CONCEPÇÃO, DIMENSIONAMENTO E CONSTRUÇÃO DE UMA COBERTURA LIGEIRA: UM EXEMPLO DE STRESSED SKIN DESIGN

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1 CONCEPÇÃO, DIMENSIONAMENTO E CONSTRUÇÃO DE UMA COBERTURA LIGEIRA: UM EXEMPLO DE STRESSED SKIN DESIGN Pedro Morujão a, Tiago Alves b e André Domingues c a,b e c Adão da Fonseca Engenheiros Consultores, Lda. Resumo. Apresenta-se o edifício do Corpo C, inserido no Projecto de Requalificação da Escola Secundária Joaquim de Carvalho, na Figueira da Foz, cujo projecto de Arquitectura é da autoria da Arquitecta Inês Lobo [1] e promovido pelo Programa de Modernização da Parque Escolar do Ensino. Esta comunicação faz referência à concepção, análise e dimensionamento bem como às especificidades de pormenorização de toda a estrutura metálica (perfis, chapas e fixações). Serão ainda abordados aspectos relacionados com as dificuldades particulares desta obra em fase construtiva. 1. Introdução A Escola Joaquim de Carvalho é uma referência importante no panorama educacional da cidade da Figueira da Foz, tendo sido construída no início dos anos sessenta do século XX, na sequência do Plano dos Centenários, promovido pelo Estado Novo para modernizar e aumentar o parque escolar de então. Situada num lote com área total de cerca de 2.85 m 2, que define o quarteirão limitado a Norte pela Rua Associação 1º de Maio, a Sul pela Rua Dra. Cristina Torres (por onde se efectuava originalmente a entrada principal da Escola), a Nascente pela Rua Sporting Clube Figueirense e a Poente pela Rua Joaquim Sottomayor (por onde se efectua actualmente a entrada no Parque de estacionamento actual da escola). A Escola originalmente era constituída por três edifícios dispostos em Forma de H, formando um terreiro central destinado a áreas de recreio. Em seguida apresenta-se uma fotografia aérea do local, onde se identificam de forma genérica dos edifícios existentes.

2 2 VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal GIMNODESPORTIVO A DEMOLIR LABORATÓRIOS EDIFÍCIO PRINCIPAL Fig. 1: Vista aérea da Zona de Intervenção [2]. O edifício mais a Norte era ocupado pelo pavilhão Gimnodesportivo, a Sul do pavilhão, desenvolviam-se outros dois corpos originalmente ocupados por refeitórios, cozinhas e pequenas oficinas. Com a excepção do primeiro, todos os edifícios anteriormente mencionados viriam a ser completamente demolidos no âmbito do projecto de requalificação da escola. A Sul destes edifícios situavam-se os corpos principais da Escola. Na sua configuração original, estes edifícios encontravam-se separados entre si por juntas de dilatação englobando os três edifícios com forma de S em planta. Por último, refere-se o corpo dos laboratórios localizado a Norte e na perpendicular aos anteriormente mencionados. Fig. 2, e 4: Respectivamente, gimnodesportivo, corpos a demolir e edifício principal. O projecto de requalificação incluiu intervenções ligeiras nos edifícios principais da escola, a remodelação do Gimnodesportivo, a demolição dos edifícios de refeitório, cozinha e pequenas oficinas e a construção de um novo corpo (C) que, por razões de funcionamento estrutural, viria a ser subdividido em 4 subzonas (C1 a C4). Para além do mencionado, foi ainda contemplada a construção de muros de suporte necessários ao estabelecimento das plataformas definidas no projecto de Arquitectura Paisagista, a substituição parcial dos muros limítrofes e a construção de uma Portaria e de um edifício para o Posto de Transformação.

3 Z = 2. Z = 2. Z = 2. Z = 2.2 Z = 2.2 L (x15) (0.25x0.25) L (x15) Chapa de cobertura Chapa de cobertura Z = 1.77 Z = 1.77 Z = Z = 1.87 Z = PRS9 PRS Chapa de cobertura L (x15) 1.90 (0.20x0.40) Z = 1. CORPO C1 CORPO C N Z = 0.57 Chapa de cobertura CORPO A Chapa de cobertura L (x15) L (x15) L (x15) L (x15) L (x15) Z = Z = 0.44 Z = 0.44 CORPO C2 Z = 0.20 VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal B C C1 C2 N N2 C4 A N1 Fig. 5: Localização esquemática dos edifícios. De entre a construção nova, importa, no âmbito do presente artigo, fazer especial referência ao corpo C. Este edifício, de forma irregular em planta, apresenta vãos sucessivos de m 2 materializados por numa estrutura metálica muito leve. A cobertura tem pendente única e é composta por chapas metálicas nervuradas e micro-perfuradas para fins acústicos que assentam sobre uma malha ortogonal de perfis reconstituídos soldados, por sua vez apoiados sobre pilares de secção tubular circular com uma esbelteza impressionante. Ec I 0.10 P1.C V1.C (0.20x0.40) Pa1.C V1.C (0.20x0.40) Z = 0.44 A Ec H Ec G Ec F Ec E Ec D Ec C Ec B P1.C V2.C (0.20x0.40) Z = 2. V2.C (0.20x0.40) P1.C V2.C (0.20x0.40) P1.C V2.C (0.20x0.40) P1.C V2.C (0.20x0.40) Pa.C L (180x15) L (180x15) L (180x15) L (180x15) L (180x15) L (180x15) L (180x15) L (180x15) L (180x15) L (180x15) Pa1 P1 V1 (0.25x0.40) PRS4 PRS4 PRS4 PRS4 PRS4 PRS4 L (180x15) P1 (0.25x0.25) V1 (0.25x0.40) Pa2 Pa2.C PRS8 R PRS8 L (180x15) L (180x15) L (180x15) Pa (do corpo N2) Pa (do corpo N2) R4.54 PRS8 PRS PRS PRS PRS PRS PRS A Ec A P1.C P1.C V2.C P1.C V2.C (0.20x0.40) Ec 01 Ec 02 Ec 0 Ec 04 Ec 05 Ec 0 Ec 07 Ec 08 Ec 09 Ec 10 Ec 11 Fig. : Planta de cobertura do Copo C.

4 4 VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal Elemento (A) i=4.% i=.0% Lm1.C4 CORPO C J.D. Lt2.C Lt1.C Pormenor 1 LF1.C (0.20x0.0) P1.C4 CORPO C4 Pa1.C4 Pa2.C4 Pc2.C Ec 11 Ec 10 Ec 09 Ec 08 Ec 07 Ec 0 Ec 05 Ec 04 Ec 0 Ec 02 Ec 01 CORPO C CORTE A-A Escala 1/ Fig. 7: Corte transversal do Copo C. Formalmente, a cobertura é do tipo deck e inclui na sua constituição, para além das chapas nervuradas micro-perfuradas acima mencionadas, telas de impermeabilização e isolamentos térmicos e acústicos, conforme indicado na figura que em seguida se apresenta. tela impermeabilizante em PVC tipo SIKAPLAN G [1,5mm] painéis de lã de rocha kg/m (esp. mm) membrana acústica tipo DANOSA MAD 4 (esp. 4mm) painéis de lã de rocha kg/m (esp. 40mm) chapa micro-perfurada Fig. 8: Constituição da cobertura. Por imposições de carácter arquitectónico a capacidade resistente estrutural viria a ser assegurada apenas pelos elementos visíveis, não se permitindo a utilização de quaisquer travamentos ao nível da cobertura. Estes constrangimentos conduziram a soluções onde a distribuição de esforços ao longo do plano da cobertura fosse assegurada pela própria chapa de revestimento. Fig. 9 e 10: Vista geral do pátio interior []. As chapas, para além de realizarem as habituais funções de revestimento, são parte integrante do sistema estrutural e desempenham funções indispensáveis no contraventamento da estrutura, sem as quais, esta última não seria estável. As chapas funcionam como diafragmas sujeitos a esforços de distorção (stressed skin diaphragms) pelo que o seu dimensionamento e

5 VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal 5 o das respectivas fixações foram, contrariamente ao habitual, especialmente estudadas no desenvolvimento do projecto de estruturas. Fig. 11 e 12: Vista do interior do edifício (Fotografia da direita []). Importa recordar que mesmo em estruturas de edifícios concebidas desprezando a capacidade de resistência à distorção dos diafragmas materializados pelas chapas dos pavimentos, coberturas ou fachadas, estes elementos podem absorver uma parte significativa dos esforços de membrana que se geram ao longo dos respectivos planos. Tal resulta de, na maioria dos casos correntes, a rigidez destes diafragmas ser bastante relevante quando comparada com a rigidez dos tradicionais sistemas de contraventamento. Fig. 1 e 14: Vista geral do pátio interior (Fotografia da esquerda [4]). Neste contexto, a concepção estrutural do edifício baseou-se, em linhas gerais, nos seguintes critérios: 1. Para além do seu funcionamento principal (resistir a esforços de flexão e corte resultantes de acções perpendiculares ao plano da cobertura) a função estrutural das chapas de revestimento é limitada à formação de diafragmas capazes de resistir a deslocamentos no plano da cobertura; 2. As chapas de revestimento são dimensionadas em primeiro lugar para atender ao seu funcionamento estrutural principal. Complementarmente verificam-se que as tensões instaladas nas chapas devido ao funcionamento dos diafragmas não excedem 25% da tensão de cedência do material;

6 VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal. Considera-se que o funcionamento das chapas para esforços de flexão e corte resultantes de acções perpendiculares ao plano da cobertura não afectam quer a resistência, quer a rigidez dos diafragmas; 4. Os esforços desenvolvidos ao longo dos diafragmas são transmitidos aos elementos de fundação através de sistemas de contraventameto adequados; 5. São utilizadas conexões com rigidez e resistência adequadas à transmissão dos esforços instalados nas chapas às estruturas metálicas envolventes ( molduras );. Os diafragmas são confinados em todo o perímetro por perfis metálicos ( molduras ). Estes elementos e as respectivas ligações têm capacidade resistente suficiente para transportar todos os esforços resultantes do funcionamento dos diafragmas; 7. A quantidade e o tipo de fixações a empregar entre as chapas e entre estas e os perfis de moldura são alvo de dimensionamento e estudos específicos; 8. Considera-se que os diafragmas não resistem a acções de carácter permanente, estando dimensionados apenas para acções de curta duração tais como vento ou sismo; 9. As chapas de revestimento que constituem os diafragmas da cobertura são parte integrante da estrutura e como tal não podem ser removidas sem se considerar o seu efeito sobre a estabilidade global da mesma; 10. São desprezadas aberturas nas chapas com dimensões inferiores a % da área do respectivo painel. 2. Análise e Dimensionamento A análise e o dimensionamento dos elementos estruturais que compõem o edifício do Corpo C tiveram por base a regulamentação europeia, nomeadamente a EN 199, parte 1- [5] e as Recomendações Europeias ECCS, Nº 88 []. O dimensionamento e as verificações da segurança do corpo C são efectuadas com base num modelo matemático tridimensional onde os elementos estruturais são modelados por elementos de barra e elementos de casca conforme se tratem, respectivamente, de elementos lineares ou laminares. Com esta modelação consegue-se representar com grande rigor a obra projectada. Mostra-se em seguida uma imagem do modelo de cálculo desenvolvido. Fig. : Modelo de cálculo.

7 VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal 7 Em termos de modelação numérica faz-se uma breve referência à modelação dos diafragmas materializados pelas chapas da cobertura. A este respeito foram calculadas barras diagonais com uma rigidez equivalente que atende simultaneamente à distorção do perfil da chapa, às tensões de corte instaladas nas chapas, às características das fixações e às tensões axiais instaladas nos perfis de moldura. Fig. 1: Modelação matemática de diafragmas - Excerto do ECCS nº88 []. As verificações de segurança levadas a cabo cumprem com o exposto na regulamentação supracitada, fazendo-se aqui uma breve resenha sobre o conjunto de verificações subjacentes ao funcionamento dos diafragmas das chapas da cobertura, nomeadamente: 1. Capacidade resistente das fixações entre chapas; 2. Capacidade resistente das fixações às vigas paralelas às chapas;. Capacidade resistente das fixações às vigas perpendiculares às chapas; 4. Capacidade resistente do perfil das chapas nos apoios; 5. Verificação da segurança à encurvadura por esforço transverso das chapas;. Verificação das tensões de corte instaladas por efeito de diafragma. Adicionalmente as vigas de contorno dos diafragmas ( molduras ), bem como as respectivas ligações, são dimensionadas para os esforços axiais que advêm do funcionamento em diafragma majorados de 1,25. A micro-perfuração das chapas é atendida no dimensionamento e verificações de segurança através da consideração de uma espessura equivalente quantificada com base na EN 199, parte 1- [5].. Pormenorização e construção Durante a fase de projecto foi dada especial atenção ao detalhe e pormenorização de todos os elementos que compõem os diafragmas da cobertura, com especial ênfase para a exequibilidade das soluções, tendo em conta o carácter pouco comum da obra projectada. Assim, foram cuidadosamente ajustadas as dimensões dos banzos superiores das vigas PRS que constituem as molduras bem com as dimensões das chapas de cobertura. A título de exemplo apresentam-se em seguida alguns pormenores retirados das peças desenhadas do Projecto.

8 8 VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal Ø Ø - diâmetro de furação d - distância entre furos d Bandas laterais sem perfuração b c a a L Área perfurada com um indice de vazios (i%) a a B0 b c Chapa Bo(mm) B (mm) a (mm) b (mm) c (mm) i % Ø (m) d (m) Tipo ,5% Tipo / /285 7,5% L Tipo ,5% Tipo / /285 7,5% B Fig. 17: Fabrico e dimensões gerais das chapas da cobertura. Chapa tipo - 1 Chapa tipo Ch. 1mm 125 Ch. 1mm Chapa tipo - Chapa tipo Ch. 1mm 125 Ch. 1mm Fig. 18: Geometria do perfil das chapas. e PRS PRS4 PRS exepto nas zonas das claraboias PRS PRS8 e PRS Fig. 19: Geometria dos perfis PRS de moldura.

9 VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal 9 Fixações entre chapas x z y Fixações às vigas perpendiculares às chapas Fixações às vigas paralelas às chapas Fixações às vigas paralelas às chapas Fig. 20: Esquema tipo das fixações das chapas. Por questões de logística associadas a prazos de fabrico e de colocação em obra foi proposta pela Entidade Executante a alteração do perfil da chapa preconizado em projecto por um perfil comercial com características geométricas semelhantes. Esta alteração obrigou ao reajuste dimensional de todos os elementos que compõem a cobertura, isto é, chapas e perfis PRS de moldura. Fig. 21 e 22: Fixações entre chapas. Paralelamente revelou-se particularmente delicado o controlo geométrico dos elementos estruturais, nomeadamente no que se refere às tolerâncias construtivas. Relembra-se que cada painel do diafragma teria de permitir a fixação entre chapas bem como a fixação destas às quatro vigas perimetrais.

10 10 VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal 4. Conclusões As opções formais adoptadas resultam do compromisso entre as exigências funcionais, as imposições arquitectónicas e as necessidades estruturais. A execução da obra demonstrou a adequabilidade das soluções de projecto e o resultado final obtido é testemunho da cumplicidade entre concepção estrutural e arquitectónica. Referências [1] Inês Lobo Arquitectos, Lda. ( [2] Google Hearth ( [] [4] Lino Faria - [5] EN : Design of steel strucutures, Part 1-: General rules and supplementary rules for cold-formed members and sheeting. [] ECCS, Nº88: Recomendações Europeias "European recommendations for the application of metal sheeting acting as a diaphragm - stressed skin design".