasmesmas; (ii) o ao um material totalmente reciclvel contribuindo desta forma para amanuteno dos recursos naturais e para a reduo de resduos slidos derivados dademolio.

O objectivo deste trabalho a apresentao de um caso prtico, relativo a umamoradia unifamiliar, em que a soluo global foi pensada e definida tendo em considerao osobjectivos principais da construo sustentvel. Nesta anlise integrada sero apresentadas asmetodologias de avaliao de ciclo de vida, tanto no que diz respeito eficincia ambientalcomo eficincia energtica. Note-se que a opo por uma habitao unifamiliar resultou emgrande parte do facto deste sub-sector ter sido escolhido pelo IISI [3] como um sector estratgico para o crescimento da construo metlica a nvel global e ser um sector onde, emPortugal, imperam as solues em beto armado.

2. APRESENTAO DO CASO PRTICO

O caso prtico apresentado diz respeito a uma moradia unifamiliar a construir noAlgarve. A moradia tem uma implantao rectangular de 15.40 m por 17.40 m e constituda

por dois pisos sendo o piso superior recuado em relao ao piso trreo.

1 . 0

5

8.65 1.00 3.35 1.00 3.40

2.85

1 . 6

0

8

Quarto18.10m

2.201.450.10

0.20

0 . 4

5

2 . 1

0

1 . 7

0

130.75

1

14

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3.50

1.45

Quarto17.00m

0 . 2

0

1.90

0.10

I. S.10.00mCozinha

28.10m 5

2.00 5.10

11

Despen sa5.17m

1.50

212

3

Sala67.00m

5.10

5 . 0

5

3 . 5

5

3.45

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7.95

3 . 0

0

0 . 4

0

Garagem24.30m

3 . 4

5

3 . 4

5

0 . 2

0

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74

7.10

6

0 . 5 0

3 . 8

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6 . 3

5

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. 4 5

3 . 8

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3 . 8

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0

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3. 0 8

7.85

17.40

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3.10

2 . 3

0

3.05

2.530.95

4 . 1

3

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3 . 3

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3

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1

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4.65

Quarto15.85m

Quarto15.80m

4

5 . 6

0

2.40

1 . 3

0

2.40

2 . 7

03.45

2.52

1.50

4 . 1

2

7.80

0 . 3

0

1 . 3

0

5 . 0

0

8 . 2

0

3 . 8

5

6.70

Fig. 1 Plantas dos Piso 0 e 1

O piso 0 (piso trreo) composto por uma grande sala que liga directamente com a cozinhaque tem uma despensa, 2 quartos com um w.c. comum e 1 garagem que liga com uma

arrecadao. Existe ainda um w.c. mais pequeno junto entrada principal da casa. A sala possu grande exposio solar, pois est virada a Sul e tem grande rea de aberturas e liga a


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Estudos e Projectos Especiais II-785

um jardim exterior com piscina. O Piso 1 tem 2 quartos e 1 w.c. e os 2 quartos encontram-seigualmente virados a sul tendo grande exposio solar.

3. SOLUO ESTRUTURAL

A opo por uma soluo estrutural metlica constituida por perfis enformados a frioconduz a solues tipicamente representadas na Fig. 2.

Fig. 2 Solues tpicas para pavimento e painis verticais

Este tipo de estrutura caracteriza-se pela grande quantidade de elementos metlicosagrupados de forma a criar uma malha muito densa de elementos que em conjunto conferemestabilidade estrutura. Esta composta pelos seguintes componentes: painis de paredeexteriores, painis de parede interiores, vigas de cobertura e piso. De forma a facilitar aconstruo, os painis so compostos por elementos verticais com afastamentos constantes,condicionando assim a escolha dos afastamentos dos restantes elemntos (vigas de cobertura edo piso). A Fig. 3 ilustra a modelao de um painel de parede exterior, o qual acomoda asaberturas para janelas e contraventamentos para garantir a estabilidade no seu plano.

Fig. 3 Painel de parede exterior

O afastamento tipo escolhido para os perfis verticais constituintes dos painis de parede foi de 500 mm. A altura total de cada painel de 2750 mm, e os perfis verticais soligados entre si por elementos dispostos horizontalmente na base e no topo dos primeiros. Aseco escolhida para estes elementos em C, disposto para que a direco de maior inrciaresista aco do vento. A meia altura sero colocados perfis horizontais reduzindo ocomprimento de encurvadura na direco de menor inrcia aumentando assim a suaestabilidade. Nas extremidades dos painis e nas zonas junta a aberturas, como sejam as

janelas, colocaram-se contraventamentos para absorverem as aces horizontais no plano dos

painis.


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O piso do 1 andar possui um vo livre considervel a vencer, pelo que se optou por uma soluo em trelia. As vigas foram definidas com uma altura de 400 mm e optou-se pelautilizao de perfis tubulares. Na direco transversal s vigas prevem-se travamentos deforma a aumentar a estabilidade lateral das mesmas. Nesta mesma direco, nos topos e nazona de abertura para escadas, a soluo aplicada foi a utilizao de vigas da mesma forma.

Para realizao da cobertura utilizou-se uma soluo em trelia triangular. Adoptou-seuma afastamento entre vigas de 1000 mm, sendo que nas zonas de mudana de direco esteafastamento varia de forma a se adaptar o melhor possvel transio, no variando contudomuito. A meio vo das vigas, colocaram-se travamentos em cruz, de forma a aumentar aestabilidade lateral das vigas. Por cima das vigas utilizam-se madres de apoio do revestimentoe que transmitem as cargas as vigas de cobertura nos ns das trelias.

A Fig. 4 ilustra o modelo tridimensional de clculo da estrutura, para o qual seefectuou uma anlise elstica para determinao de esforos e deslocamentos.

Fig. 4 Modelo estrutural

Os elementos estruturais foram dimensionados de acordo com os eurocdigos

estruturais. Em particular, foram utilizadas as EN 1993-1-1[4]

, prEN 1993-1-5[5]

e prEN 1993-1-3 [6], sendo que esta ltima visa precisamente o dimensionamento de perfis enformados afrio. A Tabela 1 lista os perfis adoptados para a estrutura.

As paredes exteriores so constituidas por paineis com placas de OSB, os paineismetlicos acima descritos, isolamento acstico e trmico constituido por l de rocha, placasem gesso cartonado, com uma espessura total de 30 cm. As paredes interiores so igualmenteconstituidas por paineis em OSB, estrutura metlica, placas em gesso cartonado, com umaespessura total de 25 cm. O pavimento do 1 piso constituido por madeira, assente sobre aestrutura metlica do piso, isolamento trmico e acstico (l de rocha) e tecto falso em gessocartonado. Finalmente, a cobertura constituida por chapa metlica corrugada sandwich,isolamento trmico e acstico, telha e tecto falso em gesso cartonado.


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Tabela 1 Perfis escolhidosPainis de Parede Exteriores Elementos verticais simples C100x50x10x2Elementos verticais duplos(cantos, janelas e interseces com paineis interiores)

2 x C10050x10x2(em tubo)

Elementos horizontais C 125x50x10x2Painis de Parede Interiores Elementos simples C100x50x10x2Elementos duplos(interseces com outros painis, cantos e elementos sobre o piso)

2 x C100x50x10x2(em tubo)

Cobertura Montantes de base e topo das vigas C100x50x10x2Montantes interiores (diagonais e verticais) SHS75x2Piso Todos os montantes SHS75x1,5

Contraventamentos Cruz Barra 60x2Simples (no interior dos painis) C100x50x10x1

4. EFICINCIA ENERGTICA

4.1 Comportamento trmico e acstico

De acordo com a regulamentao Portuguesa para o comportamento trmico de

edifcios[7]

, o Pas dividido em zonas climticas de Inverno e de Vero, numa base concelhiacom ajustes associados altitude e distncia ao mar do local de implantao do edifcio.Assim, o Pas dividido em trs zonas climticas de Inverno, I 1, I2 e I3 e em trs zonasclimticas de Vero, V 1, V 2 e V 3. O Algarve, situado nas zonas I 1 e V 2, apresenta um climatemperado, com uma temperature media no Inverno de 14C e de 24C no Vero, raramentedescendo abaixo dos 12C no Inverno e atingindo 28C a 30C em Julho e Agosto. Ocomportamento trmico e acstico analisado de acordo com as condies ambientaisnaturais e no considerando qualquer sistema activo de aquecimento ou arrefecimento.

O comportamento trmico de edifcios [7] caracterizado pelos seguintes ndicestrmicos de base:

- necessidades nominais de energia para aquecimento no Inverno (N ic);

- necessidades nominais de energia para arrefecimento no Vero (N vc).A analyse trmica global conduz aos resultados da tabela 2, os quais verificam os limitesimpostos regulamentarmente, onde N i = valor mximo admissvel de aquecimento e N v =valor mximo admissvel de arrefecimento.

Tabela 2 Anlise trmica globalPainis de Parede Vero Inverno

N ic N i Nvc Nv [kW.h/m 2.ano] 24.56 42.90 5.79 19.14

A regulamentao Portuguesa para o comportamento acstico de edifcios[8]

definedois tipos de reas em termos de nvel de ruido ambiental: reas sensveis e reas mistas. Para


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consumos de energia. Seguidamente surge a iluminao e o aquecimento de guas sanitrias(AQS) com consumos bastante inferiores mas de relevante importncia.

4.3 Caracterizao da soluo preconizada

Com base nos consumos apurados traou-se a estratgia para a poupana de energticaestudando os sistemas existentes no mercado com as respectivas vantagens e desvantagens.

Um sistema solar trmico, esquematicamente ilustrado na Fig. 7, um sistema queaproveita o calor irradiado pelo sol para aquecer gua. Basicamente tem dois componentesessenciais: o colector solar para a captao de energia solar e o depsito para armazenamentoda gua quente. Neste caso, optou-se pelo seguinte sistema solar trmico (Tabela 4):

Tabela 4 Caractersticas do sistema solar trmicoCapacidade rea de

Colectoresn. de pessoas Preo

aproximado300 l 2 x 2 m 2 6 a 7 2300

Os sistemas fotovoltaicos, tipicamente ilustrados na Fig. 8, permitem produzir toda a energiaelctrica necessria, por exemplo, satisfao do consumo dos electrodomsticos instaladosnuma casa de habitao. Para uma casa com os eletrodomsticos usuais, como frigorfico,televiso, mquina de lavar roupa e loua, microondas, entre outros pequenoselectrodomsticos, para uma potncia diria de 10.39 kWh/dia, optou-se pelo seguinte sistemasolar fotovoltaico (Tabela 5):

Tabela 5 Caractersticas do sistema fotovoltaico

Equipamento Necessrio reaocupada PesoPreo

Aproximado10 painis PV de 175 W 13.04 m 2 150 kg10 Suportes - -1 inversor Mass sine 2.500 0.13 m 2 9 kg10 baterias* a 200 Ah 1.5 m 2 700 kg1 controlador de Mass 24/100 0.13 m 2 7.7 kg

18.613,21

* o pack de baterias apenas para 2 dias sem sol

Figura 7 Sistema solar trmico Figura 8 Sistema fotovoltaico

5. ANLISES DE CICLO DE VIDA


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5.1 Introduo

A sustentabilidade da moradia foi analisada em termos ambientais e econmico, emambos os casos fazendo uma avaliao de ciclo de vida, i.e., uma avaliao que inclui o ciclode vida completo da moradia desde a extraco e o processamento das matrias-primas,

incluindo a fabricao e o transporte at ao local da obra; ao uso, operao e manuteno at disposio final da estrutura.

De forma a interpretar os resultados finais da anlise, alm da anlise da moradia como sistema estrutural descrito nos pargrafos anteriores foi analisado um outro sistemaestrutural equivalente de forma a fazer-se uma anlise comparativa entre ambos os sistemas.A soluo alternativa do sistema estrutural consistiu numa soluo clssica constituda por uma estrutura com pilares e lajes em beto, paredes exteriores de alvenaria de tijolo, duplas(15 cm e 11 cm), rebocadas e pintadas em ambas as faces, e uma caixa de ar, com 4 cm deespessura, preenchida com isolamento trmico e acstico. As paredes interiores eram paredessimples de alvenaria com 11 cm de espessura, rebocadas e pintadas em ambas as faces. Estaestrutura alternativa foi dimensionada de forma a desempenhar a mesma performanceestrutural e com as mesmas margens de segurana da estrutura inicial. Nesta anlise oselementos comuns a ambas as solues (fundaes, laje trrea e cobertura) no foramconsiderados na anlise. Em termos de comportamento fsico, os comportamentos trmico eacstico foram equilibrados de forma a que no houvesse uma soluo preferencial. A anliseda sustentabilidade determinou qual o sistema estrutural que obtm o melhor balano entre a

performance ambiental e a performance econmica.

5.2 Anlise ambiental de ciclo de vida

A performance ambiental foi avaliada no contexto duma anlise de ciclo de vida, com

base nas normas ISO, srie 14040[9-12]

, e utilizando o programa de anlise BEES[13]

. Na anlise de inventrios foram quantificados todos os inputs (quantidade de matrias primas, quantidades de gua e energia) e outputs (emisses de partculas para a atmosfera,terra e gua) correspondentes a todas as fases de produo, desde a extraco de matrias

primas at ao produto final, pronto para ser transportado do local de fabrico. As fasesseguintes no foram consideradas na anlise por no haver, na literatura disponvel, dadossuficientes e credveis para a sua quantificao.

Fig. 10 Resultado da anlise ambiental Fig. 11 Resultado da anlise econmica

Todos os dados relativos aos diversos materiais construtivos, com excepo do ao, foramobtidos da base de dados do programa BEES. No caso do ao, os dados foram obtidos do

International Iron and Steel Institute [14] . A avaliao de impactos foi efectuada com base nametodologia desenvolvida pela Society for Environmental Toxicology and Chemistry


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(SETAC) [13] . Desta anlise resultaram doze ndices, os quais esto representados na Fig. 10, para cada uma das solues. Da anlise do grfico da Fig. 10, verifica-se que a soluometlica apresenta um desempenho ambiental superior soluo de referncia, em beto, jque a soma de todos os ndices representativos dos impactos ambientais do primeiro caso inferior soma obtida para o segundo caso.

5.3 Anlise econmica de ciclo de vida

A avaliao econmica de ciclo de vida, indicada no grfico da Fig. 11, foi efectuadacom base nos custos iniciais e futuros correspondentes a cada soluo. A compilao doscustos iniciais de construo baseou-se nas quantidades de materiais estimados para cadasoluo estrutural e os custos futuros foram estimados com base nas despesas de manuteno

previstas para o perodo de referncia. Neste anlise assumiu-se um perodo de estudo de 50anos e a taxa real de desconto considerada foi de 3.9%.

5.4 Anlise global de ciclo de vida

O resultado final, representado na Fig. 12, foi obtido pela mdia ponderada das performances ambiental e econmica, considerando-se o mesmo peso para ambas as anlises. Neste caso verificou-se que a soluo estrutural mista ao-beto apresentava uma performance ambiental e econmica superior soluo de beto. Note-se, no entanto, que estecaso prtico serviu apenas para demonstrar a aplicao da metodologia e no para generalizar os resultados obtidos.

Fig. 12 Resultado da anlise global

6. CONCLUSES

Neste trabalho foi feita uma anlise da sustentabilidade de uma moradia unifamiliar emestrutura metlica constituda por perfis enformados a frio. Nesta anlise, alm da discussorelativa eficincia energtica da soluo, foi tambm realizada uma anlise comparativa, emtermos ambiental e econmico, com uma soluo clssica em beto armado, a qual conduziu aum desempenho global claramente superior para a soluo metlica.

7. AGRADECIMENTOS


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Agradece-se o suporte financeiro concedido pelo Ministrio da Cincia e Tecnologiaatravs do programa POCI - 2010 , Formao Avanada para a Cincia Medida IV.3, ref.SFRH/BD/18801/2004 para Helena Gervsio.

8. REFERNCIAS[1] Gervsio, H. e Simes da Silva, L., A sustentabilidade do ao, 5 Congresso de

Construo Metlica e Mista , Lisboa, 2005.[2] Communication from the European Commission: The Competitiveness of the Con-

struction Industry COM (97)539, 1997.[3] International Iron and Steel Institute, Living Steel Programme overview, ECCS

Workshop, London, UK, May 2005.[4] European Committee for Standardization (CEN). EN 1993-1-1, Eurocode 3 Design

of Steel Structures Part 1-1: General rules and rules for buildings, May 2005, Brus-sels, 2005.

[5] European Committee for Standardization (CEN). prEN 1993-1-5, Eurocode 3 De-sign of Steel Structures Part 1-5: General rules and rules for buildings, May 2005,Brussels, 2005.

[6] European Committee for Standardization (CEN). prEN 1993-1-3, Eurocode 3 De-sign of Steel Structures Part 1-3: General rules and rules for buildings, May 2005,Brussels, 2005.

[7] RCCTE Regulamento das Caractersticas de Conforto Trmico de Edifcios,Proposta de Decreto-Lei, verso 2004.

[8] RRAE Regulamento dos Requisitos Acsticos dos Edifcios, Decreto-Lei 129/2002,de 11 de Maio

[9] International Standard 14040, Environmental Management LCA Principles and Framework, 1997.[10] International Standard 14041, Environmental Management LCA Goal and Scope

Definition and Inventory Analysis, 1998.[11] International Standard 14042, Environmental Management LCA Life Cycle

Impact Assessment, 2000.[12] International Standard 14043, Environmental Management LCA Life Cycle

Interpretation, 2000.[13] Lippiatt, B., BEES 3.0 Building for Environmental and Economic Sustainability

Technical Manual and User Guide, NISTIR 6916, Gaithersburg, MD: National Insti-tute of Standards and Technology, 2002.

[14] International Iron and Steel Institute (IISI), World Steel Life Cycle Inventory Methodology Report 1999/2000, Committee on Environmental Affairs, 2002.

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