Arquitetura e Aço: Estudo dos condicionantes para projeto arquitetônico integrado

O presente artigo descreve alguns aspectos relevantes para o desenvolvimento de projetos em Estruturas em Aço, apresentando brevemente os condicionantes do sistema estrutural em aço, os tipos de perfis, alguns tipos de ligações, algumas formas estruturais, o pré-dimensionamento de vigas e pilares e a interface dos elementos estruturais e de vedação interna e externa. Os tópicos abordados têm como objetivo demonstrar que os profissionais das áreas de arquitetura e acadêmicos devem conhecer o sistema em aço antes de projetar, salientando a importância do desenvolvimento de projeto de forma integrado à estrutura e aos demais sistemas complementares.

1- Introdução

A arquitetura tem como desafio promover os sistemas industrializados e tecnologias atuais no Brasil, tendo o arquiteto o papel de disseminador das estruturas metálicas em projetos residenciais, comerciais e industriais. Ao escolher sistemas industrializados, exige uma nova forma de pensar o projeto onde o profissional deve ter o conhecimento sobre o material, suas aplicações e seu processo, para conseguir melhores resultados plásticos, técnicos e funcionais. Busca-se então compreender as potencialidades e complexidades do aço na arquitetura, onde este artigo tem como objetivo abordar alguns tópicos importantes para profissionais e acadêmicos que queiram conhecer um pouco mais sobre este sistema construtivo na produção de projetos arquitetônicos levando em consideração a integração da arquitetura e estrutura e sua construtibilidade. Propõe-se implantação de uma nova disciplina que aborde o tema “Integração Arquitetura e Estrutura em Aço” e complementar as disciplinas de projeto arquitetônico, no curso de Arquitetura e Urbanismo na Universidade Comunitária da Região de Chapecó a fim de suprir, as necessidades dos alunos e qualificar ainda mais o ensino das disciplinas de projeto arquitetônico, contribuindo para a formação acadêmica e profissional dos alunos, disseminando o uso do aço em nosso país.

2- Os Condicionantes

Ao iniciar um projeto o arquiteto deve ter em mente que a edificação será com aço para que se possa ganhar tempo, racionalização de sistemas construtivos, uso de mão de obra mais qualificada, processo mais industrializado. De acordo com Teixeira (2007, p. 3) os maiores problemas são provenientes de deficiências no processo de projeto. Os maiores problemas em obra se referem às ligações entre os elementos e a estrutura metálica, que estas quando não detalhadas adequadamente são problemáticas e podem comprometer a montagem no canteiro de obra, diminuindo a agilidade da construção e conseqüentemente aumentando o custo da estrutura devido aos re-trabalhos.

Muitas vezes, na fase inicial de projeto, pouco tempo é destinado para definições de projeto. Uma série de interferências das interfaces dos elementos da construção, a falta de comunicação entre os profissionais envolvidos, falta de coordenação dos projetos e a compatibilização entre todos os sistemas, ocasiona medidas paliativas na fase de execução da obra. Outra questão é a dificuldade em se especificar materiais e componentes industrializados complementares à estrutura metálica pela falta de conhecimento dos profissionais envolvidos, e dificuldades na obtenção das informações sobre os materiais e componentes necessárias para subsidiar os projetos, podendo gerar incompatibilidade de materiais.

Na etapa de detalhamento dos projetos, a especificação correta de materiais e componentes podem evitar problemas durante a execução da obra e, também, durante a pós-ocupação do edifício. O profissional projetista deve ter conhecimento de todas as etapas do processo de um edifício industrializado abrangendo processos de adequação de perfis metálicos, formas de conexão entre elementos estruturais, fechamentos e acabamentos utilizados, além de conhecer os tipos de aço, perfis, compatibilidade com outros materiais, precisão construtiva, transporte, montagem, conexão entre os elementos estruturais.

O Projeto de arquitetura e projetos complementares como o civil, o elétrico, o hidráulico, ar condicionado, instalações especiais, devem ser desenvolvidos de forma integrada, pois a estrutura metálica é um sistema industrializado e qualquer falha neste processo, pode comprometer a obra.

A utilização de um sistema modular em uma edificação parte do princípio que o projeto de arquitetura é a base que possibilita através da racionalização, maior economia nos custos e melhor qualidade no produto final, ou seja, a obra pronta. A modulação arquitetônica é ferramenta útil para evitarem-se interferências e permitir maior integração com os demais componentes da construção, porém a modulação nem sempre é possível em todas as peças que compõem uma edificação. Assim, de acordo com Oliveira (2004, p. 20) “[…] a opção por um sistema modulado em estruturas metálicas visa às vantagens expostas deste tipo específico de construção. Em certas regiões brasileiras já são produzidas peças de fechamento compatível com o sistema modular da estrutura metálica.”

A solução integrada (projeto arquitetônico, civil, complementares), a visão do todo arquitetônico e dos detalhes, racionaliza o processo do projeto e construção e simplifica os processos de fabricação-montagem e acabamento, torna os custos compatíveis com soluções propostas e contribui para atingir objetivos propostos para a utilização do aço na construção.

O objetivo do módulo fundamental no projeto de arquitetura metálica “é proporcionar ao arquiteto inúmeras possibilidades de um desenho variado dentro do processo de fábrica.” (OLIVEIRA, 2004, p. 21). Embora permita a racionalização da etapa de fabricação, pequenas perdas durante o processo sempre existirão, as malhas reticulares apenas contribuem para que estas perdas se mantenham em limites admissíveis.

3- Os Perfis

O conhecimento dos perfis estruturais oferecidos no mercado, suas características e dimensões são fundamentais para que se possibilitem inúmeras alternativas para a execução de uma estrutura buscando a racionalização da construção. O conhecimento dos materiais pelos arquitetos, já na fase de projeto e o trabalho conjunto com a engenharia, determinando os formatos e as dimensões dos perfis adequados à forma arquitetônica, geram ao projeto a garantia da sua estabilidade estrutural, funcional e arquitetônica.

Os perfis estruturais de aço mais utilizados na construção civil são os perfis laminados, sendo estes de abas inclinadas ou de abas paralelas. Também são utilizados perfis soldados, eletro-soldados, conformados a frio e tubulares com e sem costura.

Perfis laminados padrão americano

Perfis laminados de aba paralela

Perfis soldados

Perfis de chapa dobrada formados a frio (Exemplos usuais da seção transversal)

Perfis tubulares.

4- Os tipos de Ligações

Conforme o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS), “o termo ligação é aplicado a todos os detalhes construtivos que promovam união de partes da estrutura entre si ou sua união com elementos externos a ela, como, por exemplo, as fundações. As ligações ocorrem por meio de solda ou parafuso”. As figuras abaixo demonstram alguns tipos de ligações: ligação de alma com mesa em perfil I soldado (a), ligação de coluna com viga de pórtico (b), placa de base (c), emenda de viga (figura d), ligação flexível de viga I com coluna (e), ligação de peça tracionada (f), emenda de coluna (g).

LIGAÇÃO DE ALMA LIGAÇÃO DE COLUNA COM MESA COM VIGA DE PÓRTICO

PLACA DE BASE EMENDA DE VIGA “I” SOLDADA LIGAÇÃO FLEXÍVEL VIGA COM COLUNA

LIGAÇÃO DE PEÇA TRACIONADA EMENDA DE COLUNA APARAFUSADA

Alguns Tipos de Ligações

5- As Formas Estruturais

Os principais componentes estruturais dos edifícios são os pilares, vigas, contraventamentos, lajes e painéis. São dimensionados pelas solicitações das cargas verticais (peso próprio, cargas de utilização, etc.) e pelas solicitações de cargas impostas pelo vento, que tem grande influência no dimensionamento de edifícios em estrutura metálica.

Componentes estruturais típicos de um edifício

Os sistemas estruturais de edifícios de andares múltiplos são variações de combinações entre pilares, vigas, contraventos, lajes e painéis, com configurações em função principalmente da resistência aos esforços horizontais, destacando-se os sistemas com pórticos rígidos, contraventados, com paredes de cisalhamento, com núcleo de concreto, tubulares e steel framing.

As estruturas com pórticos rígidos as ligações entre vigas e colunas de alguns pórticos previamente definidos são feitas através de ligações rígidas, formando um conjunto de pórticos rígidos. São utilizadas quando existe a necessidade de manter os vãos livres entre os pilares da edificação, mas tem a desvantagem de tornar o sistema menos econômico, pois gera ligações mais complexas, que exigem maior quantidade de material e tempo de fabricação.

Nas estruturas contraventadas as ligações entre pilares e vigas são flexíveis, e o travamento entre os pórticos é feito através do uso de contraventos, geralmente na forma de “X” ou “K”. A principal desvantagem deste sistema é a interferência dos contraventos nos vãos entre pilares, necessitando adequar os vãos das aberturas e os vãos internos de circulação, mas a projeto arquitetônico pode tirar partido destes elementos na estética do edifício.

Estrutura contraventada.

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).

Estrutura com núcleo de concreto

Outra utilização de sistema com núcleo de concreto é com pisos suspensos no qual utiliza tirantes tracionados para suportar as cargas dos pisos.

Pisos suspensos com núcleo de concreto

A estrutura com paredes de cisalhamento utiliza parcialmente ou totalmente vãos da estrutura com paredes em concreto armado ou alvenaria estrutural para resistir aos esforços horizontais. Devido à aplicação das paredes de cisalhamento alguns vãos para aberturas não podem ser utilizados

Parede de cisalhamento em um vão e em uma linha de colunas.

A estrutura em o Steel Framing é normalmente usada em residências, mas também pode ser utilizado para edificações de até 4 pavimentos. De acordo com Dias (2004, p. 44) o sistema Steel Framing é formado por um conjunto rígido de painéis estruturados, estes por sua vez formados por uma malha de perfis galvanizados leves (de pequena espessura), trabalhando em conjunto com outros subsistemas industrializados, como por exemplo, placas de gesso acartonado, placas cimentícias, painéis OSB, entre outros. Por ser um sistema industrializado, possibilita uma execução rápida, mas necessita de mão-de-obra qualificada e especializada.

Desenho esquemático de estrutura em Steel Framing

A estrutura tubular “é o resultado da recente evolução estrutural dos edifícios de grande altura.” (IBS/CBCA, 2004, p. 17).

Obras com sistemas tubulares são muito utilizadas nos novos estádios esportivos, shoppings e aeroportos, por suas características estruturais que permitem suportar os carregamentos para grandes vãos, e também podem ser vistas, por exemplo, em estruturas de montanhas russas e rodas gigantes de parques de diversão, o que prova sua funcionalidade estrutural.

6- Pré-Dimensionamento

Embora muitos arquitetos não pensem na estrutura ou no sistema estrutural, de seu projeto, ao desenvolver as primeiras formas geométricas a estrutura já está sendo elaborada e estas primeiras idéias irão resultar de uma estrutura que será posteriormente calculada pelo Engenheiro Estrutural (REBELLO, 2003). Desta forma o arquiteto deve fazer um pré-lançamento da estrutura e chegar a um pré-dimensionamento. Margarido, 2007, demonstra como pré-dimensionar vigas e pilar em estrutura metálica de uma forma simples e objetiva: Para o aço pode-se adotar a altura da viga como 1/15 a 1/25 da distância entre pontos de momento nulo. As vigas podem ser utilizadas com alturas de 1/20 do vão, quando a carga é pequena e predomina o peso próprio.

Pré- dimensionamento de vigas

Com relação aos pilares Margarido, 2007 descreve que no caso do aço, a área é definida pela carga dividida por uma tensão em torno de 120 MPa e a estimativa desta carga é feita multiplicando a área de influência de cada pilar por um valor entre 8 a 10KN/m e multiplicando pela quantidade de pavimentos. Geralmente em escritórios, com poucas paredes, utiliza-se 8 KN/m, já em edifícios residenciais, onde existe mais paredes, utiliza-se 10 KN/m.

Pré- dimensionamento de vigas e pilares

O dimensionamento de um pilar, relação entre largura e altura de um perfil CS (Coluna Soldada) e CVS (Coluna Viga Soldada) e VS (Viga Soldada) segundo Margarido, 2002: As espessura das chapas para estrutura de aço podem ser consideradas entre 9 mm (3/8 polegadas) a 25 mm (1 polegada).

Pré-dimensionamento de Perfis

Fórmula da Área da Seção S : Área da Seção
P: Peso
σ: Tensão

O Cálculo para área aproximada do pilar adota-se t (espessura) = 1,9

Cálculo para área aproximada de seção tubular: segundo Margarido, 2007 os cálculos, são dimensões aproximadas, a fim de obter um pré-dimensionamento da estrutura.

Pré- dimensionamento de seção tubular

7- Interfaces

Um dos grandes desafios ao optar pela estrutura metálica são as interfaces entre o sistema estrutural e os sistemas de vedação externos e internos, o projetista deve ter conhecimento sobre os detalhes entre as uniões destes fechamentos com a estrutura metálica para garantir a qualidade da obra e evitar erros entre as interfaces e medidas paliativas na fase de execução da obra.

As alternativas para fechamentos verticais vão desde as alvenarias (blocos cerâmicos, blocos de concreto ou de concreto celular, tijolos de barro) e painéis (concreto celular, concreto colorido, solo-cimento), aço, gesso acartonado e pele de vidro.

É importante lembrar que a estrutura metálica é um processo industrializado, onde um dos grandes motivos da escolha por esse sistema é a rapidez de execução da obra e uma obra limpa, levando estes aspectos em consideração deve-se pensar em um sistema de vedação também industrializado, para não perder estas vantagens, no caso de uma vedação em alvenaria convencional.

Interface da alvenaria com o aço

Os painéis pré-fabricados possuem diversas dimensões, pesos e diferentes tipos de materiais, podem ser fixados externamente. Caso sejam fixados em pilares reduzem o peso das vigas externas. Os mesmos podem substituir os contraventamentos metálicos externos, se devidamente projetados. Os painéis podem ser colocados de forma em que a estrutura fique aparente ou oculta.

Montagem dos blocos de apartamentos em Raahe, Finlândia

Um dos sistemas industrializados para a vedação interna é o O “Dry Wall”, no qual são utilizadas placas de gesso acartonado revestida em ambas as faces por uma folha de papel acartonado. O papel cartão aderido na placa além de conferir um bom acabamento, auxilia na baixa resistência a tração do gesso. A fixação das placas é feita através de uma estrutura de perfis “U” de chapa galvanizada, fixados por parafusos auto-brocantes. O espaço entre as duas placas fixadas no perfil, podem servir para distribuir as instalações, bem como utilizar para colocação de isolantes térmicos e acústicos.

Em áreas molhadas, devem-se utilizar placas especiais com resistência à umidade ou placas à base de cimento e fibras, denominadas “cimentícias” (COELHO, 2003).

Detalhe de divisório de gesso acartonado Gesso acartonado.

8- Inserção de disciplina acadêmica

O sistema construtivo em aço deveria ser explorado nas escolas de arquitetura. As estruturas em aço possuem peculiaridades e estas deveriam ser apresentadas de forma gradativa, desde o primeiro projeto a fim de desenvolver nos alunos a aptidão de pensar o projeto de forma integrada, incorporado os conceitos de compatibilização, modulação e construtibilidade.

Em base a fundamentação teórica, análise e interpretação dos resultados seguem as diretrizes fundamentais para o ensino das disciplinas de projeto utilizando o sistema construtivo em aço, baseadas nos princípios de integração arquitetura e estrutura, compatibilização e construtibilidade:
– Proporcionar o ensino gradativo do sistema estrutural em aço, nas diferentes fases do projeto, apresentando os seus condicionantes;
– Abordar as particularidades e os elementos do sistema estrutural em aço, bem como a importância dos sistemas modulares, da construtibilidade e da compatibilização entre projetos e as interfaces entre os elementos;
– Relacionar os sistemas estruturais com obras de arquiteturas existentes, visando despertar interesse dos alunos pelo tema;
– Promover o aprendizado através de exercícios de projetos arquitetônicos pensando na concepção estrutural e no sistema estrutural a ser utilizado, bem como a sua construtibilidade e compatibilização com os demais sistemas;
– Realizar pré-dimensionamentos dentro de cada sistema estrutural;
– Integrar a arquitetura e estrutura enfatizando a importância do lançamento estrutural no projeto arquitetônico e os demais sistemas;
– Desenvolver a capacidade dos alunos em desenvolver seus projetos de forma integrada, buscando soluções que venham de encontro com os conceitos de construtibilidade e compatibilização;
– Auxiliar na formação acadêmica dos alunos, para que os mesmos possam se inserir no mercado de trabalho, com maiores conhecimentos relacionados ao tema de estruturas em aço, sendo capazes de conceber projetos que estejam adequados ao mercado vigente, onde a utilização dos conceitos construtibilidade e compatibilização de projetos são fundamentais.

As aplicações destas diretrizes fundamentais podem ocorrer através da implantação de uma disciplina de “INTEGRAÇÃO ARQUITETURA E ESTRUTURA EM AÇO”, no curso de Arquitetura e Urbanismo da Universidade Comunitária da Região de Chapecó – Unochapecó, quando houver alteração de grade. Esta disciplina deve iniciar em paralelo as disciplinas de Projeto e as mesmas devem ser integradas, para que os conteúdos vistos possam ser imediatamente aplicados na disciplina de Projeto, facilitando a compreensão por parte dos alunos. Segue sugestão de ementa da disciplina de “INTEGRAÇÃO ARQUITETURA E ESTRUTURA EM AÇO”:

Ementa: Estudo do sistema estrutural em aço (pilar, vigas, tesouras e elementos de cobertura). Os condicionantes dos sistemas estruturais apresentados, suas vantagens e desvantagens, modulação, conceitos de construtibilidade e compatibilização entre projetos. Os tipos de perfis. Os tipos de Ligações. Steel Frame. Fechamentos Internos e Externos e suas interfaces com a estrutura. Os tipos de lajes. Escadas. Integração entre a arquitetura e estrutura na concepção do projeto. Apresentação dos sistemas complementares de acordo com o grau de complexidade do projeto. Lançamentos e pré-dimensionamento da estrutura. Fundações rasas e profundas (estaqueamento). Graficação dos detalhes estruturais e suas interfaces. Núcleos de enrijecimento e Reservatórios. Noções sobre cargas de ventos e cargas térmicas (juntas de dilatação).

A disciplina teria por objetivo apresentar os conteúdos relacionados ao sistema estrutural em aço e suas aplicabilidades, componentes estruturais, sistemas de vedação e suas interfaces, integração entre arquitetura e estrutura. Desenvolver os conceitos de compatibilização, construtibilidade, modulação e lançamento da estrutura, pré-dimensionamento estrutural, noções de cargas (térmicas e de ventos), fundações e detalhamentos gráficos estruturais e suas interfaces.

A disciplina deverá suprir as necessidades dos alunos quanto ao tema arquitetura e estrutura em aço. O conhecimento lhes trará maior autonomia nas demais fases das disciplinas de projeto, contribuindo para a sua futura formação de arquiteto e urbanista.

Considerações Finais

Nas edificações de estruturas metálicas, a precisão milimétrica e a compatibilidade perfeita dos diversos projetos, são necessárias para o melhor aproveitamento das vantagens que o aço e a industrialização dos sistemas podem oferecer. Para que isto aconteça os profissionais projetistas devem conhecer todo o processo desde a concepção do projeto até a pós-ocupação, para que não sejam necessárias medidas paliativas na obra.

As escolas de Arquitetura poderiam explorar mais as potencialidades dos sistemas industrializados, nas disciplinas acadêmicas e pesquisas voltadas para a utilização do aço nas Edificações, uma vez que esta tem papel fundamental na formação de profissionais, podendo despertar um maior interesse na utilização da estrutura metálica, desenvolvendo a sua produção em maior escala em nosso país.

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