UFES/Vitória – 23 a 25 de julho de 2012
Projeto e dimensionamento de galpão oficina em telhado duas água em estrutura de bambu Project and sizing of the shed roof in water in two bamboo structure Carlos Eduardo JAVARONI1; Maximiliano dos Anjos AZAMBUJA1; Ivaldo de Domenico VALARELLI2; Marco Antônio dos Reis PEREIRA2; Tomas Queiroz Ferreira BARATA3 RESUMO - O Projeto Bambu desenvolvido pela UNESP de Bauru desde a década de 90, vem atualmente capacitando um grupo de agricultores do assentamento rural “Horto de Aimorés” junto à cadeia produtiva do bambu, com enfoque para a confecção de produtos artesanais e processados e a geração de emprego e renda. Para atender às necessidades da comunidade, foi elaborado o projeto de um galpão oficina em bambu para ser abrigar este processo. Este trabalho apresenta o projeto deste galpão, com telhado duas águas sendo a sua estrutura em bambu, com fundações e pilares executados com madeira (aroeira) roliço. O processo de cálculo dos esforços solicitantes, com o uso de programa computacional deve levar em conta a continuidade da estrutura e a garantia de eficiência nas ligações. Através dos preceitos da Resistência dos Materiais e com o conhecimento das principais características físicas e mecânicas da espécie utilizada, Dendrocalamus giganteus, realizou-se o dimensionamento das barras do pórtico e das terças da cobertura. As ligações da estrutura foram realizadas com chapas metálicas e parafusos, utilizando-se o graute para preenchimento dos colmos conectados. Dadas às incertezas no comportamento dessas ligações, foram realizados ensaios em peças de tamanho real para avaliar a sua capacidade de carga, onde os resultados foram utilizados como referência para comparação com os esforços obtidos da análise do pórtico. Palavras chave: Extensão, Dendrocalamus giganteus, materiais lignocelulósicos, ligações.
ABSTRACT - The Bamboo Project developed by UNESP Bauru since the 90's, trains a group of rural farmers' Aimorés Garden "next to the bamboo production chain for the production of craft products to generate profits. Project was drawn up a bamboo shed to accommodate this process. This paper presents the design of this shed, gable-roofed, bamboo structure, with foundations and pillars of eucalyptus. The analysis of structural, with the use of computer program shall ensure the effectiveness of the structure. Knowledge of Strength of Materials and the main physical and mechanical characteristics of the species used, Dendrocalamus giganteus, was sheet and bolt connections. The connections of the structure were made with metal sheet and bolts, using the grout to fill the culm connected. Due to uncertainties in the behavior of these connections, tests were carried out in parts of size to assess the carrying capacity, where the results were used as reference for comparison with the efforts of the portico of the analysis obtained. Keywords: Dendrocalamus giganteus, lignocellulosic materials, connections.
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Professores do Departamento de Engenharia Civil, UNESP, Campus de Bauru. E-mail: javaroni@feb.unesp.br, maximilianoazam@feb.unesp.br Professores do Departamento de Engenharia Mecânica, UNESP, Campus de Bauru., E-mail: ivaldo@feb.unesp.br, pereira@feb.unesp.br Professor do Departamento de Design, UNESP, Campus de Bauru. barata@faac.unesp.br
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INTRODUÇÃO O bambu é um material natural e sustentável que apresenta propriedades físicas e mecânicas adequadas para execução de estruturas, entretanto, é utilizado quase sempre de forma rudimentar e com caráter provisório no Brasil. A dificuldade encontrada para o dimensionamento de coberturas em estruturas de bambu na maioria dos casos é o desconhecimento de tratamentos preservativos para aumentar sua durabilidade e os valores de resistência de cálculo, esforços, tensões, estabilidade lateral das peças, deslocamentos, grandezas geométricas, ações e modelos de ligações que considerem as peculiaridades do material. A UNESP/FEB Bauru/SP desenvolve trabalhos com bambu desde a década de 90, com o cultivo e o manejo de algumas espécies, como por exemplo, o bambu gigante (Dendrocalamus giganteus). Durante os anos, pesquisas foram desenvolvidas com enfoque para irrigação, caracterização físico-mecânica de espécies, processamento e confecção de produtos artesanais e processados. O projeto de extensão em desenvolvimento junto ao assentamento rural “Horto de Aimorés” busca a capacitação de agricultores dentro da cadeia produtiva do bambu, visando ainda, atender às necessidades da comunidade em geração de renda. Para a transferência do projeto para dentro do assentamento, elaborou-se um projeto de galpão oficina, com telhado duas águas sendo a sua estrutura em bambu, com fundações e pilares executados com a madeira aroeira. Na realização das ações foram desenvolvidos o projeto arquitetônico e o projeto estrutural. Com ênfase na construção da edificação em módulos pré-fabricados em bambu, o preparo, a aplicação e a finalidade de cada elemento foram especificadas e detalhadas. O processo de cálculo dos esforços solicitantes, com o uso de programa computacional levou em conta a continuidade da estrutura e a garantia de eficiência nas ligações. Através dos preceitos da Resistência dos Materiais e com o conhecimento das principais características físicas e mecânicas da espécie utilizada, Dendrocalamus giganteus, realizou-se o dimensionamento das barras do pórtico e das terças da cobertura. Este trabalho apresenta o dimensionamento das barras do pórtico e das terças da cobertura e o resultado do comportamento das ligações em peças de tamanho com bambu in natura. As atividades de projeto, pré-fabricação e montagem são abordadas em outros artigos dos autores neste evento. MATERIAIS E MÉTODOS Para o projeto estrutural do galpão é necessário o levantamento das ações atuantes sobre a edificação, conseqüentemente, os esforços solicitantes sobre as barras dos pórticos e os seus respectivos dimensionamentos, além da verificação dos deslocamentos ocorridos. A análise do pórtico foi realizada através do programa computacional PPLAN4, disponível em http://wwwp.feb.unesp.br/pbastos/pag_concreto2.htm. Para o dimensionamento das barras do pórtico, na falta de normalização especifica para o material bambu, foram utilizados os critérios da norma brasileira NBR 7190 (ABNT, 1997). Para o dimensionamento das ligações, além da norma brasileira NBR 7190 (ABNT, 1997), também foram atendidas recomendações da NBR 8800 (ABNT, 2008) e, dada as particularidades da estrutura, foram realizados dois ensaios da ligação utilizada para a avaliação de sua capacidade resistente.
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Ações atuantes sobre a estrutura Em se tratando de um galpão em telhado duas águas, sem fechamentos laterais, foram consideradas as seguintes ações: Ações permanentes São consideradas as seguintes ações permanentes: Telhas de aço, espessura de 0,5 mm: 0,06 kN/m2. Terças e contraventamentos: 0,04 kN/m2. Peso próprio: 8 kN/m3. Sobrecarga no telhado A sobrecarga no telhado, em projeção horizontal, tem por objetivo representar as cargas decorrentes de instalações elétricas e hidráulicas, pequenos equipamentos como ventiladores entre outros, eventualmente fixados na cobertura. Instalações em geral: 0,20 kN/m2. Ação do vento A ação do vento sobre a edificação foi determinada em acordo com a norma brasileira NBR 6123 (ABNT, 1988), considerando-se uma cobertura isolada. Dessa forma, obtém-se: Velocidade básica V0 = 40m/s (cidade de Bauru/SP). Fator topográfico S1 = 1,0 (topografia plana). Rugosidade do terreno: Categoria III; h 10 metros; Classe A para vento 0º S2 = 0,91; Classe B para vento 90º S2 = 0,88. Fator estatístico S3 = 1,00. Pressão dinâmica q = 0,81 kN/m2 para vento 0º; q = 0,76 kN/m2 para vento 90º. Os coeficientes de pressão e de forma externos para o telhado estão apresentados na Figura 1. Para a determinação dos coeficientes de pressão interna considerou-se a estrutura como cobertura isolada a águas planas, obtendo-se os valores de Cpi=+0,8 ou Cpi=-0,3, para as direções de vento longitudinal ou vento transversal. Dessa forma, os coeficientes de pressão para o pórtico são aqueles apresentados na Figura 2.
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-0,4
-0,6
-1,0
Vento 90º
-0,8
-0,2
Figura 1 – Coeficientes de pressão e de forma, externos, para a cobertura.
1,6
1,3
Sucção Simétrica
1,8
1,2
Sucção Assimétrica
0,1
0,1
Sobrepressão
Figura 2 – Coeficientes de pressão finais. Análise da estrutura A estrutura foi analisada como pórtico plano, cujo modelo (numeração de nós e barras) e principais dimensões estão indicadas na Figura 3. Os carregamentos foram aplicados como forças uniformemente distribuídas sobre as barras da cobertura, com exceção do peso próprio que foi aplicado em todas as barras do pórtico plano. Para a determinação dos esforços de cálculo foram consideradas as seguintes combinações das ações: Combinação 1: 1,4x(Permanente) + 1,4x(Sobrecarga) + 0,7x(Sobrepressão). Combinação 2: 1,0x(Permanente) + 1,4x(0,75xSucção Simétrica). Combinação 3: 1,0x(Permanente) + 1,4x(0,75xSucção Assimétrica). Os apoios (nós 4 e 13) foram considerados engastados, tendo em vista que os pilares (barras 1 e 2) são formadas por postes de aroeira, com comprimento médio de 8 metros cada e diâmetro de 25 cm, já fazendo as vezes das estacas da fundação.
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Figura 3 – Modelo do pórtico e dimensões gerais (em mm). Para efeito de comparação com o modelo, a Figura 4 apresenta o pórtico em fase de montagem.
Figura 4 – Montagem do pórtico. Propriedades dos materiais empregados Os pilares possuem diâmetros médios de 25 cm, antigos postes doados pela CPFL, e a madeira empregada foi a aroeira. Para as demais barras do pórtico foi empregado o bambu do
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gênero Dendrocalamus Giganteus, com diâmetro médio de 12 cm e espessura de parede de 1 cm. As propriedades mecânicas do bambu apresentam grande variação, apresentando resistência à compressão entre 20 a 120 MPa e módulo de elasticidade variando entre 2,6 a 20,0 GP (PEREIRA; BERALDO, 2010). Neste projeto foi adotada a resistência média à compressão (fcom) de 30 MPa e módulo de elasticidade (E) de 12.500 MPa (PADOVAN, 2010). As ligações foram executadas com chapas metálicas em aço SAE 1010 com espessura de 6,3 mm (1/4”) e parafusos comuns A307 (fu = 400Mpa) com diâmetros de 12,5 mm (1/2”), sendo os colmos conectados preenchidos com graute. RESULTADOS E DISCUSSÃO Da análise do pórtico através do programa PPLAN4 foram obtidos os esforços de cálculo em todas as suas barras, bem como os deslocamentos correspondentes. Dimensionamento e verificações da estrutura Pilares Os esforços de cálculo encontrados para os pilares estão apresentados na Tabela1, onde o sinal negativo significa força de compressão sobre a barra. Para o par de esforços encontrados (Nd e Md) foi calculada a respectiva tensão atuante na seção transversal da barra. Tabela 1 – Esforços de cálculo e tensões para os pilares Esforço Nd (daN) Md (daN.m) d (daN/cm2)
Combinação 1 -1142 386 30
Combinação 2 2290 850 60
Combinação 3 1660 1166 79
Para o cálculo da tensão atuante foi considerada, no caso da força normal de compressão, a flambagem do pilar, admitindo-se uma barra engastada na base e livre no topo. Pode-se notar que as tensões oriundas da força normal são pequenas em comparação com aquelas oriundas do momento de flexão. A máxima força cortante de cálculo foi encontrada para a combinação 3, fornecendo uma tensão tangencial de, aproximadamente, 1,5 daN/cm2. Admitindo-se a aroeira como uma madeira classe C-40 (NBR 7190:1997), a tensão resistente de cálculo (fcod) é de 160 daN/cm2, portanto, maior que a solicitação. Barras em bambu Admitindo-se Kmod=0,56 e γc=1,4 para o bambu, obtém-se: fcod=84 daN/cm2. As barras do pórtico da cobertura, barras numeradas de 3 a 8 na Figura 3, foram executadas com seção transversal dupla, com afastamento vertical de 24 cm entre seus centros. Os esforços de cálculo estão apresentados na Tabela 2, onde o sinal negativo indica força de compressão sobre a barra. Para estas barras, foi considerado que as terças fazem o contraventamento, portanto, tem-se barra curta no caso da força de compressão.
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Tabela 2 – Esforços de cálculo e tensões para as barras da cobertura Esforço Nd (daN) Md (daN.m) d (daN/cm2)
Combinação 1 -440 105 24
Combinação 2 1022 295 63
Combinação 3 260 394 68
Para as barras numeradas de 9 a 12 e de 19 a 25 (Figura 3), os esforços críticos estão indicados na Tabela 3. Essas barras possuem seção transversal dupla, com afastamento horizontal de 24 cm entre seus centros. Tabela 3 – Esforços de cálculo e tensões para as demais barras do pórtico Esforço Nd (daN) Md (daN.m) d (daN/cm2)
Combinação 1 -715 14 30
Combinação 2 1070 73 57
Combinação 3 1160 107 78
Para as barras numeradas de 13 a 18, com seção transversal simples, os esforços críticos são 380 daN de tração e 300 daN de compressão, sendo o momento fletor desprezível nestas barras. As tensões correspondentes são: 11 daN/cm2 e 12 daN/cm2. Verifica-se, portanto, que todas as barras do pórtico, em bambu, possuem tensões atuantes menores que a tensão resistente admitida. Terças As terças foram construídas também em bambu, com seção transversal simples, espaçadas entre si de 1,0 m, com vão de 3 m, consideradas simplesmente apoiadas sobre o pórtico. Especificamente para o dimensionamento da terça, foi considerada somente a ação do vento, considerando-se o coeficiente de pressão de 1,8 (Figura 2), obtendo-se uma força de 1,37 daN/m distribuída sobre o seu comprimento. Considerando-se γf=1,0, utilizando o coeficiente de 0,75 para a ação do vento e combinando-se com a ação permanente obtém-se 0,93 daN/m, fornecendo uma tensão de 120 daN/cm2. Dada às condições da obra e considerando-se que todas as barras de bambu foram devidamente selecionadas, desde sua colheita, tratamento e fabricação do pórtico, pode admitir madeira de primeira categoria, onde Kmod =0,7 e, portanto, fcod=105 daN/cm2. Em vista da variação dos resultados de resistência à compressão do bambu, Pereira e Beraldo (2010) indicam resultados médios da ordem de 70 MPa para ensaios realizados em ripas laminadas para a espécie Dendrocalamus giganteus. Em ensaios de flexão, foram obtidas tensões da ordem de 160 MPa. Dessa forma, o valor de tensão obtido para a terça foi aceito. Ligações A principal ligação considerada foi a da estrutura em bambu com os pilares. Foi idealizada através da inserção de chapa metálica de 6,3 mm de espessura no colmo do bambu, o qual foi grateado. Parafusos passantes foram utilizados para garantir resistência ao arrancamento. Dado ao pouco, ou nenhum, conhecimento sobre o comportamento dessa
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ligação, foram realizados dois ensaios, em escala real, um sob esforços de tração e outro sob esforços de compressão. Na Figura 5 ilustra-se o modelo durante o ensaio à compressão. Neste caso, a força foi aplicada na diretamente na região grauteada. A força aplicada foi aferida através de célula de carga, obtendo-se 13000 daN (130 kN) como força de ruptura.
a) Início da aplicação da força. Figura 5 – Ensaio à compressão.
b) Ruptura.
Para o ensaio à tração, a força foi aplicada através de cabo de aço e a força última aferida foi de 6000 daN (60 kN), devido ao esmagamento da chapa de aço, Figura 6.
a) Preparação do ensaio. Figura 6 – Ensaio à tração.
b) Ruptura.
A concepção do projeto da ligação está ilustrada na Figura 7. Para o seu dimensionamento, o esforço de cálculo considerado foi de 2440 daN de tração, obtido da análise do pórtico através do programa PPLAN4. Para a ligação das chapas foram utilizados dois parafusos de 12,5 mm de diâmetro, obtendo-se como resistência de projeto o valor de 2800 daN. Para a ligação das chapas ao pilar, foram utilizados dois parafusos passantes, com diâmetros de 12,5 mm, admitidos embutidos na madeira. Na sua verificação foi considerada a pressão de contato parafuso-madeira, onde as chapas fazem às vezes de apoios do pino.
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a) Ligação preparada para montagem. b) Ligação do pilar à estrutura de bambu. Figura 7 – Detalhe da ligação da estrutura em bambu com o pilar. Para o esforço de compressão de 990 daN foram soldadas cantoneiras horizontais, as quais foram assentadas diretamente sobre o topo dos pilares. Execução e montagem da estrutura As fotos das Figuras 8 e 9 mostram etapas da execução e montagem da estrutura do galpão oficina.
a) Alinhamento dos pilares. b) Concretagem. Figura 8 – Alinhamento dos pilares/estacas e sua concretagem.
a) Montagem das estruturas de bambu. b) Início da colocação das telhas. Figura 9 – Montagem das estruturas de bambu e cobertura.
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CONCLUSÕES O trabalho descreveu o procedimento de verificação da estrutura proposta para a construção do galpão oficina destinado a comunidade do Assentamento Rural “Horto de Aimorés”, com o objetivo de capacitar um grupo de agricultores na cadeia produtiva do bambu. A opção em se utilizar o bambu como elemento estrutural surgiu naturalmente. Na falta de procedimentos de cálculos específicos para o bambu, fez-se a análise dos esforços das barras do pórtico, calculando-se as tensões correspondentes. Essas tensões foram comparadas com valores de referências obtidos em bibliografias, segundo um procedimento análogo ao empregado para o cálculo das estruturas de madeira. Dessa forma, as verificações realizadas indicaram um bom comportamento da estrutura analisada, indicando o seu uso com um mínimo de segurança esperada. As ligações, com possibilidade de verificação da chapa e parafusos comuns aos projetos, foram ensaiadas para verificar o comportamento da chapa enquanto embutida no grauteamento realizado no colmo. Embora com somente dois ensaios realizados, a solução mostrou-se adequada ao fim proposto. A execução e montagem da estrutura, devidamente acompanhada pelos diversos profissionais envolvidos, também permitiu constatar a viabilidade do uso do bambu para a estrutura proposta. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem aos Departamentos: de Engenharia Civil, de Arquitetura, Urbanismo e Paisagismo, de Design, de Engenharia Mecânica, da UNESP/FEB Bauru/SP. Agradecem à FUNDUNESP pelo apoio concedido para a participação desse evento, ao Laboratório de Experimentação com Bambu e ao Laboratório de Processamento da Madeira, ao Projeto UNISOL Universidade Solidária/Grupo Santander que financiou o projeto de extensão e a construção do protótipo do galpão oficina em Bambu, ao Grupo de alunos Taquara e aos moradores do assentamento rural Horto de Aimorés. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Projeto de estruturas de madeira. NBR7190. ABNT, Rio de Janeiro, 1997. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Projeto de estrutura de aço e de estrutura mista de aço e concreto de edifícios. NBR8800. ABNT, Rio de Janeiro, 2008. PADOVAM, R. B. O bambu na arquitetura: design de conexões estruturais. 2010. 183f. Dissertação (Mestrado em Design), FAAC, UNESP, Bauru, 2010. PEREIRA, M. A. R.; BERALDO, A. L. Bambu de corpo e alma. Bauru/SP: Canal 6, 2010. PPLAN4. Programa para análise de pórticos planos. Disponível <http://wwwp.feb.unesp.br/pbastos/pag_concreto2.htm>. Acesso em 04 nov. 2011.
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