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UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA ALISSON CHRISTIAN LOBATO VIRGINIA FERNANDES PAGNO LEVANTAMENTO DO EMPREGO DA ESTRUTURA METÁLICA NA CONSTRUÇÃO CIVIL. BELÉM/PA DEZEMBRO – 2012 ii ALISSON CHRISTIAN LOBATO VIRGINIA FERNANDES PAGNO LEVANTAMENTO DO EMPREGO DA ESTRUTURA METÁLICA NA CONSTRUÇÃO CIVIL. BELÉM/PA DEZEMBRO – 2012 Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de Engenharia Civil da Universidade da Amazônia como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Márcio Murilo Ferreira de Ferreira iii ALISSON CHRISTIAN LOBATO VIRGINIA FERNANDES PAGNO LEVANTAMENTO DO EMPREGO DA ESTRUTURA METÁLICA NA CONSTRUÇÃO CIVIL. Banca examinadora: BELÉM/PA DEZEMBRO – 2012 Trabalho de conclusão de curso apresentado ao curso de Engenharia Civil da Universidade da Amazônia como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Márcio Murilo Ferreira de Ferreira Professor Márcio Murilo Ferreira de Ferreira (Orientador) Professor. Stoessel Farah Sadalla Neto (Examinador Interno) Professor. Wandemyr M. S. Filho (Examinador Interno) Apresentado em: _______/_______/____________ Conceito: ___________ iv Dedicado à nossas Famílias e a nosso Professor/Orientador, Márcio Murilo. v AGRADECIMENTOS Agradecemos a Deus, pelo dom da vida, pelo seu amor infinito. As nossas famílias. Obrigada por tantos ensinamentos, conhecimentos e tantas palavras de força e ajuda. Por ficarem sempre dos nossos lados nas horas que precisávamos. Ao professor Márcio Murilo Ferreira de Ferreira que, com muita paciência e atenção, dedicou seu valioso tempo para nos orientar nos passos desse trabalho. Aos professores, em especial Wandemyr M. S. Filho, que tivemos durante todo o curso, pela contribuição em nossa vida acadêmica e por tanta influência em nossa futura vida profissional. A Universidade da Amazônia (UNAMA) e a todos os seus funcionários que direto e/ou indiretamente nos ajudaram. Aos nossos amigos, em especial Vitória Pagno, que nos ajudaram e outros, mesmo quando distantes, estavam presentes em nossas vidas. Aos amigos que fizemos no decorrer do curso, em especial Antônio David, Bernardo Pio, Cauê Rocha, Fernando Mendonça, Jefferson Feitosa, João Pedro Carneiro, Pedro Secco, Rafael Abreu, Renato Lobato, Taissa Oliveira, Ubiratan Novelino Neto e Wellignton Costa. Obrigada por todos os momentos que fomos estudiosos, brincalhões, atletas e cúmplices. Obrigada pela paciência, pelo sorriso, pelo abraço. Este tempo não seria o mesmo sem vocês. A banca examinadora, nosso muito obrigado! “Algumas pessoas marcam a nossa vida para sempre, umas porque nos vão ajudando na construção, outras porque nos apresentam projetos de sonhos e outras ainda porque nos desafiam a construí-los. Quando damos conta já é tarde para lhes agradecer.” vi RESUMO LEVANTAMENTO DO EMPREGO DA ESTRUTURA METÁLICA NA CONSTRUÇÃO CIVIL. Autores: Alisson Christian Lobato e Virginia Fernandes Pagno Orientador: Márcio Murilo Ferreira de Ferreira. Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia Civil. Belém-PA, dezembro de 2012. Neste trabalho, se iniciou fazendo uma revisão histórica do ferro contando sua origem, sua obtenção, suas primeiras utilidades e sua breve evolução até a Revolução Industrial. Em seguida, se mostrará o seu processo siderúrgico, sua produção e o seu processo de lingotamento, que ocorre, em aproximadamente, 90% do aço produzido. Tendo o Brasil como um dos maiores produtores de aço no mundo. Logo após, se fornecerá as principais propriedades mecânicas do aço, como: elasticidade, plasticidade, ductibilidade, tenacidade entre outras, além de seus sistemas de classificação mais usados. Depois, se descreverá os tipos de ligações, falando sobre os processos, comportamento, as vantagens e desvantagens de conexões soldadas e parafusadas. Posteriormente, se apresentará os tipos de proteção contra corrosão, onde estão inclusos os aços resistentes à corrosão atmosférica, os processos de zincagem, galvanização e pintura. Será apresentado ainda, métodos de proteção contra incêndio. Finalmente, serão fornecidos seus elementos básicos, também descrevendo o fenômeno da flambagem em vigas e pilares metálicos, os tipos de fechamentos e de perfis, estruturas mistas e as vantagens e desvantagens, mostrando ainda aplicações do uso da estrutura metálica no mundo, no Brasil e no estado do Pará. Palavra-chave: Estrutura Metálica. Estrutura de aço. Evolução histórica do aço. Aplicações do aço. vii ABSTRACT EMPLOYMENT SURVEY OF METALLIC STRUCTURE IN CONSTRUCTION. Authors: Alisson Christian Lobato e Virginia Fernandes Pagno Supervisor: Márcio Murilo Ferreira de Ferreira. End of Course Work – Civil Engineering Belém-PA, december de 2012. In this work, the authors began by doing a historical review of iron telling its origins, its acquisition, its former utilities and its evolution until the Industrial Revolution. Then, it is displayed the steelmaking process, its production and its casting process, which occurs in approximately 90% of the steel produced. Being Brazil one of the largest steel producers in the world. Right after, it will be provided the main mechanical properties of steel, such as: elasticity, plasticity, ductility, toughness, among others, and yet their most commonly used classification systems. Later, it will be described the types of connections, describing processes, behavior, the advantages and disadvantages of welded and bolted connections. Afterward, it will be presented the types of corrosion protection, in which are included steels resistant to atmospheric corrosion, galvanization processes and painting. Also, it will be presented methods of fire protection. Lastly, it will be provided its basic elements, also describing the phenomenon of buckling in metallic beams and pillars, the types of closing and profiles, mixed structures and the advantages and disadvantages, still showing the applications of the steel structure in the world, in Brazil and in the state of Pará. Keyword: Metallic structure. Steel structure. Historical evolution of steel. Applications of steel. viii SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 1 1.1 GENERALIDADE ......................................................................................................1 1.2 OBJETIVOS ................................................................................................................ 3 1.2.1 Objetivo Geral............................................................................................................ 3 1.2.2 Objetivo Específico .................................................................................................... 3 2. HISTÓRICO .............................................................................................................. 3 3. PROCESSO SIDERÚRGICO .................................................................................. 6 3.1 PRODUÇÃO ............................................................................................................... 7 3.2 LINGOTAMENTO CONTÍNUO DO AÇO ............................................................... 8 4. PROPRIEDADES ...................................................................................................... 9 4.1 ELASTICIDADE ........................................................................................................ 9 4.2 PLASTICIDADE....................................................................................................... 10 4.3 DUCTILIDADE ........................................................................................................ 10 4.4 TENACIDADE ......................................................................................................... 10 4.5 TENSÕES RESIDUAIS ............................................................................................ 10 4.6 RESILÊNCIA ............................................................................................................ 10 4.7 FRAGILIDADE ........................................................................................................ 11 4.8 FADIGA .................................................................................................................... 11 4.9 DUREZA ................................................................................................................... 11 5. CLASSIFICAÇÃO .................................................................................................. 11 5.1 SISTEMA AMERICANO (AISI/SAE) ..................................................................... 11 5.1.1 Exemplos AISI/SAE ................................................................................................ 12 5.2 SISTEMA ALEMÃO (DIN) ..................................................................................... 13 5.2.1 Exemplos DIN .......................................................................................................... 13 5.3 OUTROS CRITÉRIOS DE CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS .................................. 13 5.3.1 Conforme com a dureza no estado recozido ................................................................... 13 5.3.2 Conforme o grau de desoxidação ........................................................................... 14 5.3.3 Conforme a natureza da sua matriz ...................................................................... 14 5.3.4 Segundo a respectiva utilização .............................................................................. 14 6. TIPOS DE CONEXÕES ......................................................................................... 15 6.1 SOLDADAS .............................................................................................................. 15 6.1.1 Vantagens ................................................................................................................. 15 6.1.2 Desvantagens ............................................................................................................ 16 6.2 PARAFUSADAS ...................................................................................................... 16 6.2.1 Classificação de parafusos com cabeça sextavada ................................................ 17 ix 6.3 COMPORTAMENTO DAS CONEXÕES ............................................................... 17 6.3.1 Conexões Flexíveis ................................................................................................... 17 6.3.2 Conexões Rígidas ..................................................................................................... 18 7. PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO .................................................................. 18 7.1 AÇOS RESISTENTES À CORROSÃO ATMOSFÉRICA ...................................... 19 7.1.1 Aços Inoxidáveis ...................................................................................................... 19 7.1.2 Aços Patináveis ou Aclimáveis (CORTEN) ........................................................... 19 7.1.2.1 Cuidados em seu uso sem revestimento ................................................................. 19 7.1.2.2 Cuidados em seu uso com revestimento ................................................................ 20 7.2 ZINCAGEM .............................................................................................................. 20 7.3 GALVANIZAÇÃO ................................................................................................... 21 7.4 PINTURA .................................................................................................................. 21 7.4.1 Etapas do processo de pintura ................................................................................ 21 7.5 AÇOS – LIGA ........................................................................................................... 22 8. PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO ..................................................................... 22 8.1 AMIANTO.................................................................................................................22 8.2 VERMICULITA........................................................................................................22 8.3 GESSO.......................................................................................................................23 9. ELEMENTOS ESTRUTURAIS ............................................................................ 23 9.1 ELEMENTOS BÁSICOS.......................................................................................... 23 9.2 APOIOS ..................................................................................................................... 24 9.3 SUBESTRUTURAS .................................................................................................. 24 10. FLAMBAGEM ........................................................................................................ 25 10.1 FLAMBAGEM DE PILARES .................................................................................. 25 10.2 FLAMBAGEM DE VIGAS ...................................................................................... 26 11. TIPOS DE FECHAMENTOS ................................................................................ 27 11.1 FECHAMENTOS HORIZONTAIS..........................................................................27 11.2 FECHAMENTOS VERTICAIS................................................................................28 12. TIPOS DE PERFIS PARA EDIFÍCIOS ............................................................... 29 12.1 PERFIS PARA COLUNAS.......................................................................................29 12.2 PERFIS PARA VIGAS..............................................................................................29 12.3 PERFIS PARA OS CONTRAVENTAMENTOS.....................................................30 12.4 LAJES DE PISO.........................................................................................................3112.4.1 Laje fundida in-loco................................................................................................. 31 12.4.2 Laje com forma em aço, incorporada .................................................................... 31 12.4.3 Laje pré-moldada .................................................................................................... 32 13. ESTRUTURAS MISTAS ........................................................................................ 33 x 13.1 LAJES MISTAS ........................................................................................................ 33 13.2 PILARES MISTOS ................................................................................................... 34 13.3 VIGAS MISTOS ....................................................................................................... 35 14. APLICAÇÕES ......................................................................................................... 35 14.1 MUNDO .................................................................................................................... 35 14.1.1 Edifício Berliner Bogen, Hamburgo – Alemanha ................................................. 35 14.1.2 Escritórios da Swiss Re, Londres – Inglaterra ...................................................... 37 14.1.3 Museu da Bretanha, Rennes – França .................................................................. 41 14.2 BRASIL ..................................................................................................................... 44 14.2.1 Agência de Automóveis, São Paulo – SP................................................................ 44 14.2.2 Academia Sumaré Sports, São Paulo – SP ............................................................ 46 14.2.3 Barra Shopping Sul, Porto Alegre – RS ................................................................ 48 14.2.4 Biblioteca Central da Unitri, Uberlândia – MG ................................................... 51 14.2.5 Biblioteca e ambulatório de fisioterapia, Campinas – SP .................................... 53 14.2.6 CEU Guarulhos Pimentas, Guarulhos – SP .......................................................... 56 14.2.7 Complexo Rubem Braga, Rio de Janeiro – RJ ..................................................... 58 14.2.8 Edifício institucional, Fortaleza – CE .................................................................... 61 14.2.9 Edifício Santa Catarina, São Paulo – SP ............................................................... 64 14.2.10 Estação Vila Prudente do metrô, São Paulo – SP ............................................. 67 14.2.11 Hotel Unique, São Paulo – SP ............................................................................. 71 14.2.12 Igreja da Estância, Sumaré – SP ........................................................................ 73 14.2.13 Instituto de Psiquiatria do Hospital das Clínicas, São Paulo – SP .................. 75 14.2.14 Manoel Tabacow Hidal, São Paulo – SP ............................................................ 77 14.2.15 Mega Tennis, São Paulo – SP .............................................................................. 79 14.2.16 Millennium Office Park, São Paulo – SP ........................................................... 82 14.2.17 Sesc Pinheiros, São Paulo – SP ........................................................................... 85 14.2.18 Shopping Center Flamboyant, Goiânia – GO ................................................... 88 14.2.19 Shopping Popular, Brasília – DF ........................................................................ 91 14.2.20 Templo ecumênico, Curitiba – PR ..................................................................... 93 14.2.21 Terceira ponte lago Paranoá, Brasília – DF ...................................................... 95 14.2.22 Terminal de ônibus urbanos da Lapa, São Paulo – SP .................................... 98 14.2.23 Terminal de passageiros do Aeroporto de Brasília, Brasília – DF .................. 99 14.2.24 Terminal do Aeroporto Internacional Guararapes, Recife – PE .................. 102 14.2.25 Terminal Rodoviário Interestadual, Brasília – DF ......................................... 106 14.3 REGIÃO .................................................................................................................. 109 14.3.1 Aeroporto Internacional Val-de-cães, Belém – PA ............................................. 109 14.3.2 Estação das Docas do Pará, Belém – PA ............................................................. 110 xi 14.3.3 Farol de Salinas, Salinópolis – PA ........................................................................ 112 14.3.4 Mercado Ver-o-Peso, Belém – PA ........................................................................ 114 14.3.5 Mercado Municipal de Carne, Belém – PA ......................................................... 115 14.3.6 Reservatório de São Brás, Belém – PA ................................................................ 117 14.3.7 Sambódromo Aldeia Cabana, Belém – PA .......................................................... 118 14.3.8 Super Life Castanhal, Catanhal – PA .................................................................. 119 15. VANTAGENS DA ESTRUTURA DE AÇO ....................................................... 121 16. DESVANTAGENS DA ESTRUTURA DE AÇO ............................................... 123 17. CONCLUSÕES ...................................................................................................... 124 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 125 1 1. INTRODUÇÃO 1.1 GENERALIDADE O aço é uma liga de metal, um metal criado através do derretimento de vários materiais juntos. Atualmente há mais de 2.500 tipos de aço no mundo todo. Todos eles consistem principalmente de ferro-gusa, que por sua vez consiste de elemento de ferro e mais de três por cento de carbono. O ferro-gusa é extraído de minério de ferro em explosões nas fornalhas. Ele então é processado em uma siderúrgica para criar aço com um conteúdo de carbono de menos de dois por cento. Esta proporção baixa faz o material ser mais macio permitindo o fácil processamento. O desenvolvimento de explosão na fornalha no século XIV tornou isso possível: o ferro podia ser esquentado até permanecer em forma líquida. Mas a tecnologia amadureceu gradualmente: enquanto oito toneladas de carvão ainda eram necessárias para se obter duas toneladas de ferro-gusa no século XVII, nós agora só precisamos de cerca de metade de uma tonelada de coque para produzir 10.000 toneladas de ferro-gusa por dia. Enquanto buscava um material robusto para fazer armas, Henry Bessemer desenvolveu um novo processo no meio do século XIX que continuaria sendo utilizado por um longo período ainda por vir. O processo Bessemer facilita a produção de aço empregando a oxidação. Até então, trabalhadores tinham que mexer o aço derretido para separar a sobra de materiais, um processo que envolvia um grande gasto de energia. Agora isso poderia ser feito por uma máquina. O processo Siemens-Martin de 1864, que tornou possível derreter metal escovado em aço, foi mais um marco na produção de aço. E a indústria de aço continuou se desenvolvendo: processos ainda melhores significavam que uma maior quantidade de aço de alta qualidade poderia ser produzida com menos trabalho manual. Em 1850, cada siderúrgica estava produzindo oito toneladas de ferro pig por ano. Vinte anos mais tarde elas estavam produzindo dez vezes mais do que isso. Em 1912, cientistas da siderúrgicade Krupp na Alemanha, acidentalmente descobriram como fabricar aço à prova de ferrugem. O chamado V2A ou aço inoxidável é composto de ferro, cromo e níquel e é usado em tecnologia médica, por exemplo. Hoje o aço representa um material de alta tecnologia. Por exemplo, o aço de alta potência e ductilidade (HDS em inglês) é capaz de fazer “zonas de amasso inteligente”: a idéia é que o 2 material, que deforma facilmente, se torne mais duro depois de uma colisão por meios de transformações estruturais, oferecendo mais proteção. Carrocerias de veículos feitas com este tipo de “aço deformado” não só aumentam a segurança como também contribuem com a redução do consumo de energia por serem especialmente mais claras. Figura 1.1: aço aplicado indiretamente na construção civil Fonte: arquivo pessoal. Figura 1.2: aço aplicado diretamente na construção civil Fonte: arquivo pessoal. 3 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo Geral Estudar os principais componentes da estrutura metálica, e sua importância na construção civil. 1.2.2 Objetivo Específico Este trabalho tem como finalidade estudar as edificações em estruturas metálicas, para isso fez-se um estudo para o melhor entendimento do material aço e suas aplicações, como: seu histórico, processos siderúrgicos, propriedades, classificações, tipos de conexões, proteção contra corrosão e incêndio, seus elementos estruturais, o fenômeno de flambagem, tipos de fechamentos e perfis estruturais, mostrar alguns tipos de aplicações e as vantagens e desvantagens da estrutura de aço. 2. HISTÓRICO Segundo o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS), o ferro de metal usado pelos Homens era encontrado in natura em meteoritos recolhido pelas tribos nômades nos desertos da Ásia Menor (Anatólia, é uma região do sudoeste da Ásia que corresponde hoje à porção asiática da Turquia), no período de 2.500 antes de Cristo; e também existem indícios da existência e emprego desse material em regiões, como a Groenlândia. Era considerado um material precioso, pela beleza e maleabilidade, e era destinado principalmente para enfeitar. Muitos acreditam que o homem descobriu o ferro no Período Neolítico (Idade da Pedra Polida), entre 6.000 a 4.000 anos antes de Cristo. Teria surgido quando pedras de minério de ferro usadas para proteger as fogueiras, que depois de aquecidas, mudavam suas formas (ficavam como bolas brilhantes). O fenômeno é facilmente explicado hoje em dia; o calor da fogueira havia derretido e quebrado as pedras. O uso do ferro nesse período sempre foi algo acidental, como citado no exemplo acima. Às vezes o material era encontrado também em seu estado nativo - caso de alguns meteoritos (corpos rochosos compostos por muitos minérios, inclusive ferro, que circulam no 4 espaço e caem na Terra). Muitos achavam que o ferro era uma benção de Deus, por estar vindo do espaço. Logo após a Idade da Pedra se seguiu a Idade dos Metais. Primeiro, a idade do Bronze, em seguida, a do Ferro. A Idade do Bronze se desenvolveu entre os anos 4000 e 2000 antes de Cristo. O bronze possibilitou a fabricação de armas e instrumentos mais rígidos, por ser mais resistente do que o cobre. As armas e os utensílios feitos de bronze foram substituídos pelo ferro, na Europa e no Oriente Médio. A Idade do Ferro começou por volta de 1600 antes de Cristo. A Idade do Ferro é considerada como o último estágio tecnológico e cultural da pré-história. Na China, porém, ela só se iniciou em 400 antes de Cristo. A idade do ferro foi plenamente estabelecida entre 1.500 a 1.000 antes de Cristo, onde se descobriram como extraí-lo de seu minério a partir da observação de situações como as das fogueiras do Período Neolítico. Começaram então as jazidas a ser exploradas, provavelmente no Oriente Médio de onde os materiais eram importados por fenícios e assírios, e logo, a tecnologia da fabricação do ferro se espalhou pelo mundo. Os minérios de ferro eram encontrados em abundância na natureza, assim como o carvão. A evolução do ferro começou quando o minério de ferro (na forma de torrões ou pedaços sólidos, denominados tarugos) foi sendo aquecido em fornos primitivos (forno de lupa), abaixo do seu ponto de fusão. Com isso, era possível retirar algumas impurezas do minério, já que elas tinham menor ponto de fusão do que a esponja de ferro. Essa esponja de ferro era trabalhada na bigorna para a confecção de ferramentas. Estes, em seguida, eram forjados a quente na forma de barras de ferro trabalhando, possuindo maleabilidade, contendo, entretanto pedaços de escória e carvão. O teor de carbono dos primeiros aços fabricados variava de 0,07% até 0,8% sendo este último considerado um aço de verdade. Para fabricar um quilo de ferro em barras, eram necessários de dois a dois quilos e meio de minério pulverizado e quatro quilos de carvão vegetal. Os primeiros utensílios de ferro não se diferenciavam muito dos de cobre e bronze. Mas, aos poucos, novas técnicas foram sendo descobertas, tornando o ferro mais duro e resistente à corrosão. Um exemplo disso foi à adição de calcário à mistura de minério de ferro e carvão, o que possibilitava melhor absorção das impurezas do minério. Novas técnicas de 5 aquecimento também foram sendo desenvolvidas, bem como a produção de materiais mais modernos para se trabalhar com o ferro já fundido. Os egípcios por volta de 900 antes de Cristo já dominavam processos relativos a tratamentos térmicos nos aços para fabricação de espadas e facas. Como quando o teor de carbono supera 0,3% o material torna-se muito duro e frágil caso seja temperado (resfriado bruscamente em água) de uma temperatura acima de 850°C a 900°C, eles utilizavam o tratamento denominado revenido que consiste em diminuir a fragilidade minimizando-a por reaquecimento do aço a uma temperatura entre 350°C a 500°C. Já os chineses produziam aços tratados termicamente por volta de 200 antes de Cristo e os japoneses aprenderam a arte da produção de artefatos em metal dos Chineses, embora tenham ajudado a espalhar o conhecimento da tecnologia da fabricação de aços, aumentando muito a produção de ferro trabalhado no mundo romano. Com o declínio do Império Romano, a produção de aço ou ferro trabalhado se estabilizou na Europa até que, no começo do século XV, começou-se a utilizar quedas d'água para insuflar ar nos fornos de fusão. Em consequência a temperatura no interior dos fornos passou a ser maior de 1200°C. Desta forma, ao invés de produzirem-se os torrões, passou-se a produzir um líquido rico em carbono: o ferro fundido. Para se obter o ferro trabalhado e reduzir o teor de carbono deste ferro fundido, o mesmo era solidificado e em seguida fundido em atmosfera oxidante, utilizando carvão como combustível. Este processo retirava o carbono de ferro dando origem a um tarugo semi-sólido que após resfriamento era martelado até chegar na forma final. O uso do ferro promoveu grandes mudanças na sociedade. A agricultura se desenvolveu com rapidez por causa dos novos utensílios fabricados. A fabricação de armas mais modernas viabilizou a expansão territorial de diversos povos, o que mudou a face da Europa e de parte do mundo. Após anos de uso do forno de lupa, surgiu a forja catalã (considerada o embrião dos altos-fornos utilizados na atualidade). Era uma lareira feita de pedra e foles manuais que inflavam a forja de ar, o que aumentava a temperatura e a quantidade de ferro produzido. Tempos depois, surgiram os foles mecânicos acionados por servos ou por cavalos. No século XII, as rodas d'água começaram a ser usadas. Com temperaturas maiores na forja, foipossível obter ferro em estado líquido, e não mais em estado pastoso. 6 Ela apareceu na Espanha, logo após a queda do Império Romano, e foi utilizada durante toda a Idade Média. Com a possibilidade de obtenção de ferro no estado líquido, nasce a técnica de fundição de armas de fogo, balas de canhão e sinos de igreja. Mais tarde, o uso do ferro se estendeu para residências senhoriais de grandes portões e placas de lareira com desenho elaborado. Em 1440, o minério de ferro passou a ser fundido em altos-fornos, onde é usado até hoje. As temperaturas atingidas nesses fornos eram ainda maiores, o que permitia a maior absorção de carbono do carvão vegetal. Isso tornava o ferro e as ligas de aço mais duros e resistentes. Na ocasião, a produção diária do forno era de cerca de 1350 kg. A Revolução Industrial iniciada na Inglaterra, no final do século XVIII, tornaria a produção de ferro ainda mais importante para a humanidade. Nesse período, as comunidades agrária e rural começavam a perder força para as sociedades urbanas e mecanizadas. A grande mudança só ocorreu em 1856, quando se descobriu como produzir aço. Isso porque o aço é mais resistente que o ferro fundido e pode ser produzido em grandes quantidades, servindo de matéria-prima para muitas indústrias. Figura 2.1: alguns objetos fabricados na Idade do Ferro Fonte: arquivo pessoal 3. PROCESSO SIDERÚRGICO Segundo PANNONI (2010), o aço é a mais versátil e a mais importante das ligas metálicas conhecidas pelo ser humano. A produção mundial de aço em 2006 foi superior a 1,249 bilhão de toneladas, e a participação brasileira foi de 31 milhões de toneladas. Cerca de cem países produzem aço e o Brasil, já há algum tempo, é um dos 10 maiores produtores mundiais. 7 3.1 PRODUÇÃO Segundo PIGNATA (2010), o processo siderúrgico trata, fundamentalmente, da extração do ferro metálico existente no minério de ferro, eliminando-se, em grande parte, as impurezas contidas nele. O aço é obtido de minério de ferro (em geral, hematita), de carvão mineral adequado ao processo siderúrgico (o chamado carvão metalúrgico) e de fundentes. Os minérios de ferro são distribuídos por todo o planeta. O carvão mineral adequado ao uso nas siderúrgicas só é encontrado em alguns países; o Brasil possui reservas consideráveis de carvão metalúrgico, mas, para ser utilizado em grande escala em nossas usinas, é necessário um custoso beneficiamento para a redução do teor de enxofre e de cinzas. Por isso, esse insumo não tem sido utilizado, recorrendo-se à importação. A transformação do minério em aço é feita em quatro estágios: Estágio 1: Tratamento do minério de ferro e do carvão metalúrgico. Estágio 2: Obtenção do ferro gusa. Estagio 3: Obtenção do aço e seu enobrecimento. Estagio 4: Lingotamento e conformação do aço. Figura 3.1: representação dos atuais caminhos de produção do aço: a siderurgia integrada e a siderurgia a forno elétrico. (parte 1) Fonte: PANNONI, 2010 8 Figura 3.2: representação dos atuais caminhos de produção do aço: a siderurgia integrada e a siderurgia a forno elétrico. (parte 2) Fonte: PANNONI, 2010 3.2 LINGOTAMENTO CONTÍNUO DO AÇO A grande parte do aço produzido no mundo, aproximadamente 90%, é feita através do processo de lingotamento contínuo devido ao seu elevado grau de rendimento metálico. Com ele é possível fazer aços semi-acabados com diferentes seções transversais, placas e tarugos. CEPEDA (2008). O processo só não é utilizado em casos de produção de aços de elevada qualidade. No Lingotamento a massa de aço líquido é resfriada ao passar por um molde de cobre refrigerado a água, onde se forma uma casca sólida de espessura suficiente para suportar a pressão ferrostática presente no aço. Em seguida a massa é extraída em um sistema de rolos até deixar o molde, onde segue para a segunda etapa de resfriamento que é feita por aspersão de água em sprays e pela perda de calor por radiação, até que toda a massa se solidifique. A figura a seguir demonstra o processo descrito: 9 Figura 3.3: representação de um lingotamento contínuo Fonte: PANNONI, 2010 4. PROPRIEDADES Materiais são substâncias físicas – ou mistura delas - com propriedades úteis em engenharia, utilizadas na produção de edifícios, pontes, automóveis e aviões a computadores ou simples canetas. Para que um material seja aplicado na engenharia, ele deve apresentar características adequadas a cada uso. Um material apresenta propriedades físicas, mecânicas, óticas, térmicas, elétricas e magnéticas. E entre elas as propriedades mecânicas são muito importantes na arquitetura e na engenharia estrutural. 4.1 ELASTICIDADE Para pequenos níveis de carregamento, verifica-se que há um comportamento aproximadamente linear entre a tensão aplicada em um corpor e sua deformação. Com a retirada da tensão, a deformação cessa. Esse fenômeno é denominado de comportamento elástico do material. (PIGNATA, 2010) 10 4.2 PLASTICIDADE Plasticidade está relacionada à deformação permanente que ocorre nos materiais, causada pela ruptura das ligações interatômicas, isto é, as deformações não aparecem quando a carga é retirada. (PIGNATA, 2010) 4.3 DUCTILIDADE Capacidade de determinadas substâncias sólidas de sofrer permanentes mudanças de forma sem quebrar. Quando um material apresenta uma deformação plástica muito pequena, diz-se que sua ruptura é do tipo frágil. Pelo contrário, quando um material apresenta uma elevada deformação plástica, ele é chamado de dúctil. 4.4 TENACIDADE É a capacidade de um material tem de absorver energia até sua fratura. Um material é considerado tenaz quando possui tanto resistência quanto ductibilidade; muitas vezes, os materiais dúcteis são mais tenazes do que os frágeis. 4.5 TENSÕES RESIDUAIS O resfriamento posterior à laminação de chapas, cantoneiras, perfis etc, leva o desenvolvimento de tensões residuais no produto final. Em chapas, por exemplo, as extremidades resfriam-se mais rapidamente que a região central, contraindo-se; quando a região central da chapa se resfria,as extremidades, já solidificadas, impedem essa região de se contrair livremente. Assim, as tensões residuais são de tração na região central e compressão nas bordas. (PIGNATA, 2010) 4.6 RESILÊNCIA É a capacidade de absorver energia mecânica por unidade de volume tracionada em regime elástico. 11 4.7 FRAGILIDADE Sobre determinadas condições os aços podem ser tornar frágeis como, por exemplo, sobre temperaturas extremas (baixas ou elevadas temperaturas), podendo provocar rupturas bruscas sem aviso prévio. 4.8 FADIGA Denomina-se “efeito de fadiga” à ruptura de uma peça sob esforços repetidos, a uma tensão inferior à sua característica de rupturas. 4.9 DUREZA É a resistência à abrasão, ao risco ou à penetração de outra peça de dureza conhecida medida através de um dos três processos: Brinnel, Rockwell ou Shore (PORTAL METÁLICA. Construções Metálicas: O uso do aço na construção civil. Disponível em: < http://www.metalica.com.br/>. Acesso em: 22 agos. 2012). 5. CLASSIFICAÇÃO Para uma correta caracterização de um aço que a respectiva composição química seja conhecida, exprime-se através de classificações ou códigos definidos por instituições internacionais. As mais relevantes são a American Iron andSteel Institute (AISI) e a DIN de origem alemã. 5.1 SISTEMA AMERICANO (AISI / SAE) O sistema de classificaçãoda AISI é frequentemente adotado pela Society of Automotive Engineers (SAE), pelo que é referido abreviadamente por AISI-SAE;consiste num sistema numérico de quatro ou cinco algarismos, indicando os dois (ou três) últimos o teor em carbono do aço em centésimos; os dois primeiros indicam se o aço é ou não ligado e qual o tipo de liga. 12 5.1.1 Exemplos AISI/SAE 1XXX - aço sem liga 1045 - aço sem liga com 0,45C 1145 - aço de corte fácil com 0,45C (com MnS) 1345 - aço de elevada resistência com 0,45C e 1,75Mn 2XXX - aço ao Ni 2345 - aço com 0,45C e 3,5Ni 2545 - aço com 0,45C e 5,0Ni 3XX - aço austenítico resistente à corrosão ou refratário 3XXX - aço ao Cr Ni 3145 - aço com 0,45C 1,25Ni e 0,60Cr 3245 - aço com 0,45C 1,75Ni e 1,0Cr 3345 - aço com 0,45C 3,50Ni e 1,55Cr 4XX - aço ferrítico ou martensítico resistente à corrosão ou refratário 4XXX - aço ao Mo 4045 - aço com 0,45C e 0,25Mo 4145 - aço com 0,45C 0,50 ou 0,95Cr e 0,25Mo 4345 - aço com 0,45C 1,80Ni 0,50 ou 0,80Cr e 0,25Mo 4645 - aço com 0,45C 1,80Ni e 0,25Mo 4845 - aço com 0,45C 3,5Ni e 0,25Mo 5XXXX - aço ao Cr 50100 - aço com 1C e 0,50Cr 51100 - aço com 1C e 1,00Cr 52100 - aço com 1 C e 1,45Cr 6XXX - aço ao Cr V 13 5.2 SISTEMA ALEMÃO (DIN) A especificação DIN 17 006 estabelece o modo de abreviar as diferentes composições de aços. Os aços sem liga são designados pela letra C seguida do respectivo teor em carbono em centésimos (Ck se o aço é de qualidade superior - aços ditos especiais, conforme critério a apresentar em seguida).Os aços ligados são classificados em fraca e fortemente ligados conforme não exista ou exista um elemento cujo teor seja pelo menos de 5%p. Os aços fracamente ligados são designados pelo seu teor em carbono em centésimos e pela descrição da natureza dos diferentes elementos de liga (pelo respectivo símbolo químico) e um ou mais números indicando o teor do (ou dos) elementos de liga, afetados por um fator multiplicador (4 ou 10) para que esse teor seja expresso por um número inteiro. Os aços fortemente ligados são designados pela letra X seguida do respectivo teor em carbono (em centésimos) e da descrição da natureza dos diferentes elementos de liga através do respectivo símbolo e seu teor nominal. 5.2.1 Exemplos DIN C45 - aço sem liga com 0,45C. Ck 45 - semelhante ao anterior mas de qualidade superior, dito aço especial. 45CrMo 4 - aço fracamente ligado com 0,45C 1Cr e Mo não quantificado. X200Cr12 - aço fortemente ligado com 2C 12Cr. 5.3 OUTROS CRITÉRIOS DE CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS 5.3.1 Conforme com a dureza no estado recozido Extra-macios (carbono inferior a 0,15%p); Macios (carbono entre 0,15 e 0,30%p); Meio-macios (carbono entre 0,30 e 0,40%p); 14 Meio-duros (carbono entre 0,40 e 0,60%); Duros (carbono entre 0,60 e 0,70%); Extra-duros (carbono superior a 0,70%); 5.3.2 Conforme o grau de desoxidação Efervescentes oxidados (oxigênio de ca. 0,08 %p); Efervescentes normais (oxigênio de ca. 0,03 %p); Semicalmados (oxigênio de ca. 0,01 %p); Calmados (oxigênio de ca. 0,008 %p); 5.3.3 Conforme a natureza da sua matriz Ferríticos; Perlíticos; Bainíticos; Martensíticos; Austeníticos; Ledeburíticos (alguns aços de alto teor em C e Cr); 5.3.4 Segundo a respectiva utilização Aços de construção, sendo exemplos a chapa de aço macio, o aço para betão armado e pré-esforçado, para material ferroviário, para fabrico de orgãos de máquinas, para estruturas metálicas, etc; Aços para ferramentas, sendo exemplos de produtos fabricados as matrizes, os moldes, os punções, as brocas, o material de corte, etc; 15 6. TIPOS DE CONEXÕES 6.1 SOLDADAS Figura 6.1: ligações soldadas Fonte: arquivo pessoal De acordo com o departamento de engenharia metalurgia e de materiais da UFMG (2009), a Soldagem é o processo de união de materiais (particularmente os metais) mais importante do ponto de vista industrial sendo extensivamente utilizada na fabricação e recuperação de peças, equipamentos e estruturas. A sua aplicação atinge desde pequenos componentes eletrônicos até grandes estruturas e equipamentos (pontes, navios, vasos de pressão, etc.). Existe um grande número de processos de soldagem diferentes, sendo necessária a seleção do processo (ou processos) adequado para uma dada aplicação. A tabela abaixo lista algumas das principais vantagens e desvantagens dos processos de soldagem. 6.1.1 Vantagens Juntas de integridade e eficiência elevadas; Grande variedade de processos; Aplicável a diversos materiais; Operação manual ou automática; Pode ser altamente portátil; Juntas podem ser isentas de vazamentos; Custo, em geral, razoável; Junta não apresenta problemas de perda de aperto. 16 6.1.2 Desvantagens Não pode ser desmontada; Pode afetar microestrutura e propriedades das partes; Pode causar distorções e tensões residuais; Requer considerável habilidade do operador; Pode exigir operações auxiliares de elevado custo e duração (ex.: tratamentos térmicos); Estrutura resultante é monolítica e pode ser sensível a falha total. 6.2 PARAFUSADAS Figura 6.2: ligações parafusadas Fonte: Virginia Pagno A utilização dos parafusos esta limitada às ligações de campo, devido ao custo elevado da furação das peças e do próprio parafuso. Já as ligações soldadas apresentam uso frequente em oficinas e fábricas. As dimensões dos parafusos são expressas em polegadas. As ligações aparafusadas devem atender a distância mínima entre as linhas de centro dos furos que não deve ser inferior a 2.7d, de preferência 3d, sendo "d" o diâmetro nominal do furo. Já a distância mínima a partir do centro de um furo a qualquer bordo deve ser consultada pela NB-14 que apresenta outras limitações quanto as distâncias referidas. 17 6.2.1 Classificação de parafusos com cabeça sextavada Parafusos comuns ou pretos: são utilizados em estruturas leves e peças de menor importância estrutural, são conhecidos também como parafusos de tolerância grossa. Parafusos usinados ou de tolerância fina: apresentam custo elevado e são empregados em estruturas sujeitas a cargas dinâmicas, como vigas de rolamento e pontes ferroviárias. Parafusos de alta resistência: são utilizados em ligações que transmitem cargas estáticas e dinâmicas. Resistem aos esforços de cisalhamento transmitidos por atrito. 6.3 COMPORTAMENTO DAS CONEXÕES Modela-se uma conexão como flexível (articulação) ou rígida (engastamento). Ao se aplicar um momento fletor, uma ligação rígida não permite rotação, ou seja, o ângulo de rotação entre as partes conectadas é zero. Na ligação flexível, ao contrário, esse ângulo seria infinito, ou seja, a rotação é livre. É claro que, na prática, esses limites são inatingíveis. Por análise experimental, pode-se determinar o valor do ângulo de rotação entre projeto, as ligações “mais rígidas” são admitidas como rígidas, e as ligações “menos rígidas”, como flexíveis. Atualmente, é possível considerar, via programas de computador, a semirrigidez das ligações. (PIGNATTA,2009). 6.3.1 Conexões Flexíveis As conexões flexíveis devem ser concebidas de maneira a garantir: que as reações de apoio sejam transmitidas ao pilar ou viga que as recebem; a rotação de uma peça em relação à outra no plano da flexão (plano da alma no caso de uma viga com seção em forma de “I” ou “U” fletida em torno do eixo de maior inércia); e que a rotação em torno doeixo longitudial seja impedida. (PIGNATTA, 2009). 18 Figura 6.3: conexão tipo flexível Fonte: Arquivo pessoal 6.3.2 Conexões Rígidas As conexões rígidas devem ser concebidas de forma a garantir: que as reações de apoio sejam transmitidas ao pilar ou viga que as recebem; e que a rotação em torno do eixo longitudinal e a rotação de uma peça em relação à outra no plano da flexão sejam impedidas. Os esforços externos são transferidos através dos pilares, por meio de momento fletor, força cortante e força normal de compressão ou de tração. PIGNATTA (2009). Figura 6.4: conexão tipo rígida Fonte: Arquivo pessoal 7. PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO O aço em contato com o meio ambiente tende a se oxidar pela presença de O2 e H2O, começando pela superfície do metal até a sua total deterioração. Algumas soluções reduzem ou mesmo eliminam a velocidade da corrosão, entre elas podemos sugerir a utilização de aços resistentes à corrosão atmosférica, aplicação de zincagem e pintura. 19 7.1 AÇOS RESISTENTES À CORROSÃO ATMOSFÉRICA 7.1.1 Aços Inoxidáveis São obtidos pela adição de níquel e cromo, porém seu uso é restrito em edificações. 7.1.2 Aços Patináveis ou Aclimáveis (CORTEN) São obtidos pela adição de cobre e cromo. Algumas siderúrgicas adicionam níquel, vanádio e nióbio. São encontrados na forma de chapas, bobinas e perfis laminados. Apresentam resistência à corrosão atmosférica até oito vezes maior que os aços-carbono comuns; resistência mecânica na faixa de 500Mpa e boa soldabilidade. A sua utilização não exige revestimento contra corrosão, devido a formação da “pátina”(camada de óxido compacta e aderente) em contato com a atmosfera. O tempo necessário para a sua completa formação varia em média de 2 a 3 anos conforme a exposição do aço, ou pré-tratamento em usina para acelerar o processo. Estudos verificam que os aços apresentam bom desempenho em atmosferas industriais não muito agressivas. Em atmosferas industriais altamente corrosivas seu desempenho é bem menor, porém superior à do aço-carbono. Em atmosferas marinhas, as perdas por corrosão são maiores do que em atmosferas industriais, sendo recomendada a utilização de revestimento. 7.1.2.1 Cuidados em seu uso sem revestimento Devem ser removidos resíduos de óleo e graxa, respingos de solda, argamassa e concreto, bem como a carepa de laminação; Devem receber pintura regiões de estagnação que possam reter resíduos ou água; Regiões sobrepostas, frestas, articulação e juntas de expansão devem ser protegidas do acúmulo de resíduos sólidos e umidade. Materiais adjacentes aos perfis expostos à ação da chuva devem ser protegidas nos primeiros anos devido a dissolução de óxido provocada; Acompanhamento periódico da 20 camada de pátina, pois caso não ocorra a formação, a aplicação de uma pintura de proteção torna-se necessária. 7.1.2.2 Cuidados em seu uso com revestimento Devem receber pintura, os aços patináveis utilizados em locais onde as condições climáticas não permitam o desenvolvimento da pátina protetora, quando expostas à atmosfera industrial altamente agressiva, atmosfera marinha severa, regiões submersa e locais onde não ocorram ciclos alternados de molhagem e secagem, ou quando for uma necessidade imposta o projeto arquitetônico. Os aços patináveis apresentam boa aderência ao revestimento com desempenho duas vezes maior que o aço-carbono comum. Antes da pintura devem ser removidos resíduos de óleo e graxa, respingos de solda ou quaisquer outros materiais, além de carepas de laminação. 7.2 ZINCAGEM O processo de corrosão dos metais está diretamente relacionado com o potencial de oxidação de eletrodo, que remove os elétrons do ferro formando cátions Fe++, quanto mais positivo for o potencial de oxidação, mais reativo é o metal. A proteção pelo uso de zinco consiste em combinar o zinco com o ferro, resultando no zinco como anodo e o ferro como cátodo, prevenindo assim a corrosão do ferro, uma vez que o zinco atua como uma barreira protetora evitando a entrada de água e ar atmosférico, além de sofrer corrosão antes do ferro. Este tratamento garante à peça uma maior durabilidade, já que a corrosão do zinco é de 10 a 50 vezes menor que no aço em área industriais e rurais, e de 50 a 350 vezes em áreas marinhas. 21 7.3 GALVANIZAÇÃO A galvanização é o processo de zincagem por imersão a quente, que consiste na imersão da peça em um recipiente com zinco fundido a 460°C. O zinco adere à superfície do aço através da formação de uma camada de liga Fe-Zn, sobre a qual deposita-se uma camada de zinco pura de espessura correspondente a agressividade do meio a qual a peça será submetida. Para garantir uma proteção ainda maior contra a corrosão costuma-se aplicar tintas sobre as superfícies zincadas. 7.4 PINTURA A proteção contra corrosão através de pintura consiste em criar uma barreira impermeável protetora na superfície exposta do aço através de aplicação de esmaltes, vernizes, tintas e plásticos. 7.4.1 Etapas do processo de pintura • Limpeza da superfície: pode ser feita através de escovamento, aplicação de solventes e jateamento; • Aplicação de primer: garante aderência a camada subseqüente; • Camada intermediária: fornece espessura ao sistema; • Camada final: atua como barreira protetora, além da finalidade estética. 22 7.5 AÇOS – LIGA Com a adição de cobre, cromo, silício, fósforo e níquel são obtidos aços de baixa liga que se caracterizam pela formação de uma película aderente que impede a corrosão, podendo ser empregado sem pintura com restrições em atmosfera marítimas. Para diminuir o processo de corrosão do aço sob a água ou atmosfera marítima, utiliza-se uma percentagem de 0.1 a 0.2% de cobre. Para estruturas aparentes deve-se tomar cuidado, uma vez que na primeira fase de corrosão os produtos resultantes do processo podem manchar outros elementos estruturais. 8. PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO O aço quando atacado pelo fogo apresenta resistência reduzida e uma redução brusca do seu estado limite de escoamento a partir de 400°C, atingindo valores críticos em temperaturas em torno de 550°C. Quando recebem proteção adequada para o tempo de duração do fogo, as estruturas metálicas recuperam suas propriedades após cessado a ação do fogo, além das suas funções estáticas. 8.1 AMIANTO A aplicação do amianto consiste na utilização de um equipamento especial que projeta uma polpa de fibras (amianto) que se adere perfeitamente à superfície onde é aplicado. A porosidade decorrente do método de aplicação, aliada às propriedades do amianto, torna este material um dos mais eficientes contra o fogo. 8.2 VERMICULITA A vermiculita é um material inorgânico também bastante empregado como isolante 23 térmico, devido a sua baixa condutibilidade térmica. A vermiculita sob a forma de placas, ou como argamassa com cimento, cal e água. 8.3 GESSO Empregado sob a forma de argamassa ou placas, temos o gesso armado com fibra, que é bastante utilizado em forros para proteção do vigamento e da laje. 9. ELEMENTOS ESTRUTURAIS Conceber uma estrutura é o ato de posicionar os elementos portantes e definir suas interações para que elas transmitam os carregamentos para o solo de forma segura e econômica. É comum, na área das estruturas de aço, não haver soluções estruturais preestabelecidas, mas alternativas a serem escolhidas para cada obra em função do uso eda funcionalidade, da concepção arquitetônica e da economia (PIGNATA, 2010). 9.1 ELEMENTOS BÁSICOS Figura 9.1: elementos estruturais básicos Fonte: PANNONI, 2010 • Lajes: são elementos estruturais planos onde as dimensões em duas direções prevalecem uma terceira. Normalmente se apresentam na posição horizontal, e são elas que recebem as cargas que agirão sobre a estrutura. As lajes podem ser tetos e pisos. (SESEC, 2006) 24 • Paredes estruturais: são geometricamente similares às lajes, entretanto as forças atuam paralelamente à face formada pelas duas maiores dimensões. (PANNONI, 2010) • Vigas: são os elementos da estrutura que recebem as reações das lajes, e eventualmente de outras vigas, e as transmitem para os pilares. São elementos geralmente horizontais, sujeitos a cargas transversais ao sei eixo longitudinal, trabalhando essencialmente à flexão. (REBELLO, 2000) • Pilares: é um elemento estrutural vertical usado normalmente para receber os esforços verticais de uma edificação e transferi-lo para outros elementos, como as fundações. Desta forma, é considerado o elemento estrutural de maior importância dentro do sistema de estruturas. (VIDEO LIVRARIA, 2005) • Blocos de fundação: Elementos que possuem as três dimensões com valores da mesma ordem de grandeza. (PANNONI, 2010) 9.2 APOIOS Para compor a estrutura, os elementos de aço (vigas e pilares) são conectados entre si ou a outros elementos estruturais (lajes e blocos), ou seja, há elementos que se apoiam em outros que lhes servem de apoio. As conexões vinculam os nós das barras impedindo ou limitando determinados deslocamentos. Os apoios são classificados em função dessa limitação. (PANNONI, 2010) • Articulação móvel: impede o deslocamento ortogonal à linha de vinculação, permitindo o deslocamento paralelo a ela e a rotação em torno do vínculo. • Articulação fixa: impede o deslocamento ortogonal e paralelo à reta de vinculação e permite a rotação em torno do vínculo. • Engastamento: impede o movimento ortogonal e paralelo à reta de vinculação e a rotação em torno do vínculo. 9.3 SUBESTRUTURAS A união entre elementos formam subestruturas que podem ser planas ou tridimensionais. (PIGNATA, 2010) • Pórtico plano: subestrutura formada por pilares e vigas coplanares sujeitas a forças no mesmo plano. Pode ser indeslocável ou deslocável. 25 • Treliça plana: subestrutura formada por barras coplanares articuladas entre si submetidas a forças aplicadas nos nós. • Treliça tridimensional: subestrutura formada por barras não complanares articuladas entre si e sujeita a forças aplicadas nos nós. 10. FLAMBAGEM Flambagem, na prática, corresponde ao fenômeno de peças esbeltas se deslocarem transversalmente à linha de ação de força da força aplicada. Isso ocorre quando a força aplicada atinge um valor superior ao da carga crítica. 10.1 FLAMBAGEM DE PILARES Para evitar a flambagem nas estruturas, principalmente nas esbeltas, deve-se proceder ao aumento da seção transversal da barra ou alterar a sua vinculação. Também se pode evitar esse problema reduzindo o comprimento da flambagem por travamentos, levando a soluções estruturais mais econômicas do que mudar a seção transversal ou a vinculação. Outros tipos de flambagem particulares aos pilares das estruturas metálicas são: • flambagem por torção: característica dos pilares de seção cruciforme. Quando as quatro chapas flambam por flexão, simultaneamente e no mesmo sentido, ocorre a flambagem por torção da seção. Figura 10.1: flambagem por torção Fonte: DIAS (1997) 26 • flambagem por flexo-torção: característica das seções esbeltas em forma de “L” ou “U”, corresponde ao resultado simultâneo das flambagens por torção e por flexão. Figura 10.2: flambagem por flexotorção Fonte: DIAS (1997) 10.2 FLAMBAGEM DE VIGAS Outro tipo de flambagem que ocorre quase que exclusivamente nas vigas metálicas é a flambagem lateral das vigas. Ela é fundamental para o cálculo das vigas metálicas não continuamente travadas, isto é, que não tem o seu deslocamento lateral impedido. Supondo uma viga metálica de seção transversal “I” com deslocamento lateral desimpedido, submetida a um carregamento distribuído ou concentrado, ela flete, gerando compressão na mesa superior e tração na mesa inferior. Quando a mesa superior for sujeita a uma carga superior ao da carga crítica por compressão, a mesa tende a flambar por flexão. Porém, como a mesa superior está ligada pela alma à mesa inferior, esta interfere no deslocamento da mesa superior, resultando em um movimento composto de: “deslocamento lateral (flexão lateral), rotação (torção) da seção da viga e empenamento (a seção deixa de ser plana após a deformação)” (DIAS, 1997). 27 Figura 10.3: flambagem lateral de vigas. Fonte: DIAS (1997) 11. TIPOS DE FECHAMENTOS As estruturas metálicas permitem grande flexibilidade quando o assunto é a escolha dos sistemas de fechamento horizontal (lajes) e vertical (paredes). De maneira geral, podemos dizer que é possível utilizar todas as alternativas de fechamento existentes no mercado, desde as mais convencionais até as mais inovadoras. A especificação dependerá do tipo de projeto e de suas características específicas: exigências econômicas, estéticas, necessidade de rapidez de execução, etc. Dessa forma, o arquiteto tem total liberdade para optar pelo uso da solução mais adequada. 11.1 FECHAMENTOS HORIZONTAIS Dentre os diversos tipos de lajes usualmente empregadas, podemos destacars: • laje de concreto moldada "in loco"; • laje de painel armado de concreto celular; • laje pré-fabricada protendida; 28 • pré-laje de concreto; • laje mista; • laje de painel de madeira e fibrocimento; • laje com forma metálica incorporada - "steel deck". 11.2 FECHAMENTOS VERTICAIS Igualmente como acontece com as lajes, as estruturas metálicas possuem compatibilidade com uma grande diversidade de materiais de vedação. Destacamos abaixo algumas dessas soluções: • alvenarias: de tijolos de barro, blocos cerâmicos, blocos de concreto ou de concreto celular; • painéis: de concreto celular, concreto colorido, solo-cimento, aço, gesso acartonado ("dry- wall"). É importante deixar claro que não existem fatores de ordem técnica que impeçam o uso de estruturas metálicas em conjunto com alvenarias. Para tanto é necessário apenas que o projetista detalhe as uniões entre os diferentes materiais o que evitará o aparecimento de patologias como trincas ou fissuras. Entre os detalhes mais comumente empregados podemos destacar: • junta pilar/alvenaria: utilização de barras de aço de espera (também conhecida como "ferro cabelo"), com 5 mm de diâmetro e 30 a 40 cm de comprimento, soldadas ao perfil aproximadamente a cada 40 cm e solidarizadas à alvenaria durante o seu assentamento; • junta viga/alvenaria: aplicar entre a face inferior da viga e a alvenaria, material deformável (cortiça, isopor ou poliestireno), arrematados por mata-juntas ou selantes flexíveis. Com relação aos demais materiais utilizados como fechamento, é necessário consultar os catálogos técnicos de seus respectivos fabricantes, onde poderão ser encontradas informações úteis com relação às melhores soluções de detalhamento entre a estrutura e o conjunto de vedação. 29 12. TIPOS DE PERFIS PARA EDIFÍCIOS 12.1 PERFIS PARA COLUNAS As colunas de edifícios são dimensionadas fundamentalmente à compressão. São utilizados então perfisque possuam inércia significativa também em relação ao eixo de menor inércia, como é o caso dos perfis “H” que têm largura da mesa, igual ou próxima à altura da seção. A figura abaixo mostra alguns perfis utilizados como colunas: Figura 12.1: tipos de perfis para colunas Fonte: arquivo pessoal 12.2 PERFIS PARA VIGAS Os perfis de aço utilizados nas vigas dos edifícios são dimensionados pressupondo-se que terão a mesa superior travada pelas lajes. Neste conceito, as vigas não estarão portanto sujeitas ao fenômeno da flambagem lateral com torção. No caso de vigas bi-apoiadas, é comum usar vigas mistas onde o perfil em aço trabalha solidário com a laje, obtendo-se uma solução mais econômica. A figura abaixo mostra o funcionamento de algumas soluções para as vigas de estrutura metálica: 30 Figura 12.2: tipos de perfis para vigas Fonte: arquivo pessoal 12.3 PERFIS PARA OS CONTRAVENTAMENTOS As seções dos perfis para contraventamentos costumam ser leves. Sua escolha leva em conta a esbeltez e a a resistência aos esforços normais. No caso de edifícios a esbeltez das peças tracionadas principais é limitada a 240 mm e das comprimidas limitadas a 200 mm. Os perfis comumente utilizados são os da figura abaixo: Figura 12.3: tipos de perfis para contrabentamentos Fonte: arquivo pessoal 31 12.4 LAJES DE PISO As lajes deverão ser convenientemente ancoradas às mesas superiores das vigas, através dos conectores (vide a seguir) para que façam parte da “viga mista”. As soluções usuais para lajes, no caso de vigas mistas em edifícios de andares múltiplos, são mostradas a seguir: 12.4.1 Laje fundida in-loco É ainda a solução mais econômica no país, apresenta a desvantagem de exigir formas e cimbramentos durante a fase de cura. Figura 12.4: laje fundida em loco Fonte: arquivo pessoal 12.4.2 Laje com forma em aço, incorporada A laje é fundida in-loco sobre forma de chapa de aço conformada, capaz de vencer os vãos entre vigas, e que inclusive passa a ser a ferragem positiva da laje. É um sistema que tem vantagem de prescindir, em boa parte dos casos, de formas e escoras durante a cura, liberando dessa forma a área sob a laje para outros trabalhos. Além disso, a seção transversal da forma abre espaço para passagem dos dutos e cabos de utilidades. 32 Figura 12.5: laje com forma metálica Fonte: arquivo pessoal 12.4.3 Laje pré-moldada Nesse caso o painel pré-moldado de laje é colocado diretamente sobre a viga de aço sem a necessidade de escoramentos e com a vantagem da liberação imediata da área para outros serviços. Esse sistema exige cuidado especial para a execução da ancoragem da laje na mesa superior da viga de aço, com vistas ao funcionamento como viga mista. Figura 12.6: laje pré-moldada Fonte: arquivo pessoal 33 13. ESTRUTURAS MISTAS As estruturas constituídas de vários materiais trabalhando em conjunto para suportar esforços são denominados estruturas mistas. É o caso de vigas, lajes e pilares de aço e concreto. Figura 13.1: exemplo de estrutura de edifício metálico e misto Fonte: arquivo pessoal 13.1 LAJES MISTAS Uma laje de concreto demandada armadura inferior para resistir aos esforços de tração. No caso das lajes mistas, essa armadura é substituída por uma fôrma de aço (Figura 13.2), que passa a exercer as duas funções: a de armadura e de fôrma propriamente dita. As vantagens do uso da fôrma de aço incorporada são: economia de concreto devida às reentrâncias da fôrma; limpeza da obra, pois a fôrma serve de plataforma de trabalho; eliminação de pontaletes, se os vãos entre as vigas-suporte da fôrma forem de até 3 m; rapidez de montagem; incorporação de tubulações e outras utilidades nas ondas da fôrma; eliminação da desfôrma, entre outras. Algumas desvantagens são: necessidade do uso de forro falso para esconder a fôrma por razões estéticas; maior quantidade de vigas secundárias para suportar a fôrma caso se opte por não usar pontaletes; e pode ser necessária uma armadura inferior para resistir aos esforços, em caso de incêndio, dependendo das exigências de resistência ao fogo. Portanto, é necessário um estudo econômico para verificar a viabilidade do seu uso. (PANNONI, 2010) 34 Figura 13.2: laje mista de aço e concreto Fonte: PIGNATA (2010) 13.2 PILARES MISTOS A NRB 8800 provê recomendações para o dimensionamento de quatro tipos de pilares mistos de aço e concreto. São eles: pilar parcialmente revestido (Figura 13.3a), pilar totalmente revestido (Figura13.3b), pilar circular (Figura13.3c) e pilar preenchido tubular retangular (Figura13.3d). (a) (b) (c) (d) Figura 13.3: exemplos de secções mistas em pilares Fonte: FCTUC (2003) A principal vantagem do pilar misto é aproveitar a maior resistência do aço e maior rigidez da estrutura de concreto, em razão de suas maiores dimensões, conferindo ao sistema misto maior capacidade resistente e menos deslocabilidade lateral da edificação. Aumenta-se também, significativamente, a resistência ao fogo. Entretanto, os pilares com faces aço expostas ao eventual incêndio não estão automaticamente isentas de revestimento contra o fogo. Deve-se fazer a verificação estrutural em incêndio. (PIGNATA. 2010) 35 13.3 VIGAS MISTAS Em obras de edifícios de médios e de grande porte, em que se usam vigas isoestáticas de aço sob lajes de concreto, quase sempre é mais econômico o uso de vigas mistas. A flexão de uma viga isoestática causa compressão na mesa superior do perfil. A laje de concreto pode ser colaborante, ou seja, contribuir na capacidade resistente à compressão, reduzindo, assim, as dimensões do perfil. Além disso, há redução da flecha. Figura 13.4: exemplos de secções mistas em vigas Fonte: FCTUC (2003) 14. APLICAÇÕES 14.1 MUNDO 14.1.1 Edifício Berliner Bogen, Hamburgo – Alemanha Ficha técnica Obra: Edificio Berliner Bogen Incorporador: Backen Inverstitionen & Vermogensverwaltung Local: Hamburgo, Alemanha Projeto: 1998 Conclusão da obra: 2002 Área construída: 43 000m² Área da pele de vidro externa: 15 000m² Arquitetura: BRT Architekten – Bothe, Richter, Teherani Estrutura: Binnewies, Beratender Ingenieur VBI 36 Figura 14.1: dupla pele de vidro, aproveitamento da geometria da edificação, que cria um sistema de energia regenerativa. Fonte: Schüco International Figura 14.2: arcos de aço, que se elevam a 36 metros de altura Fonte: Schüco International Figura 14.3: Jardins de inverno nos grandes átrios contribuem como interface climática entre o interior e o exterior do prédio Fonte: Schüco International 37 Figura 14.4: corte transversal Fonte: arquivo pessoal 14.1.2 Escritórios da Swiss Re, Londres – Inglaterra Ficha técnica Obra: Sede da Swiss Re Cliente: Swiss Reinsurance Company Local: Londres, Inglaterra Projeto: Junho de 1997 Conclusão da Obra: Dezembro de 2003 Área construída: 46 000m² Arquitetura: Foster and Partners Figura 14.5: O esqueleto que sustenta a torre é composto por uma estrutura diagonal construída com perfis metálicos de aço de alta resistência, tendo como base uma malha triangular Fonte: Nigel Young 38 Figura 14.6: O corpo cilíndrico - oferece melhor solução à transmissãode cargas de vento para a estrutura Fonte: Nigel Young Figura 14.7: Estudos de transmissão das cargas de vento Fonte: arquivo pessoal Figura 14.8: O sistema de fachada externa - fachada-cortina ancorada na grelha metálica estrutural – e a interna, que protege os ambientes de trabalho Fonte: Nigel Young 39 Figura 14.9: Estudo do núcleo do edifício contendo os andares-tipos e os grandes átrios Fonte: arquivo pessoal Figura 14.10: Entre as duas fachadas estão os poços de luz - colaboram no sistema de iluminação e ventilação naturais Fonte: Nigel Young 40 Figura 14.11: planta baixa térreo Fonte: arquivo pessoal Figura 14.12: planta baixa lobby e bar na cobertura Fonte: arquivo pessoal 41 14.1.3 Museu da Bretanha, Rennes – França Ficha técnica Obra: Museu da Bretanha, biblioteca e Espaço das Ciências Local: Rennes, França Data do concurso: 1993 Área do terreno: 6 500m² Área construída: 34 600m² Arquitetura: Atelier Christian de Portzamparc – Christian de Portzampac (autor); Lea Xu, Marie-Elisabeth Nicouleau, Jean Charles Chaulet, Karol Claverie, Wilfrid Belcourt e Isabelle Ragot (equipe do concurso); Benoit Juret (coordenador ate 1999); Oliver Fouchet (coordenador de 2004 a 2006); Figura 14.13: Vista noturna da biblioteca e do cone do planetário Fonte: Christophe Le Dévéhat Figura 14.14: A fachada norte está alinhada com a avenida principal Fonte: Nicolas Borel 42 Figura 14.15: O conjunto destaca-se dos edifícios localizados em seu entorno, mas busca diálogo com eles por meio de cores e materiais Fonte: Kamal Khalfi Figura 14.16: Vista interna com a base da pirâmide invertida, à esquerda, e Espaço das Ciências, à direita Fonte: Kamal Khalfi Figura 14.17: Vista de uma das salas de leitura da biblioteca Fonte: Nicolas Borel 43 Figura 14.18: planta baixa 5º pavimento 1.sala da biblioteca/2.planetário/3.escritório Fonte: arquivo pessoal Figura 14.19: corte AA Fonte: arquivo pessoal Figura 14.20: corte BB Fonte: arquivo pessoal 44 14.2 BRASIL 14.2.1 Agência de Automóveis, São Paulo – SP Ficha técnica Obra: Revenda Savarauto Cliente: Centro de Microcirurgia Ocular de Curitiba Local: Porto Alegre, RS Início do projeto: 1998 Conclusão da obra: 1999 Área do terreno: 8 000m² Área construída: 6 100m² Arquitetura: Pedro Gabriel Arquitetos Associados Paisagismo: Lea Japur Construção: Pré Molde Figura 14.21: Fachada curva e inclinada confere ao edifício aspecto high-tech Fonte: Liane Neves Figura 14.22: A marquise-brise de metal sombreia a fachada Fonte: Alan Brugier 45 Figura 14.23: Grande abertura de vidro Fonte: Alan Brugier Figura 14.24: Planta baixa térreo Fonte: arquivo pessoal 46 Figura 14.25: Corte AA Fonte: arquivo pessoal Figura 14.26: Elevação principal Fonte: arquivo pessoal 14.2.2 Academia Sumaré Sports, São Paulo – SP Ficha técnica Obra: Academia de Esportes Local: São Paulo, SP Início do projeto: 1994 Conclusão da obra: 2003 Área do terreno: 1 000m² Área construída: 1 100m² Arquitetura: Henrique Reinach e Maurício Mendonça (autores); Ricardo Karman (co-autor); Denise Hino, Ernesto Hirakawa, Flávia Cancian, Luciana Maki, Maurício Takahashi e Mirelle Alves (colaboradores) Estrutura: Engmetal Construção: K&K Figura 14.27: A fachada arborizada, ressalta a alternância entre transparências e opacidade Fonte: Patrícia Cardoso 47 Figura 14.28: A marquise metálica, com forro de madeira, marca o acesso Fonte: Patrícia Cardoso Figura 14.29: A sala de musculação avança em balanço sobre a piscina Fonte: Patrícia Cardoso Figura 14.30: Elevação Fonte: arquivo pessoal 48 Figura 14.31: Planta baixa térreo Fonte: arquivo pessoal Figura 14.32: Mezanino 13.Musculação/14.Administração Fonte: arquivo pessoal 14.2.3 Barra Shopping Sul, Porto Alegre – RS Ficha técnica Obra: Barra Shopping Sul Incorporado: Multiplan Local: Porto Alegre, RS Início do projeto: 2006/2007 Conclusão da obra: novembro de 2008 Área do terreno: 190 595m² Área construída: 96 400m² Arquitetura: Paulo Baruki Arquitetura Estrutura Metálica: RCM –Raimundo Calixto Construção: Racional 49 Figura 14.33: As fachadas ganham o contraste dos materiais empregados na sua construção Fonte: Cida Paiva Figura 14.34: devido à proximidade do rio Guaíba, as estruturas metálicas ganharam leveza Fonte: Cida Paiva Figura 14.35: Para as claraboias foram utilizados vidros laminados refletivos Fonte: Cida Paiva 50 Figura 14.36: Claraboias usam vidros laminados refletivos com coeficiente de sombreamento de 0,38 Fonte: Cida Paiva Figura 14.37: o projeto contempla os usuários com as vistas do entorno Fonte: Cida Paiva 51 Figura 14.38: Implantação Fonte: arquivo pessoal 14.2.4 Biblioteca Central da Unitri, Uberlândia – MG Ficha técnica Obra: Biblioteca Central da Unitri Local: Uberlândia, MG Conclusão da obra: 2007 Área do terreno: 6 730m² Área construída: 4 500m² Arquitetura: Cláudia Mafra Mosqueira Figura 14.39: Estrutura metálica aparente Fonte: Jaime Silva 52 Figura 14.40: Detalhe das estruturas metálicas de apoio da caixa Fonte: Jaime Silva Figura 14.41: Os fechamentos ganharam vidro temperado refletivo azul Fonte: Jaime Silva 53 Figura 14.42: Planta baixa térreo Fonte: arquivo pessoal 14.2.5 Biblioteca e ambulatório de fisioterapia, Campinas – SP Ficha técnica Obra: Biclioteca central e ambulatório de fisioterapia da PUC Local: Campinas, SP Início do projeto: 2004 Conclusão da obra: 2005 Área do terreno: 13 740m² Área construída: 3 100m² (biblioteca); 4 300m² (ambulatório) Arquitetura: Piratininga Arquitetos Associados – José Armênio de Brito Cruz, Marcos Aldrighi, João Benger e Renato Semin (autores); Fabiana Stuchi (coordenadora da equipe) Estrutura Metálica: Grupo Dois Construção: Costa Feitosa (biblioteca); Construcione (ambulatório) 54 Figura 14.43: A esplanada e os dois edifícios: à esquerda, a biblioteca; à direita, o ambulatório Fonte: Bebete Viégas Figura 14.44: Detalhe do acesso à biblioteca Fonte: Bebete Viégas Figura 14.45: O conjunto de quatro pilares, em forma de “mesa”, compõe um dos quatro pontos de apoio da biblioteca Fonte: Bebete Viégas 55 Figura 14.46: Detalhe do interior das rampas Fonte: Bebete Viégas Figura 14.47: Implantação 1.biblioteca/2.ambulatório/3.esplanada Fonte: arquivo pessoal 56 Figura 14.48: Vista Lateral Fonte: arquivo pessoal Figura 14.49: Perspectiva estrutural da biblioteca central Fonte: arquivo pessoal 14.2.6 CEU Guarulhos Pimentas, Guarulhos – SP Ficha técnica Obra: CEU Guarulhos Pimentas Local: Guarulhos, SP Início do projeto: 2008 Conclusão da obra: 2008/2010 Área do terreno: 30 780m² Área construída: 16 000m² Arquitetura: Bissello e Katchborian Arquitetos Associados – Mario Biselli e Artur Katchborian (autores); Paulo Roberto dos Santos Barbosa, Luiz
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