Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
R233b 07-0478 Ilustrações AMD ESTÚDIO GRÁFICO CLÁUDIO ANDRADE DE MATTOS DIAS Capa: Milwuauk.ee Arts Museum WI - EUA-Arq. Santiago Calatrava Revisão SÉRGIO ANDRADE DE MATOS DIAS Projeto Editorial ZIGURATE EDITORA CIP-Brasil. Catalogação-na-Fonte Sindicato Nacional dos Editores de Livros, RJ Rebello, Yopanan Conrado Pereira, 1949- Bases para projeto estrutural na arquitetura / Yopanan Conrado Pereira Rebello.- São Paulo: Zigurace Editora, 2007. Inclui bibliografia. ISBN 978-85-85570-07-1 1. Teoria das estruturas. 2. Engenharia de estruturas. 1. Título. CDD: 624.01 CDU: 624.1 ©COPYRIGHT de Yopaoan Conrado PereiraRebello @ COPYRIGHT desta edição - ahil/2007-Zi.gurate Editora e Comercial Ilda Todos os direitos de reprodução reservados. °SAS6S PARA l'Rg6TO 6STR.LA.TIA.RAL NA ARQJA.r 1 8™.RA ~urme .b.tbITOIJl Zigurate Editora Aos operários, heróis da construção civil. Prefácio Quando fomos literalmente chamados de alunos, tivemos lá nossos mestres preferidos. Talvez os critérios de escolha de todos nós tenham sido bem parecidos. Lembro-me que exerciam um fascínio sobre mim os professores que nos apresentavam seus próprios caminhos do aprendizado - não tinham medo de se expor, não temiam a concorrência no futuro, nos seus métodos podíamos perceber muitas habilidades, muita competência e, porque não, também os desvios de rumo que não levavam a lugar nenhum, ou até mesmo os recun;os mnemônicos, que recuperavam a segurança perdida como por encanto. E, com admiração por aqueles homens de conhecimento, descobria os passos que levavam ao saber fazer. Generosas criaturas essas que expõem seus próprios métodos, que se expõem. O Yopanan é uma delas. Naquele folhear primeiro, que damos em um livro para saber se dirá algo, podemos sentir, neste trabalho do Yopanan, o cheiro familiar das nossas próprias anotações da matéria - não fosse extrapolar minhas atribuições e eu proporia que o verso das páginas fosse deixado em branco para as memórias do leitor. Caminhos simples do entendimento: tudo exposto com simplicidade e de forma tão direta. Bem aventurados os que conseguem nos fazer ver as coisas como simples coisas. É uma arte explicar os acontecimentos de forma tão singela. Edith de Oliveira Mestre e Doutora pela FAUUSP Prof'. de Projeto da FAUUSP e da PAU USJT Chefe do Departamento de Arquitetura da Figueiredo Ferraz Introdução A adoção, ou escolha, de determinado material e sistema estrutural para a constituição de um espaço envolve uma série de variáveis que vão desde questões muito concretas, como custos, mão-de-obra dispotúvel, e outras, até aquelas de difícil definição, tais como valores sociais, culturais e mesmo sensações e percepções pessoal. Assim, ao optar por uma solução estrutural, é de fundamental importância não se deixar influenciar por atitudes momentâneas e modismos mas sim levar em conta o seu melhor desempenho, utilizando parâmetros que tomem a solução escolhida consistente para que possa ser defendida perante outras propostas, mostrando ser adequada aos quesitos estabelecidos no projeto. Para conceber uma estrutura, deve-se procurar conciliar o sistema estrutural e o material para se atingir os principais objetivos exigidos pela edificação: resistência, estabilidade, estética e durabilidade. Para tanto~ é de capital importância dominar os princípios básicos do comportamento das estruturas e dos materiais. É necessário conhecer como as estruturas são carregadas e os esforços e as tensões oriundos desse carregamento. Esse conhecimênto mais aprofundado pode permitir a busca de novas soluções tanto de sistemas estruturais como de materiais. Não existem regras fixas para a adoção de um material, ou de um sistema estrutural. A economia, a estética, a rapidez de execução, a disponibilidade de mão-de-obra específica, entre outros, são fatores a considerar como critérios de análise da conveniência ou não de utilizar um determinado material e sistema estrutural. Este livro pressupõe que o leitor tenha conhecimentos básicos de estabilidade e resistência dos materiais. Se assim não for, sugerimos que antes consulte o livro deste mesmo autor denominado A Concepção Estrutural e a Arquitetura. Sumário INTRODUÇÃO 9 PARTEI ESTRUTURAS DE AÇO 13 CAPÍTULO l Um pouco de história 15 CAPITULO 2 Vantagens e desvantagens do uso de estruturas de aço 19 CAPÍTULO 3 Composição do material 25 CAPÍTULO 4 Produção do material 27 CAPÍTULO 5 Perfis estruturais 29 CAPÍTULO 6 Elementos de ligação 41 CAPÍTULO 7 Sistemas estruturais de aço 57 CAPÍTULO 8 Sistemas estruturais de aço mais usuais 93 CAPÍTULO 9 Edifícios de estruturas metálicas 99 CAPÍTULO 10 As estruturas metólicas e a ação de agentes externos 129 CAPÍTULO 11 Consumo médio de aço nas diversas aplicações 139 PARTE li ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 141 CAPÍTULO 1 Um pouco de história do concreto armado 143 CAPÍTULO 2 . Sistemas estruturais de concreto armado 151 CAPÍTULO 3 Critérios paro lançamento da estrutura sobre o projeto de arquitetura 201 CAPÍTULO 4 Estrutura de edifícios altos de concreto armado 207 CAPÍTULO 5 Execução e interpretação de plantas de fôrmas 211 CAPÍTULO 6 Execução e interpretação de plantes de armação 215 CAPÍTULO 7 Cuidados na execução e conseqüências dos erros 219 CAPÍTULO 8 Outros sistemas estruturais de concreto armado 223 PARTE Ili ESTRUTURAS DE MADEIRA 229 CAPÍTULO 1 Um pouco de história 231 CAPÍTULO 2 Características biológicas da árvore 233 CAPÍTULO 3 Características físicas da madeira 235 CAPÍTULO 4 Defeitos da madeira 237 CAPÍTULO 5 Tipos de madeira para construção 239 CAPÍTULO 6 Processamento da madeira 241 CAPÍTULO 7 As bitolas comerciais e seus principais usos 243 CAPÍTULO 8 Madeiras transformadas e seus usos 247 CAPÍTULO 9 Sistemas estruturais de madeira 249 CAPÍTULO 10 Detalhes de ligações de madeira 263 CAPÍTULO 11 Coberturas de madeira 271 CAPÍTULO 12 Pisos de madeira 277 CAPÍTULO 13 Vedações de madeira 279 CAPÍTULO 14 Outros sistemas estruturais de madeira 283 BIBLIOGRAFIA 285 PARTE 1 ESTRUTURAS DE AÇO ~. :-;;~~1{:~{~:iif #;~-... -~~:-.11~\/' CAPÍTULO 1 Um pouco de história Os metais já eram utilizados há cerca de 4.000 a 5.000 anos a.e.. Sua descoberta provavelmente foi casual e deve ter-se originado a partir de um grande incêndio. O cobre, por se apresentar em estado nativo e ser muito dúctil, foi o primeiro metal a ser utilizado na fabricação de armas e ferramentas, em substituição à madeira e à pedra. Em seguida, surgem o ouro (também encontrado em estado nativo) e a prata, porém de uso restrito por apresentarem pequena resistência e dureza. Em seguida, iniciá-se a Idade do Ferro. O aço, porém, já era conhecido desde a antiguidade (egípcios, romanos e chineses). Foi durante a Idade Média que o estudo dos metais apresentou grande desenvolvimento, a partir de pesquisas feitas pelos alquimistas, que por isso são considerados responsáveis pela origem da Metalografia (estudo da estrutura e das propriedades físicas dos metais e seus agregados). É apenas no Séc. XIX que a ciência dos metais, entendida como método, passa a ser desenvolvida. Surge a Metalurgia, arte e ciência que estuda os metais e suas ligas a partir de seus minerais, de sua elaboração e de seu tratamento. Nessa época também, as sociedades vigentes alcançam. um estágio de desenvolvimento tecnológico, econômico e social, advindo da Revolução Industrial, que acaba por determinar certas necessidades, irrelevantes até então. As cidades crescem, os ajuntamentos humanos se tomam maiores e as edificações passam a ser solicitadas para outras necessidades além daquela de só abrigar um espaço. Os novos tempos exigem grandes espaços cobertos para mercados e estações de trens com locomotiva a vapor, onde há a necessidade de grande volume de ar. O progresso nas possibilidades de deslocamento cria a necessidade da construção de hangarespara dirigíveis ou aviões; a supressão dos obstáculos visuais (paredes e pilares) - para espaços de exposições, salas de espetáculos ou de esporte, estádios e igrejas - exige grandes vãos. É nesse momento que a utilização do metal na construção de estruturas se faz importante, principalmente por sua resistência. Surgem diferentes sistemas estruturais para a execução de edifícios com grandes vãos livres e grandes alturas que ampliam as possibilidades até então oferecidas pelo material. A boa resistência aos carregamentos e a incombustibilidade foram os principais critérios adotados para o emprego dos materiais ferrosos na execução de estruturas, em substituição à madeira. CAPÍTULO 1 - Um pouco de história O primeiro material siderúrgico utilizado em estruturas foi o ferro fundido. Em meados do século XVIII, é aplicado em um importante exemplo: a ponte Coalbroockdale, sobre o rio Severa, na Inglaterra, com 30 m de vão. Nesse período, são construídas diversas outras pontes usando sistemas estruturais em arcos e treliças. Seus componentes eram de ferro fundido, trabalhando principalmente a compressão. Destaca-se como uma das mais arrojadas ade Wearmouth (Inglaterra), em Dunderland, construída em 1796, usando uma estrutura em arco abatido, vencendo um vão de 70 m. A utilização de estruturas metálicas em edifícios increII!enta-se a partir da execução de cúpula de ferro fundido do Mercado do Trigo, em Paris ( 1. 802 ), uma reconstrução realizada após a destruição pelo fogo da cúpula original de madeira. Neste caso, como nas primeiras pontes metálicas, o método de construção é puramente empírico, sendo a cúpula metálica meramente a transposição em metal da estrutura anterior em madeira O final do século XIX caracteriza-se pela difusão do ferro fundido, do ferro laminado e do vidro como materiais construtivos. Passam a ser largamente utilizados nos edifícios públicos, como mercados, estações de trens, grandes estufas, passagens cobertas, galerias, e nos pavilhões das Exposições Universais. CAPÍTULO l - Um pouco de história Nestas, sobressai-se o Palácio de Cristal, de Joseph Paxton, para a Exposição Universal de Londres, em 1.851, projeto vencedor de um concurso principalmente em razão do seu processo construtivo. Paxton propôs um sistema de unidades moduladas pré-fabricadas e padronizadas. Foi o precursor da pré- fabricação total em grande escala. Outro edifício importante voltado para exposições foi a Galeria das Máquinas, construído para a Exposição Universal de 1.889, em Paris. Sua estrutura, composta de pórticos em forma de treliça triarticulados, é considerada a maior expressão da metalurgia da época. O ferro laminado passa a ser mais utilizado a partir de meados do século XIX em substituição ao ferro fundido, dada a sua melhor adaptabilidade aos elementos a tração e a flexão. Como exemplo de sua utilização pode ser citada a Ponte Britannia (1.846), com vãos de 70 me 138 m, com estrutura de viga tubular com altura de 9,0 m dentro da qual passavam os trens. Apesar de conhecido desde a antiguidade, é apenas após 1.856, com a invenção pelo inglês Henry Bessemer de um forno apropriado, que o aço começa a ser produzido em escala industrial. A primeira utilização estrutural do aço acontece em 1.867, na Ponte Eades, sobre o rio Mississipi, em St Louis (EUA). A partir de então, o aço passa a substituir o ferro fundido e o ferro laminado nas estruturas. CAPÍTULO 2 Vantagens e desvantagens cio uso de estruturas de aço A escollia do aço como material estrutural para determinado projeto deve ser embasada em critérios que o confirmem como o mais indicado. É bom lembrar que optar pelo aço apenas por simpatia, ou até, por curiosidade pelo material, pode levar a soluções muito desvantajosas e mesmo criar uma visão desfavorável do material. Para ajudar a embasar, adequadamente a opção pelo aço, são mostradas a seguir as vantagens e também as desvantagens do seu uso. A grande resistência a esforços talvez seja, a maior vantagem do aço. No entanto, como será visto mais adiante, essa propriedade pode em determinadas situações ser desfavorável. Para uma melhor visão de quanto o aço é resistente, observe-se a comparação com outros materiais estruturais convencionais apresentada a seguir: resistência à compressão: (J" aço = 1500 kg/cm2 resistência õ tração: CT aço = 1500 kg/cm2 O" concreto = 1 Okg/cm2 O" madeiro = 90 lcg/cr.12 (J" concreto = 100 kg/ cm2 O" madeira = 85 kg/cm2 Vê-se pelos valores acima que o aço, além de ser o mais resistente, apresenta uma característica muito interessante para as estruturas: resistências iguais à tração e à compressão. Como conseqüência de sua maior resistência, o aço pemrite peças estruturais com menores dimensões. A figura mostra a comparação entre as dimensões finais de uma estrutura convencional de viga e laje de concreto armado e de uma estrutura mista com viga metálica e laje em concreto armado. concreto , ~concreto 1 / ~ , ~ 1.....,._ ,~,., • r .~,, j :-'" 1• M' ·. 5 D'8 !~ .. T E !<l) ~ -- '8" i~ aço espaçamento entre nervuras de 3 m e vão de 12 m Verifica-se que as vigas metálicas apresentam uma altura da ordem de 60% das vigas de concreto. Isso proporciona outras grandes vantagens para o projeto, tais como menor pé-direito, result.ando em menor área de acabamento. Além disso, a altura final do edifício fica menor: um edifício de estrutura mista de 20 andares chega a ter altura equivalente a um edifício de 19 andares de estrutura de concreto, o que pode, em determinadas situações, viabilizar um edifício em termos de gabarito pennitido. CAPÍTULO 2 - Vantagens e desvantagens do uso de estruturas de aço . . Com menor dimensão dos elementos da estrutura, obtém-se menor peso próprio da estrutura, o que resulta em menor carga na fundação. Grosso modo, uma estrutura de aço pesa seis vezes menos que uma estrutura equivalente de concreto armado. A estrutura de aço, sendo bem mais leve, possibilita fundações mais econômicas ou mais adaptáveis a regiões em que o solo exija soluções mais complexas. Outra vantagem é que a solução estrutural com aço apresenta um resultado muito próximo entre o modelo teórico e o comportamento real. Um vínculo de aço projetado como articulado, poderá ser executado perfeitamente arti.cu- lado, com relativa facilidade. vinculo articulado fixo No concreto armado moldado in loco, muitas vezes adota-se, no modelo teórico, um vínculo articulado que, quando da execução, afasta-se muito desta situação teórica, o que pode acarretar problemas de ordem econômica ou de comportà.rí1en:to estrutural inadequado. O concreto, pela maneira com que é produzido, uma mistura quase que aleatória de cimento, areia, pedra e água, não permite uma resposta precisa quanto às suas propriedades; o aço, no entanto, obtido industrialmente com alto controle de qualidade, é um material mais confiável quanto as suas propriedades, podendo ser aplicado com coeficientes de segurança mais baixos, o que obviamente resulta em economia. A concepção de uma estrutura metálica é revelada claramente depois de executada e pode ser facilmente entendida. O mesmo nem sempre ocorre em estruturas de concreto armado. A ligação entre uma viga e um pilar de concreto armado moldado in loco nunca é visível, logo uma análise visual não permite concluir se a ligação foi concebida ~orno articulada ou rígida. A estrutura metálica é um sistema pré-fabricado; no canteiro, ocorre apenas a sua montagem, que pode ser executada em lugares exíguos, necessitando apenas de espaço para a movimentação de gruas ou de guindastes e de um pequeno depósito. O canteiro de obra toma-se mais racional e pode ter dimensões mais reduzidas. CAPÍTULO 2 • Vantagens e desvantagens do us_o de estruturas de aço A questão da dimensão ou até mesmo da topografia desfavorável do canteiro de obra pode ser um fator decisivo para a opção pela estrutura metálica.A estrutura metálica, por ser pré-fabricada com componentes industrializados, pode ser fabricada e montada muito rapidamente. Uma estrutura de aço consome aproximadamente 60% do tempo necessário para a execução de uma estrutura equivalente de concreto armado. Ao contrário da estrutura de concreto armado, a estrutura metálica não necessita de tempo de cura. Assim, diversas atividades de construção, tais como fundações, podem ser executadas simultaneamente à fabricação da estrutura. Em virtude do sistema de industrialização, as dimensões das peças em uma estrutura de aço são muito precisas e podem ser expressas em milímetros. Erros de até 1 cm são plenamente aceitáveis em estruturas de concreto armado; em estruturas de aço não. Em razão de sua precisão, os elementos estruturais podem ser perfeitamente alinhados, nivelados e aprumados. As estruturas metálicas são tão precisas que podem servir de gabarito para a execução de outros componentes da edificação, tais como vedações e acabamentos, o que pode levar a uma economia de até 5% na aplicação desses materiais. Sabe-se que hoje o processo de urbanização é muito rápido: edifícios mudam de uso ou são demolidos para dar lugar a outras edificações. Com ligações parafusadas, as estruturas de aço podem ser facilmente desmontadas, e ser reutilizadas em outros lugares ou reaproveitadas na execução de novas edificações. Ainda que seus elementos não sejam reutilizados, o material - como sucata - pode ser reaproveitado na fabricação de aço novo. Pela mesma razão vista no item anterior, muitas edificações podem ter seu uso alterado, ao serem solicitadas por cargas maiores, ou mesmo pela exigência de uma nova composição estrutural, o que resulta na necessidade de um reforço estrutural. Por meio da soldagem de chapas ou perfis a vigas existentes, é possível reforçá-las com facilidade, pennitindo um aumento nas cargas ou seu lançamento sobre um vão maior. O mesmo pode ser pensado para os pilares. Esse aspecto torna-se de suma importância na recuperação de estruturas solda que sofreram sinistros. CAPÍTULO 2 - Vantagens e desvantagens do uso de estruturas de aço O aço é um material isotrópico, ou seja, possui as mesmas propriedades físicas em todas as direções. Por não apresentar planos de diferentes resistências, o material possibilita seu melhor aproveitamento. Para melhor entender esta vantagem, compare-se o aço à madeira. A madeira é um material fibroso, por isso apresenta propriedades muito diferentes, tais como resistência, deformação térmica, e outras, na direção das fibras ou perpendicularmente a elas. Desvantagens As estruturas metálicas, no nosso país, ainda apresentam um custo inicial mais elevado se comparadas com estruturas de concreto armado. No Brasil, a produção de aço ainda é baixa. Ou talvez deva-se dizer que a utilização do aço em estruturas ainda é pequena. Um e/ou outro desses dois aspectos acabam por determinar um custo mais elevado para o material. Essa situação provoca a ocor- rência de um incômodo círcu- lo vicioso. CUSTO () USO'-..__../' PRODUÇÃO Pode-se ver, pela figura, que um custo elevado pode ser originado pela baixa produção, que provoca alto custo de produção que, por sua vez, .gera pouco _ uso, o que sem dúvida implica novamente baixa produção, alimentando o círculo vicioso. Quem projeta pode, de alguma forma, interferir nesse círculo vicioso, propiciando o aumento do uso do material por meio da divulgação de informações honestas a clientes ou mesmo a outros profissionais. Há alguns outros fatores que geram essa desvantagem. No Brasil, as fontes de matérias-primas básicas - o ferro (minério) e o carvão (coque) - estão localizadas à grande distância das usinas siderúrgicas. O carvão mineral é encontrado em quantidades apreciáveis em Santa Catarina e o minério de ferro em Minas Gerais ou no norte do país. Condições geográficas que sem dúvida geram custos. Além disso, é necessária a importação de carvão mineral, pois a nossa proôução é de baixa qualidade e insuficiente para suprir a demanda da indústria siderúrgica nacional. Temos também um outro problema de caráter social especificamente nacional: infelizmente, a nossa mão-de-obra, em geral, não apresenta qualificação suficiente para um processo construtivo tecnologicamente mais desenvolvido. 22 CAPÍTULO 2 - Vantagens e desvontagens do uso de estruturos de aço O concreto armado, dadas as suas características de execução praticamente artesanais, não exige mão-de-obra especializada. Atua1mente, na construção civil o que se vê é a triste realidade de um exército de trabalhadores com baixa qualificação e má remuneração. A estrutura de aço, no entanto, necessita de mão-de-obra mais qualificada, conseqüentemente mais cara e também mais informada, o que nem sempre é bem visto pelos maus empregadores. O custo inicial de urna estrutura metálica de aço é maior que a de concreto armado, gira em tomo de 25% a 30% do custo total da obra, enquanto a de concreto armado consome aproximadamente 20%. No entanto o que importa é o custo final da obra e não apenas o de um item isolado. Apesar desses números, alguns fatores tais como a rapidez de execução, as fundações de menor porte, a precisão dos elementos estruturais, entre outros já mencionados, podem tomar o custo final de uma obra de aço até 15% menor que uma de concreto armado. A decisão de usar ou não a estrutura de aço em razão ao fator custo deve ser sempre embasada no custo final da obra. Um outro aspecto negativo que pode ser levantado para utilização do aço é a possibilidade de sua deterioração em contato com o meio ambiente. O aço enfenuja. A ferrugem, ou oxidação (Fe + O), constitui uma camada protetora mas facilmente removível, gerando portanto o processo de corrosão do material, ou seja, diminuição na espessura do elemento estrutural. A corrosão chega a consumir camadas que variam entre 4 microns por ano, em ambientes menos agressivos e mais secos, como Brasília, e 160-microns por ano, em ambientes úmidos e marinhos, como Praia Grande, em São Paulo. Para minimizar o problema, são fabricados aços especiais que, com adição de cobre, cromo ou níquel em sua liga, apresentam uma camada de oxidação irremovível denominada pátina. A pátina aumenta muito a resistência do aço à corrosão. No Brasil, são fabricados diversos tipos de aços resistentes à corrosão, que recebem diferentes denominações conforme o fabricante, tais como: aço CSN COR, fabricado pela CSN, COS AR COR e USI SAC, fabricados pela USIMINAS e CST COR fabricado pela CST, entre outros. Em virtude do seu processo de fabricação, esses aços apresentam um preço mais alto. Em situações menos drásticas, o aço comum também pode ser protegido por alguns processos como: a) pintura à base de pó de zinco; b) pintura contendo zarcão e óleo de linhaça; c) galvanização: CAPÍTULO 2 - Vantagens e desvantagens do uso de estruturas de aço - galvanização a fogo: processo que consiste na imersão da peça de aço em banho de zinco, criando uma camada de proteção da ordem de 15 microns de espessura. - galvanização eletrolítica: deposição de zinco sobre o aço pelo processo eletroquímico de eletrólise. As peças galvanizadas podem ser pintadas mas exigem tintas e procedimentos diferentes daqueles usados nos aços comuns. Outro problema sério nas estruturas metálicas é a sua resistência a altas temperaturas. O aço perde metade da resistência ao atingir temperaturas acima de 550ºC, situação em que pode ocorrer o colapso da estrutura. No entanto, o aço apresenta uma característica favorável frente ao fogo, cessada a sua exposição, o material recupera a resistência inicial. S6 recentemente foi aprovada a Norma que regula o projeto e o dimensionamento de estruturas de aço em situação de incêndio, a NBR 14432/2000. Mais adiante serão abordados alguns aspectos dessa Norma. Citada anteriormente como uma vantagem do aço sobre outros materiais, sua alta resistência produzpeças muito esbeltas, o que passa a representar um problema. Elementos muito esbeltos deixam o conjunto estrutural pouco estável (principalmente pelo efeito de flambagem nas peças comprimidas). Os colapsos de estruturas de aço por ruptura são muito raros; mais prováveis são as ruínas por perda de estabilidade. Para solucionar este problema, toma- se necessário o aumento na seção da peça ou o uso de travamentos, procedimentos que levam ao aumento no peso da estrutura com conseqüente elevação de seu custo. O problema pode ser contornado pela elaboração de um bom projeto em que, pela escolha de seções estruturais com maior inércia, seja concebido um conjunto mais rígido, sem aumento no consumo de material. Uma outra grande vantagem na utilização do aço que pode se tomar um grande problema é justamente a questão da velocidade de execução da estrutura. Sendo mais veloz a execução, mais rápida será a necessidade de desembolso. Nem todo cliente está preparado para desembolsar 25% a 30% do custo da obra em curtíssimo prazo. É importante que ele seja avisado dessa situação. Disponibilidade de financiamentos é uma possibilidade de solução para este problema, mas infelizmente essa alternativa acaba gerando elevação dos custos, pelos altos juros cobrados. 24 CAPÍTULO 3 Composição do material O aço é uma liga metálica constituída fundamentalmente de ferro e carbono. Além desses dois elementos, dependendo do tipo de aço que se quer obter, são adicionados outros elementos tais como: manganês, silício, fósforo, enxofre, alunúnio, cobre, níquel, nióbio, entre outros, que modificam as propriedades físicas da liga, como resistência mecânica, resistência à corrosão, ductilidade e muitas outras. Alguns elementos que fazem parte da matéria-prima utilizada permanecem na liga e sua retirada é economicamente inviável. São as denominadas impurezas, cujas quantidades não chegam a afetar o desempenho do material. Abaixo é mostrado o exemplo de uma liga: AÇO = Fe + C + Si + Mn + P + S { ... ) onde e:!: 0,22 % P < 0,045 % S < 0,055 % e 0,4 % < Mn < 0,6% onde Fe (ferro) C (carbono) Si (silício) Mn [mangonês) P (fósforo) e S (enxofrel Para a obtenção de aços mais resistentes à corrosão são adicionadas quantidades determinadas de cobre; para aços inoxidáveis adiciona-se cromo; para aços resistentes a ácidos adiciona-se níquel, e assim por diante. A quantidade de carbono é de suma importância nas características mais relevantes do aço. Aços com porcentagem maior de carbono, são mais resistentes, mas em compensação tomam-se pouco dúcteis e muito quebradiços. Com menos carbono, sua resistência cai mas aumenta a ductilidade. A ductilidade é uma das características mais importantes dos materiais estruturais. Os materiais com boa ductilidade possibilitam a visualização de grandes deformações em peças estruturais submetidas a tensões muito elevadas, servindo então como aviso de que a ruptura pode acontecer, ou, em situações mais favoráveis, permitindo a redistribuição de esforços para elementos menos solicitados. 25 CAPÍTULO 3 - Composição do material No caso do aço, essa propriedade permite também a confecção de perfis de chapas planas dobradas, sem risco de trincas ou de ruptura nas linhas de dobra. No dimensionamento, a tensão de ruptura não é considerada como o limite de trabalho do aço mas sim a tensão de escoamento, pois a partir do momento em que o material atinge esse estágio tensional as deformações se tomam permanentes e indesejáveis. Como se sabe, a detenninação da tensão de escoamento do aço é feita por meio do ensaio de tensão X deformação. A figura a seguir mostra o gráfico resultante desse ensaio. a <Je = tensão de escoomento O escoamento é o fenômeno em que sem aumento de tensão ocorre uma grande deformação plástica. CAPÍTULO 4 Produção do material As matérias-primas básicas para a produção do aço são: minério de ferro e carvão coque. A essas é adicionado o calcário, com a função específica de retirar impurezas. Antes do início da produção do aço, o carvão mineral é queimado na coqueria e transformado em blocos de tamanhos aproximadamente iguais denominados coque ou carvão coque. Como o ferro é raramente encontrado puro na natureza, usa-se o seu minério. Para transformar o minério em ferro é necessário sua queima. Para isso, quantidades pré-definidas de minério, coque e calcário são colocadas na parte superior de um forno especial denominado alto-forno. Na presença de calor esses materiais são fundidos, produzindo ferro e impurezas. O coque, em presença de um ar superaquecido introduzido sob pressão na parte inferior do forno, queima e forma um gás que remove os óxidos do minério de ferro. O calor da combustão liquefaz o calcário, que, combinando-se com as impurezas do minério de ferro, forma a escória ao mesmo tempo que funde o ferro contido no minério. A carga no forno torna-se progressivamente viscosa e líquida. A escória, por ser mais leve, flutua sobre o ferro em fusão, chamado nesse estágio de ferro-gusa ou gusa. Os dois componentes são separados: a escória é destinàda à produção de cimento e o ferro-gusa, despejado ainda líquido em um recipiente denominado carro torpedo. O ferro gusa possui alta porcentagem de carbono (3,5% a 4%) absorvido do coque, e não tem aplicação estrutural. Para transformar o gusa em aço é necessário reduzir a quantidade de carbono. Para isso, o ferro-gusa é misturado a aparas de aço (sucata) e calcário e conduzido a um forno em forma de barril. Oxigênio de alta pureza é introduzido no topo do forno a velocidade supersônica, num fluxo com duração aproximada de 20 minutos. Durante esse processo, temperaturas muito altas são atingidas, quando então é queimado o excesso de carbono e eliminadas as impurezas não absorvidas pelo calcário fundido. Após esse estágio, verifica-se em laboratório a composição do aço. Ao final, o aço é colocado em recipientes especiais (panelas) para a adição de outros elementos, tais como manganês, silício, vanádio, e outros, para a obtenção de características especiais. CAPÍTULO 4 - Produção do material Finalmente, o aço é despejado em moldes denominados lingoteiras, resultando em blocos de aço chamados lingotes. A partir daí, o aço passa pelo processo de laminação em que é transformado em perfis ou chapas. Antes da laminação, o lingote passa pelo forno-poço, onde sofre novo aquecimento para facilitar o processo. No Brasil, para fins estruturais, são fabricados vários tipos de aço, que podem ser conhecidos mediante consulta à Norma Brasileira NBR 8800/86. Entre eles são mais comuns os aços apresentados a seguir: - O Aço ASTM A-36, também conhecido como aço comum. É usado em perfis laminados, perfis de chapa dobrada e perfis de chapas soldadas_ - O aço ASTM A-500 - GA (grau A), usado na fabricação de tubos. - O aço ASTM A-570 - G33 (grau 33), usado na fabricação de perfis de chapa dobrada finos. - O aço SAE 1020, usado para chapas planas, perfis de chapa dobrada e barras redondas. São ainda fabricados aços especiais resistentes à corrosão, tais como: CSN COR 400 e 500 (CSN), COS AR COR 300 e 400, USI SAC 300 e 350 (Usiminas), CST COR 400 e 500 (CST) entre outros. Recentemente foi introduzido no Brasil um novo tipo de aço resistente ao fogo, é o aço denominado USIFIRE, fabricado pela Usiminas. Os aços ainda recebem denominações adicionais, como grau, que identifica a composição química, e classe, que o qualifica quanto à resistência mecânica e ao acabamento superficial. CAPÍTULO 5 Perfis estruturais Denomina-se perfil estrutural à barra obtida por diversos processos e que apresenta a forma da seção com determinadas características geométricas que o qualifica para absorver determinados esforços. A laminação do aço é feita a partir dos lingotes reaquecidos, que passam pelos laminadores-desbastadores, onde têm suas seções transversais alteradas e a estrutura molecular do aço trabalhada, para atingircaracterístiças físicas apropriadas. Como resultado dessa operação são obtidas placas ou tarugos de seção quadrada ou retangular. As placas são destinadas à fabricação de chapas e os tarugos à fabricação de perfis estruturais. Os tarugos são processados, sob pressão, em máquinas denorninadaslaminadores,em três fases: brota, intermediária e de acabamento. Ao final desse processo são obtidos os perfis com seções adequadas às solicitações estruturais. As chapas laminadas, por sua vez, podem resultar em qutros p~rfis por meio de seu dobramento ou da sua soldagem com outras chapas. Os perfis estruturais podem ser obtidos de três maneiras básicas: por laminação, por chapa dobrada e por chapas soldadas. Perfil laminado É aquele obtido a partir da laminação dos tarugos. Suas dimensões são padronizadas e limitadas. Normalmente é utilizado em obras de médio porte. Tem como vantagem a redução do trabalho de transformação da chapa, pois já vem pronto. Os principais perfis laminados fabricados no Brasil são: cantoneira, U, I e H. Perfil de chapa dobrada O perfil de chapa dobrada é obtido pelo dobramento de chapas a frio. Quando as chapas são finas, entre 1,5 mm a 5 mm, os perfis recebem a denominação de perfis leves. CAPÍTULO 5 - Perfis estruturais Por serem muito esbeltos, exigem cuidados especiais na sua aplicação, tanto quanto à solicitação aos esforços como pela possibilidade de fácil deterioração; por isso, obedecem a uma norma específica, a NB 143. Os perfis mais pesados podem ser executados com chapas de até 25 mm de espessura. Neste caso, são exigidos raios de curvatura mínimos na dobragem para evitar fissuração ou alteração nas características do aço. Os perfis leves, os mais comuns, são utilizados em obras de pequeno porte ou em elementos estruturais secundários. Em coberturas, o uso de perfil de chapa dobrada mostra-se geralmente mais econômico. Os perfis de chapas dobradas permitem grande variação na forma e dimensões das seções, mas podem também ser encontrados prontos e padronizados. Os perfis de chapas dobradas mais comuns são: cantoneira e U. Perfil de chapas soldadas É o petfü obtido pela soldagem de chapas entre si. Permite grande variedade na forma e na dimensão das seções. Chapas, de espessuras, entre 5 e 50 mm, podendo ainda estar previamente dobradas, quando soldadas entre si originam as mais diversas possibilidades de seções. Por seu custo de fabricação mais elevado, esse tipo de perfil é utilizado em obras de médio a grande porte. No entanto, quando o projeto exigir seções com formas especiais essa solução pode ser usada em obras de menor porte. Perfis calandrados Os perfis estruturais podem, quando necessário,. ser submetidos a encurvamento em relação a ambos os eixos, processo que recebe o nome de calandragern. Neste processo, devem ser respeitados os limites dos raios de curvatura, que dependem da seção do perfil. O processo de calandragem aumenta bastante o custo do perfil. Principais aplicações dos perfis Para escolher bem o perfil mais apropriado para cada aplicação, é de fundamental importância lembrar do princípio da distribuição de massa nas seções. Este princípio relaciona as fonnas das seções das peças estruturais com os esforços a que são submetidas.e-, Resumidamente, esse princípio pode ser assim exposto: - O esforço de tração simples convive bem com qualquer forma de seção. Se a intenção for trabalhar com peças esbeltas, é recomendado o uso de seções em que o material esteja concentrado junto ao centro de gravidade da seção. (') Pua oblor infoon,çõcs maia dctalhadu "'°'ulte o livro "A Concepção l!6<rGllual • • A,qu.i.,.,ra". do mesmo aato<. à pdgiaa 61. CAPÍTULO 5 - Perfis estruturais - O esforço de compressão simples pode provocar flambagem, daí peças comprimidas exigirem seções mais rígidas, ou seja, aquelas em que o material esteja mais afastado do centro de gravidade, de preferência em todas as direções. - O esforço de flexão exige formas de seção em que o material esteja longe do centro de gravidade, mas apenas em relação ao eixo em torno do qual ocorre o momento fletor,,•> Em seguida serão apresentados os perfis estruturais mais comuns, mostrando como são obtidos, e suas aplicações mais comuns. Cantoneiras As cantoneiras podem ser laminadas (produto de siderúrgicas) ou obtidas por dobramento de chapa. São especificadas em projeto pela letra L, seguida das dimensões da seção, especificando primeiro as larguras das abas e depois a sua espessura. As dimensões das cantoneiras laminadas são expressas em polegadas e as de chapa dobrada em mm. Exemplo: L4" x4" x 1/2" ou L 100 x 100 x 12,5 mm. largura largura de aba de aba 1J ,lt ~~r·. 11· i' c,O' C>O ~~/ -9~ 1 . +- +- cantoneira de abas iguais cantoneira de abas desiguais As cantoneiras de abas desiguais laminadas encontram-se atualmente fora de fabricação. Os usos mais comuns para as cantoneiras são apresentados a seguir: a) Elemento de ligação entre peças cantoneira soldado na viga e parafusada no pilar viga (") Pan obce< infomeçõc., mm detalhad .. coDSUiie o li""' "A Conoopçio &!rutura! e a Alqoi..,...", do mc<mo au10<, l página 61. CAPÍTULO 5 - Perfis estruturais b) Barras de treliças Utilizadas principalmente em tesouras de telhado. É recomendável que as barras das treliças sejam compostas de cantoneiras duplas, para que o C.G. da força passe pelo C.G. da seção, evitando-se assim excentricidades que resultem em esforços não desejáveis. cantoneira isolada ::af r· ~ d~~~neira i A ligação entre as cantoneiras é feita por intermédio de chapas nas quais são soldadas ou parafusadas. e) Composição de pilares D Neste caso, com pequena quantidade de material pode ser obtida uma coluna, bastante rígida e com uma seção com grande momento de inércia (material afastado do C.G.). É de capital importância que, para garantir que as 4 cantoneiras não trabalhem independentes mas como uma única seção formada por 4 cantoneiras, se evite o escorregamento relativo entre elas. Para isso, é necessário ligar as cantoneiras com travamentos adequados, sendo o mais eficiente aquele que forma triângulos, como aparece na figura acima. d) Reforços de chapas de piso ou de vedação ~ 37 .J7.2V .d7 ~ 7 As cantoneiras se comportam como nervuras, aumentando a rigidez da chapa. Caso a chapa não fosse enrijecida pelas cantoneiras, sua espessura teria que ser maior, resultando em peso e custos mais elevados, CAPÍTULO 5 - Perfis estruturais Perfil U O perfil U pode ser obtido por dobramento de chapa ou por laminação em siderúrgica. Sua especificação é feita pelo uso do súnbolo U, seguido das dimensões da seção e do peso por metro linear. oi E-mesa (ou aba) C' ·E: gí j I alma O, +- perfil U simples Clóbio perfil U enrijecido No caso de perfis lanúnados, é fornecida a altura da alma em polegadas seguida do peso por metro linear; no caso dos perfis de chapa dobrada, são fornecidas todas dimensões da seção em milímetros, na seguinte seqüência: altura, largura e espessura. O perfil U de chapa dohrada pode apresentar dobras nas suas extremidades, denominadas lábios. Usa-se o enrijecimento para melhorar o comportamento do perfil. Exemplos: - U 8" x 17,11, para perfil laminado (altura= 8", peso= 17,11 fgf/m). - U 100 x 50 x 3, para perfil de chapa dobrada (altura= 100 lillll. largura= 50 mm, espessura = 3 mm). Nos perfis enrijecidos acrecenta-se o comprimento do lábio. Nos perfis laminados, para cada altura de alma são fabricados diversos perfis com várias espessuras de alma e de mesa. À vista disso, pode-se substituir a especificação por meio do peso pela posição do perfil no catálogo de fabricaçãó. · · Exemplo: U 8" x 17,11 ou U 8" Palma. A denominação 11 alma significa que foi escolhido, dentre os perfis de 8" de altura que aparecem no catálogo, aquele que apresenta espessura de alma mais fina e que, portanto, aparece em primeiro lugar no catálogo. Os perfis Usão comumente usados nas seguintes situações: a) Barras de treliças de grande porte ligação sem chapo ligação com chapo soldo 33 CAPÍTULO S - Perfis estruturois b) Composição de pilares Pela soldagem dos perfis entre si ou por meio de chapas ou cantoneiras. o Ef-J r;:1 solda chapa chapo ou cantoneira Observe-se a intenção de jogar material longe do centro de gravidade da seção com o intuito de diminuir o efeito da flambagem. c) Terças para apoio de telhas de cobertura As terças são vigas que apóiam as telhas e que por sua vez se apóiam nas tesouras. Recomenda-se que as abas do perfil estejam voltadas para baixo, para evitar acúmulo de poeira ou água oriunda da condensação da umidade do ar, o que pode provocar corrosão. d) Vigas para pequenas cargas e vãos O uso de um único perfil deve ser restrito a cargas e vãos pequenos, pois em virtude da assimetria da secção existe a tendência de ocorrer torção. Para melhor desempenho da viga, recomenda-se a composição de dois perfis U, de forma que a seção se tome simétrica e não sujeita a torção. Esta solução pode ser adotada em vigas com cargas e vãos maiores mas tem contra si um razoável aumento de peso e de custo. Outro fator que toma a composição de perfis U menos eficiente para uso em vigas é embasado no princípio da distribuição de massa nas seções. As vigas são submetidas predominantemente a momento fletor, e, como se sabe, a melhor seção para esse esforço é aquela que concentra material longe do centro de gravidade, na direção nonn~ ao eixo em tomo do qual ocorre a flexão. Quando dois perfis U são compostos, a concentração de material se dá na alma, quando melhor seria na mesa. CAPÍTULO 5 - Perfis estruturais e) Viga para apoio de degraus de escada perfil U Perfil 1 O perfil I pode ser obtido por laminação, em siden1rgica, ou pela soldagem de três chapas. Os perfis I laminados, são especificados em projeto pela letra I acompanhada da dimensão da sua altura em polegada ou milímetro, seguida do seu peso por metro linear, tanto para padrão americano como europeu. i·~ º-[ e o e olmo mesa (aba) No padrão americano, pode-se infonnalmente substituir a especificação do peso pela posição do perfil na tabela do catálogo do fabricante (Palma, 2'- alma, e assim por diante). Os perfis de chapa soldada, quando não obtidos industrialmente, são especificados pela sigla VS ( viga soldada) seguida da sua altura em milúnetro e do seu peso por metro linear, ou ainda mais genericamente pela sigla PS (perfil soldado). Alguns fabricantes têm suas próprias siglas. Os perfis laminados produzidos pela Açominas são especificados pela letra W. Os perfis soldados da Usiminas, pela sigla VE, onde a letra E indica que são eletro-soldados. A Usiminas ainda usa a sigla VEE para perfis I eletro-soldados que têm as mesmas seções dos perfis laminados de padrão americano. Exemplos: - I 12" x 60,6; (altura= 12", peso= 60,6 kgf/m) ou "1" 12" - 1ª alma; ou VS 300 x 62; (altura= 300 mm, peso = 62 kgf/m) ou W 310 x 28,3; (altura= 310 mm, peso= 28,3 kgf/m) ou VE 250 x 19. (altura= 250 mm, peso= 19 kgf/m) Os perfis I podem ser usados como: 35 CAPÍTULO 5 • Perfis estruturais a) Viga É essa a principal e mais importante aplicação desse perfil. Sua forma de seção é extremamente adequada para absorver os esforços de flexão, já que suas mesas constituem elementos de grande quantidade de massa, afastados do centro de gravidade da seção. diagrama de tensões causados pelo flexão Todos os perfis I, sejam laminados ou soldados, têm a espessura da mesa maior que a da alma, compatível com o princípio de distribuição de ·······I-~N. massa na seção. O'uaçao Muito interessante também é o uso do perfil I associado ao concreto, compondo vigas mistas de seção T. Nesse caso, o concreto absorve a compressão e o aço a tração, das forças decorrentes do momento fletor, resultando em vigas muito resistentes e com pouca altura, pois os dois materiais são solicitados dentro de suas melhores características mecânicas. b) Viga Vierendeel alveolar Essa viga é obtida pelo corte conveniente da alma de um perfil I e posterior soldagem das partes cortadas, resultando em uma viga de maior resistência com a mesma quantidade de material. Este tipo de viga permite a passagem de tubulações através de sua alma. solda Para ver como a viga Vierendeel se comporta consulte este livro na página 80. O uso dessa viga deve ser bem avaliado, pois todo seu processo de obtenção gera custos mais elevados. CAPÍTULO 5 - Perfis estruturais c) Pilar isolado para pequenas cargas A seção em I não é a melhor opção para forças de compressão, portanto para pilares, pois a forma da seção dá uma maior rigidez na direção paralela à alma do que na direção normal a ela. Essa característica impede o uso de perfis I para pilares mais solicitados e mais longos. d) Composição de pilares Pilares podem ser compostos da soldagem direta de dois perfis ou pela ligação de dois perfis por meio de chapas ou cantoneiras, de uma maneira semelhante à utilizada para perfis U. H E13: II ífi~º~ e) Estacas de fundação O perfil I é utilizado para tal fmalidade, principalmente quando se deseja menor vibração durante a cravação da estaca, ou ainda quando o estaqueamento precisa ser executado em local que não permita a entrada de bate-estacas de grande altura; o perfil pode ser cravado em pequenos segmentos e emendados por solda. Recomenda-se também seu uso em fundações em que ocorram forças horizontais ou momentos, esforços não absorvíveis por estacas pré-moldadas de concreto. f) Estacas-pranchas Utiliza-se o perfil I para a contenção do solo em escavações de grande profundidade. Os perfis são cravados convenientemente espaçados e entre eles são colocadas pranchas de madeixa ou laje de concreto annado. As forças horizontais do empuxo do solo são transmitidas através das pranchas ou lajes aos perfis metálicos. Se a escavação for provisória e houver posterior reaterro, os perfis podem ser recuperados por extração. No caso de subsolos de edifícios a escavação é definitiva e os perfis permanecem compondo o arrimo e fazendo parte da fundação. ' ........ . . ,. perfil 1 6reo de escavoção pronchos de madeiro ou laje de c;oncreto CAPÍTULO 5 - Perfis estrulurois Perfil H Este tipo de perfil pode ser obtido pela soldagem de 3 chapas ou por laminação. Esse perfil se diferencia geometricamente do perfil I por apresentar largura de aba igual a altura da alma. As indicações em desenho são semelhantes às do pe:rfil I. Exceto que os perfis não industrializados de chapa soldada recebem a sigla CS, iniciais de coluna soldada ou mais genericamente, PS de pe:rfil soldado. T Emesa (aba] 0 o! ._e! 1n~ 1 aímc 0 :J__ mesa (aba) Os perfis laminados produzidos pela Açominas recebem a sigla W ou HP. Os perfis eletro-soldados produzidos pela Usiminas recebem a sigla CE, de coluna eletro-soldada. Exemplos: - CS 300 x 26 (altura= largura= 300 mm, peso = 26 kgf/m) ou W 310 x 93 (altura= largura= 310 mm, peso= 93 kgf/m) ou CE 300 x 76 (altura;:;; largura= 300 mm, peso= 76 kgf/m) Os perfis soldados, quando não produzidos industrialmente, podem ser especificados genericamente, seja perfil I ou H, pela sigla PS de perfil soldado. Como não são tabeladas, essas seções deverão ser identificadas na prancha de desenho, em tabela própria, na qual todas as suas dimensões sejam especificadas. Convencionalmente, a ordem de identificação é: altura do perfil, largura da mesa, espessura da mesa e espessura da alma. O perfil H, por suas características geométricas, é quase que unicamente utilizado como pilar, pois apresenta boa rigidez em ambas as direções, respondendo bem ao esforço de compressão axial. A inércia de sua seção faz com que o perfil H seja indicado também para pilar~s submetidos a flexo-compressão (flexão+compressão axial) e, mais raramente, para barras de grandes treliça~. Perfil T Pode serobtido por laminação ou pelo corte de um perfil I ou de perfil H. Quando obtido por laminação, apresenta dimensões bastante reduzidas. Por não ser muito econômico, o perfil T tem pouca utilização estrutural, sendo principalmente usado em peças submetidas a baixos esforços, principalmente para peças curvas, por sua facilidade de calandragem ou ainda na composição de caixilhos. 38 CAPÍTULO 5 - Perfis estruturais Sua indicação em desenho é semelhante à da cantoneira, substituindo-se a espessura da alma pelo peso por metro linear. Exemplo: - T 4"X4"X20kgf/m. Perfil tubular Os perfis tubulares podem ser obtidos pelo processo de extrusão ou pela calandragem (processo usado para curvar chapas ou perfis) de chapas. No primeiro processo, o tubo não apresenta costura, procedimento indispensável no segundo processo. Por isso, os primeiro são chamados tubos sem costura e os últimos tubos com costura. Não há diferença quanto às propriedades físicas de um e de outro, apenas no processo de fabricação. Os tubos de maiores dimensões são obtidos com costura e os de menores sem costura. Tubos sem costura são obtidos com dimensões que não ultrapassam 200 mm. As seções dos tubos podem ser circulares, quadradas ou retangulares. Os tubos são especificados em projeto pela dimensão externa seguida da espessura em milímetros. Exemplos: - 0 200 X 3 (tubo circular), (diâmetro = 200 mm, espessura= 3 mm) ou 0150 x 80 x 2 (tubo retangular), (altur!l = 150 mm, largura= 80 mm, espessura = 2 mm). Um problema sério dos perfis tubulares é a possibilidade de sofrerem deterioração de dentro para fora, que pode não ser detectada visualmente. Por isso, recomenda-se o uso de tubos confeccionados com aços resistentes à corrosão. Os tubos são usados em: a} Barras de treliças planas e espaciais Os perfis tubulares circulares, por possuírem massas igualmente distanciadas do centro de gravidade, prestam-se bem à utilização em barras submetidas tanto a tração como a compressão, esforços presentes nas treliças. Apresentam certas dificuldades em relação às ligações entre as barras, embora existam sistemas eficientes para execução dos nós em treliças com tubos cilíndricos, tais como: Sistema Mero, usado para treliças espaciais. b) Barras submetidas a torção Os perfis tubulares, principalmente os cilíndricos são os que melhor absorvem esforços de torção, por possuírem massas igualmente distanciadas do centro de grjlvidade. CAPÍTULO 5 - Perfis estruturais c) Pilares Talvez seja essa a mais interessante aplicação dos perfis tubulares, pois apresentam maior eficiência contra flambagem com menor consumo de material. São executados vazados ou preenchidos com concreto, quando então se obtém uma grande resistência com seções bastante esbeltas. d) Vigas Os perfis tubulares retangulares podem ser usados como vigas. Do ponto de vista econômico, os perfis tubulares são menos eficientes que os perfis I, pois, ao contrário destes, apresentam maior concentração de massa na ahna, o que contraria o princípio de desconcentração de massas, já bastante comentado. Chapas São obtida<; pela laminação dos lingotes. Classificam-se em finas e grossas, conforme suas espessuras. As chapas finas variam de 0,31 a 4, 76 mm. São fornecidas em peças de até 6,0 m de comprimento ou em bobinas. As chapas grossas possuem espessuras que variam de 13/64" ( 5,2 mm) a 2 1/2" (63,5 mm) e são normahnente especificadas em polegadas. São fornecidas em peças de até 1,22 m de largura por até 10,67 m de comprimento. As chapas são utilizadas em: a) Conformação de perfis estruturais (perfis de chapas dobradas). Para tal finalidade são usadas apenas chapas fmas. b) Elementos de ligação entre perfis Em nós de treliças e outro~. sisten?,~. ~s~i"!J!~~, co_lll() -'!iga x pilar. A forma da chapa é função do tipo de ligação a ser executada. e) Reforço de estruturas existentes A soldagem de chapas, em perfis que necessitam de reforço, propicia aumento sensível na sua resistência. si-T ~,.,.,. do ¾-+-chapa= 0,56cm No exemplo acima, foi obtido aumento de 21 % na resistência da peça com apenas 10% a mais de peso. Barras redondas As barras redondas são obtidas por laminação. Seus diâmetros variam de 1/2" (12,5 mm) a 4" (102 mm). As barras redondas são basicamente usadas para confecção de chumbadores, parafusos e tirantes. 40 CAPÍTULO 6 Elementos de ligação Como visto no capítulo anterior, os elementos básicos de uma estrutura metálica são constituídos de barras (perfis), disponíveis no comprimento máximo de 12 m, comprimento limitado pela possibilidade de transporte e manuseio. Um sistema estrutural de aço será a composição (união) conveniente dessas barras. Os elementos que propiciam as uniões entre as barras devem ser capazes de absorver e transmitir esforços. Como a estrutura é o caminho que as forças percorrem para chegar de seu ponto de aplicação até a fundação e como esses caminhos nem sempre são contínuos, onde houver necessidade de mudança de direção ou de material haverá sempre a necessidade de um elemento de ligação que funcionará como uma ponte, unindo partes da estrutura, permitindo a passagem das forças, fazendo com isso que o conjunto estrutural trabalhe unido. As ligações entre perfis podem ser feitas diretamente (perfil ligado a perfil) ou mediante um elemento intermediário: a chapa de ligação. As chapas de ligação são elementos localizados entre os perfis e usadas quando não há possibilidade de ligação direta, quer por problemas de ordem construtiva, quer pela própria incapacidade da lígação de transmitir os esforços. Para projetar uma ligação adequada é necessário obedecer a alguns critérios: 1) As lígações diretas entre perfis são adequadas quando os perfis puderem se acoplar sem ne1.:essidade de cortes especiais que possam dificultar a execução, aumentando seu custo. Geralmente, esse tipo de ligação é executado na fábrica. 2) As chapas de ligação devem ter espessura conveniente para absorção dos esforços e uma forma que permita cortes com o mínimo de perda. 3) Devem ser sempre verificadas as concentrações de esforços nas ligações, para evitar flambagem localizada ou flexões indesejáveis. Mudanças bruscas de dimensão resultam sempre em concentração de tensões e devem ser evitadas. flombo~em no m,.•;mo) jr;:::::::=:::::;.-~ ?.==.==!.. 111 li chopo 1 de rigidez , solução ' · .. \! ... · 41 CAPÍTULO 6 - Elementos de ligação solução conloneiro 4) Ao projetar uma ligação, deve-se verificar a possibilidade de sua execução, garantindo o acesso às ferramentas (soldador, chaves para parafusos, e outras). As ligações são vínculos estruturais e como tal devem ser projetadas e executadas de maneira que se aproximem do comportamento teórico desejado. As ligações são classificadas em: a) Rígidas, quando não pennitem rotação relativa entre os elementos ligados. Exemplo: nós de pórticos, emendas de barras fletidas, etc. b) Articuladas, quando permitem rotação. Exemplo: nós de treliças, apoios articulados, etc. Na prática, nero sempre as conexões são totalmente articuladas, admitindo- se pequena rigidez, desde que não prejudique o comportamento global da estrutura. Entretanto, em obras de grande porte, é necessário que as conexões correspondam integralmente ao projeto. Ou seja, as conexões rígidas não deverão permitir, em hipótese alguma, qualquer rotação, e as articuladas nenhuma rigidez. As ligações articuladas de grandes estruturas são feitas com elementos especiais, como roletes de aço, placas de neoprene e pinos metálicos. chapo no topo do pilar Os principais elementos de ligação Rebites chapa de rigidez chopo no lopo do pilar O rebite é um pino cilíndrico, de material dúctil, tendo em uma das extremidades uma cabeça que se apóia em uma das peças a serem ligadas. 42 CAPÍTULO 6 - Elemenlos de ligoçõo Para melhor introdução do rebite, é necessária uma folga de 1/16" entre o seu diâmetro e o furo. O comprimentodo rebite deve ser superior à soma das espessuras das chapas, de forma que o trecho restante, quando prensado, forme a segunda cabeça, fixando as peças. A rebitagem é feita a alta temperatura a fim de facilitar a deformação do corpo do rebite, a formação da segunda cabeça, e o preenchimento total do furo. equipamento para rebitogem rebite Atualmente, os rebites estão em desuso nas estruturas, pelas seguintes razões: - Desenvolvimento da técnica de soldagem e dos parafusos de alta resistência, que permitem ligações mais eficientes; - Os rebites necessitam de equipes de 4 a 5 homens bastante experientes; - Perigo de incêndio; - Ruído excessivo; -Ambiente de trabalho insalubre (calor e ruído). Qualquer conexão feita com rebite pode ser executada com solda. já o inverso não é verdadeiro. As ligações soldadas podem atingir até l 00% de eficiência. as rebitadas no máximo 80%. Parafusos Os parafusos são barras cilíndricas, rosqueadas em uma extremidade e com cabeça em outra. de forma que permitam o aperto entre as peças mediante ferramenta adequada. Os parafusos mais empregados nas construções metálicas são os de cabeça quadrada e hexagonal. Apresentam porcas com a mesma fonna e dimensão da cabeça. Os furos para introdução dos parafusos devem ter folga de 1/16". ti 0 ----+ ----,1,....0,7 0o.u 0 ~ ---¾-0,7 0 ou 0 Para fixação do parafuso são necessárias duas ferramentas: uma para girar a porca. outra para impedir o giro da cabeça. CAPÍTULO 6 - Elementos de ligação Portanto, para execução de uma ligação parafusada são necessários no máximo dois operários. Em ligações submetidas a vibração são acrescentadas arruelas de pressão. Para uma escolha prévia do diâmetro do parafuso, aplica- se a seguinte relação: 1,6 t s d< 3 A onde t = espessura do chapa mais grossa Á = espessura do chapa mais fina Parafusos comuns Os parafusos comuns são fabricados com aço-carbono, menos resistentes e reconhecidos pela sigla ASTM A307. Por serem pouco resistentes, os parafusos comuns são usados em ligações secundárias e em estruturas de pequeno porte. Parafusos de alta resistência São parafusos executados com aço de médio e baixo teor de carbono, portanto mais resistentes. São parafusos com alta tensão de ruptura a tração e ao cisalhamento. Chegam a resistir a tensões de tração iguais a 11.950 kgf/cm2• Esses parafusos podem fazer a ligação entre as peças de duas maneiras: a) Por atrito entre as peças ligadas. Solução utilizada quando a estrutura não pennite qualquer deslocamento (escorregamento) da ligação. Por exemplo, em estruturas submetidas a vibração. b) Por resistência ao cisalhamento do corpo do parafuso. Neste caso, há sempre a possibilidade de acomodação entre as peças ligadas. Os parafusos de alta resistência são bem mais caros que os parafusos comuns, e portanto recomendáveis para obras de médio e grande portes, nas quais a sua resistência propicia a diminuição do número de parafusos, se comparados com os parafusos comuns. São fabricados dois tipos de parafusos de alta resistência: o AS1M A325, com limite de escoamento entre 5.600 e 6.500 kgf/cm2, e o ASTM A490, com limite de escoamento entre 8.000 e 9.600 kgf/cm2• Esses valores demonstram como os parafusos de alta resistência são muito mais resistentes que os comuns, cujo limite de escoamento em 2400 kgf/cm2• Solda As ligações soldadas começaram a ser utilizadas com grande sucesso a partir da década de 40. Hoje são tão difundidas e de qualidade tão boa que existem obras que são inteiramente soldadas. 44 CAPÍTULO 6 - Elementos de ligação As ligações soldadas são as que apresentam maior rigidez. A soldagem se faz pelo aquecimento do material-base ( elementos a serem ligados) a uma temperatura de aproximadamente 4.000ªC. Essa temperatura é obtida pela criação de llIIl arco voltaico entre o material-base e o eletrodo. O material-base, ao atingir a temperatura indicada. funde-se propiciando a união entre as peças; o eletrodo, além de provocar o arco voltaico, também se funde preenchendo os vazios entre a ligação. arco voltaico material-base eletrodo fusão"' ligação (temperatura ;;. 4 .OOOOC) gerador O material-base, durante a soldagem, sofre modificações físico-químicas, o que pode influenciar na resistência da junta soldada, sendo portanto muito importante o tipo e a qualidade desse material. Caso o metal base não seja soldável (por exemplo, aço com grande quantidade de manganês) a solda não se realiza adequadamente, tomando a ligação frágil. Controle de qualidade da solda O principal defeito da solda é sua descontinuidade ou falha. As falhas enfraquecem drasticamente a ligação. Para garantir a qualidade da ligação, as soldas devem sofrer rigoroso controle e aprovadas após exames especiais, tais como: a) Controle magnetoscópico Este ensaio serve para a observação de falhas superficiais. Consiste na magnetização da peça a ser verificada; pela medição do campo magnético, pode-se perceber as descontinuidades, revelando-se as falhas. b) Controle com líquidos penetrantes Também utilizada para observação de defeitos superficiais. A superfície a ser verificada é banhada com líquido penetrante colorido. As falhas absorvem o líquido; após a limpeza do excesso e a aplicação do revelador (à base de talco ou gesso), ficam à mostra as descontinuidades. e) Controle Radiográfico Destina-se à verificação dos defeitos internos. Empregam-se Raios X. Ao atravessar o material, os raios são absorvidos progressivamente. Quanto maior a espessura atravessada menor a intensidade de radiação emergente. 45 CAPÍTULO 6 - Elementos de ligação Ao atravessarem as falhas, os raios emergem com maior intensidade impressionando o filme com tonalidade mais escura. Após revelação da chapa de filme, pode-se observar as falhas pela ocorrência de manchas mais escuras. d) Controle por ultra-som Destina-se, também, à verificação dos defeitos internos. O princípio baseia- se na reflexão das ondas acústicas quando atingem meios de diferentes densidades. Se no percurso da onda houver uma falha (vazio com densidade baixa), haverá uma reflexão, antes da onda atravessar todo o material. Esse retomo será captado antes pelo receptor, denunciando a existência da falha. Tipos de soldagem Conforme o posicionamento das chapas a serem soldadas, podem ocorrer dois tipos de soldagem: a) Solda de tôpo Neste caso, as chapas são posicionadas uma contra a outra e em um mesmo plano. #-2 o 4 mm ~~· ~ . '-- corte reto entalhe reto para chapas finos Conforme aumentem as espessuras das chapas a serem unidas, devem ser previstos detalhes que garantam a penetração total da solda. Para isso, as extremidades das chapas devem ser convenientemente preparadas. Essas soldas também são chamadas de soldas de entalhe. Neste caso, quando a solda atinge toda a espessura da chapa, ela é dita de penetração total. 60° ~~ . '~~ 1 11~1 !I 1 ../t-3mm ..fl.2mm en!olhe em V simples poro chapas grossos entalhe em V duplo poro chapas grossos {soldo de penetração total) (solda de penetração total) b) Solda em ângulo Neste caso as chapas são posicionadas em planos ortogonais e a solda ocorre nas suas laterais. Essas são chamadas também de soldas de filete. Aqui também, dependendo das espessuras das chapas, suas extremidades devem ser preparadas com algum tipo de chanfro. CAPÍTULO 6 - Elementos de ligação seçáoM seçãoM Representação gráfica das soldas Mesmo para aqueles que não pretendam ser projetistas de estruturas metálicas, é importante conhecer a simbologia ainda que não completa de representação de solda para que se faça uma interpretação correta do projeto. As soldas são indicadas com setas, sobre as quais são especificados o tipo e espessura da solda. A solda de topo é representada por dois traços paralelos sobre a seta. A solda em ângulo é representada por um triângulo. Caso o triangulo esteja voltado para baixo, a solda ocorre do lado onde está aponta da seta; se ao contrário, o triângulo estiver para cima, a solda ocorre exatamente do lado oposto ao que se encontra a extremidade da seta. Esta representação, que em princípio pode parecer descabida, é interessante para evitar concentração de informações. Quando a solda ocorre nas duas faces, ela é indicada pela seta com triângulo duplo. A seguir são mostradas as formas mais comuns de representação de solda nos desenhos de estruturas metálicas. ~~~··rr CD ® © G) ,olda em ôngulo, no lodo do seta, altura da solda = ½" @ solda em ângulo, nos dois lados da sela, altura do solda = ½º @ solda em ângulo, no lado oposta da seta, altura da salda = ½' G) soldagem de tcpo com entalhe reto @ soldagem de topa com entalhe em V simples do lado do seto Ainda são usados outras especificações tais como: ® Q) @ solda em todo o contorno (J) soldo o ser execvtado no canteiro Os eletrodos são fabricados com diversos materiais, devendo cumprir as exigências especificadas na Norma. Os eletrodos são especificados pela letra E acompanhada de três outras informações. 47 CAPÍTULO 6 • Elementos de ligação Por exf:Illplo: E 70 1 O. A primeira informação, no caso 70, indica a resistência mecânica do eletrodo (70.000 lbs/pol2), as duas últimas, no caso 1 e O, indicam a posição da soldagem, o tipo de revestimento do eletrodo e a conente de soldagem. Nas obras comuns, com aço A 36, o eletrodo normalmente especificado é o E 70 XX, ou seja, deve ter 70.000 lbs/pol2 de resistência e pode ser soldado em qualquer posição com qualquer revestimento e corrente. Para aços resistentes à corrosão, recomenda-se o eletrodo E 70 18. Observações gerais: a) As ligações soldadas devem ser preferencialmente executadas em fábrica. Sua execução no canteiro pode acontecer em condições adversas e com menor controle de qualidade, resultando em ligações deficientes. b) As ligações soldadas são mais vantajosas em relação às parafusadas por não necessitarem de furos; os furos diminuem a seção resistente da peça. Essas ligações não exigem a mesma precisão das ligações parafusadas. e) As ligações com parafusos devem ser executadas no canteiro, o que garante mais qualidade e rapidez à execução. d) Quando o edifício tem um uso não permanente, as ligações parafusadas são uma exigência, já que permitem fácil desmontagem da estrutura. Detalhes de ligações Existem vários detalhes de ligações entre peças estruturais que são consagrados e freqüentemente usados. Isso não impede que outros possam ser propostos. Para isso, é preciso apenas uma boa dose de bom senso e conhecimento dos esforços atuantes nas ligações, de forma que eles sejam corretamente absorvidos e transmitidos às peças estruturais do sistema. É importante também que os detalhes traduzam corretamente o comportamento real da estrutura e além de tudo sejam de fácil execução. Nas figuras seguintes, são apresentadas alguns detalhes mais comuns de ligações entre viga x viga, viga x pilar e pilar x fundação. a) Viga xviga Q) vínculo orticulodo A corte A-A 1 .), A viga cóntoneira cantoneira 48 - :.·-.·: .. · .. CAPÍTULO 6 - Elemenfos de ligação 0 vínculo articulado A A \ . cantoneiro @ vínrulo articulado vísla A ~ 1A perfilT chapo vista A 0 vínculo rfgido Ap -,- T J () o o Q ( A~ ) viga em balanço corte A-A o o corte AA chapo /( ) o o o o :--i vrgo que apóio perfil T ~ )<( v1go X( viga viga opoíodo corte M CAPÍTULO 6 - Elementos de ligação b) Viga x pilar Q) vínculo articulado cantoneira 1A 1 1 ? 1 f:E :r il corte M d~ pilar 0 vínculo rlgido viga a chapo serfixada v-/ (1A, ~~~~ o o o \ " o o o o o · \ '-chapAA trecho de viga ~---v'-~-soldodo no pilar ,:1) vínculo articulado pilar tubular A 0 A { d~ iga et. r pilar corte M deLL:_ ~ \_ perfil 1 corteM © vínculo articulado corte M recorte no chopa I perfil viga / / perfil tubular \._ 1 < ! pilar tubular 50 f1?J l~M. i.Jíl•J,~ ! l' 11DllJJ) L___v . CAPÍTULO 6 - Elemtintos de ligação 8 8 viga perfil tvbular pilar fubular ® vínculo articulado \___:viga perfil tubular pilar perfil H ~:~.~1}! r, ~ pilar perfil H @ vínculo articulado perfil T ;:A~ DJ ®~ pilar ~ corte 88 dei __[viga ~ corte BB dó~ pilar 51 CAPÍTULO 6 - Elementos de ligação corte BB viga perfil tubular ) ! 1 \ perfil T pilar perfil tubular circular 0 vínculo rígido A~ \balanço @ vínculo rígido o o o o o • o o o balanço ® vfnculo rígido 52 corteM • o o • • o det. ,viga pilar bólanço t chapas corteM CAPÍTULO 6 - Elementos de ligoçõo e) Pilar x fundação (D vínculo articulado corteM ~ ~ placa de base (3) vínculo rfgido corteM o o o o r-, o ., o o d) Emenda de pilar ----.... -fundação i 1 fundação 3 cm concreto placa de base (D vínculo rfgido ou articulado, dependendo do quantidade de parafusos 1 ºIh (pilar H) pilar superior corte A-A ··•· - ' '•· -, ___ .. pa m, as palmilhas chapo secundória pilar inferior A .,,,.--- A ......,,,,. concreto com expansor [in loco) A --.::,o cornada de regulari2oçõo chumbador A --.::,o fundação as palmilhas são dispensadas quando os pilares tiverem os mesmos dimensões chapo principal 53 CAPÍTULO 6 - Elementos de ligação 54 @ vínculo articulado (pilar tubulorj o ººº o corte M 0) vínculo rígido (pilar tubular) Q r o i \ / o .V nervura corte AA 0 vínculo rígido (pilar tubular) corte AA o o o V oleto ! ! o 1 i \1 \, oleto o A -.:,o- flange A -.:,o- oleto A --.,::,, chcpo soldado no base do pilar superior chapa soldada no topo do pilar inferior A ~ chapo soldado no topo do pilar inferior A --.,::,, chapo soldado no base do pilar superior chapo soldado no topo do pilar inferior CAPÍTULO 6 - Elementos de ligação e) Pilar de concreto x viga metólica CI) vínculo articulado @pilar novo ~~.,.,--~gropo ou ,. ~D ~ • fc:- conector tJc,• • :o.·::•· viga 1 ~~·. ) ~ ·• .;,,,s,,.;.;.i[E:::==::::;(~= ',p if ~ •ia,·,p~· @pilar existente chumbodor de expansão A t f ~~-»-'t'il!:==c=ha=p=o~ ~- i., •, executado i 'IP ~ q• junto ao pilar pilar existente ~ f) Pilar metálico x viga de concreto rf.1 H espero soldado no perfil (CA 241 pe , - soldo/_ '1_A orm1:1çõo ~ , do 11190 ===~ soldo .!., __,armação ~ do viga \ --~ ---------~~-~ vi:: 0 :: 0 usar adesivo antes de concretar concreto g) Ligações especiais com tubos CI) vínculo articulado corte AA mínimo= 6 0 mínimo= 12 0 corteAA o í B ~A j~~J~,, e Üdopl~ pino corte AA duplo/ <.J de topo L corteBB K.~ \_ simples 55 CAPÍTULO 7 Sistemas estruturais de aço Arcos O uso do arco remonta a épocas remotas, quando os materiais estruturais restringiam-se à madeira e à pedra. Os primeiros arcos eram executados com blocos que se apoiavam, cada um com pequeno balanço em relação ao anterior. É o chamado arco falso. Esses arcos não permitiam vencer grandes vãos. O arco verdadeiro provavehnente surgiu da desestabilização do arco falso, que resultou numa disposição dos blocos mais adequada para vãos maiores. O arco verdadeiro é resultado do empilhamento de diversos blocos, de maneira que o comprimento resultante seja maior que o vão a ser vencido. Desta maneira qualquer bloco para se dirigir ao solo sob a ação da gravidade, deve provocar uma compressão nos dois blocos vizinhos, e assim sucessivamente. Mantendo-se os apoios indeslocáveis, todo o sistema permanecerá submetido a compressão, mantendo os blocos unidos e o arco íntegro. Apesar de originalmente o arco ser um sistema estrutural submetido a compressão, não se pode afirmar que será sempre uma estrutura em que só existem esforços de compressão. Os esforços no arco podem variar de acordocom a forma de carregamento que incide sobre ele. Para entender essa relação, será utilizado um modelo a partir de um cabo. O cabo, por não ter rigidez, só é capaz de absorver esforço de tração axial simples. Portanto em qualquer situação de carregamento, pode-se afirmar que o cabo encontra-se submetido a tração simples. Outra característica importante dos cabos é que \ }l) J 1s "-,@ / ~ suaformadeformadamudade ~ Y /'@ " acordo com a quantidade e posição das cargas. A essa forma adquirida pelo cabo dá- se o nome de funicular. 1 - cabo original 2 - cabo detormado 3 - borra simples V§~/;=\ v~~~ 57 CAPÍTULO 7 • Sistemas estruturais de aço Nos exemplos acima, é sempre possível afirmar que no cabo existem apenas esforços de tração simples. Assim, se as formas funiculares forem inverti.das, usando uma barra rígida e mantendo o mesmo carregamento, resultarão estruturas nas quais, pode-se garantir, estajam atuando apenas a compressão simples. Ou seja, para se ter um arco só comprimido sob a ação de uma única carga concentrada, sua forma deverá ser triangular, que é o oposto do funicular dessa carga. Note que, no último modelo o cabo, com cargas uniformemente distribuídas ao longo do seu comprimento, adquire uma forma funicular que é a curva denominada catenária Invertida, ela nos dá o arco ideal para cargas de peso próprio (cargas iguais ao longo do comprimento do arco). Conclui-se pois que, para se ter apenas esforços de compressão, a forma do arco deverá ser o inverso do funicular das forças a ele aplicadas. Bises arcos são chamados de arcos funiculares. Qualquer modificação no carregamento provoca esforços adicionais de flexão; como é sabido, o esforço de compressão axial é mais econômico que o de flexão, portanto é econômico evitar a flexão no arco. Um caso extremo é apresentado na figura a seguir: um arco parabólico sustentando uma carga concentrada no meio do vão. F 0 F lroietório ideal que daria somenle compressão MF arco delormodo com flexão MF Viu-se que a forma ideal para conduzir uma força concentrada aos apoios é o triângulo, o funicular da força. O arco obriga o carregamento a descrever um caminho mais longo, afastado da trajetória ideal. Isso provoca uma excentricidade entre o caminho ideal e o fornecido pelo arco, o que fará surgir esforço de flexão, o qual para ser absorvido exige uma seção mais robusta para a peça e por isso menos econômica. Deduz-se, portanto, que o arco torna-se uma estrutura econômica quando ele é funicular das forças aplicadas. No caso de arcos com carregamento uniforme ao longo da horizontal, sua forma ideal é a parabólica. Para arcos submetidos apenas ao seu peso próprio, a fonna ideal é a catenária, mas visualmente a diferença entre uma curva parabólica e uma catenária é quase imperceptível. Pode-se dizer que para arcos bastante abatidos as curvas são praticamente iguais. Nonnalmente os arcos são construídos com forma parabólica para facilitar a execução, seja para cargas uniformes ao longo da horizontal seja para peso próprio. 58 CAPÍTULO 7 - Sistemas estruturais de aço E claro que para estas últimas aparecerão esforços de flexão, mas felizmente eles não chegam a influenciar as dimensões do arco. Tipos de arcos Dependo da situação em que são usados ou do processo construtivo escolhido, os arcos podem apresentar vínculos articulados ou engastados. Estes últimos são usados apenas em casos especiais, pois introduzem esforços de fle,cão. a) Arco triarticulado É o tipo de arco mais utilizado, principalmente pela facilidade de execução. Como o próprio nome diz, esse tipo de arco apresenta três articulações, duas nos apoios e uma terceira normalmente localizada no centro. O arco triarticulado apresenta uma grande vantagem construtiva, cada trecho entre as articulações pode vir pronto para montagem no canteiro. Além disso, caracteriza-se por uma boa adaptação a mudanças de fonna geradas, entre outras, por dilatação térmica, pois as articulações pennitem melhor acomodação das peças. Os ate0s triarticulados são isostáticos, o que facilita seu cálculo, mas em compensação possuem seções mais robustas, aumentando seu custo em relação aos outros tipos. Os arcos triarticulados são mais usados em estruturas metálicas. Atenção: não existe arco tetraarticulado. Um arco com mais de três articulações é hipostático, ou seja, não é estável. b) Arco biarticulado Esse tipo de arco apresenta articulações apenas nos apoios. Não tem a mesma versatilidade de acomodação às mudanças de forma que o triarticulado, portanto toma-se mais sucetível ao aparecimento de esforços indesejados de flexão. É hiperestático, portanto admite menores dimensões de seção, resultando em menor consumo de material. Do ponto de vista construtivo, é menos interessante que o articulado. Os arcos biarticulados são mais usados em concreto armado. e) Arco biengastado Seu uso é bastante incomum e só acontece quando há necessidade expressa de ligação rígida nos apoios. É o tipo de arcci que mais consome material, pois apresenta momentos fletores em razão do engastamento. Por outro lado, é muito estável e por isso é utilizado para arcos isolados. CAPÍTULO 7 - Sistemas estruturais de aço Os arcos biengastados são raros em estruturas de aço. A questão dos empuxos Um arco só é estável se seus apoios forem indeslocáveis, ou seja, articula.dos fixos. Se um dos apoios for móvel, o arco se transforma em uma viga parabólica, na qual predomina a flexão. Com isso, suas dimensões serão bem maiores, da ordem de cinco vezes, tomando a solução totalmente antieconômica Todos os arcos, quaisquer que sejamsuas formas, apresentam nos apoios a tendência de se deslocar na horizontal, aplicando a eles forças horizontais denominadas empuxos horizontais. H V\ j_, J. .J.. Fh1 _g Fvl _M 1 .1, H A intensidade dos empuxos é inversamente proporcional à flecha do arco. Denomina-se flecha do arco à sua altura no meio do vão. Sempre que ~ível, os empuxos não devem ser transmitidos aos apoios. Empuxos em pilares provocam grandes flexões, que também são transmitidas às fundações, encarecendo a solução. Os empuxos horizontais nos arcos podem ser absorvidos por tirantes , descarregando nos apoios apenas forças verticais, resultando em pilares e fundações de menores dimensões. Por outro lado, o tirante pode ser um elemento indesejável no espaço interno da edificação, como por exemplo em quadras esportivas. Neste caso, os pilares sedío responsáveis pela absorção das forças horizontais e ficarão submetidos a grandes esforços de flexão, o que exigirá deles maiores dimensões. Quando essa solução for inevitável, recomenda-se criatividade para absorver na arquitetura.ou até mesmo tirar partido das novas dimensões resultantes nos pilares. Os arcos em estruturas metálicas Os arcos, em estruturas metálicas, podem ser de alma cheia, usando perfil I, H ou tubular. No entanto, essa solução deve ter uma justificativa muito forte, pois perfis de alma cheia, para serem dobrados, necessitam ser calandrados, ou até mesmo, compostos de pequenos trechos retos. Arcos metálicos com perfis de alma cheia constituem solução com custo bastante elevado . . CAPÍTULO 7 • Sistemas estrutureis de aço Quando treliçados, com cantoneiras e perfis U, sua execução fica muito simplificada, com custos bem menores. É a solução mais utilizada A corteM perfil U chapo dobrado Por serem usados em grandes vãos e estarem submetidos predominantemente a compressão simples, os arcos são sujeitos a flambagem, dentro e fora de seu plano, sendo muito instáveis principalmente fora de seu plano. Para estabilizá-los é necessário prever travamentos adequados, também conhecidos por contraventamentos. terças perfil U borras poro trovamen~o do banzo inferior do arco, para transferir os esforços poro o controvenlamento superior arco treliçado conlroventamento no nível do banzo superior dos arcos (ferros redondos
Compartilhar