Painéis sanduíche com lâminas em GFRP Estudo mecânico e da … · longo do projeto de investigação e também por me transmitirem algumas informações sobre arquitetura de edifícios

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



3.4.3 Registo de resultados .................................................................................................... 51


3.4.4.1 Tenso de compresso mxima ................................................................................ 53


3.4.4.3 Mdulo de elasticidade ............................................................................................. 55



3.4.6.1 Modos de rotura e tenso de compresso mxima .................................................. 56


3.5 Ensaios de compresso no plano .......................................................................................... 58





3.5.4.1 Tenso de compresso mxima das lminas ............................................................ 61


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




3.6.4 Esforos mximos .......................................................................................................... 68


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


x


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





3.7.4.1 Tenso de contato mxima ....................................................................................... 77

3.7.4.2 Rigidez ....................................................................................................................... 78




3.7.7 Relao fora-deslocamento ......................................................................................... 80

3.8 Ensaios de fluncia ................................................................................................................ 80




3.8.4 Clculo do coeficiente de fluncia ................................................................................. 82


3.9 Ensaios de flexo de solues de pavimento incorporando painis sanduche ................... 84

3.9.1 Objetivo e mtodo......................................................................................................... 84



3.9.4 Esforos mximos .......................................................................................................... 86



3.9.5.2 Relao fora-deslocamento ..................................................................................... 88

3.10 Ensaios de impacto ................................................................................................................ 90

3.10.1 Objetivo e mtodo......................................................................................................... 90

xi




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


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


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


Figura 3.16 Diagramas fora-deslocamento dos painis com ncleo em FMPP para o ensaio de


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


Figura 3.26 Diagramas fora-deslocamento dos painis com ncleo em FMPP para o ensaio de


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


Figura 3.31 Diagramas fora-deslocamento a meio vo dos painis com ncleo em FMPP para o


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.

4

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.

6

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;

7

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

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Painéis sanduíche com lâminas em GFRP Estudo mecânico e da … · longo do projeto de investigação e também por me transmitirem algumas informações sobre arquitetura de edifícios