Estrutura Metálica para Telhados Com Telhas Cerâmicas

“Estrutura Metálica para Telhados Com Telhas Cerâmicas”


Alunos: Cleucir Vidi e Gabriel D. Rugini
Professor (a): ZACARIAS M. CHAMBERLAIN. PRAVIA
Disciplina: Estruturas de aço


Passo Fundo, novembro de 2009.





SUMÁRIO


1. Estrutura Metálica para Telhados Com Telhas Cerâmicas 3
1.1. Materiais 6
1.2. Projeto 8
1.3. Soluções estruturais 10
1.4.Travamento e contraventamento 13
1.5. Método mais utilizado 14
2. O sistema passo a passo 16
2.5. Montagem das tesouras 17
2.6. Colocação do forro 17
2.7. Colocação da manta 18
2.8. Colocação das telhas 18
3. Bibliografia 23









1. Estrutura Metálica para Telhados Com Telhas Cerâmicas
A flexibilidade a qualquer projeto e tipos de telhas (cerâmica, concreto, shingle, onduladas, etc.). Caibros, ripas, pontaletes e cumeeiras de madeira foram totalmente substituídos por perfis de aço galvanizado.


Por causa das dificuldades de fabricação no canteiro de obras os componentes de ESTRUTURAS DE TELHADOS (Steel Truss) são produzidos em empresas especializadas para este tipo de produto permitindo assim uma maior produtividade na elaboração dos sistemas e a padronização e disponibilização para o uso no mercado.
A cobertura destina-se a proteger as edificações da ação das intempéries. Pode ser vista também como um dos elementos de importância estética do projeto, merecendo, por isso, materiais que atendam tanto ao desempenho técnico como às exigências arquitetônicas.
Detalhes arquitetônicos são perfeitamente atendidos por este sistema: várias águas, mansardas, nichos, alçapões para manutenção de caixa d’água e boiler, janelas, chaminés e outros. Nos beirais ou tabeiras, o aço pode ser pintado eletrostaticamente em diversas cores ou ocultado por um forro.
Os perfis são parafusados entre si, formando uma estrutura rígida e, ao mesmo tempo, leve. Os cortes precisos e as fixações com parafusos auto-perfurantes são facilmente executados por ferramentas elétricas leves (esmerilhadeira e parafusadeira).
A proteção que a camada de zinco proporciona ao aço pode superar 20 anos, de acordo conforme norma americana ASTM B.633, mesmo no litoral. Se esta camada sofrer cortes ou riscos, os cristais de zinco recobrem o local danificado – este fenômeno é chamado de proteção “catódica” ou “por sacrifício”. Quanto ao valor, é equivalente ao da madeira de boa qualidade.
O fim das preocupações com cupins e empenamentos da madeira é também um forte argumento para a utilização deste sistema.
A definição da cobertura da edificação depende, entre outros fatores, de: dimensões dos vãos que deverão ser vencidos; ações da natureza; opções arquitetônicas e estéticas; condições locais e a relação custo-benefício.
De um modo geral, os elementos das coberturas são: 1) vedação propriamente dita (telhas), que pode ser de diversos materiais; 2) a armação ou conjunto de elementos que dão suporte à cobertura, como as ripas, caibros, terças, tesouras, treliças, elementos de contraventamento; 3) o sistema de escoamento das águas pluviais, como condutores, calhas e rufos.
Construtivamente, as coberturas próprias com treliças metálicas, possuem as mesmas características e princípios das estruturas convencionais. Portanto, podem ser utilizadas com telhas metálicas, cerâmicas, fibrocimento e shingle, entre outras.
As coberturas metálicas, por sua leveza e versatilidade, podem ser utilizadas em edificações de sistemas construtivos tradicionais e são capazes de vencer grandes vãos, inclusive podem ser empregadas em galpões e edificações de usos gerais de serviços.
A estrutura da cobertura deve suportar, além de seu peso, o peso da vedação, forros suspensos, mantas térmicas ou acústicas, ações devidas ao vento, os equipamentos e as instalações que nela se apoiam, além da sobrecarga de pessoas quando a cobertura estiver em manutenção periódica. A norma "NBR 8800 - Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto de Edifícios" prevê que, se nenhum outro valor mais específico puder ser avaliado, deve ser considerada uma sobrecarga de 0,25 kN/m² na área projetada da cobertura, para atender também eventual empoçamento de água em função dos caimentos. Devem ser levadas em consideração, ainda, no dimensionamento dos elementos estruturais, as ações decorrentes do processo construtivo ou de montagem.

Fig1: Estrutura de cobertura em steel
frame para edificação convencional
1.1. Materiais
Para executar estruturas de coberturas metálicas utilizam-se os mesmos perfis de aço galvanizado empregados na estrutura das paredes, que são os perfis U e Ue, com alma de 90 mm, 140 mm ou 200 mm de altura.
O conceito de alinhamento das cargas, empregado na execução do restante da estrutura da construção, deve valer também para a cobertura. Os perfis metálicos devem se posicionar entre si de tal forma que gerem o mínimo de excentricidade e transmitam as ações citadas sem gerar efeitos substanciais de segunda ordem. Para tanto, construtivamente, os perfis que compõem a tesoura, treliça ou conjunto de caibros devem ter suas almas alinhadas às almas dos montantes das paredes que as suportam, para que os esforços não produzam efeitos não avaliados no dimensionamento.

Fig2 : Apoio em madeira de fibra orientada para sustentação de telhado cerâmico


Fig3 : Treliças inclinadas para sustentação do telhado, com telhas cerâmicas parafusadas.

Fig4: Cobertura estruturada com caibros
1.2. Projeto
Em geral, os telhados são a solução mais comum para a cobertura de edificações steel frame. São constituídos por uma ou mais superfícies, que podem ser planas, curvas ou mistas. As coberturas em planos inclinados, denominadas popularmente de "águas", podem ter apenas um plano único (uma água) ou vários planos interseccionados formando um sistema complexo adequado às funções técnica e estética da construção. Os telhados inclinados possuem também a capacidade de criar uma proteção térmica, pela presença da camada de ar (colchão de ar) entre a cobertura e a laje ou o forro.
As coberturas inclinadas com steel frame seguem a concepção estrutural do telhado convencional de madeira, substituída, nesse caso, por perfis galvanizados. Os telhados concebidos com planos inclinados podem ser estruturados em tesouras convencionais ou por um conjunto de caibros.
Os telhados metálicos inclinados podem receber vários tipos de telhas. No caso de telhas cerâmicas ou shingles, é necessário um apoio contínuo, geralmente de madeira de fibras orientadas (OSB), com manta protetora de impermeabilização. Quando utilizadas telhas metálicas, estas podem funcionar como diafragmas, melhorando a rigidez do sistema estrutural da cobertura. Além disso, permitem que o espaçamento dos caibros seja maior, pois as telhas metálicas vencem vãos maiores.
Em telhados executados com caibros, geralmente utilizam-se perfis U ou Ue, cortados e montados no local da obra. Essa opção é interessante, pois se obtém certa economia em relação à tesoura, por utilizar menor quantidade de elementos de aço. Contudo, dependendo da combinação de alguns fatores como vão e ações, podem-se utilizar perfis duplos para compor a seção transversal dos caibros ou, ainda, empregar pequenas treliças inclinadas.
Fundamentalmente, os caibros, semelhantemente ao posicionamento em um telhado convencional de madeira, apoiam-se numa extremidade na cumeeira e, no caso do sistema estrutural metálico, nos painéis portantes que, por sua vez, transmitem as solicitações da cobertura à fundação. A diferença de nível desses apoios gera a inclinação do caibro, tendo-se, então, que estabelecer a altura da cumeeira em função do vão, dos painéis, do tipo de telha e outras condições de projeto.
Dependendo do projeto, os painéis internos podem auxiliar na sustentação dos caibros introduzindo-se escoras. Por sua vez, a cumeeira pode ser um painel estrutural contínuo ou, mais comumente, uma viga de perfil U ou Ue. No caso do apoio do caibro no painel, utilizam-se, comumente, enrijecedores de alma e cantoneiras aparafusadas às guias, e nas ligações entre os caibros e a cumeeira, cantoneiras aparafusadas à alma desses perfis. Quando o telhado possui mais de duas águas, o encontro de diversos painéis inclinados gera, no projeto, espigões e rincões, montados a partir de perfis U e Ue.
Os caibros devem ser contraventados, pois não possuem rigidez lateral suficiente para resistir às ações do vento. Esse sistema de contraventamento dos caibros fornece uma rigidez adicional à estrutura do telhado como um todo. Podem-se utilizar perfis U, Ue, fitas de aço galvanizadas e placas que introduzam o efeito de diafragma. As uniões desses elementos devem ser dimensionadas e projetadas para que, entre outras situações, não ocorram perdas de estabilidade locais dos perfis, principalmente nas fixações nas mesas entre caibros e vigas, e não atinjam situações limites nas verificações das ligações aparafusadas.

1.3. Soluções estruturais
A solução mais comum nas coberturas de residências e pequenos galpões são as treliças inclinadas, geralmente conhecidas como tesouras. Dependendo das condições do projeto, as tesouras podem possuir diversas conformações para atender às ações e às flechas pertinentes a cada projeto.
As tesouras possuem a vantagem de serem capazes de vencer grandes vãos sem apoios intermediários, com grande economia de material. As tesouras de metálicas têm substituído as de madeira pela rapidez de instalação, regularidade dimensional, resistência e leveza dos elementos estruturais, além de serem imunes aos ataques de insetos e fungos.
As tesouras podem ter várias formas treliçadas que são adotadas pelo projetista, levando-se em consideração fatores estéticos, estruturais, culturais, de disponibilidade de materiais e mão-de-obra, entre outros.
As tesouras podem ser do tipo Howe, Pratt, Fink, N, N invertido, K etc. As tesouras metálicas podem ser tanto pré-fabricadas e transportadas prontas quanto serem montadas no local da obra. As tesouras pré-fabricadas, estimulando a racionalização da obra que o sistema oferece, possuem a vantagem de ter maior precisão dimensional e implicam menor tempo de trabalho no canteiro. Em contrapartida, as tesouras fabricadas "in loco" podem necessitar de grande espaço para montagem e pessoal especializado na obra para esse tipo de fabricação.
A tesoura é uma estrutura estável aos esforços verticais se esses forem introduzidos nos nós. Assim, as barras só estão sujeitas a esforços axiais, uma vez que a tesoura (treliça) é concebida com nós articulados.
No sistema de coberturas com perfis metálicos, as tesouras possuem seus elementos estruturais em perfis Ue e, basicamente, são constituídas pelo: banzo superior (que possui a inclinação do plano da cobertura definida pelo projetista em função dos fatores já mencionados); banzo inferior (que geralmente é horizontal e pode permitir a sustentação do forro); montantes (que são os elementos estruturais da tesoura instalados na posição vertical ligados nas extremidades aos banzos); o montante central (que recebe o nome de pendural) e diagonais (que são os elementos inclinados em relação aos montantes e vinculam-se aos banzos superior e inferior). Nas tesouras em steel frame introduzem-se, ainda, os enrijecedores de apoio, para auxiliar na transmissão dos esforços e impedir a flambagem local dos banzos.
Um modo comum de executar as ligações dos perfis da tesoura é fazê-las no mesmo plano, aparafusando-os numa chapa Gusset que, construtivamente, permite que os eixos dos perfis coincidam no ponto que representa o nó. Outra maneira de efetuar uma ligação é unir as diagonais e montantes aos banzos, aparafusando-os pelas almas, deixando assim a abertura da seção dos banzos para um lado, e as das diagonais e montantes abertas para o lado oposto.
Os beirais perpendiculares às tesouras são normalmente constituídos pelo prolongamento dos banzos superiores além do apoio mais baixo (geralmente o painel estrutural), gerando o beiral do telhado. As bordas desse banzo superior são arrematadas com um perfil U que funciona como sanefa. O painel de fechamento do oitão, para fechamento de telhados de duas águas, segue a necessidade geométrica estabelecida pela inclinação do telhado e o prolongamento do beiral. No oitão, utilizam-se perfis Ue como ripas e prolongam-se o tanto permitido pelo cálculo estrutural para a formação do beiral. Esse beiral sobre o oitão também pode ser construído, quando há necessidade de maior projeção, com um painel semelhante ao das paredes instalado inclinado.
Telhados com quatro águas ou com interseção de planos inclinados podem ser construídos de vigas e caibros, painéis ou com tesouras auxiliares. No caso de vigas e caibros , seguem-se as considerações feitas anteriormente para esse tipo de estruturação. Para o caso de uso de painéis, a interseção dos planos inclinados se faz com espigões compostos por perfis U e Ue. No caso de utilizar a tesoura para concepção do telhado de quatro águas, deve-se formar uma seqüência de tesouras auxiliares com alturas diferentes tais que sugiram a conformação das águas do telhado, respeitando as inclinações necessárias, apoios de terças, cumeeiras e outros elementos que compõem esse tipo de cobertura.

Fig5 :Beiral executado com o prolongamento do banzo superior das tesouras;


Fig6 : Telhado de quatro águas com composição de caibros


Fig7 ; Telhado de quatro águas com tesouras auxiliares

1.4.Travamento e contraventamento
Cada tesoura, individualmente, é instável lateralmente, por isso é necessário introduzir travamentos e contraventamentos de maneira a formar um conjunto rígido. O contraventamento inadequado da cobertura pode causar várias patologias à estrutura, podendo levá-la ao colapso. Se bem dimensionado e executado, o contraventamento assegura a estabilidade da estrutura durante a sua montagem e uso na sua vida útil. Aliás, o contraventamento interfere não só no comportamento da estrutura como também nos elementos estruturais secundários, telhas, apoios, forros e instalações sustentadas pela cobertura.
O contraventamento deve atuar de maneira que as tesouras do telhado trabalhem como uma estrutura única e possibilite resistir e absorver as solicitações aplicadas às estruturas dentro dos limites estabelecidos por norma, tanto para os esforços como para as deformações.
O contraventamento lateral é composto por perfis U e Ue que são fixados a tesouras paralelas e podem auxiliar também na resistência dos banzos, pois, coerentemente instalados, podem diminuir o comprimento de flambagem das barras, servindo também na transmissão de esforços, especialmente aqueles gerados pela ação do vento.
A instalação dos contraventamentos é para também absorver os efeitos de torção que a estrutura como um todo pode observar a partir de ações como vento, variações de temperatura entre outras e gradientes de esforços entre estruturas e subestruturas.
Para garantir a estabilidade do conjunto no plano do banzo inferior das tesouras, dimensiona-se um contraventamento com fitas metálicas galvanizadas diagonais. Esse contraventamento tem a função de impedir o deslocamento das tesouras e é também importante para manter o alinhamento desejado entre as paredes da edificação.
Inicialmente, as tesouras de telhado são concebidas como estruturas (treliças) planas sujeitas a ações. Portanto, não possuem rigidez suficiente para resistir a pequenos esforços ou perturbações que gerem deslocamentos laterais que originem efeitos de segunda ordem.
1.5. Método mais utilizado
A COSIPA utiliza um método onde a estrutura do telhado é executada com perfis “C” de 100 x 40 x 20 x 1,95 mm (chapa n.º 14), dos quais são feitas tesouras simples, unindo-se as peças com parafusos de cabeça sextavada de 5/16" x 3/4" UNC-RI, arruelas em ambos os lados e porcas.As tesouras são montadas sobre as paredes, sendo apoiadas diretamente sobre os pilares a cada 1.220 mm e fixadas com parafusos de cabeça sextavada de 5/16" x 3/4" UNC-RI, arruelas em ambos os lados e porcas.
As terças são executadas com perfis especiais, tipo “U” , de 100 x 25 x 1,95 mm. Os perfis são fixados às tesouras com parafusos auto-atarraxantes galvanizados de 6,3mm e 35mm.
A estrutura do forro é executada com perfis, tipo “cartola” de 50 x 50 x 1,95 mm. Os perfis “cartola” são fixados às linhas das tesouras com parafusos auto-atarraxantes galvanizados de 6,3 x 35 mm. Este sistema foi utilizado no Projeto de habitação popular da COSIPA


Fig7: Projeto Habitacional COSIPA
A Casa Cosipa é um projeto habitacional para a construção de moradias populares com estrutura de aço. A grande vantagem do projeto é o prazo, conforme explica o arquiteto e coordenador do Núcleo do Aço na Construção Civil da siderúrgica, Roberto Inaba. Enquanto o prazo para construção da Casa Cosipa fica entre 6 e 10 dias, para uma casa convencional são necessários cerca de 40 dias. O custo da construção é aproximadamente o mesmo nos dois casos, de R$ 7 mil a R$ 13,5 mil, dependendo do tipo de acabamento e da forma de construção (em mutirão ou empreiteira).
A Casa Cosipa foi desenvolvida inicialmente para atender ao padrão da CDHU (Companhia de Desenvolvimento Habitacional e Urbano do Estado de São Paulo): dois dormitórios, sala, cozinha e banheiro. No total, são 36 m2 de área útil com possibilidade de ampliação para três dormitórios através da utilização de um “kit” de expansão com 18 m2. No entanto, devido à sua grande versatilidade, é possível a adequação a outros tipos de plantas e soluções arquitetônicas, sendo admitido qualquer padrão de acabamento, do mais simples ao mais sofisticado.
Os telhados são formados por perfis estruturais de aço galvanizado, este sistema construtivo apresenta elevado nível de industrialização e organização. Os perfis são parafusados entre si, proporcionando uma estrutura rígida e ao mesmo tempo leve. Os cortes precisos e as fixações com parafusos autoperfurantes são facilmente executados por ferramentas elétricas leves (esmerilhadeira e parafusadeira). A proteção que a camada de zinco oferece ao aço utilizado é de pelo menos 25 anos, de acordo com a norma ASTM B.633, mesmo no litoral. Se esta camada sofrer cortes ou riscos, os cristais de zinco recobrem o local danificado (este fenômeno é chamado de proteção catódica ou por sacrifício).

Estrutura de Aço para Telhado Substitui a Madeira com Vantagens

Economia, maior rapidez na execução, proteção contra cupins e consciência ecológica são os principais fatores para a escolha do aço para a estrutura do telhado.
- colabora para a preservação das florestas nativas
- alta resistência às intempéries
- imune ao ataque de cupins
- economia pela montagem mais rápida
- maior facilidade no transporte, baixando os custos de frete
- a conferência dos materiais na obra é facilitada pela uniformidade dos materiais
- menor peso total
- fácil reposição
- montagem mais rápida
- adaptável a quaisquer projetos e tipos de telha (cerâmica, concreto, fibrocimento ou shingles)
- não empena
- não emana odor desagradável
- aço galvanizado é 100% reciclável
- o risco de incêndio é reduzido, pois o aço galvanizado não suporta combustão
2. O sistema passo a passo
Esse sistema é considerado leve e não utiliza concreto na estrutura nem tijolos nas paredes. Na primeira etapa mostramos como fazer as fundações, simples e tradicionais, como radier, embasamento ou sapata corrida. Na segunda etapa mostramos como montar a estrutura de aço galvanizado do sistema e parafusar os painéis na laje. Agora vamos mostrar como cobrir a casa com telhas cerâmicas e executar as paredes com painéis cimentícios, que depois são acabadas e pintadas.
A cobertura das construções em steel frame pode ser feita com os mais variados tipos de telhas. A estrutura do telhado é sempre feita com perfis metálicos, mas a cobertura propriamente pode ser de telha cerâmica, de fibrocimento, metálica, de concreto ou telha asfáltica (shingle). O importante é que a escolha da telha seja feita pelo arquiteto quando fizer o projeto. Depois os engenheiros irão fazer os cálculos das dimensões do telhado, quantas telhas vão ser necessárias e o peso que a estrutura pode suportar. Vamos mostrar a seguir um pequeno passo-a-passo para executar a estrutura do telhado com perfis metálicos, o forro com lambri de madeira e a colocação das telhas cerâmicas. Outro passo-a-passo vai mostrar como se faz o fechamento, ou seja, as paredes que conformam a casa. Nesse caso, vamos utilizar painéis cimentícios.

2.5. Montagem das tesouras
1) Com a ajuda de um gabarito, posicionam-se as tesouras nas extremidades da construção, apoiadas sobre os painéis metálicos. A face externa da tesoura deve estar alinhada com a face externa do painel. As tesouras podem chegar ao canteiro montadas.


2.6. Colocação do forro
2) Depois de posicionar as tesouras, comece a executar o forro. Instale os lambris de madeira no sentido transversal das tesouras. Sobre o forro coloque placas de OSB (um tipo de chapa feita de fibras de madeira coladas), com juntas a prumo e dimensão maior perpendicular às tesouras. Fixe-as com parafusos atarraxantes próximos à extremidade da placa.

2.7. Colocação da manta
3) Sobre as placas de OSB, coloque os perfis metálicos cartola no sentido da queda do telhado. Aplique sobre as placas uma manta de subcobertura aluminizada, para proteger a casa contra infiltrações e melhorar o conforto térmico interno. A manta ajuda a casa a não esquentar demais.


2.8. Colocação das telhas
4) Sobre a manta de subcobertura, coloque outros perfis cartola (ripas) e, sobre os perfis, comece a colocar as telhas cerâmicas da maneira tradicional. Esse tipo de cobertura é considerada bem completa e de alta qualidade.


























3. Bibliografia
Antonio Wanderley Terni, professor-doutor do Departamento de Engenharia Civil da Unesp do Campus de Guaratingüetá-SP, terni@feg.unesp.br
Alexandre Kokke Santiago, arquiteto, mestre em Engenharia Civil, Construção Metálica Ufop (Universidade Federal de Ouro Preto), alexandrekokke@gmail.com
José Pianheri, engenheiro civil, consultor, sócio-diretor da Pienge Engenharia e Construção Ltda, pienge.engenheria@uol.com.br
Como Construir - Steel frame - cobertura (última parte)
Revista Téchne