Sistema Misto, o sistema do Habitáculo Desenhos

Figura 79: Desenho de 1 módulo do Habitáculo no Sistema viga-e-pilar. Fonte: dos autores

Figura 80: Desenho de 1 módulo do Habitáculo no Sistema viga-e-pilar mostrando a estrutura dos painéis. Fonte: dos autores

Figura 81: Desenho de 1 módulo do Habitáculo no Sistema viga-e-pilar com os painéis de vedação. Fonte: dos autores

Figura 82: Planta de um módulo do Sistema viga-e-pilar. Fonte: dos autores

Figura 83: Corte de um módulo do Sistema viga-e-pilar. Fonte: dos autores

Figura 84: Detalhes do Sistema viga-e-pilar. Fonte: dos autores

Figura 85: Detalhes do Sistema viga-e-pilar. Fonte: dos autores

Figura 86: Conector em T que liga vigas a pilares e vigas principais a vigas secundárias. Fonte: dos autores

O desenho foi concebido buscando uma solução mais racional e mais rápida, além da iteração entre a estrutura e os painéis de vedação. As ligações entre vigas e pilares foram feitas por conectores metálicos e parafusos. Assim, trabalha-se com a eficiência máxima da madeira à flexão, considerando o uso de madeiras nativas retiradas de áreas de manejo. As Figuras 79, 80 e 81 mostram o desenho do protótipo em escala 1:4.

Processo de montagem

A montagem de um módulo em Sistema Viga-e-pilar foi concebida com pilares em sanduíche intertravados por almofadas. As vigas secundárias se apóiam em conectores metálicos em forma de T embutidos (escondidos) dentro da própria madeira, gerando uma proteção do aço ao fogo. Como analisado no capítulo anterior, o conector metálico é o ponto mais frágil da estrutura em madeira. Os pilares receberam, na base, um conector em forma de U metálico, pois o projeto do Habitáculo tem beirais que protegem da chuva a estrutura dos pilares.

A montagem do protótipo em escala reduzida foi composta por cinco peças diferentes, pilares, almofadas, vigas principais e vigas secundárias de dois comprimentos, e foi

coordenada pela equipe de pesquisa e acompanhada pelos estudantes pesquisadores. A partir do momento em que os conectores metálicos ficaram prontos, pode-se iniciar a montagem, com consumo médio de 4 horas diárias em virtude dos compromissos extras e da agenda dos participantes, muitos dos quais voluntários nesta pesquisa.

O primeiro momento de leitura dos desenhos realizados implicou a construção de gabaritos para corte e para furação dos elementos componentes da estrutura (vigas e pilares). A montagem começou pelo conjunto de pilares e almofadas: depois de cortar e montar cada pilar com o auxílio da fixação com grampos tipo sargento, foi realizada a furação. Na produção do pilares, foram gastos três períodos: um dia de gabarito e corte das peças, um dia para gabarito e furação e um dia para passar a barra rosqueada e colocação de porcas fixadas com o auxílio de trava química. Esta barra, na escala do experimento, substituiu barras rosqueadas reais que inevitavelmente terão que ser utilizadas na construção de um protótipo em 1:1. Uma das complicações do uso de madeiras de grande resistência ocorre na furação: algumas vezes, ao encontrar as fibras, as brocas podem desviar de sua rota original, o que, de fato, ocasionou uma ou outra imperfeição de prumo e esquadro na fixação das peças, ainda que tenham sido desvios excepcionais e que de modo algum comprometeram o experimento. As Figuras 87a e 87b mostram a montagem e o estudo dos primeiros pilares e a ligação do conector que liga o projeto à base, em forma de U.

Após os conjuntos de pilares compostos com a almofada serem montados, as vigas principais passaram a ser travadas sobre as almofadas. Receberam, então, os conectores metálicos fixados para apoiar as vigas secundárias (Figura 87c).

Depois da montagem dos pilares, passou-se para produção das vigas secundárias, para a qual foram gastos dois períodos para produção dos gabaritos (o de corte e o de furação) e quatro períodos para montar as vigas secundárias e prendê-las aos conectores metálicos. O uso de um conector metálico em T (embutido) dificultou o processo, pois é restrita a ação humana de manuseio do modelo na escala 1:4, principalmente para parafusar as vigas secundárias. Em vista disso, os furos de algumas peças precisaram ser refeitos ou alargados, também sem conseqüências significativas para os resultados dos testes de carga. As Figuras 88a, 88b, 88c e 88d apresentam a imagem do conector embutido e a montagem do módulo, realizada pelos alunos.

O que se observou e é digno de nota é que, em função da concentração de energia na estrutura, as torções naturais produzidas pelos esforços de fixação em várias direções, a estrutura começou a torcer. Em uma tentativa para evitar essa torção durante a montagem foi utilizado um grampo tipo sargento. No entanto, observou-se que a torção se repetiu. Resolveu-se, então, adotar o uso de um tirante auxiliar (Figura 88f), inserido para evitar o fenômeno. Isso converge com a análise estrutural, na qual foi constatada a necessidade de contraventamentos, devido à ação dos ventos, tanto no plano da cobertura como no plano vertical (Figuras 88c e 88d) e, agora também, devido à montagem e à movimentação natural das fibras da madeira. Com mais um período para inserir os tirantes, a estrutura em pórtico foi montada, como mostram as Figuras 88d, 88e e 88f.

A partir da montagem da estrutura principal, foi montado o painel no Sistema Wood Frame (moldura de madeira). Nesse momento, observou-se a falta almofadas auxiliares no projeto original, (para fixação do painel junto aos pilares compostos). Para avaliar a teoria inicial de que os painéis deveriam ser independentes da estrutura portante, foi feita uma análise reversa e fixaram-se os painéis no contorno de toda a estrutura. Os painéis de OSB foram pregados sobre a estrutura do Wood Frame, com montante em escala a cada 30 cm aproximadamente (Figuras 89a, 89b, 89c e 89d). A montagem ocorreu em dois períodos e a madeira utilizada para os montantes do Wood Frame foi o Eucalipto.

A montagem total do Sistema Misto (em vigas e pilares) com os painéis de vedação levou doze períodos, o que equivale a seis dias completos, considerando construção de gabaritos, cortes, furações e montagem. As Figuras 89c e 89d mostram a imagem final de montagem do módulo, onde se optou por deixar dois lados sem painéis, somente com tirantes, e dois lados com painéis.

B

Figuras 87a, 87b, 87c e 87d: Montagem do modelo do Sistema Viga-e-pilar de 1 módulo do Habitáculo na escala 1:4.

Fonte: dos autores

D

A

Figura 88a, 88b, 88c, 88d, 88e e 88f : Montagem do modelo do Sistema Viga-e-pilar de 1 módulo do Habitáculo na escala 1:4. Detalhe às vigas antes e depois da fixação dos painéis.

Fonte: dos autores

A

B

C

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A

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C

Figura 89a, 89b, 89c e 89d: Montagem do modelo do Sistema Viga-e-pilar de 1 módulo do Habitáculo na escala 1:4. Detalhe à fixação dos painéis.

Fonte: dos autores

Experimentos

Os modelos foram ensaiados no Laboratório de Estruturas da Escola de Engenharia Civil da Universidade Presbiteriana Mackenzie, em prensa universal e com o auxílio de extensômetros elétricos strain gage, acoplados a um computador PC (Figura 90a). Os extensômetros elétricos, de marca EXCEL, foram adquiridos pela equipe de pesquisadores e colados aos componentes da estrutura em madeira com cola do tipo cianocrilato e protegida com silicone, sendo selado com cola do tipo epóxi ARALDITE. O conjunto foi ligado ao computador PC no sistema de aquisição de dados. Os valores de carregamento foram lidos por uma célula de carga de 10 toneladas força. As Figuras 90b e 90c mostram a preparação do modelo e sua ligação ao sistema de aquisição de dados.

A

B

D

E

F

Para realizar o experimento com este modelo, a equipe utilizou recursos próprios para comprar duas chapas de aço de 19 mm, com 1,10 x 1,10 m, para apoiar sobre o prato de carregamento da prensa. As chapas apresentaram peso inicial de 175 kgf (Figura 90c).

Figura 90a, 90b, 90c, 90d, 90e e 90f: Início do experimento do modelo do Sistema Viga-e-pilar de 1 módulo na escala 1:4. e ensaios de ruptura com carga distribuída e carga concentrada.

Fonte: dos autores

C

No modelo com o Sistema viga-e-pilar, foram instalados nove extensômetros elétricos do tipo strain gage. Para o caso de perda de dados em um deles, haveria outro para fornecer os dados, sendo que três forneceram informações de grande relevância. Os extensômetros 1 e 7 foram colados nos pilares, o número 8 foi colado em uma viga principal, o número 2, o 3 e o 4 foram colados em vigas secundárias e o número 9 foi colado no tirante.

O modelo recebeu um carregamento inicial de 175 kgf da chapa de aço e a estimativa era de que as forças seriam transmitidas diretamente ao pilar, devido à grande rigidez da chapa. A força máxima da célula de carga foi de 6400 kgf e, considerando a carga de 175, chegou a 6575 kgf, representando no conjunto 6,6 toneladas-força. Quando o carregamento chegou próximo de 6200 kgf, observou-se a flexão acentuada na chapa de aço. Conseqüentemente, houve uma deformação visual do modelo, com vigas fletindo e pilares flambando.

Na Figura 90f, observa-se o descolamento da estrutura do painel de fechamento e do OSB durante o ensaio, em função da flexão que ocorreu na viga principal. Isso gerou uma constatação de que deve ser gerada uma estratégia para que os painéis não fiquem totalmente colados à viga superior, que exista um espaço entre o topo do painel e a base da viga. Uma solução sugerida pela equipe para os pontos indicados foi à fixação da

SG1 SG2 SG3 SG4 SG5 SG6 SG7 SG8 SG9 CEL.CARGA (kgf) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0,12 0,02 0,14 2,08 0,04 -0,06 -0,32 1,08 -1,04 -1,56 0,02 -0,06 0,14 3,23 -0,13 0 -0,33 0,71 -1,33 -2,52 0,06 0 0,17 3,98 -0,45 0,14 -0,3 1,14 -1,66 -1,31 0,06 -0,26 0,1 4,97 -0,05 0,17 -0,02 0,9 -1,91 1 0,33 -0,16 0,21 5,31 -0,37 -0,17 -0,05 1,5 -2,54 -2,77 0,15 -0,45 0,23 5,65 -0,26 0,18 0,23 1,4 -2,83 -1,44 -507,9 2039,92 1939,5 2186,41 -0,09 -329,55 -519,5 2410 -92,64 -6487,73 -506,8 2035,09 1934,3 2181,42 0,45 -328,36 -518,3 2406 -93,14 -6472,21 -505,7 2029,64 1929 2176,05 -0,2 -327,44 -517,1 2401 -93,63 -6457,63 -504,6 2024 1923,6 2170,53 0,06 -326,73 -515,3 2396 -93,96 -6437,41 -503,1 2018,23 1918 2164,95 0,1 -325,94 -514 2390 -94,32 -6418,61 -502,1 2012,44 1912,8 2159,14 0,27 -324,94 -512,4 2385 -94,89 -6402,31

Tabela 42: Deformação (leitura dos extensômetros). Fonte: dos autores

estrutura dos painéis por meio de parafusos articulados com molas (em especial no centro do vão) e que serão considerados em uma fase futura das experimentações.

Em função da flexão da chapa de aço, o ensaio de carregamento foi interrompido e o modelo voltou à posição original, permitindo um novo ensaio ainda nessa pesquisa. Considerando o módulo de elasticidade do Cumaru 19306 Mpa e a leitura de deformação do extensômetro colado ao pilar, foi traçado um diagrama de tensão de deformação. A tensão à qual a estrutura foi submetida foi de 1,5 a 3 vezes maior do que a que acontece dentro do pilar, tanto na casa em madeira como no desenho do Habitáculo, considerando-se os fatores de majoração da teoria dos estados limite. O Gráfico 10, de tensão e deformação, foi traçado com base na leitura do extensômetro colocado no pilar e no módulo de elasticidade.

Gráfico 10: Tensão e deformação no pilar. Fonte: dos autores

No mesmo ensaio, as vigas principais receberam um carregamento desde o início, pois os extensômetros colados às vigas registraram deformações lineares e a tensão atingida na viga principal do modelo chegou a 377 kgf/ cm². Em cálculo realizado pela equipe, considerando as vigas principais de madeira do Habitáculo com os carregamentos do

andar, um carregamento da parede com dois painéis OSB chega a uma tensão de 226 kgf/ cm², pela Teoria dos Estados Limites. O modelo foi submetido a tensões duas vezes maiores do que podem ser as tensões aplicadas na casa construída. O Gráfico 11, de tensão deformação, foi traçado com base na leitura do extensômetro colocado na viga principal e no módulo de elasticidade.

Gráfico 11: Tensão e deformação na viga principal. Fonte: dos autores

A ruptura da viga de Cumaru no ensaio com carga concentrada se deu com uma tensão de 798 kgf/ cm², aproximadamente 80 Mpa. Durante ambos os ensaios, não ocorreu qualquer falha nos conectores e parafusos.

O segundo ensaio foi realizado com carga concentrada, sendo aplicada uma força de duas toneladas-força sobre a viga metálica pela prensa. Em cada viga no centro houve uma concentração de força da ordem de 285 kgf. O ensaio foi realizado até o limite de ruptura de uma das vigas (que, através da leitura do extensômetro colado nela, indicou uma tensão limite de 798 kgf/ cm², aproximadamente 80 MPa). A Tabela 43 foi retirada da leitura máxima no extensômentro n° 4 colado na viga secundária e do extensômetro n° 4 colado na viga principal.

Força (kgf) Tensão na viga principal (kgf/ cm²)

Tensão na viga secundária (kgf/ cm²)

2003,92 372,098 798,2587

Tabela 43: Comparação de tensão das vigas principais e secundárias. Fonte: dos autores