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TIPOLOGIAS ESTRUTURAIS E MODELAÇÃO NUMÉRICA DE PARE DES DE TABIQUE DA REGIÃO VINHATEIRA DO ALTO DOURO

R. CARDOSO A. PAIVA Ph.D Eng. Civil Prof. Associada C-Made, UBI C-Made, UBI 6201-001Covilhã; Portugal Escola de Ciências e Tecnologias, UTAD [email protected] 5001-801 Vila Real; Portugal [email protected]

J. C. LANZINHA J. PINTO Prof. Auxiliar Prof. Auxiliar C-Made, UBI C-Made, UBI Departamento de Engenharia Civil Escola de Ciências e Tecnologias, UTAD e Arquitectura, UBI 5001-801 Vila Real; Portugal 6201-001Covilhã; Portugal [email protected] [email protected]

RESUMO O tabique é uma das técnicas construtivas tradicionais portuguesas que recorre à aplicação da terra como material de construção. De forma simplificada e generalista, um elemento construtivo de tabique, tal como uma parede, é constituído por uma estrutura de madeira formada por tábuas verticais ligadas entre si por um fasquio (ripas horizontais) através de pregos. Este sistema estrutural é revestido em ambas as faces por terra simples ou por uma argamassa bastarda à base de terra. Esta argamassa terrosa tem um papel importante, dado que protege a estrutura de madeira e simultaneamente tem uma função de revestimento. A região vinhateira do Alto Douro, património mundial da UNESCO desde Dezembro de 2001, apresenta um importante espólio de construções de tabique. Contudo a investigação já realizada permite concluir que as construções de tabique existentes nesta região apresentam um estado de degradação avançado. Este cenário construtivo aliado à escassez de estudos científicos desenvolvidos neste contexto motivou a realização deste trabalho de investigação cujos objetivos principais consistem na identificação e na caracterização de tipologias estruturais de paredes de tabique constituintes de edifícios de tabique localizados no concelho de Lamego, no desenvolvimento e apresentação de modelos numéricos de paredes de tabique e ainda na modelação numérica do comportamento estrutural destes elementos estruturais com vista a avaliar a importância estrutural das ripas de madeira. Deste modo, com este trabalho de investigação pretende-se dar um contributo no sentido de incentivar a conservação e reabilitação deste tipo de edifícios tendo em vista preservar este património construído. Palavras-chave: Região vinhateira do Alto Douro, tabique, técnicas construtivas tradicionais, materiais naturais, modelação numérica.

R. Cardoso, A. Paiva, J. C. Lanzinha, J. Pinto, Tipologias estruturais e modelação numérica de paredes de tabique da região vinhateira do Alto Douro

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1. INTRODUÇÃO O tabique é uma das técnicas construtivas tradicionais portuguesas [1]. Na região vinhateira do Alto Douro, incluída na região de Trás-os-Montes e Alto Douro, ambas localizadas no Norte de Portugal, esta técnica construtiva foi muito utilizada até meados do século XX, antes da introdução massiva do betão armado e do tijolo cerâmico. Hoje em dia uma atenção especial deve ser dada à paisagem e à arquitectura vernacular da região vinhateira do Alto Douro, dado ter sido classificada como património da humanidade pela Unesco em 2001, [2]. Os trabalhos científicos realizados por Pinto et al. [1, 3], nestas regiões indicam que a maioria das construções de tabique são edifícios isolados com dois pisos, com paredes exteriores de alvenaria no rés-do-chão e de tabique no 1º andar. As paredes interiores são geralmente em tabique em qualquer piso. Estas construções apresentam um avançado estado de degradação com tendência para o colapso. Neste artigo, baseado num extenso trabalho de campo realizado por Cardoso [4], sobre construções de tabique situadas na região vinhateira do Alto Douro, descreve-se a diversidade de soluções estruturais de paredes de tabique, apresentam-se modelos numéricos de paredes de tabique e finalmente, estuda-se a importância das ripas de madeira no comportamento mecânico de paredes de tabique aplicando a modelação numérica. 2. SISTEMA ESTRUTRAL DE MADEIRA DAS PAREDES DE TABI QUE As paredes exteriores e interiores são os principais elementos de tabique incorporados nos edifícios de tabique e podem ter uma função relevante na estabilidade global dos edifícios, [4, 5]. Uma parede de tabique é constituída por uma estrutura de madeira constituída por tábuas verticais ligadas entre si por ripas horizontais através de pregos metálicos. Esta estrutura é em seguida preenchida e revestida por uma argamassa terrosa. De acordo com Pinto et al. [1] e Cardoso [4] os elementos de madeira são frequentemente executados em Pinus pinaster, as argamassas de enchimento e revestimento são terrosas e os pregos de ligação dos elementos de madeira são em aço. O trabalho de campo, baseado na recolha de informação e visitas técnicas, realizado por Cardoso [4] no município de Lamego, na região vinhateira do Alto Douro, evidenciou que as soluções estruturais de madeira das paredes de tabique apresentam tipologias diversas para as paredes exteriores e paredes interiores. Esta diversidade de tipologias deve-se a variações na orientação e dimensão dos elementos de madeira, na quantidade de terra aplicada e no processo de produção dos elementos de madeira. Estas tipologias serão caracterizadas na secção seguinte. 3. DESCRIÇÃO DAS TIPOLOGIAS DA ESTRUTURA DE MADEIRA 3.1 Paredes exteriores Durante o trabalho de campo acima referido, observaram-se três tipologias distintas de paredes exteriores de tabique, que foram designadas por tipologias A, B e C. A tipologia B foi ainda subdividida em B1 e B2. Nas fotos da Figura 2 são apresentadas as diferentes tipologias.

a) Tipologia A b) Tipologia B1 e B2 c) Tipologia C

Figura 2 – Tipologias de estruturas de madeira

A tipologia A, Figura 2-a), é constituída por prumos verticais e inclinados (a aproximadamente 45º) e ripas colocadas na direcção horizontal em ambas as faces dos prumos, ligadas por pregos de aço. O aspecto destes elementos e a expressiva variabilidade das suas dimensões, [4], sugere que foram obtidos por um processo manual de corte. O prumo inclinado é uma peça que intersecta e corta os prumos verticais. Todos os prumos estão no mesmo plano ligados por pregos ao frechal superior e inferior. O prumo inclinado funciona como contraventamento do plano da estrutura e

R. Cardoso, A. Paiva, J. C. Lanzinha, J. Tiago, Tipologias estruturais e modelação numérica de paredes de tabique da região vinhateira do Alto Douro

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permite que a parede de tabique possa resistir a forças horizontais atuantes no plano da estrutura da parede. Uma estará comprimida e a outra tracionada. Na Figura 3 são apresentados pormenores construtivos desta tipologia.

Frechal superior

Frechal inferior

Frechal inferior

Frechal superior

Ripas

Prumo

Prumos

Ripas

Prumo inclinado

Prumo inclinado

Figura 3 – Pormenores construtivos da tipologia A

A tipologia B, apresentada na Figura 2-b), foi dividida em duas subtipologias B1 e B2 uma vez que o trabalho de campo revelou que os elementos verticais de madeira presentes podem ser tábuas (subtipologia B1) ou prumos (subtipologia B2). Comparando estas subtipologias com a tipologia A verifica-se que não existem elementos inclinados. Para além disso os elementos presentes na subtipologia B1 parecem ter sido obtidos através de um processo de corte mecânico devido à uniformidade das dimensões e ao aspecto bem definido das arestas. Em contraste os elementos de madeira da subtipologia B2 apresentam grandes variações dimensionais e o processo de corte parece ser manual. Na Figura 4 apresentam-se pormenores construtivos destas duas subtipologias.

Frechal superior

Frechal superior

Ripas

Frechal inferiorTábua

Frechal inferior

Prumo

Ripas

Tipologia B1 Tipologia B2

Figura 4 – Pormenores construtivos da tipologia B

A tipologia C, representada na Figura 2-c), é caracterizada por uma sequência de subestruturas, nas quais as dimensões e a orientação dos elementos de madeira variam substancialmente. Cada subestrutura tem as suas próprias propriedades e pode ser vista como uma combinação das tipologias A e B. Um novo elementos é utilizado nesta configuração, o travessanho, um elemento horizontal com as mesmas dimensões dos prumos, que intersecta e corta os prumos verticais (subestrutura C na Figura 5). Nesta tipologia também se podem encontrar prumos inclinados. Na Figura 5 é apresentado um pormenor construtivo desta tipologia.


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Prumo

Prumo

Prumo

Ripas

Subestrutura A

Subestrutura B

Subestrutura C

Subestrutura D

Frechal inferior

Travessanho

Frechal superior

Prumo

inclinado

Figura 5 – Pormenor construtivo da tipologia C

3.2 Paredes interiores Relativamente à solução estrutural das paredes interiores, foram observadas durante o trabalho de campo duas tipologias principais, designadas por tipologia A e tipologia B, que se ilustram na Figura 6.

a) Tipologia A b) Tipologia B

Figura 6 – Tipologias de paredes interiores

A tipologia A é constituída por tábuas verticais e ripas horizontais que apresentam dimensões aproximadamente uniformes e arestas bem definidas sugerindo que foram obtidas através de um processo mecânico de corte, [6]. Por sua vez, a tipologia B é constituída por prumos verticais e ripas horizontais que apresentam variado leque de dimensões e configurações e que poderão por isso ter sido obtidos através de um processo de corte manual. A quantidade de terra presente nesta tipologia é superior à da tipologia A. Estas duas tipologias são semelhantes à tipologia B definida para paredes exteriores de tabique. Pormenores construtivos das tipologias A e B são apresentados na Figura 7.

Ripas

Tábua vertical

Pavimento

Ripas

Prumo

Tecto

Tecto

Pavimento

Tipologia A

Tipologia B

Figura 7 – Pormenores construtivos das tipologias A e B


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4. MODELAÇÃO NUMÉRICA De forma a analisar o comportamento mecânico e as deformações de paredes de tabique sujeitas a cargas verticais, definiu-se uma parede de tabique a estudar e desenvolveram-se três modelos numéricos para simular essa parede com o auxílio do programa de elementos finitos SAP2000 [7], com os quais se realizaram análises numéricas. 4.1 Parede de tabique estudada A parede de tabique estudada, apresentada na Figura 8, tem uma altura total de 2.65 metros e um comprimento de 5.19 metros e é constituída por 18 tábuas verticais com uma secção transversal de 18 x 6 cm2, um comprimento de 2.65 metros e um afastamento horizontal de 11 cm (29 cm quando medido em relação aos respetivos eixos longitudinais). Os frechais superior e inferior têm um comprimento de 5.19 metros e uma secção transversal retangular de 8 x 5 cm2. Existem 36 ripas em cada face da parede com uma secção transversal de 3 x 1 cm2. A escolha das dimensões desta parede baseou-se nas dimensões observadas durante o trabalho de campo, realizado na região vinhateira do Alto Douro, [4, 6]. Esta parede foi também dimensionada de acordo com as especificidades da subtipologia B1das paredes exteriores de tabique, definida na secção anterior e que correspondem a uma das situações mais correntes na região vinhateira do Alto Douro.

5.19 m

2.6

5 m

Figura 8 – Parede de tabique estudada

4.2 Modelos numéricos No que diz respeito à definição de modelos numéricos para a representação da parede de tabique e tendo em conta que não era fácil de entender a real importância das ripas de madeira presentes nestas paredes e de como a conexão entre as ripas e as tábuas de madeira iria influenciar os resultados numéricos, desenvolveram-se três modelos numéricos de complexidade crescente. Estes modelos numéricos, designados por modelos numéricos A, B e C apresentam globalmente a mesma configuração, e estão de acordo com a parede de tabique estudada e descrita na subseção anterior, sendo por isso constituídos por 18 tábuas verticais, um frechal superior e outro inferior. Considera-se que as tábuas verticais de madeira estão articuladas nas suas extremidades, ao nível da ligação com os frechais superior e inferior modelando desta forma a conexão com pregos de aço existente. Para cada um dos modelos numéricos os nós do frechal inferior têm os deslocamentos restringidos nas direcções Y e Z e os nós de extremidade dos frechais superior e inferior têm os seus deslocamentos restringidos nas direcções X, Y e Z. O modelo numérico B apresenta adicionalmente 36 ripas de madeira e o modelo numérico C apresenta 72 ripas de madeira e 1296 pregos. Todos os elementos, tábuas, ripas e pregos foram modelados através do elemento Frame da biblioteca do SAP2000. Este elemento é linear e têm seis graus de liberdade por nó. A distância horizontal entre os eixos longitudinais das tábuas é de 29 cm, cada tábua é constituída por 37 elementos Frame, os frechais são constituídos por 19 elementos Frame e têm uma rigidez à flexão e ao corte infinitas (modelando assim a ação dos diafragmas rígidos dos pavimentos). A distância vertical entre os eixos longitudinais das ripas é de 7 cm. As propriedades mecânicas dos elementos de madeira correspondem às definidas no Eurocódigo 5 para a classe de resistência C18 [8]. Considerou-se um módulo de elasticidade de 206 000 N/mm2 para os pregos de aço. O modelo numérico A é apresentado na Figura 9, neste modelo definem-se os frechais superior e inferior e as tábuas verticais de madeira. Como já referido, as ripas não foram consideradas neste modelo numérico.


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yz

x

32 11

ElementoFrame

Rótula

4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 18 19 20

21 40

1

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

Tábuavertical

Frechal

Frechal

superior

inferior

Figura 9 – Modelo numérico A

O modelo numérico A tem 704 elementos Frame e 760 nós. Também se apresenta nesta figura a numeração dos nós de extremidade das tábuas de madeira e frechais superior e inferior. O modelo numérico B, baseado no modelo numérico A, é apresentado na Figura 10, aonde adicionalmente se introduzem 36 ripas de madeira, constituída cada uma por 19 elementos Frame, rigidamente ligadas ao nível da interseção com o eixo longitudinal das tábuas verticais.

yz

x

32 11

ElementoFrame

Rótula

4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 18 19 201

Tábua

Ripa

Nórígido

21 4022 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

Tábuavertical

FrechalRipa

Figura 10 – Modelo numérico B

Uma vez que este tipo de modelação não permite considerar as ripas aplicadas nas duas faces da parede de tabique, na modelação numérica a espessura das ripas foi duplicada. Este modelo numérico apresenta um total de 1388 elementos Frame e 760 nós. O modelo numérico C, apresentado na Figura 11, é similar ao modelo numérico B, no entanto a conexão entre as ripas de madeira e as tábuas verticais é materializada através da introdução de elementos que simulam a existência dos pregos de aço.

yz

x

32 11

Elemento

Frame

Rótula

4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 18 19 201

Tábua

Ripa

Prego

Prego

21 4022 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

Frechal

Tábuavertical

Ripa

Figura 11- Modelo numérico C

O modelo numérico C é constituído por 3368 elementos Frame e por 2128 nós, existem 72 ripas e 1296 pregos. A secção transversal considerada para os pregos é de 3 x 3 mm2. Neste modelo, em vez de se considerar uma ligação rígida entre as ripas e as tábuas (como definido no modelo numérico B) um elemento Frame perpendicular ao plano da parede é introduzido para modelar cada um dos pregos de aço. A conexão entre o prego e a ripa é rotulada e a conexão entre o prego e a tábua é rígida, desta forma as ripas podem rodar livremente na ligação com os pregos.


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4.3 Resultados Com vista a avaliar o comportamento mecânico da parede de tabique quando submetida a cargas verticais, procedeu-se a determinação da carga crítica correspondente a duas ações verticais distintas para cada um dos modelos numéricos previamente definidos. A primeira ação vertical corresponde a uma carga vertical uniformemente distribuída no frechal superior e a segunda corresponde a uma carga vertical pontual aplicada no nó 30 do frechal superior, ambas aplicadas portanto na direcção Z. Estas ações refletem a ação dos pavimentos e o peso próprio das paredes sobrejacentes e o apoio de vigas, respectivamente. As análises numéricas foram realizadas considerando um comportamento linear elástico dos materiais. Na Figura 13 apresenta-se a configuração deformada do modelo numérico A correspondente ao primeiro modo de encurvadura de cada uma das ações verticais.

a) Carga vertical uniformemente distribuída b) Carga vertical pontual

Figura 13 – Deformação da parede de tabique – modelo numérico A Como se pode observar nas Figura 13-a) e 13-b), a carga uniformemente distribuída tem por efeito deformar totalmente a parede de tabique enquanto a carga pontual apenas deforma a tábua vertical correspondente. Nas Figuras 14-a) e 14-b), apresenta-se, para as mesmas ações, a configuração deformada do modelo numérico B.

a) Carga vertical uniformemente distribuída b) Carga vertical pontual Figura 14 – Deformação da parede de tabique - modelo numérico B

Comparando com o modelo numérico anterior, observa-se que neste modelo a configuração deformada é contínua ao longo da parede de tabique, quer a carga seja uniformemente distribuída ou pontual. Pensa-se que esta configuração se aproxima mais da realidade, sugerindo que a presença de ripas é importante e necessária para obter uma deformação precisa da parede de tabique. A deformação da parede de tabique correspondente ao modelo numérico C é apresentada nas Figuras 15-a) e 15-b).

a) Carga vertical uniformemente distribuída b) Carga vertical pontual

Figura 15 – Deformação da parede de tabique - modelo numérico C


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Também neste modelo numérico e à semelhança do resultado obtido com o modelo numérico anterior, a deformação da parede é sempre contínua, sugerindo portanto que estes modelos permitem uma melhor representação da realidade e que a modelação das ripas de madeira é muito relevante para a obtenção de configurações deformadas mais rigorosas. Relativamente ao valor da primeira carga crítica, correspondente à ação de uma carga uniformemente distribuída, verifica-se que o resultado obtido é igual nos três modelos numéricos, tomando o valor de -99.57 kN/m, este resultado sugere que para este tipo de ação vertical a introdução de ripas no modelo não modifica a resistência da parede de tabique. Pelo contrário, quando a ação corresponde a uma carga pontual, o valor da primeira carga crítica varia consoante o modelo numérico considerado, sendo igual a -30.18 kN no modelo numérico A, igual a -94.24 kN no modelo numérico B e igual a -67.58 kN no modelo numérico C. 5. CONCLUSÕES Os resultados obtidos na modelação numérica indiciam que as ripas de madeira têm uma influência significativa na configuração da deformada das paredes de tabique principalmente quando a ação vertical é uma força pontual. Por outro lado e em consequência do exposto a avaliação da resistência à encurvadura das paredes de tabique sofre variações significativas. De facto, quando as ripas não são consideradas no modelo numérico a carga crítica corresponde à encurvadura de uma só tábua de madeira, enquanto que a introdução das ripas de madeira mobiliza aproximadamente 4 tábuas verticais, aumentando assim a resistência da parede à encurvadura. O tipo de modelação da conexão entre ripas e tábuas parece também ser importante na avaliação da resistência e na configuração da deformada das paredes de tabique. De facto, as diferenças dos valores obtidos nos modelos numéricos B e C devem-se ao facto de a rigidez da conexão (ripas ligadas rigidamente às tábuas) e portanto da estrutura do modelo numérico B ser superior à do modelo numérico C (pregos rotulados nas ripas de madeira), este argumento parece confirmado pela existência de uma deformação mais suave e homogénea no modelo numérico C. É importante salientar que se considerou que o material de enchimento não influência os resultados das análises numéricas quando a ação é puramente vertical. Para validar os resultados obtidos nas análises numéricas é necessário proceder a trabalho experimental, uma vez que o enchimento, as ligações e o ripado poderão ter um papel relevante no comportamento das paredes de tabique. 6. REFERÊNCIAS [1] Pinto J. et al. (2010) “Characterization of Traditional Tabique Constructions in Douro North Valley Region”

Journal WSEAS Transactions on Environment and Development, ISSN 1790-5079, Issue 2, Vol. 6, February 2010, pp. 105-114.

[2] Andresen T. et al. (2004) “The Alto Douro Wine Region greenway”. Landscape and Urban Planning 68 pp. 289-303.

[3] Pinto J. et al. (2010) “Study of the traditional tabique constructions in the Alto Tâmega region” The Sustainable World - Editor: C.A: Brebbia. WIT Transactions on Ecology and the Environment, WIT Press. WIT eLibrary. British Library - ISBN: 978-1-84564-504-5 - ISSN: 1746-448X (print) - ISSN: 1743-3541 (online). pp. 299-307, doi 10.2495/SW100281.

[4] Cardoso R. (2013) “Caracterização das Construções de Tabique de Lamego e Alto Douro”, Ph.D Thesis, Universidade da Beira Interior.

[5] Pinto J. et al. (2013) “Save Tabique Construction”, Structural Rehabilitation of Old Buildings, Building Pathology and Rehabilitation, A. Costa et al. (eds.), Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014, ISBN: 978-3-642-642-39686-1.

[6] Cardoso R et al. (2011) “Building details of a tabique dwelling in Trás-os-Montes e Alto Douro region” XII DBMC, 12th International Conference on Building Materials and Components - Freitas, V.P.; Carvalho, H.; Lacasse, M. (ed.), FEUP edições, ISBN 978-972-752-132-6, Vol. II, pp. 729-736 - FEUP, Porto, Portugal, 12-15 April 2011.

[7] SAP 2000. (2009) Getting Started with SAP 2000 Linear and Nonlinear Static and Dynamic Analysis and Design of Three-Dimensional Structures. Computers and Structures Inc. Berke ley, California, USA.

[8] EN 1995-1-1: (2004). Eurocode 5: design of timber structures – part 1.1: general rules and rules for buildings. European Committee for Standardization, Brussels, Bélgica.

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