Sistemas Construtivos em Concreto Pré-Moldado


Sistemas Construtivos em Concreto Pré-moldado

2. 1. Introdução

Cada material ou sistema construtivo tem suas próprias características, as quais de forma maior ou menor influenciam a tipologia, o comprimento do vão, a altura da edificação, os sistemas de contraventamento, etc. Isso também ocorre no caso dos sistemas construtivos em concreto pré-moldado, não apenas em comparação com as estruturas de aço, de madeira e de alvenaria, mas também em relação ao concreto moldado no local. Teoricamente, todas as juntas e ligações entre os elementos pré-moldados deveriam ser executadas de modo que a estrutura pré-moldada tivesse novamente o mesmo conceito monolítico de uma estrutura moldada no local. Todavia, esta pode se tornar uma solução mais cara e trabalhosa, onde muitas das vantagens da pré-moldagem podem ser perdidas. Para que todas as vantagens do concreto pré-moldado sejam potencializadas, a estrutura deve ser concebida de acordo com uma filosofia específica do projeto: grandes vãos, um conceito apropriado para estabilidade, detalhes simples, etc. Os projetistas devem, desde o início do projeto, considerar as possibilidades, as restrições e as vantagens do concreto pré-moldado, seu detalhamento, produção, transporte, montagem e os estados limites em serviço antes de finalizar um projeto de uma estrutura pré-moldada.

2.2. Sistemas estruturais

Considerando a industria de pré-moldados, existe aparentemente um grande número de sistemas e soluções técnicas para as construções pré-moldadas. Entretanto, todos estes fazem parte de um número limitado de sistemas estruturais básicos, onde os princípios do projeto são semelhantes. Os tipos mais comuns de sistemas estruturais de concreto pré-moldados são:

• Estruturas aporticadas, consistindo de pilares e vigas de fechamento, que são utilizadas para construções industriais, armazéns, construções comerciais, etc.

• Estruturas em esqueleto, consistindo de pilares, vigas e lajes, para edificações de alturas médias e baixas, e com um número pequeno de paredes de contraventamento para estruturas altas. As estruturas em esqueletos são utilizadas principalmente para construções de escritórios, escolas, hospitais, estacionamentos, etc.

• Estruturas em painéis estruturais, consistindo de componentes de painéis portantes verticais e de painéis de lajes, as quais são usadas extensivamente para a construção de casas e apartamentos, hotéis, escolas, etc.

• Estruturas para pisos, consistindo de vários tipos de elementos de laje montados para formar uma estrutura do piso capaz de distribuir a carga concentrada e transferir as forças horizontais para os sistemas de contraventamento. Os pisos pré-moldados são muito usados em conjunto com todos os tipos de sistemas construtivos e materiais.

• Sistemas para fachadas, consistindo de painéis maciços ou painéis sanduíche, com ou sem função estrutural. Apresentam-se em todos os tipos de formato e execuções, desde o simples fechamento até os mais requintados painéis em concreto arquitetônico para escritórios e fachadas importantes.

• Sistemas celulares, consistindo de células de concreto pré-moldado e, algumas vezes, utilizados para blocos de banheiros, cozinhas, garagens, etc. Muitos destes sistemas podem ser combinados numa mesma edificação. A seguir, serão apresentadas diretrizes gerais para escolha de sistemas estruturais.

2.2.1. Sistemas Estruturais em Esqueleto e Sistemas Aporticados

Sistemas aporticados e em esqueleto consistem de elementos lineares – vigas, pilares, de diferentes formatos e tamanhos combinados para formar o esqueleto da estrutura. Estes sistemas são apropriados para construções que precisam de alta flexibilidade na arquitetura. Isto ocorre pela possibilidade do uso de grandes vãos e para alcançar espaços abertos sem a interferência de paredes. Isto é muito importante para construções industriais, shopping centres, estacionamentos, centros esportivos e, também, para construções de escritórios grandes.
O conceito da estrutura em esqueleto oferece maior liberdade no planejamento e disposição das áreas do piso, sem obstrução de paredes portantes internas ou por um grande número de pilares internos. Pelo fato de que nas estruturas em esqueleto o sistema portante ser normalmente independente dos subsistemas complementares da edificação, como os sistemas de fechamento, sistemas hidráulicos e elétricos, etc., é fácil adaptar as edificações para mudanças no seu uso, com novas funções e inovações técnicas. O conceito de esqueleto também oferece uma grande liberdade para o arquiteto na escolha do sistema de fechamento. As elementos estruturais são bem adaptáveis para uma produção racional e processos de montagem.

2.2.2. Estruturas de painéis estruturais

Painéis pré-fabricados são utilizados para fechamentos internos e externos, para caixas de elevadores, núcleos centrais, etc. Os sistemas de painéis pré-fabricados são muito utilizados em construções residenciais, tanto para casas quanto para apartamentos. Essa solução pode ser considerada como uma forma industrializada de paredes moldadas no local, tijolos convencionais ou paredes de alvenaria. Os painéis pré-fabricados podem ser portantes ou de fechamento. A superfície dos elementos é lisa nos dois lados, e pronta para receber pintura ou papel de parede. Os sistemas de fechamento pré-fabricados oferecem as vantagens de rapidez na construção, de acabamento liso, de isolamento acústico e de resistência ao fogo. Sistemas modernos fazem parte das chamadas técnicas de construções abertas, os quais significam que a arquitetura é livre para criar o projeto de acordo com as exigências do cliente. A tendência é construir espaços abertos livres entre as paredes portantes e usar divisórias leves para definir o layout interno. Com essa técnica é possível mudar o projeto futuramente, sem maiores custos.

2.2.3. Fachadas de concreto

Fachadas pré-fabricadas são adequadas para qualquer tipo de construção. Podem ser executadas em diversas cores, além do concreto cinza, e podem ser projetadas como elementos estruturais ou somente de fechamento. As fachadas que suportam carga têm função dupla, decorativa e estrutural. Estas suportam as cargas verticais dos pavimentos e dos painéis superiores. Os sistemas de fachadas com painéis estruturais constituem uma solução econômica, uma vez que isto dispensa o uso de pilares nas bordas e as vigas para apoio de pisos. Outra vantagem dos painéis estruturais o fato de que a construção fica protegida internamente num estágio bastante inicial da obra. As fachadas arquitetônicas de concreto são geralmente empregadas em combinação com as estruturas de esqueleto, onde a estrutura interna é composta de pilares e vigas. Uma tendência moderna dos países Escandinavos é construir escritórios sem pilares internos, onde painéis alveolares protendidos para piso cobrem vãos de uma fachada para outra, acima de 16 a 18 m de comprimento. Os painéis não estruturais para fachadas possuem funções de fechamento e de acabamento. São fixados na estrutura, que pode ser de concreto pré-moldado, concreto moldado no local ou metálica.

2.2.4. Sistemas pré-moldados para pisos

Os elementos pré-moldados para pisos são um dos produtos pré-moldados mais antigos. O mercado oferece uma variedade de sistemas para piso e cobertura pré-moldados, dos quais podemos distinguir cinco tipos principais: sistemas de painéis alveolares protendidos; sistemas de painéis com nervuras protendidas (seções T ou duplo T); sistemas de painéis maciços de concreto; sistemas de lajes mistas; sistemas de laje com vigotas pré-moldadas. As vantagens principais dos sistemas pré-moldados para pavimentos são a rapidez da construção, a ausência de escoramento, a diversidade de tipos, a alta capacidade de vencer vãos e a sua economia. Os pisos pré-moldados são utilizados extensivamente para todos os tipos de construção, não somente para estruturas pré-moldadas, mas também em combinação com outros materiais, por exemplo em estruturas metálicas, de concreto moldado no local, etc. A escolha do sistema de pavimentos varia para cada tipo de construção e de país para país, dependendo do transporte, das facilidades de montagem, disponibilidade no mercado, da cultura construtiva etc.
A escolha do tipo mais apropriado dos elementos para pisos é definida por um número de fatores intervenientes: disponibilidade de mercado, disponibilidade de transporte, facilidade de montagem, custo de serviços, etc. Os critérios mais importantes são analisados a seguir:

a) capacidade portante para o vão

• Sistemas de lajes com nervuras protendidas são bastante apropriados para grandes vãos e cargas em construções industriais, armazéns, centros de distribuição, etc.;

• Sistemas de lajes alveolares protendidas são apropriadas para grandes vãos com cargas moderadas, para apartamentos, escritórios, estacionamentos etc.

• Sistemas de lajes com placas pré-moldadas são utilizadas para vãos menores com cargas moderadas, como por exemplo, residências, apartamentos, hotéis, etc.

• sistemas de lajes com vigotas pré-moldadas são principalmente utilizados para vãos e cargas menores, principalmente para residências.

b) Tipologias das faces inferiores dos elementos de laje

As faces inferiores dos elementos pré-fabricados para lajes de piso podem ser nervuradas ou planas, lisas ou rugosas para revestimento, com ou sem isolamento térmico. Os elementos com nervuras aparentes inferiores oferecem a possibilidade da embutimento de dutos e tubos entre essas nervuras. No caso das lajes alveolares protendidas, com faces planas, o uso combinado da protensão com as nervuras internas possibilita uma menor altura dos painéis. Entretanto, as juntas longitudinais aparentes entre os painéis alveolares nem sempre aceitável em construções residenciais. Sistemas de lajes com vigotas pré-moldadas necessitam de revestimento para acabamento. Finalmente, as lajes alveolares protendidas podem ter uma camada de isolamento térmico na face inferior. Essa solução é muito aplicada em regiões mais frias, onde se utiliza em residências com pisos elevados acima do solo sobre espaços abertos.

c) Peso Próprio

O peso próprio dos elementos para piso pode variar entre menos de 100 kg, como no caso das lajes com vigotas, para algumas toneladas, como no caso dos painéis em duplo T para grandes vãos. Assim, a escolha do sistema para piso depende das dimensões dos vãos no projeto e da capacidade dos equipamentos de montagem que estão disponíveis no mercado.

d) Isolamento acústico

A propriedade acústica é um critério muito importante na escolha do tipo de piso, especialmente em construções residenciais. A capacidade de isolamento de ruídos propagados no ar depende da massa dos painéis por m2. Assim, os pisos de concreto podem facilmente atender aos requisitos mínimos de desempenho para isolamento de ruídos com propagação atmosférica. Entretanto, a situação é diferente da transmissão para ruídos causados por impactos, onde geralmente medidas adicionais devem ser consideradas, por exemplo no caso de mezaninos suspensos, etc.

e) Resistência ao fogo

Normalmente, os pisos pré-moldados de concreto armado ou protendido conseguem resistir ao fogo durante 60 a 120 minutos ou mais. Assim, todos os tipos de pavimentos de concreto podem resistir até 60 minutos, sem nenhuma medida especial. Para uma proteção de incêndio acima de 90 minutos é necessário aumentar o recobrimento de concreto das armaduras.

f) Custos com mão-de-obra

Nos países onde os custos da montagem são baixos, existe uma menor necessidade de se utilizar sistemas industrializados para pisos como são os casos dos painéis em duplo T ou dos painéis alveolares, comparados com sistemas mais tradicionais e com maior utilização de mão-de-obra, como os lajes com vigotas pré-moldadas. No mesmo contexto, também a rapidez na execução pode desempenhar um papel importante.

2.2.5. Sistemas celulares

As unidades celulares são algumas vezes utilizadas para algumas partes das construções, como por exemplo para os banheiros, cozinhas, garagens, etc. Esse sistema é vantajoso pois é rápido, a fabricação é industrializada até o término, e os equipamentos celulares podem ser montados completamente na fábrica. Entretanto, estes sistemas apresentam maiores dificuldades para transporte e menor flexibilidade arquitetônica.

2.3. Aplicação dos sistemas estruturais

A aplicação dos sistemas estruturais descritos acima em sistemas construtivos pré-moldados está intimamente ligada à tipologia da edificação, a qual depende muito da sua função: residências; escritórios; comércio; indústria, etc. A seguir são apresentados os critérios utilizados para escolha do sistema mais apropriado para tipologia de edificação.

2.3.1. Residências e apartamentos

Residências e edifícios de apartamentos pré-fabricados são geralmente projetados com sistemas estruturais com painéis, onde uma parte dos painéis são estruturais e outra parte possui apenas função de fechamento. Esses sistemas são muito utilizados nos países do Norte Europeu. As fachadas são executadas com painéis sanduíches, com uma camada interna estrutural, com uma camada intermediária de isolamento entre 50 a 150 mm de espessura e com uma camada externa não portante de concreto arquitetônico.
As vantagens do sistema são a rapidez de instalação, o bom isolamento acústico e resistência ao fogo, onde a superfície pode estar preparada para receber pintura. As inconveniências estão relacionadas com uma menor flexibilidade no projeto, onde é quase impossível fazer adaptações futuras. Soluções mais racionalizadas utilizam painéis pré-fabricados só para os fechamentos externos entre apartamentos ou nas fachadas, assim como para os sistemas de lajes, cobrindo toda a largura da residência ou apartamento com vãos de até 11 m. Neste caso, as divisões internas podem ser feitas com materiais tradicionais, tais como blocos de gesso, blocos de alvenaria etc., ou com sistemas mais industrializados como as divisórias de gesso acartonado. As estruturas de painéis podem ser projetadas com tipologias em paredes cruzadas (transversais) ou com paredes de contorno. No primeiro caso, as paredes que suportam carga pré-fabricadas são apenas fornecidas na direção perpendicular para a fachada frontal, e a blindagem exterior pode ser executada em concreto pré-fabricado, ou tijolos de alvenaria tradicionais, ou qualquer outro material da fachada. No segundo, as paredes pré-fabricadas só constituem o contorno total da construção, mais conhecidos como paredes para fachada frontal de apartamentos. Os sistemas de lajes para pisos normalmente se estendem na direção dos maiores vãos. Para os sistemas integrais de paredes, as lajes podem ser posicionadas em ambas as direções, mas a solução ideal é ter todos os elementos de laje em uma direção paralela.
Os seguintes tipos de elementos de piso são utilizados. Em residências, os critérios de projeto são empregar vãos pequenos a moderados (4 a 11m), com sobrecarga leve (± 2 kN/m2), com sistemas de lajes com as faces inferiores planas e lisas, com elementos já acabados ou com revestimento, e resistência ao fogo de aproximadamente 60 min. Juntas longitudinais aparentes não são muito aceitas. Contudo, há técnicas de preenchimento das juntas, onde se consegue uma superfície final lisa. Outros critérios para a escolha dos tipos de sistemas para pisos são as séries de casas no mesmo contrato, o qual pode variar entre 1 até mais de 100 casas, o equipamento de montagem disponível, a presença de grandes aberturas nos pisos, tradição construtiva, etc. A solução mais simples para pisos é utilizar as lajes com vigotas pré-moldadas. Os elementos são leves e fáceis de serem montados, a superfície inferior da laje é áspera e necessita de reboco. O escoramento durante a execução depende do tipo da vigota. Qualquer layout para o pavimento pode ser conseguido, onde a modulação não é sempre necessária, mas desejável. Esse tipo de piso é bastante empregado no Brasil e em outros países onde o custo da mão-de-obra é baixo na construção civil. Pequenos elementos de lajes alveolares em concreto armado ou protendido são provavelmente os sistemas de piso mais utilizados para residências na Europa. Essa solução é mais industrializada que as lajes com vigota e pode ser montada com equipamentos leves, sendo freqüentemente utilizado um caminhão com guindaste com braço mecânico. O layout do pavimento deve ser, preferencialmente, retangular e também há a necessidade de reboco. Não são necessários escoramentos intermediários durante a construção. As placas grandes para pisos em concreto armado só são empregadas para importantes séries de casas porque é necessário o uso de equipamentos de suspensão de maior capacidade. As placas precisam de apoio temporário para o preenchimento no local de uma camada de concreto. a superfície inferior da laje é lisa, e o layout do pavimento não precisa ser totalmente retangular. Aberturas para tubulações, escadas, etc. podem ser planejados em qualquer local. Os elementos do laje alveolar protendida de 1.20 m de largura são apenas empregados para casas em países industrializados, com uma grande tradição em pré-fabricados. As vantagens estão na montagem seca e rápida, mas também na capacidade de vencer maiores vãos. Nos países do Norte Europeu, a presença da juntas longitudinais na superfície inferior da laje não significa problema algum. A superfície é sempre acabada com uma pintura granular (texturizada). Em edifícios de apartamentos o volume do empreendimento é geralmente grande o suficiente para instalar uma grua (guindaste alto), e a tipo de piso escolhido será normalmente maior e mais pesado do que no caso de residências. O nível da carga é moderado. Além disso, a esbeltez do piso, o tipo da superfície inferior do elemento de laje e a rapidez da montagem são fatores com um papel importante na escolha do sistema de piso. No caso de edifícios de apartamentos, os sistemas mais apropriados serão as lajes alveolares protendidas e as estruturas mistas para pisos com painéis de concreto.

2.3.2 Edifícios para Escritórios

Normalmente, os modernos edifícios para escritórios requerem alto grau de flexibilidade e adaptabilidade, onde o espaço interior deve ser livre. Geralmente, os edifícios de escritório são concebidos como sistemas de estruturas com núcleos de contraventamento. As fachadas podem ser executadas em qualquer material. As fachadas pré-fabricadas em concreto arquitetônico podem ou não ser portadores de carga. No caso das paredes estruturais, a solução mais clássica é o uso de painéis sanduíche na fachada, enquanto no caso das paredes só para fechamento, emprega-se mais os painéis maciços de concreto.
A tendência atual para edifícios de escritórios é criar grandes espaços internos com os vãos dos pisos de até 18 a 20 m. Quando a largura total do edifício se encontra dentro dessas dimensões, a solução mais apropriada é utilizar paredes estruturais nas fachadas, onde os elementos de piso estão apoiados diretamente nos elementos de fachada. Para pavimentos muito largos, o mesmo sistema é completado por uma ou mais linhas de vigas e pilares internos. Os núcleos de contraventamento são executados com painéis pré-moldados. As lajes alveolares protendidas compõe o sistema para piso mais apropriado para edifícios de escritório, devido à sua grande capacidade de alcançar grandes vãos e por permitir pisos com menores espessuras nos pavimentos. É uma prática comum empregar um elemento de laje alveolar com 400 mm de espessura para um vão de 17 m para uma sobrecarga de 5 kN/m2. Elementos de laje com 500 mm de espessura permitem vãos de 21 m para a mesma sobrecarga, mas esse tipo de elemento ainda não está disponível no mercado em qualquer lugar. A redução da altura da construção é na verdade um parâmetro muito importante para edifícios de escritórios, especialmente em áreas urbanas. Para vãos menores, com até 6 m, sistemas mistos com elementos de placa também são empregados. Todavia, eles precisam de escoramento durante a fase da construção.

2.3.3. Hotéis e hospitais

As edificações para hotéis e hospitais possuem, geralmente, grandes dimensões em planta, podendo ter vários pavimentos. Por esta razão, permite-se a utilização de sistemas mais industrializados como sistemas estruturais com traves planas e sistemas estruturais em paredes portantes. Os vãos para os pisos são grandes e a sobrecarga é da ordem de 5 kN/m2. Neste caso, é indicado o uso de laje alveolar ou elementos de laje com nervuras. Os sistemas de fechamento para as fachadas são análogos aos utilizados nos edifícios para escritórios.

2.3.4. Prédios escolares

As construções escolares são caracterizadas com larguras para vãos que variam de moderada para grande, que variam entre ± 8/12 m para escolas para mais de 24 m para auditórios em universidades, onde a sobrecarga é de 3 a 4 kN/m2. As construções escolares são executadas tanto com estrutura em esqueleto quanto em sistemas em parede estrutural. As universidades são geralmente construídas com estrutura em esqueleto. As fachadas são caracterizadas por suas grandes aberturas para janelas, sem que os painéis podem ser ou não ser estruturais. Nos sistemas para pisos são empregados elementos em concreto protendido, como as lajes alveolares e os painéis em duplo T. Esse últimos são indicados para vãos maiores. Os pisos para auditórios em universidades podem ser projetados com degraus (tipo arquibancada). Para apoio deste tipo de piso, existem soluções apropriadas em concreto pré-moldado, como por exemplo as vigas inclinadas com degraus na parte superior (também conhecida como “viga-jacaré”).

2.3.5. Edifícios industriais e armazéns (galpões de uso múltiplo)

Normalmente, as construções industriais requerem vãos maiores e soluções simples para coberturas e fachadas. As construções são normalmente projetadas com sistemas com traves aporticadas, onde a estabilidade é conseguida pelo engastamento dos pilares nas fundações. Pisos intermediários (mezaninos) podem aparecer em toda a construção ou em partes da mesma. Neste caso, os vãos variam entre 8/12 m e 15 m ou mais, onde a sobrecarga varia entre 5 kN/m2 até 1.5/2 kN/m2. Para a combinação para os maiores vãos e sobrecargas, os elementos de painéis nervurados protendidos em dublo T são a única solução. Para outros casos, também utiliza-se elementos de laje alveolar protendida. Os sistemas para cobertura podem ser em concreto, concreto celular ou materiais leves como telhas corrugadas de cimento com fibras ou metálicas. A escolha para o tipo de cobertura depende basicamente das condições climáticas. Em regiões frias, predominam os painéis nervurados de concreto, principalmente devido à sobrecarga de neve, mas também por requisitos de durabilidade. Por outro lado, em países quentes a cobertura de concreto é mais interessante do que a metálica devido à sua capacidade térmica. Uma solução alternativa para o sistema de trave aporticada consiste em empregar um elemento de laje nervurada em duplo T com mesa em duplo caimento para telhado duas águas, sendo que este elemento apoiado diretamente em painéis estruturais na fachada. Essa solução oferece grandes espaços internos abertos, com vãos de até 32 m, com comprimento modulado em 2,4 m. O pé direito pode alcançar até 8 m. Os pisos intermediários podem ser utilizados em partes ou em toda a planta da construção. Os painéis nervurados protendidos em duplo T são caracterizados por sua leveza e por vencerem grandes vãos.

2.3.6. Edifícios comerciais

Em geral, as construções comerciais também requerem grandes áreas livres de pilares. Este tipo de construção emprega, normalmente, os sistemas estruturais aporticados. 2.3.7. Estacionamentos Em edificações para estacionamentos, os requisitos de projeto são grandes vãos abertos com poucos pilares internos, redução da altura da construção total, estética, etc. Este tipo de construção emprega geralmente sistemas de estrutura em esqueleto. Existem soluções alternativas, como no caso do estacionamento dividido em níveis, com rampas retas entre os pisos intermediários, que constituem a área de estacionamento. A estabilidade global é assegurada pela ação em balanço dos pilares engastados na base em conjunto com a ação enrigecedora dos núcleos de contraventamento formado pelas caixas de escada e elevadores. Os vãos para os sistemas de pisos variam entre 12 a 16 m, onde são utilizadas lajes alveolares e painéis em duplo T. As fachadas podem ser de qualquer material, como por exemplo com elementos pré-moldados formando arcos arquitetônicos.

2.3.8. Complexos esportivos

Existem diferentes tipologias para complexos esportivos, cada uma com suas próprias exigências de projeto. As seguintes soluções em concreto pré-moldado são empregadas em complexos esportivos:

• Saguões grandes são projetados com estruturas com traves aporticadas. A largura máxima destas traves é de aproximadamente 40 m.

• Arenas e arquibancadas são normalmente compostas por sistemas em esqueleto combinadas com paredes estruturais. Os sistemas de pisos são compostos por elementos protendidos de laje alveolar ou em duplo T. As coberturas em balanço para arquibancadas podem ser compostos por vigas protendidas, fixadas no topo dos pilares por meio de chumbadores especiais parafusados (chumbadores rosqueados protendidos tipo Dywidag ou similares). As vigas para as arquibancadas possuem dentes sobre o seu topo para apoiar os elementos de piso. Os elementos de piso são geralmente projetados em elementos da laje alveolar com espessura reduzida.
Há exemplos para pista de esqui no gelo, em que a laje da fundação da pista é feita com elementos de laje alveolar na fundação das vigas.