Avaliação estrutural de coberturas metálicas com painéis solares
Conheça os parâmetros utilizados para avaliar a engenharia de imóveis que receberão instalações fotovoltaicas
Autor: Canal Solar21 de abril de 2020outubro 4th, 2021Artigos técnicos
Diante do crescente mercado de instalação de painéis fotovoltaicos no Brasil, a responsabilidade técnica envolvida neste tipo de serviço deve ser amplamente discutida e estimulada.
As áreas técnicas que compõem este processo são, em alguns casos, negligenciadas e desvalorizadas em um mercado que apresenta opções de baixo custo e qualidade técnica questionável. Quando são citadas as áreas técnicas deste processo, é natural lembrar da Engenharia Elétrica.
Contudo, atua em conjunto, dentre outras, a Segurança do Trabalho, os Estudos de Impactos Ambientais (em grandes empreendimentos), as atividades de Içamento e Movimentação de cargas e a Engenharia de Estruturas. Esta última, objetivo de discussão do presente artigo.
A engenharia estrutural é responsável por avaliar e certificar que uma determinada estrutura está apta a receber a instalação das placas. É avaliado desde o dimensionamento original de projeto até as reais condições de integridade da estrutura, propostos reforços e alterações que promovam segurança durante e após a etapa de instalação. Assim, é garantida a conformidade com os critérios normativos vigentes.
Em seu indicador Telhadômetro, o Canal Solar registra a estatística de resultados danosos, possivelmente pela negligência da avaliação estrutural em coberturas nas quais foram instalados painéis fotovoltaicos.
Figura 1: Desabamentos de coberturas após instalação de painéis fotovoltaicos
Os painéis representam um acréscimo de carga em ordem de grandeza similar ao peso total da própria estrutura metálica, que não foi originalmente dimensionada para esta carga. Este artigo apresenta uma revisão técnica sobre o dimensionamento estrutural de coberturas especificamente devido à instalação de painéis fotovoltaicos.
As interpretações das normas e recomendações práticas são baseadas na experiência do corpo técnico da HRD Soluções de Engenharia. O objetivo é discutir e apresentar as referências técnicas aplicáveis e um estudo de caso sobre a relevância da Engenharia de Estruturas no setor de geração de energia solar no Brasil.
O cálculo estrutural de coberturas e seus componentes de suporte deve ser baseado em carregamentos mínimos e critérios de rigidez e resistência estabelecidos pelas normas brasileiras vigentes. A Tabela 1 apresenta as principais normas brasileiras para dimensionamento estrutural.
Tabela 1: Principais normas brasileiras para dimensionamento estrutural
Em relação aos critérios de dimensionamento, podem ser utilizadas referências internacionais como:
Para perfis formados à frio: AISI – Cold-Formed Steel Design Manual (AISI S100) e Eurocode 3;
Para perfis laminados ou soldados: AISC-360-16: Specification for Structural Steel Buildings e Eurocode 3;
Para estruturas de concreto: Eurocode 2 e ACI-318;
Para ações e combinações: ASCE-07 e Eurocode 1.
O dimensionamento estrutural dos elementos de cobertura e galpões submetidos à instalação de painéis solares deve ser realizado seguindo as premissas de ações estabelecidas nas normas NBR 6120 e NBR 6123.
Em setembro de 2019, foi emitido pela ABNT uma revisão extensa desta norma. Foram incluídos detalhes e especificações mais rigorosos para ações permanentes e ações variáveis.
Os valores apresentados nesta seção são indicações nominais mínimas para o caso de ausência de experimentação mais rigorosa. Em relação à aplicação de coberturas e instalação de painéis fotovoltaicos, destacam-se a Tabela 5 (Figura 2) com indicações de pesos para diversos tipos de telhas, já considerando a superposição, elementos de fixação e absorção de água dos componentes, e a tabela 8 (Figura 3) para forros, dutos e sprinklers. Para as placas fotovoltaicas, recomenda-se um carregamento de 0,15 kN/m², que já considera o peso das fixações.
Figura 2: Tabela 5 da NBR6120:2019
Figura 3: Tabela 8 da NBR6120:2019
As indicações gerais para cargas variáveis em coberturas são apresentadas no item 6.4 da NBR 6120. Para estruturas de concreto armado, mistas de aço e concreto e alvenaria estrutural, em caso de uso definido ou possibilidade de uso devem ser utilizados os valores da Tabela 10 da NBR 6120 (1) (Figura 4). No caso específico de placas de aquecimento solar ou fotovoltaicas é indicado a aplicação de 1,5 kN/m².
Figura 4: Sobrecarga para coberturas de concreto armado, mistas de aço e concreto e alvenaria estrutural – Tabela 10 da NBR 6120
Para cobertura formada por estruturas metálicas, a revisão da NBR 6120 estabelece que a sobrecarga pode variar de 0,25 a 0,50 kN/m², dependendo da inclinação do telhado (Figura 6). Em casos de inclinações superiores a 1% e inferiores a 3% é permitido adotar o valor de 0,25 kN/m² desde que sejam atendidos os critérios de rigidez indicados no Anexo D da NBR 6120.
Além disto, foi mantida a exigência de resistência a uma carga pontual na posição mais desfavorável de 1 kN para terças e tesouras. Ressalta-se que a nova versão da NBR 6120 indica que este valor não engloba o peso de instalações em geral, diferentemente do limite permitido de 0,05 kN/m² da atual versão da NBR 8800.
Recomenda-se, portanto, que sejam seguidas as premissas desta nova revisão e o peso de todos equipamentos apoiados sobre a cobertura sejam considerados em seu dimensionamento. A Figura 5 destaca este trecho da norma evidenciando a menção aos painéis fotovoltaicos.
Figura 5: Pesos de instalações em coberturas – Aplicações como cargas permanentes
Figura 6: Sobrecarga em coberturas metálicas
É importante ressaltar que os valores indicados na Figura 6 são recomendações mínimas. Em casos específicos, com probabilidade de acúmulo de material (mineração, indústrias siderúrgicas, cimenteiras etc.), valores superiores devem ser adotados considerando fatores como ângulo de atrito interno e do material com a superfície, peso específico e inclinação da cobertura.
As ações devido ao vento devem ser adotadas conforme premissas da NBR6123. Para coberturas de edificações de planta retangular, devem ser adotados os coeficientes aerodinâmicos indicados no item 6 da norma. Estes coeficientes variam em função do ângulo da cobertura e sua configuração (quantidade de águas, telhados múltiplos e suas formas) e razão entre vão livre e altura.
Figura 7: Imagem de Bellei, Ildony H. Edifícios Industriais em aço – Projeto e cálculo. 1998
Dependendo da pressão interna e da configuração estrutural da cobertura, podem ocorrer cargas de pressão ou sucção nas tesouras. A Figura 7 apresenta um exemplo qualitativo de distribuição de forças em construções com duas faces opostas igualmente permeáveis e outras impermeáveis.
As combinações de carregamento devem ser estabelecidas conforme NBR 8681. As normas específicas de estruturas de aço, concreto ou de perfis formados à frio também apresentam os fatores de majoração indicados.
Os estados limites, detalhados nos itens a seguir, indicam os valores de referência a partir dos quais uma estrutura não apresenta desempenho adequado conforme sua especificação/projeto. Estes limites podem se tratar, como exemplo, de uma flexibilidade excessiva, vibração, nucleação e propagação de trincas, ou mesmo a ruptura de um componente.
Os elementos estruturais da cobertura, seus elementos de fixação e as colunas de sustentação devem ser dimensionados para todos os estados limites últimos aplicáveis indicados em suas específicas normas.
Conforme descrito na NBR 8800, estes estados estão relacionados com a segurança da estrutura sujeita às combinações mais desfavoráveis de ações previstas em toda vida útil, durante a construção ou quando atuar uma ação especial ou excepcional. A Figura 8 apresenta as combinações normais últimas indicadas pena NBR8800.
Figura 8: Combinações normais últimas
As ações permanentes podem ser agrupadas a critério do projetista e, para edificações tipo 2 (cujas cargas variáveis não superam 5 kN/m², aplicável a coberturas), podem ser utilizados 1,40, 1,30 ou 1,20 para combinações normais, especiais ou de construção e excepcionais respectivamente.
Em casos nos quais a ação permanente seja favorável ao estado limite verificado, deve ser adotado o valor de 1,00 (Exemplo: Caso de sucção do vento na cobertura). As ações variáveis são combinadas desde que seu efeito seja desfavorável à segurança da estrutura. Assim como as permanentes, as variáveis podem ser agrupadas ou avaliadas separadamente.
Os estados limites de serviço estão relacionados com o desempenho da estrutura sob condições normais de utilização. Conforme descrito na referência (6), a ocorrência deste estado limite pode prejudicar a aparência e a funcionalidade de uma edificação. Para o caso de coberturas podem ocorrer acúmulos excessivos de água e desconforto visual por flecha excessiva.
Conforme indicado na NBR 8800, recomendam-se os limites de deslocamentos estabelecidos na Tabela 2 para tesouras e terças. Além disso, para coberturas com inclinação inferior à 3%, devem ser atendidos os critérios de rigidez para evitar empoçamento progressivo em coberturas conforme Anexo D da NBR 6120.
Tabela 2: Deslocamentos máximos recomendados
A estabilidade de pilares que suportam coberturas é algo que deve ser levado em conta durante a avaliação estrutural devido ao acréscimo de painéis. Destacam-se a verificação de rigidez e resistência de elementos que impõe restrição à estas colunas e a reavaliação de imperfeições que dependem dos valores de cargas gravitacionais.
As imperfeições iniciais geométricas podem ser avaliadas com o a inclusão de forças horizontais nocionais (0,3% das cargas gravitacionais), aplicada separadamente em cada direção do pilar. A NBR 8800 indica que não é necessário combinar esta força com outras ações horizontais como, por exemplo, o vento.
Já o efeito de não linearidade do material, por sua vez, pode ser simplificadamente adotado com a redução da rigidez para 80% do valor nominal. De uma forma geral, a análise estrutural de segunda ordem pode ser feita por qualquer método que considere os efeitos de não linearidade geométrica e de material.
Pontos de alerta: Danos estruturais
O estado de integridade da estrutura anterior a instalação de painéis solares deve ser inspecionado. Deformações excessivas, modificações e recorte em elementos estruturais devem ser documentados e soluções de reforma/reforço devem ser propostas.
A Figura 9 mostra uma tesoura com evidência de flambagem em uma diagonal, provavelmente causada durante uma sobrecarga na cobertura. Conforme evidenciado na Figura 10, é comum encontrar danos causados por impactos de veículos em colunas de galpões de logística. Estas não conformidades devem ser adequadamente corrigidas.
Figura 9: Danos observados na tesoura
Figura 10: Danos observados em colunas
Pontos de alerta: Ligações
As regiões de emenda de perfis e os suportes das tesouras devem reavaliados. O estado de conservação, integridade e execução devem ser cuidadosamente inspecionados. Soldas inadequadas, parafusos corroídos ou não torqueados, desalinhamento de chapas de ligação etc., podem representar pontos de fragilidade e risco de colapso destas coberturas.
Evidentemente, caso estejam em estado de integridade, fabricação e montagem adequado, é preciso que estes elementos sejam capazes de suportar o acréscimo de esforço devido à carga dos painéis fotovoltaicos
Figura 11: Danos observados em ligações – Corrosão e ausência de parafuso
Engenheiros Diego Correia Martins e Hugo Gatti Ladeia Costa – HRD Soluções em Engenharia [email protected]/[email protected]