Steel frame - cobertura (última parte)

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1 Página 1 de 8 Steel frame - cobertura (última parte) A cobertura destina-se a proteger as edificações da ação das intempéries. Pode ser vista também como um dos elementos de importância estética do projeto, merecendo, por isso, materiais que atendam tanto ao desempenho técnico como às exigências arquitetônicas. A definição da cobertura da edificação depende, entre outros fatores, de: dimensões dos vãos que deverão ser vencidos; ações da natureza; opções arquitetônicas e estéticas; condições locais e a relação custo-benefício. De um modo geral, os elementos das coberturas são: 1) vedação propriamente dita (telhas), que pode ser de diversos materiais; 2) a armação ou conjunto de elementos que dão suporte à cobertura, como as ripas, caibros, terças, tesouras, treliças, elementos de contraventamento; 3) o sistema de escoamento das águas pluviais, como condutores, calhas e rufos. Construtivamente, as coberturas próprias para steel frame possuem as mesmas características e princípios das estruturas convencionais. Portanto, podem ser utilizadas com telhas metálicas, cerâmicas, fibrocimento e shingle, entre outras. As coberturas prontas para steel frame, por sua leveza e versatilidade, podem ser utilizadas em edificações de sistemas construtivos tradicionais e são capazes de vencer grandes vãos, inclusive podem ser empregadas em galpões e edificações de usos gerais de serviços. A estrutura da cobertura deve suportar, além de seu peso, o peso da vedação, forros suspensos, mantas térmicas ou acústicas, ações devidas ao vento, os equipamentos e as instalações que nela se apoiam, além da sobrecarga de pessoas quando a cobertura estiver em manutenção periódica. A norma "NBR Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto de Edifícios" prevê que, se nenhum outro valor mais específico puder ser avaliado, deve ser considerada uma sobrecarga de 0,25 kn/m² na área projetada da cobertura, para atender também eventual empoçamento de água em função dos caimentos. Devem ser levadas em consideração, ainda, no dimensionamento dos elementos estruturais, as ações decorrentes do processo construtivo ou de montagem.

2 Página 2 de 8 Materiais Figura 1 - Estrutura de cobertura em steel frame para edificação convencional Figura 2 - Cobertura plana horizontal com placas sobre treliças Para executar estruturas de coberturas de steel frame utilizam-se os mesmos perfis de aço galvanizado empregados na estrutura das paredes, que são os perfis U e Ue, com alma de 90 mm, 140 mm ou 200 mm de altura. O conceito de alinhamento das cargas, empregado na execução do restante da estrutura da construção, deve valer também para a cobertura. Os perfis metálicos devem se posicionar entre si de tal forma que gerem o mínimo de excentricidade e transmitam as ações citadas sem gerar efeitos substanciais de segunda ordem. Para tanto, construtivamente, os perfis que compõem a tesoura, treliça ou conjunto de caibros devem ter suas almas alinhadas às almas dos montantes das paredes que as suportam, para que os esforços não produzam efeitos não avaliados no dimensionamento. Uma das soluções de cobertura possíveis, utilizando-se steel frame, é o plano horizontal impermeabilizado. Esse plano pode ser executado com laje úmida (conforme descrito no artigo referente à estrutura, Téchne 135) ou com laje seca, montada por placas industrializadas de madeira de fibras orientadas (Oriented Strand Board) com revestimento cimentício. Essas lajes devem receber impermeabilização adequada e ter inclinação suficiente para o escoamento da água. O caimento deve ser executado pela variação na espessura da camada de proteção mecânica. A estruturação dessas lajes pode ser feita com vigas de perfis U enrijecidos ou, no caso de grandes vãos ou de carregamentos maiores, podem ser empregadas treliças planas. Deve-se dar atenção especial para a estabilização lateral do conjunto, que é feita com fitas metálicas ou perfis de contraventamento. Figura 3 - Apoio em madeira de fibra orientada para sustentação de telhado cerâmico Figura 4 - Treliças inclinadas para sustentação do telhado

3 Página 3 de 8 Figura 5 - Cobertura estruturada com caibros Projeto Em geral, os telhados são a solução mais comum para a cobertura de edificações steel frame. São constituídos por uma ou mais superfícies, que podem ser planas, curvas ou mistas. As coberturas em planos inclinados, denominadas popularmente de "águas", podem ter apenas um plano único (uma água) ou vários planos interseccionados formando um sistema complexo adequado às funções técnica e estética da construção. Os telhados inclinados possuem também a capacidade de criar uma proteção térmica, pela presença da camada de ar (colchão de ar) entre a cobertura e a laje ou o forro. As coberturas inclinadas com steel frame seguem a concepção estrutural do telhado convencional de madeira, substituída, nesse caso, por perfis galvanizados. Os telhados concebidos com planos inclinados podem ser estruturados em tesouras convencionais ou por um conjunto de caibros. Os telhados inclinados de steel frame podem receber vários tipos de telhas. No caso de telhas cerâmicas ou shingles, é necessário um apoio contínuo, geralmente de madeira de fibras orientadas (OSB), com manta protetora de impermeabilização. Quando utilizadas telhas metálicas, estas podem funcionar como diafragmas, melhorando a rigidez do sistema estrutural da cobertura. Além disso, permitem que o espaçamento dos caibros seja maior, pois as telhas metálicas vencem vãos maiores. Em telhados executados com caibros, geralmente utilizam-se perfis U ou Ue, cortados e montados no local da obra. Essa opção é interessante, pois se obtém certa economia em relação à tesoura, por utilizar menor quantidade de elementos de aço. Contudo, dependendo da combinação de alguns fatores como vão e ações, podem-se utilizar perfis duplos para compor a seção transversal dos caibros ou, ainda, empregar pequenas treliças inclinadas. Fundamentalmente, os caibros, semelhantemente ao posicionamento em um telhado convencional de madeira, apoiam-se numa extremidade na cumeeira e, no caso do sistema estrutural steel frame, nos painéis portantes que, por sua vez, transmitem as solicitações da cobertura à fundação. A diferença de nível desses apoios gera a inclinação do caibro, tendo-se, então, que estabelecer a altura da cumeeira em função do vão, dos painéis, do tipo de telha e outras condições de projeto. Dependendo do projeto, os painéis internos podem auxiliar na sustentação dos caibros introduzindo-se escoras. Por sua vez, a cumeeira pode ser um painel

4 Página 4 de 8 estrutural contínuo ou, mais comumente, uma viga de perfil U ou Ue. No caso do apoio do caibro no painel, utilizam-se, comumente, enrijecedores de alma e cantoneiras aparafusadas às guias, e nas ligações entre os caibros e a cumeeira, cantoneiras aparafusadas à alma desses perfis. Quando o telhado possui mais de duas águas, o encontro de diversos painéis inclinados gera, no projeto, espigões e rincões, montados a partir de perfis U e Ue. Os caibros devem ser contraventados, pois não possuem rigidez lateral suficiente para resistir às ações do vento. Esse sistema de contraventamento dos caibros fornece uma rigidez adicional à estrutura do telhado como um todo. Podem-se utilizar perfis U, Ue, fitas de aço galvanizadas e placas que introduzam o efeito de diafragma. As uniões desses elementos devem ser dimensionadas e projetadas para que, entre outras situações, não ocorram perdas de estabilidade locais dos perfis, principalmente nas fixações nas mesas entre caibros e vigas, e não atinjam situações limites nas verificações das ligações aparafusadas. Figura 6 - Cobertura de residência com tesouras Figura 7 - Conexão de elementos de tesoura com chapas de Gusset Figura 8 - Tesoura montada com perfis aparafusados pelas almas Soluções estruturais A solução mais comum nas coberturas de residências e pequenos galpões são as treliças inclinadas, geralmente conhecidas como tesouras. Dependendo das condições do projeto, as tesouras podem possuir diversas conformações para atender às ações e às flechas pertinentes a cada projeto. As tesouras possuem a vantagem de serem capazes de vencer grandes vãos sem apoios intermediários, com grande economia de material. As tesouras de steel frame têm substituído as de madeira pela rapidez de instalação, regularidade dimensional, resistência e leveza dos elementos estruturais, além de serem imunes aos ataques de insetos e fungos. As tesouras podem ter várias formas treliçadas que são adotadas pelo projetista, levando-se em consideração fatores estéticos, estruturais, culturais, de disponibilidade de materiais e mão-de-obra, entre outros.

5 Página 5 de 8 As tesouras podem ser do tipo Howe, Pratt, Fink, N, N invertido, K etc. As tesouras em steel frame podem ser tanto pré-fabricadas e transportadas prontas quanto serem montadas no local da obra. As tesouras pré-fabricadas, estimulando a racionalização da obra que o sistema oferece, possuem a vantagem de ter maior precisão dimensional e implicam menor tempo de trabalho no canteiro. Em contrapartida, as tesouras fabricadas "in loco" podem necessitar de grande espaço para montagem e pessoal especializado na obra para esse tipo de fabricação. A tesoura é uma estrutura estável aos esforços verticais se esses forem introduzidos nos nós. Assim, as barras só estão sujeitas a esforços axiais, uma vez que a tesoura (treliça) é concebida com nós articulados. No sistema steel frame, as tesouras possuem seus elementos estruturais em perfis Ue e, basicamente, são constituídas pelo: banzo superior (que possui a inclinação do plano da cobertura definida pelo projetista em função dos fatores já mencionados); banzo inferior (que geralmente é horizontal e pode permitir a sustentação do forro); montantes (que são os elementos estruturais da tesoura instalados na posição vertical ligados nas extremidades aos banzos); o montante central (que recebe o nome de pendural) e diagonais (que são os elementos inclinados em relação aos montantes e vinculam-se aos banzos superior e inferior). Nas tesouras em steel frame introduzem-se, ainda, os enrijecedores de apoio, para auxiliar na transmissão dos esforços e impedir a flambagem local dos banzos. Um modo comum de executar as ligações dos perfis da tesoura é fazê-las no mesmo plano, aparafusando-os numa chapa Gusset que, construtivamente, permite que os eixos dos perfis coincidam no ponto que representa o nó. Outra maneira de efetuar uma ligação é unir as diagonais e montantes aos banzos, aparafusando-os pelas almas, deixando assim a abertura da seção dos banzos para um lado, e as das diagonais e montantes abertas para o lado oposto. Os beirais perpendiculares às tesouras são normalmente constituídos pelo prolongamento dos banzos superiores além do apoio mais baixo (geralmente o painel estrutural), gerando o beiral do telhado. As bordas desse banzo superior são arrematadas com um perfil U que funciona como sanefa. O painel de fechamento do oitão, para fechamento de telhados de duas águas, segue a necessidade geométrica estabelecida pela inclinação do telhado e o prolongamento do beiral. No oitão, utilizam-se perfis Ue como ripas e prolongam-se o tanto permitido pelo cálculo estrutural para a formação do beiral. Esse beiral sobre o oitão também pode ser construído, quando há necessidade de maior projeção, com um painel semelhante ao das paredes instalado inclinado. Telhados com quatro águas ou com interseção de planos inclinados podem ser construídos de vigas e caibros, painéis ou com tesouras auxiliares. No caso de vigas e caibros, seguem-se as considerações feitas anteriormente para esse tipo de estruturação. Para o caso de uso de painéis, a interseção dos planos inclinados se faz com espigões compostos por perfis U e Ue. No caso de utilizar a tesoura para concepção do telhado de quatro águas, deve-se formar uma sequência de tesouras auxiliares com alturas diferentes tais que sugiram a conformação das águas do telhado, respeitando as inclinações necessárias,

6 Página 6 de 8 apoios de terças, cumeeiras e outros elementos que compõem esse tipo de cobertura. Figura 10 - Telhado de quatro águas com composição de caibros Figura 9 - Beiral executado com o prolongamento do banzo superior das tesouras Figura 11 - Telhado de quatro águas com tesouras auxiliares Travamento e contraventamento Cada tesoura, individualmente, é instável lateralmente, por isso é necessário introduzir travamentos e contraventamentos de maneira a formar um conjunto rígido. O contraventamento inadequado da cobertura pode causar várias patologias à estrutura, podendo levá-la ao colapso. Se bem dimensionado e executado, o contraventamento assegura a estabilidade da estrutura durante a sua montagem e uso na sua vida útil. Aliás, o contraventamento interfere não só no comportamento da estrutura como também nos elementos estruturais secundários, telhas, apoios, forros e instalações sustentadas pela cobertura. O contraventamento deve atuar de maneira que as tesouras do telhado trabalhem como uma estrutura única e possibilite resistir e absorver as solicitações aplicadas às estruturas dentro dos limites estabelecidos por norma, tanto para os esforços como para as deformações. Para garantir a estabilidade do conjunto no plano do banzo inferior das tesouras, dimensiona-se um contraventamento com fitas metálicas galvanizadas diagonais. Esse contraventamento tem a função de impedir o deslocamento das tesouras e é também importante para manter o alinhamento desejado entre as paredes da edificação.

7 Página 7 de 8 Inicialmente, as tesouras de telhado são concebidas como estruturas (treliças) planas sujeitas a ações. Portanto, não possuem rigidez suficiente para resistir a pequenos esforços ou perturbações que gerem deslocamentos laterais que originem efeitos de segunda ordem. O contraventamento lateral é composto por perfis U e Ue que são fixados a tesouras paralelas e podem auxiliar também na resistência dos banzos, pois, coerentemente instalados, podem diminuir o comprimento de flambagem das barras, servindo também na transmissão de esforços, especialmente aqueles gerados pela ação do vento. A instalação dos contraventamentos é para também absorver os efeitos de torção que a estrutura como um todo pode observar a partir de ações como vento, variações de temperatura entre outras e gradientes de esforços entre estruturas e subestruturas. Antonio Wanderley Terni, professor-doutor do Departamento de Engenharia Civil da Unesp do Campus de Guaratingüetá-SP, Alexandre Kokke Santiago, arquiteto, mestre em Engenharia Civil, Construção Metálica Ufop (Universidade Federal de Ouro Preto), José Pianheri, engenheiro civil, consultor, sócio-diretor da Pienge Engenharia e Construção Ltda, LEIA MAIS *No total foram cinco artigos, encerrando-se nesta edição com o item cobertura. Os demais artigos que compõem esta série sobre construções de steel frame foram publicados nas edições: Téchne 135 (fundações) Téchne 139 (fechamento)

8 Página 8 de 8 Téchne 137 (estrutura) Téchne 141 (instalações)

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