Manual do bolsista CsF - Graduação Sanduíche - versão 1-2 julho de 2014
Painéis sanduíche com lâminas em GFRP Estudo mecânico e da … · longo do projeto de...
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Painis sanduche com lminas em GFRP Estudo mecnico
e da sua aplicabilidade em edifcios
Carlos Miguel Gis Canha
Dissertao para obteno do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Orientadores
Professor Doutor Antnio Manuel Candeias de Sousa Gago
Professor Doutor Jorge Miguel Silveira Filipe Mascarenhas Proena
Jri
Presidente: Professor Doutor Lus Manuel Coelho Guerreiro
Orientador: Professor Doutor Antnio Manuel Candeias de Sousa Gago
Vogal: Professor Doutor Joo Pedro Rama Ribeiro Correia
Janeiro de 2015
i
Agradecimentos
O presente trabalho, embora seja o resultado do esforo pessoal, no seria possvel sem a ajuda de
algumas pessoas que, direta ou indiretamente, contriburam para o mesmo. Gostaria de expressar, a
estas pessoas, o meu sincero e profundo agradecimento.
Aos Professores Antnio Gago e Jorge Proena, orientadores cientficos, pela enorme
disponibilidade, compreenso e pacincia demonstrada ao longo de todas as etapas da realizao
desta dissertao.
Aos Engenheiros Diogo Pereira, Tiago Morgado e Ricardo Ferreira, bolseiros deste projeto de
investigao, pela preparao da campanha experimental e pelo apoio, companheirismo e total
disponibilidade para o esclarecimento de dvidas durante a realizao da mesma.
Ao pessoal tcnico do Laboratrio de Resistncia de Materiais do Instituto Superior Tcnico, em
particular aos funcionrios Fernando Alves e Fernando Costa, pelo apoio prestado na realizao dos
ensaios experimentais.
s empresas MSB e Betar, pela conceo e dimensionamento da soluo da casa Moambique,
realizada em conjunto com a equipa do Instituto Superior Tcnico. Da empresa MSB, quero destacar
os Arquitetos Bruno Martins e Miguel Malaguerra, pela disponibilidade e simpatia demonstradas ao
longo do projeto de investigao e tambm por me transmitirem algumas informaes sobre
arquitetura de edifcios. Da empresa Betar, quero destacar os Engenheiros Miguel Villar e Gonalo
Vitorino, pelo esclarecimento de dvidas e ainda por me proporcionarem a aprendizagem de certos
conhecimentos da prtica da Engenharia Civil.
empresa WHS, pelo fornecimento dos provetes de painis sanduche para a realizao dos ensaios
e ao Engenheiro Pedro Mamede pela disponibilidade para esclarecimento de questes relativas ao
material ensaiado.
entidade financiadora do projeto, o Instituto de Desenvolvimento Empresarial da Regio
Autnoma da Madeira.
Aos Professores Augusto Gomes e Francisco Virtuoso por terem proporcionado a oportunidade de
iniciar a minha carreira profissional na rea de estruturas na empresa CivilSer e por todo o auxlio
prestado ao longo desta dissertao, destacando a disponibilidade para o esclarecimento de
questes tcnicas, para a utilizao de recursos disponveis na empresa e pela total compreenso
nos casos em que foi necessrio ausentar-me do gabinete em perodo laboral.
Aos meus colegas de trabalho da CivilSer, pela amizade e pelo incentivo dado na realizao deste
trabalho.
Cristina Batista e Francisca Batista, por se terem disponibilizado para ler a tese e Ann Kirby por
ter lido o Extended Abstract.
ii
A todos os meus amigos que fiz durante este percurso acadmico, em especial ao Antnio Abreu,
Joo Cardoso, Miguel Luz e Rodrigo Borges, que me acompanharam durante muitas horas de estudo,
fazendo com que este fosse mais interessante, facilitando, assim, o meu percurso acadmico.
Joana Ribeiro, pelos conselhos e pelo material de estudo que me facultou ao longo do curso.
A todos os meus amigos madeirenses que sempre me apoiaram e incentivaram.
Filipa, pela fora, carinho, pacincia e toda a ajuda que me deu ao longo da realizao da
dissertao.
minha famlia, em especial aos meus pais, que sempre estiveram presentes em todas as etapas da
minha vida, apoiando-me sempre incondicionalmente. a eles os dois que devo agradecer por me
terem dado a possibilidade de prosseguir com os meus estudos e ser o que sou hoje.
iii
Resumo
A crescente necessidade de construo de edifcios vocacionados para habitao, nos pases em vias
de desenvolvimento, levar a que, devido a algumas contingncias desses locais, seja necessrio
encontrar solues construtivas alternativas construo tradicional. Devido s caractersticas
vantajosas dos painis sanduche, tais como as elevadas relaes rigidez/peso prprio e
resistncia/peso prprio, e as consequentes vantagens de facilidade de transporte e colocao em
obra, bem como a sua capacidade de desempenhar funes de pavimento, parede e cobertura,
estudou-se a aplicabilidade destes painis sanduche num sistema de construo pr-fabricada.
Estudaram-se trs tipos de painis, constitudos por lminas de resina epxi reforada com fibras de
vidro (GFRP) e ncleos em poliestireno expandido (EPS), aglomerado de cortia expandida (ACE) e
em favo de mel em polipropileno (FMPP). Para este efeito, estudaram-se sobre os materiais
constituintes, o comportamento mecnico de painis sanduche e realizou-se uma campanha
experimental para caracterizar o comportamento mecnico destes painis. Posteriormente, tendo
em conta os ensaios realizados, calcularam-se os esforos resistentes de clculo, atravs da
metodologia proposta pelo anexo D Projeto com apoio experimental do Eurocdigo 0. Por
ltimo, tendo por base um edifcio prottipo onde os painis estudados anteriormente foram
aplicados, efetuou-se a verificao de segurana destes painis.
Tendo por base os ensaios experimentais e os valores resistentes de clculo determinados,
verificou-se que nenhuma das solues de painis aplicadas no edifcio estudado cumpriu todas as
verificaes de segurana exigidas, tendo sido sugeridas medidas corretivas.
Este trabalho foi realizado no mbito do projeto de investigao BMM Bloco Multi-Modular.
Palavras-chave:
Painis sanduche;
GFRP;
Comportamento mecnico;
Ensaios experimentais;
Projeto com apoio experimental.
iv
v
Abstract
The growing need for building constructions for dwelling, in developing countries and due to some
particular contingencies of such locations, has led to the necessity to find alternative constructive
solutions to traditional methods of building. The advantageous features of the sandwich panels, such
as the high stiffness/weight and strength/weight ratios, make them easy to use on the building site
and can perform the functions of floor, walls and roof. The suitability of these sandwich panels in a
prefabricated construction system was studied.
Three types of panels were studied, with epoxy resin reinforced with glass-fibre (GFRP) as facing
materials and the following core materials: expanded polystyrene (EPS), agglomerated of expanded
cork (ACE) and polypropylene honeycomb (FMPP). For this purpose, a study of the constituent
materials and of the mechanical behaviour of sandwich panels was performed. Additionally, an
experimental campaign was executed with the aim of doing a mechanical characterization of these
panels. Next, based on the tests performed, the strength of the panels was calculated according to
the methodology proposed in Annex D "Design assisted by testing" of the Eurocode 0. Finally,
based on a prototype building where the same type of panels had been applied, the safety of these
panels was verified.
Based on the experimental tests and design resistant values calculated, it was found that none of the
solutions related to sandwich panels applied in the studied building met all the required security
checks. Thus, corrective measures were suggested.
This work was conducted in the research project BMM Bloco Multi-Modular.
Keywords:
Sandwich panels;
GFRP;
Mechanical behaviour;
Experimental campaign;
Design assisted by testing.
vi
vii
ndice geral
Agradecimentos ....................................................................................................................................... i
Resumo .................................................................................................................................................... iii
Abstract .................................................................................................................................................... v
ndice geral ............................................................................................................................................. vii
ndice de figuras .................................................................................................................................... xiii
ndice de quadros ................................................................................................................................. xvii
Simbologia ............................................................................................................................................. xxi
1 Introduo ....................................................................................................................................... 1
1.1 Enquadramento geral .............................................................................................................. 1
1.2 Objetivos e metodologia da dissertao ................................................................................. 1
1.3 Estrutura da dissertao .......................................................................................................... 2
2 Estudo de painis sanduche para a aplicao na pr-fabricao de edifcios ............................. 3
2.1 Consideraes iniciais .............................................................................................................. 3
2.2 Construo pr-fabricada de edifcios..................................................................................... 3
2.3 O uso de painis sanduche na construo pr-fabricada de edifcios ................................... 4
2.4 Requisitos de painis sanduche com funo de parede ou pavimento ................................. 6
2.5 Descrio geral de painis sanduche ...................................................................................... 8
2.6 Elementos constituintes de um painel sanduche ................................................................... 9
2.6.1 Lminas ............................................................................................................................ 9
2.6.1.1 Caractersticas gerais dos materiais GFRP ................................................................... 9
2.6.1.2 Constituintes dos materiais GFRP ............................................................................. 10
2.6.1.3 Estimativa das propriedades mecnicas de uma amostra de GFRP .......................... 12
2.6.2 Ncleo ............................................................................................................................ 13
2.6.2.1 Caracterizao geral .................................................................................................. 13
2.6.2.2 Ncleo em poliestireno expandido (EPS) .................................................................. 14
2.6.2.3 Ncleo em aglomerado de cortia ............................................................................ 16
2.6.2.4 Ncleo em favo de mel em polipropileno (FMPP) .................................................... 17
2.6.3 Adesivo .......................................................................................................................... 18
2.7 Caracterizao mecnica dos painis sanduche .................................................................. 19
viii
2.7.1 Consideraes iniciais .................................................................................................... 19
2.7.2 Rigidez de flexo ............................................................................................................ 20
2.7.3 Distribuio de extenses normais ao longo da altura da seco ................................ 21
2.7.4 Distribuio de tenses normais ao longo da altura da seco .................................... 21
2.7.5 Rigidez de corte ............................................................................................................. 22
2.7.6 Distribuio de tenses de corte ao longo da altura da seco .................................... 22
2.7.7 Clculo de flechas .......................................................................................................... 24
2.7.8 Distribuio de esforos em vigas hiperestticas ......................................................... 26
2.7.9 Modos de rotura ............................................................................................................ 27
3 Caracterizao experimental do comportamento mecnico de painis sanduche .................. 33
3.1 Consideraes iniciais ............................................................................................................ 33
3.2 Caracterizao do material ensaiado .................................................................................... 33
3.2.1 Processo de fabrico dos painis .................................................................................... 34
3.2.2 Caracterizao da lmina de GFRP ................................................................................ 35
3.2.3 Caracterizao do ncleo em poliestireno expandido (EPS) ......................................... 35
3.2.4 Caracterizao do ncleo em aglomerado de cortia expandida (ACE) ....................... 35
3.2.5 Caracterizao do ncleo em favo de mel em polipropileno (FMPP) ........................... 36
3.3 Ensaios trao de lminas de GFRP .................................................................................... 36
3.3.1 Objetivo e mtodo de ensaio ........................................................................................ 36
3.3.2 Descrio dos ensaios .................................................................................................... 36
3.3.3 Registo de Resultados ................................................................................................... 38
3.3.4 Propriedades mecnicas................................................................................................ 40
3.3.4.1 Tenso de trao mxima ......................................................................................... 40
3.3.4.2 Mdulo de elasticidade ............................................................................................. 40
3.3.4.3 Coeficiente de Poisson .............................................................................................. 43
3.3.5 Resumo de resultados ................................................................................................... 44
3.3.6 Anlise de resultados .................................................................................................... 45
3.3.6.1 Modos de rotura e tenso de trao mxima ........................................................... 45
3.3.6.2 Relao tenso-extenso .......................................................................................... 47
3.4 Ensaios de compresso normal ao plano .............................................................................. 50
ix
3.4.1 Objetivo e mtodo de ensaio ........................................................................................ 50
3.4.2 Descrio dos ensaios .................................................................................................... 50
3.4.3 Registo de resultados .................................................................................................... 51
3.4.4 Propriedades mecnicas................................................................................................ 53
3.4.4.1 Tenso de compresso mxima ................................................................................ 53
3.4.4.2 Relao tenso-extenso .......................................................................................... 53
3.4.4.3 Mdulo de elasticidade ............................................................................................. 55
3.4.5 Resumo de resultados ................................................................................................... 56
3.4.6 Anlise de resultados .................................................................................................... 56
3.4.6.1 Modos de rotura e tenso de compresso mxima .................................................. 56
3.4.6.2 Relao tenso-extenso .......................................................................................... 57
3.5 Ensaios de compresso no plano .......................................................................................... 58
3.5.1 Objetivo e mtodo de ensaio ........................................................................................ 58
3.5.2 Descrio dos ensaios .................................................................................................... 58
3.5.3 Registo de resultados .................................................................................................... 59
3.5.4 Propriedades mecnicas................................................................................................ 61
3.5.4.1 Tenso de compresso mxima das lminas ............................................................ 61
3.5.5 Anlise de resultados .................................................................................................... 62
3.5.5.1 Modos de rotura e tenso de compresso mxima das lminas .............................. 62
3.5.5.2 Relao tenso-deformao ...................................................................................... 64
3.6 Ensaios de flexo com rotura por corte do ncleo ............................................................... 64
3.6.1 Objetivo e mtodo de ensaio ........................................................................................ 64
3.6.2 Descrio dos ensaios .................................................................................................... 64
3.6.3 Registo de resultados .................................................................................................... 67
3.6.4 Esforos mximos .......................................................................................................... 68
3.6.5 Propriedades mecnicas................................................................................................ 69
3.6.5.1 Tenso normal mxima nas lminas ......................................................................... 69
3.6.5.2 Tenso tangencial mxima no ncleo ....................................................................... 69
3.6.5.3 Rigidez do painel ....................................................................................................... 70
3.6.6 Resumo de resultados ................................................................................................... 71
x
3.6.7 Anlise de resultados .................................................................................................... 72
3.6.7.1 Modos de rotura e resistncia associada .................................................................. 72
3.6.7.2 Relao fora-deslocamento ..................................................................................... 74
3.7 Ensaios de carga concentrada ............................................................................................... 76
3.7.1 Objetivo e mtodo de ensaio ........................................................................................ 76
3.7.2 Descrio dos ensaios .................................................................................................... 76
3.7.3 Registo de resultados .................................................................................................... 77
3.7.4 Propriedades mecnicas................................................................................................ 77
3.7.4.1 Tenso de contato mxima ....................................................................................... 77
3.7.4.2 Rigidez ....................................................................................................................... 78
3.7.5 Resumo de resultados ................................................................................................... 78
3.7.6 Anlise de resultados .................................................................................................... 79
3.7.6.1 Modos de rotura e resistncia associada .................................................................. 79
3.7.7 Relao fora-deslocamento ......................................................................................... 80
3.8 Ensaios de fluncia ................................................................................................................ 80
3.8.1 Objetivo e mtodo de ensaio ........................................................................................ 80
3.8.2 Descrio dos ensaios .................................................................................................... 81
3.8.3 Registo de resultados .................................................................................................... 81
3.8.4 Clculo do coeficiente de fluncia ................................................................................. 82
3.8.5 Anlise de resultados .................................................................................................... 83
3.9 Ensaios de flexo de solues de pavimento incorporando painis sanduche ................... 84
3.9.1 Objetivo e mtodo......................................................................................................... 84
3.9.2 Descrio dos ensaios .................................................................................................... 84
3.9.3 Registo de resultados .................................................................................................... 85
3.9.4 Esforos mximos .......................................................................................................... 86
3.9.5 Anlise de resultados .................................................................................................... 87
3.9.5.1 Modos de rotura e resistncia associada .................................................................. 87
3.9.5.2 Relao fora-deslocamento ..................................................................................... 88
3.10 Ensaios de impacto ................................................................................................................ 90
3.10.1 Objetivo e mtodo......................................................................................................... 90
xi
3.10.2 Descrio dos ensaios .................................................................................................... 91
3.10.3 Registo de resultados .................................................................................................... 92
3.10.4 Anlise de resultados .................................................................................................... 92
4 Verificao de segurana de painis sanduche aplicados num caso de estudo ........................ 95
4.1 Consideraes iniciais ............................................................................................................ 95
4.2 Esforos resistentes de clculo dos painis de acordo com o Eurocdigo 0 ........................ 95
4.2.1 Abordagem proposta pelo Anexo D do Eurocdigo 0 ................................................... 95
4.2.1.1 Avaliao pelo valor caracterstico ............................................................................ 96
4.2.1.2 Avaliao direta do valor de clculo para verificaes de estado limite ltimo ....... 97
4.2.2 Esforos resistentes de clculo ...................................................................................... 98
4.2.2.1 Momento fletor resistente de clculo ....................................................................... 98
4.2.2.2 Esforo normal resistente de clculo ...................................................................... 100
4.2.2.3 Interao momento fletor esforo normal .......................................................... 102
4.2.2.4 Esforo transverso resistente de clculo ................................................................. 104
4.2.3 Consideraes sobre os esforos resistentes de clculo ............................................. 105
4.3 Casa Moambique ............................................................................................................... 107
4.3.1 Apresentao do edifcio ............................................................................................. 107
4.3.2 Verificao de segurana dos painis sanduche ........................................................ 110
4.3.2.1 Definio das aes e das combinaes de aes .................................................. 110
4.3.2.2 Verificao de segurana dos painis com funo de pavimento em relao ao
estado limite ltimo ................................................................................................................ 114
4.3.2.3 Verificao de segurana dos painis com funo de cobertura em relao ao
estado limite ltimo ................................................................................................................ 116
4.3.2.4 Verificao de segurana dos painis com funo de parede de fachada em relao
ao estado limite ltimo ........................................................................................................... 117
4.3.2.5 Verificao de segurana dos painis com funo de parede interior em relao ao
estado limite ltimo ................................................................................................................ 118
4.3.2.6 Verificao de segurana dos painis com funo de pavimento em relao ao
estado limite utilizao ........................................................................................................... 119
4.3.2.7 Resumo e consideraes sobre as verificaes de segurana ................................ 120
5 Concluses e perspetivas de desenvolvimentos futuros .......................................................... 123
xii
5.1 Concluses ........................................................................................................................... 123
5.2 Perspetivas de desenvolvimentos futuros .......................................................................... 126
Referncias bibliogrficas .................................................................................................................... 127
Anexos
Anexo A Correspondncia entre a nomenclatura dos provetes utilizada na
presente dissertao e a nomenclatura utilizada ao longo do projeto
BMM
Anexo B Determinao do momento crtico e do momento fletor resistente de
acordo com o EC3 do perfil metlico enformado a frio
Anexo C Clculo de esforos e deslocamentos dos painis utilizados na casa
Moambique
xiii
ndice de figuras
Figura 2.1 Receo do campus da Novartis, Basileia, Sua [7] ............................................................ 6
Figura 2.2 Moradia unifamiliar divulgada pela empresa Alibaba [8] ................................................... 6
Figura 2.3 Constituio de um painel sanduche, esquerda e, constituio de um perfil em ,
direita (adaptado de [12]) ....................................................................................................................... 8
Figura 2.4 Configuraes de mantas de reforo: (a) fibras contnuas entrelaadas orientadas
(0/90); (b) fibras contnuas dispostas aleatoriamente; (c) fibras contnuas orientadas (0/90)
sobreposta com fibras contnuas dispostas aleatoriamente; (d) fibras contnuas entrelaadas
orientadas (0/45/90) sobreposta com fibras contnuas dispostas aleatoriamente. (adaptado de
[14]) ....................................................................................................................................................... 11
Figura 2.5 Caractersticas mecnicas de espumas rgidas: esquerda, ao corte e, direita,
compresso (XPS - poliestireno extrudido; EPS poliestireno expandido ; PUR poliuretano; SMW -
l mineral estrutural) (adaptado de [9]) ............................................................................................... 15
Figura 2.6 Duas configuraes possveis do ncleo em favo de mel: esquerda, configurao
sinusoidal e, direita, configurao hexagonal [27] ............................................................................. 18
Figura 2.7 Dimenses de uma viga em painel sanduche: esquerda, representao da viga e,
direita representao do corte AA (adaptado de [20]) ........................................................................ 19
Figura 2.8 Deformada de uma viga em painel sanduche: a) viga indeformada, b) deformada por
flexo, e c) deformada por corte ........................................................................................................... 25
Figura 2.9 Rotura por trao da lmina: esquerda, rotura devido a momento positivo e, direita,
rotura devido a momento negativo (adaptado de [9]) ......................................................................... 27
Figura 2.10 Rotura por enrugamento da lmina; esquerda, com separao do ncleo (com
delaminao) e, direita, com esmagamento do ncleo [33] .............................................................. 28
Figura 2.11 Rotura por enrugamento entre clulas do ncleo [12] ................................................... 29
Figura 2.12 Rotura por esmagamento do ncleo [12] ....................................................................... 29
Figura 2.13 Rotura por corte: esquerda, rotura frgil e, direita, rotura dctil [adaptado de [9]) 30
Figura 2.14 Rotura pelo adesivo [9] ................................................................................................... 30
Figura 2.15 Rotura por encurvadura do painel [12] ........................................................................... 31
Figura 2.16 Rotura por corte frisado [12] ........................................................................................... 31
Figura 3.1 Processo de fabrico de um painel sanduche: esquerda, mesa de fabrico antes de iniciar
a execuo do painel e, direita, colocao da manta de fibra de vidro sob o ncleo ........................ 34
Figura 3.2 Processo de fabrico de um painel sanduche: esquerda, impregnao da matriz
polimrica e, direita, aplicao de presso ao painel atravs de vcuo ............................................ 34
Figura 3.3 Representao do tipo de provete: esquerda, provete do tipo 3, de acordo com EN ISO
527-4 (adaptado de [43]) e, direita, exemplo de um provete antes de ser ensaiado ........................ 37
Figura 3.4 Instron modelo 1343 e unidade de aquisio de dados .................................................... 37
Figura 3.5 Diagramas fora-deslocamento dos provetes de GFRP .................................................... 38
xiv
Figura 3.6 Diagramas fora-extenso longitudinal ............................................................................. 39
Figura 3.7 Diagramas fora-extenso transversal .............................................................................. 39
Figura 3.8 Diagramas tenso-extenso aparente de provetes de GFRP ............................................ 41
Figura 3.9 Diagramas tenso-extenso dos provetes com extensmetro ......................................... 42
Figura 3.10 Diagramas extenso longitudinal extenso transversal ............................................... 43
Figura 3.11 Modos de rotura dos provetes de GFRP: modo 1 rotura pela matriz polimrica, modo
2 rotura pelas fibras e modo 3 rotura mista ................................................................................... 46
Figura 3.12 Modos de rotura dos provetes: esquerda dos provetes GFRP 1 a GFRP 10 e, direita,
o modo de rotura do provete GFRP 12 ................................................................................................. 46
Figura 3.13 Exemplo de provetes para o ensaio de compresso normal ao plano: a) EPS, b) ACE e c)
FMPP ..................................................................................................................................................... 50
Figura 3.14 Diagramas fora-deslocamento dos painis com ncleo em EPS para o ensaio de
compresso normal ao plano ................................................................................................................ 51
Figura 3.15 Diagramas fora-deslocamento dos painis com ncleo em ACE para o ensaio de
compresso normal ao plano ................................................................................................................ 52
Figura 3.16 Diagramas fora-deslocamento dos painis com ncleo em FMPP para o ensaio de
compresso normal ao plano ................................................................................................................ 52
Figura 3.17 Diagramas tenso-extenso dos provetes de EPS para o ensaio de compresso normal
ao plano ................................................................................................................................................. 53
Figura 3.18 Diagramas tenso-extenso dos provetes de ACE para o ensaio de compresso normal
ao plano ................................................................................................................................................. 54
Figura 3.19 Diagramas tenso-extenso dos provetes de FMPP para o ensaio de compresso normal
ao plano ................................................................................................................................................. 54
Figura 3.20 Diagramas tenso-extenso dos provetes de EPS e ACE para o ensaio de compresso
normal ao plano (0.0 < < 0.1).............................................................................................................. 54
Figura 3.21 Modos de rotura registados no ensaio de compresso normal ao plano: a) EPS, b) ACE e
c) FMPP .................................................................................................................................................. 56
Figura 3.22 Exemplo de provetes para o ensaio de compresso no plano: a) EPS, b) ACE e c) FMPP
............................................................................................................................................................... 58
Figura 3.23 Pormenor da ligao painel-pea de suporte-Instron: esquerda, garra superior (ligao
articulada) e, direita, garra inferior (ligao encastrada) ................................................................... 59
Figura 3.24 Diagramas fora-deslocamento dos painis com ncleo em EPS para o ensaio de
compresso no plano ............................................................................................................................ 60
Figura 3.25 Diagramas fora-deslocamento dos painis com ncleo em ACE para o ensaio de
compresso no plano ............................................................................................................................ 60
Figura 3.26 Diagramas fora-deslocamento dos painis com ncleo em FMPP para o ensaio de
compresso no plano ............................................................................................................................ 60
xv
Figura 3.27 Modos de rotura registados no ensaio de compresso no plano: a) EPS rotura por
enrugamento da lmina com esmagamento do ncleo, b) ACE rotura por enrugamento da lmina
com separao do ncleo e c) FMPP rotura por corte frisado ........................................................... 63
Figura 3.28 Exemplo de provetes para o ensaio de flexo com rotura pelo ncleo: a) EPS, b) ACE e c)
FMPP ..................................................................................................................................................... 66
Figura 3.29 Diagramas fora-deslocamento a meio vo dos painis com ncleo em EPS para o
ensaio de flexo com rotura pelo ncleo .............................................................................................. 67
Figura 3.30 Diagramas fora-deslocamento a meio vo dos painis com ncleo em ACE para o
ensaio de flexo com rotura pelo ncleo .............................................................................................. 67
Figura 3.31 Diagramas fora-deslocamento a meio vo dos painis com ncleo em FMPP para o
ensaio de flexo com rotura pelo ncleo .............................................................................................. 68
Figura 3.32 Modos de rotura dos painis: esquerda, painel com ncleo em EPS e, direita, painel
com ncleo em ACE ............................................................................................................................... 72
Figura 3.33 Modos de rotura dos painis com ncleo em FMPP: esquerda rotura por
enrugamento da lmina superior com separao do ncleo e, direita, rotura por corte do ncleo 73
Figura 3.34 Modo de rotura por enrugamento da lmina e corte do ncleo: a) Antes de ocorrer a
rotura do ncleo, b) momento em que se d a rotura do ncleo e c) enrugamento da lmina superior
............................................................................................................................................................... 74
Figura 3.35 Influncia da deformao por corte face deformao de flexo para um painel
simplesmente apoiado sujeito a uma carga pontual a meio vo, para os trs tipos de provetes ........ 75
Figura 3.36 Configurao dos ensaios de carga concentrada ............................................................ 76
Figura 3.37 Diagramas fora-deslocamento dos painis com ncleo em FMPP no ensaio de
punoamento ........................................................................................................................................ 77
Figura 3.38 Modos de rotura nos ensaios de carga concentrada: a) fase antecedente rotura em
que o ncleo esmagado, b) rotura por enrugamento da lmina superior e c) rotura por
punoamento da lmina superior ......................................................................................................... 79
Figura 3.39 Configurao do ensaio de fluncia: esquerda, vista geral, e direita, vista dos
provetes ................................................................................................................................................. 81
Figura 3.40 Registos deslocamento-tempo aferidos no ensaio de fluncia ....................................... 82
Figura 3.41 Ajuste da curva de regresso potencial aos valores registados ...................................... 83
Figura 3.42 Configurao dos provetes ensaiados: esquerda, tipo A e, direita, tipo B (dimenses
em mm) ................................................................................................................................................. 84
Figura 3.43 Configurao do provete tipo C: esquerda, configurao geral e, direita,
configurao do perfil metlico enformado a frio (dimenses em mm) .............................................. 85
Figura 3.44 Configurao do ensaio de flexo em quatro pontos: esquerda, pormenor de um dos
apoios e, direita, sistema de aplicao da carga ................................................................................ 85
Figura 3.45 Diagramas fora total aplicada-flecha dos trs tipos de provetes .................................. 86
xvi
Figura 3.46 Modos de rotura no ensaio de flexo de solues de pavimento: a) rotura do provete
tipo A, b) rotura do provete tipo B e c) rotura do provete tipo C ......................................................... 87
Figura 3.47 Ligao dos provetes: esquerda, ligao superior e, direita, ligao inferior ........... 91
Figura 3.48 Corpos de impacto: esquerda, corpos rgidos e, direita, corpo deformvel ............. 92
Figura 3.49 Configurao do ensaio de impacto de corpo deformvel: esquerda, painel com
ncleo EPS e, direita, painel com ncleo em ACE .............................................................................. 92
Figura 4.1 Diagramas de interao de clculo momento fletor - esforo normal ........................... 104
Figura 4.2 Casa Moambique: a) planta do piso 0 (fundaes), b) planta do piso, c) planta da
cobertura, d) e e) cortes tipo da fachada (dimenses em mm) .......................................................... 108
Figura 4.3 Casa Moambique Fase construtiva: a) estrutura metlica, b) painel com funo de
parede e c) pavimento ........................................................................................................................ 109
Figura 4.4 Casa Moambique: a) pormenor de ligao entre painis sanduche FMPP e EPS e entre
perfis metlicos, b) e c) perspetivas exteriores da moradia ............................................................... 109
Figura 4.5 Casa Moambique: a) perspetiva exterior, b) fotografia tirada da parte do piso elevado
sem cobertura e c) fotografia de uma das divises do piso elevado .................................................. 110
Figura 4.6 Indicao das zonas: esquerda, superfcies horizontais e, direita, superfcies verticais
(dimenses em mm) ............................................................................................................................ 113
xvii
ndice de quadros
Quadro 2.1 Propriedades fsicas e mecnicas tpicas dos diversos subtipos de fibras de vidro
(adaptado de [15]) ................................................................................................................................. 10
Quadro 2.2 Propriedades fsicas e mecnicas das resinas termoendurecveis (adaptado de [14, 17])
............................................................................................................................................................... 12
Quadro 2.3 Fatores de eficincia das fibras para vrios tipos de disposio das fibras .................... 13
Quadro 2.4 Propriedades fsicas e mecnicas de aglomerado de cortia (adaptado de [26, 16]) ..... 16
Quadro 2.5 Propriedades fsicas e mecnicas do polipropileno (adaptado de [16]) ......................... 18
Quadro 2.6 Propriedades fsicas e mecnicas de favo de mel em polipropileno (adaptado de [28,
29]) ........................................................................................................................................................ 18
Quadro 2.7 Flechas mximas para uma carga distribuda em vigas contnuas de um, dois e trs
tramos de igual comprimento (adaptado de [9]) .................................................................................. 25
Quadro 2.8 Reaes de apoio e momentos mximos para vigas contnuas de dois e trs tramos
(adaptado de [9]) ................................................................................................................................... 26
Quadro 3.1 Composio da manta de fibra de vidro (adaptado de [37]) .......................................... 35
Quadro 3.2 Propriedades da resina epxi e do respetivo endurecedor (adaptado de [17, 38]) ....... 35
Quadro 3.3 Dimenses dos provetes ................................................................................................. 38
Quadro 3.4 Foras mximas e deslocamentos concomitantes registados no ensaio de trao de
lminas de GFRP .................................................................................................................................... 39
Quadro 3.5 Tenso de trao mxima ............................................................................................... 40
Quadro 3.6 Clculo do mdulo de elasticidade com base no afastamento entre garras .................. 42
Quadro 3.7 Clculo do mdulo de elasticidade dos provetes com extensmetros ........................... 43
Quadro 3.8 Clculo do coeficiente de Poisson ................................................................................... 44
Quadro 3.9 Resumo de resultados do ensaio de trao: tenso de trao mxima, extenso
aparente concomitante e mdulo de elasticidade aparente ................................................................ 44
Quadro 3.10 Resumos dos resultados para os provetes GFRP 24 a GFRP 27: mdulo de elasticidade
e coeficiente de Poisson ........................................................................................................................ 45
Quadro 3.11 Modos de rotura de cada provete de GFRP .................................................................. 46
Quadro 3.12 Clculo do mdulo de elasticidade terico mdio dos provetes GFRP ......................... 47
Quadro 3.13 Dimenses dos provetes utilizados nos ensaios de compresso normal ao plano ...... 51
Quadro 3.14 Foras mximas e deslocamentos concomitantes registados no ensaio de compresso
normal ao plano .................................................................................................................................... 52
Quadro 3.15 Tenses de compresso mxima obtidos no ensaio de compresso normal ao plano 53
Quadro 3.16 Clculo do mdulo de elasticidade dos painis com ncleo em EPS e ACE para o ensaio
de compresso normal ao plano ........................................................................................................... 55
Quadro 3.17 Clculo do mdulo de elasticidade compresso dos painis com ncleo em FMPP
para o ensaio de compresso normal ao plano .................................................................................... 55
xviii
Quadro 3.18 Resumo de resultados do ensaio de compresso normal ao plano: tenso de
compresso mxima e mdulo de elasticidade compresso ............................................................. 56
Quadro 3.19 Dimenses dos provetes utilizados nos ensaios de compresso no plano ................... 59
Quadro 3.20 Foras mximas e deslocamentos concomitantes registados no ensaio de compresso
no plano ................................................................................................................................................. 61
Quadro 3.21 Tenses de compresso mxima nas lminas registadas no ensaio de compresso no
plano ...................................................................................................................................................... 62
Quadro 3.22 Modos de rotura de cada provete no ensaio de compresso no plano ....................... 62
Quadro 3.23 Valores mximos do vo de modo a garantir que a rotura ocorra por corte do ncleo,
de acordo com a norma ASTM C393/C393M ........................................................................................ 65
Quadro 3.24 Valores mnimos do vo de modo a garantir que a rotura no ocorra por
esmagamento do ncleo, de acordo com a norma ASTM C393/C393M .............................................. 66
Quadro 3.25 Dimenses dos provetes utilizados nos ensaios de flexo com rotura pelo ncleo ..... 67
Quadro 3.26 Foras mximas e deslocamentos concomitantes registados no ensaio de flexo com
rotura pelo ncleo ................................................................................................................................. 68
Quadro 3.27 Esforos mximos registados no ensaio de flexo com rotura pelo ncleo .................. 68
Quadro 3.28 Tenses normais mximas nas lminas no ensaio de flexo com rotura pelo ncleo . 69
Quadro 3.29 Tenses tangenciais mximas nos ncleos no ensaio de flexo com rotura pelo ncleo
............................................................................................................................................................... 70
Quadro 3.30 Rigidezes de corte e mdulos de distoro calculados atravs do ensaio de flexo com
rotura pelo ncleo ................................................................................................................................. 71
Quadro 3.31 Resumo de resultados dos painis com ncleo em EPS e ACE: tenso normal mxima
nas lminas, tenso tangencial mxima no ncleo, rigidez de corte e mdulo de distoro do ncleo
............................................................................................................................................................... 71
Quadro 3.32 Resumo de resultados dos painis com ncleo em FMPP: tenso normal mxima nas
lminas, tenso tangencial mxima no ncleo, rigidez de corte e mdulo de distoro do ncleo .... 72
Quadro 3.33 Dimenses dos provetes utilizados nos ensaios de carga concentrada ....................... 77
Quadro 3.34 Foras mximas e deslocamentos concomitantes registados nos ensaios de carga
concentrada ........................................................................................................................................... 77
Quadro 3.35 Tenses de contato mximas entre o painel e a pea metlica ................................... 78
Quadro 3.36 Clculo das rigidezes associadas carga concentrada .................................................. 78
Quadro 3.37 Resumo de resultados dos ensaios de carga concentrada: fora mxima, deslocamento
para a fora mxima, tenso de contato mxima e rigidezes ............................................................... 78
Quadro 3.38 Dimenses dos provetes utilizados no ensaio de fluncia ............................................ 81
Quadro 3.39 Flechas iniciais e finais registadas no ensaio de fluncia .............................................. 82
Quadro 3.40 Estimao dos deslocamentos e coeficientes de fluncia para horizontes de projeto de
30 e 50 anos .......................................................................................................................................... 83
xix
Quadro 3.41 Valores de flecha a meio vo para os patamares de carga considerados e para a fora
mxima .................................................................................................................................................. 86
Quadro 3.42 Esforos mximos verificados em cada tipo de provete ............................................... 87
Quadro 3.43 Tenses mximas de compresso e trao nos provetes tipo A e tipo B. .................... 88
Quadro 3.44 Propriedades do perfil metlico utilizadas no clculo das rigidezes do provete tipo 3 e
rigidezes flexo dos provetes ................................................................................................................ 89
Quadro 3.45 Flechas tericas e erro correspondente em relao aos ensaios ................................. 89
Quadro 3.46 Ensaios para anlise do comportamento ao impacto dos painis e critrios de
aprovao .............................................................................................................................................. 90
Quadro 4.1 Valores de kn para o valor caracterstico de 5 % (adaptado de [54]) .............................. 97
Quadro 4.2 Valores de kd,n para o clculo relativo a estados limites ltimos (adaptado de [54]) ..... 97
Quadro 4.3 Foras mximas em cada lmina ensaiada ..................................................................... 99
Quadro 4.4 Momentos resistentes caractersticos e de clculo ...................................................... 100
Quadro 4.5 Foras mximas de compresso por unidade de largura de painel .............................. 101
Quadro 4.6 Esforos normais resistentes de compresso caractersticos e de clculo ................... 101
Quadro 4.7 Foras mximas de trao por unidade de largura de painel ....................................... 102
Quadro 4.8 Esforos normais resistentes de trao caractersticos e de clculo ............................ 102
Quadro 4.9 Pontos para o traado dos diagramas de interao momento fletor - esforo normal 103
Quadro 4.10 Esforos transversos resistentes caractersticos e de clculo ..................................... 105
Quadro 4.11 Esforos resistentes, admitindo que se possua 30 amostras e que os parmetros
estatsticos eram iguais aos calculados: momento, esforo normal de compresso e esforo
transverso ............................................................................................................................................ 106
Quadro 4.12 Significado e valor das variveis presentes na expresso (4.9) .................................. 112
Quadro 4.13 Significado e valor das variveis presentes na expresso (4.10) ................................ 112
Quadro 4.14 Coeficiente de presso para cada zona ....................................................................... 113
Quadro 4.15 Aes correspondentes a cargas distribudas ............................................................. 114
Quadro 4.16 Esforos atuantes e resistentes do pavimento (para a sobrecarga distribuda como
ao varivel base) .............................................................................................................................. 115
Quadro 4.17 - Esforos atuantes e resistentes do pavimento (para a sobrecarga pontual como ao
varivel base) ....................................................................................................................................... 115
Quadro 4.18 Esforos atuantes e resistentes da cobertura ............................................................. 116
Quadro 4.19 Esforos atuantes e resistentes da cobertura (para a sobrecarga pontual como ao
varivel base) ....................................................................................................................................... 116
Quadro 4.20 Esforos atuantes nas paredes de fachada e esforos resistentes dos painis com
ncleo em EPS e ACE ........................................................................................................................... 117
Quadro 4.21 Esforos normais atuantes e resistentes das paredes interiores ................................ 118
Quadro 4.22 Verificao das flechas do pavimento ......................................................................... 119
Quadro 4.23 Verificao da fora presente na lmina ..................................................................... 120
xx
Quadro 4.24 Resumo das verificaes de segurana ....................................................................... 120
Quadro 4.25 Resumo das verificaes de segurana em relao ao estado limite ltimo para o
cenrio admitido no Quadro 4.11 ....................................................................................................... 121
xxi
Simbologia
Mdulo de elasticidade do GFRP
Fator de eficincia das fibras
Mdulo de elasticidade das fibras
Volume relativo de fibras
Mdulo de elasticidade da matriz polimrica
Volume relativo da matriz polimrica
Volume de fibras i
ngulo das fibras i em relao direo em que se pretende estimar o
mdulo de elasticidade
Momento fletor
Rigidez de flexo
Curvatura de flexo
Mdulo de elasticidade do material das lminas
Mdulo de elasticidade do material do ncleo
Largura da viga
Espessura das lminas
Espessura do ncleo
Distncia entre os centros de gravidade das lminas
Extenso axial
Distncia na vertical ao centro de rigidez da seco
Tenso axial na lmina
Tenso axial no ncleo
Rigidez de corte
Mdulo de distoro do material do ncleo
Mdulo de distoro do material do ncleo
xxii
Tenso de corte
Momento esttico do elemento i ou de parte do elemento i
Mdulo de elasticidade do material do elemento i
Tenso de corte mxima no ncleo
Tenso de corte mnima no ncleo
Energia de deformao por corte
Mdulo de elasticidade do material da lmina
Deslocamento no ponto b (flecha mxima)
Fora aplicada
Dimenso do vo
Carga uniformemente distribuda de valor p
Mdulo de elasticidade, no instante t, tendo em conta a fluncia
Mdulo de elasticidade instantneo
Mdulo de distoro, no instante t, tendo em conta a fluncia
Mdulo de distoro instantneo
Coeficiente de fluncia do material para o instante t
Momento resistente
Tenso de trao resistente da lmina
Tenso crtica de encurvadura por enrugamento
Tenso crtica de encurvadura por enrugamento entre clulas
Dimenso da clula
Coeficiente de Poisson do material do ncleo
Coeficiente de Poisson do material da lmina
Mdulo de elasticidade do material do ncleo na direo z (vertical)
Esforo transverso resistente
Tenso de corte ltima do ncleo
xxiii
Carga crtica de encurvadura devido ao corte frisado
Carga crtica
Comprimento de encurvadura
bpm Largura mdia de um provete de GFRP
epm Espessura mdia de um provete de GFRP
Apm rea mdia de um provete de GFRP
Fmax Fora mxima registada
Fmax Deslocamento para a fora mxima
Tenso de trao mxima
Valor da extenso longitudinal baseado no afastamento entre garras
(extenso longitudinal aparente)
Distncia livre entre garras inicial
Deslocamento
Distncia livre entre garras inicial
ELa Mdulo de elasticidade da lmina baseado no afastamento entre garras
(mdulo de elasticidade aparente)
Variao da extenso longitudinal
Variao da extenso transversal para a correspondente variao da
deformao longitudinal
a,t,max Extenso aparente para a tenso de trao mxima
Et1 Mdulo de elasticidade terico estimado para os 27 provetes
Et2 Mdulo de elasticidade terico estimado para os provetes GFRP 24 a 27
F=0,02 Fora para uma extenso igual a 0.02
=0,02 Deslocamento para uma extenso igual a 0.02
Tenso de compresso mxima do ncleo
Tenso de compresso mxima das lminas
rea da seco transversal de ambas as lminas de um provete
xxiv
Fator de sobre resistncia das lminas de modo a assegurar que a rotura
ocorre no ncleo
Tenso normal ltima das lminas
Comprimento do vo em que o momento teoricamente nulo
Comprimento da zona carregada na direo x
Vmax Esforo transverso mximo
Mmax Momento mximo
Rigidezes calculadas no ensaio de punoamento
Deslocamento no instante t
Deslocamento instantneo
Iyy Inrcia do perfil metlico em relao ao eixo perpendicular alma deste
Valor de clculo de uma propriedade X
Valor de clculo do fator de converso
Coeficiente parcial relativo incerteza da propriedade do material
Mdia dos logaritmos neperianos dos resultados de n amostras
Coeficiente correspondente ao quantilho caracterstico
Valor estimado do desvio padro dos logaritmos neperianos dos
resultados de n amostras
Coeficiente correspondente ao quantilho de clculo
n Nmero de amostras ensaiadas
FL,Rk Fora de compresso resistente caracterstica da lmina
FL,Rd Fora de compresso resistente de clculo da lmina
MRk Momento resistente caracterstico
MRd Momento resistente de clculo
NC,Rk Esforo normal resistente de compresso caracterstico
NC,Rd Esforo normal resistente de compresso de clculo
NT,Rk Esforo normal resistente de trao caracterstico
xxv
NT,Rd Esforo normal resistente de compresso de clculo
MN,Rd Momento resistente de clculo para um esforo axial N
VRk Esforo transverso resistente caracterstico
VRd Esforo transverso resistente de clculo
Valor de clculo do efeito das aes
Coeficiente parcial relativo ao permanente j
Valor caracterstico da ao permanente j
Coeficiente parcial relativo ao varivel base
Valor caracterstico da ao varivel base
Coeficiente parcial ao varivel i
Coeficiente para a determinao do valor de combinao da ao
varivel i
Valor caracterstico da ao varivel i
Coeficiente para a determinao do valor quase-permanente da ao
varivel i.
Carga da neve na cobertura
Coeficiente de forma
Coeficiente de exposio para a neve
Coeficiente trmico
Coeficiente dependente da zona
Altitude
Presso dinmica de pico
Coeficiente de exposio para o vento
Valor bsico da velocidade de referncia do vento
Coeficiente de direo
Coeficiente de sazo
Massa volmica do ar
xxvi
cpe,10 Coeficiente de presso exterior para uma rea de referncia de 10 m2
cpe,1 Coeficiente de presso exterior para uma rea de referncia de 1 m2
Coeficiente de presso interior
Presso exercida pelo vento nas superfcies exteriores
Presso exercida pelo vento nas superfcies interiores
MEd Momento atuante
VEd Esforo transverso atuante
Anexos
E Mdulo de elasticidade
G Mdulo de distoro
A rea
Iyy Inrcia em torno do eixo y
Izz Inrcia em torno do eixo z
Iyz Produto de inrcia em relao aos eixos y e z
ngulo de rotao entre os eixos y-z e os eixos e os eixos principais de
inrcia, Y-Z
IYY Inrcia em torno do eixo Y (mxima inrcia principal)
IZZ Inrcia em torno do eixo Z (mnima inrcia principal)
It Inrcia de toro
Iw Constante de empenamento
Momento crtico
C1 e C2 Coeficientes associados forma do diagrama de momentos
k Coeficiente associado ao comprimento de encurvadura em torno do eixo
vertical
kw Coeficiente associado ao grau de impedimento ao empenamento nas
extremidades da barra
xxvii
zg Distncia entre o ponto de aplicao da carga e o centro de corte
L Comprimento do vo
Myy,Rd Momento resistente em torno do eixo horizontal
, Fatores de interao
e Fatores de interao
Fator de reduo associado encurvadura por flexo-toro
Momento resistente caraterstico segundo o eixo YY
Momento resistente caraterstico segundo o eixo ZZ
Coeficiente de segurana
Mdulo de elasticidade equivalente
Mdulo de distoro fornecido pelo modelo
f Fator introduzido no modelo, associado rigidez de corte
m11 Momento associado a tenses normais na direo 1
v13 Esforo transverso associado a tenses tangenciais verticais nas facetas
perpendiculares ao eixo 1
m22 Momento associado a tenses normais na direo 2
v23 Esforo transverso associado a tenses tangenciais verticais nas facetas
perpendiculares ao eixo 2
xxviii
Abreviaturas/Acrnimos
BMM Bloco Multi-Modular
WHS World Housing Systems, SGPS, SA
IST Instituto Superior Tcnico
LREC Laboratrio Regional de Engenharia Civil da Regio Autnoma da
Madeira
GFRP Material compsito de matriz polimrica reforado com fibras de vidro
(Glass Fibre Reinforced Polymer)
EPS Poliestireno expandido (Expanded Polystyrene)
FMPP Favo de mel em polipropileno
ACE Aglomerado de cortia expandida
OSB Placa de aglomerado de madeira (Oriented strand board)
CFRP Material compsito de matriz polimrica reforado com fibras de
carbono (Carbon fibre reinforced polymer)
AFRP Material compsito de matriz polimrica reforado com fibras de
aramida (Aramid fibre reinforced polymer)
PUR Poliuretano
PIR Poliisocianurato
XPS Poliestireno extrudido (Extruded Polystyrene)
SMW L mineral estrutural (Structural Mineral Wool)
LERM Laboratrio de Estruturas e Resistncia de Materiais do Instituto Superior
Tcnico
Anexos
ELU Estado limite ltimo
ELS Estado limite de utilizao
1
1 Introduo
1.1 Enquadramento geral
A migrao da populao rural para as cidades e o rpido aumento da populao em pases em vias
de desenvolvimento, principalmente em pases localizados em frica, sia e Amrica Latina, so
realidades que levaro a uma necessidade de alojamento em altura, de baixo custo e com tempos de
construo mais rpidos do que a construo tradicional.
Neste sentido, deve ser adotado um sistema construtivo que possibilite a execuo de edifcios em
altura, vocacionados para unidades de alojamento. A implantao destes edifcios ter de moldar-se
conforme as solicitaes da procura e a construo ter de ter em conta certos condicionamentos
locais prprios destes pases. Tendo isto em conta, a construo destes edifcios dever ser rpida de
executar com mo-de-obra pouco qualificada e sem recurso a grandes equipamentos de elevao de
materiais em obra, permitindo uma mais-valia tcnica que se reflete em importantes vantagens a
nvel econmico.
Assim, devido s caractersticas dos painis sanduche compsitos, salientando-se a durabilidade com
custos de manuteno reduzidos, as elevadas relaes rigidez/peso prprio, resistncia/peso prprio
e possibilidade destes conferirem isolamento trmico e acstico, estudou-se a possibilidade destes
painis exercerem as funes de pavimento, de cobertura e de parede num sistema construtivo
como o acima referido.
O presente trabalho foi realizado no mbito do projeto Sistema construtivo de base pr-fabricada,
para execuo de edifcios em altura, vocacionados para o setor da habitao, posteriormente
designado de Projeto BMM Bloco Multi-Modular que conta com o apoio do programa
operacional regional Intervir + do Instituto de Desenvolvimento Empresarial da Regio Autnoma
da Madeira (IDERAM). A equipa de investigao era formada pelos quadros da empresa Bloco Multi-
Modular-Sistemas de Edificao, Lda, designada por BMM, a qual participada pelas empresas
MSB Arquitectura e Planeamento, Lda, Betar Estudos e Projectos de Estabilidade, Lda e
World Housing Systems, SGPS, SA (WHS), apoiados por especialistas do Instituto Superior
Tcnico (IST), da FUNDEC Associao para a Formao e o Desenvolvimento em Engenharia Civil e
Arquitetura, e do Laboratrio Regional de Engenharia Civil da Regio Autnoma da Madeira (LREC).
1.2 Objetivos e metodologia da dissertao
A presente dissertao tem como principal objetivo avaliar o comportamento mecnico de painis
sanduche compsitos com lminas em material compsito de matriz polimrica reforado com
fibras de vidro (GFRP, do ingls: Glass Fibre Reinforced Polymer) e ncleos em: poliestireno
expandido (EPS, do ingls: Expanded Polystyrene), favo de mel em polipropileno (FMPP) e
2
aglomerado de cortia expandida (ACE), tendo em vista a sua possvel utilizao como pavimento,
parede ou cobertura de um edifcio de construo pr-fabricada.
Para o desenvolvimento desta dissertao realizou-se um estudo bibliogrfico sobre painis
sanduche em geral e sobre os materiais constituintes acima referidos. Procedeu-se, tambm, a um
levantamento de expresses analticas que permitem analisar mecanicamente os painis em termos
de rigidez e resistncia, apresentando-se os possveis modos de rotura.
Para alm do estudo bibliogrfico, realizou-se um conjunto de ensaios experimentais com o objetivo
de avaliar o comportamento mecnico dos painis em servio e na rotura.
Por fim, tendo por base os resultados obtidos atravs dos ensaios experimentais e o estudo
bibliogrfico efetuado, calcularam-se os esforos resistentes dos painis, de acordo com a
abordagem proposta pelo anexo D Projeto com apoio experimental, do Eurocdigo 0. De
seguida, apresenta-se um caso de estudo referente a um edifcio localizado em Benavente que foi
executado no mbito do Projeto BMM Bloco Multi-Modular. Este edifcio contm os painis
sanduche estudados neste trabalho, tendo sido feita a verificao de segurana das solues de
pavimento, parede e cobertura.
1.3 Estrutura da dissertao
A presente dissertao encontra-se dividida em cinco captulos.
No presente captulo, efetua-se uma breve introduo ao tema abordado neste trabalho,
enquadrando-o no contexto da engenharia civil. Apresenta-se, tambm, os objetivos e metodologia
da presente dissertao.
No segundo captulo, enquadra-se o uso de painis sanduche na construo pr-fabricada de
edifcios e de seguida faz-se o estudo bibliogrfico sobre os painis sanduche em geral e sobre os
materiais constituintes em estudo.
No terceiro captulo, apresentada em pormenor a campanha experimental executada no mbito do
Projeto BMM Bloco Multi-Modular, facultando-se, tambm, os resultados e uma anlise destes.
No quarto captulo, calculam-se os esforos resistentes dos painis, apresentando-se, seguidamente
o caso de estudo. Por fim, verifica-se a segurana dos painis utilizados no caso de estudo.
No ltimo captulo feita uma sntese das principais concluses da dissertao, apresentando-se,
tambm, algumas sugestes para desenvolvimentos futuros.
3
2 Estudo de painis sanduche para a aplicao na
pr-fabricao de edifcios
2.1 Consideraes iniciais
Na parte inicial desde captulo enquadra-se o uso de painis sanduche na construo pr-fabricada
de edifcios, abordando tambm as vantagens deste tipo de construo em relao construo de
edifcios mais tradicional em Portugal, a construo com estrutura em beto armado betonado in-
situ e paredes em alvenaria de tijolo cermico. Posteriormente so apresentados os requisitos que os
painis devem cumprir para exercerem a funo de pavimento ou de parede. Para alm disso, so
referidas as caractersticas dos painis sanduche, bem como dos materiais que o constituem.
tambm efetuada uma descrio do comportamento mecnico do painel, atravs de expresses
analticas que permitem prever o seu comportamento em servio e na rotura, apresentando-se,
tambm, os possveis modos de rotura.
2.2 Construo pr-fabricada de edifcios
Designa-se por construo pr-fabricada o processo de construo em que a maior parte dos
trabalhos realizada em ambiente fabril, sendo posteriormente feita a montagem, em obra, dos
produtos provenientes desse ambiente. A dimenso das componentes elaboradas em fbrica
variada, podendo ir desde pilares, vigas e paredes, at mdulos que podem conter vrias divises do
edifcio. A construo atravs destes mdulos, constitui um ramo da construo pr-fabricada
designado por construo modular [1].
Comparando edifcios de construo pr-fabricada com edifcios com estrutura em beto armado
com as betonagens dos elementos estruturais realizadas no prprio local de construo (betonagem
in-situ), pode constatar-se que os aspetos que mais favorecem a escolha pela construo
pr-fabricada so os seguintes [2]:
Qualidade;
Velocidade de construo;
Aspetos ambientais;
Espao disponvel para o estaleiro.
Qualidade
De um modo geral, a construo pr-fabricada de edifcios apresenta uma qualidade superior, uma
vez que os elementos estruturais so produzidos em ambiente fabril, sujeitos a um melhor controlo
de qualidade. No entanto, h que ter em conta que grande parte das ligaes entre elementos tem
que ser executada em obra, no estando, assim, sujeita a um controlo de qualidade to rigoroso.
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Velocidade de construo
Usualmente, a construo pr-fabricada diminui o tempo que vai desde o incio da conceo da
estrutura at ao fim da realizao da obra. No entanto, para que este tempo seja substancialmente
menor que um edifcio construdo in-situ, necessrio que haja um elevado nvel de organizao na
fase de conceo, principalmente no que toca aos elementos estruturais necessrios. Estes devem
ser encomendados com a maior antecedncia possvel, pois os tempos de entrega do material
costumam ser relativamente longos e por vezes condicionam negativamente a durao da obra. Nas
estruturas pr-fabricadas, geralmente, o tempo que se poupa em relao a uma estrutura de beto
armado tradicional, maioritariamente na fase de realizao do edifcio, visto que no necessrio
esperar que se d a cura do beto e a construo no to dependente das condies climatricas.
Outro fator que contribui para o aumento de velocidade de construo o grau de repetio, tanto
entre projetos de diferentes obras (por exemplo: estabelecer medidas standard em relao s
dimenses das lajes, vigas, pilares), tanto a nvel de repetio dentro da mesma obra.
Aspetos ambientais
A construo pr-fabricada menos prejudicial para o meio ambiente, uma vez que grande parte dos
elementos deste tipo de edifcios podem ser retirados em bom estado, podendo ser reutilizados. Este
tipo de reaproveitamento, pouco comum em Portugal, comea a ser uma opo vivel em pases do
Norte da Europa. Alm disto, este tipo de construo tambm proporciona menores desperdcios de
material.
Espao disponvel para o estaleiro
A construo de um edifcio atravs de elementos pr-fabricados no requer um estaleiro com as
mesmas dimenses de um estaleiro de um edifcio com estrutura em beto armado com betonagem
in-situ, uma vez que no necessrio espao para cofragem, armadura e prumos.
Apesar destes fatores que favorecem a escolha da construo pr-fabricada, h que ter em conta
que este tipo de construo apresenta alguns aspetos desfavorveis. Como exemplos, pode
mencionar-se o facto de retirar alguma liberdade ao arquiteto na escolha das geometrias e de,
geralmente, no proporcionar uma estrutura de aspeto to robusto quando comparada com uma
estrutura de beto armado betonada in-situ. Em relao ao custo, uma soluo pr-fabricada pode,
ou no, ser uma soluo apelativa, dependendo em grande parte da realidade do local a executar a
obra.
2.3 O uso de painis sanduche na construo pr-fabricada de edifcios
Durante muitos anos, devido ao seu elevado preo, os painis sanduche eram apenas utilizados nas
indstrias naval e aeroespacial. No entanto, com a evoluo da tecnologia de produo deste tipo de
painis, o custo de produo decresceu e o uso de painis sanduche na indstria da construo,
tornou-se assim uma alternativa vivel em alguns casos [3]. Mesmo assim, tal como acontece em
quase todos os novos tipos de materiais de construo, houve uma certa relutncia em utilizar este
5
material na construo civil. Esta relutncia deveu-se essencialmente atitude pouco recetiva das
pessoas, falta de conhecimentos em relao ao material e ao aspeto pouco robusto do material [4].
Na construo de edifcios pr-fabricados, os painis sanduche podem ter um papel fulcral na
construo e desempenho deste tipo de edifcios, uma vez que estes apresentam um peso prprio
reduzido, boas caractersticas em termos de resistncia, possibilitando, de um modo geral, um bom
isolamento trmico e garantindo, por vezes, um bom comportamento acstico. Assim, os painis
sanduche podem ser colocados em obra sem recurso a sistemas elevatrios pesados ou mesmo sem
qualquer sistema elevatrio mecnico. Em relao sua funo, podem ser utilizados para
exercerem a funo de parede, pavimento ou cobertura.
O uso de painis sanduche na construo pr-fabricada de edifcios pode ser aplicado
conjuntamente com um sistema construtivo denominado de Light Steel Framing. Este sistema
construtivo, utiliza perfis de ao enformados a frio tendo como princpio dividir a estrutura numa
grande quantidade de elementos estruturais, de forma a que cada elemento resista a uma pequena
parcela da carga total aplicada [5]. Os painis sanduche aplicados em conjunto com este mtodo
construtivo, no tm de cumprir requisitos muito exigentes em termos mecnicos, uma vez que a
sua funo estrutural de transmitir as cargas aplicadas para os perfis de ao enformados a frio que
esto pouco afastados entre si. Existem trs mtodos bsicos de construo em Light Steel Framing:
construo tradicional (stick-built), construo em painis (panelized) e construo modular. No
mtodo de construo tradicional, a montagem de todos os elementos estruturais feita no prprio
local da obra, correspondendo assim ao nvel mais baixo de pr-fabricao. A construo em painis
consiste na montagem em fbrica de troos de paredes ou de pisos, sendo apenas necessrio em
obra coloc-los na posio correta e executar a ligao entre troos. No ltimo mtodo referido, a
construo modular, so construdos em fbrica unidades modulares que contm todos os
elementos estruturais necessrios, sendo que em obra apenas necessrio organizar os mdulos e
conecta-los. O painel sanduche surge, geralmente, neste contexto, em substituio dos materiais
isolantes, como a l de rocha e gesso cortonado, ou das placas de aglomerado de madeira (OSB -
Oriented Strand Board), sendo este um aglomerado constitudo por lamelas e/ou filamentos de
madeira, colocados a alta presso e elevada temperatura [5].
A receo do campus da Novartis (Figura 2.1), em Basileia, Sua, um exemplo de um edifcio em
que se aplica painis sanduche compsitos. A laje de cobertura composta por painis sanduche
compsitos com lminas em fibra de vidro e ncleo de espuma de poliuretano. As dimenses da laje
de cobertura so 21.6 x 18.5 m, contendo partes em consola, com espessura varivel nos quatro
lados do edifcio, sendo o comprimento mximo destas partes de 5 m [6]. A laje, constituda somente
por painis sanduche, alm das funes estruturais, tambm responsvel pelo isolamento trmico
e pela estanquicidade.
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Figura 2.1 Receo do campus da Novartis, Basileia, Sua [7]
As moradias unifamiliares fornecidas pela empresa Alibaba, so exemplos de solues de construo
pr-fabricada em que aplicam alguns dos princpios do sistema construtivo Light Steel Framing em
conjunto com a utilizao de painis sanduche. Na Figura 2.2, apresenta-se um exemplo de uma
moradia divulgada por esta empresa, em que a cobertura constituda por painis sanduche com
ncleo em poliestireno expandido e lminas em alumnio e uma estrutura treliada composta por
perfis enformados a frio. As paredes so constitudas exclusivamente pelos mesmos painis
sanduche.
Figura 2.2 Moradia unifamiliar divulgada pela empresa Alibaba [8]
2.4 Requisitos de painis sanduche com funo de parede ou
pavimento
Os requisitos dos painis sanduche para cumprir a funo de parede ou de pavimento, so, de um
modo geral, os mesmos que qualquer outro tipo de material que desempenhe essas funes. No
entanto, existem requisitos particulares para este tipo de produto. Os requisitos que se apresentam
em seguida dependem do tipo, tamanho de edifcio, localizao e funo do painel no edifcio. Assim,
em funo destas caractersticas, por vezes no necessrio que o painel cumpra todos os requisitos
de uma maneira satisfatria. Existem cinco tipos de requisitos que so fundamentais que os painis
sanduche cumpram [9]:
Requisitos de segurana;
Requisitos de utilizao;
Requisitos de durabilidade;
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Requisitos estticos;
Requisitos construtivos.
Requisitos de segurana
Os painis sanduche tm de manter-se estveis durante todo o processo construtivo, desde a sua
fabricao at montagem em obra. Tm tambm de ser autoportantes e de resistir s aes a que
so sujeitos, tanto no caso de pavimentos como de paredes. No primeiro caso, os painis esto
sujeitos a cargas verticais, devendo, assim, resistir a este tipo de carregamento e, em alguns casos,
tm de possuir rigidez suficiente no plano para conferir o efeito de diafragma. Quando tal no
possvel, a rigidez do pavimento no seu plano pode ser conseguida atravs dum sistema de tirantes
metlicos. No caso de paredes, se forem de fachada tm de resistir s aes do vento e, se tiverem
funes de guarda tm de resistir a uma carga horizontal de faca uniformemente distribuda ao longo
do comprimento da parede [9, 10]. Para alm das aes referidas, se a estrutura em que os painis
esto inseridos no prever nenhum sistema de contraventamento para cargas horizontais, as
paredes em painel sanduche tero de desempenhar esta funo.
Adicionalmente, os painis sanduche devem apresentar um bom comportamento ao fogo, sendo
este dividido em duas componentes: reao e resistncia. A reao, como o prprio nome indica,
corresponde ao modo como os produtos reagem ao fogo, salientando-se a combustibilidade, a
quantidade de calor e de fumo emitida durante o incndio e a toxicidade do fumo emitido. A
resistncia entende-se como sendo o tempo que um elemento do edifcio capaz de cumprir as suas
funes, em situao de incndio. Salientam-se as seguintes funes: capacidade de suporte de
carga, estanqueidade a chamas e gases quentes e isolamento trmico [11].
Requisitos de utilizao
No que diz respeito aos requisitos de utilizao, os painis devem ser, tanto nas superfcies como nas
juntas, impermeveis entrada de gua, neve, ar e poeira. Para alm disso, devem proporcionar um
bom isolamento trmico, acstico e uma adequada proteo contra o risco de condensaes. Devem
ter a capacidade de acomodar as deformaes provocadas pelas variaes de temperatura,
salientando-se o caso em que o painel encontra-se exposto ao sol [9]. Devem, tambm,
principalmente no caso de pavimentos, apresentar deformaes para cargas de servio compatveis
com a sua utilizao, isto tendo em conta os efeitos diferidos a longo prazo (fluncia e retrao).
Requisitos de durabilidade
Os requisitos de durabilidade tm o intuito de garantir que os painis mantm as suas propriedades
ao longo do tempo de vida til. Os painis devem apresentar resistncia s condies climatricas a
longo prazo, nomeadamente, resistncia corroso, resistncia degradao do material do ncleo
e do adesivo e estabilidade da pintura [9].
8
Requisitos estticos
Os requisitos estticos dizem respeito qualidade visual dos painis aps estarem completamente
finalizados. Contemplam as tolerncias geomtricas, tendo em conta o nivelamento das lminas do
painel, as variaes de cor e o aspeto visual das ligaes [9].
Requisitos construtivos
Os requisitos construtivos tm em conta a eficincia do processo construtivo que envolve os painis
sanduche. As ligaes entres os painis devem ser fceis de executar, de modo a reduzir a
complexidade do trabalho em obra. O nmero de tipos de painel dever ser reduzido, diminuindo
assim as probabilidades de erros em obra. Para alm disso, a elevao dos painis para colocao em
obra dever requerer o mnimo de equipamento elevatrio possvel e o seu transporte para a obra e
dentro da obra dever ser simples, tendo, para isso, dimenses que permitam esta simplicidade de
transporte [9].
2.5 Descrio geral de painis sanduche
Um painel sanduche constitudo pelos seguintes componentes: duas lminas de espessura
reduzida, constitudas por um material denso com uma rigidez e resistncia significativa, um ncleo
espesso de material com valores de densidade, resistncia e rigidez consideravelmente mais baixos,
e uma camada de adesivo situada na interface entre a lmina e o ncleo. O painel sanduche pode
ser abordado de uma maneira anloga a um perfil em , em que as lminas desempenham a funo
dos banzos e o ncleo a funo da alma. Na Figura 2.3 encontra-se representado um painel
sanduche e um perfil em .
Figura 2.3 Constituio de um painel sanduche, esquerda e, constituio de um perfil em , direita (adaptado de [12])
Os painis sanduche, devido s suas caractersticas, podem ser elementos de grande importncia na
construo pr-fabricada. Eles combinam as propriedades positivas das lminas, nomeadamente
capacidade resistente, rigidez e impermeabilidade, com as caractersticas favorveis do ncleo, como
por exemplo, o facto de poderem providenciar o isolamento trmico e acstico e apresentarem um
peso prprio reduzido. As caractersticas concretas de painis sanduche dependem, naturalmente,
9
da constituio das lminas e do ncleo, aspetos que sero avaliados no pargrafo seguinte. No
entanto, os painis sanduche apresentam, em geral, as seguintes caractersticas vantajosas [9]:
Elevadas relaes resistncia/peso prprio e rigidez/ peso prprio;
Elevado isolamento trmico;
Estanqueidade;
Facilidade de montagem em obra, mesmo em condies climatricas desfavorveis;
Elevada durabilidade com custos de manuteno reduzidos;
Fcil de reparar ou substituir em caso de danos no painel;
Produo em massa em ambiente controlado.
No entanto, tambm de referir as seguintes desvantagens [9]:
Fraco comportamento ao fogo;
Elevada deformao quando uma das faces exposta ao calor;
Elevadas deformaes por fluncia, principalmente no caso de ncleos constitudos por
espumas rgidas;
Comportamento frgil no caso de lminas de fibra de vidro ou fibra de carbono;
Ausncia de regulamentao especfica.
2.6 Elementos constituintes de um painel sanduche
2.6.1 Lminas
Geralmente, as lminas que constituem os painis sanduche so planas, podendo, no entanto,
apresentar configuraes corrugadas. Existe uma grande variedade de materiais que podem ser
utilizados, salientando-se o ao, alumnio, e materiais compsitos de matriz polimrica como