Novos métodos computacionais, projetos combinados com a evolução de centros de usinagem de peças, aliado a inovadores processos de colagem; maior precisão na confecção de pré-fabricados e modernas ligações são alguns dos fatores que já proporcionam a construção de prédios de até 18 andares, totalmente em madeira, ou de híbridos, que alcançam 22 andares
POR:
GUILHERME CORREA STAMATO
LEONARDO ARAÚJO MARCOLIN
FELIPE VERGILI SGARBOSA
A construção de edifícios médios e altos em madeira tomaram um grande impulso nas últimas décadas com a evolução dos processos de fabricação de produtos derivados de madeira como a Madeira Lamelada Colada e a Madeira Lamelada Colada Cruzada, também conhecida pela sigla em inglês CLT (Cross Laminated Timber), e outros materiais como o laminado unidirecional (LVL-Laminated Veneer Lumber) bem como de métodos computacionais de projeto combinados com a evolução de centros de usinagem CNC que garantem grande precisão de medidas para a pré-fabricação de elementos estruturais e de suas ligações. Esse desenvolvimento já proporcionou a construção de prédios totalmente em madeira de 18 andares, ou híbridos de até 22 andares e tem atraído para o tema escritórios de projetos estruturais consagrados, tais como Thornton Tomasetti, SOM, Arup, entre muitos outros projetos de edifícios altos em madeira ao redor do mundo.
Mais recentemente, as construções em madeira ganharam um grande impulso com inúmeras inovações na produção desses produtos engenheirados (MLC, LVL e CLT), bem como devido a evolução de processos de colagem e de usinagem de peças de grande porte. Isto associado a métodos computacionais de projeto estrutural e de desenho com conversão para máquinas CNC, que permitem um perfeito alinhamento das estruturas de madeira com métodos modernos de industrialização da construção, transporte e içamento.
Outro destaque para a madeira é que sua produção consome pouca energia, e majoritariamente a energia solar durante o crescimento da árvore. É uma matéria prima renovável e sequestra carbono em sua produção, uma vez que a fotossíntese transforma o CO2 da atmosfera em celulose (C61-1.05) que é o principal componente da madeira, mantendo esse carbono sequestrado por toda a vida útil da edificação.
Considerando que a madeira e seus derivados apresentam propriedades de resistência e rigidez diferente das do concreto e do aço, os projetos estruturais com esses materiais devem ser concebidos e avaliados levando os mesmos em consideração.
Partindo da sua composição microscópica, a madeira é composta por fibras tubulares que seguem uma direção preferencial, a direção do eixo do tronco da árvore, criando um comportamento anisotrópico, ou ainda, ortotrópico, com propriedades bem definidas no eixo das fibras ou perpendicular a esse eixo
Conhecendo o comportamento ortotrópico da madeira, os esforços aplicados devem ser verificados em função da direção desses em relação às fibras. A madeira apresenta boa resistência à compressão e à tração na direção paralela às fibras (f,0 e fto respectivamente), baixa resistência à compressão perpendicular às fibras (fc90) e muito baixa na tração perpendicular às fibras (ft90). Além dessas, o cisalhamento também apresenta valores diferentes em relação á direção das fibras, sendo o cisalhamento paralelo (f,o) o mais comum e que registra valores de cerca de 1/8 do valor da resistência à compressão paralela às fibras.
Por ser um material natural, a madeira apresenta uma variabilidade de suas propriedades mecânicas significativamente maior que as encontradas no aço ou no concreto, com coeficientes de variação da ordem de 15% a 18% para as propriedades de compressão e flexão, por exemplo. Essa variabilidade é considerada com segurança nos métodos de dimensionamento probabilísticos, usado como base para as normas de projeto de estruturas de madeira como a norma ABNT NBR 7190/1997 "Projeto de Estruturas de Madeira" [4] ou mesmo a europeia EN 1995-1-1:2002 "Timber Structures" (Eurocode 5) [5], sempre mantendo a confiabilidade com a consideração do quantil de 5% da distribuição de resistências, assim como é feito para o concreto e o aço, como mencionado no Anexo F da NBR 7190/1997 [4] e no EN 1990:2002 "Eurocode - Basis of structural design" [6].
Mesmo considerando os valores característicos relativos ao quantil de 5%, a resistência na direção paralela às fibras são equivalentes as do concreto, com classes de resistência da norma brasileira apresentando valores de variando de 20MPa até 60MPa, sendo que o (fío,k) da madeira tende a ser até 30% maior do que a resistência à compressão paralela às fibras [4].
Outro ponto relevante a ser mencionado em relação as estruturas de madeira refere-se as ligações entre elementos, que para os edifícios têm sido solucionadas com dispositivos metálicos que também estão em rápido desenvolvimento para atender as demandas estruturais dessas edificações. O dimensionamento e a análise dessas ligações são sempre pontos importantes no projeto dessas estruturas, pois tais ligações utilizam elementos metálicos discretos em relação às dimensões dos elementos de madeira, o que causa uma grande concentração de esforços para a transmissão das cargas de um elemento ao outro, colocando as ligações num patamar de rigidez entre o rotulado e o engastado. Os valores teóricos dessa semirrigidez de ligações podem ser calculados utilizando as equações demonstradas na figura 03.
Os projetos de novos edifícios em madeira têm seguido concepções estruturais variadas, sempre buscando considerar as melhores propriedades de cada elemento nas suas concepções. Considerando que as cargas de gravidade são resistidas majoritariamente por vigas, pilares e paredes de CLT, essas cargas não geram grandes solicitações de momento nas ligações. No entanto, os esforços horizontais são determinantes para a concepção estrutural de um edifício de madeira, pois a demanda por rigidez nesse sentido cria necessidade de ligações muito rígidas nos sistemas simples pilar-viga, que muitas vezes são inviáveis tecnicamente ou economicamente.
Sendo assim, outros elementos que proporcionem rigidez aos esforços horizontais são necessários para diminuir a demanda por ligações rígidas. Uma das opções utilizadas é a concepção com núcleo de rigidez em concreto, em geral aproveitando as caixas de escada e elevador, que agregam ainda exigências dos corpos de bombeiros em rotas de fuga. Um exemplo desse tipo de concepção é o edifício Brock Commons da Universidade de British Columbia, em Vancouver, Canadá. Trata-se de um edifício de 18 andares em madeira, com dois núcleos rígidos de concreto e plataformas sucessivas de pilares de madeira e lajes de CLT.
O primeiro exemplo de edifício utilizando esses sistemas construtivos no Brasil está em fase final de acabamento, na cidade de São Paulo. Trata-se de um edifício comercial de 3 pavimentos, onde a estrutura foi concebida com núcleo rígido de concreto, pilares e vigas de MLC, lajes de CLT e apenas 3 paredes de CLT para complementar a rigidez da edificação.
Outra opção bastante utilizada, em especial para edifícios residenciais de até 10 pavimentos, onde as densidades de paredes são alta, é o uso das paredes de CLT como elementos de rigidez horizontal. Nesse conceito, a concepção considerando a rigidez aos esforços horizontais é transferida das plataformas de piso (em CLT) pra paredes em CLT, onde as ligações entre esses elementos passam a ter a responsabilidade de transferir esses esforços de forma eficiente. Além desses elementos, essas edificações ainda contam com vigas e pilares de MLC para suporte das cargas verticais. O primeiro edifício construído nesse conceito foi o Stadhaus/Murray Grove, na Inglaterra, com 9 pavimentos estruturados em paredes e lajes de CLT. Atualmente inúmeros outros prédios de igual porte foram construídos ou estão em construção em todo o mundo.
Nessas condições, as paredes de CLT devem ser verificadas tanto para os esforços de compressão devido às cargas de gravidade, quanto para os esforços horizontais que causam flexão e cisalhamento nas placas. Por ser composto por lamelas ortogonais entre si, o CLT tem um comportamento muito mais rígido e resistente ao cisalhamento nessas situações, resultando em grande eficiência dessas paredes no cisalhamento. Para a ancoragem dessas paredes, as ligações devem transmitir os esforços aos andares inferiores, impedindo tanto os deslocamentos de translação, quanto os de rotação.
A concepção com paredes de rigidez em CLT para grandes alturas tem um limite na eficiência econômica, pois o consumo de madeira passa a ser alto para absorver as cargas verticais e as ligações de ancoragem das paredes tornam-se dispendiosas. Essa análise deve ser feita em cada caso, pois está relacionada ao custo dos painéis de CLT, que com o aumento da produção tendem a ter seu custo reduzido pela economia de escala.
Na busca por soluções em edifícios mais altos em madeira, onde as paredes de CLT não são viáveis, em uma das vias estão os núcleos rígidos de concreto, como já mencionado, e em outra estão as estruturas com elementos em diagonal, formando estruturas treliçadas verticais, como é o caso do edifício Mjostárnet na Noruega. Esse conceito diminui a necessidade de ligações rígidas ao momento para resistirem aos esforços horizontais na edificação.
Seguindo esse conceito, novas concepções de prédios altos têm sido apresentadas como projetos a serem desenvolvidos. O Escritório Perkins+Will apresentou um audacioso projeto para uma torre de 80 pavimentos em Chicago - EUA, com estrutura interna treliçada em madeira.
Esse tipo de concepção tem sido largamente estudado para edifícios altos em madeira, como é apresentado por Tall timber buildings de Jong, R.L. [14]; Numerical Models for Dynamic. Properties of a 14 Storey Timber Building de Ingunn Utne [15]e Feasibility of Tall Timber Build-ings - de S.G.C.Timmer [9].
Avançando nesse conceito a Sidewalk Lab, empresa do mesmo grupo da Google, apresentou o desenvolvimento de um projeto de um edifício de 35 pavimentos com núcleo rígido de CLT e exoesqueleto em grandes estruturas de madeira treliçada.
Essa concepção também é utilizada no prédio de 40 pavimentos da Atlassian, apresentado pelos escritórios HoP Architects, e BVN (FIG. 12). Essa também é a concepção inicial do prédio comemorativo da empresa florestal Japonesa Sumitomo, o W350, com 350 metros de altura, em Tókio, Japão, esse prédio está proposto para ser inaugurado em 2041, ano de comemoração dos 350 anos da empresa Sumitomo. Neste prazo a empresa pretende desenvolver muitas tecnologias que viabilizem o prédio dessa grandeza. Essa estrutura está atualmente concebida com pilares e vigas em MLC, paredes internas e lajes em CLT e travamentos em X metálicos.
O uso de sistemas mistos madeira concreto, madeira aço ou madeira-concreto-aço também tem evoluído consideravelmente. Um dos exemplos mais usados são as lajes compostas de CLT e concreto colaborante, onde a laje de CLT atua na porção tracionada e já tem a função de forma para o concreto, que atua na porção comprimida. Para a junção de cisalhamento entre os dois, diversos tipos de ligações metálicas têm sido desenvolvidos, sendo que a eficiência da composição depende da rigidez dessas ligações. Para a análise dessa composição, o método gama de análise de seções compostas do Euro-code 5 tem sido utilizado. Esse mesmo método é empregado também na avaliação do comportamento à flexão fora do plano das placas de CLT, com algumas adaptações em função do número de camadas.
É notório o fato de que a madeira traz um aspecto natural desejado nesses projetos arquitetônicos, porém, do ponto de vista de exposição da madeira às intempéries, essa concepção é indesejada. A relação da madeira com a água ou a umidade condiz prioritariamente a duas questões que impactam o desempenho estrutural. A primeira refere-se ao fato de que as propriedades mecânicas da madeira são reduzidas com o aumento do teor de umidade interno, causando reduções da resistência da ordem de 20% e maiores ainda em relação à rigidez, amplificando também os efeitos de fluência.
Assim, caso seja essa a opção arquitetônica, essas reduções devem ser consideradas no dimensionamento. A segunda questão refere-se à durabilidade, pois a umidade prolongada na madeira favorece a proliferação de fungos apodrecedores. Uma das soluções para essa questão é o tratamento químico por impregnação. No Brasil a NBR 16.143:2013 "Preservação de madeiras -Sistema de categorias de uso" [20] apresenta detalhadamente as especificações para o tratamento de madeira para uso estrutural, prevenindo a degradação da madeira por apodrecimento ou por insetos, como o cupim.
Um dos temas levantados quando trata-se de construções em madeira é seu desempenho em situação de incêndio. Nesse novo conceito de edificação, com o uso de grandes seções de madeira, ou de paredes e lajes maciças de madeira em CLT, o resultado é a melhor estanqueidade e um longo tempo de resistência ao fogo, uma vez que a madeira apresenta um comportamento previsível em situação de incêndio, com a queima a uma velocidade baixa, da ordem de 0,5 a 0,7mm/min.
Adicionalmente, a temperatura no interior das peças de madeira, na região não carbonizada não sobem significativamente e a madeira mantem praticamente as mesmas propriedades de resistência e rigidez na região não carbonizada. Consequentemente, o dimensionamento das estruturas de madeira em situação de incêndio é feito a partir da verificação estrutural com seção reduzida dos elementos, de uma espessura de carbonização (eu), proporcional ao TRRF daquela edificação, considerando, para essa nova verificação, a combinação dos esforços adequada para uma situação especial de incêndio.
Um outro ponto de fragilidade em situações de incêndio refere-se às ligações metálicas, que devem ser protegidas para que o aço não entre em escoamento, ou para que sua alta temperatura não acelere a carbonização da madeira no seu entorno. Uma das formas mais eficientes de fazer essa proteção é garantir que as peças metálicas de ligação estejam suficientemente envolvidas por madeira da estrutura.
CONCLUSÕES:
Diante das atuais evoluções nas estruturas de madeira, a Norma brasileira NBR 7190 passa por um processo de revisão que está em fase final, onde diversos desses critérios de verificação e elementos engenheirados de madeira foram incorporados, muitos citados acima. Entre eles podemos citar os critérios de dimensionamento do CLT, o método gama para avaliação de seções compostas, equações relativas à rigidez de conectores metálicos, entre outras. O aumento significativo do número de edifícios de madeira acima de 7 pavimentos ao redor do mundo indica que não se trata de obras experimentais, mas sim de uma tendência que deve ocupar uma fatia do mercado em poucos anos. Essa tendência pode ser comprovada pelo crescente número de edifícios de madeira em execução em todo o mundo, pelo envolvimento de escritórios de projetos estruturais consagrados, tais como Thornton Tomasetti, SOM, Arup, e muito outros e pelo surgimento de inúmeras novas fábricas de MLC e de CLT ao redor do mundo Muita pesquisa ainda está sendo desenvolvida para a aplicação dessas tecnologias na construção de edifícios com estrutura em madeira. A curva de evolução que se observa nos últimos 20 anos é exponencial e, se considerarmos que ainda estavam restritas a poucos centros de pesquisas, é de se esperar que muito desenvolvimento aconteça nos próximos anos para viabilizar esses edifícios altos em madeira.
REFERÊNCIAS
[1] Waugh Thistleton Architects, 100 Proj-ects UK CLT. 2018.
[2] "Structurecraft - Engineered Wood -CLT, Glulam and LVL." https://structure-craft.com/materials/engineered-wood (acessado em 31 de Agosto, 2020).
[3] Leonardo da Vinci Pilot Project, Hand-book 1 - Timber Structures. 2008.
[4] ABNT, "NBR 7190 Projeto de estrutu-ras de madeira," Assoc. Bras. Normas Técnicas, pp. 1-107, 1997.
[5] "EN 1995-1-1 (2004) (English): Euro-code 5: Design of timber structures - Part 1-1: General - Common rules and rules for buildings." European Commit-tee for Standardization, 2011.
[6] "EN 1990 (2002) (English): Eurocode - Basis of structural design," vol. 1, no. 2005. European Committee for Stan-dardization, 2011.
[7] G. C. Stamato, "Ligações em estrutu-ras de madeira compostas por chapas de madeira compensada," 2002.
[8] "Inside Vancouver Brock Commons the worlds tallest timber structured building." https://www.archdaily.com/ 879625/inside-vancouvers-brock-com-mons-the-worlds-tallest-timber-struc-tured-building (acessado em 26 de Agosto, 2020).
[9] T. S.G.C., "Feasibility of Tall Timber Buildings," Delft University of Technol-ogy, 2011.
[10] I. Lukacs, A. Bjornfot, and R. Tomasi, "Strength and stiffness of cross-laminated timber (CLT) shear walls: State-of-the-art of analytical approaches," Eng. Struct., vol. 178, no. October 2018, pp. 136-147, 2019, doi: 10.1016/j.eng-struct.2018.05.126.
[11] R. Abrahamsen, "Mjostãrnet - Con-struction of an 81 m tal) timber build-ing," in Internationales Holzbau-Forum I HF, 2017, p. 12.
[12] "Holz-Hochhaus Mjostãrnet mit 81 m Hõhe fertiggestellt." https://www.da-ch-holzbau.de/artike1/18-stockwerke--aus-holz_3334141.html (acessado em 26 de Agosto, 2020).
[13] "A torre de madeira mais alta: Pro-posta conceituai de Perkins + Will para River Beech Tower." https://www. archdaily.com.br/br/800673/a-torre--de-madeira-mais-alta-proposta-con-ceitual-de-perkins-plus-will-para-ri-ver-beech-tower (acessado em 26 de Agosto, 2020).
[14] R. Jong, "Eindhoven University of Technology MASTER Tall timber build-ings de Jong, R.L.," Eindhoven Universi-ty of Technology, 2017.
[15] I. Utne, "Numerical Models for Dy-namic Properties of a 14 Storey Timber Building," Norwegian University of Sci-ence and Technology, 2013.
[16] "Sidewalk Labs tests possibilities for timber construction with 35-storey Proto-Model." https://www.dezeen. com/2020/02/13/proto-model-side-walk-labs-timber-tower-construc-tion-prototype/ (acessado em 26 de Agosto, 2020).
[17] "Sydney will be home to the world's tallest hybrid timber tower." https:// www.bdcnetwork.com/sydney-will-be-home-world's-tallest-hybrid-tim-ber-tower (acessado em 26 de Agos-to, 2020).
[18] lapan Plans for Supertall Wooden Skyscraper in Tokyo by 2041." https:// www.archdaily.com/889142/japan-plans-for-supertall-wooden-skyscrap-er-in-tokyo-by-2041 (acessado em 26 de Agosto, 2020).
[19] ABNT, "Projeto de Norma NBR 7190" 2020.
[20] ABNT, "NBR 16.143:2013 Preservação de madeiras - Sistema de categorias de uso" 2013.
[21] G. C. A. Martins, "Análise Numérica e Experimental de vigas de Madeira Laminada Colada em Situação de Incêndio". Universidade de São Paulo, 2016.
Fonte: Revista Estrutura, publicação da ABECE – Associação Brasileira de Engenharia e Consultoria Estrutural.
POR:
GUILHERME CORREA STAMATO
LEONARDO ARAÚJO MARCOLIN
FELIPE VERGILI SGARBOSA
A construção de edifícios médios e altos em madeira tomaram um grande impulso nas últimas décadas com a evolução dos processos de fabricação de produtos derivados de madeira como a Madeira Lamelada Colada e a Madeira Lamelada Colada Cruzada, também conhecida pela sigla em inglês CLT (Cross Laminated Timber), e outros materiais como o laminado unidirecional (LVL-Laminated Veneer Lumber) bem como de métodos computacionais de projeto combinados com a evolução de centros de usinagem CNC que garantem grande precisão de medidas para a pré-fabricação de elementos estruturais e de suas ligações. Esse desenvolvimento já proporcionou a construção de prédios totalmente em madeira de 18 andares, ou híbridos de até 22 andares e tem atraído para o tema escritórios de projetos estruturais consagrados, tais como Thornton Tomasetti, SOM, Arup, entre muitos outros projetos de edifícios altos em madeira ao redor do mundo.
Mais recentemente, as construções em madeira ganharam um grande impulso com inúmeras inovações na produção desses produtos engenheirados (MLC, LVL e CLT), bem como devido a evolução de processos de colagem e de usinagem de peças de grande porte. Isto associado a métodos computacionais de projeto estrutural e de desenho com conversão para máquinas CNC, que permitem um perfeito alinhamento das estruturas de madeira com métodos modernos de industrialização da construção, transporte e içamento.
Outro destaque para a madeira é que sua produção consome pouca energia, e majoritariamente a energia solar durante o crescimento da árvore. É uma matéria prima renovável e sequestra carbono em sua produção, uma vez que a fotossíntese transforma o CO2 da atmosfera em celulose (C61-1.05) que é o principal componente da madeira, mantendo esse carbono sequestrado por toda a vida útil da edificação.
Considerando que a madeira e seus derivados apresentam propriedades de resistência e rigidez diferente das do concreto e do aço, os projetos estruturais com esses materiais devem ser concebidos e avaliados levando os mesmos em consideração.
Partindo da sua composição microscópica, a madeira é composta por fibras tubulares que seguem uma direção preferencial, a direção do eixo do tronco da árvore, criando um comportamento anisotrópico, ou ainda, ortotrópico, com propriedades bem definidas no eixo das fibras ou perpendicular a esse eixo
Conhecendo o comportamento ortotrópico da madeira, os esforços aplicados devem ser verificados em função da direção desses em relação às fibras. A madeira apresenta boa resistência à compressão e à tração na direção paralela às fibras (f,0 e fto respectivamente), baixa resistência à compressão perpendicular às fibras (fc90) e muito baixa na tração perpendicular às fibras (ft90). Além dessas, o cisalhamento também apresenta valores diferentes em relação á direção das fibras, sendo o cisalhamento paralelo (f,o) o mais comum e que registra valores de cerca de 1/8 do valor da resistência à compressão paralela às fibras.
Por ser um material natural, a madeira apresenta uma variabilidade de suas propriedades mecânicas significativamente maior que as encontradas no aço ou no concreto, com coeficientes de variação da ordem de 15% a 18% para as propriedades de compressão e flexão, por exemplo. Essa variabilidade é considerada com segurança nos métodos de dimensionamento probabilísticos, usado como base para as normas de projeto de estruturas de madeira como a norma ABNT NBR 7190/1997 "Projeto de Estruturas de Madeira" [4] ou mesmo a europeia EN 1995-1-1:2002 "Timber Structures" (Eurocode 5) [5], sempre mantendo a confiabilidade com a consideração do quantil de 5% da distribuição de resistências, assim como é feito para o concreto e o aço, como mencionado no Anexo F da NBR 7190/1997 [4] e no EN 1990:2002 "Eurocode - Basis of structural design" [6].
Mesmo considerando os valores característicos relativos ao quantil de 5%, a resistência na direção paralela às fibras são equivalentes as do concreto, com classes de resistência da norma brasileira apresentando valores de variando de 20MPa até 60MPa, sendo que o (fío,k) da madeira tende a ser até 30% maior do que a resistência à compressão paralela às fibras [4].
Outro ponto relevante a ser mencionado em relação as estruturas de madeira refere-se as ligações entre elementos, que para os edifícios têm sido solucionadas com dispositivos metálicos que também estão em rápido desenvolvimento para atender as demandas estruturais dessas edificações. O dimensionamento e a análise dessas ligações são sempre pontos importantes no projeto dessas estruturas, pois tais ligações utilizam elementos metálicos discretos em relação às dimensões dos elementos de madeira, o que causa uma grande concentração de esforços para a transmissão das cargas de um elemento ao outro, colocando as ligações num patamar de rigidez entre o rotulado e o engastado. Os valores teóricos dessa semirrigidez de ligações podem ser calculados utilizando as equações demonstradas na figura 03.
Os projetos de novos edifícios em madeira têm seguido concepções estruturais variadas, sempre buscando considerar as melhores propriedades de cada elemento nas suas concepções. Considerando que as cargas de gravidade são resistidas majoritariamente por vigas, pilares e paredes de CLT, essas cargas não geram grandes solicitações de momento nas ligações. No entanto, os esforços horizontais são determinantes para a concepção estrutural de um edifício de madeira, pois a demanda por rigidez nesse sentido cria necessidade de ligações muito rígidas nos sistemas simples pilar-viga, que muitas vezes são inviáveis tecnicamente ou economicamente.
Sendo assim, outros elementos que proporcionem rigidez aos esforços horizontais são necessários para diminuir a demanda por ligações rígidas. Uma das opções utilizadas é a concepção com núcleo de rigidez em concreto, em geral aproveitando as caixas de escada e elevador, que agregam ainda exigências dos corpos de bombeiros em rotas de fuga. Um exemplo desse tipo de concepção é o edifício Brock Commons da Universidade de British Columbia, em Vancouver, Canadá. Trata-se de um edifício de 18 andares em madeira, com dois núcleos rígidos de concreto e plataformas sucessivas de pilares de madeira e lajes de CLT.
O primeiro exemplo de edifício utilizando esses sistemas construtivos no Brasil está em fase final de acabamento, na cidade de São Paulo. Trata-se de um edifício comercial de 3 pavimentos, onde a estrutura foi concebida com núcleo rígido de concreto, pilares e vigas de MLC, lajes de CLT e apenas 3 paredes de CLT para complementar a rigidez da edificação.
Outra opção bastante utilizada, em especial para edifícios residenciais de até 10 pavimentos, onde as densidades de paredes são alta, é o uso das paredes de CLT como elementos de rigidez horizontal. Nesse conceito, a concepção considerando a rigidez aos esforços horizontais é transferida das plataformas de piso (em CLT) pra paredes em CLT, onde as ligações entre esses elementos passam a ter a responsabilidade de transferir esses esforços de forma eficiente. Além desses elementos, essas edificações ainda contam com vigas e pilares de MLC para suporte das cargas verticais. O primeiro edifício construído nesse conceito foi o Stadhaus/Murray Grove, na Inglaterra, com 9 pavimentos estruturados em paredes e lajes de CLT. Atualmente inúmeros outros prédios de igual porte foram construídos ou estão em construção em todo o mundo.
Nessas condições, as paredes de CLT devem ser verificadas tanto para os esforços de compressão devido às cargas de gravidade, quanto para os esforços horizontais que causam flexão e cisalhamento nas placas. Por ser composto por lamelas ortogonais entre si, o CLT tem um comportamento muito mais rígido e resistente ao cisalhamento nessas situações, resultando em grande eficiência dessas paredes no cisalhamento. Para a ancoragem dessas paredes, as ligações devem transmitir os esforços aos andares inferiores, impedindo tanto os deslocamentos de translação, quanto os de rotação.
A concepção com paredes de rigidez em CLT para grandes alturas tem um limite na eficiência econômica, pois o consumo de madeira passa a ser alto para absorver as cargas verticais e as ligações de ancoragem das paredes tornam-se dispendiosas. Essa análise deve ser feita em cada caso, pois está relacionada ao custo dos painéis de CLT, que com o aumento da produção tendem a ter seu custo reduzido pela economia de escala.
Na busca por soluções em edifícios mais altos em madeira, onde as paredes de CLT não são viáveis, em uma das vias estão os núcleos rígidos de concreto, como já mencionado, e em outra estão as estruturas com elementos em diagonal, formando estruturas treliçadas verticais, como é o caso do edifício Mjostárnet na Noruega. Esse conceito diminui a necessidade de ligações rígidas ao momento para resistirem aos esforços horizontais na edificação.
Seguindo esse conceito, novas concepções de prédios altos têm sido apresentadas como projetos a serem desenvolvidos. O Escritório Perkins+Will apresentou um audacioso projeto para uma torre de 80 pavimentos em Chicago - EUA, com estrutura interna treliçada em madeira.
Esse tipo de concepção tem sido largamente estudado para edifícios altos em madeira, como é apresentado por Tall timber buildings de Jong, R.L. [14]; Numerical Models for Dynamic. Properties of a 14 Storey Timber Building de Ingunn Utne [15]e Feasibility of Tall Timber Build-ings - de S.G.C.Timmer [9].
Avançando nesse conceito a Sidewalk Lab, empresa do mesmo grupo da Google, apresentou o desenvolvimento de um projeto de um edifício de 35 pavimentos com núcleo rígido de CLT e exoesqueleto em grandes estruturas de madeira treliçada.
Essa concepção também é utilizada no prédio de 40 pavimentos da Atlassian, apresentado pelos escritórios HoP Architects, e BVN (FIG. 12). Essa também é a concepção inicial do prédio comemorativo da empresa florestal Japonesa Sumitomo, o W350, com 350 metros de altura, em Tókio, Japão, esse prédio está proposto para ser inaugurado em 2041, ano de comemoração dos 350 anos da empresa Sumitomo. Neste prazo a empresa pretende desenvolver muitas tecnologias que viabilizem o prédio dessa grandeza. Essa estrutura está atualmente concebida com pilares e vigas em MLC, paredes internas e lajes em CLT e travamentos em X metálicos.
O uso de sistemas mistos madeira concreto, madeira aço ou madeira-concreto-aço também tem evoluído consideravelmente. Um dos exemplos mais usados são as lajes compostas de CLT e concreto colaborante, onde a laje de CLT atua na porção tracionada e já tem a função de forma para o concreto, que atua na porção comprimida. Para a junção de cisalhamento entre os dois, diversos tipos de ligações metálicas têm sido desenvolvidos, sendo que a eficiência da composição depende da rigidez dessas ligações. Para a análise dessa composição, o método gama de análise de seções compostas do Euro-code 5 tem sido utilizado. Esse mesmo método é empregado também na avaliação do comportamento à flexão fora do plano das placas de CLT, com algumas adaptações em função do número de camadas.
É notório o fato de que a madeira traz um aspecto natural desejado nesses projetos arquitetônicos, porém, do ponto de vista de exposição da madeira às intempéries, essa concepção é indesejada. A relação da madeira com a água ou a umidade condiz prioritariamente a duas questões que impactam o desempenho estrutural. A primeira refere-se ao fato de que as propriedades mecânicas da madeira são reduzidas com o aumento do teor de umidade interno, causando reduções da resistência da ordem de 20% e maiores ainda em relação à rigidez, amplificando também os efeitos de fluência.
Assim, caso seja essa a opção arquitetônica, essas reduções devem ser consideradas no dimensionamento. A segunda questão refere-se à durabilidade, pois a umidade prolongada na madeira favorece a proliferação de fungos apodrecedores. Uma das soluções para essa questão é o tratamento químico por impregnação. No Brasil a NBR 16.143:2013 "Preservação de madeiras -Sistema de categorias de uso" [20] apresenta detalhadamente as especificações para o tratamento de madeira para uso estrutural, prevenindo a degradação da madeira por apodrecimento ou por insetos, como o cupim.
Um dos temas levantados quando trata-se de construções em madeira é seu desempenho em situação de incêndio. Nesse novo conceito de edificação, com o uso de grandes seções de madeira, ou de paredes e lajes maciças de madeira em CLT, o resultado é a melhor estanqueidade e um longo tempo de resistência ao fogo, uma vez que a madeira apresenta um comportamento previsível em situação de incêndio, com a queima a uma velocidade baixa, da ordem de 0,5 a 0,7mm/min.
Adicionalmente, a temperatura no interior das peças de madeira, na região não carbonizada não sobem significativamente e a madeira mantem praticamente as mesmas propriedades de resistência e rigidez na região não carbonizada. Consequentemente, o dimensionamento das estruturas de madeira em situação de incêndio é feito a partir da verificação estrutural com seção reduzida dos elementos, de uma espessura de carbonização (eu), proporcional ao TRRF daquela edificação, considerando, para essa nova verificação, a combinação dos esforços adequada para uma situação especial de incêndio.
Um outro ponto de fragilidade em situações de incêndio refere-se às ligações metálicas, que devem ser protegidas para que o aço não entre em escoamento, ou para que sua alta temperatura não acelere a carbonização da madeira no seu entorno. Uma das formas mais eficientes de fazer essa proteção é garantir que as peças metálicas de ligação estejam suficientemente envolvidas por madeira da estrutura.
CONCLUSÕES:
Diante das atuais evoluções nas estruturas de madeira, a Norma brasileira NBR 7190 passa por um processo de revisão que está em fase final, onde diversos desses critérios de verificação e elementos engenheirados de madeira foram incorporados, muitos citados acima. Entre eles podemos citar os critérios de dimensionamento do CLT, o método gama para avaliação de seções compostas, equações relativas à rigidez de conectores metálicos, entre outras. O aumento significativo do número de edifícios de madeira acima de 7 pavimentos ao redor do mundo indica que não se trata de obras experimentais, mas sim de uma tendência que deve ocupar uma fatia do mercado em poucos anos. Essa tendência pode ser comprovada pelo crescente número de edifícios de madeira em execução em todo o mundo, pelo envolvimento de escritórios de projetos estruturais consagrados, tais como Thornton Tomasetti, SOM, Arup, e muito outros e pelo surgimento de inúmeras novas fábricas de MLC e de CLT ao redor do mundo Muita pesquisa ainda está sendo desenvolvida para a aplicação dessas tecnologias na construção de edifícios com estrutura em madeira. A curva de evolução que se observa nos últimos 20 anos é exponencial e, se considerarmos que ainda estavam restritas a poucos centros de pesquisas, é de se esperar que muito desenvolvimento aconteça nos próximos anos para viabilizar esses edifícios altos em madeira.
REFERÊNCIAS
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Fonte: Revista Estrutura, publicação da ABECE – Associação Brasileira de Engenharia e Consultoria Estrutural.
