REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7586132
Marlon de Souza Moraes1
Samantha Coelho Pinheiro2
Marcos Cezar de Moraes Pereira3
Estevão Vicente Cavalcanti Monteiro de Paula4
RESUMO
O Wood Frame é um sistema construtivo com montantes e travessas em madeira, revestidos com chapas igualmente feitas de madeira. Em países desenvolvidos da América do Norte e Europa o Wood Frame é largamente difundido e em alguns casos vem a ser o principal sistema construtivo do país no que diz respeito à moradia popular. No Brasil o sistema construtivo em questão não tem uma história mais antiga quando comparado com outros países, no entanto vem crescendo aos poucos em algumas regiões do país, sendo as mesmas realizadas na grande maioria dos casos com o auxílio de normas estrangeiras pelo fato de o Brasil ainda não possuir uma norma que indique de forma detalhada como executar da maneira correta um projeto em Wood Frame, sendo assim os profissionais que vêm a executar tais projetos estão habituados a utilizar as normas estrangeiras, como a norma americana NDS (American national standard). Dessa maneira, o presente trabalho tem por objetivo realizar um comparativo do uso de madeira amazônica com a madeira de Pinus para o sistema em Wood Frame.
Palavras-chave: Wood Frame; Região amazônica;
ABSTRACT
The Wood Frame is a constructive system with wooden uprights and beams, covered with sheets also made of wood. In developed countries of North America and Europe,
Wood Frame is widespread and, in some cases, becomes the main constructive system in the country with regard to popular housing. In Brazil, the constructive system in question does not have an older history when compared to other countries, however it has been growing little by little in some regions of the country, being the same carried out in the vast majority of cases with the aid of foreign standards due to the fact that the Brazil still does not have a standard that indicates in detail how to properly execute a project in Wood Frame, so the professionals who come to execute such projects are used to using foreign standards, such as the American standard NDS (American national standard) . In this way, the present work aims to carry out a comparison of the use of Amazonian wood with Pinus wood for the Wood Frame system.
Keywords: Wood Frame; Amazon region;
1. INTRODUÇÃO
Wood Frame é um sistema estrutural construído por painéis de madeira com a finalidade de receber, resistir e transmitir os esforços atuantes sobre a estrutura, exercendo assim o trabalho que comumente é realizado por estruturas de concreto armado, alvenaria ou aço (FREITAS, 2018).
A principal característica do Wood Frame é a sua estrutura, executada a seco e constituída por uma elevada quantidade de elementos leves, esbeltos e espaçados igualmente ao longo de toda a parede. E é por conta dessa grande quantidade de elementos estruturais que permite que edificações construídas nesse sistema resistam aos esforços atuantes sem necessidade de estruturas com seções transversais maiores ou compostas de materiais mais densos (CARDOSO, 2015). A construção em si por vezes pode ser vista como um grandioso trabalho de carpintaria. Os elementos construtivos, em muitos momentos, podem ser carregados manualmente, sem necessidade de equipamentos mecânicos. Esta tecnologia vem sendo amplamente utilizada com sucesso na América do Norte e Europa, sendo o método predominante para construção de edificações de pequeno porte em muitos países desenvolvidos, como os Estados Unidos (CARDOSO, 2015).
Cardoso (2015) aponta que o Wood Frame quando projetado e executado de maneira correta apresenta várias vantagens que o sobrepõe em relação a métodos construtivos tradicionais no Brasil. Entre elas estão a facilidade e agilidade de construção, a otimização do uso de materiais, a redução de retrabalhos e desperdícios e o alto controle no processo de produção e qualidade.
No Brasil o Wood Frame teve a sua primeira aparição no Rio Grande do Sul e desde então vem ganhando mais espaço dentro da construção civil, com algumas empresas especializadas que vem realizando algumas obras no país (FREITAS, 2018). No entanto grande parte desse crescimento do sistema se concentra na sua maior parte na região sul e sudeste do país, o que é algo natural haja visto que as construções em Wood frame são geralmente feitas com madeiras do tipo Pinús ou Eucalipto, e como as mesmas são madeiras de reflorestamento, grande parte das suas plantações se encontram na região sul e sudeste do Brasil (OLIVERIA, 2019). O Brasil é um país com uma grande extensão territorial e grande parte da sua floresta nativa está preservada, principalmente quando se fala da região Norte do país, mais especificamente da região amazônica. Dentro da floresta amazônica são encontradas várias espécies de madeira que podem e são utilizadas dentro da construção civil, além disso muitas dessas madeiras apresentam propriedades mecânicas superiores quando comparadas com as de reflorestamento. Dessa forma o presente trabalho vem apresentar um comparativo através do dimensionamento de uma edificação em Wood Frame (Figura 1) utilizando o Pinús e uma madeira amazônica, com o intuito de demonstrar através dos cálculos, que ao se utilizar madeiras com propriedades mecânicas mais elevadas se pode diminuir consideravelmente a quantidade de madeira empregada dentro da estrutura, aumentando os espaçamentos entre os montantes do sistema, além de diminuir as seções das peças.
Figura 1: Projeto arquitetônico de uma casa de cunho popular.
Fonte: Autor, 2023.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Ações
De acordo com a NBR 8681/2003 as ações são causas que provocam esforços ou deformações nas estruturas. Do ponto de vista prático, as forças e as deformações impostas pelas ações são consideradas como se fossem as próprias ações. As deformações impostas são por vezes designadas por ações indiretas e as forças, por ações diretas.
Para o estabelecimento das regras de combinação das ações, as mesmas são classificadas segundo sua variabilidade no tempo em três categorias:
- Ações permanentes: Ações que ocorrem com valores constantes ou de pequena variação em torno de sua média, durante praticamente toda a vida da construção. A variabilidade das ações permanentes é medida num conjunto de construções análogas (NBR 8681).
- Ações variáveis: Ações que ocorrem com valores que apresentam variações significativas em torno de sua média, durante a vida da construção (NBR 8681/2003).
- Ações excepcionais: Ações excepcionais são as que têm duração extremamente curta e muito baixa probabilidade de ocorrência durante a vida da construção, mas que devem ser consideradas nos projetos de determinadas estruturas (NBR 8681). Para o presente trabalho as ações a serem consideradas foram apenas as permanentes, tendo em vista que a edificação a ser analisada é de cunho popular e térrea, não havendo assim a necessidade de se considerar cargas variáveis. Na figura 2 dispõe o fluxo das ações permanentes dentro do sistema em uma edificação em Wood Frame..
Figura 2: Fluxo de cargas.
Fonte: Autor, 2023
2.2. Verificações
As verificações a serem realizadas em cada elemento constituinte do sistema seguem de acordo com a NBR 7190/2022, onde a mesma expressa diversas situações a serem satisfeitas. A Figura 3 aponta um modelo de parede do sistema em Wood Frame, na qual se pode identificar os elementos constituintes da estrutura principal do sistema.
Figura 3 – Estrutura em Wood Frame.
Fonte: Autor, 2023
2.2.1. Verificação da soleira superior
A soleira superior é analisada como uma viga contínua, e se encaixa na verificação de flexão simples reta. Na presente verificação a NBR 7190/2022 indica inicialmente para as peças fletidas, considerar os vãos teóricos igual ao menor dos seguintes valores:
- Distância entre eixos dos apoios;
- O vão livre acrescido da altura da seção transversal da peça no meio do vão, não se considerando acréscimo maior que 10 cm.
Os elementos submetidos a momento fletor cujo plano de ação contém um eixo central de inércia da seção transversal resistente, a NBR 7190/2022 determina que a seguinte expressão seja satisfeita:
A segunda verificação é do cisalhamento na qual as vigas são submetidas à flexão com esforço cortante, a NBR 7190/2022 indica a condição de segurança em relação às tensões tangenciais que é expressa por:
A terceira verificação a ser realizada é a de estabilidade lateral, que de acordo com a NBR 7190/2022 as vigas sujeitas à flexão simples reta, devem ter sua estabilidade lateral verificada por teoria que a validade tenha sido comprovada experimentalmente. Tal verificação pode ser dispensada nos casos de vigas de seção transversal retangular de largura b e altura h medida no plano de atuação do carregamento, desde que estejam satisfeitas todas as seguintes condições:
A verificação final é relacionada ao estado limite de serviço e na verificação da segurança das estruturas de madeira são caracterizados por:
- Deslocamentos excessivos, que afetam a utilização normal da construção ou seu aspecto estético;
- Danos em materiais não estruturais da construção em decorrência de deformações da estrutura;
- Vibrações excessivas;
As condições usuais de verificação de segurança
onde:
Slim é o valor limite fixado para o efeito estrutural que determina o aparecimento do estado limite considerado;
Sd,serv são os valores desses mesmos efeitos, decorrentes da aplicação das ações estabelecidas para a verificação, calculados com a hipótese de comportamento elástico linear da estrutura.
Em casos normais de elementos fletidos de madeira a menos que haja restrições especiais impostas por normas particulares ou pelo proprietário da construção, os limites de deslocamentos devem ser considerados conforme Tabela 2, de acordo com a Figura 4 (NBR 7190/2022).
Figura 4 – Verificação esquemática dos deslocamentos limites.
Fonte: NBR 7190/2022.
Tabela 2 – Valores limites de deslocamentos para elementos correntes fletidos
2.2.1. Verificação de montante
Os montantes são elementos que se assemelham a pilares dentro do sistema, para a verificação desse elemento a NRB 7190/2022 indicar realizar a verificação da condição de segurança relativa à resistência à compressão axial que é expressa por:
A segunda verificação está relacionada à estabilidade da peça, onde a NBR 7190/2022 aponta que para o procedimento de verificação da estabilidade das peças comprimidas devem ser realizadas as verificações relacionadas a esbeltez das peças.
2.2.1.1. Esbeltez
As exigências impostas ao dimensionamento dependem da esbeltez da peça, definida pelo seu índice de esbeltez:
Lo é o comprimento de flambagem;
I é o momento de inércia na direção analisada;
A é a área da seção transversal;
Devem ser investigadas as condições que resultem em uma menor resistência para a peça, considerando as eventuais contribuições de contraventamentos existentes nas diferentes direções. O comprimento de flambagem, Lo, depende das condições de vinculação das extremidades das barras e é calculado pela expressão:
Lo = KE ∗ L, onde os valores de KE estão apresentados na Tabela 3.
Tabela 3 – Valores dos coeficientes KE
A NBR 7190/2022 aponta que o índice de esbeltez das peças sujeitas à compressão axial ou à flexocompressão não deve ser maior que 140. 2.2.1.2. Esbeltez relativa
Os índices de esbeltez relativa são definidos por:
2.2.1.3. Condição de estabilidade de peças comprimidas e flexocomprimidas
σNc,d é o valor de cálculo da tensão de compressão devida à força normal; σMx,d é a tensão normal de flexão proveniente do momento fletor de primeira ordem devida às forças laterais, excentricidades na aplicação das forças axiais, curvatura inicial da barra, deformações induzidas ou quaisquer outras situações em que há momentos fletores de primeira ordem atuando na barra; Os coeficientes kcx e kcy são calculados por:
2.1. Dimensionamento
De acordo com Sacco e Stamato (2008) o Wood Frame e a alvenaria estrutural se comportam de maneira muito parecida com relação a sua análise estrutural. No Wood Frame, os elementos recebem esforços de diferente natureza, e como o sistema é um conjunto de elementos, a estrutura apresenta redundância.
Tendo em vista que a estrutura é redundante não há necessidade de fazer o cálculo de todos os elementos, mas sim de alguns pontos específicos, cuja solicitação é mais relevante. Dessa maneira a estrutura foi dividida em alguns blocos (Figura 5).
Figura 5: Soleira
Fonte: Autor, 2023.
Para a verificação foi selecionado para realizar a verificação o bloco 9 (nove) (Figura 6) com a verificação da soleira superior e o montante mais solicitado.
Figura 6: Vista frontal parede Wood Frame.
A Figura 6 dispõem como os elementos foram dispostos nas paredes do sistema, na estrutura de Wood Frame difundida o espaçamento entre montantes é de no máximo
60cm e com seção dos elementos de 2″x 4″ (5x10cm), no entanto para o presente trabalho foi feita a alteração do espaçamento entre os montantes e adotando no máximo 80cm e permanecendo com a seção de 2”x4”.
2.3.1. Verificações com Pinús
O Pinús é uma madeira conífera na qual possui uma classe de resistência C20, dessa maneira foi utilizado para o cálculo os dados de resistência mecânica descrito na NBR 7190/2022 a classe C20, as características mecânicas estão dispostas na Figura 7.
Figura 7: Classes de resistência definidas em ensaios de peças estruturais.
2.3.1.1 Carga atuante:
As cargas atuantes foram definidas através da NBR 6120, que dispõem sobre as cargas em edificações. Foram definidos dois modelos de carga Q1 referente a região que não recebe as cargas de uma caixa d’água de 5000L e a Q2 que recebe as cargas da caixa d’água. Dessa maneira se tem:
2.3.1.2. Coeficiente de modificação:
2.3.1.3. Resistência à compressão
2.3.1.4. Resistência à compressão
2.3.1.5. Resistência à tração
2.3.1.6. Resistência ao cisalhamento
2.3.1.7. Módulo de elasticidade efetiva
2.3.1.8. Combinação de ação
Figura 8: Disposição de carga.
2.3.1.9. Verificação da soleira superior
• Flexão simples reta
Figura 9: Diagrama de momento fletor.
• Cisalhamento
Figura 10: Diagrama de esforço cortante.
Fonte: Autor, 2023.
2.3.2. Madeira Amazônica
No dimensionamento de estruturas utilizando madeiras nativas a NBR 7190/2022 aponta alguns valores a serem considerados, dessa maneira foi selecionado a classe de resistência D60 que é uma classe na qual as madeiras amazônicas alcançam facilmente.
Figura 11: – Classes de resistência de espécies oriundas de florestas de espécies nativas definidas em ensaios de corpos de prova isentos de defeitos.
• Carga atuante:
As cargas atuantes foram definidas através da NBR 6120, que dispõem sobre as cargas em edificações. Foram definidos dois modelos de carga Q1 referente a região que não recebe as cargas de uma caixa d’água de 5000L e a Q2 que recebe as cargas da caixa d’água. Dessa maneira se tem:
2.3.2.1. Coeficiente de modificação:
2.3.2.2. Resistência à compressão
2.3.2.3. Resistência à tração
2.3.2.4. Resistência ao cisalhamento
2.3.2.5. Módulo de elasticidade efetiva
2.3.2.6. Combinação de ação
Figura 12: Disposição de carga
Fonte: Autor, 2023.
2.3.2.7. Verificação da soleira superior
• Flexão simples reta
Figura 13: Diagrama de momento fletor.
Fonte: Autor, 2023
• Verificação do cisalhamento
Figura 14: Diagrama de esforço cortante
Fonte: Autor, 2023.
• Estabilidade lateral
- Flecha
Figura 15: Diagrama de esforço cortante
Fonte: Autor, 2023.
2.3.2.8. Verificação de montant
- Compressão axial
Figura 16: Diagrama de esforço normal.
Fonte: Autor, 2023
Figura 17: Diagrama de esforço normal
Fonte: Autor, 2023
• Esbeltez
• Esbeltez relativa
Como não foi satisfeita a verificação, deve ser realizada a seguinte verificação:
3. RESULTADOS
O Wood Frame é uma estrutura na qual já segue um padrão de espaçamento de no máximo de 60cm entre montantes e o sistema funciona bem com esse padrão utilizando madeiras do tipo coníferas, mas para espécies nativas amazônicas é possível aumentar os espaçamentos entre os montantes. Tal afirmação foi constatada nas verificações realizadas, onde se tem todas as verificações com madeira amazônicas satisfeitas quando aplicadas as condições propostas. Em contrapartida, a madeira do tipo coníferas já não satisfez as verificações iniciais.
Dessa maneira se pode constatar que as madeiras amazônicas minimizam o consumo de material no sistema em Wood Frame.
4. CONCLUSÃO
A utilização de madeiras amazônicas abundantes e de baixo valor comercial que podem ser utilizadas para viabilizar o sistema construtivo em Wood Frame, dessa maneira minimiza o déficit habitacional e propor assim a utilização para espécies de madeira vindas de manejo florestal e com baixo interesse comercial.
Haja visto que ao se fazer o uso da madeira amazônica na estrutura em Wood frame minimiza o uso de material.
5. REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7190-1. Projeto de estrutura de madeira. Rio de Janeiro. 2022.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8186. Ações e
Seguranças nas estruturas – Procedimentos. Rio de Janeiro. 2004.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6120. Ações para cálculo de estruturas de edificações. Rio de Janeiro. 2019.
CARDOSO, Larriê Andrey. Estudo do método construtivo wood framing para construção de habitações de interesse social. 2015. Monografia (bacharel em Engenharia Civil) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Santa Maria. Rio Grande do Sul.
FREITAS. Fernando Gabriel Campos. Dimensionamento de estrutura composta por perfis e chapas de madeira. 2018. Trabalho de conclusão de curso (bacharel em engenharia civil) – Centro Multidisciplinar de Caraúbas, Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Caraúbas, Rio Grande do Norte.
OLIVEIRA. Geovana Maria Andrade. Desempenho térmico e eficiência energética de construções em wood frame no semiárido do RN. 2019. Trabalho de conclusão de curso (bacharel em engenharia civil) – Centro Multidisciplinar de Caraúbas, Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Caraúbas, Rio Grande do Norte.
SACCO, Marcelo de Freitas; STAMATO, Guilherme Corrêa. Light Wood Frame – Construções com Estrutura Leve de Madeira. Revista Téchne, São Paulo, n. 140, nov. 2008. Disponível em: < https://docplayer.com.br/10081587-Light-wood-frameconstrucoes-com-estrutura-leve-de-madeira.html>. Acesso em: 08 de agosto 2022.
1Acadêmico de Engenharia Civil da Universidade do Estado do Amazonas – UEA, Escola superior de Tecnologia – EST
2Professora Doutora, Universidade do Estado do Amazonas – UEA, Escola superior de Tecnologia – EST
3Professor Doutor, Universidade de São Paulo – USP
4Professor Doutor, Universidade do Estado do Amazonas – UEA, Escola superior de Tecnologia – EST