Análise da influência das ações do vento em galpões de estruturas metálicas com o uso do lanternim: um estudo realizado em Sinop-MT Analysis of the influence of the actions of wind sheds metal structures using the lantern: a study in Sinop-MT

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Análise da influência das ações do vento em galpões de estruturas metálicas com o

uso do lanternim: um estudo realizado em Sinop-MT

Analysis of the influence of the actions of wind sheds metal structures using the

lantern: a study in Sinop-MT

Rafael Gessi1, Kênia Araújo de Lima2

Resumo: O presente artigo objetiva análisar a influência das cargas do vento no dimensionamento de galpões de estrutura metálica, considerando situações de ventilação natural. O estudo realizou-se em Sinop-MT onde foram criados 3 galpões com mesmas medidas arquitetônicas porém, variando os sistemas de aberturas tanto laterais como de cobertura. Para os dimensionamentos utilizou-se normas, roteiros de calculos e software como Visual Ventos. A partir dos resultados analisados pode-se concluir que as variações de pressões e carregamentos do vento incidente geram grandes diferenças nos esforços quando aplicados aos sistemas de ventilação para galpões. Conclui-se ainda que para um galpão fechado na lateral mas com uso do sistema de lanternim o percentual de aço empregado é de aproximadamente 50,73% do total de aço utilizado no galpão sem aberturas de ventilação. Já o galpão com lanternim e com ventilação lateral apresentou uma economia de 2,91% no quantitativo total de aço, comparado ao galpão com lanternim e sem aberturas para ventilação lateral. O estudo demonstrou que os métodos de ventilação natural favorecem os valores de carregamentos contribuindo para resultados satisfatórios no dimensionamento de galpões metálicos.

Palavras-chave: Coeficiente de pressão, aço estrutural, ventilação natural

Abstract: This article aims to analyze the influence of wind loads in the design of sheds metal structure, considering situations of natural ventilation. The study took place in Sinop-MT where 3 sheds were created with the same architectural measures however, varying systems of openings both sides as hedging. For sizing we used standards, roadmaps and calculus software like Visual Winds. From the analyzed results can be concluded that variations in pressures and loads the incident wind generate large differences in effort when applied to ventilation systems for poultry houses. We can also conclude that for a closed but using the side of the ridge vent system the percentage of steel shed employee is approximately 50.73% of the total steel used in the shed without ventilation openings. Already shed with skylight and side ventilation showed a savings of 2.91% of the total quantity of steel, compared to the shed with skylight and without lateral openings for ventilation. The study demonstrated that the methods of natural ventilation favor the values of shipments contributing to satisfactory in the design of metal sheds results.

Keywords: Pressure coefficient, structural steel, natural ventilation

1 Introdução

O crescimento no setor da construção civil vem se propagando por todo Estado do Mato Grosso, citando como exemplo o município de Sinop situado a 500 km da capital Cuiabá, onde segundo a PRODEURBS³ foram emitidos 488 alvarás em 2014, num total de aproximadamente 117 mil metros quadrados até a data de 30 de abril, aliado a este avanço do setor construtivo vem à necessidade de empregar ou aprimorar novas técnicas construtivas que garantam agilidade de execução, economia, segurança e durabilidade.

Segundo Campos (2012) Sinop destaca-se como um grande polo de agronegócios havendo assim a necessidade de construção de diversos galpões com a finalidade de comércios, indústrias, ou mesmo para armazenamento. Com isso pode-se ressaltar a importância da aplicação de técnicas ágeis para execuções destes galpões, destacando-se a estrutura metálica como um meio eficiente de agilidade e economia, trazendo ainda como vantagem a possibilidade de vencer grandes vãos garantindo a esbeltez do elemento e proporcionando leveza a estrutura.

1_{Graduando em Engenharia Civil, UNEMAT, Sinop, Brasil,} rafaelgessi@hotmail.com.

2_{Engenheira Civil, Professora orientadora, UNEMAT, Sinop,} Brasil, keniaaraujolima@hotmail.com

³ NUCLEO DE PROJETOS E DESENVOLVIMENTO URBANO DE SINOP

Segundo a ABNT 2008 as estruturas metálicas devem ser projetadas de forma que garantam a segurança, durabilidade e bom desempenho em serviço, destacando-se que na análise estrutural da mesma deve ser considerada a influência de todas as ações que possam produzir efeitos significativos para a estrutura.

No caso especifico de galpões as cargas permanentes, variáveis e a ação do vento são de extrema importância para os cálculos estruturais, a ABNT (1988) destaca ainda que os métodos de ventilação natural como o lanternim podem proporcionar uma melhor distribuição de permeabilidade nas paredes e coberturas, controlando assim o coeficiente de pressão interna, trazendo desta forma resultados satisfatórios para o dimensionamento bem como para o custo da obra. Desta maneira, o trabalho teve como propósito apresentar a interferência das forças do vento sobre os sistemas de galpões, fato comprovado pela redução do peso da estrutura com o uso de aberturas nas paredes e na cobertura quando comparados com um galpão totalmente fechado.

2 Fundamentação teórica

2.1Galpões metálicos para usos gerais

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sua cobertura apoiada em terças e vigas ou ainda em tesouras e treliças como mostra a figura 1.

Figura 1 - Galpão de uso geral. Fonte: Pravia (2011).

Ainda segundo Pravia, Ficanha e Kripka (2011), um projeto de galpão metálico inicia-se pelas configurações volumétricas (altura, largura e comprimento) e em seguida pelas definições das aberturas fixas e móveis nos fechamentos laterais da edificação, podendo ainda ser introduzido com intuito de aliviar as pressões internas provocadas pelo vento os lanternim superiores.

Vale ressaltar que a realização de um projeto de galpão metálico deve estar de acordo com as exigências das normas da ABNT que destacam sobre a segurança das estruturas relacionada as ações provenientes ao vento (NBR 6123: 1988) e as ações acidentais (NBR 6120: 1980) sendo que estas segundo Araújo (2010) atuam nas construções ao longo de toda vida útil em função de sua finalidade, como por exemplo o peso de móveis pessoas ou veículos.

2.2 Ventilação e iluminação natural em galpões

De acordo comHunziker, (2001). A ventilçao natural é compreendida como a movimentação do ar para dentro e para fora através das ações atmosféricas naturais, fato este que pode proporcionar aos galpões reduções de custo energético e melhor conforto a edificação.

Segundo Mazon, Silva e Souza, (2006), as forças motrizes naturais provocam o chamado efeito chaminé, encontrado na diferença de temperatura entre o ar externo e o ar no interior do ambiente e pelas diferenças de pressão ocasionadas pela ação do vento.

A figura 2 apresenta um diagrama de ventilação natural em uma edificação exemplificando o efeito chaminé descrito a cima.

Figura 2 - Diagrama da ventilação natural. Fonte: Mazon (2006).

Mazon, Silva e Souza (2006), ainda define os conceitos de ventilação e iluminação natural como estrategias arquitetônicas sem emprego de equipamentos mecânicos, para melhorar as condições de conforto aos usuários das edificações, podendo citar como exemplo a utilização dos lanternins. 2.2.1 Entradas de ar em galpões

Segundo Bellei (1998), nos galpões as entradas de ar natural são obtidas através de aberturas que podem ser protegidas ou não da chuva, ou ainda podem ocorrer aberturas por meio de venezianas localizadas nas posições mais baixas possíveis dos galpões, favorecendo ainda a iluminação natural.

2.2.2 Saídas de ar em galpões

De acordo com Bellei (1998), o sistema mais eficiente para saída de ar em galpões é o lanternim, visto que, localiza-se na parte mais alta do galpão, devendo este ser projetado de maneira que impeça a entrada de chuva, ventos e retorno do ar quente como demonstra a Figura 3.

1- Vento 2- Saída de ar do galpão

3- Chuva

Figura 3 – Tiragem de ar pelo lanternim. Fonte: Bellei (1998).

2.3 Lanternim

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pressão de edificações com grandes coberturas e pé direito elevado, visto que esssas caracterizan-se por uma grande concentração de ar. BELLEI (1998). a figura 4 mostra uma exemplificação do lanternim.

Figura 4 – Aberturas laterais e de lanternim. Fonte: IBS/CBCA (2004).

Segundo Santos (1977), os lanternins de ventilação são empregados nos galpões onde há fonte de calor, poeira ou gazes, como o caso de siderúrgicas, fundições, etc. O sistema de lanternim consiste em estruturas que devido uma abertura na parte superior do galpão, onde é uma zona de autopressão, que mesmo na presença de vento beneficia a retirada do ar viciado de dentro do galpão. Para a ventilação acontecer é imprescindível a abertura para tomada de ar na parte inferior.

Para que haja o perfeito funcionamento do sistema de cobertura com lanternim, faz-se necessário, aberturas na parte inferior promovendo um sistema de circulação do ar como mostra a Figura 5.

Figura 5 - Galpão com tomada e saída de ar. Fonte: Bellei (1998).

Importante resaltar que a eficiência do sistema de ventilação natural ou troca de ar, depende que as dimensões de entradas de ar sejam iguais ou maiores que as de saída. BELLEI (1998).

Realçando as considerações sobre a importância das aberturas de entrada e saída de ar, observa-se a seguir duas situações, a primeira o galpão sem lanternim e com entrada de ar nas laterais, na segunda o galpão com lanternim e sem entrada de ar nas laterais, as Figuras 6 e 7 respectivamente,

demonstram o comportamento gerado pelo ar no interior do galpão.

Figura 6 – Galpão sem saída de ar. Fonte: Bellei (1998).

Figura 7 – Galpão sem tomada de ar. Fonte: Bellei (1998).

Em cada figura mostrada anteriormente, tem-se os gráficos representativos dos esforços causados pelo vento, o que ajuda no dimensionamento da estrutura, que depende principalmente da ação dos ventos e das aberturas existentes.

2.4 Ações nas estruturas

Conforme ABNT (2008), na análise de estruturas deve-se considerar a influência de todas as ações que possam produzir efeitos significativos para a estrutura. As ações que devem ser levadas em consideração serão ações permanentes, ações variáveis e ações excepcionais. De acordo com ABNT (2003, p. 51). Por definição, as ações são as causas que provocam esforços ou deformações nas estruturas.

Segundo ARAÚJO (2010).

ou com pequenas variações, como por exemplo, o próprio peso de elementos ou equipamentos permanentes na estrutura;

esforços durante a vida útil da construção, como por exemplo, forças de frenagem, impacto e centrifugação, efeito do vento e variações de temperatura;

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No dimensionamento de galpões as ações variáveis terão maior significância, visto que, a ação do vento causará pressões internas e externas na edificação. De acordo com a ABNT (1988). o coeficiente de pressão interna pode ser controlado pela distribuição de aberturas de ventilação em posições especificas e valores adequados nas paredes e cobertura, como por exemplo as cumeeiras com ventilação que reduzem a força ascesional sobre o telhado onde o mesmo é submetido a sucção.

Ao definir a finalidade da estrutura e as ações que lhe são impostas, pode-se dimensionar a mesma, realizando uma transferência de esforços entre os elementos estruturais de forma hierárquica até que chegue ao solo.

2.5 Ações do vento na estrutura

Um fator considerado importante para o dimensionamento de um galpão em estruturas metálicas é o efeito do vento. Considera-se o efeito combinado da rugosidade do terreno, da variação de velocidade do vento e altura da edificação ABNT (1988).

De acordo com Neto (2008), para definir as combinações das cargas de vento, é imprescindível informações de três parâmetros iniciais. Por primeiro determina-se a pressão dinâmica, que depende da velocidade do vento, a velocidade é determinada através do gráfico das isopletas, que determina a velocidade básica do vento para cada região do país. Segundo a ABNT (1988) os coeficientes de pressão são empregados em superfícies internas e superfícies externas, pois dependem da diferença de pressão das faces da edificação com a força do vento, onde os valores positivos dos coeficientes de pressão correspondem a sobrepressões, e valores negativos correspondem a sucções como mostra a figura 8.

Figura 8 Ação do vento nas estruturas. Fonte: Leão (2013).

Ainda de acordo com a ABNT (1988), a velocidade básica do vento para galpões até 80 metros de comprimento é considerada em uma rajada de três segundos, com média de ocorrência de uma vez a cada cinquenta anos. Estas variações de velocidade são observadas no gráfico das isopletas, como mostra a Figura 9.

Figura 9 - Gráfico das isopletas velocidade em metros por segundo. Fonte: ABNT (1988).

5.6 Ação do vento em galpões metálicos.

De acordo com Nunes (2008), apesar dos grandes avanços tecnológico no setor da construção civil, o efeito do vento sobre as estruturas ainda surge como um dos principais pontos de preocupação e investigação dos calculistas, o autor ressalta ainda que o vento não é geralmente uma ação condicionante em construções baixas e pesadas com paredes grossas; mas principalmente em estruturas esbeltas visto que pode trazer resutados significativos aos projeto de estruturas.

Ainda segundo Nunes (2008), a resistência de uma estrutura as ações do vento depende tanto das características da isopleta da região onde localiza-se a edificação, como das características dinâmicas da estrutura, ou seja, de suas frequências próprias e do seu amortecimento.

3 Metodologia

Para desenvolver este trabalho, inicialmente foi feita uma revisão bibliográfica sobre o tema proposto, através de pesquisas em normas, livros e apostilas. O projeto hipotético foi realizado para o município de Sinop – MT. De acordo com a localização do município do estudo foram utilizados os seguintes dados para compor o trabalho:

 Velocidade básica do vento 30 m/s mediante a isopleta da região;

 Fator Topográfico (S1): Terreno plano ou fracamente acidentado;

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obstáculos isolados, tais como árvores e edificações baixas;

 Classe da edificação A, como mostra a figura 10;

 Fator estátistico (S3): Grupo 3 - Edificações e instalações industriais com baixo fator de ocupação (depósitos, silos, construções rurais, etc).

Figura 10 – Descrição da classe de edificação. Fonte: Acervo próprio, 2014.

Para compor o estudo de casos, foi analisado um galpão padrão em estrutura metálica, com as seguintes dimensões:

 Quinze metros de comprimento;

 Dez metros de largura;

 Cinco metros de altura;

 Trinta e dois porcento de inclinação;

 Porta de entrada com trinta metros quadrados na face frontal;

 Três metros de distância entre os pórticos; Classificado ainda como vão simples com duas águas, como pode ser observado na figura 11. Foi variando apenas o sistema de cobertura e aberturas laterais para que possibilitasse comparar a influência das pressões do vento na estrutura.

Figura 11 – Galpão padrão. Fonte: Acervo próprio, 2014

Com auxílio de software Visual Ventos, foram inseridos dados iniciais ao programa como demonstra a figura 12 com intuito de verificar as combinações de esforços do vento e exporta-las para o software de calculo de estrutura metálica.

Figura 12 – Interface do software Visual Ventos. Fonte: Acervo próprio, 2014.

Foram dimensionados três variações do galpão padrão:

1: totalmente fechado nas laterais e fundo apenas abertura da porta na face frontal e com cobertura totalmente fechada, com uso de coeficiente de pressão interna (Cpi) igual a 0,70;

2: totalmente fechado nas laterais e fundo apenas abertura da porta na face frontal e com sistema de cobertura lantenim, com Cpi igual a -0,40;

3: fechado nas laterais com abertura de entrada de ar, com esquadrias e com sistema de cobertura lanternim, com Cpi igual a -0,40.

Os coeficientes de pressão interna definidos acima foram introduzidos ao software visual ventos, nas opções conforme mostra a figura 13.

Figura 13 – Determinação do coeficiente de pressão interna (Cpi). Fonte: Acervo próprio, 2014

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toda a estrutura desenhada e agrupada foi descrito o perfil de cada barra, as barras foram todas previamente dimensionada com o perfil mínimo para que o programa as dimensionassem de acordo com os carregamentos. O aço utilzado nos perfis laminados foi ASTM A-36 com a tensão de escoamento de 250 MPa e nas chapas de aço dobrado o CF-26 que tem a classe equivalente ao A-36, conforme BELLEI (2008), onde as barras foram dispostas da seguinte forma:

 Pilares em perfil I aço laminado;

 Banzos em chapas C de aço conformado a frio;

 Diagonais e montantes das treliças em perfil L de abas iguais em aço laminado distribuídas em duplas;

 Terças em chapas C de aço conformado a frio;

 Tirantes de contraventamento em barras trefiladas de aço laminado.

Os perfis utilizados para o dimensionamentos das diagonais apresentam em duplas de cantoneiras, a figura 14 mostra uma cantoneira de abas iguais.

Figura 14 – Perfil em forma de cantoneira com abas iguais. Fonte: SILVA V. P., (2012)

A partir do dimensionamento foi realizado um quantitativo de aço, empregados para cada situação. Para dimensionar a fundação foi utilizada uma tensão admissível do solo de 0,70 Kgf/cm², podendo assim no fim do dimensionamento também obter o quantitativo de aço. O tipo de fundação utilizada em todos os projetos foi a fundação direta do tipo sapata. Por fim foram criadas tabelas e gráficos para ajudar na análise comparativa do sistema estrutural mais eficiente e econômico, ou seja, para mostrar o resultado do tipo de galpão, que suportou melhor as solicitações impostas.

4 Análise de resultados

De acordo com as figuras de esforços gerados pelo software Visual Ventos, observa-se os carregamentos e pressões obtidos atraves do sentido e intensidade do vento que abrange o galpão, e em seguida o dimensionamento dos perfis da estrutura conforme as solicitações impostas pelos carregamentos.

A figura 15 mostra as combinações de esforços do vento resultantes para o galpão 1 em KN/m com as cargas de pressão do vento na situação mais desfavorável.

Observa-se o valor de 0,70 para o coeficiente de pressão interna (Cpi) do galpão fechado. A figura 16 demonstra o valor do Cpi igual a -0,40 para o galpão com lanternim sem aberturas laterais.

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Com os esforços do carregamento do vento e as ações permanentes e variáveis para as estruturas pode-se chegar aos seguintes resultados do tipo de aço utilizados para cada galpão, com suas possíveis séries, perfis adotados e o seu peso. A tabela 1 expressa o resumo de aço utilizado para o galpão 1.

Tabela 1. Resumo de aço galpão 1.

Tipo Aço Série Perfil Peso

(Kg)

Laminado Perfil I I-Am.254x37.70 2298.29

Cantoneiras L 44x44x3.2, 2x T L 38x38x3.2, 2x T L 51x51x4.8, 2x T L 64x64x4.8, 2x T L 38x38x6.4, 2x T L 203x203x15.9, 2x T

L 44x44x4.8, 2x T

202.91 437.46 248.40 83.78 52.45 1322.68 89.78 Dobrado Total Barra Trefilada

Perfil C C 200x50x3.80 B-3.97 C 175x55x6.00 C 200x50x3.42 C 100x50x2.66 C 100x40x2.66 18.86 514.37 1513.14 55.80 898.18 107.23 7843.32 Fonte: Acervo Próprio, 2014.

Observa-se na tabela 1 no perfil I que os pilares obtiveram largura de 254 milímetros. Já a tabela 2 do galpão com lanternim sem aberturas laterais para ventilação apresenta o pilar com 127 mm de largura.

(Kg)

Cantoneiras L 44x44x3.2, 2x T L 38x38x3.2, 2x T L 51x51x4.8, 2x T

202.91 646.85 155.66 Dobrado Total Barra Trefilada

Perfil C C 200x50x4.76 B-3.97 C 100x40x2.66 C 100x50x2.66 18.86 637.18 564.00 900.55 3978.92 Fonte: Acervo Próprio, 2014.

A tabela 3 exibe o resumo de aço para o galpão com lanternim e com aberturas laterais de ventilação, o qual apresentou um resultado de 3863,01 quilos de aço para sua supraestrutura.

(Kg)

Cantoneiras L 44x44x3.2, 2x T L 38x38x3.2, 2x T L 51x51x4.8, 2x T

202.91 646.85 155.66 Dobrado Total Barra Trefilada

Perfil C C 200x50x3.80 B-3.97 C 100x40x2.66 C 100x50x2.66 C 100x50x3.04 18.86 514.37 538.27 900.55 32.63 3863.01 Fonte: Acervo Próprio, 2014.

A figura 18 demonstra a relação do peso de aço em quilos empregado em cada tipo de galpão para o estudo de caso.

0,00

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7.000,00

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GALPÃO 1 GALPÃO 2 GALPÃO 3

PESO DE AÇO (kg)

Figura 18 – Gráfico de quantitativo de aço. Fonte: Acervo próprio, 2014.

Vale ressaltar que os resultados obtidos foram para região de Sinop-MT com isopleta de 30m/s.

5 Conclusão

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de aço utilizado no galpão com abertura de lanternim e laterais fechadas é apenas 50,73% do total utilizado no galpão sem aberturas de ventilação. Já o galpão com lanternim e com ventilação lateral apresentou uma economia de 2,91% no quantitativo total de aço, comparado ao galpão com lanternim e sem aberturas para ventilação lateral.

Observou-se também, variações no perfil metálico para o galpão sem aberturas de ventilação que apresentou grande seção quando comparado aos demais. Visto que, o galpão 1 solicitou para os estados de carregamentos impostos uma largura de pilar de 25,4 cm o dobro do demais galpões com valores de 12,7 cm.

Analisou-se nas chapas de aço em perfil C da tabela 2 pertencentes aos banzos a espessura de 4.76 milímetros, já na tabela 3 que representa o galpão 3 a maior espessura para os banzos foi de 3,88 mm, o que demonstrou o alívio de carregamento na estrutura.

O estudo demonstrou que os métodos de ventilação natural como o lanternim e as aberturas nas laterais para galpões metálicos podem proporcionar uma melhor distribuição de permeabilidade nas paredes e coberturas, favorecendo assim os valores de coeficientes de pressões interna, contribuindo ainda para resultados satisfatórios no dimensionamento da obra.

Vale ressaltar ainda, que em virtude do mercado competitivo o custo da obra de construção civil torna-se um fator decisivo para a escolha do melhor sistema estrutural, aliado ainda aos aspectos fundamentais de segurança e durabilidade.

Como sugestão para trabalhos futuros poderiam ser realizados novos estudos variando as posições e alturas das aberturas, assim como sua área, ou ainda as estruturas de contraventamento associadas aos variados espaçamentos dos pórticos com intuito de verificar as taxas de consumo de aço e o número de fundações.

Agradecimentos

Aos meus pais Marilda Comiran Gessi e Milton Gessi, que sempre estiveram me apoiando em todos os momentos.

Aos meus amigos que participaram dessa caminhada e formação.

A minha orientadora e amiga Kênia Araújo de Lima. A todos meus familiares.

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