UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
ANTÔNIO CARLOS DOS SANTOS RIBEIRO
ESTUDO COMPARATIVO DO CONSUMO DE MADEIRA EM
ESTRUTURA COM TELHADO DE CONCRETO, ENTRE A
TECNOLOGIA CORRENTE E A PRECONIZADA PELA NBR
7190:1997
Sinop
2014/1
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
ANTÔNIO CARLOS DOS SANTOS RIBEIRO
ESTUDO COMPARATIVO DO CONSUMO DE MADEIRA EM
ESTRUTURA COM TELHADO DE CONCRETO, ENTRE A
TECNOLOGIA CORRENTE E A PRECONIZADA PELA NBR
7190:1997
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof. Orientador: Dr.° Roberto Vasconcelos Pinheiro.
Sinop
2014/1
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Classes de Umidade. ... 18
Tabela 2 – Classes de Resistência das Coníferas. ... 21
Tabela 3 – Classes de Resistência das Dicotiledôneas. ... 22
Tabela 4 – Materiais Estruturais – Dados Comparativos. ... 27
Tabela 5 – Classes de Carregamento. ... 37
Tabela 6 – Valores de Kmod,1. ... 39
Tabela 7 – Valores de Kmod,2. ... 39
LISTA DE EQUAÇÕES
mod,3 mod,2 mod,1 mod.
k
.
k
.
k
k
Equação 1 ... 38 w wk mod wdk
.
f
f
Equação 2 ... 401
f
k
wd d My, M d Mx,
Equação 3 ... 411
f
f
.
k
wd d My, wd d Mx, M
Equação 4 ... 41LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Resistência ao fogo. ... 19
Figura 2 – Comportamento da madeira na compressão. ... 21
Figura 3 – Comportamento da madeira na tração ... 23
Figura 4 – Cisalhamento na madeira ... 23
Figura 5 – Barracão do Parque Florestal de Sinop – MT ... 26
Figura 6 – Banzo inferior comprometido ... 26
Figura 7 – Ligação dos banzos comprometida ... 27
Figura 8 – Nomenclatura dos elementos das treliças ... 29
Figura 9 – Elementos utilizados nas tesouras ... 30
Figura 10 – Componentes da cobertura de madeira ... 31
Figura 11 – Modelo de parafuso liso, com cabeça e porca ... 32
Figura 12 – Nomenclatura da disposição das telhas ... 33
LISTA DE ABREVIATURA
% – Porcentagem
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas Kgf – Quilogramas - força
INPE – Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais MT – Mato Grosso
NBR – Norma Brasileira
Prodes – Projeto de Monitoramento da Floresta Amazônica por Satélites UFPR – Universidade Federal do Paraná
m³/m² – Relação metro cúbico por metro quadrado referente a madeira em área construída
MPa – Mega Pascal
MJ/m³ – Relação entre um Mega Joule por metro cúbico g/cm³ – Relação entre um grama por centímetro cúbico Kmod,1 – Coeficiente de modificação 1
Kmod,2 – Coeficiente de modificação 2
Kmod,3 – Coeficiente de modificação 3 γwc– Compressão paralela às fibras γwt– Tração paralela às fibras
γwv – Cisalhamento paralelo às fibras γw – Estados limites de utilização
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Estudo comparativo do consumo de madeira em estrutura com
telhado de concreto, entre a tecnologia corrente e a preconizada pela NBR 7190:1997.
2. Tema: 3.01.00.00 – 3 – Engenharia Civil
3. Delimitação do Tema: 3.01.01.00 – 0 – Construção Civil 4. Proponente(s): Antônio Carlos dos Santos Ribeiro 5. Orientador (a): Prof. Dr.° Roberto Vasconcelos Pinheiro 6. Co-Orientador (a): Profª Silvia Romfim
7. Estabelecimento de Ensino: UNEMAT
8. Público Alvo: Estudantes, Pesquisadores, e Profissionais da área de
Engenharia e Arquitetura.
9. Localização: Universidade do Estado de Mato Grosso (Av. dos Ingás,
3001, Sinop, 78550-000).
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... I LISTA DE EQUAÇÕES ... II LISTA DE FIGURAS ... III LISTA DE ABREVIATURA ... IV DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... V 1 INTRODUÇÃO ... 8 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 10 3 JUSTIFICATIVA... 11 4 HIPÓTESES ... 12 5 OBJETIVOS ... 13 5.1 OBJETIVO GERAL ... 13 5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13 6 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 14 6.1 HISTÓRICO ... 14 6.2 A MADEIRA ... 15 6.3 NORMATIZAÇÃO ... 16 6.4 PROPRIEDADES DA MADEIRA ... 17 6.4.1 Propriedades Físicas ... 17 6.4.1.1 Teor de umidade ... 17 6.4.1.2 Densidade ... 18 6.4.1.3 Retratibilidade ... 18 6.4.1.4 Inchamento ... 18 6.4.1.5 Resistência ao fogo... 19 6.4.2 Propriedades Mecânicas ... 19 6.4.2.1 Elasticidade ... 20 6.4.2.2 Resistência ... 20
6.4.3 Outras Propriedades do Material ... 24
6.4.3.1 Propriedades organolépticas ... 24
6.4.3.2 Resistência Natural ... 25
6.4.4 Comparativo Entre Outros Materiais ... 27
6.5 ESTRUTURAS DE MADEIRA ... 28
6.5.1 Concepção Estrutural ... 28
6.5.1.1 Treliça plana ... 28
6.5.1.2 Componentes da Cobertura ... 30
6.5.1.4 Telha ... 32
6.5.2 Ações e Carregamento ... 34
6.5.2.1 Ações ... 34
6.5.2.2 Carregamento ... 36
6.5.3 Dimensionamento... 38
6.5.3.1 Estados Limites Últimos - Estrutura ... 38
6.5.3.2 Estados Limites Últimos - Ligações ... 42
6.5.3.3 Verificações dos Estados Limites de Utilização ... 42
7 METODOLOGIA ... 44 7.1 MATERIAIS ... 44 7.2 MÉTODOS ... 44 7.2.1 Pesquisa de Mercado ... 44 7.2.2 Espécies de madeira ... 44 7.2.3 Tipo de telha ... 45 7.2.4 Estudo de caso ... 45 7.2.5 Projetos estruturais ... 45 7.2.6 Parâmetros técnicos ... 45
7.2.7 Uso das espécies em estruturas de cobertura ... 45
8 CRONOGRAMA ... 46
1 INTRODUÇÃO
A madeira é um produto renovável e de pouco consumo de energia na sua obtenção em relação a outros materiais. Sua popularidade ao longo de tantos séculos não se fragilizou, mesmo com as diversas tecnologias apresentadas no mercado no decorrer das últimas décadas. Vários fatores sugerem o uso de madeira no campo da construção civil e, entre eles, menciona-se a versatilidade e a disponibilidade do material.
Atualmente, só na Floresta Amazônica são estimados 50 bilhões de metros cúbicos de madeira, distribuídos por mais de quatro mil espécies arbóreas, segundo Rezende e Neves (1988) apud Goés (2006, p. 2). Contudo, o desmatamento ainda é fator preocupante e agravante. Através de dados do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE e do Projeto de Monitoramento da Floresta Amazônica por Satélites – Prodes, apontam, inicialmente, um aumento de 28% no desmatamento do ano de 2013 em relação a 2012, mesmo depois de quatro anos de sucessivas quedas.
É de conhecimento de todos que o uso abusivo dos recursos da floresta pode vir a provocar escassez, mesmo em um material tão abundante como a madeira. O reflorestamento, bem como o uso inteligente e sustentável através de projetos e manejos bem elaborados, são algumas soluções para que se possa reduzir a tendência do desmatamento descontrolado. Mas, ainda, ocorrem outros impasses referentes à má utilização da madeira, em estruturas, no Brasil.
Tal fato é corroborado pela má formação proporcionada pelas faculdades brasileiras, aos engenheiros civis, na área de madeira. Isto provoca um despreparo da aplicação do referido material, bem como na elaboração de projetos de estruturas de madeira, comprometendo o funcionamento da estrutura. (GESUALDO, 2003, p.6). Pode-se afirmar que, a madeira para fim estrutural compete diretamente com o concreto e aço, embora ainda haja algum receio na sua utilização, especialmente pelo desconhecimento de suas propriedades físicas e mecânicas. (CALIL JUNIOR et
al., 1998, p.7).
No que se referem à aplicação em estruturas, as soluções apontadas anteriormente estão diretamente interligadas, já que, comumente, os técnicos (carpinteiros), os empresários do setor madeireiros e, até mesmo os profissionais de nível superior (engenheiros civis), têm uma tendência natural no uso de um mesmo
grupo de espécies para realização das obras. Com base nessa informação, inicialmente, este projeto, através de um levantamento investigativo, visa conhecer as espécies atualmente empregadas na cidade de Sinop – MT.
Para tanto, propõem-se a elaboração de projetos de estruturas de cobertura de duas águas com telhado de concreto, com vãos de oito, 10, 12 e 14 metros e empregando quatro espécies e, com isso, espera-se identificar a melhor aplicação das mesmas. Dentre estas, serão adotadas duas espécies alternativas, de reflorestamento, na elaboração dos projetos estruturais, com o intuito de conhecê-las e, consequentemente, verificar a possibilidade de redução do consumo daqueconhecê-las rotineiramente utilizadas, trazendo benefícios econômicos e ambientais.
É público e notório que, na elaboração de projetos para cobertura, o primeiro passo a ser considerado é a escolha do tipo de telha, pois dará ao projetista informações importantes quanto a definição geométrica do telhado, como por exemplo, a inclinação do telhado, a Galga1, entre outros. Por isso, neste trabalho, a
escolha de telhas de concreto foi concebida com base em suas propriedades intrínsecas, ou seja, de resistência, de durabilidade, de estanqueidade, bem como por possuir diferentes opções de cores e modelos. Por outro lado, esta opção também corrobora com a preferência local dos clientes e profissionais, principalmente quando se trata de telhado aparente.
Ao final, este estudo comparará os resultados das metodologias usadas em campo, por profissionais da área da construção civil, com aqueles obtidos a partir dos procedimentos preconizados pela NBR – 7190:1997: Projeto de Estruturas de Madeira, da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT. Tais resultados serão apresentados conforme a relação “m³/m²”, a partir da elaboração de projetos e a partir de estudos de caso (estruturas já executadas) e/ou de informações de profissionais da área, no município de Sinop – MT.
Consequentemente, os resultados poderão apontar possíveis divergências cometidas pelos profissionais e, a partir disso, irá se propor uma solução adequada, garantindo o menor consumo, bem como a segurança para as estruturas de madeiras com telhado de concreto.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
Para o projeto de pesquisa abordado, têm-se os seguintes questionamentos: a) Os profissionais da área da construção civil de Sinop – MT, têm utilizado a
madeira nas estruturas de cobertura de forma racionalizada?
b) Existe a possibilidade de redução do consumo de madeira em estrutura de cobertura, considerando as espécies utilizadas no mercado de Sinop? c) É possível utilizar espécies alternativas (reflorestamento) em estruturas de
3 JUSTIFICATIVA
O uso indiscriminado da madeira, inclusive no município de Sinop – MT, é um reflexo do conhecimento limitado dos profissionais que militam nas atividades relativas à madeira voltada à construção civil, mais especificamente, em estruturas de cobertura. Por isso, a ausência de projetos e/ou projetos desenvolvidos de maneira indevida, por tais profissionais, é um fato que se observa na grande maioria das obras. Tal fato pode gerar duas situações comprometedoras em estruturas de cobertura, ou seja: a primeira, quando se emprega um consumo elevado de material, encarece-se o custo da obra e ainda gera um desconforto frente à visão ambiental; a segunda, quando se emprega um consumo reduzido de material, pode provocar o sub-dimensionamento dos elementos estruturais, reduzindo a qualidade da obra e, consequentemente, comprometer a segurança dos usuários.
Em contrapartida, é possível reduzir o consumo excessivo de madeira das espécies atualmente empregadas, com consequente redução na pressão sobre o desmatamento e, ainda, possibilitar a utilização de outras espécies de madeira para suprir tais necessidades, por meio de uma análise técnica bem concebida.
A partir dos fatos apresentados, propõem-se a elaboração de projetos, à luz da NBR 7190:1997 – Projetos de Estruturas de Madeira, com o uso de espécies encontradas no mercado local, bem como de espécies alternativas e de reflorestamento. Com isso, visa-se minimizar o impacto sobre as espécies atualmente empregadas e, principalmente, apresentar aos profissionais de Sinop – MT outras formas de executar estruturas de cobertura, provocando a melhoria da qualidade, no que diz respeito à redução do consumo e do custo de material, ao aumento da durabilidade da estrutura e da segurança dos usuários.
4 HIPÓTESES
Espera-se obter, para os procedimentos baseados à luz da NBR 7190:1997, um resultado com menor índice “m³/m²”, em relação aqueles obtidos em construção usuais do mercado local.
5 OBJETIVOS
5.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo geral do presente Projeto de Pesquisa é obter a relação de volume de madeira em relação à área construída (em planta), para estruturas com telhado de concreto e vãos variando de oito a 14 metros, a partir das recomendações preconizadas pela NBR 7190:1997. A partir destes valores, comparar com o consumo usualmente obtido pelos profissionais técnicos atuantes no município de Sinop – MT, bem como verificar a aplicabilidade de outras espécies em estruturas de cobertura.
5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos deste trabalho são:
Pesquisar no mercado local as espécies (dicotiledôneas e/ou coníferas) disponíveis à aplicação em estruturas de cobertura;
Obter informações a respeito da relação “m³/m²” empregada, atualmente, em estruturas de cobertura, no município de Sinop – MT.
Elaborar projetos com as seguintes características: estruturas tipo Howe; telhado de concreto; vãos (entre apoios) de oito, 10, 12 e 14 metros;
Sugerir a utilização de outras espécies (de reflorestamento) em estruturas de cobertura;
6 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
6.1 HISTÓRICO
É sabido que o uso da madeira em estruturas para moradia é contemplado por nossos antepassados desde os primeiros registros da civilização humana. Alguns historiadores afirmam que o uso da madeira para a finalidade de vigas e pilares foi empregada antes mesmo da descoberta do fogo, em várias civilizações.
Pfeil (2003, prefácio), afirma que “[...] Até o século XIX, as mais importantes obras da engenharia eram construídas com pedra ou madeira, combinando-se frequentemente os dois materiais.”.
Sintetizando a descrição de Meirelles e Pala (2007, p. 2), cada civilização utilizou a madeira da maneira que lhe era mais conveniente. No oriente, devido à susceptibilidade aos terremotos, seu uso foi e é associado ao conceito de ser uma estrutura leve, sendo assim capaz de resistir aos sismos. Na China, data-se que as primeiras técnicas construtivas em madeira foram durante a dinastia Sung, no período de 960 – 1270. A partir disso, as construções em madeira no Japão foram inspiradas nas técnicas chinesas, aperfeiçoando-as, respeitando a natureza e, ainda, deve-se citar que os japoneses eram ilustres carpinteiros.
Na Europa, principalmente na Noruega e na Finlândia, destacaram-se as casas constituídas de paredes com toras dispostas na posição horizontal, apresentando assim grande massividade, servindo como isolamento térmico. A partir da Revolução Industrial, com a introdução de novos materiais como aço e concreto, a utilização da madeira sofreu um breve declínio, mas, em contrapartida, com o surgimento da produção industrial de pregos e com as serrarias sendo acionadas por maquinas a vapor, ocorre outra mudança significativa no modo de construir com madeira no início do século XIX. Países como Estados Unidos e França a utilizam para construir suas casas há séculos. Nestes países, há registros de casas com mais de 100 anos.
O uso da madeira em várias áreas e, em ocasiões históricas, se fez presente devido às inúmeras particularidades em suas propriedades. Uma destas, sendo a capacidade de flutuar, que por esse fator se permite à construção das embarcações, tão utilizadas como meio de locomoção ao longo dos séculos e até nos dias de hoje. Tanto estes, como tantos outros fatores, indicam uma simpatia no emprego da madeira em diversos segmentos.
No Brasil, antes da chegada dos portugueses, é de conhecimento geral que os índios utilizavam a madeira para consumo próprio, como para fabricação de suas armas para caça, suas ocas e barcos, utilizando-a de forma branda e respeitando a natureza. A partir da chegada dos portugueses, sua exploração se acentuou e foi visto nesse material um potencial para fortalecer a economia de seu país, a partir da exportação, além de usa-lá para construir as primeiras cidades brasileiras.
6.2 A MADEIRA
Conforme Pfeil (2003, p. 1), as madeiras utilizadas na construção civil distinguem-se em duas principais categorias. A primeira é da classe das Angiospermas, que enquadram as dicotiledôneas também conhecidas como madeiras duras. A segunda é da classe das Gimnospermas, que englobam as Coníferas, conhecidas como madeiras macias ou moles.
Por ser um material de fácil obtenção e de grande variabilidade de espécies, a madeira possibilita sua aplicabilidade em todos os tipos de construções, desde as mais simples até as mais sofisticadas.
De acordo com Brito e Silva (2010, p. 1), uma grande vantagem da madeira sobre outros materiais estruturais é que é um material estrutural leve, pois possui sua estrutura interna fibrosa. Quimicamente, seus componentes internos têm baixo peso atômico e, desse modo, a relação resistência/massa é elevada. A durabilidade, assim como o desempenho ao fogo – apesar de ser um material inflamável – também são outras propriedades importantes, segundo o autor.
Algumas outras vantagens podem ser atribuídas à madeira. Goés (2003, p.4), afirma que a madeira é fácil de manusear, de definir suas formas e dimensões. Desde sua obtenção em forma de tora até seu desdobro é um processo relativamente simples, sem necessidade de uma tecnologia apurada, não exigindo um processamento industrial, pois o material já vem pronto para o uso, demandando apenas acabamento.
Gesualdo (2003, p. 6), afirma que comparando os valores típicos da madeira com o concreto convencional, observa-se que, de forma geral, as madeiras são mais resistentes, pois concretos convencionais estão dispostos à classe de resistência de concretos CA18, enquanto que as madeiras já começam com classes de resistências no âmbito de C20 e chegam até a classe C60.
Também justifica-se o uso da madeira devido a várias características favoráveis, como a estética, o conforto térmico e, principalmente, pelo baixo consumo de energia necessária para seu desdobramento. Para efeito de comparação, o aço gera 5320 kg/m³ de dióxido de carbono para ser produzido, o concreto gera 120 kg/m³ e a madeira apenas 16 kg/m³. Somado a isso, a madeira não só se torna vantajosa pelo baixo consumo de dióxido de carbono frente a estes outros materiais citados, como também por absorvê-lo durante a fase de crescimento da árvore. (CALIL JUNIOR; MOLINA, 2010, p.185). Segundo o mesmo autor, estas peculiaridades somadas à questão ambiental, a madeira é vista como um material com potencialidade de retirar grandes quantidades de gás carbônico da atmosfera.
Segundo Gauzin-Muller; Martins; Wisnik (2005, p. 28), a França, juntamente com suas associações de construtores, assinou em 2001 um protocolo comprometendo-se em aumentar em 25% a utilização da madeira em suas construções, até 2010. Com isso, passando a ocupar 12,5% do mercado de construção, a madeira colaboraria para reduzir até sete milhões de toneladas por ano de gás carbônico na atmosfera.
O leigo acredita que o uso da madeira causará devastação nas florestas, mas é preciso lembrar que, a madeira é um material renovável e, além disso, durante seu crescimento, a árvore consume impurezas da natureza, transformando-as em madeira. (BRITO E SILVA, 2010, p. 1).
A madeira utilizada no Brasil é para múltiplas finalidades. Na construção civil, destaca-se por sua solução aos problemas de estruturas de cobertura, de pontes, de silos e de linhas de transmissão. Na indústria moveleira, assim como na de embalagens, também utilizam a madeira e seus derivados. (CALIL JUNIOR; ROCCO; LAHR, 2003, p. 5).
De fato, a partir do exposto, percebe-se quão mal interpretada é a madeira. Daí pode concluir que existem dois fatores de extrema relevância que contribuem para não utilização da madeira no Brasil, isto é, a cultura e o desconhecimento de suas propriedades por grande parte dos profissionais brasileiros.
6.3 NORMATIZAÇÃO
Para dimensionamento de treliças, se faz necessário a consulta dos seguintes documentos normativos:
ABNT NBR 7190:1997 – “Projeto de Estruturas de Madeira”;
ABNT NBR 6120:1980 – “Cargas para o Cálculo de Estruturas de Edificações”;
ABNT NBR 6123:1988 – “Forças Devidas ao Vento em Edificações”;
ABNT NBR 8681:2003 – “Ações e Segurança nas Estruturas – Procedimentos”.
6.4 PROPRIEDADES DA MADEIRA
Vários fatores podem determinar a resistência da madeira a ser utilizada numa construção. Um conhecimento básico das propriedades físicas e mecânicas se faz necessário para um melhor dimensionamento e consequente aproveitamento do material. (GESUALDO, 2003, p. 11).
Diversos fatores influenciam as características da madeira de forma significativa, sendo que as diferentes condições de temperatura, composição e umidade do solo no local de crescimento da árvore, densidade do povoamento e tipo de manejo empregado, assim como a posição da árvore no talhão e incidência de chuvas. (GOÉS, 2006, p. 15).
Para dimensionamento de elementos estruturais de madeira, há que se tomar um especial conhecimento de quatro propriedades desse material, sendo estas: densidade, resistência, rigidez ou módulo de elasticidade e umidade. (CALIL JUNIOR et al., 1998, p.39).
6.4.1 Propriedades Físicas
Conforme Calil Junior et al., (1998, p.14), é importante conhecer as propriedades físicas da madeira, pois estas podem influenciar significativamente na performance e resistência da madeira utilizada em estruturas.
6.4.1.1 Teor de umidade
Sendo uma das propriedades mais importantes, as determinações das classes de umidade serão responsáveis para ajustar as propriedades de resistência e de rigidez da madeira em função das condições ambientais em que ela se encontra, conforme afirma a NBR 7190:1997.
Ainda para a NBR 7190:1997, o projeto de estruturas de madeira deve admitir uma dentre as quatro classes de umidade pré-estabelecidas.
A Tabela 1 traz os valores das classes de umidade:
Tabela 1 – Classes de Umidade.
Classes de umidade Umidade relativa do AmbienteUamb Umidade de equilíbrio da madeiraUeq 1 ≤ 65% 12% 2 65% <Uamb≤ 75% 15% 3 75% <Uamb≤ 85% 18% 4 Uamb>85%
durante longos períodos ≥ 25%
Fonte: NBR 7190:1997. 6.4.1.2 Densidade
Segundo a NBR 7190:1997, há que se considerarem duas definições de densidade em estruturas de madeira.
A densidade básica, que nada mais é do que a massa específica obtida pelo quociente da massa seca pelo volume saturado para fim de se comparar com valores dos registros internacionais. Já no que se refere à densidade aparente, sua determinação ocorre a uma umidade padrão de 12%, para que a partir disso, possa-se classificar a madeira e obter os cálculos estruturais necessários. (BRITO E SILVA, 2010, p. 5).
6.4.1.3 Retratibilidade
Essa propriedade ocorre na madeira quando há redução de suas dimensões pela perda de água de impregnação (depositada na parede celular). (GESUALDO, 2003, p. 12).
6.4.1.4 Inchamento
Esta é uma propriedade inversa da retratibilidade, que se identifica quando a madeira fica exposta a condições de alta umidade, assim, ao invés de perder água, a parede celular absorve e, consequentemente, há um aumento nas dimensões das peças. (BRITO e SILVA, 2010, p. 5).
6.4.1.5 Resistência ao fogo
Devido à falta de conhecimento das propriedades da madeira, esta, erroneamente, é considerada um material de baixa resistência ao fogo. Contudo, uma peça quando exposta ao fogo, é primeiramente, como um combustível para a propagação das chamas, mas alguns minutos depois, uma parte já exposta às chamas se carboniza, resultando assim em um isolante térmico para o restante da peça, auxiliando na contenção do calor e, consequentemente, evitando danos maiores à estrutura. (SZÜCS et al., 2008, p. 26).
Abaixo a Figura 1 comprova tal propriedade citada. Depois de um incêndio, os perfis metálicos perderam suas propriedades de resistência sob alta temperatura, e ficaram apoiados sobre a viga de madeira, que possui resistência mesmo depois de exposta ao fogo.
Figura 1 – Resistência ao fogo. Fonte: (RITTER, 1990)
6.4.2 Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas são divididas em propriedades de elasticidade e de resistência. As disposições dos elementos anatômicos da madeira são responsáveis por sua resistência mecânica, sendo que, para as dicotiledôneas esses elementos são denominados por fibras e, para as coníferas, os traqueídes. Estes elementos são compostos por cadeias de celulose e estas, por sua vez, altamente resistentes, e, sendo assim, influenciam diretamente as propriedades de resistência e elasticidade. (CALIL JUNIOR; LAHR; DIAS, 2003, p. 37).
6.4.2.1 Elasticidade
Para Calil Junior et al., (1998, p. 20), elasticidade é a habilidade de o material voltar a seu formato inicial depois de removida a ação externa que o solicitava, sem apresentar deformação residual.
Há diversos módulos de elasticidade definidos em função do tipo e da direção da solicitação em relação às fibras. A compressão paralela às fibras admite o valor básico quando se refere ao módulo de elasticidade longitudinal. Os tipos de módulos de elasticidade são: longitudinal na compressão e tração paralela às fibras, longitudinal normal às fibras, longitudinal na flexão e o módulo de elasticidade transversal. (GESUALDO, 2003, p. 11).
6.4.2.2 Resistência
A NBR 7190:1997, afirma que resistência é a capacidade do material de suportar tensões.
No que diz respeito à compressão, há três situações que a madeira pode ser submetida, sendo estas: compressão normal, compressão paralela ou compressão inclinada em relação às fibras. Para a solicitação de compressão normal às fibras, os valores se comparado com a paralela são menores, pois na direção perpendicular às fibras as células apresentam baixa resistência, provocando seu esmagamento. (CALIL JUNIOR et al., 1998, p.21).
No estado de tração, Calil Junior; Lahr; Dias, (2003, p. 39), revelam que podem ocorrer duas diferentes solicitações em peças de madeira, ou seja, tração normal e tração paralela às fibras. Os valores destas propriedades distinguem-se consideravelmente, pois para o caso de tração perpendicular às fibras, a madeira oferece baixos índices de resistência.
A propriedade resistência ao choque é definida com sendo a capacidade de o material absorver rapidamente energia pela deformação. A madeira apresenta ótima resistência ao choque. (SZÜCS et al., 2008, p. 36).
Há ainda, outras propriedades, tais como fendilhamento e dureza. A tensão de fendilhamento não é utilizada diretamente no dimensionamento, mais auxilia como parâmetro de qualidade. Já a dureza, é medida pelo esforço necessário para penetração de uma esfera nas direções paralelas e perpendiculares às fibras. (PFEIL, 2003, p. 27).
a) Compressão Paralela às Fibras
Szücs et al., (2006, p. 33), afirma que a resistência a compressão paralela às fibras é dada quando as forças de compressão agem paralelamente ao comprimento das células. Com reação em conjunto das células da madeira, há então, neste tipo de solicitação uma grande resistência do material, apresentando cerca de quatro vezes mais resistência em relação à peça solicitada na direção perpendicular às fibras.
Abaixo a Figura 2, exemplifica o que ocorre com as fibras da madeira quando solicitada por tensões paralelas e perpendiculares, respectivamente.
Figura 2 – Comportamento da madeira na compressão. Fonte: Adaptado de Ritter, 1990.
A NBR 7190:1997, descreve que “As classes de resistência das madeiras têm por objetivo o emprego de madeiras com propriedades padronizadas, orientando a escolha do material para elaboração de projetos estruturais.”.
Abaixo, a Tabela 2 apresenta os valores de resistência para Coníferas e os valores de suas propriedades em relação à direção das fibras da madeira, assim como para a Tabela 3, que trata das Dicotiledôneas.
Tabela 2 – Classes de Resistência das Coníferas.
CONÍFERAS (VALORES NA CONDIÇÃO-PADRÃO DE REFERÊNCIA U = 12%)
CLASSE fcok (MPa) Fvk (MPa) Eco,m (MPa)
𝜌
bas,m (kg/m³)𝜌
ap (kg/m³) C20 20 4 3.500 400 500 C25 25 5 8.500 450 550 C30 30 6 14.500 500 600 Fonte: NBR 7190:1997.Tabela 3 – Classes de Resistência das Dicotiledôneas.
DICOTILEDÔNEAS (VALORES NA CONDIÇÃO-PADRÃO DE REFERÊNCIA U = 12%)
CLASSE fcok (MPa) Fvk (MPa) Eco,m (MPa)
𝜌
bas,m (kg/m³)𝜌
ap (kg/m³) C20 20 4 9.500 500 650 C30 30 5 14.500 650 800 C40 40 6 19.500 750 950 C60 60 8 24.500 800 1.000 Fonte: NBR 7190:1997.Para que sejam devidamente calculadas, a NBR 7190:1997 admite três situações em função do índice de esbeltez (λ):
Peças curtas (λ≤ 40):há dispensa de se avaliar eventuais efeitos de flexão, pois em peças com índice de esbeltez inferior a 40, são admitidas apenas solicitações à compressão simples.
Peças medianamente esbeltas (40≤ λ≤80): peças de madeira comprimidas admitidas neste intervalo do índice de esbeltez são consideradas solicitadas à flexo-compressão, com esforços de cálculo de força normal e momento fletor.
Peças esbeltas (80≤ λ≤140): intervalo que compreende peças de madeira submetidas à flexo-compressão admitindo esforços de cálculo, como força normal e momento fletor, admitindo-se alguma excentricidade.
b) Tração Paralela às Fibras
Neste tipo de solicitação, há um alongamento das células ao longo do eixo longitudinal, enquanto que a tração normal tende a separar as células da madeira, perpendicular aos seus eixos, (SZÜCS et al., 2008, p. 34).
Os valores de deformação são baixos e os de resistência são elevados para ambos os casos da tração paralela, que podem ocorrer por deslizamento entre as fibras ou por ruptura de suas paredes. (CALIL; LAHR; DIAS, 2003, p. 40).
A seguir, a Figura 3 exemplifica o comportamento da madeira na tração, paralela e perpendicular às fibras, respectivamente.
Figura 3 – Comportamento da madeira na tração Fonte: (RITTER, 1990)
c) Cisalhamento
Há três tipos de cisalhamento que podem ocorrer na madeira. A primeira seria quando a ação atua no sentido perpendicular às fibras, contudo, essa solicitação não é critica, pois, antes de ocorrer a ruína da estrutura por conta deste tipo de caso, a peça já dá sinais de esmagamento por compressão normal. As outras formas de cisalhamento incidem quando a força é aplicada longitudinalmente às fibras (cisalhamento horizontal) e quando aplicada no sentido perpendicular às linhas dos anéis de crescimento (cisalhamento rolling2 - situação (c)). A situação mais crítica
ocorre quando há cisalhamento horizontal, pois a peça rompe por escorregamento entre as células da madeira. (SZÜCS et al., 2008, p.35).
A resistência da madeira ao cisalhamento é muito maior na direção normal às fibras do que na direção paralela. Portanto, na elaboração de projetos, necessita-se calcular somente esta última. (PFEIL, 2003, p. 31).
(1) (2) (3)
Figura 4 – Cisalhamento na madeira Fonte: (RITTER, 1990)
Situação (1): deformação das células perpendicular ao eixo longitudinal; Situação (2): tendência das células da madeira separarem e escorregarem longitudinalmente;
2 O cisalhamento rolling é um tipo de cisalhamento que ocorre na madeira quando aplicada uma tensão cuja direção é perpendicular à direção das fibras. (CALIL JUNIOR et al., 1998, p. 23)
Situação (3): tendência das células da madeira rolarem umas sobre as outras, transversamente ao eixo longitudinal.
d) Flexão Simples
Quando há este tipo de solicitação, a peça de madeira fica sujeita a quatro tipos de esforços: compressão paralela às fibras, tração paralela às fibras, cisalhamento horizontal e, na região dos apoios, compressão normal às fibras. (SZÜCS et al., 2008, p. 35).
Há quatro tipos de flexão simples, sendo elas:
Flexão simples reta: a ocorrência desta ação é bastante frequente em estruturas de madeira, sendo vistas nas fôrmas e cimbramentos, em alguns tipos de cobertura e entre outros;
Flexão simples oblíqua: são caracterizadas quando o plano de ação do momento fletor não contém um de seus eixos centrais de inércia, com isso, é bastante frequente em estruturas de cobertura, como por exemplo, em terças e ripas;
Flexo-tração são caracterizadas quando o plano de ação do momento fletor não contém um de seus eixos centrais de inércia e atua simultaneamente com esforço normal de tração;
Flexo-compressão: são caracterizadas quando o plano de ação do momento fletor não contém um de seus eixos centrais de inércia e atua simultaneamente com esforço normal de compressão.
Quando sujeita à flexão, as fibras da madeira são solicitadas à tração ou compressão axial e ainda ao cisalhamento. (PFEIL, 2003, P. 32).
6.4.3 Outras Propriedades do Material
6.4.3.1 Propriedades organolépticas
Segundo publicação do professor João Carlos Moreschi, do Departamento de Engenharia e Tecnologia Florestal da UFPR – Universidade Federal do Paraná, as propriedades organolépticas estão ligadas ao valor decorativo e ornamental da obra. Estas propriedades são:
Cor: é a tonalidade que cada tipo de madeira apresenta, podendo ser branca, rosada, acastanhada, avermelhada entre outras.
Cheiro: difícil de ser definida, pois com o tempo essa característica tende a se abrandar, o odor pode ser agradável ou desagradável, fator que limita as espécies com cheiro ruim quanto à sua utilização, e que valoriza as que possuem um cheiro melhor. A madeira também pode ser inodora.
Gosto ou sabor: esta propriedade pouco contribui para distinguir espécies umas das outras, pois isso pode ocasionar reações alérgicas, ou de intoxicação, mas quando se refere à utilização que estão ligados à alimentos, como palitos de dente e de picolés, há que se fazer este teste.
Textura: as dimensões, distribuição e porcentagem dos vários elementos estruturais constituintes do lenho, caracterizam o efeito da textura produzido na madeira. Assim a madeira pode ser lisa, macia, rugosa, ondulada ou áspera.
6.4.3.2 Resistência Natural
Resumindo, Szücset al., (2008, p. 28) afirma que a durabilidade da madeira com relação à ataques biológicos depende da espécie. A baixa resistência natural de algumas espécies é facilmente compensada por tratamentos preservativos (industriais e caseiros) adequados.
De fato, são visíveis as patologias decorrentes da falta de aplicação de tais técnicas, inclusive em algumas obras em Sinop – MT, conforme exemplificadas a seguir.No Parque Florestal desta cidade, há um barracão datado de mais ou menos 20 anos e, somente pela análise visual, ficou evidente a ausência (em projeto e/ou na manutenção) da aplicação de técnicas de preservação, pois observou-se o apodrecimento em algumas ligações devido aos ataques dos agentes naturais.
Figura 5 – Barracão do Parque Florestal de Sinop – MT Fonte: Acervo pessoal
Figura 6 – Banzo inferior comprometido Fonte: Acervo pessoal
Figura 7 – Ligação dos banzos comprometida Fonte: Acervo próprio
6.4.4 Comparativo Entre Outros Materiais
Abaixo, Tabela 4 constam valores de fatores comparativos entre a madeira e outros materiais usados na construção civil, comprovando assim suas inúmeras vantagens a frente de tais materiais mencionados pela comparação.
Tabela 4 – Materiais Estruturais – Dados Comparativos.
Material A B C D E F G Concreto 2,4 1.920 20 20.000 96 8 8.333 Aço 7,8 234.000 250 210.000 936 32 26.923 Madeira conífera 0,6 600 50 10.000 12 83 16.667 Madeira Dicotiledônea 0,9 630 75 15.000 8 83 16.667
Fonte: Calil Junior e Dias, (1997).
A: densidade do material, g/cm³ - no caso da madeira, valor referente à
umidade de 12%;
B: energia consumida na produção, MJ/m³ - para o concreto, a energia
provém da queima de óleo; para o aço, queima do carvão; para a madeira, energia solar;
C: resistência, MPa – para o concreto, o valor citado se refere à resistência
característica à compressão, produto usinado; para o aço, trata-se da tensão de escoamento do tipo ASTM A-36; para a madeira, são os valores médios da resistência à compressão paralela às fibras, referida à umidade de 12%, conforme a recomendação da NBR 7190:1997, da ABNT (1997);
D: módulo de elasticidade, MPa – mesma descrição da coluna C;
E: relação entre os valores da energia consumida na produção e da
resistência;
F: relação entre os valores da resistência e da densidade;
G: relação entre os valores do módulo de elasticidade e da densidade.
6.5 ESTRUTURAS DE MADEIRA
A partir de alguns fatores pertinentes, tais como, a escolha adequada da espécie e também do sistema estrutural mais apropriado, a madeira pode ser equiparada e, até mesmo, com mais vantagens em relação à outros materiais, se comparado com o concreto e o aço. (CALIL JUNIOR et al., 1998, p. 7).
6.5.1 Concepção Estrutural
6.5.1.1 Treliça plana
Pelo fato de ser a mais tradicional para uso em madeira, a treliça tipo Howe e seus componentes recebem uma designação especial, em função da sua geometria e dos esforços atuantes para cargas permanentes, ou seja, tração nas barras dos montantes e do banzo inferior e compressão nas diagonais e no banzo superior. Treliças de cobertura, também denominadas por tesouras, possuem a função de sustentar o telhamento e seu vigamento de apoio. (PFEIL, 2003, p. 16).
Meirelles; Pala, (2010, p. 35), define os elementos de uma tesoura como sendo:
Banzo superior: contorno superior da estrutura (ponto de apoio da tesoura do telhado ao cume) e atua para apoiar as terças e,
geralmente, suas barras estão submetidas aos esforços normais de compressão;
Banzo inferior: contorno inferior da estrutura (apoio a apoio) e está submetido aos esforços normais de tração;
Tirante ou Montante: peças que ligam as barras do banzo superior ao inferior, sempre posicionadas na vertical e submetidas a esforços normais de tração. O montante central também é denominado por pendural;
Diagonal ou escora: peças inclinadas que ligam as barras do banzo superior e inferior, encontrando-se usualmente em posições oblíquas. Na treliça Howe trabalham sobre esforços normais de compressão.
Figura 8 – Nomenclatura dos elementos das treliças Fonte: (MEIRELLES; PALA, 2010)
Figura 9 – Elementos utilizados nas tesouras Fonte: (MEIRELLES; PALA, 2010)
Segundo Pfeil (2003, p.16), por definição, as treliças possuem barras retas, os nós (pontos de interseção das barras) são considerados ligações ideais (articulações perfeitas – ausência de momentos fletores) e todas as ações são aplicadas nos nós. O mesmo autor afirma que as tesouras de cobertura estão sujeitas às cargas permanentes (estruturais e não-estruturais), como o peso próprio, (telhas, madeira, elementos de ligação, etc) e, ainda, por ações variáveis, principalmente, às cargas de vento. Esses pesos a que o telhado está sujeito são cargas distribuídas na superfície do mesmo e que se transmitem como forças concentradas aos nós das treliças por meio das terças.
Brito e Silva (2010, p. 9), recomenda que se deve evitar a introdução de barras redundantes na estrutura, que diversas vezes são colocadas de modo desnecessário e arbitrário e que as cargas necessariamente devem ser aplicadas diretamente nos nós da treliça, ou seja, na posição das terças, para que se possa evitar momentos fletores imprevistos.
6.5.1.2 Componentes da Cobertura
Segundo Meirelles & Pala (2010, p. 36), no que diz respeito ao madeiramento de suporte ao telhado, os componentes de uma estrutura de cobertura são:
Terças: sustentam-se sobre duas tesouras sucessivas ou pontaletes e recebem cargas dos caibros (telhado cerâmico, de concreto, etc) ou diretamente das telhas (telhado de aço, de fibro-cimento, etc). O vão
livre entre as tesouras depende das dimensões da seção transversal, do esquema estática, do tipo de madeira e da telha empregada. Comercialmente são encontradas nas seguintes dimensões: 6x12 cm e 6x16 cm;
Caibros: apoiados, em direção perpendicular, sobre às terças, portanto, paralelos às tesouras e servem de apoio às ripas. São inclinados e seu declive define o caimento do telhado. Sua bitola varia com o espaçamento das terças, com o esquema estático, com o tipo de madeira e da telha. Comercialmente são encontradas nas seguintes dimensões: 5x6 cm e 6x8 cm;
Ripas: sendo a última parte da trama, suportam diretamente o telhado (telhado cerâmico, de concreto, etc), sendo empregadas perpendiculares aos caibros. Seu espaçamento depende da telha utilizada. Sua colocação necessita da medição da galga por meio de algumas telhas. Encontradas com seções de 1,2x5,0cm ou 1,5x5,0cm.
Figura 10 – Componentes da cobertura de madeira Fonte: (MEIRELLES; PALA, 2010)
6.5.1.3 Ligações
Para Gesualdo (2003, p. 35), no dimensionamento de estruturas de madeira, as ligações possuem bastante relevância, pois toda a estrutura apresenta componentes que necessitam ser interligadas.
A norma brasileira relata que podem ser usados três tipos de ligações para peças estruturais de madeiras, sendo elas: pinos metálicos, cavilhas de madeira e conectores.
Para a concepção do presente Projeto de Pesquisa, os tipos de pinos metálicos utilizados para os cálculos dos projetos das estruturas de cobertura se dará pelo emprego de parafusos nas ligações.
Figura 11 – Modelo de parafuso liso, com cabeça e porca Fonte: Adapatado de Hilgenberg Neto, 2014.
Para o dimensionamento da ligação é preciso consideraras propriedades tanto para o pino quanto para a madeira utilizada. Para a madeira deve-se considerar a resistência ao embutimento (fwed) das peças interligadas e, também a
espessura da peça. Para o pino deve-se verificar o escoamento do aço empregado e seu diâmetro. (CALIL JUNIOR et al., 1998, p. 74)
A resistência característica de escoamento mínima do aço utilizado na fabricação de parafusos deve ser de 240 MPa, com diâmetro mínimo de 10 mm, segundo a norma brasileira. (GESUALDO, 2003, p. 37)
6.5.1.4 Telha
A NBR 13858-2:2007 define as telhas de concreto como sendo “[...] componentes para cobertura com forma retangular e perfil geralmente ondulado, composto de cimento, agregado, água, aditivos ou adição, fornecido na cor natural ou colorido pela adição de pigmento à massa ou pela aplicação de uma cada superficial.”
Figura 12 – Nomenclatura da disposição das telhas Fonte: Adaptado de Tegula, 2014.
A escolha deste tipo de telha se deu devido à preferência em se uso, tanto de clientes quanto de profissionais, quando se trata de telhado aparente em Sinop – MT e, principalmente, por suas inúmeras vantagens com relação a outros tipos de telha.
Além da diversidade de cores e modelos, segundo a Associação Nacional De Fabricantes de Telhas Certificadas de Concreto – ANFATECCO há uma menor quantidade de telhas por metro quadrado, pois apresentam um peso parecido ou até menor que o das telhas cerâmicas, não necessitando assim de reforço algum na estrutura do telhado. A ANFATECCO também cita outras vantagens características desse material, como:
Resistência superior: devido a tecnologia em sua produção e os materiais utilizados, possuem maior resistência do que telhas cerâmicas. Enquanto a telha de concreto suporta no mínimo 2,40 kN – dependendo do modelo – as telhas cerâmicas suportam 1,30 kN, nas mesmas condições;
Baixa absorção de água: a Norma Brasileira especifica que a absorção máxima de água em telha de concreto deve ser de 10%, enquanto que a Norma Brasileira da telha cerâmica especifica uma absorção de até 18%. Este fato torna a estrutura mais sobrecarregada;
Menos permeabilidade: a elevada compacidade na mistura, a aplicação de aditivos hidrofugantes e a existência de pingadeira e câmaras anti-retorno, torna a infiltração de baixa incidência;
Desempenho térmico: a coloração mais clara que as de telhas cerâmicas reduzem a absorção de energia solar, podendo atingir até 5°C a menos que a telha cerâmica.
6.5.2 Ações e Carregamento
Resumindo a afirmação de Szücs et al., (2008, p. 49), quando se dimensiona uma estrutura é preciso ter em mente que a mesma estará sujeita à ações de forças externas, como vento, por exemplo. Na elaboração projetos, deve-se pensar na pior situação que a estrutura está sujeita, por isso, as ações devem ser combinadas com a aplicação de coeficientes sobre cada uma delas, considerando a possibilidade de incidirem simultaneamente.
Segundo (FOSCHI, 2000) apud Pfeil (2003, p. 36), “A perda de resistência com o tempo de duração da carga pode ser encarada como um fenômeno de acumulação de danos, tal como na fadiga dos materiais sob cargas cíclicas, só que para ação de cargas permanentes.”
6.5.2.1 Ações
A NBR 6120:1980 – “Cargas para o Cálculo de Estruturas e Edificações”, da ABNT, afirma que são dispostos dois efeitos de carga, um sendo definido como carga permanente e o outro como carga acidental. A carga permanente se constitui pelo peso próprio da estrutura e pelo peso de todos os elementos construtivos fixos e instalações permanentes. A carga acidental é toda aquela que pode atuar sobre a estrutura de edificações em função do seu uso, como por exemplo, vento, móveis, veículos, pessoas, etc.
A NBR 8681:2003 preconiza:
Ações permanentes: Subdivididas em diretas e indiretas, sendo que as diretas são os pesos próprios da construção, incluindo o peso próprio da estrutura e de todos os elementos construtivos permanentes, enquanto que as indiretas são os recalques de apoio, a protensão e a retração dos materiais;
Ações variáveis: são cargas acidentais transmitidas à estrutura, como forças de frenação, de impacto, efeitos do vento, variações de temperatura. São subdivididas em normais ou especiais. Possibilidade de ocorrência em toda a vida da estrutura;
Ações excepcionais: são cargas decorrentes por explosões, choques de veículos ou sismos.
Para uma abordagem específica de alguns itens, os tópicos Vento, Peso Próprio da Estrutura e Contraventamento, serão apresentados como segue.
a) Vento
A NBR 6123:1988, preconiza os efeitos da ação estática e dinâmica do vento em edificações e, além disso, afirma que tais forças, agindo sobre uma estrutura, devem ser calculadas separadamente para:
A estrutura como um todo;
Partes da estrutura (telhados, paredes, etc);
Elementos de vedação e suas fixações (telhas, vidros, esquadrias, painéis de vedação, etc.).
b) Peso Próprio da Estrutura
Para o carregamento permanente, a NBR 7190:1997 afirma que o peso próprio do madeiramento é calculado entre o volume de madeira e seu peso específico, com acréscimo de 3% para efeito de considerar os elementos e dispositivos das ligações (pregos, parafusos, chapas, chapuzes, etc) presentes na estrutura. No que diz respeito à telha (peso próprio não-estrutural), este é adquirido por meio de informações do fabricante, inclusive considerar a ação variável oriunda do peso da água absorvido.
Feito isso, a NBR 7190:1997 admite uma variação até 10% do peso total inicialmente calculado.
c) Contraventamento
A inclusão de contraventamento entre as vigas propicia uma melhor distribuição de carga entre as vigas, reduzindo possíveis problemas de vibrações na estrutura. Em conjunto com as treliças, os contraventamentos desenvolvem um sistema estrutural tridimensional, sendo assim capaz de resistir às ações do vento vindas de quaisquer direções e, ainda, servem para apoiar lateralmente os elementos comprimidos das treliças, diminuindo com isso seus comprimentos de flambagem fora dos planos verticais das treliças. (PFEIL, 2003, p. 16).
Figura 13 – Contraventamento no plano longitudinal da estrutura Fonte: (MEIRELLES; PALA, 2010)
6.5.2.2 Carregamento
Carregamento é especificado como sendo o conjunto de ações com probabilidade não desprezível de ocorrência simultânea. (GOÉS, 2006, p.38)
A NBR 8681:2003 – Ações e segurança nas estruturas, da ABNT, afirma que durante o período de vida da construção podem ocorrer quatro tipos de carregamentos diferentes, sendo estes:
Carregamento Normal: carregamento previsto em construção, admitindo que sua duração atue durante toda a vida da construção e sempre deve ser considerados na verificação de segurança, tanto para estados limites últimos quanto para estados limites de utilização;
Carregamento Especial: decorrente de ações variáveis da natureza, cujos efeitos superam em intensidade os efeitos produzidos pelas ações do carregamento normal. São transitórios e com duração muito pequena quando se compara com o período de vida da estrutura. Geralmente considerados em projeto apenas na verificação de segurança em relação aos estados limites últimos, e não se observando os estados limites de utilização, salvo exceção em casos particulares.
Carregamento Excepcional: decorre de ações excepcionais causadoras de efeitos catastróficos, considerados apenas em projetos de determinados tipos estruturas, para os quais a ocorrência dessas ações não pode ser desprezada. É transitório e com duração
extremamente curta, considerando apenas a verificação da segurança em relação aos estados limites últimos, através de uma única combinação última excepcional de ações.
Carregamento de Construção: considerado apenas em estruturas já em fase de construção em que haja risco de ocorrência de estados limites. É transitório com duração definida para cada caso particular, tendo que se considerarem tantas combinações de ações quantas sejam necessárias para verificar as condições de segurança em relação a todos os estados limites que são temidos durante a fase da construção.
Para se evitar surpresas indesejáveis na estrutura, algumas medidas fundamentais referentes ao projeto devem ser levadas em consideração.
Calil Junior et al., (1998, p.32), afirma que “As classes de carregamento de qualquer combinação de ações é definida pela duração acumulada prevista para a ação variável tomada como principal na combinação.[...]”.
A seguir, a Tabela 5, segundo a NBR 7190:1997, para os tipos de classes de carregamento em estruturas de madeira.
Tabela 5 – Classes de Carregamento.
Classe de carregamento
Ação variável principal da combinação
Duração acumulada
Ordem de grandeza da duração acumulada da ação característica
Permanente Permanente Vida útil da construção
Longa duração Longa duração Mais de 6 meses
Média duração Média duração 1 semana a 6 meses
Curta duração Curta duração Menos de 1 semana
Duração instantânea Duração instantânea Muito curta Fonte: NBR 7190:1997.
6.5.3 Dimensionamento
Calil; Molina, (2010, p. 38), descreve abaixo o procedimento para o dimensionamento apropriado de uma treliça:
“De maneira geral, o procedimento inicial a ser efetuado no dimensionamento de uma treliça de madeira é a determinação de sua geometria. O passo seguinte consiste em se determinar a distância "entre treliças", na direção do comprimento da edificação, que pode ser feita através do dimensionamento da terça à flexão oblíqua, ou, ainda, a partir da imposição de uma distância “entre treliças", pré-definida, para a qual devem ser verificados os estados limites últimos e de utilização da terça. Posteriormente, a treliça deve ser carregada com as ações permanentes e variáveis, e os esforços gerados nos elementos estruturais (banzos, diagonais e montantes); em função dessas ações, devem ser combinados de modo que o dimensionamento de cada elemento estrutural, inclusive os que compõem o sistema de contraventamento, seja feito para a condição de esforço combinado atuante em cada caso. Determina-se então o número de parafusos em cada um dos nós da treliça, faz-se o detalhamento dos elementos estruturais e ligações, a quantificação do peso final da estrutura e, finalmente, a apresentação de uma lista de material.”
6.5.3.1 Estados Limites Últimos - Estrutura
A ocorrência desses estados determina a paralisação em todo ou em parte da estrutura.
Para os chamados Coeficientes de Modificação – Kmod, segundo Calil et al., (1998, p.45), “[...] afetam os valores de cálculo de propriedades da madeira em função da classe de carregamento da estrutura, da classe de umidade e da qualidade da madeira utilizada.” Esses fatores são, respectivamente, Kmod,1, Kmod,2 e Kmod,3.
A expressão geral é determinada pela fórmula matemática a seguir:
mod,3 mod,2 mod,1 mod
.
k
.
k
.
k
k
Equação 1Os valores de Kmod,1 consideram a classe de carregamento e o tipo de madeira empregado. A seguir estão dispostos os valores na Tabela 6.
Tabela 6 – Valores de Kmod,1.
Classe de carregamento
TIPOS DE MADEIRA
Madeira serrada Madeira laminada colada
Madeira compensada Madeira recompensada Permanente 0,60 0,30 Longa duração 0,70 0,45 Média duração 0,80 0,65 Curta duração 0,90 0,90 Duração instantânea 1,10 1,10 Fonte: NBR 7190:1997.
Já o Kmod,2 analisa a classe de umidade e o tipo de material empregado. Conferir a Tabela 7 com seus respectivos valores:
Tabela 7 – Valores de Kmod,2.
Classe de carregamento
TIPOS DE MADEIRA
Madeira serrada Madeira laminada colada
Madeira compensada
Madeira recompensada
(1) e (2) 1,0 1,0
(3) e (4) 0,8 0,9
Fonte: NBR 7190:1997.
Os valores de Kmod,3, analisam a categoria da madeira empregada. Para madeiras consideradas de primeira categoria, também conhecida como aquela que passou por classificação visual para garantir que não possui defeitos e submetida à classificação mecânica o valor de seu coeficiente Kmod,3 é 1,0. Para os demais casos devem ser adotados Kmod,3 igual a 0,8. (CALIL et al., 1998, p.46).
Nos estados limites últimos, rege a norma que os valores dos coeficientes de ponderação devem ser de acordo com a solicitação:
Compressão paralela às fibras: γwc = 1,4
Tração paralela às fibras: γwt = 1,8
Cisalhamento paralelo às fibras: γwv = 1,8
No que se refere aos estados limites de utilização, é utilizado o valor fixo de γw = 1,0.
Assim, relacionando-se os coeficientes de modificação com os de ponderação, a NBR 7190:1997 afirma que os valores de cálculo de resistência são dados pela seguinte expressão:
w wk mod wd
k
.
f
f
Equação 2O coeficiente de modificação (Kmod) é adotado em função da classe de carregamento e da classe de umidade da madeira, e o coeficiente de ponderação (γw) tem seus valores já expressados acima de acordo com o tipo de solicitação à que a peça esta sendo submetida e a resistência de cálculo característica (fwk) depende do tipo de força, se é tração ou compressão.
A NBR 7190:1997 afirma nos itens 7.3.1 e 7.3.2 que para tração e compressão, respectivamente, as solicitações devem atender ao requisito de serem menores e/ou iguais à tensão aplicada, e que, para fibras com inclinações menores que 𝛼 = 6°, pode-se ignorar a sua influência nos cálculos, mas que para ângulos maiores que este, há que se adotar a fórmula de Hankinson3.
Já para terças, ripas e caibros submetidas à flexão simples, conforme o item 7.3.3, as peças fletidas devem considerar o menor vão teórico entre: a distância entre eixos dos apoios, ou o vão livre acrescentado da altura da seção transversal da peça no centro do vão não se permitindo valores maiores que 10 cm. Para o caso de flexão simples oblíqua, o item 7.3.4 afirma que o momento fletor não contém um de seus eixos centrais de inércia para casos de planos de ações, e as condições de segurança são rigorosamente atendidas pela expressão abaixo:
3 A fórmula de Hankinson é uma equação matemática que permite o cálculo de resistência de peças de madeira com inclinações maiores que 6° no que diz respeito à disposição de suas fibras.
1
f
k
wd d My, M d Mx,
Equação 31
f
f
.
k
wd d My, wd d Mx, M
Equação 4Onde, σMx,d e σMy,d: tensões máximas devidas às componentes de flexão atuantes segundo as direções principais;
fwd: resistência de cálculo de tração ou compressão;
kM: coeficiente de correção, adotando-se 0,5 para seção retangular e 1,0 para outras seções transversais.
Para cisalhamento atuando no sentido longitudinal das vigas de madeira, a tensão máxima de cisalhamento deve ser menor que a resistência de cálculo (fvo,d=0,12fco,d) para coníferas e (fvo,d= 0,10fco,d) para dicotiledôneas, na falta de determinação experimental, conforme trata o item 7.4.1.
O cálculo de tensões de cisalhamento poderá ser feito com uma força cortante reduzida, em vigas que estão submetidas às cargas concentradas, e que produzem tensões de compressão nos planos longitudinais.
De forma a garantir a estabilidade global de uma estrutura, localizados em planos paralelos entre si, o item 7.6 da NBR 7190:1997 diz que é necessário ser dimensionado e acrescido a estrutura elementos de contraventamento, com localização à planos ortogonais as estruturas paralelas e, que, para o dimensionamento dos referidos contraventamentos, alguns fatores devem ser levados em consideração, como: as imperfeições geométricas das peças, as excentricidades dos carregamentos e outros efeitos de segunda ordem.
Em peças compostas, de seção retangular, com ligação por meio de conectores metálicos, quando solicitadas à flexão simples ou compostas, podem ser dimensionadas à flexão, em estado limite último, sendo avaliadas como peças maciças, por meio da redução do momento de inércia da seção composta. Para isso os conectores metálicos devem ser dimensionados para resistirem ao cisalhamento que haveria nos planos de contato, conforme descreve o item 7.7.5.
O item 7.8 relata que para a garantia da estabilidade de peças compostas solidarizadas continuamente, deve ser feita sua verificação de segurança como se elas fossem maciças, salvo algumas restrições e, para peças solidarizadas
descontinuamente, tanto por espaçadores quanto por chapas laterais de fixação, devem ter sua segurança verificada em relação ao estado limite último de instabilidade global, e para peças compostas por dois ou mais espaçadores ou chapas, o afastamento desses elementos deve estar igualmente distribuído ao longo da viga.
6.5.3.2 Estados Limites Últimos - Ligações
Para o dimensionamento das ligações em peças de madeira, o item 8.0 da NBR 7190:1997 afirma que não se deve levar em conta o atrito entre as superfícies de contato e nem de esforços transformados por estribos, respeitando o espaçamento determinado para que possa evitar o fendilhamento da madeira. Para o critério de dimensionamento, o valor de cálculo de resistência dos elementos da ligação deve ser maiores que os valores de cálculo das solicitações atuantes. De forma a garantir a segurança e, nunca será utilizado um único pino para fazer a ligação entre as peças. Também analisa-se que ligações com dois ou três pinos são consideradas deformáveis, empregadas exclusivamente em estruturas isostáticas. Para ligações com quatro ou mais parafusos, são consideradas estruturas rígidas ou deformáveis, dependendo do diâmetro de pré-furação do parafuso. Os parafusos não devem possuir diâmetros menores que 10 mm e resistência característica de no mínimo 240 MPa.
A partir dessas considerações, o item 8.3.4 relata que a resistência de um pino depende da resistência de embutimento das peças interligadas, da resistência de escoamento do pino, do diâmetro do pino e da menor espessura convencional de penetração do pino em cada uma das peças interligadas.
6.5.3.3 Verificações dos Estados Limites de Utilização
Para verificação da segurança da estrutura de madeira, conforme disposto no item 9.1.1 e 9.1.2 da NBR 7190:1997, necessita-se considerar os seguintes estados limites de utilização:
Deformações excessivas que afetam a utilização ou a estética da estrutura;
Danos em materiais não estruturais da construção decorrentes de deformações da mesma;
A verificação consiste em analisar se os estados limites de utilização são menores que o valore limite fixado para o efeito estrutural, devendo ser levados em consideração os coeficientes de combinação φ1e φ2, cujos valores estão estabelecidos na tabela abaixo:
Tabela 8 – Fatores de combinação e de utilização.
Ações em estruturas correntes φ0 φ1 φ2
Variações uniformes de temperatura em relação à média anual local 0,6 0,5 0,3
Pressão dinâmica do vento 0,5 0,2 0
FONTE: Adaptada da NBR 7190:1997.
Estando o projeto definido de forma clara e objetiva, ainda há que se fazerem tratamentos preventivos para evitar a deterioração da peça, assim como garantir a facilidade de escoamento das águas e arejamento da estrutura.
No que diz respeito à classificação das peças e de suas resistências, entre outros fatores, há que se seguir as considerações do item 10.6 da NBR 7190:1997.
7 METODOLOGIA
Para o desenvolvimento do Projeto de Pesquisa em questão, este item será subdividido em duas partes. Na primeira, serão abordados os Materiais necessários para apoio à pesquisa, enquanto a segunda parte, denominada por Métodos, será destinada às etapas e às descrições dos procedimentos técnicos empregados para a execução propriamente dita da pesquisa.
7.1 MATERIAIS
Os materiais empregados para desenvolvimento da pesquisa são: a) Espécies de madeira empregada nos projetos:
As espécies serão empregadas de acordo com suas classes de resistência:
-C30 Dicotiledônea natural: escolha a partir da pesquisa de mercado; -C40 Dicotiledônea reflorestada: Eucalyptus spp;
- C25 Conífera reflorestada: Pinus spp. b) Meios de ligação: parafusos.
c) Tipo de Telhas: telha de Concreto.
7.2 MÉTODOS
Para o desenvolvimento dos métodos da pesquisa, este item será dividido nas seguintes etapas:
7.2.1 Pesquisa de Mercado
Uma pesquisa de mercado será realizada em Sinop – MT, com a finalidade de verificar as espécies de madeira mais empregadas na construção de estruturas de cobertura de duas águas, com telhado de concreto.
7.2.2 Espécies de madeira
Definir, de acordo com o resultado do item anterior, duas espécies de dicotiledôneas naturais comumente empregadas na construção de estruturas de cobertura de duas águas. Também serão empregadas espécies de dicotiledônea (reflorestamento – Eucaliptus spp) e de coníferas (reflorestamento – Pinus spp) como insumo principal do estudo.