Sistemas de cobertura com estrutura de aço: projeto, carga e revestimento

Configurações de quadros estruturais primários

O sistema de telhado começa com a estrutura primária, normalmente seções de flange larga laminadas a quente ou vigas cônicas construídas. Cada uma das três tipologias dominantes impõe restrições distintas à envolvente da cobertura. Estruturas rígidas com colunas e caibros retos ou segmentados proporcionam vãos livres de até 150 pés sem colunas internas , tornando-os padrão para armazéns e hangares de aeronaves. A inclinação da viga deve equilibrar os requisitos de drenagem com a tonelagem de aço; uma inclinação de 0,25:12 é o mínimo absoluto para painéis trapezoidais fixados através de fixação, enquanto 0,5:12 é recomendado para sistemas de costura vertical para evitar poças.

Telhados com estrutura de treliça, usando vigas de alma aberta ou vigas acasteladas, permitem que dutos mecânicos e linhas de sprinklers passem pelas aberturas da alma, reduzindo a altura total do edifício em 18 a 30 polegadas em comparação com vigas de alma sólida. A desvantagem é o aumento do custo de fabricação e detalhes de conexão mais complexos nos pontos do painel. Para aplicações de vãos longos superiores a 200 pés, estruturas espaciais construídas a partir de seções estruturais tubulares ocas (HSS) distribuem cargas através de uma rede tridimensional de nós e membros, mas os ângulos de interseção variáveis ​​exigem clipes de fixação de revestimento fabricados sob medida em cada nó de corda.

Membros secundários e engenharia de terça

Terças de aço formadas a frio, normalmente seções Z ou C variando de 8 a 12 polegadas de profundidade, vão entre estruturas primárias em intervalos de 4 a 6 pés . As terças em Z são geralmente preferidas porque seu formato assimétrico permite a sobreposição nos apoios, criando uma ação de viga contínua que reduz a deflexão em até 40% em comparação com seções simplesmente suportadas . O espaçamento das terças não é arbitrário; é ditado pela extensão permitida do perfil de revestimento sob a pressão de elevação do vento especificada. Um painel de fixação exposta de calibre 24 pode exigir terças a 4 pés no centro, enquanto um painel de costura estrutural mais pesado de calibre 22 pode esticar até 5 ou 6 pés, eliminando uma linha de terça por baia.

A orientação da terça em relação à inclinação do telhado introduz um componente de flexão biaxial. O American Iron and Steel Institute (AISI S100) exige a verificação da flexão do eixo forte e do eixo fraco combinada com a torção da fixação excêntrica do diafragma do telhado. Hastes de flexão ou ângulos de flexão, instaladas perpendicularmente à alma da madre no meio do vão ou em terceiros pontos, protegem o flange de compressão contra a flambagem de torção lateral e transferem o componente de gravidade do peso do telhado para a estrutura primária.

Seleção de perfil de revestimento e métodos de fixação

O revestimento de aço do telhado é a barreira contra intempéries e o revestimento do diafragma resiste às cargas laterais. A escolha entre painéis com costura passante e com costura vertical determina a longevidade da estanqueidade do sistema.

Os sistemas fixos dependem de parafusos lavados em neoprene que são comprimidos contra a coroa do painel. As arruelas degradam-se sob radiação UV e ciclagem térmica, com vida útil de 15 a 20 anos antes de exigir substituição . Painéis de costura em pé, formados no local a partir de bobinas ou entregues como bandejas formadas na fábrica, são unidos mecanicamente com uma trava de 360 ​​graus que encapsula o clipe. A base do clipe está firmemente aparafusada à terça, mas a aba deslizante permite que o painel se expanda e contraia de forma independente. Para edifícios com mais de 200 pés de comprimento de beiral, a engenharia de ponto fixo torna-se essencial; o telhado é ancorado em uma única cumeeira ou beiral, e todos os outros clipes são do tipo deslizante, com juntas de dilatação detalhadas nas penetrações.

Ação do diafragma do telhado e caminho de carga lateral

A cobertura de aço funciona como um diafragma horizontal, transferindo forças eólicas e sísmicas das paredes finais e estruturas intermediárias para os vãos de contraventamento verticais. A capacidade do diafragma é função da profundidade do perfil do painel, da espessura do aço e do padrão de fixação. Uma plataforma de nervuras largas Tipo B de 1,5 polegadas de profundidade em calibre 22, fixada com fixadores Hilti X-HSN 24 acionados por pólvora ou parafusos autoperfurantes nº 12-24 em 6 polegadas no centro nas extremidades do painel e 12 polegadas no centro nos suportes intermediários , fornece uma capacidade de cisalhamento permitida de aproximadamente 300 a 500 libras por pé linear, dependendo das tabelas de projeto de diafragma do Steel Deck Institute.

As condições limite governam a capacidade. A estrutura perimetral paralela à direção da carga deve ter fixadores estruturais em cada nervura para desenvolver as forças da corda limite. Um fixador ausente ou mal acionado no suporte do beiral reduz a rigidez do diafragma localmente e transfere a carga para conexões adjacentes, um modo de falha em cascata que foi documentado em pesquisas de danos pós-furacão em edifícios metálicos pré-projetados.

Desempenho térmico e controle de condensação

O aço conduz o calor aproximadamente 400 vezes mais rápido que o isolamento de lã mineral , tornando a ponte térmica em terças e clipes o caminho dominante de perda de calor. Um telhado de aço com isolamento de manta de fibra de vidro R-30 colocado sobre as terças tem um valor R efetivo de apenas R-11 a R-14 quando os curtos térmicos são contabilizados, de acordo com os métodos de cálculo ASHRAE 90.1 Apêndice A. A solução é um bloco espaçador térmico, normalmente uma tira rígida de poliisocianurato de 1,5 polegadas instalada entre o flange da terça e o revestimento, combinado com isolamento de manta de alta densidade que atinge o loft completo sobre o topo da terça, em vez de ser comprimido até a espessura zero em cada linha estrutural.

O risco de condensação atinge o pico na intersecção do ponto de orvalho dentro da montagem. Um telhado de aço sem ventilação em um clima frio requer uma barreira de ar contínua e um retardador de vapor no lado quente do interior. Os consultores de ciência da construção geralmente especificam um Folha de polietileno 10 mil ou uma membrana inteligente retardadora de vapor sob as terças, vedada em todas as voltas e penetrações, para evitar que o ar interno úmido atinja a parte inferior fria da plataforma de aço. Sem esta barreira, o gelo acumula-se dentro da cavidade de isolamento, derrete durante os ciclos térmicos e pinga nas telhas do teto, muitas vezes confundido com uma fuga no telhado.

Proteção contra corrosão e compatibilidade de materiais

O ambiente de serviço determina as especificações do substrato e do revestimento. O aço galvanizado G90 (0,90 onças de zinco por pé quadrado) fornece proteção adequada para aplicações interiores e não industriais, mas as exposições costeiras ou industriais pesadas exigem Aço revestido com liga de alumínio-zinco AZ55 (Galvalume) ou fixadores de aço inoxidável . Galvalume oferece aproximadamente duas a quatro vezes a proteção de ponta dos revestimentos galvanizados porque a matriz rica em alumínio protege sacrificialmente o aço exposto nas bordas cisalhadas.

A corrosão galvânica é um mecanismo de falha evitável. Quando calhas de cobre, rufos de chumbo ou madeira tratada sob pressão com conservantes à base de cobre entram em contato com o telhado de aço, forma-se uma célula eletrolítica. O metal menos nobre, o revestimento de zinco ou alumínio, sofre corrosão preferencialmente. Uma camada de separação de membrana EPDM ou uma lâmina deslizante de polietileno de alta densidade deve isolar metais diferentes. Mesmo os fechos não estão imunes; parafusos de aço carbono em um painel de aço inoxidável enferrujam em poucos meses, enquanto o painel permanece intacto. A especificação do fixador deve corresponder ou exceder a resistência à corrosão do painel.

Teste e comissionamento durante a construção

A integridade do sistema do telhado é verificada através de uma sequência de inspeções de pontos de espera. Antes da instalação do revestimento, o alinhamento das terças é verificado com fio ou laser; um desvio superior ±1/4 polegada em 20 pés telegrafará através do painel acabado como ondulação visível. Após a fixação do revestimento, mas antes da aplicação do acabamento, é realizado um teste de rack de pulverização de água, simulando 6 polegadas de chuva por hora em toda a área do telhado, identifica vazios nas costuras e vazamentos de desvio de fixadores que são invisíveis em condições secas.

A capacidade de cisalhamento do diafragma pode ser verificada em campo usando um teste de rigidez não destrutivo. Um aríete hidráulico aplica uma carga lateral no beiral e medidores com mostrador medem a deflexão no plano. A comparação da flexibilidade medida com a rigidez de projeto identifica lacunas no padrão de fixação ou suporte insuficiente nas conexões terça-viga antes que o edifício seja submetido a um evento de vento de projeto.

Gatilhos de manutenção e indicadores de fim de serviço

Um sistema de telhado de aço requer um cronograma de inspeção documentado vinculado à degradação observável. A lista de verificação a seguir identifica o ponto de transição da manutenção de rotina para a substituição de capital:

• Juntas de fixação mostrando rachaduras circunferenciais ou compressão com profundidade superior a 0,020 polegadas.
• Juntas de costura permanentes com folgas de separação visíveis superiores a 1/16 polegada, indicando fadiga do clipe ou catraca térmica.
• Água acumulada permanecendo na superfície do telhado por mais de 48 horas após a chuva, indicando inclinação inadequada ou deflexão estrutural.
• Bolhas no revestimento ou manchas de ferrugem vermelha em mais de 3% da área total da superfície do painel, desencadeando uma análise de repintura ou substituição do painel.
• Flambagem da alma da terça ou alongamento do parafuso de conexão visível na parte inferior, exigindo avaliação imediata do escoramento estrutural.