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Universidade Federal do Rio de Janeiro APLICAÇÃO DE LAJES STEEL DECK EM EDIFÍCIOS DE MÚLTIPLOS ANDARES Stela Regina Magaldi Guimarães RIO DE JANEIRO 2016 i APLICAÇÃO DE LAJES STEEL DECK EM EDIFÍCIOS DE MÚLTIPLOS ANDARES Stela Regina Magaldi Guimarães Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do Título de Engenheira Civil. Orientadora: Profª. Elaine Garrido Vazquez Rio de Janeiro Setembro de 2016 APLICAÇÃO DE LAJES STEEL DECK EM EDIFÍCIOS DE MÚLTIPLOS ANDARES Stela Regina Magaldi Guimarães PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRA CIVIL. Examinada por: Profª. Elaine Garrido Vazquez, D.Sc. - Orientadora Prof. Eduardo Linhares Qualharini, D.Sc. Prof. Leandro Torres di Gregório, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL SETEMBRO de 2016 iii Guimarães, Stela Regina Magaldi Aplicação de lajes steel deck em edifícios de múltiplos andares / Stela Regina Magaldi Guimarães. – Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2016. XV, 70 p.: il.; 29,7 cm. Orientadora: Elaine Garrido Vazquez Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Civil, 2016. Referências Bibliográficas: p 67-70. 1. Introdução. 2. Metodologia de execução de lajes em estruturas metálicas mistas. 3. Aplicação prática 4. Comparativo: lajes em concreto armado versus lajes steel deck. 5. Considerações Finais I. Elaine Garrido Vazquez II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Civil. III. Engenheiro Civil iv AGRADECIMENTOS A Deus, por tornar tudo isso possível. Aos meus pais, Ana Magaldi e Ramiro Guimarães, por investirem tudo que puderam, sem limites de esforço, na minha formação pessoal e profissional. À minha família que me apoia em todos os momentos, sempre com muito amor e bom humor, no ambiente mais feliz que se pode ter. À minha orientadora, Elaine Garrido Vazquez, por sempre ter dado todo suporte e apoio que solicitei durante a graduação, por todo seu esforço e dedicação investidos na formação dos futuros engenheiros da UFRJ. E aos professores que participaram da minha banca examinadora, Leandro Torres di Gregório e Eduardo Linhares Qualharini, por terem dedicado seu tempo a contribuir para este trabalho. Aos amigos da UFRJ, especialmente Bruno Polo, Dalvania Muniz, Daniel Chueke, Eduardo Netto, Izabela Nascimento, Raquel Lucero, Plinio Marques, Thiago Veloso, Victor Castanheira e Victor Lima, pela companhia, os estudos em grupo, os almoços que davam uma renovada nas energias, as madrugadas nas vésperas de provas, os momentos de desespero em conjunto, as risadas, pela parceria! Aos amigos da Odebrecht, especialmente Amanda Cunha, Daniel Ramos, Eduardo Cantarelli, Juliana Maximiana, Marcus Gazani, Rafael Carias e Tayane Crispim, pela boa companhia diária e a contribuição no meu amadurecimento profissional. A Jean Bettega pelo apoio para manter as forças no final do curso, pela companhia, mesmo que virtual, madrugadas a dentro e noites sem dormir, por ter me ajudado da maneira que podia. v Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil Aplicação de lajes steel deck em edifícios de múltiplos andares Stela Regina Magaldi Guimarães Setembro/2016 Orientadora: Elaine Garrido Vazquez Curso: Engenharia Civil O setor da construção civil é frequentemente criticado por atrasos, baixa produtividade e elevados desperdícios. As obras no âmbito nacional se tornaram, nos últimos anos, cada vez mais arrojadas e com prazos mais desafiadores. Este cenário favoreceu o investimento em tecnologias mais produtivas e inovadoras, se destacando a utilização de estruturas metálicas mistas. Este trabalho tem como objeto a análise da metodologia construtiva de lajes com forma colaborante em estruturas metálicas mistas, também denominadas steel deck, e sua comparação com lajes convencionais em concreto armado em edificações de múltiplos pavimentos. Para realizar esta análise foram realizadas pesquisas a livros técnicos, artigos científicos, teses de mestrado e doutorado, normas técnicas, e consultas a profissionais especializados na área. Foi concluído através deste trabalho, e da análise do exemplo de aplicação, um resultado positivo a favor da utilização desta metodologia em edifícios de pavimentos múltiplos no que tange a ganho de prazo, aliado a facilidade de execução da metodologia. Palavras-chave: lajes convencionais, lajes mistas, steel deck, edificações de múltiplos pavimentos. vi Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer Application of steel deck slabs in multistory buildings Stela Regina Magaldi Guimarães September/2016 Advisor: Elaine Garrido Vazquez Course: Civil Engineering The construction industry is often criticized for delays, low productivity and high waste of materials and workmanship. The construction works at the national level have become, in recent years, increasingly bolder and with more challenging deadlines. This scenario favored the investments in more productive and innovative technologies, highlighting the use of composite structures. This paper consists of the analysis of constructive methodology of composite slabs with steel deck, and its comparison with conventional slabs of reinforced concrete. To perform this analysis it were made searches on technical books, master's and doctoral theses, technical manuals, and views of experts in the area. It was concluded through this work, and the analysis of the applied case, a positive result for the use of this methodology on multiple floors buildings in terms of meeting deadlines, combined with the ease of implementation of the methodology. Keywords: tradicional slabs, composite slabs, steel deck, multiple floor buildings vii 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 1 1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO DO TEMA ................................................................................... 1 1.2. OBJETIVO .................................................................................................................... 6 1.3. JUSTIFICATIVA............................................................................................................. 7 1.4. METODOLOGIA DA PESQUISA ...................................................................................... 8 1.5. SÍNTESE DOS CAPÍTULOS ............................................................................................. 8 2. METODOLOGIA DE EXECUÇÃO DE LAJES EM ESTRUTURAS METÁLICAS MISTAS ...........................................................................................................10 2.1. LAJES EM CONCRETO ARMADO .................................................................................. 11 2.1.1. Histórico ............................................................................................................... 11 2.1.2. Normas técnicas ................................................................................................... 12 2.1.3. Elementos do Sistema .......................................................................................... 13 2.1.3.1. Forma ........................................................................................................... 13 2.1.3.2. Armadura ...................................................................................................... 15 2.1.3.3. Concreto ....................................................................................................... 16 2.1.4. Metodologia Construtiva ...................................................................................... 18 2.1.4.1. Forma ........................................................................................................... 18 2.1.4.2. Armação ....................................................................................................... 20 2.1.4.3. Concreto ....................................................................................................... 22 2.1.5. Vantagens e desvantagens do sistema .................................................................. 25 2.2. ESTRUTURA METÁLICA MISTA COM LAJES EM STEEL DECK ........................................ 27 2.2.1. Histórico ............................................................................................................... 27 2.2.2. Normas técnicas ................................................................................................... 28 2.2.3. Elementos do sistema ........................................................................................... 29 2.2.3.1. Forma - Steel Deck ....................................................................................... 31 2.2.3.2. Armadura ...................................................................................................... 32 2.2.3.3. Concreto ....................................................................................................... 34 2.2.4. Metodologia construtiva ....................................................................................... 34 2.2.4.1. Transporte ..................................................................................................... 35 2.2.4.2. Alinhamento ................................................................................................. 35 2.2.4.3. Forração da laje ............................................................................................ 36 viii 2.2.5. Montagem do steel deck ....................................................................................... 36 2.2.5.1. Forma ........................................................................................................... 37 2.2.5.2. Armação ....................................................................................................... 41 2.2.5.3. Concretagem ................................................................................................. 43 2.2.6. Vantagens e desvantagens do sistema .................................................................. 44 3. APLICAÇÃO PRÁTICA ................................................................................................. 46 3.1. APRESENTAÇÃO DO OBJETO EM ESTUDO.................................................................... 46 3.1.1. Características do empreendimento ..................................................................... 46 3.1.2. Particularidades do projeto ................................................................................... 47 3.2. MONTAGEM PREPARATÓRIA PARA O STEEL DECK ...................................................... 47 3.3. MONTAGEM DO STEEL DECK ...................................................................................... 50 3.4. ANCORAGEM DAS LAJES ............................................................................................ 55 3.4.1. Ligação pelo esqueleto estrutural ......................................................................... 55 3.4.2. Ligação pela laje ................................................................................................... 57 4. COMPARATIVO: LAJES EM CONCRETO ARMADO VERSUS LAJES STEEL DECK ........................................................................................................................... 61 4.1. CONSIDERAÇÕES SOBRE CUSTO, PRAZO E QUALIDADE ............................................... 62 4.1.1. Custo ..................................................................................................................... 62 4.1.2. Prazo ..................................................................................................................... 63 4.1.3. Qualidade ............................................................................................................. 64 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................... 65 5.1. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................................... 66 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 67 REFERÊNCIAS ELETRÔNICAS ........................................................................................... 69 1. Introdução 1.1. Contextualização do tema A estrutura de uma edificação é a parte, ou conjunto das partes da construção, destinadas a resistir a cargas (DIAS, 1998). As peças estruturais devem resistir aos esforços incidentes e transmiti-los aos demais elementos portantes da construção, através dos vínculos formadores do sistema estrutural, e conduzi-los ao solo. Usualmente, no Brasil, as estruturas de edificações são executadas em concreto armado, um processo construtivo inventado na Europa em meados do século XIX. Ele consiste na combinação do concreto (uma pasta feita de agregados miúdos e graúdos, cimento, areia e água, conhecida desde a Antigüidade) com uma armadura de aço (SANTOS, 2006). De acordo com Goretti (2013), atribui-se a descoberta do concreto armado a Joseph- Louis Lambot, um agricultor francês, que em 1849 realizou a construção da primeira estrutura de concreto armado: um barco. Observa-se, no entanto, que na verdade o barco foi construído utilizando argamassa armada. O projeto não teve grande repercussão, mas chamou a atenção de Joseph Monier, que vislumbrou a possibilidade de substituir os vasos de plantas ornamentais que até então produzia em madeira ou cerâmica, iniciou a produção de vários artefatos e estruturas de concreto armado, registrando várias patentes de cimento armados com ferro: de vasos de cimento para horticultura e jardinagem (1867), de tubos e tanques (1868), de painéis decorativos para fachadas de edifícios (1869), de reservatórios de água (1872), de construção de pontes e passarelas (1873 e 1875) e de vigas de concreto armado (1878). A primeira ponte de concreto armado, existente até a atualidade, foi construída por Monier em 1875, no castelo Chazelet (Goretti, 2013). Posteriormente, as patentes de Monier foram compradas por Gustav Adolf Wayss, um engenheiro alemão que começou a desenvolvê-las e conduzir pesquisas para utilizar o concreto armado como material de construção em sua empresa. 2 A grande contribuição de Monier foi, mesmo que de forma empírica e intuitiva, avaliar as característicasdos materiais para combiná-los de forma adequada. Monier percebeu que o concreto era facilmente obtido e moldado e tinha considerável resistência à compressão e ao esmagamento, porém apresentava deficiências em relação ao cisalhamento e à tração. Por outro lado o aço era extremamente resistente à tração e era facilmente encontrado em formas simples como barras longas. Em 1902 foi erguido, com 64 metros, o primeiro prédio comercial de grande altura, o Ingalls Building (figura 1), Ohio, Estados Unidos (Goretti, 2013). Inicialmente houve muita polêmica envolvendo comentários de que o edifício poderia não resistir às ações do vento e à retração do concreto, mas o material ganhou confiabilidade e hoje é o material construtivo mais utilizado no mundo (IBRACON, 2009). Figura 1: Ingalls Buidilng, Cincinnati, Ohio, Estados Unidos Fonte: concretecontractor.com, 2016 Com o avanço tecnológico novas alternativas ao sistema de lajes maciças em concreto armado surgiram, tais como: lajes nervuradas, pré-moldadas, protendidas, metálicas e mistas. O uso da estrutura metálica é relativamente novo para os brasileiros, mas já tem sido amplamente utilizado na Europa e Estados Unidos. 3 A princípio, o emprego do ferro na Construção Civil esteve restrito a pontes, sendo a Ponte Ironbridge sobre o Rio Severn em Coalbrookdale na Inglaterra, a primeira obra importante. Projetada por Abraham Darby, em 1779, foi executada com arcos de ferro fundido, vencendo um vão de 30m (FREIRE, 2016). Figura 2: Ironbridge, Coalbrookdale, Inglaterra Fonte: educacional.com.br, 2016 O ferro foi amplamente utilizado na construção de pontes até meados do século XIX, no entanto, os projetos de estruturas mais arrojadas e alguns acidentes ocorridos com pontes, evidenciaram a necessidade de utilizar um material estrutural com melhores características, voltando-se a atenção para o aço, este formado a partir de ferro e carbono. Inicialmente, as pontes metálicas eram construídas com ferro fundido, depois com aço forjado e posteriormente com aço laminado. A primeira ponte construída em aço foi a Ponte de Eads, em 1875, nos Estados Unidos, sobre o Rio Mississipi e contendo um vão central de 158m (CEAM-UFMG, 2016). Ainda na segunda metade do século XIX começam a surgir os edifícios de múltiplos andares em estrutura metálica. Em 1885 é terminada a construção do edifício Home Insurance Building, em Chicago, primeiro edifício em estrutura de aço do mundo, com 10 pavimentos (FREIRE, 2016). 4 Figura 3: Home Insurance Building, Chicago, Estados Unidos Fonte: en.wikipedia.org, 2016 Muitas construções verticais arrojadas mundialmente conhecidas foram concebidas através de estrutura metálica, como a Torre Eiffel (1889) em Paris com 312m de altura, o Empire State Building (1931) em Nova York com 381m de altura e Sears Towers (1974) em Chicago com 443m de altura (CEAM-UFMG, 2016). Vale ainda ressaltar que a ponte Presidente Costa e Silva, também conhecida como Ponte Rio-Niterói, concluída em 1974, que foi recorde como detentora do maior vão em viga reta de alma cheia do mundo, foi construída com tabuleiros de concreto de 50m, exceto nos vãos centrais de 200m e 300m, que são em estrutura metálica. Figura 4: Ponte Presidente Costa e Silva, Rio de Janeiro - Niterói, Brasil Fonte: pt.wikipedia.org, 2016 5 No Brasil, as construções em estruturas metálicas são mais recentes, o aço começou a ser utilizado no final do século XIX e início do século XX. A partir do início da operação da CSN (Companhia Siderúrgica Nacional) - primeira siderúrgica integrada instalada no Brasil - que o aço importado passou a ser substituído pelo de fabricação nacional, tendo o setor industrial como destino prioritário e impulsionado pela política de crescimento do setor automotivo no país. Assim, a construção civil se desenvolveu privilegiando o uso do concreto e da alvenaria. Esta metodologia se manteve fixa até 2004, quando o setor da construção civil no Brasil ainda obtinha baixas taxas de crescimento com média anual de 0,5%, de acordo com dados do CBCA (Centro Brasileiro da Construção em Aço). Inicialmente no Brasil as construções metálicas utilizaram peças importadas da Europa, em 1950 a recém criada Companhia Siderúrgica Nacional montou sua fábrica de estruturas metálicas, apostando no potencial do produto no mercado de construção civil brasileiro (FARIA, 2008). A figura 5 a seguir ilustra o edifício Garagem América, primeiro edifício de multiplos pavimentos construído em estruturas metálicas totalmente projetado, fabricado, montado e comercializado por brasileiros, em São Paulo (ANDRADE, 2016). Figura 5: Edifício Garagem América, São Paulo Fonte: Revista Téchne, Editora Pini, 2016 6 A preparação para receber grandes eventos como os Jogos Pan-Americanos de 2007, a Jornada Mundial da Juventude de 2013, a Copa do Mundo da FIFA de 2014 e os Jogos Olímpicos - Rio 2016, demandando obras maiores, a serem executadas com maior rapidez e melhor qualidade, levando a construção civil a tomar um novo ritmo de crescimento, acarretando em grandes alterações qualitativas. O bom desempenho da economia nacional na primeira década do século XXI e a busca por ganhos de produtividade para vencer os desafios dos grandes eventos, alinharam a necessidade de desenvolvimento do setor da construção civil à janela de oportunidade aberta pelo crescimento econômico, fazendo com que as construções em estrutura metálica se destacassem por seus ganhos em produtividade e se fortalecessem no cenário nacional. O desenvolvimento dos diversos sistemas estruturais e construtivos fez surgir, entre outros, os sistemas formados por elementos mistos aço-concreto, cuja combinação de perfis de aço e concreto visa aproveitar as vantagens de cada material, tanto em termos estruturais como construtivos. Segundo Vasconcellos (2006), nas construções mistas, o concreto foi inicialmente usado, no início do século, como material de revestimento, protegendo os perfis de aço contra o fogo e a corrosão e embora o concreto pudesse ter alguma participação em termos estruturais, sua contribuição na resistência era desprezada. Hoje, vigas, colunas e lajes mistas são intensamente usadas em edifícios multiandares no exterior e estão evoluindo no Brasil. 1.2. Objetivo Neste trabalho será explorado o sistema construtivo de lajes em estrutura metálica mista com forma colaborante, abordando conceitos básicos, elementos estruturais e a metodologia de execução. Será dada ênfase na metodologia de execução de pavimentos em lajes mistas com steel deck. O objetivo deste trabalho é apurar o uso da forma colaborante em estruturas metálicas mistas e colaborar com o avanço desta metodologia construtiva no Brasil, através da difusão do conhecimento. 7 1.3. Justificativa A estrutura metálica é altamente vantajosa para a indústria da construção civil, destacando-se principalmente pela significativa redução no prazo de execução da obra, a racionalização da mão de obra direta e a facilidade de execução. No entanto, alguns fatores como o alto custo inicial e a baixa familiaridade com a prática ainda trazem insegurança no momento da opção estrutural do empreendimento. A análise da metodologia construtiva busca evidenciar as vantagens da utilização deste método e difundir o conhecimento sobre este. Além dos fatores citados, é importante destacar que por oferecer maior liberdade ao projeto arquitetônico, devido à elementos estruturais mais esbeltos, a estrutura metálica mista favorece o aumento da área útil chegando a um melhor aproveitamento do espaço interno,este tão solicitado nas construções contemporâneas. A concepção da edificação em estrutura metálica ocorre em duas fases principais: a fabricação e a montagem no canteiro de obras. Geralmente, a fabricação das peças da superestrutura ocorre simultânea à execução das fundações do empreendimento. As peças estruturais chegam ao canteiro de obras apenas para a montagem, adicionalmente esta metodologia construtiva permite atuação em múltiplas frentes de serviço simultaneamente. Estes fatores são responsáveis pela rápida execução da estrutura da obra, além da grande facilidade na montagem desta. Além disso, certos elementos da estrutura metálica possuem intrinsecamente características que dispensam fases da construção de elementos em concreto armado, especialmente formas em steel deck. Estas funcionam tanto como formas, como armadura positiva para as lajes, além de não necessitarem de escoramentos para vãos até 4 metros, desta forma, permite um ciclo de execução de pavimentos significativamente menor que o da estrutura convencional. Adicionalmente, a redução do uso de formas acarreta a redução do uso de materiais e da geração de resíduos, um dos grandes problemas da construção civil. 8 1.4. Metodologia da pesquisa O desenvolvimento deste trabalho consiste em análise comparativa, abordando a metodologia construtiva estrutural com enfoque no subsistema de lajes em duas técnicas: concreto armado e laje mista. O estudo foi alicerçado em pesquisas a livros técnicos, artigos científicos, teses de mestrado e doutorado, normas técnicas, revistas eletrônicas, fóruns online da indústria, manuais técnicos de empresas especializadas na área e em consultas a profissionais com experiência na aplicação da técnica abordada. Este trabalho foi desenvolvido sob a supervisão da orientadora acadêmica, baseado nas pesquisas à bibliografia e através do acompanhamento da execução da estrutura metálica mista do empreendimento analisado no estudo de caso. A metodologia será ilustrada através da obra do hotel Holiday Inn Porto Maravilha, na região portuária do Rio de Janeiro. A obra é de incorporação e construção da construtora Odebrecht Realizações Imobiliárias, e será detalhada no capítulo 3 deste trabalho, como exemplo de aplicação do método construtivo. A obra do Holiday Inn foi acompanhada diariamente durante 14 meses pela autora deste trabalho, com observação participante, tendo feito parte da equipe de produção do empreendimento, acompanhando toda a execução da estrutura em campo. Para a compilação dos dados foram utilizadas imagens do arquivo pessoal da autora e projetos da obra, bem como informações fornecidas por outros profissionais da área que atuaram neste empreendimento. 1.5. Síntese dos capítulos No primeiro capítulo foi apresentado o conceito de estruturas, um breve histórico da evolução das construções em concreto armado e estrutura metálica, no Brasil e no mundo. Neste capítulo também foi comentada a evolução do cenário da construção civil no país, que acarretou no investimento em novas tecnologias, como a analisada neste trabalho. Foi feita ainda a exposição do objetivo deste trabalho e de uma breve justificativa acerca das vantagens em investir em construções em estrutura metálica. 9 No segundo capítulo, serão exploradas duas alternativas de metodologia construtiva de lajes: estrutura convencional em concreto armado e lajes com forma colaborante steel deck. Para realizar esta comparação serão analisadas as partes constituintes do sistema, suas funções dentro deste, e interação entre estas. Além destas serão analisadas as sequencias de montagem dos sistemas estruturais, com os cuidados que devem ser tomados em suas etapas individuais, além de uma apresentação das vantagens e desvantagens de cada metodologia. No terceiro capítulo será apresentado o exemplo de aplicação, a obra de um hotel feito em estrutura metálica mista com lajes steel deck. O hotel instalado no centro do Rio de Janeiro possui 33 pavimentos, perfazendo a área total construída de 35.585m², tendo sua estrutura concluída em cerca de 8 meses. Na sequência, as metodologias construtivas serão comparadas com a finalidade de fornecer ao leitor insumos que facilitem a tomada de decisão em empreendimentos de múltiplos andares. No quarto capítulo, será apresentada uma comparação entre as metodologias em vista dos aspectos construtivos visando a execução e operações em campo, e dos principais aspectos para tomada de decisão na construção civil: custo, prazo e qualidade. No quinto capítulo serão feitas as considerações finais da autora sobre a análise prática do empreendimento estudado e sugestões para trabalhos futuros nesta área. Por fim são apresentadas as referências bibliográficas. 10 2. Metodologias de execução de lajes em estruturas metálicas mistas Nos edifícios usuais, os elementos estruturais que compõem o sistema estrutural global podem ser divididos didaticamente em lajes, vigas e pilares ou a união destes elementos que devem ter resistência mecânica, estabilidade, rigidez, resistência à fissuração e a deslocamentos excessivos para poderem contribuir de modo efetivo na resistência global do edifício. Se forem necessários, para melhorar a resistência às ações do vento, podem ser dispostos painéis verticais constituídos por pilares paredes ou elementos de contraventamento vertical como as diagonais (Vasconcellos, 2006). A superestrutura de uma edificação é o elemento de uma estrutura que se projeta acima da linha do terreno. No caso de um edifício, representa geralmente a parte do edifício situado acima do solo, em contraste, com a infraestrutura do subsolo. Este conjunto “laje-viga-pilar” é considerado a superestrutura de uma edificação, enquanto as fundações são denominadas de infraestrutura. Estruturas de edifícios de múltiplos pavimentos são formadas através de uma sucessão de lajes, uma sobre as outras, afastadas por uma distância denominada pé direito, segundo Pinho (2005). As lajes são responsáveis por suportar as cargas provenientes da ocupação da edificação (pessoas, móveis, equipamentos) além de seu peso próprio e outros materiais da própria construção. As lajes são elementos de geometria plana, submetidos à flexão e projetados para suportar cargas dentro de um limite, delimitado por uma distância denominada vão livre. O vão livre de lajes é delimitado de acordo com o distanciamento entre as vigas. As vigas são elementos responsáveis por suportar os esforços oriundos das cargas aplicadas nas lajes, submetidos predominantemente à flexão. Estas são classificadas de duas formas em geral: vigas secundárias, que transmitem os esforços a outras vigas, e vigas principais, que transmitem os esforços aos pilares. Os pilares são os elementos submetidos principalmente à flexo-compressão, responsáveis por transmitir os esforços atuantes sobre a estrutura às fundações, que então transmitem para o solo. 11 Entretanto, no caso de edifícios de múltiplos pavimentos, os esforços não se limitam aos supracitados. É importante considerar a ação de solicitações laterais, advindas principalmente dos ventos, que geram deformações que podem implicar em tombamento da edificação. Os elementos citados anteriormente ficam então submetidos a uma combinação dos carregamentos que geram esforços solicitantes, levanto a necessidade do contraventamento da estrutura. Há diferentes metodologias para o projeto, fabricação e montagem das estruturas. A escolha da metodologia adotada deve ser baseada principalmente em dois aspectos: a adaptabilidade à arquitetura e otripé fundamental da construção civil, formado por preço, prazo e qualidade. É comum que uma edificação possa ser atendida por mais de uma metodologia estrutural, onde a escolha do método deve ser relativo às necessidades específicas do empreendimento, relativo também ao item de maior peso entre preço e prazo, buscando sempre a qualidade. Este trabalho discorre por dois dos métodos estruturais utilizados no cenário atual, com enfoque na metodologia de execução das lajes: estrutura convencional em concreto armado moldado in loco e estrutura metálica mista com laje colaborante em steel deck, realçando os aspectos principais e distinguindo-os através de suas vantagens e desvantagens. 2.1. Lajes em concreto armado 2.1.1. Histórico Como dito no item 1.1 deste trabalho, a utilização de estruturas em concreto armado é predominante no Brasil. A combinação de aço e o concreto é bastante eficiente pois possuem valor de coeficiente de dilatação térmica próximos, possibilitando que estes materiais trabalhem juntos, além de se completarem um ao outro em suas propriedades de resistência mecânica. A união da elevada resistência à compressão do concreto e a elevada resistência à tração do aço, constitui uma forte vantagem construtiva, permitindo vencer grandes vãos e atingir elevadas alturas com este modelo estrutural. 12 No país, o uso do concreto armado se desenvolveu no início do século XX, com destaque para o edifício "A Noite", inaugurado em 1929, no Rio de Janeiro, ele se manteve com o título de prédio em concreto armado mais alto do mundo por muitos anos, com 22 andares, correspondendo a 102 metros de altura. Figura 6: Edifício A Noite Fonte: diariodorio.com, 2016 Segundo Santos (2006), o concreto armado é o material estrutural absolutamente hegemônico na construção das cidades brasileiras, sejam elas formais ou informais. 2.1.2. Normas técnicas A principal norma técnica para estruturas de concreto armado é a NBR 6118:2014 - Projeto de estruturas de concreto - Procedimento. Esta norma estabelece os requisitos básicos exigíveis para o projeto de estruturas de concreto simples, armado e protendido, excluídas aquelas em que se empregam concreto leve, pesado ou outros especiais. 13 A ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas, estabelece para estruturas em concreto armado também as seguintes normas técnicas: Quadro 1: Normas para execução de estruturas de concreto armado (fonte: ABNT) Normas Técnicas - Execução de Concreto Armado NBR 5738:2015 Concreto - Procedimentos de moldagem e cura de corpos de prova NBR 6120:1980 Cargas para o cálculo de estruturas de edificações - Procedimento NBR 8953:2015 Concreto para fins estruturais - Classificação por grupos de resistência – Classificação NBR 12655:2015 Concreto de cimento Portland - Preparo, Controle e Recebimento NBR 14931:2004 Execução de estruturas de concreto - Procedimento 2.1.3. Elementos do Sistema Lajes maciças são formadas a partir de barras de aço, que constituem a armadura, e concreto. Este sistema consiste basicamente de formas e escoras que sustentam a estrutura de concreto armado durante o processo de cura. Para montagem deste sistema dispõe-se dos elementos a seguir: 2.1.3.1. Forma As formas são estruturas provisórias responsáveis por dar forma e sustentação aos elementos de concreto até que estes estejam curados. Normalmente retiradas ao final da cura do concreto, são usualmente montadas em lajes com elementos de madeira, metálicos ou uma combinação destes materiais. É importante destacar elementos intrínsecos ao sistema de formas responsáveis pela estabilidade e sustentação do sistema perante os esforços provenientes da concretagem. Dentre estes elementos, alinhado ao objetivo deste trabalho, vale destacar o escoramento. Os escoramentos podem ser de madeira ou metálicos. 14 Formas de madeira ainda são as mais utilizadas no Brasil, sendo feitas de uma matéria prima de fácil acesso e baixo custo, e utilizando mão de obra geralmente encontrada e treinada com facilidade. Os equipamentos para produção destas formas possuem baixo custo de aquisição e são facilmente encontrados no mercado brasileiro. Escoras de madeira são estruturados por peças do tipo pontalete, que são colocados na vertical para sustentar os painéis de laje. As peças são vendidas em medidas comerciais e cortadas e adaptadas no canteiro de obras. Figura 7: Esquema de escoramento e formas de madeira Fonte: Madeirit, 2016 Formas metálicas possuem custo de aquisição mais elevado, exigindo maior investimento, porém possuem maior durabilidade, podendo ser reaproveitadas mais vezes que as formas de madeira. Este tipo de forma oferece facilidades na hora da montagem como encaixes entre as peças facilitando o travamento para a concretagem. Também podem possuir vibradores acoplados facilitando o momento da concretagem. Escoras metálicas são recebidas no canteiro de obra prontas para uso, nas medidas solicitadas ao fornecedor, que, além do material, fornece um projeto de formas especiais adaptado às restrições da obra. Este sistema reduz o desperdício de materiais, se comparado ao sistema de madeira, e o tempo de instalação (montagem e desmontagem). Fonte: Madeirit longarina cunha escora tirante cunha Mão-francesa prumo tensor gastalho Sarrafo nivelamento Painel da laje garfo guia gravata 15 Figura 8: Esquema de escoramento e formas metálicas Fonte: Madeirit, 2016 Formas mistas são geralmente compostas de painéis de madeira, com travamentos e escoramentos metálicos. Possuem boa durabilidade, principalemente dos travamentos e contenções, que geralmente são a fração metálica deste sistema, trocando apenas os painéis de madeira constituintes. 2.1.3.2. Armadura Na fase de endurecimento, o concreto passa por uma transformação em que parte da água reage com o cimento, formando inicialmente uma pasta e posteriormente uma matriz onde as pedras e a areia ficam envolvidas e que, depois de endurecida, retém esses materiais em seu interior, o que constitui a particular estrutura do material concreto. No caso do concreto armado, esta mistura plástica envolve as armaduras que ficam, após o endurecimento, aderidas e protegidas pelo concreto tendo em vista o seu “funcionamento” dentro do conjunto da estrutura mas também em relação ao ar e agentes agressivos da atmosfera, especialmente contra a corrosão (NETO, 2007). 16 A armadura é a parcela da laje responsável por resistir aos esforços de tração. Esta deve ser posicionada no interior da forma e ponteadas (amarração) com arame recozido de acordo com o projeto de armação. Figura 9: Laje com armadura inferior e superior Fonte: Eddy HG 2012 2.1.3.3. Concreto O concreto é o elemento responsável pela formação da peça estrutural, desta forma, uma série de controles é necessário, tais como: controle do traço do concreto, recobrimento da armadura, trabalhabilidade e resistência. A formação deste elemento se dá basicamente pelo resultado da mistura de cimento, água, pedra e areia, sendo que o cimento ao ser hidratado pela água, forma uma pasta resistente e aderente aos fragmentos de agregados (pedra e areia), formando um bloco monolítico (VASCONCELLOS, 2012). O ponto de atenção no preparo do concreto é a qualidade e a quantidade de água utilizada, pois ela é responsável por ativar a reação química que transforma o cimento no meio contínuo aglomerante. 17 A proporção entre todos os materiais que fazem parte do concreto é também conhecida como dosagemou traço. A NBR 12655:2015 fixa as condições exigíveis para o preparo, controle e recebimento do concreto destinado à execução de estruturas de concreto simples, armado ou protendido. A Figura 10, a seguir, mostra a esquematização da laje com o software Sketch Up. Nela é possível verificar a armadura das vigas de bordo e a sobreposição das armaduras inferior e superior separadas por espaçador tipo "carangueijo", estes elementos são unidos pelo concreto lançado e adensado formando sistema único. Figura 10: Laje convencional em concreto armado Fonte: Vasconcellos, 2012 18 2.1.4. Metodologia Construtiva A metodologia de construção da estrutura de edifícios em concreto armado começa pela concretagem dos pilares, passando para as vigas e, por fim, as lajes. O procedimento para execução destas peças pode ser dividido em cinco etapas simples: montagem de formas, armação, concretagem, desforma e cura. 2.1.4.1. Forma Parte-se da marcação das formas, que são responsáveis pelo formato das peças estruturais e elaboradas de acordo com o projeto fornecido pelo projetista de estruturas. As formas devem ser dimensionadas para resistir aos esforços incidentes provenientes da concretagem das peças, e para serem estanques, não permitindo a passagem da nata do concreto. Para a concretagem, as formas devem estar perfeitamente aprumadas, niveladas e travadas. Para execução das formas de cada parte da estrutura, devemos respeitar algumas etapas a fim de garantir a estabilidade dimensional destes elementos. As formas de lajes são executadas de acordo as etapas descritas a seguir (adaptado de Correa, 2011): O posicionamento do escoramento tem por função transmitir a carga ao solo sem deformar a estrutura. Basicamente são utilizados três tipos de escoras: pontaletes de madeira de secção quadrada, escoras de eucalipto com diâmetros médios de 10cm, e escoras metálicas, sendo estas,em geral, locadas. Quando as escoras forem posicionadas diretamente no solo, devem apoiar-se em bases de madeira, cuja dimensão deve ser inversamente proporcional à resistência do solo. O espaçamento entre as escoras são usualmente de 50 cm para as de madeira e 100 cm para as metálicas. Em seguida deve-se realizar o posicionamento das longarinas: elemento linear e longitudinal que apóia o painel do assoalho. Estes procedimentos são ilustrados pelas figuras a seguir: 19 (a) (b) Figura 11: (a) Posicionamento do escoramento para forma de lajes; Distribuição das longarinas Fonte: Correa, 2011 Para formação do assoalho, os painéis são colocados lado a lado e pregados nas longarinas. Deve haver o cuidado para não se deixar espaço entre os painéis a fim de não haver perda de material durante a concretagem. Deve-se realizar aplicação de desmoldante às formas para ampliar a vida útil dos painéis. (a) (b) Figura 12: (a) fixação dos painéis de assoalho nas longarinas; (b) painéis de assoalho já fixados nas longarinas vistas do pavimento inferior Fonte: Correa, 2011 Devem ser posicionadas as intalações, bem como fazer a fixação de caixas de passagem e dutos, que ficarão embutidos na laje e por onde passará a fiação elétrica. 20 Também deve-se atentar à previsão de passagem de tubulação hidrossanitária e posicionamento de shafts e caixas de inspeção. No caso ilustrado pela figura a seguir foram utilizados blocos de EPS, removidos posteriormente para instalação de ralos sifonados e caixas de gordura. Figura 13: Colocação de tubulação após a instalação do assoalho Fonte: Correa, 2011 2.1.4.2. Armação A armação é definida por Freire (2001) como conjunto de atividades relativas à preparação e posicionamento do aço dentro da estrutura, e a armadura como associação de diversas peças de aço, formando um conjunto para um determinado componente estrutural. Para a colocação das armaduras positivas e negativas: primeiro ocorre o posicionamento das armaduras positivas com seus espaçadores, que evitam o contato entre elas e o fundo da forma, garantindo o recobrimento do aço. Depois são montadas as armaduras negativas, que se apóiam sobre “caranguejos” (pequenos cavaletes confeccionados com aço e que dão apoio à armadura garantindo seu posicionamento em relação à altura da laje). 21 Figura 14: Instalações hidráulicas e elétricas, e armaduras já posicionadas Fonte: Correa, 2011 Quando do nivelamento das formas de laje, este é feito com teodolito à laser quando todos os painéis da forma da laje estiverem concluídos. Este nivelamento deve ser realizado a fim de garantir que todo o pé direito do pavimento inferior estipulado em projeto seja garantido e também que a contra-flecha da laje seja a prevista no cálculo estrutural. Ao final, devem ser feitas as verificações de todas as formas e armaduras, em conformidade com os respectivos projetos, além da limpeza, retirando todos os restos de armadura e instalações hidráulicas provenientes da colocação a fim de que as formas fiquem prontas para serem concretadas. As figuras a seguir ilustram o momento da molhagem das formas, figura 15(a), e a forma pronta para concretagem, figura 15(b). (a) (b) Figura 15: (a) Molhagem de formas em substituição ao uso de desmoldante; (b) Forma pronta para a concretagem Fonte: Correa, 2011 22 2.1.4.3. Concreto O concreto para peças estruturais pode ser misturado na obra ou usinado, tomando-se o devido cuidado para que não haja desagregação dos componentes ou perda sensível de água ou nata. O controle tecnológico do concreto para estruturas é realizado de acordo com a determinação das normas da ABNT, a NBR 5737:1992 (Concreto - Procedimentos de moldagem e cura de corpos de prova) e a NBR 5738:2015 (Concreto - Ensaios de compressão de corpos de prova cilíndricos), através de moldagem, cura e rompimento dos corpos de prova. Antes do lançamento do concreto deve se tomar o cuidado de molhar previamente formas de materiais absorventes, até que estas fiquem saturadas, impedindo assim, a perda da água de hidratação do concreto para as formas. É importante conforme estabelecido pela NBR 7212 (1984) - Execução de concreto dosado em central, para concretos usinados transportados em veículo dotado de equipamento de agitação, que o tempo decorrido entre o início da mistura (a partir da primeira adição de água) e o final da descarga seja de, no máximo, 150 minutos. Para alguns traços de concreto, que utilizem aditivos, este prazo pode ser diferente, cabendo ao projetista estrutural a validação do tempo de utilização do concreto. Não é raro observar em obras, ocasiões em que caminhões betoneira inteiros são descartados por não haver o lançamento do concreto no tempo adequado, as vezes ocasionado pelo tráfego da usina até a obra, ou, às vezes por falhas da construtora durante o processo de concretagem. A operação de lançamento do concreto é regulamentada pela NBR 14931:2004 - Execução de estruturas de concreto - procedimento, a seguir nos Quadros 2 e 3 constam recomendações que a norma estabelece em suas generalidades. 23 Quadro 2: Recomendações da ABNT NBR 14931:2004 para lançamento de concreto em estruturas ABNT NBR 14931:2004 - Recomendações Antes da aplicação do concreto, deve ser feita a remoção cuidadosa de detritos. O concreto deve ser lançado e adensado de modo que toda a armadura, além dos componentes embutidos previstos no projeto, sejam adequadamente envolvidos namassa de concreto. Em nenhuma hipótese deve ser realizado o lançamento do concreto após o início da pega. Concreto contaminado com solo ou outros materiais não deve ser lançado na estrutura. O concreto deve ser lançado o mais próximo possível de sua posição definitiva, evitando-se incrustação de argamassa nas paredes das formas e nas armaduras. Devem ser tomadas precauções para manter a homogeneidade do concreto. No lançamento convencional, os caminhos não devem ter inclinação excessiva, de modo a evitar a segregação decorrente do transporte. O molde da forma deve ser preenchido de maneira uniforme, evitando o lançamento em pontos concentrados, que possam provocar deformações do sistema de formas. O concreto deve ser lançado com uma técnica que elimine ou reduza significativamente a segregação entre seus componentes, observando que quanto maior for a altura de lançamento e maior a densidade de armadura, maior deve ser o cuidado tomado. Estes cuidados devem ser majorados no caso de peças estreitas e altas, quando a altura de queda livre do concreto ultrapassar 2 m, de modo a evitar a segregação e falta de argamassa (como nos pés de pilares e nas juntas de concretagem de paredes). Quadro 3: Cuidados tomados na concretagem (ABNT NBR 14931:2004) ABNT NBR14931:2004 - Cuidados Emprego de concreto com adequados teor de argamassa e consistência, a exemplo de concreto com características para bombeamento; Lançamento inicial de argamassa com composição igual à da argamassa do concreto estrutural; Uso de dispositivos que conduzam o concreto, minimizando a segregação (funis, calhas e trombas, por exemplo). 24 Após o lançamento deve ser feito o adensamento do concreto, retirando o ar incorporado à mistura durante as fases de transporte e lançamento. O adensamento é promovido por meio de equipamentos de vibração como vibradores de ponta (imersão em concreto, utilizado em geral) e régua vibratória (passagem sobre a superfície, geralmente utilizada em lajes), conforme mostrado na figura 16 a seguir. Figura 16: Laje sendo vibrada e nivelada com régua vibratória Fonte: Equipa Obra Finalizada a concretagem, deve-se fazer a cura do concreto. Bauer (2001) define a cura do concreto como o conjunto de medidas que têm por objetivo evitar a evaporação da água utilizada na mistura do concreto, que deverá reagir com a mistura através da hidratação. O início de pega do concreto significa que o cimento começou a reagir com a água em uma reação exotérmica, que libera calor, com aumento de temperatura. Se estiver com pouca água a reação vai liberar muito calor e terá retração rápida, surgindo fissuras ou trincas. Por isso, que as superfícies concretadas devem ser mantidas imersas em água, úmidas, molhadas. A cura do concreto em lajes é feita, principalmente, molhando a laje e cobrindo com lona ou manta geotêxtil. Este procedimento deve ser iniciado após a "pega" do concreto, repetindo-se a operação de molhagem pelo menos 3 vezes ao dia, especialmente nos primeiros 7 dias. Caso a cura seja mal feita, será facilmente identificado pelo surgimento de fissuras, até pequenas trincas, na superfície do concreto. A figura 17 a seguir ilustra este procedimento. 25 Figura 17: Procedimento de cura da laje Fonte: pedreirao.com.br 2.1.5. Vantagens e desvantagens do sistema Como vantagens da construção em concreto armado, podemos destacar alguns aspectos, por ser a metodologia construtiva mais difundida no Brasil, a aquisição de materiais é bastante facilitada, além da mão de obra da construção civil em geral ser familiarizada com as técnicas. Além disso, o custo da estrutura é baixo quando comparado à outra metodologia construtiva discutida neste trabalho. O concreto é um material plástico, moldável, ao qual é possível impor os mais variados formatos, segundo Santos (2006), oferecendo facilidade na adaptação às formas construtivas. Também é um ponto forte a favor do concreto armado a elevada resistência a diversas ações como choques, vibrações, efeitos térmicos, desgastes mecânicos, além de oferecer boa durabilidade. Adicionalmente, o projeto contando com muitas vigas formam muitos pórticos que conferem boa rigidez à estrutura de contraventamento. Como desvantagem, esta metodologia construtiva oferece algumas limitações, estruturas em concreto armado moldadas in loco, além de todo o processo descrito previamente, devem permanecer escoradas até o concreto atingir a resistência de projeto, aumentando o ciclo de laje do método. 26 O conceito de ciclo em obras verticais provém da repetitividade das atividades em cada pavimento, que cria bom potencial para a prática de um planejamento sistematizado, analisando cada pavimento como um projeto separado com atividades de início e fim bem definidos. Desta forma, o ciclo de laje fica definido como o período compreendido entre a primeira atividade para montar a laje até a última atividade para finalizá-la. Conforme exposto anteriormente, lajes maciças necessitam de formas, que por não serem incorporadas nesta metodologia geram uma etapa extra pós concretagem (desforma), e escoramentos, que ainda devem permanecer até que o concreto atinja a resistência de projeto, aumentando o tempo necessário para concluir o ciclo de laje. A necessidade de manter o escoramento da laje pós concretagem não intefere apenas no pavimento concretado, visto que o escoramento permanece no pavimento imediatamente abaixo, impedindo a execução de serviços posteriores neste, por exemplo contrapiso e alvenaria. A necessidade de montar formas leva a um alto consumo de madeira, que após ser reutilizada relativamente poucas vezes - se comparadas a formas metálicas - devem ser descartadas, gerando resíduos. Este serviço é bastante significativo no orçamento da obra, variando de 30% a 60% do custo das estruturas de concreto armado, FREIRE (2001). Além do peso no orçamento, deve-se considerar o apelo sustentável necessário à construção civil, tão mal vista por seus elevados índices de desperdício e geração de resíduos. A mão de obra para este sistema estrutural, apesar de facilmente encontrada, deve ser empregada em elevada quantidade e em variadas funções, sendo necessários, carpinteiros, armadores, pedreiros e seus ajudantes para os serviços descritos. Esta metodologia demanda uma complexa estrutura para o canteiro de obras, incluindo centrais de madeira e aço, além de uma grande área para estocagem destes materiais. Um ponto a se destacar quando falamos em concreto moldado in loco, são as perdas devido a diversos fatores, dentre eles, podemos destacar as sobras de concreto ao final da concretagem, ocasionadas quando os edifícios estão à elevada altura e a sobra de concreto bombeado na tubulação estacionária é considerável, além de perdas durante a concretagem devido a imprevistos em campo. 27 Segundo Lima (2009), as lajes maciças não são viáveis economicamente para vãos acima de 6 metros onde a espessura da mesma se torna elevada, aumentando-se muito o volume de concreto, sendo a estrutura metálica mais econômica para vãos a partir desta medida. Considerando estes vãos médios econômicos, o projeto pode contar com uma quantidade grande de vigas, deixando a forma do pavimento muito recortada e diminuindo a produtividade da construção. 2.2. Estrutura metálica mista com lajes em steel deck 2.2.1. Histórico Conforme apontado por Lima (2009), com o desenvolvimento de diversos sistemas estruturais e construtivos na busca por usufruir das vantagens de cada material, surgiu o sistema formado por elementos mistos de aço e concreto. Nas construções mistas,o concreto foi inicialmente utilizado, no início do século, como material de revestimento, protegendo os perfis de aço contra fogo e a corrosão e, embora o concreto pudesse ter alguma participação em termos estruturais, sua contribuição na resistência era desprezada. No entanto, o concreto é conhecido por sua boa resistência a compressão e a utilização associada ao aço, resistente a tração, se mostra bastante vantajosa à medida em que os elementos se complementam na resistência a esforços solicitantes. A laje mista é resultado do trabalho conjunto entre uma forma de aço perfilada e o concreto armado sobre a mesma, a solidariedade entre os dois materiais pode ser mecânica, a partir da utilização de conectores de cisalhamento, mossas, saliências, ou por atrito gerado pelo confinamento do concreto em formas reentrantes. O conceito de laje mista ou de laje com forma colaborante, surgiu na década de 1950 nos Estados Unidos e passou a ser largamente empregado desde então, notadamente em edificações metálicas de múltiplos andares, BARROS (2014). 28 2.2.2. Normas técnicas De acordo com o CBCA, o steel deck ainda não possui normas técnicas nacionais. Mas há vários textos normativos que servem de referência aos projetistas. Entre eles, a NBR 6118 (Projeto de Estrutura de Concreto - Procedimento), a NBR 8800 (Projeto de Estruturas de Aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto de Edifícios), a NBR 10735 (Chapas de Aço de Alta Resistência Mecânica Zincadas) e a NBR 14323 (Dimensionamento de Estruturas de Aço de Edifícios em Situação de Incêndio - Procedimentos). Outras normas internacionais, como as da ASTM (American Society for Testing and Materials), também podem servir de referência aos profissionais. A ABCEM (Associação Brasileira da Construção Metálica), justamente com o CBCA (Centro Brasileiro da Construção em Aço) e a ABECE (Associação Brasileira de Engenharia e Consultoria Estrutural, decidiram pela elaboração de um texto base para uma futura norma brasileira referente à execução de Estruturas de Aço.Este pode ser encontrado no site das mesmas, e se entitula "Execução de Estruturas de Aço - Práticas Recomendadas". A ABCEM também indica a seguinte relação de normas técnicas brasileiras para a construção em aço: Quadro 4: Normas recomendadas pela ABCEM para construção em aço (adaptado) Principais normas técnicas nacionais aplicáveis a lajes em steel deck NBR 6657:1981 Perfis de estruturas de aço NBR 8681:2003 Ações e segurança nas estruturas - Procedimento NBR 8800:2008 Projeto e execução de estruturas de aço em edifícios NBR 14323:1999 Dimensionamento de estruturas de aço em situação de incêndio - Procedimento NBR 14432:2000 Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos - Procedimento NBR 14762:2010 Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio 29 Vale ressaltar que para a complementação das normas brasileiras, também são utilizados os Eurocodes, padrões europeus especificando como devem ser conduzidos os projetos estruturais. Na língua portuguesa, em Portugal, estes são tratados como Eurocódigos. O Eurocódigo regulamentador de estruturas metálicas mistas é o Eurocódigo 4 (EN 1994) - Projecto de Estruturas mistas aço-betão. 2.2.3. Elementos do sistema De acordo com o artigo "Lajes e Pisos para Estrutura Metálica" do Portal Metálica Construção Civil, estruturas metálicas podem ser utilizadas em associação com diversos tipos de laje, estas são expostas no quadro 5 a seguir: Quadro 5: tipos de laje que podem ser utilizados em construções em aço (adaptado de Portal Metálica Construção Civil) Sistemas de laje compatíveis com estrutura metálica Laje convencional em concreto armado ou protendido; Laje mista com vigas pré-moldadas, metálicas ou não, e tijolos furados; Laje de concreto com vigas metálicas, trabalhando com viga mista aço-concreto; Lajes em elementos pré-fabricados de concreto, servindo de forma e trabalhando como laje mista aço-concreto; Laje com forma metálica trabalhando como laje mista aço-concreto. Lajes em steel deck se enquadram no último item descrito acima. O sistema dá suporte ao concreto, dispensando parcial ou totalmente a necessidade de escoramentos para a laje, gerando maior agilidade na execução das mesmas, além de reduzir custos com o aluguel de escoramentos e mão de obra, não necessitando do intenso emprego deste recurso como em estruturas convencionais de concreto armado. A figura 18 a seguir esquematiza os componentes deste elemento estrutural. 30 Figura 18: Laje em steel deck Fonte: detallesconstrutivos.net, 2016 O sistema consiste basicamente na utilização de uma forma metálica colaborante, com armadura de reforço sobre a junção das folhas de steel deck e ao redor dos pilares, tela de aço galvanizado com o objetivo de evitar fissuração, preenchida com concreto, conforme a figura a seguir: Figura 19: Projeto de laje em steel deck Fonte: adaptado de detallesconstrutivos.net 31 2.2.3.1. Forma - Steel Deck Os conectores de cisalhamento, conhecidos como stud bolts, devem ser utilizados em projetos que consideram o sistema de viga mista em seu dimensionamento, com a finalidade de garantir a solidarização da laje com a estrutura metálica. O steel deck consiste em um elemento de aço galvanizado, perfilado e formado a frio, é considerado forma colaborante, pois, durante a concretagem atua como forma para o concreto e posteriormente como armadura positiva para as cargas de serviço. De acordo com o CBCA (Centro Brasileiro da Construção em Aço), no mercado brasileiro o steel deck é disponibilizado com três espessuras de chapa: 0,80mm, 0,95mm e 1,25mm e comprimento personalizado de acordo com o projeto, podendo chegar a 12m, limite máximo de transporte por carreta. Vale lembrar que quando aplicado em vãos de 2 até 4 metros dispensa a utilização de escoramentos, tornando o sistema mais competitivo. O ideal é que o uso do steel deck seja previsto ainda no projeto, já que nessa fase é possível dimensionar os vãos, espessuras das chapas e o concreto a ser utilizado de acordo com as sobrecargas exigidas. O projeto executivo deve indicar claramente o posicionamento das chapas, armaduras complementares e reforços, escoramentos (quando necessário) e quaisquer condições especiais a serem observadas durante a execução da laje, obedecendo ao descrito na NBR 14323/2013 - Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto. É importante observar que para as lajes em steel deck, de maneira especial, o alinhamento do pórtico estrutural tem que ser perfeito, não havendo a mesma facilidade de ajustes oferecido por lajes em concreto armado. Portanto, vigas e pilares, partes constituintes do pórtico estrutural conforme exposto no Item 2 deste trabalho, devem ser cuidadosamente instalados. Conforme já exposto mais detalhadamente no item 2 deste trabalho, as vigas suportam as cargas aplicadas nas lajes, resistindo aos esforços de flexão. Os pilares recebem as cargas das vigas, resistindo a esforços principalmente de compressão. Estes elementos unidos através de ligação parafusada (ilustrada na figura 20) formam os pórticos estruturais. O steel deck é instalado sobre o vigamento do pórtico. 32 Figura 20:Ligação Viga-Pilar Fonte: Detallesconstrutivos.com, 2016 2.2.3.2. Armadura Pórticos estruturais sustentados por mais de dois pilares possuem em suas vigas, além do momento positivo gerado pelas cargas permanentes e variáveis da edificação, momentosnegativos sobre os apoios, conforme a figura 21 a seguir: Figura 21: Diagrama genérico de momentos em viga contínua Fonte: Autora, 2016 Conforme mencionado anteriormente, as formas colaborantes, steel deck, atuam como armadura positiva para a laje, e a armadura negativa deve ser posicionada na região dos apoios para resistir a estas solicitações, a figura 22 a seguir apresenta um detalhe de armadura de reforço para momentos concentrados em pilares. 33 Figura 22: Detalhe do projeto de armação para laje steel deck Fonte: Projeto elaborado por Codeme Construções em Aço e Bedê Engenharia de Estruturas para Odebrecht Realizações Imobiliárias, 2014 Além das armaduras positiva e negativa e do reforço no interior da nervura, é aplicada a malha de retração, consistindo de tela soldada com bitola reduzida, a ser aplicada em toda a laje para evitar a fissuração, conforme apontado na figura 23: Figura 23: Ilustração do posicionamento da tela soldada Fonte: engenhariaeetc.wordpress.com, 2016 A armadura de reforço no interior da nervura mostrada na figura 30 tem o objetivo de aumentar a resistência estrutural contra fogo. As lajes steel deck, apresentam bom comportamento em situação de incêndio, com estanqueidade garantida pelas formas metálicas e isolamento térmico garantido pela espessura de concreto adequada sobre as nervuras, possuindo resistência estrutural ao fogo por 30 minutos. A armadura positiva adicional pode aumentar a resistência do sistema estrutural para até 120 minutos (CICHINELLI, 2009). 34 2.2.3.3. Concreto O concreto empregado deve ter resistência igual ou superior a 25 MPa. Não é recomendável o uso de aditivos à base de cloretos, que podem agredir a galvanização da chapa, de acordo com o manual do CBCA. O lançamento e adensamento ocorrem de acordo com a metodologia estabelecida anteriormente para estruturas de concreto armado moldadas in loco. É necessário ter atenção no momento do lançamento de concreto nesta metodologia de laje para que não haja acúmulo de material no meio dos vãos, evitando sobrecargas indesejadas, especialmente por esta laje ser executada, em grande parte, sem escoramento. Segundo Vasconcellos (2006), o comportamento misto é alcançado após a cura do concreto da laje, quando a forma de aço transmite as tensões cisalhantes horizontais na interface com o concreto através de ligações mecânicas fornecidas por saliências e reentrâncias (mossas) existentes na forma. 2.2.4. Metodologia construtiva De acordo com Cichinelli (2014), embora não haja limitação de uso, o steel deck é frequentemente associado a obras executadas em estrutura metálica, sistema que proporciona boa interface e permite reduzir prazos de execução. De acordo com o manual de Execução de Estruturas em Aço - Práticas recomendadas (ABCEM, CBCA e ABECE, 2010), os riscos devem ser minimizados ao extremo, adotando- se procedimentos técnicos e métodos adequados que garantam a segurança durante as operações de campo. Para as operações de montagem menos complexas será elaborado um plano de montagem simplificado, e para as operações de montagem de estruturas mais complexas e com maiores dimensões será elaborado um plano de montagem detalhado com Plano de Rigging dos içamentos críticos. 35 2.2.4.1. Transporte O Plano de Rigging apresenta içamentos críticos, com a especificação, dimensionamento e detalhamento dos acessórios a serem usados no içamento, bem como o peso das peças e seu centro de gravidade. O Plano de Rigging deve apresentar os diagramas horizontal e vertical do equipamento e o plano de instalação e retirada dos acessórios de içamento, segundo PINHO (2005). O transporte vertical das folhas de steel deck é feito em "amarrados" por meio de gruas ou guindastes e depositadas no pavimento de aplicação. Já o transporte horizontal é feito folha a folha manualmente, a unidade de steel deck em média possui 60 kg sendo facilmente transportado por dois ou três homens. Cichinelli (2014) destaca que em algumas situações em que há necessidade de apoio no meio forma, pode ser necessário até seis homens para manuseá-las. Figura 24: Posicionamento e alinhamento de folhas steel deck Fonte: Revista Téchne, 2009 2.2.4.2. Alinhamento Segundo Cichinelli (2014), o nivelamento da mesa superior da viga de aço deve ser verificado antes do início da montagem, garantindo um perfeito contato entre a forma e a viga. Ferrugens, rebarbas, respingos de solda, de óleos em geral e de pintura, além da umidade nas proximidades da região de soldagem, devem ser completamente removidos. 36 Vasconcellos (2006) ressalta que após a conclusão da montagem das vigas de aço da estrutura, pode-se prosseguir com a instalação dos painéis das formas de aço e de seus acessórios atendendo as seguintes recomendações: Quadro 6: Recomendações de Vasconcellos (2006) para início da montagem do steel deck Nivelamento correto da mesa superior da viga de aço, de modo a obter um perfeito contato entre a forma e a viga; Remoção de ferrugem, rebarbas, respingos de solda e de oleosidades em geral; Remoção da pintura e umidade nas proximidades da região de soldagem 2.2.4.3. Forração da laje Uma vez montado o esqueleto da estrutura (pilares e vigas) posiciona-se o steel deck sobre o pavimento. As folhas de steel deck são içadas empilhadas e amarradas, depositadas no pavimento por meio da utilização de gruas ou guindastes, e espalhadas manualmente por montadores com facilidade devido à sua leveza estrutural. O espalhamento das folhas de steel deck deve ser feito de acordo com o projeto de paginação fornecido pelo projetista, que inclui o correto posicionamento das formas e todos os detalhes construtivos da montagem das peças e arremates, bem como a indicação da necessidade, ou não, de escoramentos. 2.2.5. Montagem do steel deck De acordo com Saúde et al. (2006), para que a seção possa funcionar como uma estrutura mista, o conjunto aço-concreto tem de apresentar uma boa conexão entre si. Para tal, é necessário que as chapas apresentem um perfil particular, quanto à forma das nervuras e das reentrâncias na sua superfície, de modo a existir uma certa adesão entre o concreto e as chapas, acompanhado por mecanismos de conexão, aplicados na laje, de modo a garantir que a seção tenha capacidade resistente à tensão longitudinal de cisalhamento solicitada na interface entre a chapa e o concreto. 37 2.2.5.1. Forma A montagem das chapas realiza-se a partir de um dos cantos dos edifícios, criando os montadores a sua própria plataforma de trabalho com as primeiras chapas montadas. Uma vez colocadas na posição definitiva, devem ser fixadas antes de continuar a colocação das seguintes, a fim de evitar, por motivos de segurança, a existência de chapas soltas (Saúde et al, 2006). A figura 25(a) a seguir ilustra o momento em que o steel deck é posicionado no pavimento de aplicação, após o içamento, e a figura 25(b) ilustra o posicionamento das primeiras folhas de steel deck. (a) (b) Figura 25: (a) Posicionamento do steel deck após o içamento no pavimento de instalação; (b) Espalhamento das folhas de steel deck Fonte: Globalfloor, 2006 No momento da execução, alguns recortes e ajustes nos cantos e no contorno dos pilares podem ser exigidos a fim de adaptar a laje à geometria da edificação. A figura 26 (b) a seguir ilustra esta situação. Uma vez que estes ajustes são finalizados, os painéis devem ser fixados sobre o vigamento. As folhas de steel deck são fixadas às vigas por meio de pontos de solda bujãoou solda tampão, podendo ainda ser utilizados pinos metálicos fixados por pistola a gás para estruturas de concreto, este ilustrado na figura 26 (a) em duas possíveis situações, ficando a ligação entre estes elementos conforme ilustrado na figura 26 (c) em duas situações. 38 (a) (b) (c) Figura 26: (a) Fixação das folhas de steel deck; (b) Recortes ao redor dos pilares; (c) Detalhes de fixação do steel deck à viga por pinos Fonte: (a) e (b) Globalfloor, 2006; (c) Detallesconstrutivos.com, 2016 Nesta fase também são montados e soldados os arremates de laje, estruturas complementares normalmente fixados à borda da laje para dar acabamento e o formato da laje. As situações mais comuns destes arremates são: na periferia da laje (complementação do steel deck) - situação 1, na periferia com corte do steel deck - situação 2, encontro de topo entre folhas de steel deck - situação 3, e mudança de direção na paginação do steel deck - situação 4. Estas situações são ilustradas na figura 27 a seguir, em detalhes e no respectivo posicionamento em planta baixa. Estes arremates são fundamentais para a aparência estética da laje (situações 1 e 2) e para garantir a estanqueidade nas juntas das folhas de steel deck para a concretagem, evitando assim a perda de nata de cimento no processo de concretagem. 39 Figura 27: Arremates de laje Fonte: Revista Téchne Em seguida, são fixados por eletrofusão no flange superior da viga, através do steel deck, os stud bolts, conectores de cisalhamento mencionados anteriormente neste trabalho. Estes elementos são responsáveis pelo comportamento de viga mista, solidarizado da laje com a estrutura metálica. No evento I Conference on Uses of Steel (2002), que analisou o edifício La Nación na zona do Puerto Madero em Buenos Aires, uma obra com mais de 25.000m² de steel deck e 50.000 conectores de cisalhamento (stud bolts), foi gerado um documento compilando informações da montagem do edifício e afirma que a fixação dos stud bolts foi feita através de equipamento especial, que gera por cada disparo uma corrente contínua de 2.300 amperes. De acordo o mesmo relatório, para toda a obra se utilizou um equipamento e um operador apenas, e por ser uma tarefa de grande rendimento, nunca esteve no caminho crítico do cronograma da obra. A figura 28 a seguir retrata o momento da fixação dos stud bolts por eletrofusão. 40 Figura 28: Instalação de stud bolts Fonte: divulgação Shopping Frei Caneca Esses elementos fazem a ligação entre as vigas metálicas e a laje de concreto, absorvendo os esforços de cisalhamento longitudinais, além de impedir o afastamento entre a laje e a viga. Devem ser fixados após a montagem da forma de aço, sempre atentando para evitar a presença de umidade nas soldagens do conector, destaca Cichinelli (2014). Este conector realiza a ligação entre a viga metálica e a laje de concreto, resultando em uma viga mista. Vasconcellos (2006) aponta que uma das vantagens da utilização de vigas mistas em sistemas de pisos é o acréscimo de resistência e de rigidez propiciados pela associação dos elementos de aço e de concreto, o que possibilita a redução da altura dos elementos estruturais, resultando em economia de material. Além da economia de material, que gera uma redução no custo, as peças mais esbeltas deste sistema estrutural conferem maior liberdade arquitetônica ao projeto, liberando mais espaço interno, este segundo tão demandado na atualidade, especialmente em edificações de pavimentos múltiplos. Aberturas na laje podem ser feitas após a concretagem, porém o sistema mais aconselhado é a instalação de formas de madeira na parte interior da abertura ou então utilizar blocos de poliestireno com a forma da chapa perfilada. A chapa perfilada só deve ser cortada após a laje mista ter adquirido a resistência suficiente. Este sistema tem a vantagem da chapa suportar cargas durante a concretagem sem que seja usado escoramento vertical até determinado vão. Os cortes da chapa devem ser reparados e protegidos com pintura de zinco de modo que não ocorra corrosão da chapa (Saúde et al, 2006). Vale ressaltar que a necessidade de execução de aberturas na laje demandam armadura adicional na periferia destas. 41 A união das chapas de steel deck deve ser estanque, para que não passe nata de concreto, esta pode ser feita através de fita adesiva, conforme mostra a figura 29 a seguir: Figura 29: Vedação das juntas de steel deck Fonte: Haironville, 2001 Segundo Cichinelli (2014), a produção dos funcionários envolvidos nesta tarefa pode chegar a 700m² de steel deck por dia, e em função desta produtividade a redução no custo da mão de obra pode chegar a 40% para este tipo de laje. 2.2.5.2. Armação Com a laje em steel deck pronta, posicionam-se as armaduras suplementares expostas no item 2.2.3.2. Inicialmente, são posicionados os reforços no interior das nervuras com espaçadores em formato de disco, conforme na figura 30 a seguir: Figura 30: Lajes steel deck com armadura de reforço Fonte: Autora, 2016 Em seguida, são posicionadas as armaduras de reforço ao redor dos pilares, e espalhadas as telas soldadas. Os reforços são fixados por baixo das telas, e amarrados com arame recozido a fim de respeitar os cobrimentos de concreto estabelecidos pela norma, e as telas utilizam espaçadores tipo "DL" sobre as nervuras da laje steel deck. A laje ilustrada na figura 31 a serguir não é em steel deck, sendo utilizada apenas para ilustrar o espaçador utilizado. 42 Figura 31: Espaçador DL Fonte: Fameth Sistemas Metálicos para Concreto, 2016 Nesta etapa de armação da laje, deve ser preparada também a ancoragem da laje à estrutura de concreto. Delatorre et al (2016) ressaltou que o sistema estrutural com núcleo de concreto é muito utilizado em edifícios que necessitem de escadas e/ou elevadores protegidos contra incêndio, por normas de segurança. Este núcleo de concreto aumenta a rigidez do edifício e auxilia na estabilidade das ações de cargas horizontais (exemplo ação do vento). A figura 32 a seguir ilustra este sistema estrutural: Figura 32: Núcleo de concreto armado associado a estrutura metálica Fonte: Delatorre et al, 2016 43 A ancoragem da laje mista à estrutura de concreto armado é feita através de barras de aço, respeitando os comprimentos mínimos de ancoragem estabelecidos pela NBR 6118:2014, em ambos elementos estruturais. Usualmente a barra ancorada à laje permanece reta, sendo concretada junto com a laje, e a barra ancorada ao núcleo de concreto é dobrada dentro da parede do núcleo de concreto armado, para cumprir o comprimento de ancoragem determinado pela norma supracitada. 2.2.5.3. Concretagem Saúde et al (2006) ressalta que os trabalhadores enquanto fazem a concretagem da laje devem situar-se junto aos apoios, para evitar flechas excessivas da laje. Se isto acontecer evitam-se cargas desiguais sobre vãos adjacentes. A figura 33 a seguir ilustra a concretagem de uma laje steel deck utilizando caçamba para concreto, içada por grua. No entanto a concretagem de lajes usualmente é feita através de bomba estacionária com auxílio de mangote, este constitui a saída de concreto. Figura 33: Concretagem de laje steel deck Fonte: Globalfloor, 2006 Durante a operação de concretagem, a saída do concreto deve ser movimentada freqüentemente e cuidadosamente para que se minimize os problemas de acumulação em zonas criticas da laje, como por exemplo, no meio do vão. Dependendo da fluidez do concreto poderá ser importante
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