Resumo: Palavras chave: estrutura de cobertura, madeira, telha de aço, treliça de madeira.

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1 Estudo da viabilidade técnica para o emprego de madeiras não convencionais em estruturas treliçadas (tipo Howe) para coberturas, com inclinação de 20 graus e telha de aço (vãos de 8 a 18 metros) Gabrielli Steinhowser Machado Sanches¹, Roberto Vasconcelos Pinheiro² 1 Graduada em Engenharia Civil, UNEMAT, Sinop, Brasil, gabisteinhowser@gmail.com 2 Professor Doutor, UNEMAT, Sinop, Brasil, rpinheiro@unemat.br Resumo: A madeira é um material de construção versátil com aplicabilidade que varia desde uso decorativo à utilização como elemento estrutural. Entretanto, existem classes de resistência desse material que são destinadas à uso predominantemente temporário, tais como a Classe C-20 e C-30, fato que se dá pela falta projetos específicos que comprovem a eficácia e resistência dessas espécies para emprego estrutural em coberturas. Nesse contexto objetivou-se avaliar a aplicabilidade dessas espécies em âmbito técnico(resistente) - econômico com a elaboração de projetos detalhados de estruturas treliçadas de cobertura (triangular) tipo Howe com inclinação de 20 e telha de aço, para vãos de 8, 10, 12, 14, 16 e 18 metros (planta em proporção geométrica em torno de 1:3) e relações de abertura 1:1, 2:1, 6:1 e aberto (estrutura sobre apoios de dimensões reduzidas). Determinou-se assim o consumo volumétrico de madeira por metro quadrado de contrução, seguindo a normativa para Projeto de Estruturas de Madeira ABNT NBR 7190:1997, comprovando a aplicabilidade das espécies C-20 e C-30 em estruturas de cobertura, para treliças e terças, respectivamente. Palavras chave: estrutura de cobertura, madeira, telha de aço, treliça de madeira. Technical feasibility study for the use of unconventional wood in truss structures (Howe type) for roofs with slopes of 20 degrees and steel roofing tile (spans of 8 to 18 meters) ABSTRACT Wood is a versatile construction material with applicability ranging from decorative use to structural use. However, there are resistance classes of this material which are intended for predominantly temporary use, such as Class C-20 and C-30, which is due to the lack of specific projects that prove the effectiveness and resistance of these species for structural use in roofings. In this context, the objective of this study was to evaluate the applicability of these species in a technical (resistant) - economic scope with the elaboration of detailed designs of Howe type (triangular) truss structures with slope of 20 and steel tile, for spans of 8, 10, 12, 14, 16 and 18 meters (plant in geometric ratio around 1: 3) and open ratios 1:1, 2:1, 6:1 and open (structure over supports of reduced dimensions). The volumetric consumption of wood per square meter of construction was determined, following the Brazilian standard for the design of wood structures ABNT NBR 7190:1997, proving the applicability of C-20 and C-30 species in roofing structures, for trusses and purlins, respectively. Keywords: wood, roof structure, steel roofing tile, wooden truss.

2 Introdução A madeira é utilizada desde o princípio da humanidade para os mais diversos fins, pela versatilidade e fácil obtenção do material, que pode ser empregado tanto como parte estrutural e/ou de vedação em construções, como pode ser usado como fonte de energia. De acordo com Santos (2016), na construção civil, é cada vez mais raro encontrar projetos que utilizam a madeira como componente estrutural, o que é explicado pelo preconceito existente contra o material que é de origem biológica, e por isso está sujeito à deterioração física/mecânica (por intemperismos), e à ataques de organismos xilófagos de acordo com Calil Junior et al. (2014). Para evitar as eventuais deteriorações, existem medidas que previnem os danos e estendem a vida útil da madeira, estas que devem ser adotadas desde a fase do desdobro até as etapas construtivas finais (PINHEIRO, 2001). Tais medidas preservam as características resistentes da madeira, evitando assim possíveis mudanças no comportamento e aparência do material. A escassez de profissionais capacitados para conceber um projeto estrutural de coberturas em madeira, e a falta de informação quanto às características do material fazem com que ele seja empregado de maneira não adequada, o que pode até comprometer a segurança estrutural se for utilizado de maneira insuficiente. O trabalho propõe apresentar as possíveis aplicabilidades de madeiras pertencentes às classes de resistência C-20 e C-30 em estruturas treliçadas de cobertura, oferecendo assim uma alternativa ao emprego de espécies convencionais, o que poderá reduzir o desperdício de material e produzir subsídio para projetos de pesquisa e técnicos futuros. Materiais e Métodos Para a concepção estrutural foram consideradas: a. Triangular tipo Howe: Ao todo foram 24 projetos, as estruturas em estudo foram definidas como treliçadas tipo Howe. Porém no Brasil também são utilizadas as treliças tipo Pratt e tipo Fink, (PFEIL,2003). Essas estruturas têm como função sustentar as terças, telhas e vigamento de apoio. Os principais componentes de uma treliça tipo Howe são: Banzo superior, Banzo inferior, Montantes e Diagonais. b. Ligações: De acordo com a ABNT NBR 7190:1997 podem ser utilizados três tipos de ligações em peças estruturais de madeira, são elas: pinos metálicos, cavilhas de madeira e chapas com dentes estampados. O correto dimensionamento das ligações é imprescindível para a segurança da estrutura. c. Telhas de aço: As características das telhas de aço, bem como as especificações, condições de recobrimento e peso próprio, encontram-se em catálogos de fabricantes de acordo com a marca da telha escolhida. Para o desenvolvimento detalhado do trabalho, foram definidas as etapas: I- Definição dos parâmetros: proporção geométrica em planta e dimensões; II-Determinação da composição geométrica estrutural dos elementos; III-Determinação das ações e carregamentos: peso próprio, carga de vento e combinação de ações; IV-Cálculo dos esforços internos e deslocamentos com auxílio do software Ftool; V- Dimensionamento dos elementos: terças, e treliças, respectivamente e cálculo das ligações (pinos); VI-Análise comparativa entre a estimativa inicial e a situação final de projeto;

3 VII-Construção de tabelas e gráficos quantitativos, relação gasto volumétrico por metro quadrado de construção e número de pinos utilizados por metro quadrado de construção. As especificações das edificações projetadas conforme a ABNT NBR 7190:1997 tem como parâmetros: - isostática triangular (com inclinação de 20 ) tipo Howe para todos os vãos, com banzossuperior e inferior contínuos (barras continuas), enquanto as diagonais e montantes são articuladas em suas extremidades; Figura 1 - Esquema estrutural treliçado tipo Howe triangular com inclinação de 20 - Telha de aço; - Altura de pé direito de 5 metros; -Espaçamento entre treliças: 5,5 metros; - Proporção em planta em torno de 1:3 para todos os vãos (vãos de 8, 10, 12,14, 16 e 18 metros), com as seguintes especificações: Tipo 1-8X27,5m (cinco vãos de 5,5m: faixas I a V); Tipo 2-10X33m (seis vãos de 5,5m: faixas I a VI); Tipo 3-12X38,5m (sete vãos de 5,5m: faixas I a VII); Tipo 4-14X44m (oito vãos de 5,5m: faixas I a VIII); Tipo 5-16X49,5m (nove vãos de 5,5 metros: faixas de I a IX); Tipo 6-18X55m (dez vãos de 5,5m: faixas I até X). Figura 2 - Esquema geométrico do Tipo 6-18X55m - Relação de aberturas (relação entre a abertura principal de uma edificação e as demais aberturas) de 1:1, 2:1, 6:1 e aberto. As terças utilizadas nos projetos são de seções transversais retangulares, comportando-se como viga isostática em relação ao eixo x apoiada sobre os nós das treliças. Já com relação ao eixo y, possuem comportamento hiperestático- apoiadas sobre os nós das treliças externamente, e apoiadas internamente por meio de linhas de corrente (tirantes metálicos), posicionadas no meio do vão.

4 O sistema de contraventamento é composto por: terças e cabos de aço com esticadores (dispostos em forma de x) no banzo superior, e no banzo inferior é composto por vigas T (mesa- 2,5X15, alma- 2,5X15) travadas transversalmente no ponto médio (peça de 5X6), posicionados da seguinte maneira, de acordo com a numeração da Figura 1: Tipo 1 -Contraventado nas regiões I, III e V; Tipo 2 -Contraventado nas regiões I, III, IV e VI; Tipo 3 -Contraventado nas regiões I, IV e VII; Tipo 4 -Contraventado nas regiões I, IV, V e VIII; Tipo 5 -Contraventado nas regiões I, IV, VI e IX; Tipo 6 -Contraventado nas regiões I, IV, VII e X. Figura 3 - Esquema de contraventamento para o Tipo 5-16X49,5m As ações atuantes na estrutura são: as permanentes (estruturais e não estruturais) e as variáveis (carga devido ao vento). Para a determinação das ações nas estruturas foram seguidas todas as recomendações normativas propostas pelas ABNT NBR 7190:1997, ABNT NBR 6120:1980 e para determinação das ações variáveis (carga devido ao vento), a ABNT NBR 6123:1988. Para o cálculo do peso próprio considerou-se toda composição geométrica das estruturas já citadas, utilizando a madeira de classe de resistência C-20 para treliças e sistemas de contraventamento (em todos os vãos: 8, 10, 12, 14, 16 e 18), e para as terças foram usadas madeira de classe de resistência C-30. A ação permanente não estrutural é oriunda da telha de aço que possui peso próprio igual a 0,05kN/m². De acordo com a normativa ABNT NBR 6123:1988 foram definidos os seguintes parâmetros: velocidade característica do vento para a região em que estão situadas as edificações do projeto (Sinop-MT) que é de 30m/s; fator referente à rugosidade e topografia do terreno (fator S1) que tem o valor de 1 (particularidade de regiões planas); fator S2 que depende da característica geométrica da edificação em projeto e varia de acordo com cada vão em estudo (8 a 18 metros); e o fator característico de ocupação (S3) igual a 1 a fim de não minorar as cargas provenientes do vento. Também foram definidos com base nessa os coeficientes de pressão interna e externa para cada configuração geométrica, estes combinados e com a situação mais crítica foram calculadas as pressões dinâmicas do vento para posterior cálculo da carga de vento. As combinações de ações foram calculadas de acordo com as prescrições das seguintes normas: - ABNT NBR 8681:2003 Ações e segurança nas estruturas- procedimento ; - ABNT NBR 7190:1997 Projetos de estruturas de madeira.

5 Considerando o Estado Limite Último com combinações últimas normais e o Estado Limite de Serviço com combinações de longa duração, esse último utilizado para o cálculo dos deslocamentos das estruturas. Para o dimensionamento dos elementos estruturais em madeira, bem como o número pinos nas ligações entre estes, utilizou-se a norma ABNT NBR 7190:1997. De acordo com as prescrições da norma, os elementos estruturais foram dimensionados da seguinte forma: para peças com esbeltez menor que 40 as verificações feitas são de tração e compressão normal- paralela às fibras (barras da treliça) e para peças medianamente esbeltas- com esbeltez entre 40 e 140 verificou-se também a estabilidade. Já para as terças, que são elementos que estão sujeitos à flexão oblíqua, a verificação foi feita de acordo com a norma, para flexão simples oblíqua. Já para o dimensionamento do número de pinos são dois fatores que são levados em consideração: cálculo pela flexão do pino ou pelo embutimento na madeira (este que pode ser paralelo, normal ou inclinado às fibras). No trabalho, o dimensionamento de todas as ligações foi feito com parafusos. Depois que todos os elementos foram devidamente dimensionados, foi calculado o quantitativo de materiais, e esses dados foram expressos em tabelas apresentadas posteriormente. Com essas tabelas foram elaborados gráficos que expressam o consumo volumétrico de madeira para todos os vãos com cada uma das relações de abertura, bem como a quantidade de pinos a ser utilizada para as ligações entre elementos (barras das treliças), e essas informações foram expressas em gráficos. Resultados e Discussão Para a determinação do volume de madeira, cada barra das treliças e demais componentes estruturais foram dimensionados separadamente a fim de garantir um dimensionamento eficientemente seguro e de maneira econômica. As tabelas apresentam os resultados de consumo volumétrico de madeira por cada elemento estrutural e o total para todos os vãos propostos e relações de aberturas (aberto, 6:1, 2:1 e 1:1). Tabela 1. Volume Aberto Vão (m) Total 8 1,07 1,54 0,82 3, ,76 1,98 1,44 5, ,82 1,85 1,35 6, ,91 1,94 1,82 7, ,64 2,28 2,15 10, ,89 2,38 2,19 12,46

6 Tabela 2. Volume 6:1 Vão (m) Total 8 1,05 1,22 0,82 3, ,66 1,54 1,44 4, ,58 1,91 1,35 5, ,53 2,01 1,82 7, ,06 2,35 2,15 9, ,72 2,60 2,19 11,51 Tabela 3. Volume 2:1 Vão (m) Total 8 1,01 1,16 0,82 2, ,59 1,54 1,44 4, ,36 1,84 1,34 5, ,25 1,98 1,82 7, ,92 2,26 2,15 9, ,67 2,38 2,19 11,24 Tabela 4. Volume 1:1 Vão (m) Total 8 1,01 1,01 0,82 2, ,58 1,54 1,44 4, ,35 1,85 1,34 5, ,03 1,94 1,82 6, ,89 2,20 2,15 9, ,08 2,31 2,19 10,59 O volume de madeira aumenta conforme aumenta a proporção entre aberturas, isso acontece porque o vento influencia diretamente no comportamento estrutural. Esse aumento volumétrico também acontece nas terças pelo mesmo motivo. Entretanto, analisando comparativamente as proporções entre aberturas, principalmente relacionando o vão aberto com os demais, percebe-se um salto de volume maior nas treliças do que na terças, que cresceu quase linearmente. Fato que é explicado pelos coeficientes de pressão de vento que possuírem valores maiores para coberturas isoladas (abertas). O comportamento estrutural do sistema de contraventamento se dá de maneira praticamente linear em todas as aberturas, pois a definição foi feita de maneira constante, conforme a ABNT NBR 7190:1997. Contendo os resultados dos 24 projetos ( 4 relações de abertura para cada vão: 8, 10, 12, 14, 16 e 18), as Figuras a seguir representam a razão entre o gasto volumétrico de madeira pela área em planta para cada relação de aberturas (consumo m³/m²):

7 Consumo m³/m² Consumo m³/m² Consumo m³/m² I CONGRESSO DAS ENGENHARIAS DO ESTADO DE MATO GROSSO 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0, Vãos (m) Figura 4 Consumo de madeira m³/m² para a relação de abertura Aberto Para todos os vãos, observa-se uma diminuição do consumo de terça conforme aumenta o vão, situação que se dá pelo aumento da área da edificação a cada vão, e porque o espaçamento entre treliças foi mantido para todos estes (5,5 metros), que é o comprimento da terça. 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0, Vãos (m) Figura 5 Consumo de madeira m³/m² para a relação de abertura 6:1 O fato do consumo das estruturas de contraventamento para o vão de 10 metros apresentarem um valor superior aos demais está diretamente relacionado com sua definição geométrica e número de áreas que foram contraventadas. 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0, Vãos (m) Figura 6 Consumo de madeira m³/m² para a relação de abertura 2:1 O aumento do consumo volumétrico de madeira por metro quadrado pelas treliças a cada vão é explicado pelo fato de existir um maior número desses elementos a cada aumento de área, e também deve-se à necessidade de peças mais robustas para vencer maiores vãos.

8 Consumo m³/m² Consumo m³/m² I CONGRESSO DAS ENGENHARIAS DO ESTADO DE MATO GROSSO 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0, Vãos (m) Figura 7 Consumo de madeira m³/m² para a relação de abertura 1:1 Já no gráfico de proporção de abertura 1:1 o aumento no gasto volumétrico de madeira para as treliças foi visivelmente maior nos vãos de 16 e 18 metros, isso ocorre, pois quanto maior o vão, maior a esbeltez das peças internas da treliça, principalmente dos montantes para a configuração treliçada com inclinação de 20, o que acabou exigindo uma maior rigidez, consequentemente maior gasto de madeira para garantir a estabilidade das peças. A análise comparativa entre o consumo total dos vãos para cada abertura foi feita de acordo com o gráfico: 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0, Aberto 06:01 Vãos (m) 02:01 01:01 Figura 8 Consumo total de madeira (m³/m²) para todos os vãos e aberturas Constata-se que o consumo de madeira para todas as relações de aberturas nos vãos de 8 e 10 metros é maior do que para os demais vãos, isso acontece por dois motivos principais: - Os coeficientes das zonas de alta sucção para esses dois vãos são 20% maiores do que para os demais vãos, coeficientes estes que são dados pela ABNT NBR 6123:1988. Os coeficientes de alta sucção foram considerados para o dimensionamento de todos os elementos estruturais; - O segundo motivo envolve duas justificativas principais: a área de seção transversal mínima para os elementos principais em estruturas de madeira, que é definido pelo item 10.2 da ABNT NBR 7190:1997 como sendo 50cm², também justifica-se para que os elementos de ligação (parafusos) possam ser locados, ou para que caibam, é necessário um comprimento de seção transversal, estabelecido pela mesma norma. Apesar do gasto de volume de madeira aumentar com o vão, o gasto volumétrico por metro quadrado de construção mostrou-se bem semelhante para todos os casos, o que é justificado pelo aumento das dimensões manter a mesma proporção geométrica em planta de aproximadamente 1:3.

9 Entre as relações de abertura 1:1, 2:1 e 6:1, a que apresentou maior gasto volumétrico foi a última, e está relacionado ao fato de que quando a face barlavento estiver na abertura principal, poderá entrar uma massa de ar seis vezes maior do que as demais aberturas juntas, o que tende a aumentar o coeficiente de pressão interna de forma a contribuir com uma possível sucção externa. O maior consumo de madeira por metro quadrado se deu para a relação aberto, porque a condição de coberturas isoladas possui os maiores coeficientes de pressão do vento paras as condições propostas no trabalho, o que gera maior pressão dinâmica e consequente maior solicitação nas estruturas, o que exige maior rigidez dos elementos para que se possa garantir a segurança. Os vãos de oito e dez metros apresentaram um consumo bem maior em relação aos demais na proporção aberto, pois os coeficientes de pressão do vento para esses dois vãos nessa composição geométrica, é 25% maior do que os coeficientes de pressão para os demais vãos (aberto). Para o dimensionamento das ligações foram consideradas as seguintes condições: -As ligações diagonais-banzos e as ligações montantes-bazos serão feitas no mesmo plano, com chapas (metálicas). Essa configuração permite a adoção de seções transversais tipo i e h para esses elementos; - O diâmetro do pino adotado é de 1,25cm, visto que os elementos(barras) da treliça possuem espessura de 2,5cm, conforme o item da ABNT NBR 7190:1997 que prevê que o diâmetro do pino deve ser menor ou igual a espessura (t) dividida por dois; Os resultados totais dos dimensionamentos das ligações está expresso na tabela abaixo para cada vão e abertura: Tabela 5. Número total de pinos necessários para cada projeto Vão (m) 1:1 n pinos 2:1 n pinos 6:1 n pinos ABERTO N pinos O número de pinos necessários nas ligações das treliças dependeram de três fatores principais: do número de ligações necessárias em cada treliça, do esforço na barra que o pino estará ligando e do diâmetro do pino, que depende diretamente da espessura do elemento ligado onde em todas as situações foi utilizado 1,25cm. Em todos os dimensionamentos, a situação mais crítica encontrada foi a do embutimento na madeira, o que significa que todos os dimensionamentos foram feitos de acordo com essa situação, conforme o item da ABNT NBR 7190:1997. A quantificação do consumo de pinos por metro quadrado de construção pode ser interpretada por meio do gráfico:

10 Consumo de pinos/m² I CONGRESSO DAS ENGENHARIAS DO ESTADO DE MATO GROSSO 6,5 7 5,5 6 4,5 5 3,5 4 2,5 3 1,5 2 0, Relação 1:1 Vãos Relação 2:1 Relação 6:1 Figura 9 Consumo de pinos /m² de contrução Analisando comparativamente, percebe-se que os projetos com relação de abertura 1:1 são os que menos consomem pinos, e o consumo vai aumentando conforme aumenta a relação de abertura, sendo assim, a abertura 6:1 a que mais consome pinos por metro quadrado de construção. Apesar da relação aberto (condição de cobertura isolada) ter consumido maior volume de madeira, foi a relação de abertura 6:1 que apresentou consumo maior de pinos para a maioria dos vãos. Esse fato é explicado pelo tipo de ligação escolhida para o projeto. Estruturalmente, para esse caso, as treliças dos projetos na relação aberto apresentaram esforços de compressão muito maiores em relação aos de tração, principalmente nas diagonais, e o tipo de ligação com chapas metálicas transmite somente os esforços de tração para os pinos porque os esforços de compressão são resistidos pelo contato entre os elementos das treliças (diagonal-banzo e montante-banzo), o que nesse caso proporcionou uma boa economia de pinos. Outra vantagem da utilização de chapas para fazer a ligação entre os elementos das treliças, se dá pela maior área disponível para a locação dos pinos, já que a chapa pode variar de tamanho de acordo com a necessidade técnica. Conclusão O trabalho conclui que é viável, tecnicamente e economicamente, utilizar madeiras das classe de resistência C-20 e C-30 em estruturas de coberturas treliçadas triangular tipo Howe com inclinação de 20 para vãos de 8 a 18 metros. Os gráficos de consumo volumétrico de madeira comprovam a importância da elaboração e concepção de projetos estruturais para esse tipo de estrutura, com os resultados também é possível observar relevância de se seguir o projeto estrutural de acordo com as especificações estabelecidas pelo projetista, pois, se por exemplo um projeto com as mesmas características geométricas e de materiais desse trabalho for executado de maneira inadequada, ou a relação de aberturas mudar consideravelmente por algum motivo, essa estrutura passará a correr um risco não previsto inicialmente. A escolha do tipo de seção transversal a ser utilizado nos elementos estruturais, bem como o tipo de ligação que será empregado entre esses elementos são fatores que se bem estudados, podem contribuir positivamente para economia. A utilização de classes de resistência de madeira não usuais em estruturas poderá reduzir o desperdício desse tipo de material, bem como também reduzir os custos da estrutura, aliado a um projeto feito de acordo com a normatização.

11 O espaçamento entre treliças adotado de 5,5 metros se mostrou muito eficiente, se comparado com o processo empregado atualmente conforme Paludo (2016), com vãos que variam de 2,5 a 3,5 metros, o fato de poder ter o vão duas vezes maior reduz os custos de insumos e pilares. O resultado final de gasto volumétrico de madeira se mostrou bem eficiente e satisfatório, e variou entre 0,010 a 0,015 metros cúbicos de madeira por metro quadrado de construção, para as estruturas especificadas cobertas com telha de aço. Agradecimentos A autora agradece primeiramente à Deus pois sem ele nada teria sentido. Aos meus pais, Marcos Antônio Sanches e Sandra Gilene Steinhowser Machado Sanches por terem me dado todas as oportunidades da minha vida e por me apoiarem e me amarem a todo momento.

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