Grandes Vãos - Turma N6A: SISTEMAS ESTRUTURAIS - Viga Vagão (Bruno Souza / Felipe Henrique)

ARQUITETURA E URBANISMO - TURMA N6A

SISTEMAS ESTRUTURAIS - GRANDES VÃOS

Pesquisa de Estruturas – Viga Vagão

Professora Maria Regina

Componentes:

Felipe Henrique – R.A. 20109258

Bruno Souza – R.A. 20251779

Vigas Vagão, como funcionam.

O nome viga vagão deve-se ao fato de que esse tipo de viga é utilizada como elemento estrutural para reforço das vigas metálicas principais de vagões de trens.

Análises do sistema Viga Vagão

a) Vagão tipo PBC

b) Vagão tipo PEB

De imediato é possível notar que o sistema é leve e estável. Observa-se que não existem contenções laterais nas extremidades inferiores dos montantes. A própria viga é responsável por absorver todo o empuxo horizontal que o cabo aplica nos apoios, resultando em apenas forças verticais (REBELO e BOGÉA, 2004).

As vigas vagão representam um importante sistema estrutural capaz de promover um melhor aproveitamento do material, tendo em vista a significativa redução dos esforços e deslocamentos neste arranjo estrutural. É um sistema misto formado por madeira e aço. Na literatura internacional este tipo de viga é também chamado de treliça invertida.

Na peça principal de madeira, fixam-se os montantes de madeira e posteriormente, faz-se a ligação de uma extremidade da viga com a outra, por meio de tirantes de aço que passam pelos montantes, formando a configuração exibida na figura abaixo. O aço é empregado como um reforço à tração para o sistema.

Para a viga vagão com um único montante, sua configuração assemelha-se à de uma treliça, sendo o cabo a barra tracionada. A partir de dois montantes, a treliça distingue-se da viga vagão por necessitar de diagonais, para formar os tramos triangulares. O sistema de treliça pode ser mais rígido que o viga vagão. Em contrapartida, é menos econômico, uma vez que necessita de mais barras e mais ligações.

Além da quantidade de montantes, o posicionamento dos mesmos é relevante no funcionamento do sistema. A figura abaixo ilustra a tensão normal e o deslocamento do sistema em função do posicionamento dos montantes, em uma viga de 500 cm de vão livre. Por isto, pode-se concluir que a condição ideal para posicionamento do montante é algo em torno de um terço do vão, uma vez que, pela figura abaixo, observa-se que a curva com menor deslocamento vertical e tensão está próxima a 170 cm.

a) Influência no deslocamento do sistema

b) Influência na tensão gerada na viga

Herzog et al. (2008) apresenta alguns exemplos de aplicação de vigas do tipo vagão com diferentes formas de posicionamento dos montantes. Isto garante à estrutura um comportamento tridimensional.

Montantes duplos com um cabo Montantes duplos com dois cabos

Dois montantes inclinados Montantes em V

A função excercida pelo cabo de aço é reforçar a viga, diminuindo-lhe o vão. Assim, vigas de menor dimensão podem vencer maiores vãos. O sistema resultante da associação de vigas com montantes e tirantes resulta no comportamento de uma viga contínua.

Os sistemas viga vagão analisados são eficientes quanto à rigidez e à resistência e, portanto, são adequados para usos em diferentes formas de estruturas constituídas por aço e madeira.

Embora não existam muitas as publicações dedicadas ao estudo acerca do tema e não seja um sistema construtivo corriqueiro na construção civil, é possível encontrar algumas construções utilizando a viga vagão, para cobertura, em pontes e passarelas.

Estrutura em telhado – Uberlândia

Viga de aço em piso.

Madeira e aço em cobertura

Madeira e aço em cobertura.

Porém, esta ausência de conhecimentos difundidos sobre o sistema, aliado aos vícios de montagens das estruturas de madeira convencionais, às vezes, acarretam em aplicações inadequadas da viga vagão. Isto representa aumento de custos e perda de qualidade do sistema produzido.

Por se tratar de um sistema misto, sua eficiência está diretamente relacionada com a interligação de um elemento ao outro, para que trabalhem perfeitamente em conjunto. As informações divulgadas no meio científico são bastante genéricas como as apresentadas em Ritter e Faherty (1999). São informações de cálculo em sistemas reticulados onde os pontos e as formas de fixações dos tirantes não são considerados.

Quando é utilizado o cabo de aço, em viga de madeira com seção simples, existem diversas formas de fixá-lo na madeira. Gesualdo e Lima (2007) apresentam o sistema chamado de cabo enlaçado superiormente, para vigas com seção circular, no qual a ligação se dá com o auxílio de pinos tranversais. De maneira semelhante existe o cabo enlaçado inferiormente. Para peças com seção retangular.

Enlaçamento Superior Enlaçamento Inferior

Gesualdo e Lima (2004) constataram que o melhor posicionamento do cabo é quando o pino está abaixo da linha neutra da viga, pois é gerado um efeito favorável em relação ao momento aplicado nas extremidades da viga. Quando posicionado acima da linha neutra, o efeito é desfavorável.

Quanto ao cabo de aço e ao pino utilizado na interface entre cabo e viga, Morais e Gesualdo (2008) notaram que o diâmetro do pino interfere diretamente em alguns esforços, como na força de tração no cabo de aço. À medida que o diâmetro dos pinos é aumentado, a força no cabo de aço aumenta consideravelmente. Porém, quanto à tensão na viga e ao deslocamento do sistema, o aumento do diâmetro dos pinos tem efeito favorável.

Apesar de ser um sistema pouco difundido até os dias atuais, Gesualdo e Cunha (2009) comprovaram numericamente a eficiência da viga vagão quanto ao aumento da resistência quando comparada com vigas simples. A figura abaixo corresponde a análise numérica de uma viga simples bi-apoiada de seção transversal 4 cm × 13 cm e uma viga vagão com mesmas dimensões. O referencial teórico é a fórmula do comprimento (L) sobre 200, representado no gráfico pela curva verde.

É notório que o emprego da viga vagão, quando se trata de vencer maiores vãos, suportar maiores carregamentos, é vantajoso. Pelo gráfico exposto na figura observa-se que o aumento gradativo do comprimento da viga gera um aumento significativo na relação de eficiência entre viga simples e viga vagão. Para um sistema com 3 m de comprimento a razão viga vagão sobre viga simples é de 0,85, para o sistema com comprimento de 4 m, a razão é 0,34 e para o comprimento de 5 m, tem-se uma razão de 0,17.

Na seção seguinte serão abordadas características gerais sobre o sistema de fôrmas e escoramentos e será sugerida uma forma de aplicação da viga vagão em substituição de grande parte do escoramento necessário ao sistema convencional.

Centro de Arte e Educação dos Pimentas

A cobertura ventilada e leve atrai as atenções. Em seus 250 m, abriga uma praça linear que conecta os elementos do programa. A praça, as quadras e as salas recebem com cor e dinamismo usuários ávidos por lazer, esporte e cultura, itens essenciais à conquista da indepência e ao espírito comunitário dos cidadãos de região carente de Guarulhos.

Educação e cultura, em ambiente arquitetônico exemplar e área urbana necessitada. O Centro de Arte e Educação dos Pimentas, situado no bairro de mesmo nome, em Guarulhos, atende a uma população carente de equipamentos comunitários voltados ao ensino, lazer e esporte. O projeto é do escritório Biselli e Katchborian, com a prefeitura do município. Demanda não falta. "Nos primeiros dias de funcionamento já havia uma fila de duas mil pessoas para se inscrever nas atividades desenvolvidas pela escola", afirma o arquiteto Mario Biselli. O alcance social deste projeto é significativo, pois ele corresponde a "uma área pedagógica importante, enquadrando-se no projeto dos CEUs (Centros Educacionais Unificados, da prefeitura de São Paulo), com muito esporte e lazer, e do Sesc, com muita cultura", compara Mario.

A arquitetura foi em boa dose determinada pelas características do terreno estreito e comprido, de 30.780 m². Assim, a solução adotada foi implantar a escola acompanhando o desenho do lote, ou seja, em uma configuração linear na qual se destaca a grande cobertura metálica de 250 m de comprimento e 30 m de largura. "Com um terreno de 300 m de profundidade, nossa idéia era criar uma grande praça longitudinal, linear e coberta, constituindo-se em espaço público importante para um bairro cuja população é de aproximadamente 400 mil pessoas", declara o arquiteto.

A cobertura é dotada de sistema de sheds que fornecem iluminação ao espaço interno e composta por telhas metálicas de aço tipo painel com isolamento térmico e acústico, apoiadas a cada 6 m em vigas-vagão metálicas com mão-francesa, tendo 20 m de vão e 5 m de balanço em ambos os lados. Essas telhas fazem também o fechamento dos espaços laterais entre a cobertura metálica e os blocos dos diferentes setores, executados em alvenaria e concreto moldado in loco. As janelas das salas de aula voltadas para a face oeste receberam proteção com brises de alumínio instalados nos locais onde não há fechamento em U-Glass. Fixados externamente, criam um ritmo peculiar e valorizam plasticamente o conjunto.

Na entrada da escola, ao sul, a cobertura se prolonga em um balanço de 18 m, com função de marquise, fazendo o sombreamento para a praça de acesso. Na outra extremidade, a solução se inverte: há um fechamento com parede inclinada a 45° onde está a quadra poliesportiva coberta.

As bordas longitudinais dessa cobertura abrigam todos os setores da escola, de acordo com suas especificidades. No piso térreo da face oeste estão biblioteca, administração e restaurante, e no pavimento superior ficam o mezanino da biblioteca e as salas de aula. Na face leste localizam-se os volumes das salas multiuso, ginástica olímpica, dança e auditórios, todos com pé-direito duplo e dotados de mezanino. Esses espaços são articulados por um vazio central com pé-direito de 11 m que culmina na área reservada à quadra poliesportiva, onde o pé-direito aumenta para lS m, dada a natureza do seu uso.

Complementando a área destinada às atividades de lazer e esportes, há duas quadras poliesportivas em uma das laterais externas e um conjunto aquático de três piscinas, incluindo uma infantil, na outra lateral. Os vestiários que servem aos usuários das piscinas ficam no subsolo.

O vazio central é uma praça, local onde acontecem os momentos de bate-papo e encontros dos jovens. Há bancos de concreto pintados em cores alegres entremeados pelo verde repousante de gramados, em um layout moderno e agradável que sugere descontração e bom humor. Também é nessa praça térrea que estão os acessos ao piso superior, como escadas e rampa metálica sustentada por uma parede de concreto que recebeu recorte arredondado, em efeito que nos remete às aberturas de Siza no Museu Iberê Camargo (AU 171) - aberturas que nos fazem ver além do espaço em que estamos.

A atmosfera Iúdica desse vazio central é acrescentada pelas cores fortes e vibrantes das paredes internas que recebem tons de verde, laranja e amarelo. "Trata-se de uma solução bem brasileira, facada na cobertura - solta, ventilada, leve e capaz de acoplar os elementos do programa como células independentes", arremata o arquiteto Mario Biselli.

Dados da obra

Área do terreno: 30.700 m²
Área construída: 16.000 m²

Ficha Técnica

Arquitetura: Biselli & Katchborian Arquitetos Associados
Autores: Mario Biselli e Artur Katchborian
Colaboradores: Paulo Roberto dos Santos Barbosa, Luiz Marino Kuller, Cássia Lopes Moral, Cassio Oba Osanai, Camila Bevilacqua de Toledo, Gabriel César e Santos, Ana Carolina Ferreira Mendes, Débora Pinheiro
Estrutura: Edatec - Enio Canavello Barbosa
Construçao: JZ Engenharia

Coberta Terrasse Jardim

Esta aplicação consiste na concepção, análise e dimensionamento de uma cobertura em aço para uma área aproximada de 18.7x13.05 m. A escolha por uma estrutura vagonada em aço reside no fato de existir a necessidade de criação de uma estrutura de coberta leve, no sentido econômico e estético, já que o uso é para área de eventos.

A modulação de pilares mais adequada para a cobertura é retangular (figura 4) pois já existem pilares em concreto armado na construção existente, onde são posicionadas as vigas principais (figura 7). Este fato conduz a um vagonamento unidirecional com apenas um montante em uma direção. Os efeitos de sucção do vento são combatidos através de um tirante auxiliar (figura 5) que resulta em montantes com apenas um sentido, apesar deste artigo focar apenas em cargas gravitacionais. Utilizando a figura 3, chega-se uma altura de viga vagonada de aproximadamente 80 cm, considerando um vão total de 12.65m.

Opta-se por perfis formados a frio para a viga principal e montante, barras maciças circulares para os tirantes e cobertura em policarbonato alveolar. Os perfis utilizados para as 6 vigas vagonadas (figura 6) são: montantes- 2U75x37.5 ch3mm, tirantes-barra Ø3/4" e vigas principais - 2U150x50x30 ch3mm. A viga principal é travada a cada 67cm pelas terças U50x25 ch2.65mm.

As cargas utilizadas para a análise estrutural são: sobrecarga-0,25 kN/m2 (NBR 8800/2008, anexo B.5.1), peso do policarbonato-0,008 kN/m2 (catálogo da Belmetal®), densidade do aço ASTM A36-78,5 kN/m3 (fy=250 MPa e fu=400MPa). Segundo a NBR8800, para combinações últimas normais, a carga resultante a qual está submetida a estrutura é: Gu=1,25 x peso próprio da estrutura + 1,5 x sobrecarga + 1,4 x peso da telha. Para combinações quase permanentes de serviço a carga resultante a qual está submetida a estrutura é: Gq=peso próprio da estrutura + 0,6 x sobrecarga + peso da telha.

Planta da cobertura Terrasse Jardim com indicação do local de aplicação da carga nocional.

Perspectiva esquemática da coberta Terrasse Jardim

Estrutura da coberta Terrasse Jardim

Coberta La Tertúlia

A escolha por uma estrutura vagonada em aço reside no fato de existir a necessidade de criação de uma estrutura de coberta leve, no sentido econômico e estético, já que o uso é também para área de eventos como na coberta Terrasse Jardim.

Por outro lado, devido aos vãos não muito diferentes e na possibilidade de apoios em todas as extremidades (figura 4.11) o vagonamento bidirecional é o mais adequado. Como os vãos são maiores do que na coberta Terrasse Jardim opta-se por dois e três montantes em uma direção para as vigas principais perpendiculares, respectivamente, para o vão menor e para o vão maior. Os efeitos de sucção do vento são combatidos através de tirantes auxiliares que resulta em montantes com apenas um sentido.

Utilizando as definições do item 2.2 (figura 2.13), chega-se uma altura total da viga vagonada de aprox. 100 cm, considerando um vão total de 18.44m, que é a distância máxima entre apoios na figura 4.11. As dimensões da viga principal são de aprox. 14x10 cm segundo as fórmulas dadas na figura 2.12, utilizando l´=4.62m, mas a altura foi reduzida para 10cm por se tratar de um vagonamento bidirecional.