Arquitetura e Urbanismo Morfologia e Concepção Estrutural – Profª Patrícia Moura
Trabalho Final Estruturas de Madeira
Grupo: Pâmela de Oliveira Peck Aline Justo Gomes Alessandro Bocca
Apresentação do Sistema Escolhido A madeira é um dos materiais estruturais mais antigos usados pelo homem.
1
2
3
1 e 2‐ Cidade Proibida, na China: Construída entre 1406 e 1420, é a maior coleção de antigas estruturas madeira preservadas do mundo. 3: Castelo de Himeji, no Japão: Sua construção teve início em 1346. Todo em madeira e com os acabamentos em alvenaria, é uma das estruturas mais antigas ainda existentes do Período Sengoku.
4 4: O Horyu-ji: Templo Budista situado Ikaruga na cidade de Nara no Japão, do ano 701.
E muitas localidades ainda optam por ligar pequenos vãos com estruturas de madeira pela abundância da matéria prima na região, o que diminui custos. Na construção de pontes, o material permite atingir vãos de 100 metros ou mais.
Principais vantagens das Estruturas de Madeira É renovável, abundante e altamente sustentável na natureza; Possui elevada resistência em relação a sua baixa massa específica; Excelente isolante térmico e acústico: Especialmente quando usada em janelas, portas e pavimentos. Inerte, mesmo quando está exposta a ambientes químicos. Segurança: A madeira não oxida. O metal quando é levado a altas temperaturas pela ocorrência de fogo deforma‐se, perdendo a função estrutural. Baixa demanda de energia para produção. Pode ser reutilizada, por várias vezes. Tem custo relativamente baixo. Facilidade de trabalho e união das peças: Depois de serrada, quando utilizada como estrutura de uma edificação ela funciona como um elemento pré‐moldado, de fácil montagem. Com a madeira, basta levantar e encaixar os pilares. A montagem do sistema dispensa fôrmas e tem baixo desperdício de matéria‐prima.
Possíveis desvantagens: Possui variações transversais e longitudinais devido à variação da umidade; É combustível, particularmente na forma fragmentada, como gravetos e lascas;
É relativamente vulnerável ao ataque de insetos e fungos, se não for tratada adequadamente; Possui composição heterogênea (variada) e anisotrópica (que apresenta propriedades como a velocidade de transmissão da luz, a condutividade de calor ou eletricidade, compressibilidade, com valores diferentes, ou que assume posições diferentes em resposta à ação de estímulos externos);
Características da Madeira Importantes na Escolha para a Construção Estrutural: As espécies de madeiras mais utilizadas em estruturas no Brasil são: Peroba Rosa, Ipê, Eucalipto, Pinho, Jatobá, Maçaranduba, Garapa, Cumaru, Aroeira e Itaúba. A resistência da madeira depender da sua espécie, não passa por processos de fabricação que fortaleçam sua resistência.
RESISTÊNCIA Rigidez e Elasticidade ‐ É mais dura e resistente quando está seca, com baixa umidade. ‐ A madeiras duras são mais densas e pesadas. Resistem mais ao tempo, pois tem fibras tão trançadas que a água quase não consegue penetrar e os insetos não conseguem corroê‐las. ‐ Quando está úmida, fica muito flexível. Se o grau de umidade estiver acima de 20% pode tender ao empenamento. A umidade ideal pra madeira na estrutura é de 12% a 18%.
Comportamento Estrutural Vigas de madeira tem: Grande resistência à tração. Resistência mecânica a esforços de compressão. Resistência à tração na flexão e a choques e cargas dinâmicas para absorção de impactos. É possível vencer vãos razoáveis com peças mais esbeltas do que se a estrutura fosse feita em concreto armado.
Fatores que demonstram necessidade de um projeto bem detalhado da estrutura no caso de adoção da madeira: As peças estruturais de madeira geralmente têm dimensões de somente até 6 metros de comprimento. A junção de peças ou associação da madeira a peças metálicas permite que grandes vãos sejam vencidos com as peças disponíveis no mercado. Exemplo: Como nas tesouras dos telhados, ou como nas vigas‐vagão:
Tesouras.
Vigas‐vão. Para maiores dimensões podem‐se utilizar as vigas laminadas ou as vigas compostas, formadas por uma associação de lâminas de madeira ou vigas menores também de madeiras coladas.
EFEITOS DESTRUTIVOS SOBRE AS ESTRUTURAS DE MADEIRA Água e umidade A deterioração das peças por exposição à umidade é uma das principais causas de colapso nas estruturas de madeira. Pode molhar, mas não pode acumular umidade: Peças úmidas atraem fungos apodrecedores, insetos xilófagos, causam amolecimento das fibras e reduzem a resistência da madeira. Pode ficar em contato direto com a água, mas o que a danifica é o constante processo de umedecer e secar, que propicia a proliferação de fungos. A umidade pode causar envergamento ou pequenas fissuras nas peças, quando a face de uma delas secar mais rápido que a outra, por estar virada para o sol, esta tende a encolher. A madeira úmida (acima de 20%) tende a ser atacada mais facilmente por fungos e insetos. Não é recomendável para as construções de madeira em subsolos, por causa da excessiva umidade destas áreas.
Recursos de prevenção: Usar madeira seca. Em áreas descobertas, a cada três anos aplicar acabamentos de alta proteção como stain e verniz com filtro solar,
Usar a espécie correta para cada tipo de aplicação. Evitar contato direto com a terra nas fundações. Proteger a face das peças expostas à umidade com um rufo.
Afastar os pilares do solo, apoiando‐os em sapatas de concreto.
Manta de borracha ajuda na impermeabilização. Uso de beirais nas lajes ou telhados.
Agentes Biológicos: Fungos Consequência da exposição da madeira à umidade, são causa frequente de deterioração das estruturas de madeira, e acarretam ruptura parcial ou total das estruturas. Destacam‐se: fungos de podridão; térmitas e carunchos. Tratar a madeira é indispensável para peças em posições sujeitas a variações de umidade e de temperatura favoráveis ao desenvolvimento destes agentes externos.
Fogo Um projeto bem feito de elétrica reduz consideravelmente os riscos de incêndios nas construções de madeira. Em uma construção bem feita, o risco do fogo é pequeno e muitas vezes as estruturas de madeira resistem durante muito mais tempo antes de entrarem em colapso do que as tradicionais estruturas metálicas treliçadas de cobertura, que derretem em questão de minutos.
Danos Causados por Esforços Falha por Ação da Flexão: A falha por flexão, chamada “flecha”, ocorre em estruturas de madeira mal dimensionadas, é quando a peça curva pra baixo. Normalmente acontece por excesso de carga na peça e pode ter três estágios: Flecha pura e simples: a peça embarriga, porém permanece torta, sem dano estrutural algum, apenas estético. Falha na face superior das vigas onde ocorre a compressão das fibras, é mais rara e geralmente não causa o colapso da peça. O mais grave é a falha na parte inferior da peça causada pela tração das fibras inferiores. Acontece por causa da tração das fibras, a peça é “rasgada” (cisalhamento), causando uma fratura irreversível. Solução: Aumentar espessura e/ou altura da peça.
Flambagem lateral: Ocorre quando a relação entre base e altura da peça é desproporcional e a madeira entorta lateralmente. A peça muito fina e muito alta acaba encanoando pra face mais larga, porque a base não é grossa o suficiente pra conter a tortura da madeira. Esta fissura está também ligada ao comprimento da peça: quanto mais comprida, mais ela tende a flambar lateralmente. Solução: ‐ Aumentar a espessura da peça (ou diminuir a altura); ‐ Travar a peça pela lateral em um intervalo de medidas regulares.
Cisalhamento Horizontal: É quando aparecem fissuras horizontais nas vigas que causam perda de resistência das peças de madeira. É como se a parte superior da peça descolasse da parte inferior, fazendo com que elas deslizem e assim aumentando a deformação. A fissura normalmente ocorre próxima dos apoios, na zona de maior carga cortante. E por essa razão não basta colocar uma viga em cima da outra pra vencer um vão maior, pois vão escorregar entre se deformar igualmente. Solução: ‐ Correto dimensionamento das vigas. ‐ Em vigas duplas deve‐se usar parafusos, anéis metálicos ou adesivo estrutural para fazer a união entre a peça superior e a inferior, de modo a zerar o escorregamento entre elas.
Exemplos de grandes estruturas de madeira: Ponte Flisa ‐ A maior ponte de madeira do mundo “A ponte FLISA, na Noruega, tem sido um marco no âmbito da estrutura de madeira mundial, pois com ela foi possível mostrar a todos a madeira como uma solução estrutural para pontes de tráfego intenso, além de ser uma opção ecológica. Com ela foi possível também provar que a madeira é um material altamente competitivo contra o aço e o concreto em relação à estética, durabilidade e preço. Foi utilizada a madeira laminada colada e madeiras serradas de curto comprimento para o caminho da ponte”. ANO DE CONSTRUÇÃO : 2002 – 2003 / LARGURA : 71,0 m; COMPRIMENTO : 196,0 m QUANTIDADE DE MADEIRA UTILIZADA: 900,0 m³ / QUANTIDADE DE AÇO UTILIZADO PARA A BASE: 200,0 toneladas. estruturasdemadeira.blogspot.com.br
O Richmond Olímpic Oval: A maior estrutura dos Jogos Olímpicos de Inverno Vancouver 2010
Viaduto de madeira em Zapallar, na costa central do Chile.
Ponte sul Fiume Tordino, Itália.
Sobre a Maquete O sistema estrutural utilizado para a confecção da ponte foi o de treliças ‐ tipo viga simples, treliças apoiadas ‐ que baseia‐se na transferência de cargas e contraventamento dos montantes, resultando em um sistema estável, evitando flambagem ou encanoamento. “Treliças de madeira Um sistema construtivo de estruturas de madeira muito tradicional é o treliçado, amplamente utilizado em coberturas, tanto residenciais como industriais, e em muitos casos em pontes (PFEIL, 2003). 19 A principal característica das treliças é que nas diversas barras que compõe a sua estrutura há a alternância entre esforços de tração e compressão apenas, variando quanto a um ou outro de acordo com a disposição do carregamento da estrutura e o modelo de treliça que foi adotado. Existem diversos tipos construtivos de treliças, embora todas sejam constituídas por barras unidas entre si pelos chamados nós”. A maquete foi feita com base dupla, com encaixes, onde os os montantes foram encaixados em rebaixos, reforçando sua ancoragem. Foi montada com base em uma produção normal, de peças que se encontram no mercado, cujas dimensões são encaixadas nos padrões comerciais. A ponte tem 8m de comprimento x 1,60m de largura externa. De passagem livre tem 1,45m, de vão livre em altura possui dois metros e dez. Os montantes utilizados remetem a uma dimensão de caibros com oito metros de comprimento, vinte centímetros de altura com oito centímetros de espessura.
Cargas incidentes Cargas Permanentes: Peso próprio da estrutura: 800g. Simulando escala real esta mesma ponte teria entre 550kg e 600kg. Cargas acidentais: São cargas variáveis que atuam na estrutura em função de seu uso, neste caso por pessoas e ventos. (NBR 7190 (ABNT, 1997).
Tipos de Solicitações Tração, compressão, flexão e cisalhamento, conforme indicado na figura abaixo:
Cisalhamento devido aos veios da madeira. Não dimensionada para a torção. Dimensionamento das Peças: Palitos: 1. As dimensões dos palitos de picolé são aproximadamente: 115mm de comprimento, 2 mm de espessura e 8,4mm de largura. (A= 1.932 mm³) 2. A resistência à tração do palito é de 90kgf ou 882,9N. 3. A resistência à compressão de um palito de 110mm de comprimento é de 4,9kgf ou 4. 48,07N. Sarrafos de cedrinho: 1. As dimensões dos sarrafos de cedrinho: 210mm de comprimento, 7 mm de espessura e 20 mm de largura. (A= 29.400 mm³) 2. Fator obtido através 29.400/1.932=15,22 3. A resistência à tração estimada é de 684,9kgf ou 6720N. 4. A resistência à compressão de um sarrafo de 210mm de comprimento é de 37,30kgf ou 365,7N. Informação: Segundo a NBR 7190 (ABNT, 1997) a resistência à compressão característica na direção paralela às fibras para madeiras de Eucalyptus grandis, é levantada pela resistência de calculo igual a 40,3 Mpa. Fazendo um comparação ao concreto, utilizamos como base nas construções, segundo a NBR 6118/03, um concreto C20 de fck = 20 Mpa.
Segundo a mesma norma, a resistência à compressão característica na direção paralela às fibras para madeiras de cedro doce é de 31,50 Mpa. Treliça: 100kgf na terra ‐‐‐> 100kg ou 100.10m/s² = 1000N. Cada sarrafo suporta de compressão 37,30 kgf, ou seja 37,30 kg. No sistema estrutural de treliças, as flechas ficam nulas, permitindo concluir que esta carga deverá ser suportada a cada 190mm, medida limite segundo a norma para entre nós da treliça, concluindo que: a ponte de 80 cm dividido por 19cm do vão limite: 80/19= 4,2 (índice). Calculando: R sarrafo= 37,30 x 4,2 = 156,66 kgf Concluindo que a maquete da ponte de palitos e sarrafos tem a propriedade de suportar uma carga de 156,66kgf, ou seja, 156kg. Levando em conta uma margem de segurança de 20 % do limite a ser suportado: 156 Kg – 20% = 124,80 kg
Teste de carga: Peso 80kg distribuído de forma uniforme sobre o sistema de treliça:
Conclusão sobre o trabalho No Brasil, as pontes de madeira perderam a confiança dos usuários por apresentar muitos problemas devido à inexistência de um projeto e de técnicos habilitados para a construção das mesmas. Atualmente manuais, livros e artigos são publicados para disseminar a utilização da madeira como elemento estrutural em diversos tipos de estruturas, e as pontes de madeira vêm ganhando espaço em estradas rurais por todo país, principalmente em localidades onde a matéria prima é abundante. Com este intuito escolhemos, este sistema estrutural com parâmetros construtivos para pontes de madeira com vãos de oito metros, e faixa de passagem de um metro e meio para passagem de pessoas conforme a classe única, segundo a norma. O sistema de treliças utiliza sarrafos modulares como vigas principais, reduzindo o peso e aumentando a eficiência e, por serem modulares, as peças podem ser pré‐fabricadas e montadas no local da obra, facilitando o transporte e melhorando a qualidade da estrutura como um todo. O sistema apresenta vantagens e desvantagens conforme itens e estudos já apresentados, nos quais destacamos a disponibilidade de matéria prima, transporte e mão‐de‐obra, que são facilitadores, aumentando a viabilidade dos projetos. O trabalho realizou o dimensionamento de um sistema para estruturas de pontes de madeira. Permitiu observar que é confiável e realmente funciona, no entanto, a viabilidade de cada um deles depende também da forma de como será realizado o transporte, da disponibilidade dos materiais e da mão de obra de cada região. A partir do dimensionamento para o sistema treliçado, observou‐se que para uma ponte com uma faixa de passagem e oito metros e vão para um carregamento classe única, precisaria de madeira classe compatível conforme a norma e no mínimo 4 módulos de treliças.
Referências: Matéria “A madeira é excelente par grandes estruturas”, do site madeiraambiente.com.br. Disponível através do link: madeirambiente.com.br/madeira‐grandes‐estruturas/. Matéria “Saiba usar madeira na estrutura”, do site casa.abril.com.br. Disponível através do link: casa.abril.com.br/materia/saiba‐usar‐madeira‐na‐estrutura. Trabalho “Estruturas de Madeira”, dos alunos Robson Schneider e Phelipe Luiz Damasceno Araújo, da cadeira Introdução a Engenharia Civil, do curso de Engenharia Civil na Instituição CEULP. Disponível através do link: www.ebah.com.br/content/ABAAAAdx8AA/trabalho‐estruturas‐ madeira?part=4 Matéria “A casa de madeira, e as técnicas construtivas”, do site madeiramabiente.com.br Disponível através do link: madeirambiente.com.br/casa‐de‐madeira‐tecnicas/ Matéria “A maior ponte de madeira do mundo”, do site madeiraestrutural.wordpress.com Disponível através do link: madeiraestrutural.wordpress.com/2009/05/30/a‐maior‐ponte‐de‐ madeira‐do‐mundo/. Matéria “Utilização de madeira na construção – vantagens”, do site madeiraestrutural.wordpress.com. Disponível através do link: madeiraestrutural.wordpress.com/2009/05/12/vantagens‐do‐uso‐da‐ madeira‐como‐material‐estrutural/ Trabalho “Estrutura de Madeira”, disponível através do link: www.trabalhosgratuitos.com/Outras/Diversos/Estrutura‐De‐Madeira‐25603.html Materiais de blogues: madeiraestrutural.wordpress.com/tag/estrutura‐de‐madeira/page/3/ estruturasdemadeira.blogspot.com.br/ estruturasdemadeira.blogspot.com.br/2007/03/flisa‐bridge‐maior‐ponte‐de‐madeira‐do.html estruturasdemadeira.blogspot.com.br/2012/03/escolha‐da‐madeira.html
