Comparação e Análise de Estruturas Leves de Aço para Habitação Residencial

Comparação e Análise de Estruturas Leves de Aço para Habitação Residencial

Resumo — Edifícios residenciais com estrutura de aço leve apresentam propriedades ecológicas, de economia de energia, proteção ambiental, entre outras. Nas últimas décadas, tem havido um interesse crescente no uso de estruturas de aço conformadas a frio em todos os aspectos da construção civil, e em muitos países desenvolvidos, houve avanços significativos em relação a esse tipo de construção. No entanto, em alguns países em desenvolvimento, o desenvolvimento de edifícios residenciais com estrutura de aço leve está apenas começando. Neste artigo, apresentamos algumas propriedades de edifícios residenciais com estrutura de aço leve e a situação atual da pesquisa. Com base nelas, analisamos e estudamos detalhadamente edifícios residenciais com estrutura de aço leve na América do Norte, Japão e Europa, e apresentamos algumas de suas características. Em seguida, de acordo com as condições específicas da China, o status de desenvolvimento e as propriedades dos edifícios residenciais com estrutura de aço leve, incluindo alguns conceitos de habitação tradicional e edifícios residenciais com uso intensivo de aço, são apresentadas algumas sugestões e contramedidas. Acredita-se que isso seja significativo e útil para promover a industrialização habitacional na China.

Palavras-chave- estrutura de aço leve; componente; edifício residencial; estrutura formada a frio; multicamadas baixas

I. INTRODUÇÃO

Com o desenvolvimento da indústria da construção, mudanças nos sistemas construtivos e materiais de construção tornaram-se a tendência atual no desenvolvimento de edifícios residenciais. Nos últimos anos, devido à melhoria contínua do padrão de vida da população, que passou a exigir cada vez mais moradia, estabilidade, etc., especialmente em residências baixas. Há uma necessidade urgente de pesquisa, desenvolvimento e promoção de um estilo elegante, excelente desempenho estrutural, praticidade, rapidez de construção, economia e um sistema construtivo residencial razoável para substituir a arquitetura existente.

As estruturas de aço leve são baseadas em componentes de aço econômicos como estrutura de suporte de carga, utilizando placas de pressão ou chapas como revestimento de parede leve, e parafusos de alta resistência, conectores e outros materiais de vedação como componentes de suporte de carga. Os componentes do revestimento da construção são como edifícios residenciais pré-fabricados montados no local [1]. Pode-se observar que o principal material de construção para as estruturas de aço leve é a quilha de aço galvanizado leve como principal componente estrutural. A principal vantagem do uso desse material é que ele garante boas propriedades residenciais, além de garantir que a casa construída tenha peso próprio leve, alto grau de pré-fabricação, velocidade de construção e baixa intensidade de mão de obra, entre outras vantagens [2,3]. As estruturas de aço leve, em comparação com as tradicionais, apresentam as seguintes vantagens: estrutura estável; baixo custo; vãos maiores em casas de vilas com estruturas de aço leve do que em edifícios de concreto; a resistência à corrosão do aço galvanizado é excelente, durável e a vida útil é longa. No entanto, as estruturas de aço leve na China ainda estão em fase de desenvolvimento. Ainda existem alguns problemas sérios no processo de projeto residencial que precisam de mais estudos. Para tanto, este artigo analisa e compara residências de aço leve e apresenta as características de habitações de aço leve nacionais e estrangeiras. Apresentamos também algumas sugestões razoáveis.

O artigo está organizado da seguinte forma. A Seção 2 descreve as características das habitações de aço leve no exterior. A Seção 3 descreve o desenvolvimento atual das características das habitações residenciais de aço leve e de aço na China. A conclusão é apresentada na seção final.

II. MORADIA DE AÇO LEVE NO EXTERIOR

A. Habitação de Aço Leve na América do Norte. Habitação de aço leve na América do Norte é composta por uma estrutura de madeira com características de estrutura leve. No mercado residencial norte-americano, elas representam 20% da participação [4]. A estrutura da habitação é composta principalmente por um sistema de quilha de aço em forma de C, formado a frio, e geralmente por moradias de um a dois andares, construídas durante a alta incidência de terremotos na Califórnia e em outras regiões. Algumas habitações de aço leve na América do Norte são apresentadas na Figura 1.

Na realidade, esse sistema de aço leve está muito maduro na América do Norte. Agora, eles podem construir edifícios residenciais de vários andares usando essa técnica de cinco camadas para seis camadas. Vale a pena mencionar que a parte mais ativa da pesquisa nos EUA é em estruturas de aço formadas a frio. As razões para isso são a expansão da indústria de suporte, especialmente na área de moradias familiares individuais e aumento do custo da madeira. Assim, as casas com estrutura de aço se tornam cada vez mais econômicas [5]. Pekoz [6] afirma que, nos EUA, cerca de 500 casas foram construídas em aço leve em 1992. Esse número subiu para 15.000 em 1993 e 75.000 em 1994. Um aumento adicional de cinco vezes é estimado até 2002. Os principais elementos de estrutura para essa forma de construção são montantes de parede de aço formados a frio e vigas de piso. Treliças ou caibros de telhado de aço leve também são usados. Atualmente, os Estados Unidos produziram esse sistema de quilha para cem empresas. Entre elas, a empresa famosa é a Dietrich, subsidiária da Worthington Industrial Company. Eles desenvolveram o sistema DBS para a construção de habitações de aço leve de vários andares [4]. Usando o sistema de tecnologia DBS, é possível construir estruturas residenciais de aço leve de vários andares. Suas paredes utilizam placas de gesso cartonado com canal C em ambos os lados e o piso utiliza placas de fibrocimento com espessura de 20 mm, assentadas em quilha de aço leve tipo C, preenchidas com espaçador de isolamento de lã de vidro, que reproduz o efeito sonoro. Nos Estados Unidos, as seções C formadas a frio são comumente usadas como elementos de treliça de telhado [7]. Na realidade, os primeiros formatos de terça eram canais com lábio simples e seções Zed. O canal simples evoluiu para as Multibeam Marks I, II e III, esta última com lábio composto. Uma tendência semelhante pode ser observada na evolução do Zed para os formatos Zeta e Ultrazed, conforme mostrado na Fig. 2 [6]. Os elementos formados a frio podem ser produzidos em uma ampla variedade de perfis de seção. Os componentes mais comumente usados são os canais C e as seções Z, mostrados na Fig. 3 [10]. Este aço leve na América do Norte existe em casas isoladas ou geminadas devido ao seu baixo isolamento acústico. Para resistir a cargas de vento laterais e ações sísmicas, o sistema residencial de estrutura de aço multileve dos EUA possui dois tipos de métodos: o uso de paredes de cisalhamento de aço leve ou estrutura de suporte de estrutura de aço cruzada. Paredes de cisalhamento de aço leve são geralmente dispostas em residências, utilizando chapa de aço galvanizado de 0,5 mm da Mongólia em placas de gesso, e então fixadas em montantes de parede de aço leve. Similar à formação de tensão de cisalhamento na estrutura da pele, entre cada camada há um componente especial da parede de cisalhamento para conectar os andares superior e inferior para transferir efetivamente o cisalhamento horizontal e a tensão devido à força horizontal que atua nos montantes da parede produzidos. Em zonas de terremoto, a fim de garantir a segurança estrutural, o suporte do Cabo com uma cruz é usado como uma estrutura de estrutura de aço resistente à força lateral para formar um sistema de arquitetura híbrido, onde o aço leve suporta as cargas verticais e o aço comum suporta as cargas horizontais. Para garantir o efeito de isolamento da parede, além dos montantes da parede preenchidos com fibra de vidro, uma camada de isolamento no material da parede externa é colada. O uso desse método corta efetivamente a ponte térmica entre os montantes da parede e os painéis da parede.

B. Construção residencial com chapa de aço no Japão

Como o Japão é uma zona propensa a terremotos e o aço leve tem boas características de efeitos sísmicos, o aço leve é popular localmente. De acordo com suas próprias características únicas, o Japão constrói habitações de aço leve, nomeadamente habitações de chapa de aço, como mostrado na Fig. 4 abaixo [8,9]. Esta estrutura utiliza um novo processo de construção, ou seja, utiliza uma combinação de aço galvanizado formado a frio não soldado, também conhecido como Aço 2 × 4, que é uma embarcação residencial com uma estrutura de nervura de placa. A estrutura é uma forma arquitetônica da antiga América do Norte. Os painéis de parede e o piso são construídos usando madeira com base em caixa. No entanto, em habitações de chapa de aço, o material da chapa é substituído por aço, cuja espessura é de 1,0 mm ou mais. Em dois lados, é fixada uma placa de gesso leve. Por este método, o desempenho geral da estrutura, como estabilidade, durabilidade, isolamento térmico, propriedades de isolamento acústico e etc., é alcançado.

Na realidade, este edifício com estrutura de chapa de aço é uma construção que combina os pontos fortes e as vantagens do processo de nervuras de aço e chapas. Os experimentos das empresas construtoras demonstraram que ele possui excelentes características de desempenho, como resistência sísmica, resistência ao vento e resistência à neve. Em 2003, o material de construção japonês foi substituído por quilhas finas de aço, substituindo a madeira. Visando as características arquitetônicas, os códigos de construção japoneses, as instruções especiais na construção, o sistema automático de extinção de incêndio e exaustão, e a decoração interna reduzem a transferência de calor entre as paredes.

C. Edifícios residenciais com eficiência energética na Europa

A Alemanha começou a implementar a nova especificação de energia para edifícios em 2002 [9]. Seu núcleo é a quantificação do consumo de energia. O consumo de energia de cada casa é necessário para fornecer cálculos de energia de construção às autoridades competentes como documentos necessários. Isso tem um grande impacto no desenvolvimento residencial do país e no mercado de materiais de construção. Em edifícios residenciais de economia de energia, a Suécia usa energia renovável na medida do possível, incluindo energia eólica, energia solar, geotérmica e outras fontes de energia, e integra essas tecnologias. Em suma, os países europeus se concentram mais no estudo da eficiência energética e da construção verde. Agora, os componentes de aço formados a frio podem ser montados de forma rápida e precisa em unidades estruturais completas para entrega no local. No Reino Unido, a maioria dos hotéis e motéis fora da cidade agora são construídos dessa maneira. A indústria da construção do Reino Unido atualmente usa mais de 300.000 toneladas de produtos de aço formados a frio anualmente, e essa taxa de consumo está crescendo continuamente [10].

III. CASAS DE AÇO LEVE NA CHINA

A. O estado de desenvolvimento da habitação em aço leve

Por muito tempo, a construção de moradias foi predominantemente dominada por concreto na China. Ele não é mais adequado para o tema de edifícios verdes de hoje, pois precisa de materiais grandes e longo período de construção. Como a China tem sido o maior produtor de aço do mundo desde 1996, como mostrado na Fig. 5, o governo estadual começou a incentivar o uso de aço na indústria de engenharia civil. Com a indústria de processamento de aço para construção crescendo dia a dia, a construção de estruturas de aço na China entrou em um período de desenvolvimento de alta velocidade [11]. de estrutura de concreto para edifício de aço comum e de edifício de aço comum para estrutura de aço leve. O desenvolvimento de edifícios residenciais de aço não busca tecnologia avançada e ferramentas especiais e deve se concentrar em tecnologia de habitação madura, integrada e prática como os países europeus. No processo de integração, a chave é a estrutura detalhada e a convergência mútua.

Como os componentes de aço leve são facilmente produzidos em fábricas com alto grau de mecanização, alto grau de comercialização e alta velocidade de construção no local, isso não afeta os moradores locais e a construção civil é muito favorável. O aço leve é um produto ecologicamente correto e sustentável, e seus indicadores econômicos abrangentes não são superiores aos da estrutura de concreto armado. Portanto, a leveza e o bom desempenho sísmico das construções de aço leve devem se tornar a tendência dominante na indústria da construção. Atualmente, a construção civil está passando por uma transformação.

B. As características da carcaça de aço leve

O aço leve é um conceito inicialmente novo. Com a melhoria do padrão de vida da população, ele gradualmente se integra à vida das pessoas. Em algumas grandes cidades chinesas, como Pequim, Xangai e outras, a construção residencial com estrutura de aço leve foi estabelecida com a introdução de tecnologias da América do Norte e do Japão na China. Atualmente, a maioria das habitações de aço leve na China pertence à construção de habitações leves e de baixo consumo de energia, que utiliza estrutura de estrutura de aço, paredes leves, piso leve e sistema de construção de telhado leve. Utilizando aço comum para soldagem de vigas H, pequenas seções de vigas H laminadas a quente ou aço de seção reta, e combinando fator de força lateral de parede antiperfilada, é possível construir uma estrutura multicamadas. E é consistente com nosso sistema de especificações atual e atende aos requisitos sísmicos [9]. Em 2011, a China emitiu e implementou o "Regulamento Técnico de Construção de Edifícios de Aço Formados a Frio de Baixo Nível", que combina o sistema de quilha de aço formado a frio na América do Norte e promove esse sistema de quilha. No processo de projeto utilizando aço conformado a frio em canal C e aço em formato de U, as paredes de suporte consistem em colunas, vigas guia superior e inferior, suportes, escoras, painéis de parede e outros componentes estruturais [12], conforme mostrado na Fig. 6 abaixo. Apesar das disposições das especificações relevantes, essa estrutura ainda não é muito popular. Embora a estrutura de aço leve tenha algumas vantagens, por exemplo, leveza, excelente desempenho sísmico, curto período de construção, estabilidade estrutural e outras características, ela também apresenta alguns problemas que precisam ser abordados, como alto nível de ruído e baixa refratária. Esse curto período de construção do edifício não é mais reconhecido pela população e sua segurança e confiabilidade não são verificadas.

Mas esta construção leve de aço é a tendência de desenvolvimento da arquitetura chinesa e precisa de mais pesquisadores que estudem sua segurança, confiabilidade e durabilidade. Em suma, a China está no início da construção de edifícios residenciais leves com estrutura de aço e ainda tem um longo caminho a percorrer. Comparado aos países desenvolvidos, há muitas questões, e a China ainda está muito atrasada. Ela precisa ser aprimorada e aperfeiçoada continuamente [13].

C. Recomendações e Estratégias

Como as habitações residenciais com estrutura de aço leve apresentam bom desempenho, baixo peso, alto grau de fabricação, velocidade de construção, baixa intensidade de mão de obra, etc., elas se desenvolveram gradualmente nos Estados Unidos e na Europa nas últimas três décadas, criando um conjunto de tecnologias bastante maduras. Atualmente, muitas empresas nacionais e estrangeiras desejam migrar a tecnologia residencial com estrutura de aço leve para a China, mas isso não faz sentido. Os motivos são os seguintes:

1) Não há especificação sistemática de aço leve.

Embora o "Regulamento Técnico para Estruturas de Aço Conformadas a Frio" tenha sido promulgado em 2011, dificilmente se considera a fabricação de componentes de suporte de carga de grande porte com espessura de aço igual ou inferior a 2 mm. Para sistemas de estrutura metálica de zinco com revestimento de zinco, com ampla utilização de espessuras de parede de 0,8 a 1,6 mm, no exterior, não existem análises teóricas nem dados experimentais relevantes da estrutura, o que dificulta bastante o projeto de estruturas de aço leve na China.

2) A sociedade como um todo necessita de um processo para aceitar esse novo sistema habitacional.

As pessoas ainda se sentem muito estranhas com essa estrutura e ainda têm pouca noção de sua segurança, estabilidade, conforto, etc.

3) O custo do projeto é alto.

Como a tecnologia ainda está em fase inicial, a escassez de mão de obra qualificada e a necessidade de componentes de aço leve importados do exterior estão elevando os preços dos imóveis. Para solucionar os problemas mencionados, as seguintes recomendações e estratégias:

1) Para melhorar as especificações do aço leve, a construção de diversos projetos-piloto preenche lacunas tecnológicas nesse aspecto. Grandes empresas que realizam pesquisas nessa área devem ser apoiadas.

2) Com base na construção de projetos piloto e na experiência adquirida, deve-se aproveitar a oportunidade para preparar os padrões e códigos técnicos correspondentes para casas com estrutura de aço leve.

3) Uma vez promulgada a norma técnica, o sistema tecnológico deverá ser incorporado nas escolas profissionais como conteúdo de ensino.

4) Algumas das experiências bem-sucedidas de países estrangeiros são absorvidas. Pesquisas científicas são conduzidas visando situações específicas. Os Estados devem criar políticas de apoio à pesquisa dessa técnica para que a estrutura de aço leve se popularize gradualmente. Com esse método, espera-se que mais pessoas reconheçam essa estrutura.

IV. CONCLUSÃO

Em suma, edifícios residenciais de aço de baixa luminosidade e múltiplos andares na China têm boas perspectivas de desenvolvimento, com menos materiais, menor poluição, curto período de construção e em linha com a tendência de desenvolvimento da arquitetura nacional. Tornar-se-á uma nova realidade para os edifícios residenciais na China. Com a promulgação das diretrizes e especificações técnicas para edifícios residenciais de aço, os edifícios residenciais de aço de baixa luminosidade e múltiplos andares também precisam ser desenvolvidos. Ao absorver e aprimorar a tecnologia de sistemas de estruturas de aço leve no exterior, aumentando a capacidade de produção e o desenvolvimento da tecnologia de aço, acredito que as estruturas de aço leve serão amplamente utilizadas e desenvolvidas na China.