Tema Especial sobre Ações Térmicas, Juntas de Dilatação e Detalhamento para Liberação de Movimento em Galpões de Aço

— Edifícios Longos Não Se Tratam de ‘Adicionar Mais Uma Junta’, mas de Estabelecer um Caminho Controlado de Deformação

Resumo: Este artigo concentra-se em questões de expansão e contração em armazéns de estrutura metálica longos, sob variação sazonal de temperatura, radiação solar e temperatura de fixação durante a construção. Discute o posicionamento de pontos fixos e zonas de liberação, a distinção entre movimento térmico livre e forças adicionais causadas por restrições, juntas estruturais de expansão e detalhamento dos fechamentos/sistemas prediais (MEP) nas juntas, bem como a aceitação em obra da capacidade remanescente de movimento das ligações deslizantes. Em vez de aplicar uma regra simplificada segundo a qual “uma junta deve ser prevista assim que determinado comprimento for excedido”, o artigo segue a lógica do campo térmico–restrição–caminho de deformação e propõe um método de projeto específico, passível de cálculo, execução e verificação.

1. A ação térmica é, antes de tudo, uma "questão de condição de contorno", não uma "questão de limite de comprimento"

A ação térmica no projeto de armazéns de aço é frequentemente discutida apenas após as ações de vento, neve e sismos, e por vezes é simplificada para a ideia de que 'uma junta de dilatação deve ser prevista assim que o edifício atingir determinado comprimento'. Essa abordagem pode facilmente transformar um problema de resposta estrutural num mero problema arquitetônico de detalhamento. Para armazéns, centros logísticos, edifícios produtivos e edifícios contínuos de múltiplos vãos com estrutura em pórtico, com grandes dimensões longitudinais, as questões reais não são 'a cada quantos metros é necessária uma junta', mas sim: onde a estrutura foi concebida para se deslocar ao aquecer ou esfriar; em quais locais é permitido liberar esse deslocamento; quais elementos estruturais o restringem; e se a vedação, as fundações, os equipamentos e as tubulações conseguem manter compatibilidade com a estrutura principal.

O aço se expande quando aquecido e se contrai quando resfriado. Informações técnicas emitidas pelo Centro Comum de Pesquisa (JRC) da Comissão Europeia, com base na norma EN 1991-1-5, indicam um coeficiente de expansão térmica linear para aço estrutural de aproximadamente 12 × 10⁻⁶/°C. Usando a deformação térmica livre como estimativa, uma estrutura de aço com 100 m de comprimento submetida a uma variação de temperatura global de 40 °C apresentaria um movimento livre teórico de aproximadamente 48 mm. Esse valor não significa que uma junta de 48 mm de largura deva necessariamente ser prevista, pois edifícios reais são afetados pela rigidez das bases das colunas, pelos sistemas de contraventamento, pela restrição das chapas do telhado, pelas temperaturas não uniformes dos elementos estruturais, pela temperatura inicial de construção e por outros fatores. Contudo, isso demonstra claramente que tornar todas as ligações “totalmente imóveis” não elimina a deformação térmica; apenas converte o movimento em forças internas adicionais, deformações locais ou falha do sistema de vedação.

Engenheiros frequentemente perguntam: acima de que comprimento um galpão de aço deve ser provido de uma junta de dilatação? Uma vez removidas as condições específicas do projeto da pergunta, não há uma única resposta aplicável a todos os países, climas e sistemas estruturais. O comprimento do edifício é apenas um fator. O projeto também deve considerar os limites locais de temperatura, a radiação solar, se o interior é controlado termicamente, o layout estrutural principal, a configuração das bases das colunas, a localização dos contraventamentos longitudinais, os materiais do telhado e das paredes, a continuidade dos equipamentos e serviços e a restrição da fundação. Dois galpões com 120 m de comprimento podem sofrer ações térmicas muito diferentes se um for um edifício não aquecido em uma região fria e o outro for um galpão logístico com controle de temperatura em um clima ameno.

2. Decida primeiro "onde a estrutura está destinada a se mover", depois discuta as juntas de dilatação

A EN 1991-1-5 trata as ações térmicas como uma categoria independente de ações estruturais e distingue entre o componente de temperatura uniforme, gradientes de temperatura e diferenças de temperatura entre diferentes elementos estruturais. Para edifícios do tipo armazém, os efeitos mais comuns são a elevação ou redução uniforme da temperatura que afeta toda a estrutura e as diferenças de temperatura entre o telhado, as paredes externas e os elementos internos causadas pela radiação solar. Para coberturas metálicas de cor escura, a temperatura dos elementos também é influenciada pela radiação solar e pela absortividade da superfície; portanto, a "temperatura máxima local do ar" não pode ser mecanicamente equiparada à "temperatura máxima do elemento de aço."

Galpões longos normalmente contêm várias baías ou zonas de estabilidade longitudinais. O princípio fundamental de projeto é evitar múltiplas restrições rígidas atuando simultaneamente em oposição umas às outras. Se o sistema de contraventamento longitudinal formar restrições fixas rígidas em ambas as extremidades do edifício, enquanto os elementos intermediários permanecerem continuamente conectados, a estrutura tenderá a se alongar durante o aquecimento, mas não terá uma direção clara de liberação. Assim, forças térmicas acumulam-se nas colunas, nos contraventamentos, nas bases das colunas e nas ligações. Uma abordagem mais clara consiste em estabelecer o conceito de «zona fixa – zona de liberação»: a zona fixa fornece a posição de referência longitudinal e transfere forças horizontais, enquanto a zona de liberação permite que os movimentos induzidos pela temperatura sejam progressivamente absorvidos. «Liberação» não significa uma ligação frouxa. Significa criar um caminho previsível de movimento por meio do arranjo dos contraventamentos, de detalhes deslizantes, de furos alongados, de ligações deformáveis ou de sistemas estruturais segmentados.

3. O movimento térmico livre é apenas o primeiro passo; os efeitos adicionais induzidos por restrições constituem o principal problema de projeto

O movimento térmico livre pode ser estimado preliminarmente usando ΔL = αLΔT. Essa equação é útil para compreender a ordem de grandeza do movimento, mas não deve substituir a análise estrutural. A resposta térmica real de uma estrutura de aço depende da rigidez das restrições: onde um elemento pode se expandir livremente, a resposta é predominantemente por deslocamento; onde ele está fortemente restrito, a deformação térmica converte-se em força axial; e edifícios reais normalmente situam-se em algum ponto entre essas duas condições. A norma ASCE/SEI 7-22 inclui os efeitos da temperatura, da retração e de efeitos semelhantes no âmbito do projeto para forças e efeitos autoinduzidos, e suas disposições relativas à durabilidade exigem que as variações dimensionais causadas pela variação de temperatura e por efeitos semelhantes não prejudiquem o desempenho estrutural.

O projeto baseado em ações térmicas deve, portanto, considerar simultaneamente, no mínimo, três níveis. Primeiro, a estrutura principal: linhas de colunas longitudinais, contraventamentos longitudinais, tirantes, contraventamentos horizontais do telhado e bases das colunas definem em conjunto a condição global de restrição, e os apoios e liberações no modelo analítico devem corresponder exatamente aos detalhes reais. Segundo, as ligações: se a intenção do projeto for permitir movimento, devem ser claramente definidos o sentido de deslizamento, a geometria dos furos, as dimensões das chapas ou arruelas, o comportamento dos parafusos e a posição inicial de instalação; o movimento não pode ser obtido mediante uma instrução informal, como “não apertar demais os parafusos”. Terceiro, os componentes não estruturais: painéis de parede, painéis de telhado, portas e janelas, calhas, claraboias e suportes para tubulações devem todos ser coordenados com o movimento da estrutura principal. Aprovar o cálculo estrutural não significa que os detalhes da vedação sejam automaticamente seguros.

4. A dificuldade no projeto de juntas de dilatação não reside em ‘deixar um vão’, mas em manter a funcionalidade em ambos os lados da junta

Para armazéns de estrutura portal de múltiplos vãos, nos quais é prevista uma junta estrutural de dilatação, as estruturas em ambos os lados da junta devem, em geral, constituir unidades estruturais relativamente independentes. Não basta simplesmente interromper a cobertura metálica enquanto se mantêm os perfis estruturais principais rigidamente contínuos. Inversamente, mesmo quando a análise estrutural demonstra que a estrutura principal pode ser construída sem uma junta estrutural de dilatação, ainda assim deve-se considerar a dilatação e contração térmicas do sistema de fechamento. As chapas de cobertura, as chapas de fechamento lateral, as calhas de beiral, as calhas e as claraboias são normalmente mais finas e mais sensíveis do que a estrutura principal de aço. O fato de a estrutura principal ‘passar nos cálculos’ não significa que o sistema de fechamento não sofrerá, em primeiro lugar, fissuração, flambagem, ondulação (oil-canning) ou cargas repetidas nos furos dos fixadores.

Um detalhe maduro de junta de dilatação deve atender simultaneamente aos requisitos estruturais, de impermeabilização, de isolamento térmico, de proteção contra incêndio e de uso do edifício. As juntas de dilatação em coberturas devem, sempre que possível, ser posicionadas longe de pontos baixos onde a água possa acumular. Quando isso não puder ser evitado, o sistema de impermeabilização deve ser projetado para permanecer contínuo enquanto acomoda o movimento, em vez de depender de um único cordão de selante para absorver todo o deslocamento. Coberturas metálicas podem acomodar o movimento por meio de capas de proteção independentes, bordas verticais adequadas, sobreposições deslizantes e fixação separada em ambos os lados. Os detalhes das paredes devem igualmente garantir vedação contra intempéries e continuidade visual: as chapas de revestimento nas duas extremidades da junta devem ser terminadas de forma independente, e a capa de proteção entre elas deve manter uma sobreposição com curso suficiente.

Calhas, parapeitos, claraboias e sistemas MEP que atravessam a junta também devem ser verificados cuidadosamente. Se o engenheiro estrutural separar a estrutura principal numa linha de grelha, mas uma calha contínua, parafusos autorroscantes, uma tubagem principal contra incêndios ou um leito de cabos rigidamente reconectarem os dois lados, a instalação no local terá, na prática, recriado um ponto fixo oculto.

Tabela 1. Problemas comuns do tipo «Objeto – Suposição Incorreta – Parâmetro de Controlo Correto» no projeto de ações térmicas

5. Não tratar os 'furos alongados' como uma solução universal para juntas de dilatação

Uma das medidas de otimização de site mais comuns é substituir orifícios circulares padrão por orifícios alongados quando se verifica restrição ao movimento longitudinal. Essa abordagem é válida apenas quando a lógica de transferência de forças da ligação, a direção do deslizamento e as condições de apoio estiverem claramente definidas. Primeiro, o eixo maior do orifício alongado deve estar alinhado com a direção prevista para o movimento. Segundo, deve haver coerência entre a permissão ou não de deslizamento da ligação sob carga de vento, força de frenagem ou outras ações horizontais e o sistema estrutural global. Se a ligação transferir forças horizontais críticas, simplesmente aumentar o tamanho do orifício pode alterar o caminho de carga previsto. Terceiro, chapas de cobertura ou arruelas devem cobrir efetivamente o orifício alongado e impedir a perfuração local após a instalação.

Para conexões parafusadas de alta resistência, também deve ser feita uma distinção entre conexões críticas ao deslizamento, conexões do tipo contato e conexões deslizantes especificamente projetadas para liberar movimento. Se os documentos de projeto exigirem que uma conexão não deslize sob cargas de serviço, ao mesmo tempo em que se espera que ela libere o deslocamento térmico por meio de movimento dentro do furo, as duas condições operacionais e seus respectivos mecanismos devem ser explicitamente definidos. A essência do projeto profissional não reside no uso de qualquer tipo específico de conexão, mas sim no fato de cada conexão desempenhar exclusivamente a função a ela atribuída: conexões fixas garantem posicionamento e transferência de forças, enquanto conexões deslizantes proporcionam capacidade de movimento em uma direção especificada.

6. Juntas térmicas devem ser coordenadas com fundações, lajes e sistemas de equipamentos

Uma junta de dilatação pode ser prevista na superestrutura de aço, mas se as fundações e as lajes de piso devem ser executadas com junta na mesma localização deve ser determinado conforme o sistema estrutural e a função do edifício. Se as fundações em ambos os lados estiverem efetivamente ligadas a um sistema contínuo muito rígido, enquanto a superestrutura for projetada para se movimentar relativamente, podem surgir restrições desnecessárias nas bases das colunas. Inversamente, se as fundações forem independentes, mas a superestrutura for rigidamente reconectada por elementos contínuos, a eficácia da junta será igualmente reduzida.

Os armazéns industriais exigem atenção especial aos sistemas de equipamentos. As tubulações de combate a incêndios, as bandejas de cabos, as linhas de ar comprimido, as tubulações de vapor, as linhas de transporte e os sistemas de prateleiras para armazenagem podem todos atravessar uma junta estrutural. Se o deslocamento estrutural projetado não for comunicado às disciplinas de MEP (mecânica, elétrica e hidráulica) e de equipamentos, tubulações rígidas podem trincar, suportes podem deformar-se ou trilhos de equipamentos podem ficar desalinhados durante a operação. Os serviços que atravessam uma junta devem utilizar acoplamentos flexíveis, suportes deslizantes, compensadores de expansão ou suportes independentes. A capacidade de movimento desses elementos deve abranger o deslocamento estrutural projetado exigido, além de permitir folgas de instalação.

7. A temperatura inicial de construção determina onde está localizada a "posição neutra"

A ação térmica inclui outra variável frequentemente negligenciada: a temperatura na qual a estrutura é finalmente fixada. A temperatura inicial assumida na análise não é necessariamente igual à temperatura média anual do ar. Ela está relacionada à temperatura real no momento em que os elementos são montados, as ligações são definitivamente apertadas e o sistema de cobertura é fechado. O projeto pode supor que a estrutura se encontra em uma posição neutra próxima a uma temperatura moderada, mas, se todas as ligações fixas forem finalmente travadas após um aquecimento solar prolongado durante o meio do verão, o movimento subsequente de contração durante o resfriamento pode ficar fortemente enviesado para um único lado.

Para conexões deslizantes com grande demanda de movimento, chapas longas de cobertura, calhas contínuas e grandes aberturas de portas, os documentos de construção devem considerar a especificação de se a temperatura de fixação, a posição inicial da conexão e a folga de movimento reservada devem ser registradas. Um desenho de conexão verdadeiramente executável deve indicar a direção do deslizamento, o movimento projetado, a posição central de instalação, a tolerância permitida e os requisitos finais de fixação, para que os instaladores saibam se o componente deve ser posicionado centralmente dentro da ranhura, deslocado em direção a uma das extremidades ou ajustado conforme a temperatura de instalação medida.

8. A aceitação deve verificar a "capacidade remanescente de movimento", não apenas se a conexão apresenta aparência ordenada

A aceitação dos detalhes de liberação de movimento não deve limitar-se à verificação de se os parafusos estão alinhados ou se as chapas de cobertura estão retas. Mais importante ainda, a inspeção deve confirmar que a capacidade de movimento exigida pelo projeto permanece disponível após a construção. Falhas comuns no canteiro incluem: um parafuso já encostado numa extremidade do furo alongado; uma superfície deslizante travada por soldas de fixação; parafusos das chapas de cobertura atravessando os substratos em ambos os lados da junta; selante preenchendo totalmente e travando o vão; uma calha contínua reconectando duas unidades estruturais; suportes de instalações MEP atravessando rigidamente a junta; e chapas de vedação de painéis de parede instaladas sem sobreposição deslizante suficiente. Esses detalhes podem parecer muito bem acabados, embora já tenham perdido sua função prevista de movimento.

Os registros de aceitação devem, portanto, incluir, no mínimo, a largura real da junta de expansão, a posição inicial das conexões deslizantes, o deslocamento remanescente nos furos alongados, os detalhes do fechamento através da junta, o método de compensação para tubulações e a temperatura de fixação no local. Para armazéns em serviço de longo prazo, também podem ser estabelecidos pontos de referência simples para medição em ambos os lados da junta, de modo que o movimento sazonal e a deformação anormal possam ser verificados novamente.

9. O julgamento especializado diz respeito à "gestão" da deformação térmica, não à tentativa de eliminá-la

A deformação térmica é uma resposta física fundamental do material. O que o projeto pode realmente controlar são as condições de restrição, o caminho de transferência de cargas e o movimento permitido. Para armazéns de aço, a situação mais perigosa é muitas vezes não o próprio deslocamento, mas sim o fato de que "um local que deveria se mover foi travado, enquanto um local que deveria permanecer fixo escorregou."

Um projeto profissional de ação térmica deve estabelecer uma lógica clara: primeiro definir os limites de temperatura do projeto e a faixa esperada de temperaturas dos elementos estruturais; em seguida, estimar a ordem de grandeza da deformação térmica livre; identificar, a seguir, os pontos fixos e as fontes de restrição na estrutura principal e estabelecer uma direção clara de liberação; depois, determinar se juntas de dilatação estruturais são necessárias e como a vedação, as fundações e os sistemas de equipamentos irão atravessá-las; finalmente, traduzir o deslocamento projetado em parâmetros de conexão que possam ser compreendidos durante a construção e medidos durante a aceitação. Para projetos de armazéns e edifícios industriais no exterior atendidos por Shenyang Zhongwei Heavy Industry Steel Structure Engineering Co., Ltd., clima, temperatura de construção, sistemas de vedação e condições de equipamentos variam significativamente de país para país. A ação térmica, portanto, não deve ser reduzida a uma tabela fixa com base no comprimento do edifício; deve ser tratada como uma entrada específica do projeto que exige julgamento técnico. Uma solução verdadeiramente confiável não tenta tornar a estrutura completamente "imóvel"; garante que cada milímetro de movimento tenha um destino claramente definido.

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Normas de Referência e Fontes Técnicas Selecionadas

1. EN 1991-1-5:2003, Eurocódigo 1: Ações em estruturas – Parte 1-5: Ações gerais – Ações térmicas. Utilizada para classificação das ações térmicas, componentes de temperatura e o quadro analítico para os efeitos térmicos nas estruturas; projetos específicos devem ser coordenados com o Anexo Nacional aplicável e com a edição adotada localmente.

2. ASCE/SEI 7-22, Cargas Mínimas de Projeto e Critérios Associados para Edifícios e Outras Estruturas. Seus requisitos básicos e combinações de cargas incluem forças e efeitos autoinduzidos; as disposições de habitabilidade do Apêndice C exigem que as alterações dimensionais causadas por temperatura e efeitos semelhantes não prejudiquem o desempenho estrutural.

3. ANSI/AISC 360-22, Especificação para Edifícios de Aço Estrutural. Utilizada no projeto de elementos estruturais de aço, ligações e habitabilidade, em conjunto com o quadro de ações da ASCE 7; a página atual de normas da AISC identifica a edição 360-22 como a versão vigente.

4. ANSI/AISC 303-22, Código de Prática Padrão para Edifícios e Pontes de Aço. Utilizado para requisitos de prática de engenharia relacionados a documentos de projeto estrutural, fabricação e montagem, tolerâncias e coordenação profissional.

5. AISC Design Guide 3, Considerações de Projeto para a Habitabilidade de Edifícios de Aço, 2.ª edição, 2003. Os tópicos relativos à habitabilidade abordados incluem expansão e contração e podem ser utilizados como orientação técnica complementar para o detalhamento de deformações térmicas e liberação de movimentos; sua data de publicação deve ser considerada, e a orientação deve ser coordenada com as normas vigentes.

6. Comissão Europeia – JRC, Manual 3: Efeitos das Ações sobre Edifícios, Capítulo IV «Ações Térmicas sobre Edifícios». Este capítulo, baseado na norma EN 1991-1-5, explica os campos de temperatura, os componentes de temperatura uniforme e os efeitos de restrição, além de fornecer um valor de referência de engenharia de aproximadamente 12 × 10⁻⁶/°C para o coeficiente de dilatação térmica linear do aço estrutural.