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/SISTEMAS ESTRUTURAIS METAL - UNIDADE I 📌 Generalidades e fundamentos do Aço O ferro é amplamente utilizado pelo homem desde épocas pré-históricas, já o aço teve sua maior utilização na construção civil após a Revolução Industrial. O processo de produção do aço exige grandes recursos, porém ele é reciclável e reutilizável. Suas utilizações práticas podem ser em casas, estruturas de cobertura, galpões, pontes e edifícios de vários andares. PatCenter Richard Rogers, 1986 🔻Aços estruturais utilizados no Brasil Para utilização na construção civil, atualmente, os aços assim denominados (aços estruturais) são os que possuem propriedades mecânicas adequadas para utilização em componentes das estruturas (ditas resistentes) que suportam cargas. Geralmente os aços-carbono são feitos a partir da liga de minério de ferro e carbono, em função da concentração do carbono se dá a classificação abaixo: ➥ Baixo carbono: C ≤ 0,30% ➥ Médio carbono: 0,30% < C < 0,50% ➥ Alto carbono: C ≥ 0,50% * A concentração de carbono pode chegar até 2,11%, quando esse valor é ultrapassado ao invés de ser aço-carbono se torna ferro fundido. O aumento do teor de carbono produz redução da ductilidade, o que acarreta problemas na soldagem. No entanto, os aços-carbono considerados na classificação de baixo carbono ou médio carbono podem ser soldados sem precauções especiais, sendo assim os mais adequados à construção civil. Ductilidade é a capacidade que os materiais têm de se deformar antes da ruptura. É o oposto de fragilidade. ➥ Resistência característica ao escoamento – os tipos mais comuns de aços possuem 2750 kgf/cm² e 3350 kgf/cm² de resistência ao escoamento, respectivamente. ➥ As estruturas metálicas são as estruturas mais parecidas com a Resistência dos Materiais. ➥ Aços de maior resistência contém maiores níveis de carbono. ➥ Sob carregamento e descarregamento cíclicos, estruturas metálicas podem desenvolver fissuras microscópicas na superfície, devido à ‘fadiga’. 🔻 Exemplos de classificação na tabela fy= resistência do escoamento do aço fu = resistencia à ruptura do aço sob tração. 🔻 Aços resistentes à corrosão atmosférica A adição, em pequenas proporções, de elementos de liga como o cobre, cromo, fósforo e silício, criou o grupo de aços patináveis ou aclimátaveis, com excelente resistência à corrosão atmosférica aliada à resistência mecânica adequada. Esses tipos de aços são bem mais caros e sua utilização é feita apenas em casos de necessidade. 🔻 Principais propriedades físicas e mecânicas dos aços estruturais Comparando a massa específica e módulo de elasticidade de outros materiais: O concreto armado é p= 25 kN/m³ e E = 30.000 MPa a E= 40.000 MPa A madeira (dependendo da árvore) varia de p= 5 kN/m³ a p= 10 kN/m³ O valor da resistência à ruptura do aço fu é superior à resistência ao escoamento do aço fy. Elasticidade ➥ Capacidade de o elemento voltar à forma original após sucessivos ciclos de carregamento e descarregamento. ➥ A deformação elástica é reversível: desaparece quando a tensão é removida. ➥ A deformação plástica é irreversível: não desaparece quando a tensão é retirada. Dureza ➥ Trata-se da resistência ao risco ou abrasão. ➥ Mede-se a dureza pela resistência que a superfície do material oferece à penetração de uma peça de maior dureza. É de extrema importância conhecer a dureza para o processo de estampagem das chapas de aço. Resiliência ➥ É a capacidade de absorver energia mecânica em regime elástico ou a de restituir energia mecânica absorvida. Ou simplesmente resiliência é a quantidade de energia elástica absorvida por unidade de volume. Tenacidade ➥ Quantidade de energia, absorvida por unidade de volume até sua ruptura. ➥ Em tração simples, a tenacidade é representada pela área total do diagrama tensão x deformação. Resistência à fadiga ➥ Ruptura de um material quando da ocorrência de esforços cíclicos ou repetidos. ➥ A ruptura da fadiga é sempre frágil, mesmo que aconteça em materiais dúcteis. ➥ A verificação quanto à fadiga é fundamental nos casos de ponte rolante, pontes rodoviárias e ferroviárias. Efeito de temperatura elevada ➥ As temperaturas elevadas modificam as propriedades físicas dos aços. ➥ As temperaturas elevadas reduzem as resistências ao escoamento e à ruptura, em alguns casos também provocam fluência dos aços. ➥ No caso de incêndios em prédios com estrutura de aço, primeiramente há que se esclarecer que o material em geral estará protegido termicamente por pinturas intumescentes, argamassas leves (compostas por lãs minerais, vermiculita expandida, fibras cerâmicas etc.) ou outras proteções passivas. Fluência ➥ É o fenômeno pelo qual metais e ligas tendem a sofrer deformações plásticas quando submetidos por longos períodos a tensões constantes, porém inferiores ao limite de escoamento do material. ➥ À temperatura ambiente, a deformação das estruturas metálicas é muito pequena, a não ser que a carga adquira uma tal intensidade que se aproxima da tensão de ruptura. 🔻 Produtos do aço Duas famílias de perfis nas estruturas de aço: Estruturas em barras (reticuladas) que são os perfis laminados e soldados e as estruturas painelizadas que são os perfis formados a frio. ➥ Chapas finas a frio: espessura-padrão de 0,30 mm a 2,65 mm. ➥ Chapas zincadas: espessura-padrão de 0,25 mm a 1,95 mm. * São revestidas nas duas faces por zinco, que protege contra a corrosão, portanto tem a resistência à corrosão elevada. São muito utilizadas para telhas, rufos e calhas metálicas. ➥ Chapas finas a quente: espessura-padrão de 1,20 mm a 5,00 mm. ➥ Chapas grossas: espessura-padrão de 6,30 mm a 102 mm. Perfis soldados Montados da união de chapas usando soldas, formando seções transversais I, C (ou U), H, tubulares e caixão. Nomenclatura: vs = viga soldada (utilizado como viga) cs = coluna soldada (utilizado como pilar) cvs = coluna viga soldada (utilizada tanto como pilar quanto viga). d = altura do perfil bf = largura do perfil da mesa tw= espessura da alma tf = espessura da mesa Exemplos de leitura: VS – viga soldada com relação 2,0 ≤ d/bf ≤ 4,0, em geral d/bf = 2. VS 500 x 97, d = 500 mm e massa linear 97,4 kg/m. CVS – coluna ou viga soldada com relação 1,0 ≤ d/bf ≤ 1,5, em geral d/bf ∼= 1, 5.CVS 450 x 116, d = 450 mm e massa linear 116,4 kg/m. CS – coluna soldada com relação d/bf ∼= 1, 0. CS 250x52, d = 250 mm e massa linear 51,8 kg/m. Perfis laminados Obtidos diretamente dos laminadores das siderúrgicas, a partir da laminação a quente, são conformados por uma sucessão de passes. Principais tipos de produtos siderúrgicos laminados de utilização estrutural: * Todos esses perfis são tabelados. Perfis conformados a frio São chapas metálicas leves dobradas a frio com < 3 mm de espessura. Perfis alveolares – castelados São perfis serrados e soldados um sobre o outro. Esses vazios se chamam de castelamento. Perfil laminado com chapa soldada: IFB (integrated floor beam) / SFB (slim floor beam) Perfis mistos São utilizados para estruturas em concreto. Onde existem vergalhões soldados inseridos no concreto armado. Com esse perfil dentro do concreto se reduz a sessão do mesmo, auxiliando na resistência à compressão. Perfil calandrado Todo perfil curvo é intitulado de perfil calandrado, esse nome se dá pela máquina que faz essa curvatura na estrutura. 🔻Propriedades Mecânicas de Alguns Aços Estruturais Padrão ASTM* 🔻Ligações São detalhes construtivos que promovem a união de partes da estrutura entre si ou a sua união com elementos externos a ela. Exemplos de ligações: ➥ Ligação da alma com mesa em perfil I soldado. ➥ Ligação de coluna com viga de pórtico. ➥ Placa de base. ➥ Emenda de viga I. ➥ Ligação flexível de viga I com coluna. ➥ Ligação de peça tracionada. ➥ Emenda de coluna. As ligações se compõem dos elementos de ligação e dos meios de ligação. Os elementos de ligação são todos os componentes incluídos no conjunto para permitir ou facilitar a transmissão dos esforços: ➥ enrijecedores; ➥ placa de base; ➥ cantoneiras; ➥chapas de gusset; ➥ talas de alma e de mesa; ➥ parte das peças ligadas envolvidas localmente na ligação; Os meios de ligação são os elementos que promovem a união entre as partes da estrutura para formar a ligação. Como meios de ligação são utilizados principalmente soldas, parafusos e barras roscadas, como os chumbadores. Classificam-se as ligações: I. Segundo a rigidez. Rigidez é a capacidade de impedir a rotação e deslocamentos. De acordo com o grau de impedimento da rotação relativa de suas partes, as ligações são classificadas nos três seguintes tipos: ➥ Rígida: o ângulo entre os elementos estruturais que se interceptam permanece essencialmente o mesmo após o carregamento da estrutura, com uma restrição à rotação da ordem de 90 por cento ou mais daquela teórica necessária à ocorrência de nenhuma rotação. ➥ Flexível: a restrição à rotação relativa entre os elementos estruturais deve ser tão pequena quanto se consiga obter na prática. ➥ Semirrígida: está entre a rígida e flexível. II. Segundo os meios de ligação Elas são soldadas que resistem a tensões de tração, compressão e/ou cisalhamento e/ou aparafusadas resistem à tração e/ou cisalhamento. III. Segundo os esforços solicitantes Nos parafusos ou linhas de solda, as ligações podem ser dos seguintes tipos: ➥ Cisalhamento centrado; ➥ Cisalhamento excêntrico; ➥ Tração ou compressão; ➥ Tração ou compressão com cisalhamento. IV. Segundo a execução das ligações 🔻Vantagens da construção metálica ➥ Redução das cargas das fundações: Embora a massa específica seja superior (p= 75 kN/m³) a do concreto (p= 25 kN/m³), as sessões acabam sendo reduzidas, assim diminuindo o peso final da estrutura; ➥ Aumento da área útil: Por se tratar de um elemento com uma resistência muito elevada, os perfis (pilares) têm uma dimensão reduzida se comparada com os pilares de concreto, assim aumentando a área de determinados espaços; ➥ Redução do tempo de obra: Estrutura industrializada que precisa apenas ser soldada ou parafusada nas obras, agilizando o tempo de construção; ➥ Facilidade no canteiro, aumento da produtividade e melhor segurança e qualidade na obra; ➥ O aço é um material reciclável e reutilizável: Facilitando a montagem e desmontagem de elementos provisórios; ➥ Versatilidade no uso: edifícios comerciais, industriais, pontes, viadutos e passarelas, silos e reservatórios, torres, residências, aeroportos, hangares, grandes coberturas, plataformas marítimas etc. 🔻 Desvantagens da construção metálica ➥ Exige mão de obra especializada; ➥ Em algumas regiões pode ser difícil encontrar alguns tipos de aço e determinados tipos de perfis; ➥ Muitas regiões do Brasil não têm tradição de utilizar estruturas de aço; ➥ Utilização viabilizada em projetos lineares (vigas e pilares). Para lajes de piso de edificações em geral (não industriais), necessita de associação com o concreto. 🔻 Sistemas estruturais: Coberturas É o termo utilizado para designar todo o conjunto da edificação, localizado na parte superior, destinado a protegê-la das intempéries (sol excessivo, chuva, umidade, frio, etc.). Entende-se por cobertura o conjunto formado pelas telhas; pela estrutura secundária de apoio às telhas, denominada trama ou armação; pela estrutura principal de apoio, que pode ser uma estrutura de alma cheia ou treliçada (tesoura) e pelas estruturas secundárias, que têm a função de manter a estabilidade do conjunto, usualmente denominadas contraventamentos. 🔻 Sistemas estruturais: Coberturas em shed No Brasil, é utilizado para designar os telhados em forma de serra. Muito comum em fábricas e galpões. Os planos verticais da serra são utilizados para ventilar e iluminar naturalmente o espaço interno do galpão. 🔻 Sistemas estruturais: Coberturas em arco As coberturas em arco são muito utilizadas em ginásios de esportes, em galpões, e outras estruturas onde se necessite de espaço amplo. São suas características: ➥ vencer grandes vãos; ➥ ter baixo consumo de material; ➥ ter seu aproveitamento máximo quando solicitado por esforços axiais. 🔻 Sistemas estruturais: Galpões Os galpões podem ser projetados com quaisquer formas, seções transversais, e modelos estruturais, no entanto, algumas características são comuns em todos eles. Um sistema estrutural importante, muitas vezes não considerado no projeto de arquitetura e que pode provocar surpresas ao arquiteto, é o contraventamento. Sendo o aço um material muito resistente, as peças estruturais resultam muito esbeltas (apresentam menores dimensões se comparadas às de concreto). 🔻 Sistemas estruturais: Contraventamento Como as estruturas metálicas são esbeltas, costumam apresentar grande instabilidade. São utilizados para travar a estrutura, seja pela ação do vento ou da própria falta de rigidez do conjunto estrutural. Os contraventamentos têm como função garantir a estabilidade da estrutura para ações horizontais. As seções comuns para eles são: cantoneiras, barras redondas, perfis I e perfis U. Sempre que possível, os contraventamentos devem ser submetidos a esforços de tração. 🔻 Sistemas estruturais: Edifícios de múltiplos andares O Brasil, embora atrasado, tem despertado para o grande mercado da construção civil industrializada. Novas políticas empresariais foram implementadas visando adaptações em seus departamentos técnicos e de marketing no atendimento às necessidades deste segmento. Sistema aporticado Sistema contraventado Sistema de núcleo rígido SISTEMAS ESTRUTURAIS MADEIRA - UNIDADE II 📌 Generalidades e fundamentos da madeira A madeira é amplamente utilizada na construção civil desde épocas pré-históricas, em função da sua abundância na natureza, facilidade no manuseio e por ser um material que não exige grandes recursos para a extração da natureza, além de ser renovável. Suas utilizações práticas podem ser em casas, estruturas de cobertura, pontes, andaimes, fôrmas para estruturas de concreto, escoramentos, forros, piso e rodapés. Timber Bridge, 2022 🔻Madeiras para estruturas As fontes das madeiras são as florestas, que podem ser: ➥ Plantadas: cuja implantação, manutenção e exploração seguem projetos aprovados pelo Ibama. No Brasil, em geral, são constituídas por eucalipto e pínus (ambas possuem um crescimento rápido e tronco retilíneo). ➥ Nativas: são exploradas de duas maneiras. Por meio de manejo florestal, que possibilita a exploração planejada e controlada da mata, ou pela exploração extrativista, sem controle. Manejo florestal é a forma correta para a utilização dos recursos naturais, em função de utilizar o princípio de sustentabilidade, ou seja, prevendo um uso que permite a recomposição da floresta, possibilitando a sua viabilização econômica, social e ambiental. Tipos de madeiras mais comuns, utilizados em estruturas: ➥ Madeira roliça: Utilizada na forma de troncos sem a casca, é comumente usada em escoramentos, postes e colunas. Os tipos mais comuns no Brasil são o eucalipto e o pinho-do-paraná. ➥ Madeira falquejada ou lavrada: Trata-se de madeira obtida por meio de corte com machado, de forma que as partes laterais são retiradas, formando uma peça de seção retangular. Seu uso é mais comum em antigos dormentes de madeira, estacas, cortinas cravadas e pontes. ➥ Madeira serrada: É aquela que resulta diretamente das toras, constituída por peças cortadas longitudinalmente através de serra, independentemente de suas dimensões, de seção retangular ou quadrada. ➥ Madeira laminada colada (MLC): Também conhecida pela sigla MLC, é um tipo de produto estrutural de madeira que compreende várias lâminas de madeira, coladas com adesivos estruturais duráveis e resistentes à umidade. Laminação da madeira por definição são pequenos pedaços de madeira colados entre si, formando um único elemento, grande, forte e estrutural. Esses elementos estruturais são utilizados como pilares e vigas. ➥ Madeira laminada colada cruzada (CLT – Cross Laminated Timber): É um produto fabricado com 3, 5 ou 7 camadas ortogonais de madeira laminada serrada, que são coladas com adesivosestruturais a fim de formar painéis retangulares para utilização como lajes, paredes de fechamento e paredes estruturais. O grande avanço tecnológico trazido pelo CLT é a possibilidade de se produzir painéis de grandes dimensões, podendo chegar até 3,0 m x 12,0 m e grandes espessuras, podendo chegar a 300 mm. A dimensão dos painéis varia de acordo com o tamanho das prensas utilizadas na fabricação. * A Madeira laminada colada e madeira laminada colada cruzada são as mais utilizadas em edificações de vários pavimentos. 🔻Classificação das madeiras As madeiras duras (madeiras de lei) são originárias das árvores dicotiledôneas, com folhas achatadas e largas, cujo crescimento é lento, tais como: ipê, aroeira, peroba, carvalho e outras. As madeiras macias são originárias das árvores coníferas, com folhas em forma de agulhas ou escamas e sementes agrupadas em forma de cone, cujo crescimento é rápido, tais como: pinheiros, cedros e outras. 🔻Características biológicas das árvores e propriedades das madeiras * A madeira é considerada um material anisotrópico porque há variação de suas propriedades nas três principais direções. Umidade da madeira ➥ A água livre fica situada nas cavidades das células é facilmente eliminada com a secagem da madeira. ➥ A água impregnada fica situada nas paredes das células e é muito difícil de ser eliminada mesmo após o processo de secagem. * Ou seja, a árvore sempre vai manter uma determinada umidade (água impregnada). * A madeira funciona como uma esponja e faz a troca umidade com o meio ambiente. Resistência ao fogo da madeira ➥ Em casos de incêndio, assim que o fogo entra em contato com a madeira se cria uma camada externa carbonizada, que auxilia na resistência do material no incêndio, protegendo o miolo da madeira, sendo um excelente isolante térmico. Durabilidade ➥ Para auxiliar a durabilidade natural existem produtos para preservar a madeira por mais tempo, resistentes às intempéries. Deterioração ➥ Na deterioração por fungos ou insetos xilófagos também existem produtos para a proteção da madeira por mais tempo, já que a umidade é um fator que chama a propagação dos insetos. 🔻Propriedades mecânicas da madeira Para a elaboração do projeto estrutural, precisamos considerar as propriedades mecânicas da madeira, conforme prescreve a NBR 7190 (ABNT, 1997), que considera a distinção entre os valores correspondentes à tração e à compressão. Também é essencial a consideração das respectivas direções em relação às fibras. * A resistência da madeira para esforços de tração que são paralelos às fibras, temos uma resistência muito boa, já a resistência à tração na direção normal às fibras é menor. Outro fator importante é a determinação da classe de umidade que orientará a definição final de tais valores. * Umidades acima de 18% reduzem em até 20% a resistência mecânica da madeira. * A classe 1 de resistência do concreto vai de 20 até a 50 e a classe 2 de 55 até a 90, ou seja, a madeira tem uma resistência bastante compatível com a resistência do concreto armado. 🔻Processamento da madeira ➥ Corte da árvore. ➥ Remoção da casca. ➥ Desdobramento do tronco em toras de 4 a 6 metros. ➥ Transformação das toras em pranchas O desdobramento radial produz pranchas mais homogêneas, mas é mais caro, o que favorece a utilização do desdobramento paralelo com maior frequência. Antes de poder ser utilizada, a madeira serrada precisa passar por um processo de secagem (natural ou artificial) com a finalidade de diminuir a umidade. Os objetivos principais desta etapa são: inibir os ataques de fungos, melhorar a trabalhabilidade e aumentar a resistência física da madeira. 🔻 Sistemas estruturais: Noções sobre a ação do vento e outros carregamentos Nos projetos de estruturas correntes de madeira, são consideradas as cargas permanentes como peso próprio da estrutura, telhas, luminárias, dutos de ventilação e ar-condicionado, equipamentos, peso das paredes, revestimentos, entre outros e as cargas variáveis, sendo que as principais são as sobrecargas indicadas na NBR 6120, em função do tipo de uso da edificação e o vento conforme a NBR 6123, cuja influência é mais significativa em coberturas, com telhas fixadas na estrutura ou em edificações esbeltas. O vento é a movimentação das massas de ar que sofrem variações de aquecimento devido à influência do sol. Algumas regiões possuem maior aquecimento e esse ar quente ao subir é substituído por uma massa de ar frio a uma dada velocidade. Devido à ocorrência de atrito com a superfície terrestre, plana ou montanhosa, essas velocidades variam com a altura, crescendo até atingirem certas altitudes em que as velocidades se tornam praticamente constantes. Efeitos do vento em superfícies externas das edificações: Efeitos do vento em superfícies internas das edificações: 🔻 Sistemas estruturais: Treliças de cobertura As treliças para cobertura são conhecidas como tesouras e sua função é a sustentação das telhas, trabalhando em conjunto com o seu vigamento de apoio. Tipos de treliças Os tipos de treliças mais utilizados em coberturas contendo duas águas são: Howe, Pratt e Belga. A Howe é o tipo mais empregado em madeira, devido ao fato de possuir ligações com soluções mais simples. 🔻 Sistemas estruturais: Coberturas com mais de duas águas Para coberturas com mais de duas águas, surge um novo elemento chamado espigão, que é a linha de intersecção de dois planos inclinados referentes às águas do telhado. Espigão é a peça estrutural responsável pelo apoio das terças, no local onde ocorre a mudança de direção delas. 🔻 Sistemas estruturais: Pórticos É um conjunto de elementos estruturais que funcionam como uma só peça, havendo transferência de momento, podem ser treliçados(a e b) ou de alma cheia (c e d). Os pórticos, geralmente, são usados em edificações que necessitam de vãos livres maiores, tais como: ginásios poliesportivos, galpões, estações ferroviárias ou rodoviárias. 🔻 Sistemas estruturais: Arcos Para vencer grandes vãos, a estrutura de madeira mais usual e econômica é em forma de arco, podendo chegar a um vão de até 100 m. As estruturas em arco são muito eficientes para esforços de compressão e apresentam esforços horizontais nos topos dos pilares e/ou fundações. 🔻Pré-dimensionamento de estruturas de madeira Tesouras triangulares de 2 águas Indicadas para vão livre entre 7,5 e 30,0 m. A altura da treliça pode ser determinada pela fórmula empírica: h ≥ l /10 Tesouras triangulares de 1 água Indicadas para vão livre entre 7,5 e 20,0 m. A altura da treliça pode ser determinada pela fórmula empírica: h ≥ l /10 Tesouras trapezoidais 1 água Indicado para vão livre entre 7,5 m e 30,0 m. A altura da viga pode ser determinada pela fórmula empírica: h ≥ l /12 Treliças de banzos paralelos Indicado para vão livre entre 7,5 e 60,0 m. A altura da viga pode ser determinada pela fórmula empírica: h ≥ l /12 Tesouras trapezoidais 2 águas Indicado para vão livre entre 7,5 m e 30,0 m. A altura da viga pode ser determinada pela fórmula empírica: h ≥ l /12 Pórticos treliçados biarticulados Indicados para vão livre entre 15,0 e 40,0 m. A altura do elemento situado na parte superior pode ser determinada pela fórmula empírica: h ≥ l /12 Vigas laminadas coladas biapoiadas (MLC) Indicadas para vão livre entre 10,0 e 35,0 m. A altura da viga pode ser determinada pela fórmula empírica: h ≥ l /17 Vigas laminadas coladas vagonadas Indicadas para vão livre entre 10,0 e 30,0 m. A altura da viga pode ser determinada pela fórmula empírica: h ≥ l /40 f≥ l /12 Essa estrutura é muito eficiente pois provoca compressão na madeira e tem uma tração no aço. Vigas de madeira maciça Indicadas para vão livre entre 1,0 e 8,0 m. A altura da viga pode ser determinada pela fórmula empírica: h ≥ l /17 Arcos laminados colados Indicados para vão livre entre 20,0 e 100,0 m. A espessura do arco pode ser determinada pela fórmula empírica: h ≥ l /50 🔻 Ligação de pilar de madeira com a fundação Para essas situações, devemostomar um cuidado especial no contato entre o pilar e o solo, com a finalidade de proteger a madeira contra a umidade. Precisamos projetar essas estruturas com algum tipo de proteção, sendo o ponto crítico o trecho de transição entre o piso acabado e o solo. A solução ideal é o afastamento completo do pilar em relação ao piso, com a utilização de um elemento de concreto envolvendo a madeira nessa região crítica ou por meio de peças metálicas resistentes à corrosão.
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