REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ra10202510310512
Felipe Lobato Sampaio
Orientador: Professor André Lopes Teixeira
RESUMO
A produção inicial de energia elétrica era fundamentada basicamente em processos de queima de combustíveis fósseis e aproveitamento hídrico. O cenário ambiental passou a apresentar as consequências da exploração desse método de transformação. As energias alternativas são todas aquelas que podem substituir os combustíveis fósseis como forma de produção energética como: geração eólica, solar, hídrica, nuclear, geotérmica.
Com a crescente demanda por fontes renováveis de energia, o uso de energia solar fotovoltaica com intuito de gerar energia, é um dos mais comuns em edificações comerciais, em detrimento do aproveitamento do mesmo intervalo de tempo de trabalho com horário de sol pleno, ou seja, energia gerada é logo consumida.
O presente trabalho tem por objetivo analisar o comportamento estrutural da cobertura metálica de um estabelecimento comercial em virtude da carga adicional dos módulos de energia solar fotovoltaica. A pesquisa foi conduzida por meio de um estudo de caso em uma edificação comercial, aplicando normas técnicas de cálculo estrutural e simulação de cargas adicionais. O sistema foi instalado com sucesso sem gerar prejuízo estrutural, devido ao local que foi aproveitado para instalação.
Conclui-se que a avaliação prévia da capacidade estrutural é indispensável para viabilizar a instalação segura de sistemas fotovoltaicos, portanto entender a parte estrutural onde será instalado fornece indicações sobre qual melhor local para inseri-los.
Palavras-chave: Estruturas metálicas, energia solar, análise estrutural, cobertura metálica
ABSTRACT
Initial electricity production was based primarily on fossil fuel combustion and hydropower. The environmental scenario began to show the consequences of exploiting this method of transformation. Alternative energies are all those that can replace fossil fuels as a form of energy production, such as wind, solar, hydro, nuclear, and geothermal power.
With the growing demand for renewable energy sources, the use of photovoltaic solar energy to generate power is one of the most common in commercial buildings, to the detriment of taking advantage of the same working time interval with full sunlight, i.e., the energy generated is immediately consumed.
The objective of this study is to analyze the structural behavior of a metal roof in a commercial establishment due to the additional load of photovoltaic solar energy modules. The research was conducted through a case study in a commercial building, applying technical standards for structural calculation and simulation of additional loads. The system was successfully installed without causing structural damage, due to the location that was used for installation.
It is concluded that prior assessment of structural capacity is essential to enable the safe installation of photovoltaic systems. Therefore, understanding the structural part where they will be installed provides indications on the best location to insert them.
Keywords: Metal structures, solar energy, structural analysis, metal roofing SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO
Para satisfazer as necessidades crescentes dos seres humanos nas sociedades modernas, é preciso um aumento considerável no consumo de energia. Examinando a história, é possível ver com clareza que, à medida que os seres humanos avançam tecnologicamente, suas necessidades energéticas também aumentam (AYRES 2012). Entre as fontes primárias de energia (petróleo, carvão, gás, hidráulica, nuclear e renováveis) o uso de combustíveis fósseis (recurso esgotável) correspondem por aproximadamente 85% das necessidades energéticas primárias do mundo na atualidade. As soluções técnicas existentes para o sistema energético atual incluem maior eficiência, maior dependência de fontes de energia renovável e implementação de novas tecnologias. A energia solar fotovoltaica se destaca como fonte de energia renovável, em virtude da eficiência energética, a redução do uso de combustíveis fósseis, redução dos impactos ambientais e capacidade de armazenamento. Como se originam da radiação incidente na terra, logo durarão tanto quanto o próprio sol (GOLDEMBERG, 2023).
Em virtude deste cenário, houve um aumento nos últimos anos na busca por sistema de energia fotovoltaico, onde a geração de energia se dá através da absorção de luminosidade dos módulos de energia fotovoltaicos, também conhecidos popularmente como painéis solares. Muitas edificações comerciais utilizam coberturas de aço galvanizado com estrutura metálica, seus componentes são fabricados a partir de metal metálico, sendo o seu principal elemento, o aço formado em ferro carbono, devido a sua resistência e durabilidade ao seu mecanismo (JOSÉ CARIAS, 2012).
O sistema construtivo em aço é perfeitamente compatível com qualquer tipo de material de fechamento, tanto vertical como horizontal, admitido desde os mais convencionais até pré-fabricados (tijolo, blocos, gesso acartonado etc.). (Nardin, Fabiano, 2008)
O objetivo dela na construção civil está ligado com a crescente demanda por construções a cada vez mais seguras e sofisticadas, modo de execução acelerado, resistência, dureza, redução do tempo de montagem, redução das cargas na estrutura. A utilização dos sistemas estruturais em aço é vantajosa devido a sua facilidade de execução, serviço e a padronização das peças gerando uma grande economia de insumo (NARDIN,2008).
A falta de um estudo adequado de instalação de energia solar, pode gerar impactos relevantes como: custos elevados e retrabalho, danos por vento ou infiltração, além de deixar de incluir avaliação estrutural é crime de responsabilidade em caso de desabamento com vítimas ou danos (ABNT NBR 16274 – Prescreve exigências técnicas para suportar cargas em instalação fotovoltaica)
Em virtude disto, mediante as vantagens da utilização de estruturas metálicas, torna ela uma das melhores e mais eficientes estruturas para a região amazônica. É de suma importância que haja o dimensionamento prévio das cargas proveniente de ventos, dilatação térmica, e as informações adequadas para a sua execução e dimensionamento de acordo com as normas vigentes do país.
O presente trabalho tem por finalidade executar uma análise estrutural de uma cobertura comercial em Manaus no bairro Vieiralves demonstrando o grau de alteração (deformação das cargas) na cobertura metálica em questão, proveniente da instalação de módulos fotovoltaicos de modo que seja entendido o porquê a carga extra não deverá prejudicar a parte estrutural do estabelecimento.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Analisar o comportamento estrutural de uma cobertura no Vieiralves destinada à instalação de módulos fotovoltaicos, identificando o seu comportamento, os principais riscos envolvidos no acréscimo de cargas e propondo medidas de reforço adequadas para garantir a segurança e a integridade da estrutura.
2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO
• Analisar a estrutura residencial, através dos dados de planta baixa, estrutural para verificar o estado limite de projeto
• Identificar pontos críticos de reforço: localizar áreas sensíveis a falhas.
• Identificar o limite de carga da cobertura em aço galvanizado trapezoidal
• Calcular o peso próprio da estrutura e as cargas extras para verificar se está dentro do estado limite suportável pela estrutura
3 METODOLOGIA
De acordo com os objetivos propostos na primeira seção, este estudo básico estratégico classifica-se como pesquisa descritiva qualitativa com intuito de analisar, observar e descrever as características de acordo com o tema proposto.
Foi realizada uma pesquisa bibliográfica para conhecer melhor sobre o assunto e embasar os cálculos realizados durante o processo através de livros, artigos, teses e trabalhos apresentados acerca da problemática envolvida.
Em seguida foi feito um levantamento em campo para levantar as informações necessárias para desenvolvimento dos cálculos que serão demonstrados neste trabalho.
Na fase posterior ao levantamento, os dados coletados foram armazenados a aplicados dentro de alguns programas específicos para cálculo estrutural para comprovar a trabalhabilidade do material dentro do limite estabelecido pela norma técnica.
O presente estudo tem como propósito analisar os efeitos de carga adicional proveniente da instalação de módulos fotovoltaicos sobre uma cobertura metálica. Trata-se de um estudo de caso, realizado em uma concessionária veicular localizada no bairro Vieiralves em Manaus, Amazonas.
Os instrumentos de pesquisa foram estruturados da seguinte maneira:
• Visita técnica com intuito de coletar informações de área, registros fotográficos e possíveis patologias (oxidação do aço)
• Coleta informações a respeito das cargas adicionais: módulos, grampos de fixação, trilhos e cabeamento para equacionar o quanto mais a estrutura terá que suportar
• Acompanhamento das atividades
• Análise de projeto
• Coletar informações do processo construtivo através da visita técnica.
• Avaliar a capacidade de carga da cobertura considerando ações permanentes, variáveis e as cargas adicionais provenientes da instalação de módulos fotovoltaicos.
• Modelar a estrutura em software de cálculo estrutural, simulando diferentes cenários de carregamento e reforço.
• Verificar a eficiência da fixação dos suportes fotovoltaicos em relação ao tipo de telhado adotado (metálico)
• Levantamento Bibliográfico
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo, são apresentadas as análises objetivas referente aos dados obtidos em campo, às informações de pesquisa e os cálculos estruturais desenvolvidos a respeito do tema. Todos os procedimentos foram conduzidos conforme os critérios estabelecidos pelas normas NBR 8800/2008 – Projetos de estrutura de aço e de estruturas mistas de aço e de concreto de edifícios, NBR 6123/2023 – Forças devidas ao vento em edificações. O intuito é de compreender o comportamento da estrutura diante das cargas adicionais geradas pela instalação de módulos fotovoltaicos na cobertura.
4.1 INFORMAÇÕES DE PROJETO
Cargas permanentes
• Cobertura: telha metálica trapezoidal 0,43 mm
• Peso próprio da estrutura metálica com perfil U de 3”
Cargas variáveis
• Equipamentos de energia solar
• Suporte de iluminação e luminária tubular led sobrepor
• Carga de vento 90°: 3,0 Kn/m²
• Carga do vento 0°: 3,20 Kn/m²
Figura 1 – Local da instalação
Fonte: mapstyle, produzido pelo autor.2025
• A edificação é uma empresa concessionária veicular localizada em Manaus/ AM no bairro Vieiralves, como demonstra a figura 1.
• Inclinação do telhado: 7,78%
• Área de telhado: a cobertura dispões de uma área de 298,24 m² de área divididos em 1 água.
Figura 2 – vista da cobertura
Fonte: Foto tirada por drone, GFENG ENGENHARIA, 2025
• De acordo com a visita técnica realizada foi possível foi possível verificar as medidas de cada viga metálica e a distância entre elas como mostra a figura 3
Figura 3 – MEDIDAS ENTRE VIGAS
Fonte: dados de campo, o próprio autor, 2025
• Terreno plano com edificações ao redor e prédios altos, localização em uma região urbana com concentração média de 10 a 20 pessoas.
4.2 CÁLCULO DO VENTO
De acordo com o gráfico de isopletas (figura 6), segundo a NBR 6123/2023 a velocidade básica do vento na região de Manaus é 30 m/s
• Categoria V: terrenos cobertos por obstáculos numerosos, grandes, altos, e pouco espaçados.
• Classe A: Toda edificação, estrutura, parte de edificação e estrutura, unidades e sistemas de vedação e seus elementos de fixação, cujo a maior dimensão vertical ou horizontal não exceda 20m
O fator S2 usado no cálculo da velocidade do vento em uma altura z acima do nível geral do terreno é calculado pela referida equação.
Os parâmetros meteorológicos foram definidos de acordo com a categoria e a classe a que pertence, usando os dados da tabela I da NBR 6123/2023.
O fator de rajada foi definido de acordo com a classe estabelecida usando os dados da tabela 2 da NBR 6123/2023.
Figura 4 – parâmetros meteorológicos
Tabela 1 – parâmetros metrorológicos
Tabela 2 – fator de rajada
Fonte: ABNT NBR 6123/2023
Fator estatístico S3 (grupo 3): 1,00 edificações para residências, hotéis, comércio e indústrias. Baixo fator de ocupação
Figura 7 – gráfico de isopletas
Fonte: ABNT NBR 6123:2023
4.3 ENERGIA SOLAR
De acordo com as especificações do fabricante, Para este projeto foi utilizado o modelo de módulo de energia solar ODA550-36V-MH
Figura 10 – especificações do módulo
Fonte: Datasheet fabricante OSDA SOLAR
• Na cobertura foi instalado um total de 25 módulos fotovoltaicos. O equivalente a 65m² de área de cobertura.
• Perfil trilho telha metálica 40mm x 42
• 44 unidades de fixador intermediário
• 12 unidades de fixador final
• 235 Paraf. sext. AA 6,3 x 19M c/ Arruela
• peso por unidade de placa – 28,4kg
• Total de placas instaladas 25 Und, portanto peso total – 710kg
• Fixador intermediário: 44 x 0,06kg = 2,64kg, portando 0,0088 kg por m² • Fixador final: 12x 0,1kg = 1,2kg, portanto 0,004 kg por m²
4.4 PROPRIEDADES ESTRUTURAIS
Segundo a NBR 8800/2008, as propriedades mecânicas gerais a considerar para efeito de cálculo, para os aços aqui relacionados, os seguintes valores:
• Módulo de elasticidade E = 20000 Mpa;
• Coeficiente de Poisson: γa = 0,3;
• Massa específica: βa = 7850 kg/m³
• Coeficiente de dilatação térmica βa = 1,2 x 10-5 °C-1
• De acordo com a tabela do fabricante GERDAL, para perfil U 3” as especificações técnicas na tabela abaixo
Fonte: perfil estrutural, tabela de bitolas GERDAU
• Cobertura telha trapezoidal 0,43 mm
• Peso próprio telha metálica trapezoidal – 4,05 Kg/m² * 298,24 = 1207,87 kg
• Peso da estrutura metálica = 6,1kg/m² * 28,65* 8 = 1398,12 kg
• Área de telhado – 298,24 m²
• Inclinação do telhado – 7,78%
4.5 CÁLCULO ESTADO-LIMITE SERVIÇO E ESTADO-LIMITE ÚLTIMO
De acordo com a norma NBR 8800/2008, os estados-limites últimos estão relacionados com a segurança da estrutura sujeita às combinações mais desfavoráveis de ações previstas em toda a vida útil, durante toda a construção ou quando atuar uma ação especial ou excepcional. Os estados-limites de serviço estão relacionados com o desempenho da estrutura sob condições normais de utilização.
Para efeito de cálculo de estado-limite último (ELU) foi utilizado a seguinte expressão para combinação dos elementos.
FGi,k = Representa os valores característicos das ações permanentes;
FQ1,k = Valor característico da ação variável considerada principal da combinação
FQi,k = Valores característicos das ações variáveis que podem vir a atuar concomitantemente com a ação variável principal
γqj = Coeficiente de ponderação de ações permanentes
γqj = Coeficiente de ponderação de ações variáveis
ψ0j = Fator de combinação
4.6 VERIFICAÇÃO DE ELS
Ainda de acordo com a NBR 8800/2008 no anexo C, abrange deslocamentos máximos na tabela C.1 a considerar para o caso:
Figura 12 – anexo C tabela C.1
Tem-se a pior situação
Dados gerais para linearização das cargas atuantes
Utilizando os dados obtidos por estado-limite último e estado-limite de serviço junto a linearização das cargas, foi possível utilizar a pior situação na viga metálica que recebe a maior quantidade de esforços das cargas adicionais de energia solar.
Primeira verificação: Flambagem local
Valores adotados:
Como resultado: 17,63<106,35 OK ou seja, com acréscimo de cargas, a estrutura não irá sofrer deformação.
Para facilitar o cálculo foi utilizado o programa DimPerfil para calcular a flexão da estrutura através da norma NBR 14762:2001 para dimensionamento de estruturas de aço.
Figura 13 – DIMPERFIL cálculo de flexão composta
Utilizando os dados obtidos no programa Mastan2 e integrando ao DIMPerfil, pelo método da flexão composta, é possível verificar que a estrutura trabalha dentro do valor de acordo com a norma
Figura 14 – cálculo de momento fletor resistente
Figura 15 – verificação à flexão composta
Figura 16 – Método das cargas efetivas
Através do programa Mastan2 é possível observar a tendência à deformação da estrutura, em virtude da carga adicional.
Figura 17 – deformação estrutural
Figura 18 – deformação estrutural vista xyz
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Depois dos estudos e das instalações feitas, foi possível observar que as estruturas do local estão trabalhando dentro do limite de trabalhabilidade delas, as vigas estão apoiadas em duas paredes de alvenaria distribuindo as cargas da cobertura conforme a figura 18.
diminuindo o esforço necessário para suportar a carga adicional na cobertura. As cargas vindas da energia solar foram instaladas próximo a parte de alvenaria, assim estão atuando próximas a reação de apoio, o que diminui o esforço necessário para a cobertura suportar a carga adicional, ou seja, dentro da zona de influência da alvenaria.
Figura 19 – aplicação de carga vista xy
Com relação ao fator vento, conforme o que é possível observar da imagem abaixo, há muitas edificações elevadas ao redor como prédios e estabelecimentos comerciais de mais de um andar, isto reduz a intensidade do vento, o que diminui os esforços adicionais por fenômeno natural.
Figura 20 – vista dinâmica, reconhecimento geográfico
Utilizando o programa FTOOL, analisando a viga utilizada, é possível observar que aplicando as cargas propostas, as cantoneiras diagonais mudam o vetor da força aplicada em toda a região entre o banzo superior e o banzo inferior conforme a imagem abaixo
Figura 21 – aplicação de carga
Fonte: FTOOL, 2025
Figura 22 – estrutura presente sem deformação
Fonte: FTOOL,2025
Figura 23 – cobertura local
Fonte: wipcar, foto tirada pelo autor 2025
6 CONCLUSÃO
Este trabalho investigou uma cobertura metálica em estabelecimento comercial para instalação de módulos fotovoltaicos, considerando a estrutura metálica local. A adoção da energia solar representa uma tecnologia madura e cada vez mais presente em diversos países, promovendo melhoria na qualidade energética e maior sustentabilidade para os usuários.
No entanto, como demonstrado ao longo deste estudo, a viabilização dessa tecnologia não pode prescindir de uma verificação criteriosa das condições estruturais da cobertura antes da execução, sob pena de comprometer a segurança futura da edificação.
Primeiramente, verificou-se que fatores como a idade da cobertura, o tipo de cobertura (no caso, metálica), o estado da estrutura e a presença de patologias são determinantes para a confiabilidade da instalação fotovoltaica. A vida útil da cobertura e sua integridade são pré-requisitos para garantir que o acréscimo de carga proveniente dos módulos, fixações e eventuais impactos de vento ou sobrecarga seja suportado com margem de segurança.
Em segundo lugar, a análise mostrou que não basta apenas considerar o peso dos módulos: as condições da cobertura, eventos naturais, condições estruturais, tipos de material utilizados, melhor local para instalação e resistência dos materiais, mais do que avaliação de incidência solar no local.
Por fim, este estudo ressalta que a instalação de sistemas fotovoltaicos em coberturas metálicas de estabelecimentos comerciais deve sempre ser precedida por um laudo ou parecer de engenharia estrutural que ateste a capacidade de carga e integridade da estrutura original, bem como proponha eventuais reforços. A negligência deste passo aumenta o risco de problemas tanto de funcionalidade quanto de segurança ao longo do tempo — inclusive com implicações de seguro, manutenção e vida útil.
Em conclusão, o presente trabalho contribui para tornar explícitos os principais riscos e requisitos para a instalação de módulos fotovoltaicos em coberturas metálicas através de um estudo de caso. A importância da análise prévia oferece um caminho metodológico para análise e verificação estrutural e comportamental. Que no caso, como é possível analisar, deu certo sem oferecer riscos nem comprometer o estabelecimento comercial.
Recomenda-se que em instalações futuras e tipologias similares utilizem os programas estruturais como os que foram utilizados, e que pesquisas subsequentes contribuem para tornar este processo cada vez mais automatizado e eficiente.
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
GARCEZ, Leonardo Santos. AVALIAÇÃO ESTRUTURAL DE TELHADO PARA A INSTALAÇÃO DE SISTEMA DE ENERGIA SOLAR. PORTO ALEGRE: Centro Universitário Ritter dos Reis , 2022.
LIPPI, Flávio D´alambert Ivan. TABELA DE VÃOS E CARGAS. COLETÂNEA DO USO DO AÇO TABELA DE VÃOS E CARGAS, v. 3, 2012.
WALTER PFEIL, Michele Pfeil. ESTRUTURAS DE AÇO: DIMENSIONAMENTO DE ACORDO COM A NBR 8800:2008. Rio de Janeiro, RJ: LTC -Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda., 2012. v. 8
DE SOUZA, Lucas Alves Ferreira. DETERMINAÇÃO DE PRESSÃO DE VENTO EM GALPÕES NÃO ISOLADOS. GOIÂNIA: Escola Politécnica da Pontifícia Universidade Católica de Goiás, 2022.
JUNIOR, Marcelo Pratti. ANÁLISE DE DIMENSIONAMENTO DE PERFÍS DE COBERTURA METÁLICA ESTUDO DE CASO. Joinville: UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA, 2015.
DE CARVALHO, Victor Benjamim Fleury. TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO (TCC): DIMENSIONAMENTO DA ESTRUTURA DE AÇO DA COBERTURA DE UMA RODOVIÁRIA. Belo Horizonte : Universidade Federal de Minas Gerais, 2023.
DALL’AGNOL, Felipe. ESTUDO COMPARATIVO DE ESTRUTURAS DE COBERTURA EM MADEIRA VARIANDO-SE O VÃO E O TIPO DE TESOURA. Pato Branco, PARANÁ: UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ, 2017.
ABNT NBR 8800:2008. PROJETO DE ESTRUTURAS DE AÇO E DE ESTRUTURAS MISTAS DE AÇO E DE CONCRETO DE EDIFÍCIOS, 2008. . Acesso em: 27 out. 2025
ABNT NBR 6123:2023. FORÇAS DEVIDAS AO VENTO EM EDIFICAÇÕES, 2023. . Acesso em: 27 out. 2025
DOS SANTOS CORGOSINHO1 NICOLLAS VINICIUS SILVA DOMINGOS2 TULIO
DAVI CRUZ PEREIRA3, Fernanda. VERIFICAÇÃO DE CÁLCULO ELS E ELU DE VIGA W. [S.l.: S.n.].
NETO, Juliano Geraldo Ribeiro. ESTRUTURAS METÁLICAS 3 – Solicitações de cálculo., Goiânia,2016.
ANDREILTON DE PAULA SANTOS, Libânio Miranda Pinheiro. PROCEDIMENTOS PARA VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE GLOBAL DE PÓRTICOS ATIRANTADOS. são carlos: Cadernos de Engenharia de Estruturas, 2010.