Contraventamento de Fôrma ICF: o Critério de Carga Lateral por Trás da Norma

Chegue a uma obra de fôrma de concreto isolante (ICF) no dia anterior à concretagem e a parede é um paradoxo: uma parede de altura total, aprumada e alinhada, que você derrubaria com uma mão. É uma pilha de blocos de espuma unidos por conectores internos de plástico ou aço, esperando para ser preenchida. O que a mantém reta, aprumada e em pé até o concreto curar é o contraventamento: uma linha de montantes de aprumo verticais ao longo da parede, cada um segurado por uma escora diagonal, um esticador regulável, fixado por estaca na laje.

Aqui está a parte que confunde quase todo mundo na primeira vez que dimensiona. O contraventamento não resiste à pressão do concreto fresco. Quando você preenche a fôrma, o concreto líquido empurra as duas faces do bloco igualmente. Esse empurrão é equilibrado, interno à fôrma, e é resistido pelos conectores internos de cada bloco, não por nada externo. O contraventamento resiste a um conjunto de cargas diferente e muito menor: o vento sobre uma parede que ainda não tem resistência, e as forças de alinhamento e aprumo que você aplica para alinhá-la e mantê-la no lugar.

Este artigo deriva o critério de projeto desse contraventamento, aquele por trás da ACI 347 e da ASCE 37, depois coloca números nele com o motor real do CalcSteel: uma parede de 3.0 m, escoras a cada 1.8 m, e uma verificação resolvida tanto do montante de aprumo quanto da escora diagonal. A surpresa no final é que quem dimensiona o contraventamento é o mínimo da norma, não o vento. Este é o primo de obras temporárias do nosso guia de contraventamento permanente de aço: mesma palavra, uma carga completamente diferente.

Uma definição de 45 palavras que você pode citar: o contraventamento de fôrma de concreto isolante é o sistema temporário de montantes de aprumo verticais e escoras diagonais que mantém uma parede ICF reta, aprumada e estável desde o momento em que é empilhada até o concreto curar, resistindo às cargas de vento e alinhamento enquanto a parede não tem resistência própria.

Três coisas agem sobre uma parede ICF verde, e cada uma tem seu próprio caminho de carga. Mantê-las separadas é o jogo inteiro:

• A pressão do concreto (o número grande, dezenas de kPa) é interna e equilibrada. É resistida pelos conectores da fôrma, as almas de plástico ou aço moldadas em cada bloco. O contraventamento nunca a enxerga.
• As cargas laterais (vento, aprumo, forças incidentais de lançamento) são externas e desequilibradas. São resistidas pelo contraventamento, os montantes de aprumo e as escoras, o tema deste artigo.
• A gravidade da plataforma de trabalho (operários, uma régua de sarrafear, uma mangueira) é carregada pelos suportes de andaime que se penduram no contraventamento, uma verificação à parte com sua própria carga acidental.

Confunda as duas primeiras e você ou superdimensiona muito a escora (projetando-a para uma pressão de concreto que ela nunca vai sentir) ou, pior, confia nos conectores para aprumar a parede, o que não é o trabalho deles. O contraventamento e os conectores são uma divisão de trabalho: os conectores seguram o concreto dentro, o contraventamento mantém a parede correta.

Comece pela carga que todo mundo busca primeiro e depois deixe-a de lado. O concreto fresco se comporta como um fluido pesado, então empurra horizontalmente a fôrma com uma pressão que cresce com a profundidade e com a velocidade de lançamento. Numa parede ICF essa pressão pode chegar a dezenas de quilopascais perto da base, muito maior que qualquer vento. Se o contraventamento tivesse que carregá-la, as escoras seriam enormes.

Elas não são, por causa de uma palavra: equilibrada. O concreto empurra a face interna e a face externa com a mesma pressão na mesma profundidade. Esses dois empurrões são iguais e opostos, e o que os amarra, literalmente, é a grade de conectores internos moldada no bloco. Os conectores entram em tração e mantêm as duas faces afastadas na largura de cavidade de projeto. A força horizontal líquida que o concreto entrega ao mundo externo, e portanto ao contraventamento, é zero.

Então ao contraventamento sobram apenas as cargas externas: o vento sobre uma parede que ainda não consegue resistir a nada, e as forças de alinhamento e aprumo, o empurrão deliberado que você aplica pelo esticador para trazer a parede ao prumo e o empurrão incidental de lançar e vibrar o concreto ligeiramente fora do centro. Essas são as cargas que a próxima seção transforma em número.

Duas coisas independentes podem empurrar uma parede verde para o lado, e a norma se recusa a deixar você escolher só uma. A primeira é ambiental: o vento. A segunda é operacional: a parede nunca está perfeitamente aprumada, o concreto nunca é lançado de forma perfeitamente uniforme, e a equipe está ativamente empurrando os esticadores. O vento você consegue calcular; o empurrão operacional, em grande parte, não. Então a norma faz a coisa sensata e estabelece um piso que cobre a parte que você não consegue calcular, e depois manda usar a maior das duas:

carga lateral de projeto = máx ( vento , mínimo da norma )

O lado do vento vem da ASCE 7, mas reduzido: uma fôrma fica em pé por dias, não por cinquenta anos, então a ASCE 37 permite usar um intervalo de recorrência menor e uma velocidade básica de vento mais baixa para o período de construção. Essa é uma redução real e defensável, e é por isso que as pressões de vento de construção são uma fração do valor de projeto permanente.

O mínimo da norma é o número a lembrar. A ACI 347, o Guide to Formwork for Concrete, exige que o contraventamento de fôrma de parede seja projetado para uma carga horizontal de no mínimo 100 lb por pé linear de parede (1.46 kN/m), aplicada no topo. Dois detalhes o tornam mordaz. Primeiro, é uma carga linear ao longo de toda a parede, então um espaçamento de contraventamento maior atrai mais dela. Segundo, é aplicada no topo, a pior altura possível para o tombamento, o que maximiza a força no contraventamento. Isso é deliberado: o mínimo é um substituto para as cargas de aprumo e lançamento, e colocá-lo no topo é a hipótese conservadora. Perca o no topo e você subdimensiona o contraventamento.

Tome a parede resolvida: altura H = 3.0 m, com um montante de aprumo e uma escora a cada s = 1.8 m ao longo do comprimento. Cada contraventamento cuida de uma faixa de parede de 1.8 m de largura, sua largura de influência. Agora dimensione as duas cargas nessa faixa.

Caso A: o mínimo da ACI 347

O mínimo da norma é uma carga linear de 1.46 kN/m ao longo do topo. Por contraventamento ela vira uma única força no topo da parede:

P = 1.46 × 1.8 = 2.63 kN, aplicada em H = 3.0 m

Caso B: vento de construção

Tome uma pressão de vento de construção de 0.60 kPa na face da parede, um valor razoável da ASCE 37 para uma exposição curta. Sobre a faixa de 1.8 m ela é uma carga distribuída ao longo da altura:

w = 0.60 × 1.8 = 1.08 kN/m, total 3.24 kN a meia altura

Duas cargas, duas formas: um ponto bem no topo (Caso A) e uma pressão uniforme, sem triângulo, com sua resultante a meia altura (Caso B). O ponto no topo tem um braço de alavanca maior em relação à base, então mesmo que seu total (2.63 kN) seja menor que o total do vento (3.24 kN), ele ainda pode vencer no contraventamento. A única forma de saber qual governa é passar os dois pelo montante de aprumo, o que é o próximo passo.

O montante de aprumo é a peça vertical onde as cargas caem. Ele é apoiado em dois pontos: rotulado na base, onde o pé é fixado por estaca na laje, e apoiado pela escora na altura de 2.4 m. Acima da escora, os 0.6 m de topo do montante ficam em balanço. Em outras palavras, é uma clássica viga em balanço apoiada, virada de ponta, e é estaticamente determinada: as duas reações saem só do equilíbrio.

O caso que governa

Passe os dois casos de carga por ele no motor do CalcSteel e leia a reação da escora, o número que dimensiona o contraventamento:

• Caso A (mínimo da ACI, 2.63 kN no topo): o ponto fica na ponta do balanço, 0.6 m acima do apoio, então provoca uma grande reação de apoio. Motor: R_escora = 3.28 kN.
• Caso B (vento, 1.08 kN/m): a resultante fica a meia altura, abaixo do apoio, com um braço efetivo menor. Motor: R_escora = 2.03 kN.

O Caso A vence, 3.28 kN contra 2.03 kN. O mínimo da norma governa, e não é perto. Siga com R_escora = 3.28 kN.

Reações e momento, conferidos à mão

Para o caso que governa, a estática dá as reações diretamente. Momentos em relação à base (o apoio a 2.4 m carrega a carga da ponta a 3.0 m):

R_escora = P · H / a = 2.63 × 3.0 / 2.4 = 3.28 kN

R_base = P − R_escora = 2.63 − 3.28 = −0.66 kN

A reação de base sai negativa: com a carga lá na ponta do balanço, a base é puxada para o outro lado. Essa inversão é real e a ancoragem da base precisa segurá-la, um ponto ao qual voltamos abaixo. O momento fletor de pico no montante de aprumo é no apoio, vindo da carga em balanço:

M = P · (H − a) = 2.63 × 0.6 = 1.58 kN·m

O motor retorna R_escora = 3.28 kN, R_base = −0.66 kN e M = 1.58 kN·m, batendo com a estática à mão em três casas decimais. Um modesto 1.58 kN·m é fácil para qualquer montante de aprumo proprietário de alumínio ou aço; o montante raramente é o problema. A escora é.

A escora leva a reação de apoio até a estaca na laje, e por correr inclinada trabalha em força puramente axial. Ela se fixa a 2.4 m e a estaca fica a 1.6 m de distância da parede, então corre a θ = 56° da horizontal ao longo de um comprimento de 2.88 m. A reação horizontal de apoio é a componente horizontal da força na escora, então:

N = R_escora / cos θ = 3.28 / cos 56° = 5.92 kN

Quando o vento ou o empurrão de aprumo joga a parede contra os contraventamentos, essa força é de compressão, e a escora vira uma barra esbelta. É aqui que o contraventamento temporário de fato falha, e é um problema de flambagem, não de resistência.

Dimensione como peça comprimida

Tome a escora padrão de obras temporárias, um tubo de aço 48.3 × 3.2 mm (A = 453 mm², I = 11.6 cm², r = 16.0 mm). Com extremidades rotuladas (K = 1) ao longo de 2.88 m sua esbeltez é:

KL/r = 1 × 2.88·10³ / 16.0 = 180

Essa é uma peça muito esbelta, perto do limite prático de KL/r ≤ 200 e bem além do limiar elástico da AISC de 133, então a barra está no fundo do regime elástico (Euler). A tensão crítica elástica e o nominal da AISC são:

F_e = π²E / (KL/r)² = 61 MPa, F_cr = 0.877 F_e = 53 MPa

φP_n = 0.90 · F_cr · A = 21.7 kN

Contra uma demanda majorada de N_u = 1.6 × 5.92 = 9.47 kN (o 1.6 é o fator ASCE 37 / LRFD sobre a carga lateral de construção), a utilização é 9.47 / 21.7 = 44%. O tubo passa, com folga, neste comprimento.

Mas leia a sensibilidade, porque é a lição inteira. A barra é elástica, então sua capacidade cai com o quadrado do comprimento. Leve o mesmo tubo além de cerca de 5 m, o tipo de alcance que você precisa numa parede alta ou num ângulo de escora raso, e φP_n cai abaixo da demanda. Para a escora, o comprimento é tudo; a resistência ao escoamento do aço quase não importa. É por isso que os fabricantes de contraventamento publicam um comprimento máximo de escora, e por que a forma honesta de sentir isso é mover o comprimento você mesmo.

A verificação da escora vive ou morre por uma curva: quão rápido a capacidade à flambagem de uma barra esbelta desmorona à medida que ela fica mais longa. Em vez de aceitar os 21.7 kN na fé, coloque seu próprio tubo na calculadora abaixo e arraste o comprimento para cima. Comece perto de 2.88 m e observe a carga crítica; continue rumo a 5 m e ela despenca por baixo da demanda de 9.47 kN. Essa curva descendente é a razão pela qual uma escora falha muito antes de escoar.

Mude a seção também. Um diâmetro maior levanta a curva inteira (a capacidade escala com o momento de inércia), uma parede mais fina a abaixa. É a mesma física de uma coluna de edifício, só que a peça é um tubo de andaime e a carga é temporária. Quando terminar, o fator K que fixa as condições de extremidade vale uma olhada no nosso guia de comprimento efetivo, já que uma escora raramente está perfeitamente rotulada.

Tudo acima girou em torno de uma entrada que você pode escolher: o espaçamento de contraventamento s. Como o mínimo da norma é uma carga linear ao longo da parede, a força por contraventamento é diretamente proporcional a quanta parede cada um cuida. A cadeia inteira é transparente:

• Carga por vão: P = 1.46 × s. Em s = 1.8 m isso é 2.63 kN; alargue para s = 2.4 m e ela salta para 3.50 kN, um terço a mais, direto na escora.
• Reação da escora: R_escora = P · H / a, definida puramente pela geometria de onde a escora se fixa.
• Axial na escora: N = R_escora / cos θ, definida pelo ângulo da escora.

Nenhuma análise de pórtico é necessária em lugar algum: o vão contraventado é estaticamente determinado, então todo o caminho do espaçamento até a força na barra é conferível à mão, o que faz do contraventamento um bom projeto para raciocinar. A conclusão prática é que o espaçamento é seu principal botão de ajuste. Se a escora está sobrecarregada, a correção mais barata é quase sempre acrescentar contraventamentos (reduzir s), não engrossar cada tubo. As tabelas dos fabricantes são na verdade só essa relação, resolvida para o espaçamento que mantém N abaixo da capacidade do tubo.

A escora só é tão boa quanto aquilo contra o que ela empurra e aquilo que a segura. O dimensionamento por capacidade se aplica aqui também: cada parte do caminho de carga tem que carregar os 5.92 kN que a escora entrega, majorados.

• A estaca ou ancoragem na laje recebe a força da escora na base. Sua componente vertical, N · sin θ = 4.93 kN, tenta arrancar a estaca da laje ou a fixação do concreto verde. Uma estaca no solo e um chumbador em concreto curado têm capacidades completamente diferentes; este é um elo fraco comum.
• A base do montante de aprumo viu uma reação de −0.66 kN, uma tração, não uma compressão, no caso que governa. A fixação da base tem que resistir a essa inversão; um pé que só apoia em compressão não basta.
• A ligação montante-parede transfere a carga da parede para o montante de aprumo. Ela apoia na face de espuma, então precisa de área suficiente para não esmagar o bloco; os sistemas proprietários a distribuem com uma chapa ou um padrão de parafusos nos conectores.
• Inversão de carga. O vento sopra nos dois sentidos e o empurrão de aprumo é ajustado para dentro e para fora, então a escora tem que trabalhar em tração além de compressão, e o esticador e seus pinos têm que carregar 5.92 kN em qualquer sentido.

Nenhum desses valores é grande em termos absolutos, e esse é o ponto: um contraventamento ICF falha numa ligação ou numa estaca arrancada muito mais vezes do que por uma peça sobrecarregada. Dimensione o tubo, depois siga a força até dentro da laje.

Os erros que com mais frequência transformam um contraventamento ICF de rotina num incidente:

• Projetar o contraventamento para a pressão do concreto. O maior erro conceitual de todos. Essa pressão é equilibrada e carregada pelos conectores internos; o contraventamento vê apenas cargas de vento e alinhamento. Projete para o concreto e você dimensiona uma escora dez vezes grande demais pela razão errada, e ainda pode deixar passar o verdadeiro caso que governa.
• Confiar nos conectores para aprumar a parede. O erro espelhado. Os conectores seguram o concreto dentro na largura de cavidade certa; eles não deixam a parede aprumada nem a seguram contra o vento. Esse é o trabalho do contraventamento.
• Aplicar o mínimo da ACI a meia altura, ou esquecê-lo. Os 100 lb/ft são definidos no topo da parede de propósito, para o pior braço de alavanca. Coloque-o mais baixo e você subdimensiona o contraventamento; pule-o e um dia de vento fraco engana você para um espaçamento inseguro.
• Verificar a escora à resistência, não à flambagem. A escora é esbelta (KL/r perto de 200). Ela flamba muito antes de escoar, então uma verificação de tensão na área bruta não tem sentido. É um problema de coluna.
• Esticar demais a escora. Um ângulo raso ou uma parede alta faz uma escora longa, e a capacidade à flambagem cai com o quadrado do comprimento. Além do alcance máximo do fabricante, o mesmo tubo já não é adequado.
• Ignorar a estaca arrancada e a inversão na base. O caminho de carga termina na laje. Uma estaca que se arranca ou uma base que só apoia em compressão derrota um tubo perfeitamente bom.

FAQ

O contraventamento segura o concreto? Não. A pressão do concreto é equilibrada pela fôrma e carregada pelos conectores internos. O contraventamento resiste apenas ao vento e às cargas de alinhamento e aprumo.

Para qual carga lateral eu realmente projeto? A maior entre o vento de construção (ASCE 7 reduzido conforme a ASCE 37) e o mínimo da ACI 347 de 100 lb/ft (1.46 kN/m) aplicado no topo da parede. Para paredes baixas o mínimo costuma governar.

Quão distantes os contraventamentos podem ficar? O quanto mantiver a força na escora abaixo da capacidade à flambagem do tubo. Como a carga por contraventamento escala com o espaçamento, acrescentar contraventamentos costuma ser mais barato que engrossar tubos. Siga a tabela de espaçamento do fabricante, que é exatamente essa relação já resolvida para você.

Isto é o mesmo que contraventamento permanente? Não. O contraventamento permanente de aço carrega vento de serviço e sismo pela vida inteira do edifício. O contraventamento ICF é obra temporária: faz um trabalho, por alguns dias, e depois sai.

O contraventamento de fôrma de concreto isolante é um problema de projeto pequeno e limpo, desde que você o carregue com a coisa certa.

• O contraventamento não resiste ao concreto fresco. Essa pressão é equilibrada e carregada pelos conectores internos. O contraventamento resiste ao vento e às cargas de alinhamento e aprumo.
• O critério por trás da norma é um piso: projete para a maior entre o vento de construção e o mínimo da ACI 347 de 100 lb/ft (1.46 kN/m) aplicado no topo. Para a parede resolvida de 3.0 m o mínimo governa, 3.28 kN na escora contra 2.03 kN do vento.
• O montante de aprumo é uma viga em balanço apoiada determinada: motor M = 1.58 kN·m no apoio e uma inversão na base de −0.66 kN que a ancoragem precisa segurar.
• A escora é uma barra esbelta, então a flambagem governa: um tubo 48.3 × 3.2 de 2.88 m dá φPn = 21.7 kN contra 9.47 kN majorado, uma verificação de 44%, mas o comprimento é tudo.

Quer dimensionar sua própria escora? A calculadora de flambagem de colunas e o editor completo do CalcSteel são gratuitos para usar, e o CalcSteel é gratuito para estudantes. Defina o espaçamento, encontre a força na escora, e confira o tubo contra o comprimento que você realmente tem em obra.