8 ESTRUTURAS DE MADEIIRA PARA COBERTURAS 8..1 Generalliidades No Brasil, a grande maioria das estruturas de madeira refere-se a coberturas. Não há grande tradição na construção de edifícios (residenciais ou comerciais) em madeira. Em muitos outros países, da América do Norte e Europa, a tradição na construção de pequeno e médio porte (residenciais ou comerciais), recai na solução em madeira. Um dos sistemas mais utilizados é o sistema FRAME, estruturado a partir de montantes verticais e placas externas de madeira compensada, ou também de madeira recomposta. A figura 68, mostra tal sistema construtivo. Há uma acentuada tendência em se trocar a tecnologia da construção em alvenaria e concreto para a de madeira, em função da sustentabilidade da solução. O uso de madeira autoclavada e tratada proporciona grande durabilidade à mesma, contrapondo-se ao argumento que, especialmente no Brasil, impediu o desenvolvimento desta indústria. figura 68 o sistema frame Já para coberturas de pequeno, médio e até mesmo grande porte, a solução da estrutura em madeira revela-se muitas vezes, a mais econômica. Também é digno de nota o fato de que a solução de estrutura em madeira é a melhor, quando se trata de construções industriais, com presença de vapores químicos. A madeira suporta muito bem tais circunstâncias, ao contrário do que acontece com o concreto armado e com o aço. 8..2 Priinciipaiis solluções de esttrutturas de madeiira para cobertturas As coberturas, dada a sua finalidade, de encaminhar adequadamente as águas da chuva, têm as suas respectivas inclinações proporcionais às telhas utilizadas. 8.2.1) Arcos : miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 1/12
A solução mais econômica para grandes vãos em coberturas de madeira é o arco. Isto também se extrapola para os demais materiais. Estas estruturas podem ser utilizadas com o arco apoiado apenas na direção do vão principal (arcos planos) ou o arco espacial. A figura 69 ilustra estas duas soluções. figura 69 soluções de cobertura em arco A solução em arco leva a uma economia de material significativa em relação à solução em treliça. Se os arcos puderem ser atirantados (ou contidos lateralmente), nos seus pontos de apoio, é ainda maior a economia. A presença do tirante nem sempre é possível, em armazéns ou ginásios de esportes. A solução espacial tem a contenção feita pelo anel estrutural que coroa os pilares de apoio. A configuração do arco espacial pode ser feita com barras simples, compondo uma estrutura reticulada. A figura 70 mostra esta solução, em um Ginásio de Esportes. Trata-se de barras retangulares, compostas por lâminas coladas, de madeira de PINUS, com ligações metálicas nos nós. figura 70 Ginásio de Esportes em Lajes-SC fonte : Battistella miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 2/12
Já os arcos planos podem ser estruturados com a solução em treliça, seção composta por tábuas pregadas, ou também seções retangulares ou I, compostas por lâminas coladas. figura 71 Composição de seção de arcos planos 8.2.2) treliças : São a solução para grande parte das coberturas no Brasil. A cobertura de galpões é a solução mais simples a ser dada, com a ocorrência de duas águas no caimento do telhado. HOWE PRATT BELGA planta figura 72 Coberturas em treliças Das três opções, a mais econômica, na solução em madeira, é a do tipo HOWE, por apresentar uma solução mais simples nas ligações. A tesoura tipo PRATT é mais utilizada em estruturas metálicas. Já a tesoura tipo BELGA, que tem a passagem central livre, muito conveniente em certas circunstâncias, é a escolhida em situações com características muito específicas, tal como a passagem de dutos ou instalações centrais. A passagem interna pela tesoura de tais dutos, reduz consideravelmente a altura do galpão, em relação às tesouras convencionais. Modernamente, o uso de telhas leves, como são as metálicas, ou do tipo shingle, ou de fibro-cimento, e a imprescindível consideração da ação do vento nos cálculos, leva à constatação da inversão da natureza dos esforços internos nas barras. Tais esforços caracterizam-se por valores alternados de tração e compressão nas barras. Este fator tende a complicar um pouco a solução das ligações entre as barras, pois quase todas têm, pelo menos em uma das combinações de ações prováveis, a necessidade da verificação à compressão com flambagem. Em relação às estruturas de madeira de um passado recente, em que as telhas quase sempre eram pesadas (de barro), o efeito de inversão de esforços não ocorria. Sendo assim, miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 3/12
soluções que se tornaram clássicas para estruturas de madeira (barras tracionadas constituídas de peças duplas, e barras comprimidas simples de maior espessura), não se caracterizam mais, com as telhas leves. Há necessidade de soluções mais complexas, e de dispositivos de travamento, que não se adotavam, por serem desnecessárias, nas antigas soluções em madeira. Estruturas treliçadas espaciais (tri-dimensionais) são uma interessante e econômica solução em coberturas de madeira, com vãos livres acentuados. Um exemplo é a cobertura de igreja em Curitiba-PR, ilustrada na figura 73. Esquema estrutural Figura 73 treliça espacial para cobertura em madeira 8.2.3) pórticos : São soluções que podem ser desenvolvidas e aplicadas com maior freqüência no Brasil, tal como se faz em outros países. São bastante praticados na Europa, utilizando madeiras Coníferas tratadas adequadamente. Um aspecto determinante de sua conveniência construtiva é o processo de préfabricação. Os pórticos de madeira podem ser tri-articulados, o que possibilita a pré-fabricação das duas metades na indústria, e o seu posterior transporte e montagem no local. Outro aspecto muito conveniente da concepção do pórtico tri-articulado é a inexistência de esforços de flexão nos respectivos apoios (pilares ou fundações). Isto simplifica bastante a solução das fundações, gerando correspondente economia. Figura 74 Pórtico de madeira Esta solução é muito econômica para galpões, visto que o pórtico absorve muito bem não só as ações verticais (peso próprio mais as telhas e forrações) que são de pequena monta, miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 4/12
mas principalmente as ações do vento. Nos galpões convencionais, com pilares de concreto ou aço engastados nas fundações, a ação do vento gera importantes solicitações de flexão nas fundações de difícil e/ou cara solução. vento Figura 75 Solução convencional de galpões Os pórticos bi ou tri-articulados têm a solução para a composição de sua seção, as mesmas possibilidades ilustradas para os arcos, na figura 71. 8..3 Dettermiinação de esfforços 8.3.1) ações a considerar : A norma NBR-6120 estabelece os valores das cargas para o cálculo das estruturas. A norma NBR-6123 aponta os valores relativos à ação do vento. Em complemento, a norma NBR-8681, assim como a própria NBR-7190, definem os critérios para combinar as ações previstas nas estruturas de madeira. Estas combinações foram o tema do capítulo 2 deste trabalho. Recordando, devemos considerar as seguintes ações, dentre as principais, nas estruturas de madeira : a) cargas permanentes : Peso próprio da estrutura, peso das telhas e acessórios, instalações elétricas, hidráulicas, tarugamento e forro, tratamentos acústico e térmico, etc. b) cargas acidentais verticais : Basicamente, constitui-se na sobrecarga. Em estruturas de aço, nas coberturas, a NBR-8800 estabelece a necessidade da consideração de um valor equivalente a 0,25 kn/m 2. A NBR-7190 não especifica um valor. Resta o que prescreve a norma NBR-6120, que aponta 0,50 kn/m 2, considerada exagerada por muitos especialistas. Por analogia entre as estruturas de cobertura de madeira e de aço, adotam o valor 0,25 kn/m 2, da NBR-8800. miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 5/12
Não se pode omitir dos cálculos, a exigência da NBR-7190, da consideração da aplicação de uma carga acidental equivalente a 1 kn, na pior localização de qualquer peça isolada da estrutura de cobertura (refer-se à presença de um operário, na construção ou na manutenção da estrutura). c) ação do vento. 8.3.2) Ações atuantes nas barras : Uma simplificação muito adotada na determinação das parcelas de carga sobre as peças de uma estrutura é o cálculo por áreas de influência respectivas : determinam-se os valores das ações atuantes e dividem-se as cargas totais proporcionalmente às áreas de influência respectivas. P a P b a b Figura 76 Determinação das ações nos nós de estruturas planta Figura 77 Determinação das ações nas terças 8.3.3) Determinação de esforços atuantes : a) ripas, caibros e terças : Tratam-se de vigas, isoladas ou contínuas, dependendo da continuidade ou não entre as peças nos vãos consecutivos, sujeitas a cargas uniformemente distribuídas, configurando flexão reta ou oblíqua, ou flexão composta, conforme estudado no capítulo 4 deste trabalho. miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 6/12
Y X α F d Figura 78 Flexão oblíqua em ripas, caibros e terças Não devem ser omitidos dos cálculos, as possíveis combinações das ações, considerando também a possibilidade da atuação da carga de 1 kn, em qualquer posição, das peças isoladas. b) barras das estruturas : Com base na geometria das estruturas principais, e das cargas atuantes nas mesmas, levando em consideração as propriedades físicas e mecânicas da espécie de madeira escolhida, procede-se à determinação dos esforços nas barras respectivas. Programas de computador (softwares) específicos, de maior ou menor grau de sofisticação, são ferramentas indispensáveis nesta etapa do projeto. O cálculo simplificado, pelo equilíbrio dos nós, muito utilizado no passado, caiu em desuso, frente à disponibilidade de ferramentas mais sofisticadas. Exemplo disto, é a possibilidade do uso educacional do programa FTOOL, de autoria do prof. Luiz Fernando Martha, disponibilizado pelo mesmo na Internet, e cujo link aparece no site desta disciplina : solar.cesec.ufpr.br/sistemasb. A importância da estrutura a analisar deve apontar proporcionalmente à sofisticação da ferramenta de análise. Os principais esforços encontrados nas barras das estruturas reticuladas são : b.1) compressão (considerar a possibilidade da flambagem) ; b.2) tração ; b.3) flexo-compressão ; b.4) flexo-tração ; 8..4 Dettallhamentto das esttrutturas O desenho das estruturas, após o devido calculo e dimensionamento, deve ser feita de acordo com o que se estudou no capítulo 7 deste trabalho. 8.4.1) solução de nós : miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 7/12
Muito importante, nas estruturas de madeira, é dar solução aos nós e suas respectivas ligações, já na fase inicial do projeto, que é a de definir o arcabouço resistente como um todo. Isto ocorre, ao contrário das estruturas de concreto, que não apresenta qualquer dificuldade na solução da ligação entre as barras, e as estruturas metálicas também, que têm fácil solução, com o uso de chapas (goussets) para ligar as barras (com solda ou pinos). Figura 79 ligações de um nó de estrutura metálica Desta forma, a composição das barras da estrutura devem atender aos requisitos das ligações. Um exemplo bastante claro, é ilustrado na figura 80, em que são apresentadas duas soluções para o mesmo nó indicado na figura 79, agora com as peças de madeira. Figura 80 ligações de um nó de estrutura de madeira Não se pode deixar de atender no detalhamento dos nós e suas respectivas ligações, um pressuposto que foi estabelecido para o calculo dos esforços : a configuração adequada do mesmo, com todas as barras convergindo para um ponto único, através dos seus eixos. Quando isto não ocorre, geram-se esforços adicionais nas barras e nas próprias ligações, que podem dificultar ainda mais a verificação das condições de segurança. Um aspecto que chama bastante a atenção, quanto a esta questão, é o fato de que, apesar de muitas vezes um projeto estrutural apresentar o alinhamento perfeito dos eixos das barras, no seu detalhamento, a execução feita na obra deixa de atender tais configurações geométricas, originando problemas posteriores, no funcionamento da estrutura. 8.4.2) dimensionamento das barras : O dimensionamento das barras das estruturas de madeira será feito de acordo com o que prescreve a NBR-7190, conforme o que foi detalhado no capítulo 4 deste trabalho. Algumas situações, decorrentes do processo construtivo, e até mesmo da arquitetura, devem ser avaliadas com o devido detalhe que a situação requer : miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 8/12
a) nós de extremidade : N d T d 10 Elevação Figura 81 nó de extremidade de tesoura É comum a falta de espaço para a configuração do nó mais importante das tesouras de madeira, que é o nó de apoio das extremidades. A eventual excentricidade do apoio em relação ao nó gera um esforço adicional de flexão na barra tracionada do banzo inferior, que pode ser verificada exatamente como se fez no capítulo 4, exercício 4.10, deste trabalho. b) nó intermediário de banzo superior de tesouras : Nem sempre as peças secundárias, tais como terças ou caibros, configuram a transmissão de suas respectivas reações diretamente aos nós, como teoricamente seria desejável. Desejável para que as barras componentes da estrutura reticulada (tesoura) tivesse a geração exclusiva de esforços internos de tração e de compressão. Para as cargas verticais, até que é possível fazer tal alinhamento. Quanto à ação do vento, que é normal ao plano do telhado, este alinhamento deixa de acontecer. Também ocorre com certa freqüência, a colocação pura e simples destas peças secundárias, em posições intermediárias das barras, para respeitar as dimensões das telhas ou por qualquer outra razão. A verificação à flexão composta resolve tais situações. vento Cargas verticais Figura 82 configuração dos nós e suas cargas miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 9/12
8..5 Sollução de uma esttruttura de coberttura O projeto da estrutura de uma cobertura comum, tal como uma residência, pode ser visualizado através da soluções que são apontadas a seguir. Considere-se a planta irregular de uma residência, com várias águas de caimento dos telhados, e com uma característica diferenciada, que é a ocorrência de uma área livre de lajes, a saber, a área social da mesma. A figura 83, ao lado, mostra alguns detalhes desta situação. Figura 83 planta de cobertura de uma residência Na região sem lajes para apoio da estrutura do telhado, será concebida uma tesoura principal T1, qua apóia-se nas duas extremidades da construção (ver fig. 84). Por sua vez, as demais tesouras (na verdade meias-tesouras) (4X) e T3 (2X), assim como a treliça T4 (1X), apóiam-se nas bordas da construção e na tesoura T1. T4 T1 T3 T3 T1 T4 A B B DET. C A SEÇÃO TRANSVERSAL BB T3 SEÇÃO LONGITUDINAL AA Figura 84 estrutura de cobertura do telhado de uma residência miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 10/12
Toda esta estruturação proporciona a colocação de terças que não têm vãos superiores a 4 metros. Vãos muito grandes para peças isoladas de madeira sujeitas à flexão, apresentam duas dificuldades : a primeira delas, o próprio comprimento de peça única, e a segunda, a necessidade de grandes seções transversais, para proporcionar rigidez suficiente à flexão. Analisando a estrutura no seu todo, sempre é fator de preocupação a questão relativa à estabilidade do conjunto, mediante a ação das solicitações transversais (vento), que tendem a tombar as treliças planas. Na estrutura que se configurou, a contraposição das tesouras T1 a T4, devidamente ligadas entre si, promove a estabilidade lateral das mesmas, sem necessidade de contraventamentos (este assunto será tratado no capítulo seguinte, com mais detalhes). Já a região da cobertura que tem laje abaixo, para lhe dar sustentação, pode ser equacionada através da colocação de pontaletes (pilaretes de madeira, de pequena seção transversal) adequadamente fixados às lajes, e que dão suporte aos caibros secundários. Esta solução pode ser visualizada na figura 85. terças pontalete travejamento s pontalete laje Figura 85 estruturação com pontaletes As seções transversais AA e BB, mostram contraventamentos típicos de pontaletes, que evitam seu tombamento, promovendo a rigidez longitudinal necessária. Transversalmente, os caibros, ligados às lajes através de um ripão fixado na borda do beiral, configuram estabilidade ao tombamento da estrutura como um todo. terças caibros w w g+q w g+q g+q ripas Figura 86 detalhe do apoio das telhas miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 11/12
Completando a configuração da estruturação do telhado, aparecem as terças, caibros e ripas, que trabalham sob as condições de flexão. A figura 86 mostra tais dispositivos. Como observação final, saliente-se que as ripas, que dão apoio direto às telhas, trabalham à flexão oblíqua, assim como também as terças. Já os caibros, trabalham à flexão simples, porém com o seu eixo inclinado. Esta inclinação do eixo em relação à verticalidade das cargas, ocasiona flexão composta. Para a ação do vento, normal ao plano da cobertura, a flexão é simples. miguel@vetorestruturas.com.br UFPR-2009 Estruturas de Madeira CAP.8 pg. 12/12