ANÁLISE TEÓRICO-EXPERIMENTAL DA RIGIDEZ DE SISTEMA MODULAR DE COBERTURA EM PINUS E CHAPA DE PARTÍCULAS (OSB) PARA COBERTURA COM TELHA RECICLADA

Transcrição

1 ANÁLISE TEÓRICO-EXPERIMENTAL DA RIGIDEZ DE SISTEMA MODULAR DE COBERTURA ANÁLISE TEÓRICO-EXPERIMENTAL DA RIGIDEZ DE SISTEMA MODULAR DE COBERTURA EM PINUS E CHAPA DE PARTÍCULAS (OSB) PARA COBERTURA COM TELHA RECICLADA Juliano Fiorelli Professor Assistente Doutor, Universidade Estadual Paulista, fiorelli@dracena.unesp.br Julio Soriano Professor MS3, Universidade Estadual de Campinas, julio.soriano@feagri.unicamp.br Francisco Antonio Rocco Lahr Professor Titular, Universidade de São Paulo, frocco@sc.usp.br Resumo Recordes de produtividade no campo, novos ganhos de eficiência no processo industrial, conquista de novos mercados e exportações em alta vêm sendo a tônica da agroindústria brasileira nos últimos anos. Dentro desse contexto, estudos que visem assegurar os níveis desejados da produção animal são de fundamental importância para garantir o processo de desenvolvimento do país. Um aspecto que deve sempre ser objeto de consideração diz respeito às propostas para construções rurais visando ao atendimento dos requisitos de conforto animal. Dessa forma, as instalações rurais devem ser planejadas e construídas com a finalidade de garantir integridade aos usuários, ou seja, atender aos requisitos mínimos estruturais estabelecidos pelos documentos normativos e também diminuir a ação direta do clima (insolação, temperatura, vento, chuva e idade do ar), que pode agir negativamente nas criações animais. Este trabalho apresenta uma proposta de sistema de cobertura modular em madeira de reflorestamento, chapa de partículas e telha reciclada à base de embalagens longa vida com vistas à aplicação em construção rural e uma análise do comportamento estrutural do referido sistema, avaliando-se a eficiência de rigidez do painel por meio dos resultados de deslocamentos obtidos em experimentação e dos valores obtidos por modelagem computacional. Palavras-chave: cobertura, comportamento estrutural, madeira de reflorestamento. Introdução A construção rural pode ser entendida como toda aquela que compõe o hábitat do homem do campo, ou seja, sua habitação, bem como as demais instalações destinadas à produção agrícola e pecuária. Assim sendo, são relevantes pesquisas que visem ao atendimento dos requisitos dos protagonistas dos processos produtivos envolvidos (Ferreira, 1989). As instalações rurais devem ser planejadas e construídas com a finalidade de garantir integridade aos usuários, ou seja, atender aos requisitos mínimos estruturais estabelecidos pelos documentos normativos. O desconforto térmico é um fator importante no planejamento das instalações rurais, pois o mesmo pode gerar estresse por calor nos animais (Tinoco, 2001). Segundo Nääs (1989), um sistema de cobertura eficiente constitui um dos meios mais eficazes e econômicos de melhorar as condições ambientais de edificações em geral. Damiano & Sales (2004) afirmam que a forma de executar telhados no Brasil segue costumes que permanecem inalterados há muito tempo. As especificações para construção de coberturas usando tesouras são as mesmas utilizadas no início do século XX. Nessa época, entre outras especificidades, as casas não possuíam laje de forro e as tesouras podiam ser apoiadas apenas nas paredes. Isso explica as dimensões exageradas então usadas para as seções dos elementos estruturais. O comércio de madeira e os carpinteiros se acostumaram a trabalhar com essas

2 68 FIORELLI, SORIANO & LAHR dimensões. Engenheiros e consumidores infelizmente ainda não aplicam, em sua plenitude, os avanços tecnológicos já experimentados no setor e, por conseguinte, antigas configurações se mantêm onerando custos de construção. Quando se observam as construções rurais, esta situação se agrava, muitas vezes, pela pequena exigência dos proprietários. Também neste caso, as soluções construtivas adotadas para coberturas são marcadas pelo desconhecimento técnico. O desenvolvimento de novos produtos requer uma série de pressupostos que são estabelecidos no início da atividade de projeto. Baxter (2000) define esse momento como projeto conceitual, quando são estabelecidos os requisitos a que o produto deve atender, que podem variar de acordo com os objetivos, considerando desempenho e processo produtivo. Em suma, o desenvolvimento de novos produtos tem por finalidade principal atender às expectativas do usuário. No que diz respeito ao desenvolvimento de sistemas construtivos, Sabbatini (1989) propõe uma estratégia com o objetivo de orientar o processo de produção de novas tecnologias, cujas etapas podem ser agrupadas em quatro fases distintas: Concepção: atividade de criação em que as idéias advindas de informações coletadas e dos requisitos propostos são materializadas em um modelo. Verificação: produção experimental e ensaios realizados em laboratório com o objetivo de aprimorar a proposta. Descrição: consolidação da tecnologia por meio do planejamento de sua implantação no mercado. Comercialização: introdução e manutenção da tecnologia no mercado. A pré-fabricação de sistemas de cobertura deveria ser mais estudada na realidade brasileira, o mesmo se podendo afirmar das alternativas de emprego de madeiras oriundas de áreas de reflorestamento. Christoforo & Lahr (2008) afirmam que diversas circunstâncias têm contribuído para o incremento no emprego da madeira como material estrutural no Brasil, nos últimos anos; dentre elas os autores citam a disseminação do documento normativo NBR 7190:1997 (Projeto de Estruturas de Madeiras). Países como os Estados Unidos, Canadá, França, Japão e Austrália, entre outros, utilizam sistemas construtivos que incluem estrutura leves, o que viabiliza a industrialização e padronização do processo construtivo. Essa técnica, exemplificada na Figura 1, utiliza basicamente painéis estruturados com montantes de madeira de pequenas dimensões, na seção transversal, geralmente pouco espaçadas, formando um quadro sobre o qual é colocado um fechamento de chapas de madeira reconstituída e/ ou gesso acartonado. Procurando contribuir para desenvolver sistemas construtivos industrializados em madeira, Valle et al. (2008) criaram um sistema de cobertura de painéis utilizando madeira de reflorestamento e telha cerâmica, com o objetivo de substituir os sistemas estruturais usuais de cobertura utilizados na construção. As diretrizes que orientaram a proposta do sistema de cobertura foram: emprego de material de baixo impacto ambiental, de baixo custo comercial, com possibilidade de autoconstrução. O modelo proposto por Valle et al. (2008) para cobertura em painéis pré-fabricados atende às condições requeridas em relação ao desempenho estrutural, à durabilidade e à qualidade de acabamento. O processo de produção (Figura 2), simples e com baixa necessidade de infraestrutura, é facilmente assimilado pelos usuários, possibilitando a autoconstrução. Esses fatores são fortes indicadores da viabilidade do sistema. Montante externo Painel de piso Travessa superior Montante interno OSB Lambril Ossatura de piso Painel de parede MLC Pilar curto Sapata Fundação Blocos de concreto Figura 1 Modelo de sistema construtivo (estruturas leves de madeira). Fonte: APA The Engineered Wood Association (1997).

3 ANÁLISE TEÓRICO-EXPERIMENTAL DA RIGIDEZ DE SISTEMA MODULAR DE COBERTURA Caibro 2,5x10cm Ripa 1,5 x 4,5 cm Forro 0,8x10cm Painel pré-fabricado Figura 2 Modelo de painel de cobertura. Fonte: Valle et al. (2008). Cravo et al. (2008) apresentaram uma análise do conforto térmico em instalações rurais cobertas com telha reciclada à base de embalagens longa vida. Os autores afirmam que há diferença significativa entre temperatura externa e interna à instalação rural e complementam dizendo que a telha reciclada é uma opção eficiente para coberturas de construções rurais. Para propor um sistema alternativo de cobertura em madeira, com fundamento em critérios de racionalização da construção, é importante levar em consideração um método de dimensionamento eficiente. Nesse aspecto podem ser mencionadas as recomendações da norma NBR 7190:1997 (Projeto de Estruturas de Madeira), da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), baseadas no método dos estados limites. Além de estados limites últimos relacionados à resistência dos materiais, a NBR 7190:1997 prevê a restrição de deslocamentos, o que previne o comprometimento estético e o mau funcionamento de equipamentos e instalações e evita danos aos materiais de acabamento ou às partes não estruturais da construção (Calil Jr. et al., 2003). Com base nesses conceitos, o objetivo deste trabalho é propor um sistema estrutural modular para cobertura, constituído de peças serradas de madeira de reflorestamento (Pinus sp.), chapas de partículas tipo OSB e telha produzida a partir da reciclagem de embalagens longa vida (IBAPLACÒ). No contexto do desenvolvimento do produto, a etapa de verificação é abordada avaliando-se a rigidez à flexão do painel por meio dos resultados de deslocamentos experimentais e dos valores obtidos por modelagem computacional. Material e Métodos Como base no que se discutiu no item anterior, neste trabalho apresenta-se o sistema de cobertura modular, em madeira de reflorestamento, chapa de partículas OSB e telha reciclada à base de embalagens longa vida, cujo esquema de montagem está mostrado na Figura 3. A escolha dos elementos construtivos, produtos alternativos aos convencionais utilizados na construção de cobertura, se deve à preocupação com a temática da sustentabilidade: telha à base de material reciclado proveniente de embalagens longa vida, madeira de Pinus, madeira proveniente de floresta plantada e chapa de partículas OSB, à base de partículas, com objetivo de proporcionar acabamento e estabilidade dimensional ao sistema modular de cobertura. Figura 3 Projeto sistema modular de cobertura (perspectiva).

4 70 FIORELLI, SORIANO & LAHR Definido o sistema modular de cobertura, iniciouse a etapa de dimensionamento. Para o painel com dimensões nominais de 88 cm de largura por 300 cm de comprimento, constituído de sarrafos de Pinus sp., dimensionados seguindo as recomendações da NBR 7190, determinaram-se as dimensões de seções transversais de 3,7 cm x 12 cm, atendendo às verificações do estado limite último referente à resistência às tensões normais na flexão e do estado limite de utilização (deslocamento no ponto médio do vão do painel). Os sarrafos do painel formam uma grelha com três longarinas e quatro linhas transversais, conforme mostrado na Figura 4. Para constituir o fundo do painel foi empregada chapa de OSB de espessura 1 cm, fixada na grelha por pregos 12 x 12. A opção por essa espessura de chapa ocorreu em virtude da disponibilidade do produto no comércio de produtos derivados da madeira. Na etapa de verificação, para avaliação experimental, a estrutura formada pela grelha de Pinus e pela chapa de OSB foi instalada em prensa hidráulica, impondose, para tanto, as condições de estrutura biapoiada. Os incrementos de força foram aplicados por intermédio de perfil metálico, considerado rígido, disposto na linha média do vão do painel, para possibilitar a distribuição da força nas três longarinas. A cada incremento de força foram registrados os deslocamentos verticais, medidos com o auxílio de relógios comparadores, em três pontos dispostos ao longo da linha média do vão do painel (Figura 5). As respectivas médias foram utilizadas para análise e comparação com os valores obtidos por meio da modelagem computacional. A simulação da estrutura foi realizada com o auxílio da ferramenta computacional, o programa ANSYS (Figura 6), sendo as peças da grelha representadas pelo elemento de viga tridimensional Beam4 e a placa em OSB discretizada por elementos de casca do tipo Shell63. A ligação entre grelha e placa foi simulada por elementos do tipo beam44, de seção transversal circular, cujo raio representou uma variável na modelagem para a avaliação da eficiência do modelo. Para a determinação dos módulos de elasticidade efetivos das peças de Pinus foram adotados os procedimentos recomendados no Anexo B da NBR O lote de Pinus utilizado na presente pesquisa foi classificado como C25. Assim, a resistência característica à compressão paralela às fibras é de 25 MPa, e o correspondente módulo de elasticidade longitudinal médio é igual a 8500 MPa. a) Estrutura e telha b) Ensaio da estrutura Figura 4 Sistema modular. Figura 5 Instrumentação relógios comparadores.

5 ANÁLISE TEÓRICO-EXPERIMENTAL DA RIGIDEZ DE SISTEMA MODULAR DE COBERTURA a) Modelo do painel b) Modelo deformado Figura 6 Modelagem computacional da estrutura. Como caracterização da placa de OSB, conforme o fabricante, tem-se o módulo de elasticidade longitudinal médio de 3700 MPa. Para os elementos de aço utilizados na simulação adotou-se o módulo de elasticidade de 205 GPa. Para avaliação do sistema estrutural ensaiado e da adequação do modelo computacional adotado, verificouse o estado limite de utilização referente aos deslocamentos verticais. A NBR 7190:1997 prescreve que tais deslocamentos não devem ultrapassar l/200, sendo l a distância entre apoios, no caso igual a 296 cm. Resultados e Discussão Através do ensaio do sistema modular de cobertura, para cada incremento de força foram registrados os deslocamentos medidos por relógios comparadores, cujos valores são apresentados na Tabela 1. O painel foi carregado até 5,4115 kn, sem a ocorrência de quaisquer indícios de danos. Para análise da eficiência de rigidez estrutural foram considerados os valores experimentais médios (exp_m3). Pela Figura 7 é possível observar a relação linear entre a força aplicada e os descolamentos correspondentes no painel. Na modelagem computacional do painel foram geradas duas hipóteses para representar a eficiência do sistema de ligação. A primeira refere-se a uma condição extrema, para a qual o sistema de ligação não influencia a rigidez de flexão do conjunto. A segunda é caracterizada pela máxima eficiência de rigidez à flexão proporcionada pelos elementos de ligação entre grelha e chapa do painel. Para tanto, mediante pesquisa da variação da seção transversal dos elementos de ligação, as duas supostas situações foram verificadas para valores de raios iguais a 0,15 cm (r0,15) e 2,0 cm (r2), respectivamente. Observa-se que a curva obtida dos valores experimentais (força deslocamento) (Figura 6) se encontra contida na região delimitada pelas situações extremas de rigidez à flexão do painel. Tendo em vista o Estado Limite de Utilização definido pelo deslocamento vertical (l/200= 1,48 cm), o carregamento desse painel seria limitado a um valor próximo de 4,262 kn (valor esse obtido por ajuste linear dos dados experimentais, com R 2 = 0,999). Impondo-se a condição de flecha limite (l/200), para as supostas situações extremas de rigidez, são estimados os correspondentes valores máximos de força em 3,579 kn (curva r = 0,15) e 5,804 kn (curva r = 2). Tabela 1 Flechas experimentais (cm).

6 72 FIORELLI, SORIANO & LAHR Figura 7 Relação força deslocamento. Desses valores analisados, verifica-se que o painel ensaiado apresentou eficiência superior àquela situação de rigidez mínima suposta na modelagem. Ou seja, na situação de flecha limite, nota-se uma diferença para os valores de força de aproximadamente 20%. Por outro lado, para a suposta situação de máxima rigidez do painel obteve-se uma carga aproximadamente 36% superior ao valor experimental, referente a l/200. Conclusões A montagem do painel permitiu verificar a exequibilidade do sistema construtivo em desenvolvimento. A placa de OSB, além de proporcionar acabamento para a face inferior, por estar fixada aos elementos da grelha, também influencia a rigidez à flexão do conjunto e estabiliza as peças da grelha. A análise comparativa entre os deslocamentos obtidos na experimentação e aqueles obtidos por modelagem computacional permitiu concluir que o sistema proposto apresentou desempenho estrutural eficiente, em função do valor de limite flecha estabelecido pela NBR Finalmente, os resultados experimentais e teóricos permitiram considerar a possibilidade de melhoria do sistema de ligação (com o emprego de outros elementos, como parafusos de diferentes configurações geométricas ou, até mesmo, adesivos, por exemplo) e melhorar, consequentemente, o desempenho de rigidez à flexão do painel. Referências Bibliográficas ANSYS. ver.11.0, Southpointe. ANSYS, Inc. APA The Engineered Wood Association, Panel Handbook & Grade Glossary. Tacoma, WA: APA The Engineered Wood Association, Engineered Wood Systems, Disponível em: R.pdf. Acesso em: 20 maio ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNI- CAS. NBR 7190: Projeto de estruturas de madeira. Rio de Janeiro, p. BAXTER, M. Projeto de produto: guia prático para o design de novos produtos. 2 ed. São Paulo: Edgard Blücher, p. CALIL JR., C.; ROCCO LAHR, F. A.; DIAS, A. A. Dimensionamento de elementos estruturais de madeira. 1 ed. Barueri: Editora Manole Ltda, p. CHRISTOFORO, A. L.; LAHR, F. A. R. Determinação do módulo de elasticidade longitudinal em estruturas planas de madeira do tipo treliça. Revista Minerva Pesquisa e Tecnologia, FIPAI, v. 4, n. 2, CRAVO, J. C. M.; FIORELLI, J.; LAHR, F. A. R. Avaliação do conforto térmico de galpões avícolas com sistema de cobertura modular em madeira, painel OSB e telha reciclada. In. SEMINÁRIO DE CONSTRUÇÕES RURAIS E AMBIÊNCIA APLICADAS À PRODUÇÃO ANIMAL, 1., 2008, Tupã, SP. Anais... Tupã, SP, DAMIANO, A. R. G.; SALES, A. Racionalização de estruturas de cobertura para habitação de interesse social utilizando madeiras de reflorestamento. In: ENCONTRO BRASILEIRO DE MADEIRAS E ESTRUTURAS DE MADEIRAS, 2004, Cuiabá, MT. Anais... Cuiabá, MT,2004. FERREIRA, L. A. Diretrizes arquitetônicas nas instalações para bovinos Dissertação (Mestrado em Arquitetura) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. IBAPLAC. Catálogo de produtos. Disponível em: / Acesso em: 25 fev NÄÄS, I. A. Princípios de conforto térmico na produção animal. 1 ed. São Paulo: Ícone, p. SABBATINI, F. H. Desenvolvimento de métodos, processos e sistemas construtivos: formulação e aplicação de uma metodologia Tese (Doutorado em Engenharia Civil) Programa de Pós-graduação da Escola Politécnica da USP, São Paulo. TINÔCO, I. F. Avicultura industrial: novos conceitos de materiais, concepções e técnicas construtivas disponíveis para galpões avícolas brasileiros. Revista Brasileira de Ciência Avícola, Campinas, v. 3, n. 1, jan.-abr VALLE, I. M. R.; INO, A.; SHIMBO, I. O sistema de cobertura em painéis pré-fabricados de madeira. In: ENCONTRO BRASILEIRO DE MADEIRA E DAS ESTRUTURAS DE MADEIRA, 2008, Londrina, PR. Anais... Londrina, PR, 2008.