Madeiras alternativas em arcos treliçados, para passarelas de pedestres
Alternative woods by framework arc, for pedestrian footbridge
Douglas Rafael Juvenil Garcia1, Érika Borges Leão2, Roberto Vasconcelos Pinheiro3
Resumo: O uso descontrolado e equivocado de espécies tradicionais de madeira tem influenciado na escassez desse produto, no mercado e em projetos de grande porte. Sendo assim, a fim de conscientizar os profissionais da construção civil quanto à aplicação de madeiras “alternativas” na construção civil, especificamente em estruturas, propôs-se o emprego dessas madeiras em passarelas de pedestres, adotando o arco treliçado hiperestático com tabuleiro intermediário. O modelo estrutural foi escolhido com base nas características do local de implantação e nas propriedades intrínsicas da madeira. Este projeto busca reduzir da pressão sobre as espécies tradicionais, evindenciando a capacidade técnica das madeiras “alternativas”, e melhorar a acessibilidade nas travessias sobre vias. Para conferir maior durabilidade à vida útil da estrutura, foi definido o tipo de tratamento preservativo. Enfim, pode-se observar, através dos resultados que, é possível aplicar madeiras de média resistência em grandes estruturas, necessitando somente da combinação correta entre a estaticidade estrutural e propriedades da madeira.
Palavras-chave: Madeiras; Estruturas em madeira; Tratamento preservativo.
Abstract: The uncontrolled and mistaken use of some wood species influences in the scarcity of them. Therefore, to aware the professionals of the civil construction about the application of “alternative” woods in civil construction, specifically in structures, was suggested the use of them in pedestrian footbridge, adopting the hyperstatic framework arc with intermediary board. It is valid to point out that, the structural model was chosen based in the implant place’s characteristics and in wood’s intrinsic properties. This project will promote the pressure’s reduction on traditional species, evidenced the techniques capacity of “alternative” woods, and will have the function of improve the accessibility in crossing over roads. To check more durability to the useful life of the structure, was defined the type of preservative treatment. So, can be noted, through the results that, it is possible to apply average resistance’s woods in big structures, needing just of the correct combination between the structural staticity and wood’s properties.
Keywords: Woods; Wood estructures; Preservative treatment.
1 Introdução
Desde os primórdios da humanidade a madeira era utilizada como material estrutural, como por exemplo, na transposição de obstáculos, na composição de edificações, como sustentação de moradias sobre água (palafitas), bem como em componentes de guerra e utensílios de uso pessoal. Sabe-se que, historicamente, a sua popularidade ao longo de tantos séculos não se fragilizou, mesmo com as diversas tecnologias apresentadas no campo da construção civil.
No entanto, é público e notório que o uso abusivo dos recursos florestais, sem manejo sustentável, provoca escassez, mesmo em um material tão abundante como a madeira.
Particularmente, na região centro-norte do Estado de Mato Grosso, existe grande variedade de espécies de madeira, com alguns destaques, do ponto de vista comercial: itaúba (Mezilaurus itauba), angelim (Dinizia excelsa), entre outras. Enquanto outras, não possuem a mesma visibilidade comercial e, por isso, são aqui denominadas por “espécies alternativas”, como por exemplo: amescla (Trattinickia sp.), farinha seca (Lindackeria paraenses), cajueiro (Anacardium sp.), entre outras.
O uso indiscriminado de espécies tradicionais de madeira no mercado madeireiro da região de Sinop/MT, bem como de toda a região Amazônica, têm trazido uma evidente escassez de madeira serrada, principalmente, aplicada às estruturas. Entretanto, como o mercado madeireiro da região dispõe de uma quantia considerável de espécies alternativas, surgiu a ideia da elaboração de um
projeto de uma passarela em arco treliçado com tabuleiro intermediário, que vencesse um vão livre em torno de 45 metros, utilizando tais espécies.
Como consequência, observou-se que este trabalho poderá propiciar princípios de sustentabilidade, no sentido mais amplo da concepção, ou seja, ambiental, social e econômica.
Do ponto de vista da sustentabilidade ambiental, a disseminação de novas espécies da região visa demostrar que há possibilidade de utilização de vários tipos de madeira em grandes estruturas, desde que seja realizada uma análise técnica bem concebida. Além disso, o consumo excessivo de material e, consequentemente, a pressão do desmatamento sobre as madeira de espécies tradicionais podem ser reduzidos.
Quanto à sustentabilidade social, este estudo, demonstrando a viabilidade técnica do emprego de espécies alternativas na construção civil, principalmente em elementos estruturais, buscava um aquecimento na empregabilidade do mercado local e regional, favorecendo aqueles que desenvolvem atividade comercial no setor madeireiro. Além disso, a acessibilidade da população foi considerada no programa de necessidades.
Quanto à sustentabilidade econômica, pode-se imaginar que, com a comprovação da viabilidade
1 Graduando em Engenharia Civil, UNEMAT, Sinop, Brasil, douglas_jgarcia@hotmail.com
2 Doutora, Professora, UNEMAT, Sinop, Brasil, borgesleao@unemat-net.br
técnica das espécies alternativas, ora pouco valorizada, tenha um aumento no valor agregado de venda. Com isso, a melhoria da qualidade de vida daqueles que atuam no mercado madeireiro também é influenciada.
Finalmente, entende-se que este estudo contribui ao aprendizado dos acadêmicos e profissionais da região, quanto às formas de projetar estruturas de passarelas. Analisando o potencial das espécies alternativas, demostrando a viabilidade do emprego de passarelas de madeira, dimensionando um modelo de passarela a luz das normas brasileiras e realizando o tratamento preservativo correto. Tal fato promove ainda 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.
2 Fundametação Teórica
2.1Madeira
A madeira por ser um material natural e que sempre existiu no meio ambiente, esteve sempre ao alcance do homem. Podendo ser utilizada para satisfazer suas necessidades básicas, como: produção de armas, abrigos, para se aquecer, cozinhar, para iluminação, locomoção (barcos), entre outras inúmeras finalidades.
De acordo com Meireles e Pala (2010), o eventual uso da madeira em diferentes épocas da história da humanidade variou de acordo com as civilizações, onde foi utilizada para solucionar as insuficiências de cada povo.
O Brasil, diferente de varias regiões da Europa (Alemanha, Finlândia, França), possui uma forte tradição em alvenaria de tijolos de barro, trazida em sua colonização pelos portugueses, dispondo de uma grande resistência em relação a edificações construídas em madeira. Entretanto, por ser um material abundante em algumas regiões do país, o seu emprego em estruturas é evidente.
2.1.1 Tratamento preservativo
Os defeitos naturais estão relacionados aos tipos de espécies e a forma de crescimento. Já os agentes deterioradores podem ser divididos em agentes abióticos (desgaste mecânico, degradação física, química e climática) e agentes bióticos (seres xilófagos). Na Figura 1 estão expostos os principais agentes bióticos degradadores da madeira. (PINHEIRO, 2001).
Figura 1: Principais seres xilófagos degradadores da madeira. Fonte: AUTORIA PRÓPRIA, 2015.
Em relação à biodeterioração, a durabilidade da madeira depende das características anatômicas De cada espécie, sendo que algumas espécies apresentam alta resistência natural ao ataque biológico, enquanto outras são menos resistentes, (SZÜCS et al., 2008).
Os tratamentos preservativos possuem como alvo, proteger quaisquer peças de madeira contra as ações deterioradoras, sejam elas provenientes de fenômenos naturais ou de fenômenos físico-químicos (LEPAGE et al.,1986). Segundo a Lei nº 4.797 de 1965, o tratamento preservativo com substâncias químicas é de uso obrigatório para estruturas de madeira, principalmente quando em contato com o solo.
2.1.2 Propriedades (físico-mecânicas e naturais) A madeira é considerada um excelente material, por apresentar uma considerável resistência mecânica e baixa densidade, porém suas propriedades físicas e mecânicas têm um grau de variabilidade elevado, normalmente superior a de outros materiais. Devendo haver uma atenção redobrada acerca dos estudos desta área. Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas Norma Brasileira Regulamentadora – ABNT NBR 7190:1997, estas propriedades são condicionadas pela estrutura anatômica de cada espécie.
Para o dimensionamento de um elemento estrutural, é imprescindível a consideração de algumas propriedades da madeira, como: densidade, resistência, módulo de elasticidade e umidade (CALIL JUNIOR et al., 1998).
a) Propriedades físicas
As propriedades físicas influenciam diretamente o desempenho da resistência da madeira. Conforme a ABNT NBR 7190:1997 têm-se: teor de umidade; densidade; estabilidade dimensional (retratibilidade e inchamento).
b) Propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas são responsáveis pela resistência mecânica do material, conforme as solicitações das forças externas. São divididas em propriedades de elasticidade e de resistência (CALIL JUNIOR; LAHR; DIAS, 2003).
do tipo e da direção da solicitação em relação às fibras, tais como: longitudinal (compressão e tração paralela às fibras; flexão; compressão normal às fibras) e transversal.
De acordo com a ABNT NBR 7190:1997, a resistência é a capacidade do material de suportar tensões. A resistência da madeira é disposta através dos seguintes efeitos: compressão (paralela, normal e inclinada, em relação as fibras), tração, cisalhamento, impacto à flexão, fendilhamento e dureza.
c) Propriedades naturais
As propriedades naturais da madeira podem ser definidas em três classes: propriedades organolépticas, resistência natural e resistência ao fogo.
De acordo com SZÜCS et al.,(2008), em um incêndio, a princípio, a peça de madeira exposta ao fogo se comporta como combustível para a propagação das chamas, mas, após alguns minutos a camada exposta se carboniza, resultando em uma capa isolante para o restante da peça.
2.2 Sistemas Estruturais
Assim como hoje, há milhares de anos atrás havia a necessidade de transpor obstáculos, utilizando um sistema estrutural que suportasse o peso da carga a ser transportada pelos vãos. Mesmo sendo simples, mas eficaz, o sistema estrutural de vigas simplesmente apoiadas eram utilizadas, se tornando o sistema estrutural em madeira mais antigo da humanidade. Com a necessidade de travessia de vãos maiores, descobriu-se que as fibras vegetais permitiam a ligação de várias peças por meio de amarrações rudimentares, tornando possível a criação de passarelas com capacidade de vencer vãos ainda maiores (CALIL, JUNIOR et al., 2012).
Com o passar do tempo, outros inúmeros sistemas estruturais foram surgindo, possibilitando a criação de verdadeiras obras de arte. Em 1617, por exemplo, é o ano do primeiro registro da utilização de um tipo de uma ponte estaiada, onde Faustus Verantius apresenta um sistema estrutural que consistia em um tabuleiro de madeira suportado por barras de aço inclinadas (TROITSKY apud YTZA, 2009).
Segundo Calil Jr. et al. (2012), a construção de
rodovias ou grandes vias nas cidades gera uma enorme dificuldade de travessia à quem transita sem veículos automotores, sendo necessário a construção de passagens reservadas para esses cidadãos. Essas passagens são denominadas passarelas, podendo estar tanto acima quanto abaixo da via.
Conforme Calil Jr. et al. (2012), os sistemas
estruturais empregados na construção das passarelas de madeira são semelhantes aos de outros materiais, podendo ser de vários tipos, que serão apresentados a seguir.
2.2.1 Estruturas principais - Passarelas a) Vigas
São muito utilizadas para atingir pequenos vãos, onde pode ser utilizado o sistema simplesmente apoiado de vigas ou de vigas continuas com apoios intermediários. Podendo ser projetada como:
Vigas simples de peças roliças;
Vigas de peças roliças compostas; Vigas de peças serradas;
Vigas de peças serradas compostas; Vigas de madeira laminada colada (MLC); Vigas compostas de peças serradas e
compensadas. b) Treliça plana
Sistema estrutural utilizado quando se é necessário elevada rigidez e baixo peso próprio. Existem inúmeros tipos de treliças, sendo classificadas de acordo com os banzos, diagonais e montantes. No caso da madeira, suas peças podem ser laminadas coladas, roliças ou serradas.
c) Pórtico plano
Sistema estrutural recomendado para médios vãos, cuja parte do momento fletor da viga é transmitido para os pilares, diminuindo o momento positivo no meio do vão. O maior problema dos pórticos são as emendas e as ligações em ângulo, onde elevadas solicitações se deparam com baixas resistências e rigidez do material e das ligações.
d) Arco
Sistema estrutural recomendado para grandes vãos e, em função de sua forma, os efeitos de flexão são reduzidos, agindo, basicamente, efeitos de compressão. Os elementos mais utilizados são arcos treliçados de madeira serrada ou arcos de madeira laminada colada (MLC).
e) Estaiada
Sistema estrutural composto por cabos metálicos presos ao tabuleiro e aos postes de sustentação. Classificadas de acordo com a disposição dos cabos, ou seja, em feixes radiais ou paralelos (leque/harpa). f) Pênsil
Sistema estrutural composto por tabuleiro apoiado em cabos metálicos verticais que, por sua vez, são unidos aos pendurais inclinados e, estes, por fim, transmitindo as ações às torres.
2.2.2 Estruturas secundárias - Contraventamento O sistema de contraventamento empregado às peças proporciona a estrutura uma melhor distribuição de carga, diminuindo possíveis problemas de excesso de vibrações. Além disso, o seu uso em conjunto com as treliças, desenvolvem um sistema estrutural tridimensional, sendo capaz de resistir às ações do vento e, evitar a perda de estabilidade local e global, diminuindo os comprimentos de flambagem fora dos planos verticais das treliças (PFEIL, 2003).
2.3 Normatização
Para o dimensionamento das passarelas de madeira, é imprescindível a consulta dos seguintes documentos normativos:
ABNT NBR 7188:1984: Carga móvel de pontes rodoviárias e passarelas de pedestres;
ABNT NBR 6120:1980: Cargas para o cálculo de estruturas de edificações;
ABNT NBR 7187:2003: Projeto de pontes de concreto armado e protendido- Procedimento;
ABNT NBR 7190:1997: Projeto de estrutura de madeira;
ABNT NBR 8681:2003: Ações e segurança nas estruturas- Procedimento;
2.4 Dimensionamento e verificações
De acordo com a ABNT NBR 7190:1997, para o dimensionamento de uma estrutura é necessário fazer o levantamento de todas as ações atuantes. Assim sendo, deve-se pensar na situação mais crítica em que a estrutura estará submetida e, para isso, as ações deverão ser combinadas considerando a possibilidade de incidência simultânea. Estes levantamentos estão englobados nas ações e carregamentos.
2.4.1 Ações
A definição e a discriminação dos tipos de ações atuantes em um projeto de passarelas de madeira estão dispostas nos documentos normativos ABNT NBR 7188:1984 –“Carga móvel de pontes rodoviária e passarelas de pedestres”, ABNT NBR 7190:1997 – “Projeto de estruturas de madeira”, ABNT NBR 8681:2003 – “Ações e segurança nas estruturas - Procedimento”, e ABNT NBR 6123:1988 – “Forças devidas ao vento em edificações”.
Serão apresentadas, a seguir, como as ações permanentes (peso próprio estrutural e não estrutural), variáveis (vento e sobrecarga móvel) deverão ser empregados.
a) Permanentes (peso próprio)
Conforme a ABNT NBR 7190:1997, a ação permanente refere-se, principalmente, ao peso próprio dos elementos estruturais (madeiramento). Além disso, é considerado um acréscimo de 3%, devido ao efeito dos elementos de ligações (pregos, parafusos, chapas, chapuzes, etc). Também é levado em consideração o peso próprio de elementos não estruturais como revestimentos e guarda-corpo.
b) Variável (Vento)
De acordo com a ABNT NBR 6123:1988, as forças sobre uma estrutura, oriundas dos efeitos da ação estática e dinâmica do vento, devem ser calculadas separadamente para:
A estrutura como um todo;
Partes da estrutura (telhados, tabuleiros, etc); Elementos de vedação e suas fixações
(telhas, vidros, painéis de vedação, etc.). c) Variável (sobrecarga móvel)
Conforme a ABNT NBR 7188:1984 em seu item 3.1.2, para passarelas de pedestres, é considerada uma carga móvel unifomemente distribuída no valor de 5 kN/m2.
2.4.1 Carregamentos – estados limites últimos e estados limites de serviço
Segundo a ABNT NBR 8681:2003, durante o período de vida da construção podem ocorrer quatro tipos de carregamentos diferentes, sendo estes: normal; especial; excepcional; construção.
Já as combinações de ações serão realizadas conforme a ABNT NBR 7190:1997 em conjunto com a ABNT NBR 8681:2003, através dos estados limites últimos (estrutura e ligações) e de serviço (deslocamentos excessivos e vibração).
Para avaliação da segurança da estrutura de madeira, de acordo com a ABNT NBR 7190:1997 – item 7, necessita-se considerar os seguintes estados limites últimos:
Resistência: compressão paralela (peças curtas), inclinada e normal às fibras; tração paralela ás fibras; flexão (simples e oblíqua); flexo-compressão; flexo-tração; cisalhamento paralelo às fibras;
Estabilidade local: compressão paralela às fibras (peças medianamente esbelta e esbelta); flexão;
Estabilidade global:contraventamento. Para verificação do estado limite último (ligações), segundo a ABNT NBR 7190:1997- item 8, não se deve levar em conta o atrito entre as superfícies de contato e nem de esforços transmitidos por estribos (braçadeiras ou grampos), respeitando o espaçamento determinado para que possa evitar o fendilhamento da madeira. Para o critério de dimensionamento, emprega-se o seguinte Estado Limite Último:
Resistência: embutimento paralelo e normal às fibras (madeira); escoamento (pinos metálicos).
Segundo exposto no item 9.1.1 e 9.1.2 da NBR 7190:1997, para verificação da segurança da estrutura de madeira é necessário considerar os seguintes estados limites de utilização:
Excesso de vibrações;
Deformações excessivas que afetam a utilização ou a estética da estrutura;
Danos em materiais não estruturais da construção decorrentes de deformações da mesma. As condições climáticas afetarão diretamente na vida útil da estrutura. Assim, observa-se que a região de Sinop-MT pode ser caracterizada como um clima equatorial continental com estação seca definida (3 a 5 meses), apresentando temperaturas médias anuais entre 24,3° e 26,8°C além de total pluviométrico entre 1800 e 2200 mm, com período de estação chuvosa de outubro a março (MAITELLI, 2005).
2.5 Aplicabilidade de uma passarela
De acordo com o Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes (DNIT), uma passarela de pedestre deve possuir tabuleiro com largura mínima de 2 metros para permitir a passagem de pedestres, caminhando simultaneamente em sentidos contrários.
Segundo ABNT NBR 9050:2015, a largura para deslocamento em linha reta de duas pessoas em cadeiras de rodas varia de 1,50 à 1,80 metros. Já para ciclofaixas de sentido duplo, a largura mínima para um fluxo de até 1000 ciclistas/hora é de 2,5 metros, sendo recomendada sua colocação na lateral da pista (BRASIL, 2010).
3 Metodologia
Para melhor detalhamento da pesquisa realizada, este tópico será subdividido em duas etapas. Na primeira, serão apresentados os Materiais necessários para desenvolvimento da pesquisa, já a segunda etapa, denominada Métodos, serão abordados os procedimentos técnicos empregados para a execução da mesma.
3.1 Materiais
Os materiais utilizados para desdobramento da pesquisa são:
a) Material instrutivo;
b) Softwares para suporte na elaboração de planilhas e gráficos;
c) Softwares destinados aos cálculos e desenhos necessários.
3.2 Métodos
Para o desenvolvimento dos métodos da pesquisa, este item será dividido em etapas de projeto:
3.2.1 Definição do arranjo estrutural da passarela A definição do arranjo estrutural da passarela foi baseada em algumas condições: local de implantação, vão, ações atuantes na estrutura, mão-de-obra e disponibilidade de material.
Voltada a travessia sobre a rodovia federal BR-163, foi estabelecido um vão livre de aproximadamente 45 metros. Para este vão (médio a grande), adotou-se um sistema estrutural em arco, cuja geometria proporcionou somente esforços normais de compressão nas barras dos banzos.
Tratando-se de passarelas de madeira e, sabendo que, em nossa região não existe produção de madeira laminada colada (MLC), recorreu-se ao sistema estrutural de treliças planas. Este tipo de composição se destaca por fornecer à estrutura uma elevada rigidez e baixo peso próprio (economia de material). Portanto, projetaram-se dois arcos treliçados como estruturas de sustentação (um de cada lado da passarela), juntamente com pórticos de apoio do tabuleiro. Estes são fixados nos nós dos banzos inferior do arco. Desta forma, definiu-se a estrutura como uma passarela em arco treliçado de madeira com tabuleiro intermediário.
a) Tabuleiro
O tabuleiro é um conjunto de peças que formam a estrutura que receberá a carga móvel.
O comprimento transversal do tabuleiro foi determinado conforme os tipos de usuários e o tráfego do local de instalação. Como a passarela deverá possuir pedestres e ciclistas utilizamos um comprimento de 4,5 metros, pois segundo item 2.5 uma passarela de pedestre deve possuir largura mínima de 2 metros, somado com 2,5 metros recomendada para ciclofaixas bidirecionais, considerando faixas de alerta e delimitações entre áreas, obtém-se o total da largura considerado em projeto.
b) Pórticos mistos
Os pórticos servem de sustentação ao tabuleiro e são estruturas articuladas nos nós dos banzos inferiores dos arcos.
c) Arcos treliçados
São estruturas que tem como função resistir aos carregamentos de toda a estrutura.
d) Estrutura de travamento e contraventamento Essas estruturas foram divididas em treliças de travamento, cabos de aço de contraventamento, mão-francesa de travamento e contraventamento e vigotas de travamento e contraventamento. Esses elementos, conjuntamente, darão elevada rigidez e estabilidade a estrutura.
3.2.2 Definição do tipo de madeira
Para definição da natureza da madeira utilizada, foi escolhida uma espécie existente no comércio local, podendo ser classificada como uma madeira de classe C30, onde a resistência é intermediária, se caracterizando como madeiras alternativas. Nesta classe de resistência, têm-se as seguintes espécies: Cupiúba (Goupia glaba); Canafístula (Cassia ferrugínea); Cedrinho ou Quarubarana (Erisma uncinatum); Cedro Rosa ou Cedro Amargo (Cedrella odarato); Cajueiro (Anacardium sp.); E. Grandis (E. grandis).
3.2.3 Elaboração do projeto estrutural
Com o arranjo estrutural e o tipo de madeira definido, o método de dimensionamento da passarela foi realizado, seguindo as recomendações das Normas Brasileiras:
ABNT NBR 7188:1984 - Carga móvel de pontes rodoviárias e passarelas de pedestres;
ABNT NBR 6123:1988 - Forças devidas ao vento em edificações;
ABNT NBR 6120:1980 - Cargas para o cálculo de estruturas de edificações;
ABNT NBR 7190:1997 - Projeto de estrutura de madeira;
ABNT NBR 7187:2003 - Projeto de pontes de concreto armado e protendido – Procedimento;
Para o dimensionamento, foi necessário determinar os valores de cálculo referente às propriedades físico-mecânicas da madeira, empregando as recomendações prescritas na ABNT NBR 7190:1997. Conforme a ABNT NBR 7190:1997, a classe de madeira em estudo, possui uma resistência característica à compressão de 3 ∙ 104 𝑘𝑁/𝑚2 e ao cisalhamento de 5 ∙ 103 𝑘𝑁/𝑚2. Outra caracteristica importante para o dimensionamento de uma estrutura de madeira é a sua densidade aparente, que no nosso caso trata-se de 800 kg/m3.
Para definição do coeficiente de modificação (𝐾𝑚𝑜𝑑) foi considerado um carregamento de longa duração (𝐾𝑚𝑜𝑑1= 0,7), classe de umidade “1” (𝐾𝑚𝑜𝑑2= 1) e espécie de segunda categoria (𝐾𝑚𝑜𝑑3= 0,8). Obteve-se, 𝐾𝑚𝑜𝑑= 0,56.
Utilizando o coeficiente de modificação foi calculado o módulo de elasticidade efetivo para madeira de classe C30, adquirindo 𝐸𝑐0,𝑒𝑓= 8,12∙ 106 𝑘𝑁/𝑚2.
3.2.3.1 Ações
Foi realizado o mapeamento das ações permanentes e variáveis, de acordo com a ABNT NBR 6120:1980 e ABNT NBR 6123:1988. A partir das ações e com o auxílio do software Ftool, foram calculados os esforços internos característicos da estrutura. Com respaldo da ABNT NBR 7190:1997 e ABNT NBR 8681:2003, fez-se os carregamentos, obtendo-se os esforços interno de projeto críticos. Do mesmo software, para as ações permanentes e variáveis, foram calculados os deslocamentos.
De forma prática, os esforços atuantes foram determinados, considerando a estrutura em três partes, ou seja, tabuleiro (compostos por vigas transversais e longitudinais), pórtico misto (treliças e “tirantes”) e arco treliçado.
a) Tabuleiro
O tabuleiro (piso) foi idealizado a partir de vigas transversais (piso) apoiadas sobre vigas longitudinais. Sobre o piso, para dar segurança aos usuários, estão dispostos (duas laterais do piso) os guarda-corpos, compostos por elementos verticais (“pilares”) e horizontais (vigas).
As ações atuantes nas vigas transversais do piso resumem-se em: peso próprio da estrutura, acrescida de uma majoração de 3% de acordo com a ABNT NBR 7190:1997 para considerar parafusos e dispositivos de ligações; variáveis, oriundas da sobrecarga móvel de passarelas, considerada uniformemento distribuída (5 kN/m²), segundo ABNT NBR 7188:1982 item – 3.1.2.
As ações atuantes nas vigas longitudinais são: peso próprio (vigas longitudinais e transversais; guarda-corpo), acrescido de 3% para considerar parafusos e dispositivos de ligações; variáveis, atuam indiretamente, a partir do piso e guarda-corpo. Nos guarda-corpos, têm-se as seguintes ações: permanentes estruturais acrescida de 3% para considerar parafusos e dispositivos de ligações; variáveis, conforme ABNT NBR 7190:1997 – item 5.5.9 (carga horizontal distribuída de 1 kN/m) e segundo ABNT NBR 6120:1980 (carga vertical distribuída de 2 kN/m).
b) Pórtico misto
O pórtico misto (estrutura principal), assim denominado, é fundamentado, principalmente, pela composição entre uma treliça transversal e “tirantes” maciços inclinados. Como elementos secundários, têm-se as treliças longitudinais, fixadas junto aos tirantes e as treliças transversais, bem como o sistema de contraventamento locado abaixo do tabuleiro.
Para o pórtico misto, o cálculo das ações permanentes atuantes, levou em consideração a somatória do peso próprio com as reações geradas pelas ações combinadas oriundas do tabuleiro, atuantes nos nós dos banzos superiores. Além das citadas ações, considerou-se acréscimo em 5% do peso próprio para considerar os parafusos, dispositivos de ligações e os elementos do sistema de contraventamento. As ações variáveis podem ser divididas em: verticais, provenientes a ações no tabuleiro e das ações do vento (ABNT NBR 6123:1988 – item 7) atuantes nos “tirantes” e na face lateral dos elementos das vigas treliçadas longitudinais de travamento.
Quanto às treliças longitudinais, as ações permanentes se resumem, basicamente, ao peso próprio da estrutura acrescida de 3% (ABNT NBR 7190:1997) para considerar parafusos e dispositivos de ligações. Para ações variáveis, a única ação que atua na estrutura é o vento, quantificada de acordo com a ABNT NBR 7190:1997 – item 5.5.8c.
c) Arco treliçado
Para a estrutura principal, foi concebido uma de cada lado do tabuleiro, sendo empregado o esquema estrutural em arco treliçado hiperestático com altura variável, sendo no engastamento, em torno de 3,0 metros e no meio do vão, 1,3 metros. Adotou-se a geometria tipo “howe” e barras com seção transversal composta.
Para o cálculo do peso próprio dessa estrutura, todas as cargas aplicadas nos nós foram acrescidas de 5% para serem considerados os parafusos. Também foi adotado uma ação permanente adicional igual a 0,40 kN nos nós de emendas das barras do banzo superior, para considerar as chapas de ligação. Nos nós de emenda das barras no banzo inferior, foi adicionado 1,30 kN, para considerar as chapas/dispositivos metálicos na emendas das referidas barras e da ligação entre os “tirantes” do pórtico com o arco.
As ações variáveis atuantes na estrutura estão diretamente relacionadas as ações verticais oriundas das estruturas dos pórticos e as ações horizontais oriundas do efeito do vento.
d) Estrutura de contraventamento
As ações permanentes atuantes nessas estruturas são as de peso próprio acrescida de 3% para considerar parafusos e dispositivos de ligações. 3.2.3.2 Combinação de ações (Carregamentos)
a) Estados limites últimos
estão dispostas as combinações de ações de cada elemento da passarela:
a1. Tabuleiro
Para os elementos estruturais do piso, têm-se: *Vigas transversais: i) ação permanente (peso próprio); ii) ação permanente e ação variável (sobrecarga móvel).
*Vigas longitudinais (piso) foram submetidas às seguintes combinações: i) ação permanente estrutural (peso próprio) e permanente não estrutural (reação das vigas transversais); ii) ação permanente estrutural (peso próprio), permanente não estrutural (reação das vigas transversais) e ação variável (reação da sobrecarga móvel aplicada sobre as vigas transversais).
Para os elementos estruturais do guarda-corpo, têm-se:
*Elemento horizontal (viga): i) ação permanente (peso próprio); ii) ação permanente e ação variável (sobrecarga de utilização); iii) ação permanente e ação variável (vento).
*Elemento vertical (“pilares”): i) ação permanente estrutural (peso próprio) e permanente não estrutural (reação das vigas); ii) ação permanente estrutural (peso próprio), permanente não estrutural (reação das vigas) e ação variável (vento).
a2) Pórtico misto
Para a treliça, foram consideradas as seguintes combinações: i) ação permanente estrutural (peso próprio) e permanente não estrutural (reação das vigas longitudinais do tabuleiro); ii) ação permanente estrutural (peso próprio), permanente não estrutural (reação das vigas longitudinais do tabuleiro) e ação variável (reação das vigas longitudinais do tabuleiro - sobrecarga móvel); iii) ação permanente estrutural (peso próprio), permanente não estrutural (reação das vigas longitudinais do tabuleiro) e ação variável (vento –aplicado ao longo do comprimento dos “tirantes”); iv) ação permanente estrutural (peso próprio), permanente não estrutural (reação das vigas longitudinais do tabuleiro), ação variável (reação das vigas longitudinais do tabuleiro - sobrecarga móvel) e ação variável (vento – aplicado ao longo do comprimento dos “tirantes”).
No cálculo do item “iv”, é necessária a realização de duas variações na combinação, ou seja, a primeira, considerando a ação móvel como ação variável principal e, na segunda, a ação do vento como variável principal.
a3)Arco treliçado
Para o arco foram realizadas as combinações, conforme descritas abaixo: i) ação permanente estrutural (peso próprio) e permanente não estrutural (reação dos “tirantes” do pórtico); ii) ação permanente estrutural (peso próprio), permanente não estrutural (reação dos “tirantes” do pórtico) e ação variável (reação dos “tirantes” do pórtico - sobrecarga móvel); iii) ação permanente estrutural (peso próprio), permanente não estrutural (reação dos “tirantes” do pórtico) e ação variável (vento – aplicado ao longo do comprimento das barras do arco); iv) ação permanente estrutural (peso próprio), permanente não estrutural (reação dos “tirantes” do pórtico), ação
variável (reação dos “tirantes” do pórtico - sobrecarga móvel) e ação variável (vento – aplicado ao longo do comprimento das barras do arco e dos “tirantes”). Assim como considerado no pórtico, no cálculo do item “iv”, é necessária a realização de duas variações na combinação, ou seja, a primeira, considerando a ação móvel como ação variável principal e, na segunda, a ação do vento como variável principal. 3.2.3.3 Dimensionamento (elementos estruturais de madeira e ligações mecânicas)
O dimensionamento dos elementos estruturais de madeira (tabuleiro, pórtico e arco) e ligações (pinos metálicos) foi realizado a partir do(s) esforço(s) interno(s) crítico(s), obtidos de acordo com as combinações de ações dos estados limites últimos (ver item 3.2.3.2).
a) Tabuleiro
As vigas transversais (pranchas de madeira) e longitudinais foram dimensionadas por flexão simples, segundo a ABNT NBR 7190:1997 – itens 7.3.3 e 7.4). Os elementos secundários que compõem os guarda-corpos foram dimensionados da seguinte maneira: elementos verticais - ABNT NBR 7190:1997 – itens 7.3.6/7.5.4/7.4; elementos horizontais - ABNT NBR 7190:1997 – itens 7.3.4/7.4.
b) Pórtico misto
Para o dimensionamento dessa estrutura foi necessário dividi-la em duas partes, ou seja, “tirantes” e viga treliçada. Os “tirantes” submetidos às solicitações de flexotração e dimensionados conforme ABNT NBR 7190:1997 – itens 7.3.5/7.4. As barras das treliças, solicitadas por esforços normais de tração e de compressão, foram dimensionadas conforme a ABNT NBR 7190:1997 – itens 7.3.1/7.3.2.
c) Arco treliçado
Como são treliças planas, o dimensionamento foi realizado de acordo com solicitações normais de tração e compressão, a partir das recomendações prescritas na ABNT NBR 7190:1997 – itens 7.3.1/7.3.2.
d) Estruturas de contraventamento
As treliças de contraventamento foram dimensionadas conforme os itens 7.3.1 e 7.3.2 da ABNT NBR 7190:1997, de acordo com suas solicitações normais de tração e compressão.
e) Ligações
As ligações mecânicas das peças de madeira serão feitas por pinos metálicos e chapas de Gusset, dimensionados de acordo com a ABNT NBR 7190:1997 – item 8.3 e ABNT NBR 8800:2008. O espaçamento entre os elementos de ligações foi realizado conforme o item 8.6 da ABNT NBR 7190:1997.
3.2.3.4 Verificação (elementos estruturais de madeira) A verificação da segurança dos elementos estruturais de madeira (tabuleiro, pórtico e arco), através dos estados limites de utilização, foi caracterizada por deformações e vibrações excessivas.
duração (quase-permanente), de acordo com ABNT NBR 7190:1997 (itens 5.8.1 e 9) e a ABNT NBR 8681:2003. Neste caso, foram consideradas as ações permanentes estruturais e não estruturais, bem como a ação variável oriunda da sobrecarga móvel.
Quanto às verificações relativas às vibrações, empregaram-se as combinações de ações de curta duração (rara), de acordo com ABNT NBR 7190:1997 (itens 5.8.3 e 9) e a ABNT NBR 8681:2003. Neste caso, foram consideradas as ações permanentes estruturais e não estruturais, bem como as ações variáveis oriundas da sobrecarga móvel e do vento. 3.2.4 Tratamento preservativo
O tratamento preservativo foi designado conforme algumas premissas: a classe de resistência da madeira, a agressividade ambiental local e a disponibilidade de execução na cidade de Sinop-MT. Escolha realizada com prescrições das normas ABNT NBR 16143:2013 e ABNT NBR 7190:1997 anexo D.
4 Resultados e Discussão
O dimensionamento foi realizado de acordo com as solicitações em cada peça da estrutura, feito conforme as normativas vigentes, mencionadas em itens anteriores. A Figura 2 representa a estrutura completa. Em seguida são apresentados os resultados separadamente.
Figura 2: Passarela de madeira completa. Fonte: AUTORIA PRÓPRIA, 2015.
4.1 Tabuleiro
As vigas transversais, hiperestáticas, foram compostas por pranchas (5x20 cm) justapostas, enquanto as vigas longitudinais (seção “T” – alma/mesa superior: 5x20 cm), isostáticas, espaçadas entre si de, aproximadamente, 80 cm e apoiadas sobre os nós do banzo superior da treliça que compõe o pórtico misto (ver item 4.2). Além destes elementos, têm-se o guarda-corpo: elementos verticais (10x10 cm) com 1,2 m de altura, espaçados horizontalmente a cada dois metros; elementos horizontais (Seção “H” – 2 tábuas 2,5x15 cm e 1 caibro 5x6 cm) dispostas em três linhas, espaçadas verticalmente a cada 40 cm, sendo a primeira, locada a 20 cm do piso. A Figura 3 representa a estrutura de tabuleiro.
Figura 3: Tabuleiro. Fonte: AUTORIA PRÓPRIA, 2015.
4.2 Pórtico misto
A treliça transversal serve de apoio às vigas longitudinais do tabuleiro e estão unidas aos “tirantes”. Tal estrutura tem altura de aproximadamente 60cm e compostas pelas seguintes barras: banzo superior/inferior (5x15cm), montantes (5x15cm) e diagonais (2,5x15cm). Tais treliças são fixadas aos arcos treliçados através barras inclinadas (“tirantes”), compostas por duas pranchas (5x20cm), tomando caracteristicas de um pórtico. Foi projetado treliças longitudinais (mesmas dimensões da treliça transversal), com o objetivo de auxiliar no travamento do pórtico. A Figura 4 representa a estrutura de pórtico misto.
Figura 4: Pórtico misto. Fonte: AUTORIA PRÓPRIA, 2015.
4.3 Arco treliçado
Os arcos, na região dos apoios, possuem diagonais secundárias (2 peças de 2,5x15 cm), cuja função é reduzir o comprimento das diagonais principais e, consequentemente, evitar a flambagem da peça. Para fazer a ligação entre cada arco, foram utilizadas barras de ligações (5x10 cm – comprimento de 35 cm), instaladas em cada 2 metros, coincidentes com os nós dos banzos inferiores/superiores. A Figura 5 representa a estrutura do arco treliçado.
Figura 5: Arco treliçado. Fonte: AUTORIA PRÓPRIA, 2015.
4.4 Estruturas de contraventamento
Foram dimensionadas arcos treliçados (banzos superior e inferior – barras retas e curvas, respectivamente) para o travamento dos banzos inferir/superior do arco principal. Tais estruturas são formadas por: banzos superior/inferior (2 peças de 2,5x15 cm), montantes (1 peça de 5x10 cm), diagonais (2 peças de 2,5x15 cm). Os arcos secundários são contraventados com tirantes (cabos de aço com esticadores, dispostos em “X”), duas vigas longitudinais (seção “T”: alma de 2,5x10 cm; mesa superior de 5x15 cm – locadas no banzo superior).
As vigas longitudinais possuem mãos-francesas (5x6cm) em ambas as extremidades, atuando como apoio intermediário, equidistantes de 1 metro do apoio (arco secundário). Na direção transversal, no ponto médio do seu eixo, são posicionados cabos de aço (com esticadores) para promover o travamento lateral. Todos os cabos de aço empregados possuem diâmetro de 12,5 mm. A Figura 6 representa a estrutura de contraventamento.
Figura 6: Estrutura de contraventamento. Fonte: AUTORIA PRÓPRIA, 2015.
4.5 Ligações
As ligações serão feitas utilizando chapas e pinos metálicos (barras rosqueadas e parafusos de aço galvanizados).
Na emenda (mudança de direção) dos banzos (sup./inf.) do arco treliçado, adotaram-se chapas e pinos metálicos para unir todas as barras convergentes. Na ligação das diagonais e montantes nas barras contínuas dos banzos (sup./inf.) foram empregados pinos metálicos. Em resumo, têm-se os seguintes consumos: chapas metálicas (5.000 kg); parafusos (8.000 un.) e barras (200 metros).
4.6 Tratamento preservativo
Pelas características intrínsicas das espécies empregadas, definiu-se o tratamento preservativo por pincelamento, a partir de produtos comumente comercializados.
O produto escolhido é denominado de Polisten, pertencente às empresas Renner Sayerlack S.A ou Montana Química e, se caracterizam por serem produtos impregnantes (hidrorepelentes) que protegem a estrutura de madeira contra fungos (fungicida) e insetos (inseticida). A manutenção periódica sugerida deve ser em torno de dois a três anos.
4.7 Volume de madeira
A quantificação volumétrica da madeira necessária para construção da passarela está representada na Tabela 1.
Tabela 1. Volume de madeira da passarela ARCO TRELIÇADO
PEÇAS VOLUME (m³)
Banzos 8,96
Diagonais 2,56
Montantes 1,92
Diagonais de apoio 0,29 Peças de ligação 0,29
Sub-total 1 14,02
ESTRUTURAS DE CONTRAVENTAMENTO (Arco principal)
PEÇAS VOLUME (m³)
Arco treliçado secundário 2,86
Vigotas 1,28
Mão-francesa 0,19
Sub-total 2 4,33
PÓRTICO MISTO
PEÇAS VOLUME (m³)
“Tirantes” 3,12
Treliças transversais 3,73 Treliças longitudinais 4,44
Sub-total 3 11,29
TABULEIRO
PEÇAS VOLUME (m³)
Pranchas 11,59
Vigotas 9,89
Guarda corpo 1,38
Sub-total 4 22,86
TOTAL 52,50
Fonte: AUTORIA PRÓPRIA, 2015.
Figura 7: Relação de volume entre as estruturas Fonte: AUTORIA PRÓPRIA, 2015.
5 Conclusão e Sugestões
Mediante os resultados da pesquisa, observou-se que a utilização de classes de madeiras de média resistência, quando combinadas com um modelo estrutural eficiente, pode ser utilizada de forma satisfatória, comprovando a qualidade, a segurança e a acessibilidade. Também demonstra aos profissionais da área da engenharia e construção civil que a madeira é um ótimo material estrutural e deve ser mais bem aproveitada, pois está disponível em abundância em nossa região.
Como sugestão para trabalhos futuros, pode-se verificar o consumo de madeira, a partir da utilização de outros esquemas estruturais, considerando a variação da estaticidade da estrutura.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, pois sem ele não conseguiria superar todas as dificuldades do caminho. A todos os meus familiares, em especial aos meus pais (Leoni S. Garcia, Luzia E. C. Garcia e Ivone Juvenil), por sempre me apoiarem em todas as decisões que tomei.
À minha namorada Danielle Paludo por ter me incentivado e compreendido meus momentos de estudo e concentração.
Aos meus amigos pelo apoio durante esses anos, especialmente Gustavo Nunes, Italo Sartorelo, Jean Cardoso, Leonardo Dias, Renata Novaes, Renato Guastaldi, Victor Rissotti, Vinicios Brighenti e Wdson Gutierizz.
Aos colegas de curso, Fernando Pillon e Eduardo Ferreira, que me auxiliaram na realização dos desenhos do projeto.
Agradeço também a todos os professores que me acompanharam durante a gradução, em especial ao Prof. Dr. Roberto Vasconcelos Pinheiro e à Profa. Dra. Érika Borges Leão, responsáveis pela realização deste trabalho. Enfim, agradeço à todos que colaboraram, diretamente ou indiretamente para a conclusão deste estudo.
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