UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
IGOR ANDRE ALBINO KOAKOSKI
ESTUDO EXPERIMENTAL DE AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO
TÉRMICO DE EDIFICAÇÃO NO SISTEMA WOOD-FRAME FRENTE
A EQUIVALENTE EM ALVENARIA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
TOLEDO 2017
IGOR ANDRE ALBINO KOAKOSKI
ESTUDO EXPERIMENTAL DE AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO
TÉRMICO DE EDIFICAÇÃO NO SISTEMA WOOD-FRAME FRENTE
A EQUIVALENTE EM ALVENARIA
Trabalho de conclusão de curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2 do curso de Engenharia Civil da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Toledo, como requisito parcial para a obtenção do título de bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr. Fúlvio Natercio Feiber
TOLEDO 2017
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Toledo
Coordenação do Curso de Engenharia Civil
TERMO DE APROVAÇÃO
Título do Trabalho de Conclusão de Curso de Nº 092
Estudo experimental de avaliação do desempenho térmico de
edificação no sistema Wood-Frame frente a equivalente em
alvenaria
por
Igor Andre Albino Koakoski
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado às 14:40 h do dia 06 de Novembro de 2017 como requisito parcial para a obtenção do título Bacharel em Engenharia Civil. Após deliberação da Banca Examinadora, composta pelos professores abaixo assinados, o trabalho foi considerado APROVADO.
Profª Dra Silmara Dias Feiber Prof Me. Christian Valcir Kniphoff de Oliveira (UTFPR – TD) (FAG)
Prof Dr. Fúlvio Natercio Feiber (UTFPR – TD)
Orientador
Visto da Coordenação Prof Dr. Fúlvio Natercio Feiber
Coordenador da COECI
AGRADECIMENTOS
Este trabalho advém da obstinação de pessoas cuja virtude lhe prestou contribuições presentes em cada uma de suas etapas, não lhe concedendo méritos que não possuísse, nem em termos práticos, nem teóricos, mas ofertando amparo e sustento para sua evolução sob a égide da busca pela verdade dos fatos. É apenas justo, portanto, reconhecer a nobreza que lhes é devida.
Agradeço ao meu orientador, professor Dr. Fúlvio Natercio Feiber, sempre solícito, generoso e muito compreensivo com o ritmo de realização deste trabalho, em boa parte feito à distância.
Ao professor Dr. Gustavo Savaris o qual me deu suporte em seu início e, especialmente, à professora Dra. Silmara Dias Feiber que muito gentilmente apontou as direções que me permitiram chegar aqui.
Agradeço ao Adriel Rampassi Machado que trilhou esse mesmo caminho e lançou todas as bases necessárias à realização deste trabalho.
Agradeço grandemente aos servidores dos laboratórios de engenharia civil do câmpus Toledo da UTFPR, Marcos e Wilson, cujo auxílio esteve presente durante toda a fase experimental. Sem a sua contribuição este trabalho não teria sido possível.
Agradeço às minhas colegas Maria Isabel Iijima e Mirian Nogueira dos Santos que no auxílio que concederam foram um exemplo de altruísmo e de dedicação.
Por fim, agradeço com muito carinho à minha mãe, irmã e avós cujo suporte é um bálsamo para a alma nas dificuldades que nossa posição diante do mundo nos traz. Nasza kultura foi o motivo de realização deste trabalho.
“In God we trust, all others must bring data.”
William Edwards Deming
“Ao longo dos séculos, existiram homens que deram os primeiros passos em novos caminhos, armados apenas com sua própria visão. Seus objetivos variavam, mas todos eles tinham algo em comum: o seu passo era o primeiro, o seu caminho era novo, a sua visão era original e a reação que receberam... o ódio. Os grandes criadores... pensadores, artistas, cientistas, inventores... – enfrentaram sozinhos os homens de seu tempo. Todas as grandes ideias originais foram atacadas. Todas as invenções revolucionárias foram denunciadas. O primeiro motor foi considerado uma bobagem. O avião, impossível. A máquina de tear, maligna. A anestesia, pecaminosa. Mas os homens de visão independente seguiram adiante. Eles lutaram, sofreram e pagaram. Mas venceram.”
A Nascente – Ayn Rand
“Em nome do que há de melhor em vocês, não sacrifiquem este mundo àqueles que são o que há de pior nele. Em nome dos valores que os mantêm vivos, não deixem que sua visão do homem seja distorcida pelo que há de feio, covarde, irracional naqueles que jamais chegaram a merecer o título de homens. Não esqueçam que o que caracteriza o homem é a postura ereta, a mente intransigente, a capacidade de percorrer estradas infinitas. Não deixem que se apague o seu fogo insubstituível, fagulha por fagulha, nos pântanos do desespero do ‘mais ou menos’, do ‘não é bem isso’, do ‘ainda não’, do ‘de jeito nenhum’. Não deixem morrer o herói que vive em suas almas, solitário e frustrado por nunca ter conseguido atingir a vida merecida. Examinem sua estrada e a natureza da sua luta. O mundo que vocês desejavam pode ser conquistado: ele existe, é real, é possível, é seu.”
RESUMO
KOAKOSKI, Igor A. A., Estudo experimental de avaliação do desempenho térmico de edificação no sistema Wood-Frame frente a equivalente em alvenaria. 2017. 120 f. Trabalho de conclusão de curso – Graduação em Engenharia Civil, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Toledo, 2017.
Como parte de uma tendência mundial de se empregar alternativas mais sustentáveis na construção civil, o sistema construtivo pré-fabricado em madeira Wood-Frame tem conquistado um espaço crescente no mercado brasileiro invocando benefícios termo acústicos, econômicos e mercadológicos frente as técnicas construtivas correntes. Em vista do seu crescimento, desenvolveu-se um estudo experimental com o intuito de avaliar se o sistema Wood-Frame apresenta um desempenho térmico superior às edificações em alvenaria nas suas concepções mais comumente empregadas no Brasil e quantificar numericamente a intensidade de tal diferença. Realizou-se a construção de um modelo reduzido de uma edificação em Wood-Frame e de uma equivalente em alvenaria para, mediante a aferição de temperaturas no seu interior e exterior, efetuar a apreciação do desempenho de ambas e ponderar os efeitos presuntivos e imediatos que o sistema pré-fabricado em madeira apresenta no tocante ao seu desempenho térmico. Observou-se que o sistema Wood-Frame reduziu as temperaturas máximas diárias no interior do modelo reduzido em uma média de 9,92 °C comparado ao ambiente externo, e 7,67 °C comparado à alvenaria. Além disso, o sistema apresentou uma amplitude térmica diária média de 3,04 °C, enquanto que a alvenaria e o ambiente externo registraram valores de 7,08 °C e 12,17 °C. Por fim, observou-se uma elevação do atraso térmico característico registrado pelo Wood-Frame frente à alvenaria para o registro de ambas as temperaturas máximas e mínimas diárias. Apesar deste estudo ter um caráter de investigação preliminar por estar associado a um recorte específico de tempo cujas leituras de temperatura foram aferidas, os resultados obtidos proporcionaram uma maior compreensão dos benefícios ambientais e econômicos associados intrínsecos às edificações no sistema Wood-Frame frente àquelas em alvenaria.
ABSTRACT
KOAKOSKI, Igor A. A., Experimental study to evaluate the thermal performance of buildings in the Wood-Frame system versus the equivalent ones in masonry. 2017. 120 f. Undergraduate thesis – Undergraduate course in Civil Engineering, Federal University of Technology - Paraná. Toledo, 2017.
As part of a worldwide trend towards the usage of more sustainable alternatives to the civil construction sector, the Wood-Frame prefabricated construction system has gained increasing ground in the Brazilian market by invoking thermoacoustic, economic and marketing benefits compared to current construction techniques. In view of its growth, an experimental study was developed in order to evaluate if the Wood-Frame system presents a superior thermal performance to the masonry buildings in its conceptions most commonly used in Brazil and to numerically quantify the intensity of such difference. The construction of a reduced model of a Wood-Frame building and a masonry equivalent was carried out to, through the measurement of temperatures inside and outside of both, assess their performance and evaluate the presumptive and immediate effects that the prefabricated system in wood presents with respect to its thermal performance. It was observed that the Wood-Frame system reduced the maximum daily temperatures inside the reduced model by an average of 9.92 °C compared to the external environment, and 7.67 °C compared to the masonry model. In addition, the system presented an average daily thermal amplitude of 3.04 °C, while the masonry and external environment registered values of 7.08 °C and 12.17 °C. Finally, it was verified an increase in the characteristic thermal lag recorded by the Wood-Frame compared to the masonry model for the recording of both maximum and minimum daily temperatures. Although this study has a preliminary investigation character for being associated to a specific time cut whose temperatures were measured, the results obtained provided a better understanding of the environmental and economic associated benefits intrinsic to the buildings in the Wood-Frame system compared to those in masonry.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Porcentagem de domicílios por material das paredes externas em 1991.
... 18
Figura 2 - Porcentagem de domicílios por material das paredes externas em 2010. ... 20
Figura 3 - Demanda de energia residencial por uso final. ... 22
Figura 4 - Classificação regional do território americano continental para a definição do R-value recomendado às edificações novas em Wood-Frame. ... 26
Figura 5 - Sistema Log House, A – Montagem de uma residência, B – Detalhe interno e C – Ambiente interno finalizado. ... 29
Figura 6 - Sistema Log House, A – Montagem de uma residência, B – Detalhe interno e C – Ambiente interno finalizado. ... 30
Figura 7 - Timber Frame e Post and Beam, A – Montagem da estrutura e B – Exemplo de edificação finalizada. ... 30
Figura 8 - Sistema Wood-Frame, A – Edificação em construção e B – Edificação finalizada no sistema com revestimento em sidings. ... 30
Figura 9 - Elementos de uma parede de Wood-Frame. ... 33
Figura 10 - Sequência usual de montagem de uma edificação em balloon. ... 34
Figura 11 - Sequência usual de montagem de uma edificação em platform. ... 35
Figura 12 - Detalhe de ligação das paredes, A – Soleira única, B – Soleira dupla. ... 36
Figura 13 - Detalhe de canto da edificação sem montantes adicionais. ... 38
Figura 14 - Detalhe de canto da edificação com montante adicional paralelo à parede ... 38
Figura 15 - Detalhe de canto da edificação com montante adicional perpendicular à parede. ... 39
Figura 16 - Fixação do OSB, A – Edificação em execução, B – Pregação com pistola pneumática. ... 40
Figura 17 - Sistema de revestimento internacionalmente utilizado. ... 42
Figura 18 - Sistema de revestimento costumeiramente empregado no Brasil nas faces externa e interna, respectivamente. ... 43
Figura 20 - Montagem da estrutura, A – Fase inicial, B – Fixação com parafusos
chumbadores. ... 45
Figura 21 - Estrutura de cobertura, A – Estrutura fixada, B – Pormenor do entalhe de apoio. ... 45
Figura 22 - Isolamento, A – Instalação completa, B – Pormenor da instalação do isolamento. ... 46
Figura 23 - Revestimento externo, A – Faces Norte e Oeste, B – Faces Sul e Oeste ... 46
Figura 24 - Modelo reduzido, A – Revestimento de placas cimentícias, B – Edificação pronta com cobertura. ... 47
Figura 25 - Estrutura de cobertura do modelo de edificação em alvenaria. ... 48
Figura 26 - Estrutura de cobertura do modelo de edificação em alvenaria, A – Face mais alta de edificação, B – Face mais baixa da edificação. ... 48
Figura 27 - Selamento das lacunas com espuma de poliuretano. ... 49
Figura 28 - Modelo reduzido de edificação em alvenaria de blocos cerâmicos. ... 49
Figura 29 - Séries de temperaturas aferidas por cada sensor no período. ... 54
Figura 30 - Distribuição das temperaturas aferidas por cada sensor no período ... 56
Figura 31 - Dispersão temporal diária das temperaturas extremas aferidas ... 57
Figura 32 - Temperaturas de referência aferidas diariamente no ambiente externo ... 63
Figura 33 - Temperaturas de referência aferidas diariamente no modelo reduzido em Wood-Frame ... 64
Figura 34 - Temperaturas de referência aferidas diariamente no modelo reduzido em alvenaria ... 64
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - R-value recomendado a cada elemento da edificação por zona climática na presença
de sistemas elétricos de aquecimento ... 27
Tabela 2 - R-value de referência por cada polegada de espessura de lã de vidro ... 27
Tabela 3 - Valores médios observados e amplitude térmica ... 60
Tabela 4 - Valores extremos observados ... 61
Tabela 5 - Distribuição temporal diária das temperaturas extremas aferidas ... 66
Tabela 6 - Atraso térmico verificado em cada modelo reduzido ... 67
Tabela 7 - Tabela ANOVA das temperaturas máximas diárias ... 68
Tabela 8 - Valor-p resultante do teste de Tukey para temperaturas máximas diárias ... 69
Tabela 9 - Tabela ANOVA das temperaturas mínimas diárias ... 70
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANOVA Analysis of Variance (Análise de Variância)
AWC American Wood Council. (Conselho Americano da Madeira) DMF Design for Manufacturing (Design para Fabricação)
EIA Energy International Agency (Agência Internacional de Energia)
HVAC Heating, Ventilating and Air Conditioning (Aquecimento, Ventilação e Ar condicionado)
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
RETV Residential Envelope Transmittance Value (Valor de transmitância térmica do isolamento das edificações residenciais)
NZBD New Zealand Building Code (Código Construtivo da Nova Zelândia) OSB Oriented Strand Board (Painel de Tiras de Madeira Orientadas)
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 11 1.1 OBJETIVOS ... 13 1.1.1 Objetivo geral ... 13 1.1.2 Objetivos específicos ... 13 1.2 JUSTIFICATIVA ... 13 2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 16 2.1 CONTEXTUALIZAÇÃO ... 17
2.2 O CONSUMO ENERGÉTICO DAS EDIFICAÇÕES ... 21
2.3 ABORDAGEM NORMATIVA DO DESEMPENHO TÉRMICO ... 25
2.4 SISTEMAS CONSTRUTIVOS EM MADEIRA ... 28
2.4.1 Sistema construtivo Wood-Frame... 31
2.4.2 Sistema estrutural ... 33
2.4.3 Sistema de isolamento ... 39
2.4.4 Sistema de revestimento ... 40
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 44
3.1 MODELO REDUZIDO DE EDIFICAÇÃO EM WOOD-FRAME ... 44
3.2 MODELO REDUZIDO DE EDIFICAÇÃO EM ALVENARIA ... 47
3.3 COLETA DOS DADOS DE TEMPERATURA ... 49
3.4 METODOLOGIA DE ANÁLISE ... 50
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 53
4.1 DADOS AFERIDOS ... 53
4.2 ANÁLISE ESTATÍSTICA ... 59
4.2.1 Temperaturas médias, extremas e amplitude térmica ... 59
4.2.2 Atraso térmico ... 66
4.2.3 Análise de variância e teste de Tukey ... 68
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 72
6 REFERÊNCIAS ... 75
1 INTRODUÇÃO
A qualidade de uma edificação como produto duradouro é observada por intermédio do seu desempenho face a alguns parâmetros inerentes à sua segurança, estabilidade, funcionalidade, estética, economicidade, e etc. A avaliação de um ou mais desses aspectos nos fornece subsídio a um diagnóstico das características favoráveis e desfavoráveis advindas, seja do sistema construtivo que a compõe, como dos processos executivos praticados na sua implantação.
Muito embora a associação do concreto como componente estrutural e da alvenaria de blocos cerâmicos como componente de vedação impere no cenário brasileiro da construção civil, o sistema construtivo industrializado em madeira Wood-Frame tem alcançado êxito ao introduzir-se no mercado devido a seus aspectos inovadores e sua maior competitividade.
Segundo Pfeil (2003), a madeira é provavelmente o material de construção mais antigo utilizado pelo homem, muito devido a sua ampla disponibilidade e a facilidade no seu manuseio. Não obstante, o seu uso como material de ágil estruturação, de qualidade e durabilidade garantidas e de interesse econômico é uma realidade relativamente recente. Segundo Thallon (2008)as edificações em Wood-Frame se originaram nos Estados Unidos a cerca de 150 anos, evoluindo rapidamente para o sistema construtivo predominante do pais.
Em países da Europa, Ásia, no Canadá bem como nos Estados Unidos, o sistema possui longa tradição e se constitui como o método predominantemente empregado em edificações de pequeno porte, para os quais as características técnicas da madeira respondem excepcionalmente às necessidades. No Brasil, muito devido à baixa qualidade das edificações construídas no passado com o material, ainda que outros aspectos sejam igualmente relevantes, a visão de que a madeira necessariamente se traduz em edificações de baixa qualidade e reduzido conforto condena o seu emprego a escoramentos e formas para construções em concreto armado e edificações simples de fins não-nobres ou temporárias.
Dentre as diversas qualidades apresentadas pelo Wood-Frame segundo a experiência internacional, e conforme exposto pelas empresas de construção civil ligadas ao sistema ressaltam-se: a maior velocidade de execução de projetos devido a industrialização dos processos construtivos, a redução da geração de resíduos proveniente da racionalização do uso de materiais, a redução de custos indiretos, a leveza dos elementos estruturais implicando em economia nas seções das peças e na sua quantidade e o superior conforto térmico e acústico das edificações. Destes, a sua maioria está intimamente ligada a processos de gestão desempenhados dentro das empresas, não se concretizando por si só, no entanto, no que diz
respeito a características técnicas como o conforto térmico é possível estabelecer um patamar de avaliação transversal que caracterize e quantifique as vantagens que o Wood-Frame como um todo apresenta frente aos sistemas tradicionalmente empregados no Brasil.
Conquistando mercado e público com o seu caráter inovador o sistema Wood-Frame já dispõe de elevado grau de refinamento em suas práticas devido ao seu uso já consagrado em países desenvolvidos. Segundo Molina e Calil Junior (2010) o modo de execução de edificações em Wood-Frame desenvolvido na Alemanha, por exemplo, realiza de modo industrializado a estruturação de painéis de paredes, pisos e coberturas, possibilitando a produção de edificações com mais de 200 m² em cerca de 60 dias e a sua montagem em apenas um único dia.
Faz-se necessário, contudo, observar que a produção técnica estrangeira não está vinculada a alguns aspectos pontuais que se fazem relevantes no mercado brasileiro. Numa realidade onde o Wood-Frame apenas desponta em um horizonte composto por edificações de concreto e alvenaria as decisões mais racionais e mais profícuas só podem ser tomadas com a análise comprometida deste sistema frente aos demais nas suas concepções mais comumente empregadas.
Considerando esses fatores, observou-se a necessidade de se determinar o quão relevante é a capacidade de estruturas em Wood-Frame de realizar uma amenização dos fluxos térmicos, conferindo assim ganhos vinculados ao uso, energia e meio ambiente, e qual o benefício prático que se pode obter quando observado que outros sistemas construtivos que são predominantemente empregados não alcançam os mesmos resultados.
Levanta-se como hipótese básica fundamentada nas particularidades dos materiais de construção empregados tanto pelo Wood-Frame quando pelo sistema composto pelo concreto como elemento estrutural, juntamente com a alvenaria de blocos cerâmicos como elemento de vedação, que o primeiro tende a apresentar um desempenho superior, o qual implica em benefícios presuntivos e imediatos que corroboram a uma utilização mais substancial do sistema nas regiões do Brasil onde este já se faz presente.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo geral
O presente estudo tem por objetivo determinar se o sistema Wood-Frame apresenta um desempenho térmico superior às construções em alvenaria nas suas concepções mais comumente empregadas no Brasil.
1.1.2 Objetivos específicos
Os objetivos específicos deste estudo são:
· Avaliar experimentalmente a capacidade de atenuação dos fluxos térmicos apresentada por cada sistema construtivo em termos do seu atraso térmico e da sua amplitude térmica.
· Quantificar numericamente a intensidade média da diferença de temperatura apresentada por edificações de cada sistema.
· Ponderar os efeitos presuntivos e imediatos que o sistema Wood-Frame apresenta no tocante a sua eficiência térmica.
1.2 JUSTIFICATIVA
Segundo estudo do McKinsey Global Institute (1998) em grandes cadeias do setor produtivo brasileiro, como a construção civil, predominam ainda métodos de produção obsoletos onde, por exemplo, um construtor em Houston, nos Estados Unidos, operando com mão de obra de trabalhadores agrícolas mexicanos com níveis de instrução similares aos brasileiros, e que muitas vezes não são fluentes em inglês, pode checar a alcançar uma produtividade quatro vezes maior que um equivalente nacional.
Observando-se as práticas empregadas na construção civil no Brasil, verifica-se a perenidade do uso de técnicas, como a alvenaria, que tem sido avaliadas por agentes internacionais como pouco produtivas e de baixo desempenho. Como aponta o McKinsey Global Institute (1998), a produtividade da indústria da construção civil no Brasil até o final da década de 1990 era de aproximadamente 32% da americana, devido a várias questões que se
somavam, advindas tanto do design produtivo nacional quanto à organização de funções e tarefas nas cadeias produtivas nacionais (MCKINSEY GLOBAL INSTITUTE, 1998).
De toda essa diferença apresentado entre a indústria da construção civil nacional e a americana, cerca de 40% deste é explicado pelo DMF – Design for manufacturing nacional, isto é, pelo design para a fabricação, pelas características da produção que envolveriam melhorias nos padrões construtivos no tocante a modularização, otimização de layouts e o emprego de materiais pré-fabricados (MCKINSEY GLOBAL INSTITUTE, 1998). Ainda, a exposição do mercado brasileiro a técnicas construtivas de maior produtividade baseadas em materiais industrializados, como por exemplo o drywall, teria um potencial bastante positivo de acréscimo da produtividade nacional.
Em paralelo a questão de a produtividade estar diretamente conectada ao nosso padrão construtivo, o desempenho de uma edificação em responder as necessidades de ocupação que à esta são apresentadas pode ser entendido como um fator tão relevante quanto os demais geralmente observados. Nesse sentido, o presente trabalho busca evidenciar que quando o desempenho de uma edificação se mostra aquém do desejado, as consequências práticas não se limitam ao dissabor dos ocupantes, mas implicam também em ônus econômicos e ambientais tomados pela necessidade de se corrigir consequências inerentes a escolhas pouco inteligentes. Pode-se citar como exemplo disto o uso de sistemas de condicionamento de ambientes para adequar a temperatura interna de edificações quando estas, por terem sido mal concebidas ou mal edificadas, não apresentam os níveis de conforto térmico necessários à sua habitabilidade.
Segundo Balaras et al (2005) o montante atual de edificações presentes nos países europeus é responsável por mais de 40% do consumo final de energia da União Europeia, dos quais, o consumo residencial representa 63%. Torna-se evidente, desse modo, que um acréscimo na eficiência energética das edificações e a escolha por sistemas construtivos que respondam a essa necessidade se constitui como um imperativo ambiental e uma meta de grande importância econômica.
Por serem produtos de custo relativamente elevado as edificações implicam ao consumidor um custo de oportunidade bastante significativo. Quando este se depara com diferentes opções construtivas é imperativo que se conheçam na sua totalidade as suas características técnicas. O presente estudo se justifica como uma iniciativa de fomentar a aplicação de um sistema construtivo industrializado cujos diferencias são fortemente anunciados, mas nem sempre alicerçados em dados obtidos de modo sistematizado, bem como da necessidade de se estabelecer um patamar de serviço de referência para as edificações do referido sistema no tocante ao seu desempenho térmico.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Segundo o Canadian Wood Council (2002), a madeira se constitui como um material de construção fácil de ser obtido e empregado, além de ser resistente, seguro e energeticamente eficiente. Incorporada aos devidos processos de controle de qualidade, tratamento contra o ataque de organismos xilófagos e proteção contra incêndio, suas vantagens se agregam e proporcionam a fabricação de bens de qualidade reconhecida.
Apesar do expressivo declínio da utilização da madeira como material de construção no Brasil, há décadas que nos países desenvolvidos com maior renda per capita e mais recentemente em países em desenvolvimento como o Chile que os sistemas construtivos baseados em madeira têm sido massivamente adotados (LIGNUM, 2013).
A edificação construída em madeira tem um menor impacto ambiental associado ao consumo energético, à emissão de gases do efeito estufa e à extração de recursos naturais do que as equivalentes em aço ou concreto (CANADIAN WOOD COUNCIL, 2002). Tais qualidades reconhecidamente relevantes são advindas da combinação de características inerentes à madeira como material orgânico e renovável e práticas executivas que reduzem a utilização de insumos e aceleram o processo construtivo.
A estruturação baseada em processos de montagem mais eficientes e versados na necessidade de se garantir resultados superiores a longo prazo, e as particularidades dos materiais empregados no sistema como um todo, desde as etapas de infraestrutura ao acabamento, tornam o Wood-Frame um sistema construtivo de desempenho globalmente distinto. O Wood-Frame confere conforto e economia no tocante a manter o usuário aquecido no inverno e com frescor no verão (CANADIAN WOOD COUNCIL, 2002).
Em estudo realizado por Krüger e Laroca (2009) com um protótipo de edificação em madeira no sistema construtivo de painéis portantes para habitação de interesse social observou-se resultados bastante substanciais no deobservou-sempenho da desta como material baobservou-se de uma edificação. Foi observado pelo monitoramento realizado pelos autores que a amplitude térmica do ambiente interno da edificação foi sensivelmente reduzida no período analisado. O protótipo apresentou 100% de conforto para 80% de aceitabilidade, indicando um excelente desempenho (KRÜGER; LAROCA, 2009). Se observado que o protótipo seguia um padrão construtivo menos elaborado, sem dispor de todos os aspectos característicos do Wood-Frame no tocante ao uso de materiais isolantes, verifica-se o potencial superior deste sobre os resultados já expressivos monitorados pelos autores.
A despeito do substancial conhecimento prático e científico internacional e da grande produtividade que a indústria florestal brasileira apresenta em seus processos, como relaciona Meirelles (2007), os benefícios do emprego da madeira como material de construção são subaproveitados no Brasil, em mesma medida que a busca por eficiência energética e qualidade de indicadores associados ao uso são pouco prestigiados. Conforme versa a Diretiva 2002/91/CE do Parlamento Europeu e do Conselho da União Europeia, relativa ao desempenho energético dos edifícios, “as boas práticas deverão, neste contexto, orientar-se para a melhor utilização possível de fatores relevantes para reforçar o desempenho energético” (COMISSÃO EUROPEIA, 2003) em esforço de aprimorar a performance das edificações e averiguar os pontos mais preeminentes de ação para se erigir construções melhores, mais econômicas e mais sustentáveis.
2.1 CONTEXTUALIZAÇÃO
As construções proporcionam aos seus ocupantes os meios de evitar que os elementos do clima afetem as suas atividades diárias (KALUA, 2016). Segundo Powell, Tilotta e Martinson (2008) idealmente uma casa deve ser confortável, segura, acessível, durável e sustentável, entre outras qualidades. Entretanto, apesar dos consideráveis avanços alcançados nas tecnologias construtivas nas últimas décadas, maiores esforços de aperfeiçoamento das práticas e dos sistemas construtivos se fazem necessários, dado que a casa perfeita ainda não chegou ao acesso do consumidor. Para Molina e Calil Junior (2010) é fato que, apesar dos progressos obtidos, ainda é utilizado no Brasil o mesmo sistema construtivo da época do descobrimento do país. Nesse sentido Souza (2013) argumenta que a alvenaria realizada no país apresenta baixa produtividade, alto nível de desperdício e custos pouco acessíveis na construção de moradias unifamiliares.
Apesar da manutenção de práticas construtivas antigas, e por vezes ultrapassadas, são inegáveis as transformações exibidas pela construção civil no Brasil durante as últimas décadas. Segundo dados apresentados pelo IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (2010) o perfil das edificações construídas no Brasil vem passando por significativas mudanças. O material de construção predominante que compunha as paredes externas dos domicílios de cada município observado no censo de 1991 é apresentado na figura 1:
Figura 1:Porcentagem de domicílios por material das paredes externas em 1991. Fonte: Adaptado de Atlas do Censo Demográfico 2010 (2010).
Embora a avaliação das paredes externas das edificações não se aprofundasse em considerações mais aprofundadas sobre os sistemas construtivos empregados, observa-se na figura 1 a expressiva presença de edificações em alvenaria ou alvenaria combinada à madeira em boa parte do pais, especialmente nas regiões mais povoadas. Por outro lado, fica também evidente a supremacia da madeira como material de revestimento das edificações em áreas da região norte, pouco populosas e economicamente menos desenvolvidas e na região sul, especialmente nos estados do Paraná e Santa Catarina, onde estava presente em mais de 71% das edificações na grande maioria dos municípios.
Segundo Meirelles (2007) devido a colonização portuguesa a alvenaria de tijolos de barro compõe uma forte tradição no Brasil. Não obstante, nas regiões Sul e sudeste, onde o Pinheiro-do-paraná era abundante, a construção em madeira foi muito utilizada em habitações. Nesse sentido Zani (2003) argumenta que as construções em madeira predominavam no estado
do Paraná desde o final do século XIX até a década de 1970, indicando uma cultura arquitetônica e construtiva perene em madeira, devido não apenas à abundância de recursos florestais como também aos ciclos econômicos e aos aspectos culturais do processo de povoamento da região.
Os imigrantes alemães construíam suas casas com enxaimeis, ou seja, estruturas de madeira com peças diagonais de travamento cujos intervalos são preenchidos com tijolos. [...] As casas dos imigrantes italianos eram construídas em alvenaria. Os poloneses empregavam troncos de árvores sobrepostos horizontalmente, com encaixes nos cantos das paredes, seguindo o mesmo sistema de sobreposição e encaixe de troncos horizontais da região da Polônia. (ZANI, 2003, p. 17)
Muito embora os dados agregados apresentados pelo censo de 1991 (IBGE, 2010), bem como as considerações de Meirelles (2007) e Zani (2003) indiquem que as edificações que tem na madeira o seu elemento construtivo base dispunham de uma grande fatia do montante de edificações existentes no país, Meirelles (2007) argumenta que devido à grande extensão territorial e as suas reservas florestais, o Brasil deveria ter na madeira um material com potencial maior de construção. De maneira oposta ao que propõe Meirelles (2007), o montante de construções domiciliares em madeira sofreu forte declínio nas últimas décadas, como mostra a figura 2.
Observa-se a expressiva redução do uso da madeira como material de construção nas edificações domiciliares brasileiras, quando comparada ao apresentado na figura 1, que à precede em dezenove anos. Nas áreas onde as edificações em madeira predominavam é possível observar a redução da participação desta frente ao montante pesquisado, e o avanço da alvenaria, que apresenta uma tendência de substituir o uso dos demais métodos construtivos.
Figura 2:Porcentagem de domicílios por material das paredes externas em 2010. Fonte: Adaptado de Atlas do Censo Demográfico 2010 (2010).
Considerando-se a substituição de diferentes métodos construtivos em favor de uma aplicação mais generalizada da alvenaria no território brasileiro, o avanço de métodos inovadores como o Wood-Frame, apesar de resgatar uma cultura construtiva em madeira já existente, somente se justifica na verificação prática de benefícios associados ao seu uso. Nesse sentido, Sabatini (1998) ressalta a necessidade de se adaptar tais sistemas às perspectivas locais:
Nos últimos vinte e cinco anos temos assistido tentativas de introdução de métodos e processos construtivos inovadores, desde sistemas pré-fabricados às divisórias leves. E temos constatado uma sucessão de fracassos. [...] Tentou-se evoluir, sem alterações significativas na forma de produzir. Novos métodos construtivos são importantes, mas nada resolvem se não estivermos preparados para tirar deles os resultados pretendidos e prometidos. (SABATINI, 1998, p. 10-11).
2.2 O CONSUMO ENERGÉTICO DAS EDIFICAÇÕES
Segundo Balaras et al (2005), durante o período de 1990 a 2000 o total de habitações europeias aumentou em 0,9% ao ano, enquanto que a demanda de energia se limitou a um aumento de 0,4%. O comportamento descoincidente dos dados se configura como um indicativo de acréscimo de eficiência associada às habitações construídas no período. Isto se deveu principalmente de melhores projetos de edificações, materiais, processos de construção e equipamentos mais eficientes, os quais foram progressivamente introduzidos, bem como da reestruturação econômica dos estados membros envolvendo um uso mais racional de energia (BALARAS et al, 2005).
Dentro do processo de evolução das práticas construtivas no continente europeu, Balaras et al (2005) versam que em média, as novas edificações realizadas na atualidade são 60% mais eficientes energeticamente do que as construídas antes da primeira crise do petróleo na década de 1970, e consomem 24% menos energia do que as erigidas na década de 1990. Dentre os vários fatores que influenciam o consumo energético de edificações, relacionam-se o uso de materiais termicamente isolantes, a mudança na distribuição etária das edificações existentes, as condições climáticas externas, entre outros.
Balaras et al (2005) ressaltam que habitações em países desenvolvidos consomem mais energia do que as que se localizam em nações em desenvolvimento. Segundo Chwieduk (2003), 57% do consumo final de energia em edificações residenciais nos países europeus se dá em sistemas de aquecimento de ambientes, 25% para o aquecimento de água e apenas 11% em sistemas elétricos.
No Brasil, por outro lado, as parcelas de distribuição do consumo energético são bastante distintas. Segundo a EPE – Empresa de Pesquisa Energética (2014), vinculada ao Ministério de Minas e Energia, uma tendência de eletrificação crescente vem sendo observada nos diferentes usos finais de energia nos lares brasileiros, em vista da estagnação do consumo dessa para uso térmico, seja cocção ou aquecimento de água, e o crescimento da demanda residencial por eletricidade. Estimativas de consumo foram compiladas, conforme apresentado na figura 3:
Figura 3:Demanda de energia residencial por uso final.
Fonte: Nota técnica DEA 10/14. Consumo de Energia no Brasil. Análises Setoriais (2014).
Observa-se que o consumo energético residencial no Brasil para o condicionamento de ambientes foi estimado em apenas 2% do total para o ano de 2010. Tal valor é expressivamente inferior aos 57% consumidos em média nos países membros da União Europeia apontados por Chwieduk (2003). Conforme relacionam Balaras et al (2005), tal valor pode inclusive chegar a 75% em nações como a Alemanha e os Países Baixos.
Segundo o Banco Mundial, em 2010 o consumo energético brasileiro foi de 1.338,59 kg equivalente de petróleo per capita, ao passo que o europeu para o mesmo ano foi de 3.412,81 kg equivalente de petróleo per capita. A expressiva diferença entre os dados deve ser vista, no entanto, dentro das devidas realidades locais. Nesse sentido, Kalua (2016) argumenta que as expectativas dos usuários de países de estruturas econômicas inferiores, quanto ao conforto térmico dos ambientes internos podem ser menores às dos usuários de países mais desenvolvidos. Ainda segundo Kalua (2016), nesses países a maioria das edificações não apresentam sistemas artificiais de climatização, de modo que os usuários enfrentam condições de desconforto térmico na maior parte do tempo. Desse modo, é prudente observar que o consumo de energia residencial final ser no inferior no Brasil não implica diretamente que as residências brasileiras sejam termicamente mais eficientes, ou que o clima local seja constantemente ameno e homogêneo por todo o território nacional, e sim que o usuário brasileiro estaria muito mais exposto a períodos contínuos de desconforto térmico.
Segundo o último censo demográfico realizado no Brasil que pesquisou a presença do aparelho de ar condicionado nos domicílios, este constava em apenas 7,4% das residências particulares (IBGE, 2000), contribuindo para um consumo energético total tão inexpressivo no tocante ao condicionamento de ambientes. Para a União Europeia, Balaras et al (2005) apresentam que em média, aparelhos de ar condicionado estão presentes em 5% das residências,
de modo que a maior parte do consumo energético para a climatização de ambientes no continente seria referente à sistemas de aquecimento. No entanto, devido as maiores diferenças bioclimáticas no continente europeu, esse dado oscila grandemente entre os estados membros. Deste valor, 50% de todas as residências europeias com aparelhos de ar condicionado estão concentradas em apenas dois países, na Itália e na Espanha.
Segundo Kalua (2016), inovações tecnológicas, como os equipamentos de climatização, têm se tornado mais acessíveis em partes do mundo devido a transformações econômicas. Os níveis de conforto desejados pelos usuários cresceram igualmente, de modo que de toda a oferta mundial de energia, 20% desta já se destina ao consumo em edificações. Kalua (2016) cristaliza, assim, a percepção de que com a evolução dos padrões de consumo a demanda por sistemas que confiram um superior conforto térmico às residências, como aparelhos de ar condicionado, tende a aumentar.
Nesse processo de transformação dos recursos mais usualmente aplicados ao ambiente construído no Brasil, questões como o uso de sistemas construtivos de superior performance termo energética se consolidam. Segundo Laustsen (2008) a eficiência energética de novas edificações interfere no consumo final do setor da construção por um tempo muito maior do que outros componentes chegam a afetar o consumo final dos setores aos quais fazem parte. Esse comportamento se deve ao fato que, tipicamente, edificações são construídas para serem usadas por muitas décadas ou mesmo por mais de um século, ao passo que em outros setores, a vida útil do capital aplicado para aperfeiçoamentos técnicos é de, no máximo, poucas décadas. Quando avaliadas as particularidades do sistema Wood-Frame, observa-se que o seu potencial de ganhos agregados no tocante a eficiência energética se aproveita dessa longa escala de tempo em que as edificações são ocupadas. Muito devido ao fato de que o modelo estrutural das edificações no sistema, além de terem na madeira o seu principal componente constituinte, a qual é um material de desempenho térmico reconhecidamente superior, este se favorece do emprego de materiais termicamente isolantes no interior de seus elementos de vedação. Segundo a Diretiva 2002/91/CE do Parlamento Europeu e do Conselho da União Europeia, o rendimento energético de um edifício, que consiste na quantidade de energia efetivamente consumida ou calculada para satisfazer as diferentes necessidades associadas à utilização normalizada deste deve, necessariamente, levar em conta o isolamento e as características técnicas da instalação (COMISSÃO EUROPEIA, 2003).
De acordo com Balaras et al (2005) a medida de conservação energética mais eficaz à dinâmica do ambiente construído em climas frios é o emprego de materiais termicamente isolantes nas paredes externas, o que garante uma diminuição do consumo energético de
aquecimento de 33 a 60%. Outros autores como Al-Houmoud (2004) no estudo do impacto do isolamento térmico na performance de edificações em climas quentes chegaram a mesma conclusão quanto a diminuição do consumo energético de resfriamento. O adequado uso de materiais isolantes nos elementos de vedação das edificações contribui na redução do consumo energético de sistemas de ar-condicionado e estende a duração dos períodos de conforto térmico quando estes são desligados (AL-HOUMOUD, 2004).
É necessário observar, no entanto, que a utilização de materiais termicamente isolantes em sistemas construtivos como o Wood-Frame, que têm estes como parte constituinte integrada, não é uma resposta final às questões referentes ao desempenho termo energético das edificações, visto que outras ações conferem benefícios que também podem contribuir ao seu desempenho. Arumugam et al (2015) apontam que o uso de barreiras à radiação térmica e de telhados e coberturas reflexivas, isto é, com um albedo elevado, contribuem para a atenuação do aquecimento dos ambientes e diminuem a necessidade do uso de materiais isolantes. Nesse sentido, Balaras et al (2005) relacionam ainda outras medidas energeticamente favoráveis à performance térmica de edificações como o emprego de dispositivos de brise-soleil, os quais garantiriam uma redução de consumo energético de resfriamento de 10 a 20%.
Conforme o disposto pela Diretiva 2002/91/CE do Parlamento Europeu e do Conselho da União Europeia, (COMISSÃO EUROPEIA, 2003), nos anos seguintes os estados membros da União Europeia deveriam estabelecer parâmetros legais e administrativos mínimos de desempenho energético para as edificações novas, e para as existentes que passassem por processos de reforma, bem como realizar certificações de performance com o objetivo de facilitar um acesso equitativo ao aumento do desempenho energético das edificações.
Nas ações apresentadas, consolida-se a necessidade de se reavaliar os métodos e processos construtivos empregados e se desenvolver alternativas mais eficientes ao consumo energético do ambiente construído, entre as quais está presente o Wood-Frame.
2.3 ABORDAGEM NORMATIVA DO DESEMPENHO TÉRMICO
Segundo a Laustsen (2008), o estabelecimento de requisitos que versam a respeito da eficiência energética de edificações nos códigos construtivos de cada país garante que tais preocupações sejam tomadas já na fase projetual, onde reside um grande potencial para a economia de energia.
Para Kalua (2016), nos países desenvolvidos, onde as regulamentações são de modo geral muito mais avançadas em seus dispositivos, os códigos construtivos buscam regulamentar aspectos das edificações, como o emprego de materiais isolantes na composição de seus elementos de vedação e no uso de sistemas de HVAC – heating, ventilating and air conditioning, projetados para o alcance de níveis desejados de conforto térmico de modo energeticamente eficiente. Ainda, segundo Kalua (2016) os códigos construtivos menos avançados que se fazem presentes em países em desenvolvimento abordam de maneira bastante diligente a segurança e a integridade estrutural das edificações, no entanto, as demais considerações que excedem essas necessidades são geralmente vistas como supérfluas, não recebendo a sua devida importância frente a questões concorrentes.
Em um padrão internacional, segundo Kalua (2016), os códigos construtivos versam sobre o isolamento térmico de edificações baseados na resistência à transmissão de calor dos materiais por unidade de área da edificação, mais conhecida como R-value, ou na transmitância térmica por mesma unidade de área, mais conhecida como U-value. Segundo Al-Sanea (2015) o R-value se constitui como uma métrica empregada para caracterizar a efetividade do isolamento de uma edificação no tocante a redução da transmissão de calor. Desse modo, sistemas que apresentam um elevado R-value, isto é, uma elevada resistência térmica, impedem o calor de escapar do interior de edificações em climas frios, e de adentrá-la em climas quentes. Segundo Al-Sanea (2015) o projeto versado na utilização de um R-value ótimo em uma edificação é uma questão de primeira importância. Através da adoção de uma espessura ideal dos elementos de isolamento obtém-se custos de implantação do sistema construtivo e de consumo de energia mínimos, enquanto se mantém o conforto térmico ideal.
Na Nova Zelândia o desempenho térmico das edificações residenciais e comerciais é uma questão contemplada no NZBD – New Zealand Building Code, o qual determina que toda edificação residencial e comercial deve ser construída de modo a proporcionar um adequado grau de eficiência energética nas atividades de modificação de temperatura, bem como limitar os fluxos de ar não controlados (NEW ZEALAND GOVERNMENT, 1992). O código dispõe ainda que devem obrigatoriamente ser observadas condições físicas que afetem a performance energética das edificações como a inercia térmica dos elementos de construção, a estanqueidade dos elementos de vedação, a orientação e formato da edificação, o clima local e os ganhos de energia por radiação solar, bem como pelos processos desempenhados, serviços e pelos ocupantes. Paralelamente, a normativa NZS 4218 (NEW ZEALAND STANDARD, 2009) estabelece os parâmetros térmicos dos componentes de construção, como por exemplo o R-value mínimo dos elementos construtivos.
Em países como Estados Unidos e Canadá também é realizada a avaliação dos sistemas construtivos, bem como destes quando combinados a diferentes sistemas de isolamento em termos do seu R-value. Kalua (2016) cita que os dispostos nos códigos construtivos são muitas vezes aplicados à níveis regionais, o que descreve a realidade de ambos os países supracitados. Estabelecendo parâmetros relacionados às suas condições bioclimáticas locais e referenciando estes ao R-value mais adequado, empreiteiros e construtores dispõem de material teórico que apresenta os sistemas e as adaptações mais recomendadas a serem implementadas nas edificações para responder o mais satisfatoriamente possível às necessidades do ambiente em que se localizam. Na figura 4 é apresentada a divisão regional do território americano por zona bioclimática realizada pelo U.S Department of Energy (2017) para a definição do R-value recomendado às edificações em Wood-Frame:
Figura 4:Classificação regional do território americano continental para a definição do R-value recomendado às edificações novas em Wood-Frame.
Fonte: Adaptado de U.S. Department of Energy (2017).
Do emprego da figura 4 obtém-se uma parametrização dos níveis de isolamento que são recomendados para cada zona bioclimática dos Estados Unidos. A tabela 1, por sua vez, apresenta qual o R-value mínimo dos elementos construtivos de edificações que contam com algum sistema elétrico de condicionamento para a zona que lhe é referente:
Tabela 1 – R-value recomendado a cada elemento da edificação por zona climática na presença de sistemas elétricos de aquecimento
Zona Sótão Teto
Abobadado Cavidades Paredes e elementos de vedação Pisos 1 R30 a F49 R22 a R38 R13 a R15 Nenhum R13 2 R30 a R60 R22 a R38 R13 a R15 Nenhum R19 a R25 3 R30 a R60 R22 a R38 R13 a R15 R2.5 a R5 R25 4 R38 a R60 R30 a R38 R13 a R15 R5 a R6 R25 a R30 5 R38 a R60 R30 a R60 R13 a R21 R5 a R6 R25 a R30 6 R49 a R60 R30 a R60 R13 a R21 R5 a R6 R25 a R30 7 R49 a R60 R30 a R60 R13 a R21 R5 a R6 R25 a R30 8 R49 a R60 R30 a R60 R13 a R21 R5 a R6 R25 a R30
Fonte: Adaptado de U.S. Department of Energy (2017).
Devido a suas características físicas, como a sua inércia térmica, cada material disponível para o isolamento e vedação de edificações apresenta uma resistência térmica associada diferente. Conhecendo o R-value mínimo a cada elemento construtivo, o U.S Department of Energy (2017) fornece ainda valores básicos de referência de espessura de materiais para, por exemplo, o uso de lã de vidro no isolamento, de modo a se obter a resistência térmica necessária. Tais valores estão apresentados na tabela 2:
Tabela 2 – R-value de referência por cada polegada de espessura de lã de vidro
Espessura (in) R-value (ft².°F.h / Btu.in)
3 ½ 11 3 5/8 13 3 1/2 (alta densidade) 15 6 a 6 ¼ 19 5 1/4 (alta densidade) 21 8 a 8 1/2 25 8 (alta densidade) 30 9 1/2 30 12 38
Por outro lado, outros países como Singapura adotam parâmetros físicos diferentes da resistência ou da transmitância térmica. Segundo o código construtivo do país, determinado pelo BCA – Building and Construction Authority (2012), a performance térmica das edificações é avaliada através do seu RETV – Residential Envelope Transmittance Value, isto é, pelo valor de transmitância térmica do isolamento das edificações residenciais, que de modo a alcançar uma maior sustentabilidade nas construções e atividades a elas associadas, é limitado a um teto de 25 W/m², para reduzir o ganho de calor vindo do ambiente externo e diminuir a pressão sobre sistemas de resfriamento artificial.
Dentro da realidade brasileira, a NBR 15220-3 (ABNT, 2005) apresenta um zoneamento bioclimático do território nacional de modo similar ao realizado pelo U.S Department of Energy, apontando ainda valores de transmitância térmica de referência, isto é, o U-value, de alguns sistemas de vedação. Ademais, juntamente a NBR 15575-1 (ABNT, 2013), são prescritos critérios de avaliação de desempenho, padrões de sombreamento, áreas de aberturas de ventilação, estratégias de condicionamento térmico passivo e o U-value máximo recomendados para domicílios em cada zona bioclimática.
Dentre os sistemas de vedação apresentados pela NBR 15220-3 (ABNT, 2005) estes se resumem a diferentes tipos de alvenaria e de paredes de concreto. Nesse sentido, observa-se a ausência de qualquer avaliação de performance de sistemas que divirjam minimamente destes, não estando contemplados sistemas de construção industrializada como o Wood-Frame. No entanto, segundo o CANADIAN WOOD COUNCIL (2002), as construções em Wood-Frame podem ser facilmente adaptadas às exigências de qualquer código construtivo, muito devido à flexibilidade do seu sistema estrutural. Ressalta-se assim a capacidade do sistema em responder às necessidades de desempenho que lhe são apresentadas e a sua performance superior no tocante ao bem-estar de seus usuários.
2.4 SISTEMAS CONSTRUTIVOS EM MADEIRA
Muito embora os sistemas construtivos que tenham na madeira como o seu principal material de edificação variem largamente, as suas concepções mais comuns são padronizadas em alguns modelos teóricos organizados pelo seu sistema estrutural. Nesse sentido, é necessário definir e diferenciar quais as tipologias existentes.
Segundo Torres (2010) as construções em madeira são classificadas em três grandes tipos: as casas de troncos ou Log homes, as casas com estrutura em madeira pesada, conhecidas como Heavy Timber e as casas com estrutura em madeira leve, conhecidas como Light Framing. Paese (2012), por outro lado, versa que as construções em madeira podem ser classificadas, de um modo geral, em alguns gêneros como:
· A Log House, a casa edificada em toras de madeira roliça dispostas horizontalmente (Figura 5);
· O Sistema Viga-Pilar, edificado em madeira maciça com vedação ou em tábuas e mata-juntas, o mais presente no Brasil, ou em pranchas de paredes, na sua sub-concepção pré-fabricada. (Figura 6);
· Timber Frame e o Post and Beam, edificados em poucas peças robustas de madeira maciça, de modo análogo ao sistema Viga-Pilar, porém com vedação em painéis (Figura 7);
· O Wood-Frame, edificado em várias peças ligeiras de madeira maciça regularmente espaçadas e igualmente fechado em painéis, que desempenham ainda uma função contraventante à estrutura (Figura 8).
Figura 5:Sistema Log House, A – Montagem de uma residência, B – Detalhe interno e C – Ambiente interno finalizado.
Fonte: International Log Builders Association [20--?].
Figura 6:Sistema Viga-Pilar, A – Edificação tradicional em tábua e mata-junta e B – Edificação industrializada pré-fabricada.
Fonte: Takeuchi (2010) e Casas Fabricadas (2016).
Figura 7:Timber Frame e Post and Beam, A – Montagem da estrutura e B – Exemplo de edificação finalizada.
Fonte: Vermont Frames [20--?].
Figura 8: Sistema Wood-Frame, A – Edificação em construção e B – Edificação finalizada no sistema com revestimento em sidings.
Fonte: Engenharia Civil Diária (2015) e Bowdoin (2015).
A
B
A
B
Com a industrialização do setor de extração de madeira e o avanço das serrarias na América do Norte do século XIX, as peças de madeira serrada se tornaram abundantes no mercado local, proporcionando maior economia, agilidade e competitividade aos sistemas construtivos como o Wood-Frame frente aos seus concorrentes como a Log House, o Timber Frame e o Post and Beam (ALLEN; SCHREYER; THALLON, 2011). Além disso, a produção em massa de pregos foi um avanço tecnológico que contribuiu para a viabilização do sistema construtivo como uma alternativa vantajosa.
Souza (2013) argumenta que o aumento acentuado da população americana nos séculos passados gerou uma necessidade por sistemas mais produtivos e céleres, de modo a responder a necessidade habitacional. Estes fatores quando somados aos diferenciais de desempenho favorecem a aplicação do sistema e corroboram para o seu crescimento.
2.4.1 Sistema construtivo Wood-frame
Segundo o Canada Mortgage and Housing Corporation (2014) o sistema Wood-Frame se baseia no arranjo repetido de elementos como montantes, vigas, tesouras e painéis de madeira que, combinados, conferem a estrutura a rigidez necessária à ação de cargas de construção, ocupação, intempéries e etc.
Molina e Calil Junior (2010) versam que este é um sistema construtivo estruturado em perfis de madeira reflorestada tratada, formando plataformas de pisos, paredes e telhados. Esses elementos são ainda combinados ou revestidos com outros materiais com o objetivo de protegê-los das intempéries e do fogo, bem como aumentar o conforto térmico e acústico que proporcionam à edificação. A principal característica do sistema Wood-Frame é o uso de elementos de madeira reflorestada de pequenas dimensões e paredes duplas, isto é, vedadas internamente e externamente, por meio de painéis de compensado (ARAUJO et al, 2016)
As construções em Wood-Frame combinam elementos de madeira serrada ou produtos industrializados de madeira com painéis estruturais de vedação do mesmo material para compor arranjos de paredes, pisos e telhados que sejam robustos e rápidos de construir (CANADIAN WOOD COUNCIL, 2002). Como versam Molina e Calil Junior (2010) as casas em Wood-Frame não são puramente edificações em madeira, mas sim edificações de alta tecnologia e controle de qualidade.
O elevado marketshare do Wood-Frame nos países onde este predomina, como por exemplo nos Estado Unidos, onde 90% das construções utilizam alguma variação do método
(THALLON, 2008), se deve não apenas a este fator da tecnologia agregada aos elementos de construção, mas também, evidentemente, a diversas outras características particulares do sistema que contribuem para a sua adoção, visto que este apresenta diferenciais para a indústria e para o consumidor.
Devido a flexibilidade da produção de seu sistema e subsistemas de modo industrializado, bem como de sua montagem realizada por equipes especializadas de modo independente, o Wood-Frame proporciona edificações leves, de execução rápida, de produção otimizada e de superior controle de qualidade (MOLINA; CALIL JUNIOR, 2010).
Segundo Molina e Calil Junior (2010), a cadeia produtiva industrializada das edificações em Wood-Frame reduz custos e prazos de entrega, uma vez que várias atividades podem ser executadas simultaneamente. Tal fator seria especialmente importante em países onde o custo de mão-de-obra se mostra elevado. Das empresas existentes no Brasil que empreendem construções em Wood-Frame destaca-se a mais proeminente delas a Tecverde, a qual constrói edificações no sistema com um alto nível de industrialização, na forma de painéis fechados que são levados ao canteiro de obra já prontos para a montagem final e acabamento ou pintura (TECVERDE, 2016), gerando ganhos de produtividade e redução de custos e desperdícios.
Em estudo comparativo realizado por Souza (2013) com os custos de projeto, material e mão-de-obra para a construção de uma residência de 51 m² em madeira de lei, isto é, pré-fabricada no sistema Viga-Pilar, em alvenaria e em Wood-Frame, foi observado que a edificação em alvenaria e a de madeira de lei teriam um custo superior em 12,5% e 13,6%, respectivamente, à edificação em Wood-Frame.
No tocante aos demais aspectos do sistema construtivo, os quais dizem respeito à performance deste à longo prazo, observa-se que devido à riqueza de pesquisas a ele relacionadas, este responde muito positivamente ou ainda excede os desafios apresentados às edificações. Quando as edificações em Wood-Frame são bem projetadas e construídas estas são duráveis, ambientalmente sustentáveis, resistentes, adaptáveis a todos os climas, desde quentes e húmidos a extremamente frios e plenamente capazes de exceder os níveis de segurança ao fogo e de controle de ruídos requeridos pelos códigos construtivos (CANADA MORTGAGE AND HOUSING CORPORATION, 2014)
Longe de se buscar abordar todos os elementos do sistema construtivo, e de se analisar todas as suas particularidades de design e de dimensionamento, algumas considerações básicas são relacionadas a seguir, de modo a revisar as práticas mais importantes que alicerçam o
método construtivo e de se referenciar as decisões tomadas e as escolhas realizadas na fase experimental do presente estudo.
2.4.2 Sistema estrutural
A estrutura típica de uma construção em Wood-Frame é produzida através da montagem de quadros individuais de paredes e pisos, e de tesouras de cobertura, os quais são unidos entre si por meio de ligações pregadas e são ancorados à estrutura de fundação por parafusos chumbadores ou tiras metálicas previamente posicionadas e concretadas. Cada um desses elementos é ainda revestido com placas de OSB – Oriented Strand Board ou material equivalente, que realizam a vedação e o contraventamento da estrutura.
Cada um desses quadros são compostos por peças delgadas de madeira espaçadas regularmente pelo comprimento das paredes, como os montantes, ou pela a área de superfície de piso da edificação, como as vigas. A figura 9 apresenta os elementos de composição de uma parede típica em Wood-Frame evidenciando a regularidade em que os montantes são posicionados.
Figura 9: Elementos de uma parede de Wood-Frame. Fonte: Adaptado de Thallon (2008).
Na presença de aberturas como portas, janelas e escadas, ressalta-se o uso de elementos auxiliares como vergas, contra-vergas, montantes de composição, montantes auxiliares e vigas auxiliares para uma melhor distribuição das cargas na estrutura. Thallon (2008) e o American Wood Council (2001) apresentam ainda considerações que versam a respeito da necessidade de se duplicar as peças de madeira que compões tais elementos para conferir maior rigidez à estrutura.
Muito embora os critérios de projeto e de dimensionamento, bem como os elementos construtivos empregados sejam extensivos à todas as estruturas no sistema, a composição de uma edificação em Wood-Frame pode seguir dois estilos de construção que vêm sendo historicamente utilizados, o balloon e o platform (WACKER, 2010; AMERICAN WOOD COUNCIL, 2001; O’BRIEN, 2010).
De acordo com O’Brien (2010) o balloon consiste no emprego de longos montantes de madeira serrada para a construção de edificações de dois pavimentos. Os montantes que formam as paredes externas do sistema balloon são contínuos, começando sobre a soleira inferior, posicionada logo acima da fundação, e terminando na soleira superior que apoia a estrutura de cobertura, como demonstra a figura 10.
Figura 10: Sequência usual de montagem de uma edificação em balloon. Fonte: O’Brien (2010).
Devido a tal particularidade no comprimento de suas peças, o uso do sistema balloon enfrentou forte declínio no início do século passado (O’BRIEN, 2010) por não permitir a sua pré-fabricação e por não proporcionar as facilidades executivas do sistema platform. Por tal razão optar-se-á por abordar somente os aspectos construtivos relevantes ao sistema platform.
Segundo O’Brien (2010), o sistema platform seria uma evolução do sistema balloon, modulado e montado com peças de madeira serrada de menores dimensões e mais leves, facilmente trabalhadas por um ou dois operários. No sistema platform as vigas do primeiro pavimento são primeiramente cobertas com as placas de OSB, compondo uma plataforma que proporciona uma nova superfície de trabalho a cada pavimento, sobre a qual as paredes internas e externas são erigidas (AMERICAN WOOD COUNCIL, 2001). O processo geral descrito de montagem do sistema platform é apresentado na figura 11. Conforme versa Durán (2004) esse seria o método mais utilizado na construção de habitações em madeira, uma vez que permite a montagem independente dos montantes de cada pavimento.
Figura 11: Sequência usual de montagem de uma edificação em platform. Fonte: O’Brien (2010).
Muito embora o posicionamento dos montantes que compõem as paredes do sistema platform seja independente a cada pavimento, estes são preferencialmente dispostos de maneira coincidente por toda a edificação, perfazendo assim uma estrutura inter-relacionada (DURÁN,
2004). Tal prática proporciona um caminho contínuo de transmissão das cargas, que seguem das tesouras de cobertura, para as paredes de cada pavimento e são então descarregadas na fundação sem transições entre montantes.
Quando é respeitado esse posicionamento coincidente dos elementos a soleira superior das paredes pode ser executada com uma peça única (AMERICAN WOOD COUNCIL, 2001), como mostra a figura 12-A. Nesse caso Thallon (2008) recomenda o uso de chapas metálicas parafusadas a cada parede, unindo-as e dando maior rigidez à estrutura. Por outro lado, o uso de soleiras superiores duplas confere flexibilidade no posicionamento dos montantes, permitindo a livre disposição destes em cada pavimento. Nessa situação é recomendável realizar a sobreposição destas no encontro das paredes, como mostra a figura 12-B, de modo a amarrá-las em uma única unidade estrutural (THALLON, 2008; AMERICAN WOOD COUNCIL, 2001).
Figura 12: Detalhe de ligação das paredes, A – Soleira única, B – Soleira dupla. Fonte: Adaptado de Thallon (2008).
As paredes exteriores das edificações no sistema devem suportar as cargas verticais provenientes da cobertura e dos pavimentos sobre elas dispostos, bem como as cargas horizontais de vento e até mesmo sismos. As paredes internas, por sua vez, são separadas em dois tipos: as estruturais ou portantes, as quais recebem cargas da cobertura e dos pavimentos,
e as não estruturais, ou não portantes, as quais transmitem apenas as cargas a elas inerentes (AMERICAN WOOD COUNCIL, 2001).
Muito embora sejam numerosas e imprescindíveis as considerações apresentadas pelo American Wood Council (2001), Canada Mortgage Housing Company (2014), Dúran (2004) e Thallon (2008) na definição dos critérios de dimensionamento dos elementos estruturais do sistema Wood-Frame, de modo geral tem-se algumas definições comuns à todas edificações no sistema.
As paredes externas empregam montantes de tamanho nominal de 2x4 polegadas, posicionadas a cada 16 polegadas, isto é, aproximadamente 5x10 cm a cada 40 cm. São empregados também montantes de 3x4 ou 2x6 polegadas, isto é, aproximadamente 7,5x10 cm ou 5x15 cm, em edificações de maior altura, devido ao acréscimo de cargas ou quando se deseja proporcionar um melhor isolamento térmico à edificação, uma vez que montantes de maior dimensão geram um aumento na espessura das paredes. Além disso também é possível espaçar os montantes a cada 60 cm em situações menos exigentes de projeto.
Os montantes das paredes internas, por sua vez, são empregados nas mesmas dimensões e espaçamentos das suas equivalentes externas, tanto para paredes portantes como para as não portantes, no entanto as circunstâncias em cada uma das medidas relacionadas são aplicadas são diferentes, visto que a condição estrutural desses elementos não é a mesma.
Outro ponto importante a respeito da disposição dos montantes é o arranjo destes nos cantos da edificação, local onde os planos de paredes se encontram. Nesses espaços estes podem seguir três modelos básicos de posicionamento que oferecem diferentes implicações (THALLON, 2008).
O arranjo menos elaborado consiste na simples montagem das paredes sem o uso de montantes adicionais, como mostra a figura 13. Nesse caso os montantes periféricos são isolados, isto é, não se tem a presença de montantes auxiliares junto a estes. Em tal solução obtém-se o máximo espaço interno para a acomodação dos materiais isolantes no interior das paredes, os quais ainda serão abordados no presente trabalho. No entanto, nesse arranjo, faz-se necessário o uso de acessórios metálicos adicionais para permitir o posicionamento das placas de revestimento interno das paredes, visto que são dispensados os montantes adicionais das outras duas soluções existentes que proporcionariam um apoio para a sua fixação.
Figura 13: Detalhe de canto da edificação sem montantes adicionais. Fonte: Adaptado de Thallon (2008).
A segunda solução possível consiste no acréscimo de um montante adicional paralelo à parede, margeando a sua face interna, como mostra a figura 14. Nessa situação tem-se uma redução do espaço disponível para a acomodação do material de isolamento. Por outro lado, tal arranjo permite a fixação facilitada das placas de revestimento interno por dispensar a necessidade de acessórios adicionais.
Figura 14: Detalhe de canto da edificação com montante adicional paralelo à parede. Fonte: Adaptado de Thallon (2008).
A terceira e última solução possível consiste na disposição de um montante adicional na posição perpendicular à parede, unido ao montante periférico por meio de peças de madeira
