APLICAÇÃO DE SISTEMAS CONSTRUTIVOS EM ESTRUTURA METÁLICA LEVE (LIGTH STEEL FRAMING) NA REABILITAÇÃO

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1 APLICAÇÃO DE SISTEMAS CONSTRUTIVOS EM ESTRUTURA METÁLICA LEVE (LIGTH STEEL FRAMING) NA REABILITAÇÃO R. FERNANDES M.J. FALCÃO SILVA Eng.ª Civil Pós-Doutoramento ULHT LNEC/ULHT Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal RESUMO Os sistemas construtivos do tipo Light Steel Framing (LSF) permitem que as estruturas se tornem mais flexíveis, adaptando-se às variações observadas na eventualidade da ocorrência de uma determinada ação sísmica. Atendendo às suas características e às propriedades dos seus elementos constituintes, os LSF podem ser aplicados, com grandes vantagens, na remodelação e de edifícios, nomeadamente em centros históricos e/ou em zonas de acessibilidade condicionada. O trabalho apresentado corresponde à fase preliminar de uma tese de mestrado em curso sendo também perspetivadas algumas linhas de desenvolvimento para trabalhos futuros. 1. INTRODUÇÃO Os sismos surgem como uma das manifestações mais destrutivas da natureza, sendo imprevisíveis em termos de magnitude, frequência, duração e localização. As forças que deles advêm, produzidas por movimentos fortes e irregulares, caracterizam-se na grande maioria das ocorrências por grande intensidade apresentando com frequência grande impacto nos sistemas estruturais. Os sistemas construtivos em estruturas metálicas leves do tipo Light Steel Framing (LSF) permitem que as estruturas se tornem mais flexíveis, adaptando-se às variações observadas na eventualidade da ocorrência de uma dada ação sísmica. São sistemas que apresentam um desempenho que os distinguem dos demais. Apesar de serem usados por todo o mundo predominantemente ao nível da construção residencial nova, o baixo peso dos seus elementos constituintes, tornam este método construtivo ideal para remodelar e reabilitar edifícios antigos, nomeadamente em centros históricos e, ainda, em zonas de acessibilidade condicionada. A ou remodelação de espaços em edifícios antigos permite manter o mesmo aspeto existente, trazendo, no entanto melhorias significativas ao nível do conforto interno. As características intrínsecas dos sistemas LSF permitem classificá-los na chamada construção sustentável ou green buildings. O trabalho apresentado compreende de uma forma sumária: i) origem, enquadramento histórico e estado dos conhecimentos na área das estruturas LSF, ii) apresentação das caraterísticas específicas, iii) vantagens da utilização, iv) aplicabilidade na, fazendo contraponto com técnicas de tradicionais, v) desempenho face ações sísmicas e aplicabilidade na sísmica e vi) análise comparativa preliminar entre custos associados à utilização de LSF ou de técnicas tradicionais de. 2. SISTEMA CONSTRUTIVO LIGHT STEEL FRAMING (LSF) O sector construtivo em Portugal enfrenta atualmente um momento de crise na sua produção. Perante esta situação, as empresas nacionais têm apostado mais no mercado da de edifícios. A utilização do sistema construtivo LSF

2 na pode ser uma solução de resposta para atingir um nível de melhoramento no sector da construção pelas suas vantagens significativas. 2.1 Definição Light Steel Framing é a designação dada internacionalmente a sistemas construtivos em que os elementos principais são perfis metálicos enformados a frio, geralmente em aço galvanizado. A palavra Light indica que os elementos em aço são de baixo peso. Associa-se à leveza deste método construtivo, pois comparando com um sistema de construção tradicional em estrutura de betão armado e alvenaria de tijolo, com edificações idênticas, o seu peso é consideravelmente mais reduzido. Como o peso dos materiais que compõem este tipo de construção também é reduzido, a utilização de grande maquinaria e equipamentos pesados é prescindível em muitos dos casos. A palavra Light também se emprega de modo a traduzir a facilidade com que os materiais são empregues em obras de de edifícios antigos, cujas estruturas, embora pesadas, possuem baixa resistência sísmica. A palavra Steel indica a matéria-prima utilizada na estrutura, isto é, o aço. Estes elementos estruturais são perfis em aço, enformados a frio (Cold Formed Steel), através de moldagem de chapas de aço, à temperatura ambiente, por processos mecânicos designados de quinagem e perfilagem. Os perfis são posteriormente imersos num banho de zinco quente, chamando-se a este processo galvanização, e dando origem ao aço galvanizado. A pelicula de zinco protege o aço de modo a evitar a sua corrosão. A palavra Framing denomina um esqueleto estrutural composto por diversos elementos individuais ligados entre si, passando estes a funcionar em conjunto. Assim, no contexto em que está inserido, o termo mais adequado será estrutura. Desta forma, Light Steel Framing traduz-se por estruturas em aço leve [1][2]. 2.2 Origem e enquadramento histórico O sistema construtivo LSF teve a sua origem nos Estados Unidos da América. O rápido crescimento demográfico verificado no território norte-americano durante o século XIX, relacionado com a emigração da Europa, que enfrentava uma situação económica desfavorável, levou à necessidade de criação rápida de novas habitações recorrendo a materiais disponíveis e a métodos práticos que garantissem o aumento da produtividade nas construções de novas habitações [1]. Tendo em conta a necessidade de construção rápida e a disponibilidade de matéria-prima, a madeira passou a ser utilizada como principal elemento estrutural para construções residenciais, tradição ainda verificada nos dias de hoje no território norte-americano. Com o desenvolvimento da indústria metalúrgica, muito devido às necessidades da 2ª Guerra Mundial, o aço torna-se um recurso em abundância, começando a ser utilizado como elemento estrutural de paredes divisórias para edifícios com estrutura em ferro e posteriormente passou a ser utilizado também em paredes divisórias de edifícios de habitação. No entanto, existiam ainda nesta altura alguns fatores que tornavam inviável a utilização do aço: i) preço pouco competitivo face à madeira, ii) problemas de corrosão, uma vez que as técnicas de proteção e tratamento ainda não estavam completamente dominadas, iii) pior desempenho térmico quando comparado com a madeira, iv) dificuldade na obtenção de mão-de-obra especializada, v) necessidade de uma logística mais pesada ao nível dos processos construtivos utilizados. Nos anos 80, a exploração de diversas florestas foi vedada à indústria madeireira, originando um declínio da qualidade da madeira e uma subida dos seus preços, impulsionando a utilização do aço. Na década de 90 o preço da madeira subiu cerca de 80%, o que levou muitos construtores a optar de imediato pelo aço em substituição da madeira. A par da vantagem económica registada, o aço apresenta atualmente uma menor vulnerabilidade à ação do fogo e das térmitas e uma melhor resistência das conexões entre elementos, aspetos que promovem ainda mais a sua utilização[1][2]. 2.3 Elementos constituintes do sistema Os elementos constituintes do sistema construtivo LSF podem ser divididos em elementos estruturais e em elementos não estruturais, devendo, qualquer que seja a análise efetuada ser adequadamente consideradas as características e propriedades dos materiais que os compõem. Os elementos estruturais compreendem: i) perfis de aço galvanizado e o ii) revestimento estrutural exterior (em placas de OSB ou Oriented Strand Board). Os perfis de aço galvanizado constituem os elementos estruturais principais da construção LSF. O aço é um material construtivo com uma excelente relação resistência/peso, característica que permite utilizar elementos estruturais de menor seção com comprimentos consideráveis, o que resulta numa diminuição da quantidade de matéria-prima utilizada u numa menor massa de conjunto. As ligas normalmente utilizadas são S280GD e S320GD que são aço-carbono com valores nominais de tensão de cedência de 280 e 320 MPa, respetivamente. O tratamento é conferido por galvanização de dupla face. O fabrico dos perfis consiste na extração de tiras de aço

3 galvanizada armazenada em bobine com uma largura definida, procedendo-se de seguida à sua moldagem a frio por processos de perfilagem. Os perfis mais usuais são o Perfil em U, também conhecido como perfil de abas simples, calha ou guia e o Perfil em C, também conhecido como perfil de abas compostas, montantes ou vigas. Após a montagem do esqueleto estrutural constituído pelos perfis de aço galvanizado, segue-se a colocação de um revestimento estrutural que tem a dupla função de ligação e distribuição de cargas pelos elementos estruturais de aço e de suporte para a aplicação dos materiais de revestimento e acabamento exterior. Habitualmente utilizam-se painéis de madeira OSB, ou seja, pranchas de fibras orientadas, diretamente aparafusadas na estrutura metálica. A capacidade estrutural dos painéis OSB resulta da sua constituição física e processo de fabrico, sendo painéis extremamente densos, muito resistentes, dimensionalmente estáveis e muito duráveis. Como alternativa à aplicação de painéis OSB podem ser utilizados painéis de aglomerado de madeira e cimento (Viroc, por exemplo), mas que por apresentarem maior peso e rigidez conferem um pior comportamento estrutural global do edifício quando sujeito a ações horizontais[3]. Os elementos não-estruturais são: i) reboco térmico exterior na maioria das vezes sob a forma de ETICS, ii) isolamento térmico/isolamento acústico com lã de rocha e iii) revestimento interior em gesso cartonado. A solução mais habitual de isolamento e revestimento da envolvente exterior consiste na utilização de um Sistema Compósito de Revestimento e Isolamento Térmico pelo Exterior denominado, na Europa, por ETICS (External Thermal Insulation Composite Systems) ou, nos Estados Unidos da América, por EIFS (External Insulation and Finishing Systems) ou ainda, a nível nacional, como Reboco Térmico Exterior. As grandes vantagens da utilização deste sistema são: i) a redução das pontes térmicas e o consequente melhor desempenho energético da construção, ii) o aumento de área útil interior já que o isolamento é colocado pelo exterior, iii) a redução do peso das paredes exteriores, iv) a simplicidade de aplicação em obra, v) a variedade de acabamentos permitida e vi) a facilidade de manutenção. A dissipação de energia térmica e acústica é feita através do preenchimento dos volumes compreendidos entre os perfis de aço galvanizado, revestimento exterior e revestimento interior das paredes exteriores e interiores e dos pavimentos com um material de isolamento, normalmente painéis de lã de rocha. A sua origem porosa e fibrosa permite-lhe confinar ar-seco no interior das suas células, o que lhe confere uma baixa condutividade térmica e a vibração dos filamentos permite dissipar a energia sonora que atravessa a sua superfície. A lã de rocha, sendo incombustível possui ainda boas propriedades de resistência ao fogo. O revestimento interior de paredes e tetos pode ser efetuado com o já conhecido sistema de painéis de gesso cartonado. Podem ser utilizadas múltiplas placas por face conforme a rigidez que se pretender conferir. As placas podem também ser normais ou hidrófugas conforme o ambiente de utilização e este revestimento recebe também revestimentos colados. 2.4 Vantagens de utilização As principais vantagens da sua utilização são [4]: Inegável rapidez de execução associada a uma montagem dos elementos estruturais e a uma aplicação de materiais adjacentes por aparafusamento, à aplicação de argamassas de secagem rápida em rebocos exteriores e à colocação das infraestruturas interiores sem à necessidade da abertura prévia do percurso das mesmas; Incontestável ligeireza da solução associada à excelente relação peso / resistência do aço, facilita o manuseamento dos componentes em fase de obra, permitindo uma redução nos custos dos transportes e dos equipamentos de elevação e a adoção de fundações mais ligeiras e a redução dos esforços de ligação com estruturas existentes no caso de reabilitações e ampliações; Flexibilidade dos elementos estruturais e dos revestimentos permite uma melhor acomodação de eventuais deformações diferenciais minimizando a probabilidade de ocorrência de fissurações nos paramentos; Reversibilidade da construção é também mais fácil devido ao processo construtivo por aparafusamento, sendo a sua desmontagem no fim da vida útil (total ou parcial) mais simplificada, apresentando uma mais-valia em termos de reutilização e reciclagem dos materiais; Industrialização do processo construtivo, que é maioritariamente um processo seco e limpo, também dá origem a uma menor produção de quantidade de desperdícios de materiais e água durante a fase de obra; As anomalias são normalmente de fácil e rápida identificação e os trabalhos de manutenção e reparação são executadas através da remoção simples e substituição dos materiais de revestimento. 3. COMPARAÇÃO ENTRE LIGTH STEEL FRAMING E TÉCNICAS TRADICIONAIS DE REABILITAÇÃO A utilização de LSF na de edifícios em comparação com técnicas tradicionais em madeira ou em betão armado apresenta as suas vantagens. O aço apresenta uma relação entre o peso/resistência superior à observada para

4 madeira bem como para o betão armado e alvenaria. Uma solução em LSF corresponde, aproximadamente a um terço e um décimo de soluções com recurso a madeira e a alvenaria, respetivamente. O aço é um material estável que após ser moldado mantém a sua forma não variando as suas propriedades, enquanto as peças em madeira após serem cortadas para o efeito pretendido começam a secar e a encolher podendo ocorrer torções ou empenos. O comportamento do betão armado depende de diversos fatores, tais como, a vibração, a cofragem em obra, a montagem de armadura, entre outros. Para além disso o betão pode absorver humidade o que por sua vez pode provocar fissuração, que em presença de água pode originar o enfraquecimento de determinadas zonas que ficarão mais propícias ao colapso. Na estrutura metálica, LSF, a ligação entre os perfis é feita com recurso a parafusos que lhe conferem uma conexão mecânica firme. Para além disso o aço não apresenta na sua composição produtos químicos corrosivos nem humidade que possa prejudicar a ligação entre perfis metálicos. As conexões entre peças de madeira podem ser efetuadas com recurso a pregos que dependem do atrito e da flexão, no entanto coma as peças podem secar ao longo do tempo, os referidos pregos vão perdendo o atrito o que poderá levar a consequências graves. Uma estrutura em aço dá mais garantias a longo prazo pois não ocorre apodrecimento em comparação com uma estrutura de madeira, e é imune a térmitas prevenindo a degradação da estrutura, o que aumenta a sua capacidade de resistência a uma atividade sísmica. O aço é ainda um material incombustível não contribuindo para a propagação de incêndios. Para além disso, o aço é um material dúctil, isto é, é um material mais propício a dobrar mas não a quebrar, sendo o risco de queda de elementos estruturais na ocorrência de um sismo mais reduzido. Esta vantagem aumenta a probabilidade de sobrevivência dos habitantes do edifício. As estruturas LSF são muitas vezes comparadas a caixas ou gaiolas metálicas, reforçadas pelo revestimento estrutural. Os edifícios tornam-se assim mais leves e as suas cargas são distribuídas de uma forma mais equilibrada. As vantagens da utilização de LSF na são inequívocas: i) Menores constrangimentos devido ao reduzido tempo de construção, ii) menor carga sobre estruturas fragilizadas com a utilização de perfis ligeiros, iii) materiais mais leves resultando num maior rendimento dos operários; iv) menos meios de transporte e maior facilidade na elevação dos materiais, v) maior facilidade nos acessos a zonas históricas e antigas, vi) redução do espaço para estaleiro e menor ocupação das vias públicas; vii) menos vibrações e ruídos em fase de obra; viii) maior rigor no aprumo, nivelamento e esquadrias das superfícies; ix) ligações mais eficientes feitas através de parafusos e não de pregos; x) facilidade de desmontagem e adaptação devido à sua reversibilidade; xi) compatibilidade do antigo com o novo, com resistência superior à das estruturas em madeira; xii) peças autoportantes evitando cofragens e escoramentos; xiii) estrutura não visível e menos intrusiva, devido ao seu fácil ajuste dimensional e às ligações utilizadas; xiv) não requer tempos de cura evitando consumos desnecessários de água; xv) passagem de canalizações pode ser feita na infraestrutura evitando a abertura de roços; xvi) menor quantidade de resíduos e desperdícios no final da obra; xvii) em caso de incêndio, o aço não contribui para alimentar e propagar o fogo; xviii) o aço não apodrece, não empena e nem fissura; xix) imune a insetos e outros agentes biológicos (mofo, bolor, entre outros); xx) melhor comportamento sísmico; xxi) preços competitivos devido à rapidez e facilidade de montagem e xxii) estabilidade a nível de custos.[1] 4. LIGTH STEEL FRAMING NA REABILITAÇÃO ESTRUTURAL E SÍSMICA Os sismos são imprevisíveis em termos de magnitude, frequência, duração e localização. Consequentemente, a estrutura ideal para suportar as forças sísmicas resultantes deverá comportar-se de uma forma consistente e previsível. O LSF é capaz de se conformar a esse padrão devido ao rigoroso processo usado para fabricar a perfilaria, bem como às propriedades inerentes do aço e aos métodos construtivos utilizados. A utilização de LSF permite aumentar as probabilidades de sobrevivência dos moradores, mesmo quando os edifícios são submetidos às forças extremas de um sismo. Vivendo em Portugal, um país onde os sismos podem acontecer a qualquer momento e com grande violência, esta vantagem pode ser a diferença entre a vida e a morte [5] A utilização de madeira ou betão armado na de um determinado espaço pode levar à existência de sobrecargas evitáveis nessa estrutura já por si fragilizada. No caso do sismo a reduzida massa da construção poderá ser uma vantagem com a redução dos esforços sísmicos de aceleração que lhe estão associados. A natureza flexível das ligações e a distribuição de esforços horizontais e verticais por um número significativo de elementos também poderá estar associado a uma boa capacidade de dissipação de energia minimizando o risco de ruptura.com a utilização de perfis metálicos de baixa espessura, tem-se uma estrutura mais leve que sobrecarrega menos o edifício antigo permitindo assim recuperações mais racionais e económicas [3]. Como estes materiais são muito leves provavelmente não existe necessidade de reforçar a estrutura desses edifícios. Esta vantagem mostra que o sistema LSF é a melhor opção para se proceder à substituição de lajes, coberturas e paredes em madeira, e acrescento de novos pisos devido ao

5 baixo peso estrutural. Sendo estes materiais leves, o seu transporte e elevação podem ser feitos manualmente permitindo também a sua utilização em locais de difícil acesso. Em Portugal, e um pouco por todo o território, são já identificadas diversas intervenções em edifícios existentes utilizando soluções construtivas baseadas integralmente ou parcialmente em estruturas LSF, o que demonstra a sua capacidade de adaptação. Como exemplo de aplicação salienta-se um edifício de habitação (Figura 1), em Lisboa, que a seguir se apresenta. As intervenções de maior impacto ao nível da sísmica consistiram na execução um pavimento ao nível do 3º piso sobreposto ao existente para consolidação, substituição integral do pavimentos do piso do sótão (Figura 2) e fortalecimento das ligações (Figura 3). Figura 1: Fachada principal do edifício [6] Figura 2: Estrutura de pavimento do piso do sótão [6] Figura 3:Reforço das ligações ao nível da cobertura [6] Para o efeito foram introduzidos três pilares metálicos com fundação no piso térreo que atravessam os três pisos inferiores e servem de apoio, conjuntamente com as paredes resistentes de alvenaria interiores, a uma estrutura de pavimento composta por perfis metálicos na zona do núcleo de circulação horizontal. Para apoio dos pavimentos em estrutura metálica com perfis enformados a frio foram executados lintéis de betão armado com ancoragens às paredes resistentes de alvenaria no lado da fachada principal e tardoz ao nível da cobertura. Para apoio da viga de cumeeira e madres foram igualmente executadas vigas de betão armado nas empenas com a configuração da cobertura em mansarda. Estes elementos estão ligados por forma a funcionarem como diafragma de ligação entre as paredes. O pavimento do piso da cobertura é apoiado nas paredes resistentes de perfis enformados a frio e fixo lateralmente nos lintéis de betão armado. A cobertura foi também reforçada e solidarizada por meio de elementos metálicos de dimensão variável [7]. 5. ANALISE COMPARATIVA ENTRE CUSTOS ASSOCIADOS A UTILIZAÇÃO DE TÉCNICAS TRADICIONAIS E LSF Em Portugal, apesar de não existir uma amostra significativa de aplicações do sistema LSF, não se regista uma diferença significativa de custos entre os sistemas de construção tradicional e o LSF, existindo mesmo profissionais ligados à última solução que afirmam que é muito difícil construir pelo mesmo valor. O valor encontrado nas publicações consultadas é de carácter tão subjetivo que se optou por não se referir. Não obstante o facto da sensibilidade imediata nos levar a pensar em relações diferentes entre os custos associados aos dois sistemas, seria necessário analisar com mais profundidade a composição dos custos de cada solução para obtenção de dados mais conclusivos [8] Destacam-se, no entanto, os que se consideram ser os verdadeiros e principais fatores que influenciam o custo global do LSF no nosso mercado. A marcar o facto do sistema LSF ser menos económico do que as soluções tradicionais referemse: i) Portugal como país tradicionalmente importador de todo o aço que consome na construção, recurso com peso significativo nesta solução e ii) o pouco conhecimento da solução por parte dos empreiteiros leva ao aumento das margens de lucro para redução do risco. Do outro lado da balança, a pender para a maior economia do sistema LSF é de referir: i) Prazo de construção manifestamente mais reduzido e construção industrializada permitem uma otimização substancial dos custos fixos de estaleiro e ii) fundações mais ligeiras como consequência da ligeireza da construção.

6 Para conceptualizar as diferenças observadas entre LSF e estratégias tradicionais apresenta-se em seguida o peso de cada um dos recursos no custo global das duas soluções: Materiais 35% Transportes 10% Equipamento 5% Materiais 60% Transportes 5% Equipamento 5% Mão-de-obra 50% Mão-de-obra 30% Figura 4: Custo de intervenções Figura 5: Custo de intervenções com recurso a técnicas tradicionais, adaptado de [1] com recurso a LSF, adaptado de [1] 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS Considera-se a solução construtiva LSF muito vocacionada para o sector habitacional. A flexibilidade arquitetónica e a inegável rapidez de execução são requisitos fundamentais para quem pretende ver o resultado do seu investimento devolvido no mais curto espaço de tempo. É também natural que o LSF seja também apontado como uma boa opção para o segmento da. A sua ligeireza construtiva permitirá uma excelente adaptação a estruturas existentes sem a necessidade de reforços estruturais mais complexos. No caso nacional, poderá constituir mesmo uma oportunidade no sector face ao largo património construído e à necessidade e fomento existente para a urbana. Por se tratar de um sistema construtivo mais industrializado do que as soluções tradicionalmente usadas tanto em construção nova como na obriga a alguma capacidade de programação e planeamento associada a rigor no encadeamento das empreitadas. Este rigor é de difícil aceitação no nosso mercado onde os projetos são, na grande maioria das vezes, alvo de inúmeras iterações desde o seu estudo de viabilidade até à emissão da licença de utilização. Existe, no entanto, no mercado nacional uma incontestável reserva à aplicação de novas soluções construtivas, em particular aquelas que não apresentam um carácter físico tão robusto e definitivo com as soluções construtivas tradicionais. Na grande maioria dos casos ainda subsiste a ideia da edificação como bem patrimonial inabalável que perdurará de geração em geração sem possibilidades de alteração, e muito menos demolição, para dar lugar a construções mais modernas e vanguardistas. No campo técnico, considera-se também que existem algumas questões que deverão ser mais bem esclarecidas pelas empresas ligadas a esta solução. No entanto, entende-se que o esclarecimento destas questões poderá ajudar a consolidar o reconhecimento desta solução como alternativa vantajosa em certas situações, sendo também necessária a revisão do preço de construção praticado atualmente, e que será permitido também com o sucessivo aumento da escala de aplicações. 7. REFERÊNCIAS [1] Futureng, Engenharia para o futuro - Futureng. Available at: [Acedido dezembro 2014] [2] Freitas, Arlene, Castro, Renata; Steel Framing: Arquitetura, Centro Brasileiro de Construção em Aço (CBCA); 2006; Rio de Janeiro [3] Carvalho, Pedro; Estruturas em aço leve Revisão tecnológica, cálculo, e dimensionamento estrutural, Tese de Mestrado; 2012; FEUP. [4] Lopes, Tânia, Pré-fabricação aplicada ao contexto da Reabilitação de Edifícios ; 2ª Conferência Contrução e Reablilitação Sustentável de Edifícios no Espaço Lusófono; 2012; FCTUNL, Lisboa-Portugal. [5] [6] Futureng Projectos de Construção Civil, Lda., Projecto de execução de estrutura metálica - Edifício na Rua Cecílio de Souza, Lisboa [7] Moreira, Hugo; Utilização de Perfis Enformados a Frio em Obras de Reabilitação ; Tese de Mestrado; 2012; IST. [8] Kopke, Inês; Construção Leve em Aço Galvanizado Light Steel Framing ; Tese de Mestrado; 2007; IST.