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Steel Frame Building System
Steel Frame, Light gauge Steel Framing for houses
Fortaleza Steel Framing - Montagem
Steel Frame Parte 1 Parte 2 Parte 3
domingo, 6 de dezembro de 2009
Construção com Steel Frame
Steel Frame
Alunos – Maiga e Clédio
Professor - Zacarias Martin Chamberlain Praiva
Disciplina - Estruturas de Aço
Universidade de Passo Fundo
Toda edificação necessita de um sistema estrutural que possibilite mantê-la estável e em condições normais de utilização quando sujeita a diversas ações.
O sistema Steel Frame é uma proposta para racionalizar a concepção da estrutura da edificação utilizando-se perfis leves de aço galvanizado dobrados a frio, que formam paredes estruturais e não-estruturais depois de receber painéis de fechamento.³
Esse sistema se diferencia dos tradicionais, pois sua composição por elementos ou subsistemas estruturais, de isolamento, de acabamentos exteriores e interiores, e de instalações funcionam como um único conjunto.¹
Frame é o esqueleto estrutural projetado para dar forma e suportar a edificação, sendo composto por elementos leves – os perfis formados a frio (PFF) e Framing é o processo pelo qual se unem e vinculam esses elementos. O Steel Frame é largamente empregado há mais de trinta anos em países como os Estados Unidos, Inglaterra, Austrália, Japão e Canadá.¹
O sistema apresenta várias vantagens como redução do prazo de execução da obra, material estrutural mais leve em aço e com maior resistência à corrosão, durabilidade, maior precisão na montagem de paredes e pisos, redução de desperdício de material, custo reduzido, entre outras.¹
O conceito do sistema é dividir a estrutura em uma grande quantidade de elementos estruturais, sendo cada um desses elementos capazes de resistir a uma pequena parcela de carga, possibilitando o emprego de perfis mais esbeltos e painéis mais leves e fáceis de manusear.¹
Fabricação dos perfis
Os perfis formados a frio são fabricados a partir de bobinas de aço zincado de alta resistência e revestidos com zinco ou liga alumínio-zinco. As chapas têm entre 0,8 mm e 3,0 mm de espessura, sendo a mais utilizada a de espessura de 0,95 mm.³
Os elementos principais são os perfis, produzidos a partir de dois processos tradicionais: um consiste num processo contínuo em que uma tira de chapa passa por uma série de cilindros (perfiladeiras) dobrando-a para gerar a conformação da seção transversal; o outro, através de dobradeira, que nada mais é que um equipamento de punção que pressiona a chapa contra a mesa para efetivar a dobra, obtendo-se a seção transversal desejada por vários reposicionamentos.³
Tipos de perfis ³
- U simples: formado pela alma de comprimento bw e a mesa (flange ou aba) de comprimento bf.
- Ue enrijecido: além da alma e da mesa, possui "enrijecedores" de comprimento D, sendo extensões das mesas. Os perfis podem possuir, também, enrijecedores intermediários longitudinais, localizados na alma ou na mesa, que nada mais são que pequenos vincos para aumentar a rigidez do perfil.
- Cartola: possui dois enrijecedores de borda, duas almas e uma mesa.
- Cantoneira: formado por duas abas de mesma espessura que podem possuir ou não iguais comprimentos.
Dimensionamento ³
Na análise estrutural deve ser considerada a influência de todas as ações que possam produzir efeitos significativos para a segurança da estrutura, levando-se em conta os possíveis estados limites últimos e os de serviço. Nesse sentido, a avaliação e determinação das ações (permanentes, variáveis e excepcionais) e seus esforços solicitantes segue os procedimentos normativos de estruturas de modo geral. São importantes, entre outras, as normas:
· NBR 14762 - Dimensionamento de Estruturas de Aço Constituídas por Perfis Formados a Frio: Procedimento.
· NBR 8681 - Ações e Segurança nas Estruturas - Procedimento,
· NBR 6120 - Cargas para Cálculo de Estruturas de Edificações - Procedimento,
· NBR 6123 - Forças Devidas ao Vento em Edificações
A rotina de dimensionamento para os elementos de perfis metálicos segue o que se desenvolve comumente num projeto de estruturas, destacando-se as análises referentes às flambagens locais do perfil devido à seção transversal ser formada por elementos (mesas, almas e abas) em chapas de espessura fina. É usual a aplicação de perfis com seções transversais abertas e assimétricas e, portanto, a análise do comportamento dessas seções deve ser criteriosa, principalmente nas adoções e considerações de contraventamentos laterais e distâncias entre seções lateralmente contidas. Outras verificações são importantes, como a determinação de flechas e a instalação de adequados contraventamentos garantindo a estabilidade global da estrutura.
O dimensionamento das ligações é fundamental para a estabilidade da estrutura, principalmente quando se utiliza parafusos autoperfurantes. Assim, pela falta de normatização brasileira para o dimensionamento das ligações, vale-se das especificações da North American Specification for Design of Cold-Formed Steel Structural Members (AISI, 2001). As distâncias entre centros de furos e entre centro de furos e bordas devem ser bem analisadas no projeto para que não ocorram colapsos nas ligações, como rasgamentos entre furos e entre furos e as bordas e, conseqüentemente, esta condição altere o comportamento do elemento estrutural ou mesmo da estrutura como um todo.
Fotos
A Construção
As etapas de construção do sistema também conhecido como Light Steel Frame Housing na Europa e Residential Cold-Formed Steel Framing nos Estados Unidos são:
1) Projeto
Apesar de a obra ser industrializada a arquitetura tem total liberdade de concepção, em qualquer tamanho, desníveis e diferentes distribuições internas.²
2) Fundação
O sistema gera uma estrutura leve e, conseqüentemente, as fundações podem ser, de maneira geral, simples. Por ser constituído de painéis, admite-se que a transmissão da ação da estrutura à fundação se dá uniformemente, ao longo de toda sua extensão.³
A fundação básica deste tipo de construção é o radier, uma laje de concreto com pelo menos
Para que sejam impedidos deslocamentos de translação e rotação sobre a estrutura, ocasionadas pela força do vento é importante que a ancoragem da estrutura à fundação seja bem executada e corretamente dimensionada.
A ancoragem pode ser química utilizando-se uma barra roscada colada (com resina epoxídica) à fundação em orifício executado após o concreto da fundação adquirir a resistência especificada. A estrutura da edificação é fixada à fundação com uma barra rosqueada através de uma peça de aço que se ajusta à guia do montante e aparafusada. Outra forma de fixar a estrutura é utilizar uma fita metálica (de aço galvanizada) chumbada à fundação, para desenvolver a ancoragem.³
Fonte: Revista Téchne
3) Estrutura
· Estrutura dos painéis³
Os painéis podem ser instalados na vertical e na horizontal. Quando na vertical, na sua maioria, são portantes, isto é, trabalham como estrutura da edificação, recebendo as cargas e dando estabilidade ao conjunto. A concepção do sistema permite que os painéis trabalhem em conjunto travando-se entre si e gerando uma integridade na estrutura.
Um painel utilizado em parede é formado pelos montantes e pelas guias.
Os montantes (perfis Ue) são os elementos paralelos verticais normalmente modulados a cada 400 mm ou 600 mm, que dependendo da solicitação, pode ser de até 200 mm. As guias (perfis U) são elementos que fixam as extremidades dos montantes (inferior e superior) conformando a estrutura básica do sistema. A união é executada com parafusos autoperfurantes e auto-atarraxantes.
· Contraventamento³
Os contraventamentos são geralmente executados com fitas de aço galvanizado parafusadas em placas de Gusset localizadas nas quinas do painel. Os contraventamentos podem assumir formas de X ou K, dependendo das condições do projeto.
Estrutura contraventada e detalhe da placa de Gusset. Fonte: Revista Téchne
O travamento horizontal é executado pelos bloqueadores, de perfis U ou Ue, conectados aos montantes ou vigas. Introduz-se, também, uma fita metálica que une os montantes do painel entre si e com os bloqueadores. Esse conjunto bloqueador-fita aumenta a capacidade resistente do painel, pois diminui o comprimento de flambagem dos montantes e tenta impedir a torção do montante em torno de seu eixo longitudinal.
Para compor o piso das lajes do sistema pode-se utilizar placas pré-fabricadas sobre as vigas de perfis Ue, constituindo a chamada laje seca que podem ser compostas por fibras de madeira orientadas ou por madeira laminada ou sarrafeada
contraplacada por lâmina de madeira, recebendo ou não revestimento cimentício em suas faces.
Estruturalmente, é interessante ressaltar que as lajes funcionam como diafragma horizontal participando efetivamente da rigidez global do conjunto da edificação, semelhante ao que se considera nas estruturas de alvenaria estrutural.
4) Fechamento³
Denomina-se fechamento os componentes posicionados externa e internamente à estrutura para a formação da vedação. Na escolha do tipo de fechamento deve ser levada em conta a compatibilidade com o sistema Steel Frame, seu peso, dimensões e facilidade de aplicação. A segurança estrutural, a segurança ao fogo, a estanqueidade, o conforto termoacústico, tátil e visual, além, da durabilidade e economia.
· Fechamento externo
Os fechamentos externos estão sujeitos às ações das intempéries e, portanto devem possuir estanqueidade e durabilidade, além da estética. Deve-se dar atenção especial à colocação das placas externas e suas respectivas juntas.
Como componentes dos fechamentos externos apresentam-se as placas cimentícias que são leves, de pequena espessura, impermeáveis, incombustíveis, compatíveis com o sistema, resistentes aos impactos, de baixa condutividade térmica, resistente a cupins e microorganismos, duráveis e permitem inúmeros acabamentos.
Pode-se aplicar também como fechamento o painel de OSB (Oriented Strand Board), cuja maior vantagem é ser estrutural o que auxilia no contraventamento das paredes. Outra opção é o siding cimentício, que são tiras de placas cimentícias sobrepostas, que podem ser aplicadas sobre as placas cimentícias oferecendo um ótimo acabamento ao fechamento.
Siding cimentício. Fonte: Revista Téchne
· Isolantes térmicos e acústicos
Para proporcionar o isolamento termoacústico desejado entre os fechamentos externo e interno da parede, pode-se utilizar lã de rocha, lã de vidro ou painéis de EPS. A espessura do isolante bem como sua densidade dependerão do nível de isolamento desejado. A própria concepção do sistema, formado por duas placas, internamente preenchidas com lã mineral (sistema massa-mola-massa), proporciona redução acústica pela descontinuidade do meio.
· Fechamentos internos
Nos fechamentos internos, podem-se utilizar as mesmas placas usadas nos fechamentos externos e, ainda, as placas de gesso acartonado.
5) Instalações ³
As instalações elétricas, hidráulicas, de telefonia, internet, gás, etc, são as mesmas utilizadas em edificações convencionais, apresentando os mesmos materiais e formas de dimensionamento. Pode-se admitir que, no sistema steel frame, todas as paredes funcionam como shafts, facilitando a execução e a manutenção desses subsistemas.
Para a passagem das instalações pelos montantes e vigas de piso, esses devem ser furados, de acordo com a NBR 15253:2005 que normaliza os furos para passagem de instalações, prevendo que aberturas sem reforços podem ser executadas nos perfis de Steel Frame, desde que devidamente consideradas no dimensionamento estrutural.
As tubulações verticais devem ser instaladas junto à alma dos montantes, pelo lado externo, ou livres no vão entre eles. Nunca devem estar dispostas "dentro" do montante, pois, nessa situação, existe o risco de perfuração das tubulações pelos parafusos no momento da fixação das placas de fechamento da parede.
Embora o sistema permita, por sua flexibilidade, as instalações das tubulações em direções diagonais entre os montantes, ou seja, permita a passagem da tubulação de maneira variável, é fortemente recomendado que as tubulações tenham caminhamento claro e descriminado em projeto, para que o futuro proprietário do imóvel possa fazer furos nas paredes sem correr o risco de perfurar tubulações.
6) Cobertura ³
As coberturas próprias para Steel Frame possuem as mesmas características e princípios das estruturas convencionais, podendo ser utilizadas com telhas metálicas, cerâmicas, fibrocimento e shingle, entre outras.
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. Devem ser levadas em consideração, ainda, no dimensionamento dos elementos estruturais, as ações decorrentes do processo construtivo ou de montagem.
Estrutura de cobertura em Steel Frame. Fonte: Revista Téchne
Cobertura plana horizontal com placas sobre treliças. Fonte: Revista Téchne
Para executar estruturas de coberturas de Steel Frame 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. 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.
Uma das soluções de cobertura possíveis, utilizando-se Steel Frame, é o plano horizontal impermeabilizado. Esse plano pode ser executado com laje seca, montada por placas industrializadas de madeira de fibras orientadas (Oriented Strand Board) com revestimento cimentício. Essas lajes devem receber impermeabilização adequada e ter inclinação suficiente para o escoamento da água. O caimento deve ser executado pela variação na espessura da camada de proteção mecânica.
Cobertura de residência com tesouras Fonte: Revista Téchne
Conexão de elementos de tesoura com chapas de Gusset Fonte: Revista Téchne
A solução mais comum são as treliças inclinadas, geralmente conhecidas como tesouras. Estas são capazes de vencer grandes vãos sem apoios intermediários, com grande economia de material. As tesouras de Steel Frame 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 ser do tipo Howe, Pratt, Fink, N, N invertido, K etc.
As tesouras em Steel Frame 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.
No sistema steel frame, 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.
Telhado de quatro águas com composição de caibros Fonte: Revista Téchne
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. 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.
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.
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.
Referências
¹ Rodrigues, Francisco Carlos, Steel Framing: Engenharia – Rio de Janeiro IBS/CBCA, 2006.
² Casas
³ COMO CONSTRUIR: Steel Frame (fundação, estrutura, fechamento, instalações e cobertura) – www.revistatechne.com.br
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