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Estruturas Metálicas Responsável pelo Conteúdo: Prof. Dr. Antonio Carlos da Fonseca Bragança Pinheiro Revisão Textual: Prof. Me. Luciano Vieira Francisco Estruturas Metálicas na Construção Civil Estruturas Metálicas na Construção Civil • Conhecer as vantagens e desvantagens das estruturas de aço; • Apresentar os sistemas estruturais possíveis em aço; • Conceituar as propriedades físicas e mecânicas dos materiais, bem como as normas vigentes para dimensionamento de estruturas de aço; • Apresentar e conceituar os estados limites utilizados no cálculo estrutural de estruturas de aço. OBJETIVO DE APRENDIZADO • Introdução; • Vantagens e Desvantagens das Estruturas de Aço; • Sistemas Estruturais Possíveis em Aço; • Propriedades Físicas e Mecânicas dos Materiais; • Normas Vigentes para Dimensionamento; • Estados Limites. UNIDADE Estruturas Metálicasna Construção Civil Introdução O aço estrutural é importante elemento construtivo e excelente material alternativo para construções em geral. As estruturas em aço surgiram primeiramente na Inglaterra há, aproximadamente, 200 anos. Essa tecnologia construtiva vem se aprimorando constantemente. No Brasil, o aço passou a ser utilizado, a partir do final do século XIX e início do século XX, na forma de estruturas pré-fabricadas importadas da Inglaterra para atender à crescente demanda da construção civil. Suas aplicações foram em pontes metálicas, galpões industriais e comerciais, bem como edifícios comerciais e residenciais. O aço é produzido em empresas denominadas siderúrgicas (Figura 1). É uma liga metálica composta, principalmente, de ferro e pequenas quantidades de carbono (entre 0,008 e 2,11%). Tem propriedades mecânicas importantes para a sua aplicação como material estrutural. Figura 1 – Produção do aço em empresa siderúrgica Fonte: Getty Images As principais matérias-primas para a obtenção do aço são o carvão mineral e o minério de ferro, que não são encontrados puros na natureza. Assim, esses materiais devem ser previamente preparados, com o objetivo de reduzir o consumo de energia e aumentar a eficiência do processo siderúrgico. Como resultado do processo siderúrgico, após uma série de etapas, o aço é moldado a quente (aço laminado ou aço extrudado), sendo comercializado para utilização estrutural na forma de chapas, perfis ou bobinas (Figura 2). 8 9 Figura 2 – Produção do aço laminado Fonte: Getty Images Nas empresas metalúrgicas o aço estrutural conformado a frio (perfil dobrado ou chapa dobrada) (Figura 3), ou composto por soldagem industrial (perfil soldado) é igual- mente comercializado (Figura 4). Figura 3 – Perfi l dobrado para a execução de degraus em aço Fonte: Getty Images Figura 4 – Perfi l soldado para a execução de vigas em aço Fonte: Getty Images 9 UNIDADE Estruturas Metálicasna Construção Civil A produção do aço e a fabricação de estruturas de aço estão apresentadas na Figura 5: Indústria Siderúrgica Insumos (Minérios de Ferro etc.) Aço Estrutural (Per�l, Chapas etc.) Estrutura de Aço (Barras, Placas etc.) Indústria Metalúrgica Figura 5 – Produção do aço e fabricação de estruturas de aço Vantagens e Desvantagens das Estruturas de Aço As estruturas de aço são constituídas por elementos de aço existentes no mercado. Esses elementos são trabalhados nas empresas metalúrgicas conforme as necessidades estruturais e de arquitetura. Esta solução tecnológica apresenta vantagens, bem como desvantagens, que são importantes de serem adequadamente estudadas. Vantagens das Estruturas de Aço A utilização de estruturas de aço pode trazer várias vantagens em determinadas condi- ções da construção civil. Os elementos estruturais em aço permitem a construção de estruturas que podem aten- der a concepções arrojadas de arquitetura em edificações ou em elementos de infraestrutura. Como vantagens desse sistema de construção é possível citar (Figura 6): • Redução do tempo de execução da estrutura: a utilização de estruturas de aço pode significar a redução de até 40% no tempo de execução que seria necessário se fossem utilizados processos convencionais, como a moldagem de peças estruturais de concreto armado “in loco”. Essa redução ocorre devido a fatores intervenientes como: i) as peças estruturais em aço são pré-construídas em fábricas metalúrgicas; ii) a fabricação dos elementos estruturais é feita em série, por isso essa condição de fabricação possibilita a redução do tempo para a execução da estrutura; iii) a utilização de peças pré-fabricadas permite que sejam feitas diversas frentes de serviço simultaneamente; iv) necessita da montagem de menos quantidade de es- coramentos provisórios; v) não é necessária a montagem de formas, ou no caso de estruturas mistas aço-concreto, ocorre uma pequena utilização de formas; e vi) tem maior independência em relação aos fatores climáticos; 10 11 • Utiliza menos apoios: devido à alta resistência dos elementos constituintes, as estru- turas de aço utilizam menos apoios que as estruturas convencionais, gerando estru- turas mais esbeltas; • Redução das dimensões do canteiro de obras: proporciona melhores facilidades no canteiro de obras em relação às construções convencionais. Não há necessidade de grandes espaços no canteiro de obras para a instalação de depósitos de materiais como areia, brita, cimento, madeiras e ferragens; • Canteiros de obras mais organizados e limpos: a utilização de estruturas de aço proporciona melhor condição de organização e limpeza do canteiro de obras, pos- sibilitando: i) redução da geração de entulhos; e ii) redução de acidentes do trabalho; • Redução de desperdício de materiais: a utilização de estruturas de aço possibilita a racionalização da mão de obra e dos materiais empregados na construção, devido à possibilidade de utilização de sistemas industriais nas obras; • Aumento da qualidade no processo e nos produtos: por ser pré-fabricada indus- trialmente, na estrutura de aço existe grande controle em sua produção, com maior precisão alcançada através da utilização de mão de obra qualificada, materiais de qualidade e equipamentos adequados; • Aumento de confiabilidade estrutural: a estrutura em aço é produzida e execu- tada com um único material, que é homogêneo e com características mecânicas bem definidas; • Maior facilidade de transporte e manuseio: o aço estrutural tem grande resistên- cia mecânica e, em geral, os elementos estruturais são menores, com menor peso relativo às estruturas convencionais, facilitando, assim, o transporte e manuseio na fábrica e obra; • Maior facilidade para futuras ampliações: por ser um material fabricado e usinado fora dos locais das obras, além de executado e montado com precisão, possibilita futuras ampliações estruturais sem interferir nas atividades de rotinas dos ambientes ocupados; • Maior facilidade de montagem estrutural: como a estrutura de aço é produzida de maneira industrial, sua montagem é pré-definida em projeto, o que possibilita aos montadores na obra um desempenho rápido e eficiente, com a utilização de equipamentos leves; • Possibilidade de desmontagem e reaproveitamento da estrutura: a estrutura de aço, quando necessário, pode ser desmontada e transferida para outro local; • Facilidade de reforço estrutural: em caso de haver aumento de cargas atuando na estrutura de aço, ela pode com facilidade ser reforçada para suportar as novas cargas; • Resistência à corrosão: as estruturas de aço podem ser resistentes à corrosão com a utilização de técnicas apropriadas, em que os custos sejam compatíveis com cada tipo de estrutura. 11 UNIDADE Estruturas Metálicasna Construção Civil Redução do Tempo de Execução da Estrutura Aumento da Qualidade no Processo e nos Produtos Maior Facilidade de Transporte e de Manuseio Utiliza menos Apoios Resistência à Corrosão Maior Facilidade para Futuras Ampliações Redução das Dimensões do Canteiro de Obras Vantagens das Estruturas de Aço Maior Facilidade deMontagem Estrutural Canteiros de Obras mais Organizados e Limpos Possibilidade de Desmontagem e Reaproveitamento da Estrutura Redução de Desperdícios de Materiais Aumento da Con�abilidade Estrutural Facilidade de Reforço Estrutural Figura 6 – Vantagens das estruturas de aço Desvantagens das Estruturas de Aço As soluções tecnológicas em geral podem apresentar algumas desvantagens em suas aplicações. Nesse caso, deve ser feita análise das condições técnicas de cada tecnologia e da relação custo-benefício de sua utilização. Como desvantagens desse sistema de construção é possível citar (Figura 7) o seguinte: • Custo global: dependendo do tipo e planejamento de uma obra, a estrutura em aço pode custar mais caro do que uma estrutura convencional em concreto. Esse custo engloba a proteção dos elementos de aço componentes da estrutura contra corrosão e incêndio; • Necessidade de mão de obra qualificada: as estruturas metálicas necessitam, em sua fabricação e execução, de mão de obra mais especializada que as necessárias para as estruturas convencionais; • Facilidade de execução restrita a elementos estruturais lineares: o uso do aço em estruturas geralmente é economicamente viável apenas em peças estruturais lineares como, por exemplo, vigas, colunas e treliças. Para a construção de lajes, geralmente é mais adequada a utilização de estruturas mistas de aço e concreto, do que a utilização única de chapas de aço; • Limitação de existência dos elementos estruturais no mercado: a utilização das estruturas de aço é limitada à oferta dos elementos estruturais no mercado; • Cultura construtiva: em algumas regiões é possível não haver tradição na utilização de estruturas de aço em alguns tipos de construção; 12 13 • Necessidade de tratamento superficial das peças estruturais: os elementos estruturais de aço devem ter tratamento superficial contra a oxidação (corrosão), devido ao seu contato com o ar atmosférico. O tratamento superficial pode ser dispensado se for utilizado aço de alta resistência à corrosão, que é mais caro que o aço estrutural convencional. Os elementos estruturais de aço também devem ter proteção contra incêndio, a fim de que possa aumentar a sua resistência ao calor, o que aumenta o custo da estrutura de aço. Necessidade de Tratamento Super�cial das Peças Estruturais Cultura ConstrutivaCusto Global Necessidade de Mão de Obra Quali�cada Limitações de Existência dos Elementos Estruturais no Mercado Facilidade de Execução Restrita a Elementos Estruturais Lineares Desvantagens das Estruturas de Aço Figura 7 – Desvantagens das estruturas de aço Sistemas Estruturais Possíveis em Aço O aço estrutural e a madeira estrutural têm praticamente as mesmas capacidades de realização de projetos estruturais. Dentre as aplicações do aço estrutural tem-se (Figura 8): • Estruturas de telhados (Figura 9); • Estruturas de edifícios industriais e comerciais; • Estruturas de residências (steel light frame); • Pontes, viadutos e passarelas (Figura 10); • Reservatórios de água; • Torres de transmissão de energia elétrica (Figura 11); • Torres de transmissão eletrônica (Figura 12); • Postes; • Escadas; • Mezaninos (Figura 13). 13 UNIDADE Estruturas Metálicasna Construção Civil Estruturas de Telhado Mezaninos Escadas Torres de Transmissão de Energia ElétricaReservatórios de ÁguaPontes, Viadutos e Passarelas PostesEstruturas de Edifícios Industriais e Comerciais Torres de Transmissão Eletrônica Aplicações do Aço Estrutural Estruturas de Residências (Light Steel Frame) Figura 8 – Algumas aplicações do aço estrutural Figura 9 – Estruturas de cobertura em aço estrutural Fonte: Getty Images Figura 10 – Pontes, viadutos e passarelas em aço estrutural Fonte: Getty Images 14 15 Figura 11 – Torres de transmissão de energia elétrica em aço estrutural Fonte: Getty Images Figura 12 – Torres de transmissão eletrônica em aço estrutural Fonte: Getty Images Figura 13 – Mezanino em aço estrutural Fonte: Getty Images 15 UNIDADE Estruturas Metálicasna Construção Civil Propriedades Físicas e Mecânicas dos Materiais Propriedade de um material representa a intensidade de uma resposta a um estímulo específico imposto a ele. Os materiais apresentam diferentes propriedades, entre as quais estão as elétricas, físicas, magnéticas, mecânicas, ópticas, térmicas, entre outras, em função do tipo de estímulo que é capaz de provocar as diferentes respostas. Para a realização do cálculo e dimensionamento estrutural deve-se conhecer as pro- priedades físicas e mecânicas dos materiais (Figura 14). Cálculo e Dimensionamento Estrutural Propriedades MecânicasPropriedades Físicas Figura 14 – Propriedades importantes dos materiais para elementos estruturais Propriedades Físicas dos Materiais As propriedades físicas são específicas de determinada matéria. São aquelas que podem ser observadas quando há ação mecânica ou do calor (energia térmica). É importante conhecer as propriedades físicas dos materiais, com o objetivo de enten- der a sua adequada utilização de acordo com as exigências de uma dada construção. Por exemplo, para manter a temperatura de um determinado ambiente a exigência de desem- penho básico de um material é que este tenha boas características de isolamento térmico. As propriedades físicas dos materiais dependem de suas homogeneidades e caracte- rísticas isotrópicas (Figura 15): • Materiais isotrópicos: para uma dada propriedade apresentam igualdade nas três direções (x, y, z) ortogonais; • Materiais anisotrópicos: para uma dada propriedade há variação em, pelo menos, uma das três direções (x, y, z) ortogonais. A maioria dos materiais é anisotrópica. Essa condição está associada à simetria da estrutura cristalina, em que o grau de anisotropia aumenta em função da diminuição da simetria estrutural. A madeira, por exemplo, tem a resistência mecânica dependente do sentido de orientação das fibras. Na direção paralela às fibras, a resistência tende a ser maior do que na direção transversal ao sentido das fibras. Características Isotrópicas dos Materiais Materiais AnisotrópicosMateriais Isotrópicos Figura 15 – Características isotrópicas dos materiais 16 17 Propriedades Mecânicas dos Materiais As propriedades mecânicas dos materiais definem o comportamento do material (resposta) quando sujeito a cargas externas, sua capacidade de resistir ou transmitir esses esforços sem se fraturar ou deformar de forma incontrolada (Figura 16). Cargas externas Propriedades mecânicas Capacidade de resistir ou de transmitir esforços Sem fraturar de forma incontrolada Sem deformar de forma incontrolada Comportamento do material De�nem Figura 16 – Propriedades mecânicas dos materiais A resistência dos materiais é uma medida das forças externas que são aplicadas aos materiais, as quais são necessárias para vencer as forças internas de atração entre as suas partículas elementares. Existem diversos tipos de ligações interatômicas, cada qual com uma determinada intensidade, que são específicas para cada tipo de material. Uma propriedade mecânica importante nos materiais é denominada Tensão Normal (f), sendo definida pela expressão (Eq. 1): [ ]Nf Pa A = ... (Eq. 1) Onde: • N é a força normal atuante na barra; • A é a área da seção transversal da barra. Outra propriedade mecânica é a elasticidade. Observa-se que para pequenos níveis de carregamento há comportamento aproximadamente linear entre a tensão aplicada em um corpo e a sua deformação. Com a retirada da tensão, a deformação cessa. Esse fenômeno é denominado comportamento elástico do material. Normas Vigentes para Dimensionamento As normas técnicas vigentes para o cálculo, dimensionamento e execução de estruturas são relacionadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). A ABNT é uma organização privada e sem fins lucrativos, responsável pela normati- zação de técnicas documentais e tecnológicas, facilitando, assim, a execução de projetos noBrasil. É o foro nacional de normatização e certificadora de produtos e sistemas. 17 UNIDADE Estruturas Metálicasna Construção Civil A função das normas técnicas é orientar os profissionais da área, servindo de referência para a elaboração de contratos e esclarecimentos técnicos para a sociedade civil e os consumidores em geral. Para estruturas de aço a Norma Brasileira de Regulamentação (NBR) vigente é a 8800:2008 – Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. O cálculo e dimensionamento estrutural devem seguir as normas vigentes em cada país, por exemplo: • Estados Unidos: existem várias associações de normatização, entre as quais: » American Institute of Steel Construction (AISC) – Instituto Americano de Cons- trução em Aço; » American National Standards Institute (ANSI) – Instituto Nacional Americano de Padronização; » American Welding Society (AWS) – Sociedade Americana de Soldagem; » American Society for Testing and Materials (ASTM) – Sociedade Americana para Testes e Materiais. • França: Association Française de Normalisation (AFNOR) – Associação Francesa de Normalização; • Alemanha: Deutsch Industrie Normen (DIN) – Norma da Indústria Alemã. As principais entidades normativas estão apresentadas na Figura 17: Brasil ABNT França AFNOR Alemanha DIN Estados Unidos ASTM Principais entidades normativas Figura 17 – Principais entidades normativas Estados Limites Nas obras de engenharia, a principal preocupação é a manutenção da integridade estrutural das construções. Para que a segurança (suportar as ações que ocorrerão durante a vida útil da estrutura), funcionalidade (condições para as quais será construída) e a economia (relação custo-benefício) possam ocorrer nas estruturas, foram constituídos vários métodos de cálculo e dimensionamento estrutural. 18 19 Dentre os métodos de cálculo estrutural é possível citar três tipos: intuitivo; das tensões admissíveis; dos estados limites (Figura 18). 3 – Métodos dos estados limites 2 – Métodos de tesões admissíveis 1 – Método intuitivo Métodos de cálculo estrutural Figura 18 – Métodos de cálculo estrutural Método Intuitivo Foi o primeiro método a ser utilizado para a realização de estruturas, onde a segu- rança das estruturas dependia das concepções intuitivas dos projetistas estruturais e construtores. Esse método era condicionado por sucessos e insucessos de construções anterior- mente realizadas. Método das Tensões Admissíveis É um método de cálculo estrutural considerado tradicional, sendo utilizado durante praticamente todo o século XX. Este método de cálculo estrutural surgiu quando os princípios de análise linear elás- tica foram formulados, tornando-se possível calcular as tensões internas nos elementos estruturais, a partir da metade do século XIX. Trata-se de método determinístico, onde para um mesmo corpo, com os mesmos vín- culos, a aplicação de uma solicitação externa, de acordo com a lei de variação ao longo do tempo, se fosse repetida várias vezes, produziria em todas elas os mesmos esforços internos, as mesmas deformações e os mesmos deslocamentos. Neste método de cálculo e dimensionamento estrutural, a estrutura é observada sob ações de trabalho, impondo-se que não possa ser excedida uma tensão admissível. As ações de trabalho (ações nominais) são as máximas ações esperadas durante a vida útil da estrutura. As tensões resultantes são calculadas admitindo-se um comporta- mento elástico-linear. A tensão admissível é uma fração de uma tensão limite como, por exemplo, a tensão de escoamento ou a tensão de flambagem. O fator de segurança é a relação entre a tensão limitante e a tensão admissível. Os valores dos fatores de segurança representam a experiência coletiva do cálculo estrutural. 19 UNIDADE Estruturas Metálicasna Construção Civil Esse método é fácil de ser utilizado, sendo de fácil compreensão. Contudo, apresenta poucas informações sobre a capacidade real das estruturas, pois para alguns tipos de estruturas a hipótese de linearidade entre tensões e deformações, esforços e ações não é muito realista. Ademais, não avalia as condições de serviço que poderiam inviabilizar a estrutura como, por exemplo, uma deformação excessiva. Entre as décadas de 1940 e 1950, com a realização de métodos de cálculo plástico, foi verificado que esse método, também, não produz estruturas econômicas. Método dos Estados Limites É um método de cálculo semiprobabilístico, desenvolvido na Rússia durante o período da Segunda Guerra Mundial. A partir da década de 1970 o projeto estrutural começou a evoluir com a utilização de processos mais racionais, baseados em probabilidade, conhecido como estados limites. Durante a década de 1980 a ideia dos estados limites ganhou aceitação geral. É fundamentado em análises estatísticas com coeficientes de ponderação aplicados nas ações e resistências dos materiais, admitindo o comportamento estrutural como determinístico. Ele é baseado na capacidade última dos elementos estruturais. O estado limite ocorre sempre que a estrutura deixa de satisfazer um de seus objeti- vos, que podem ser divididos em estados limites últimos e estados limites de utilização. Os estados limites últimos estão associados à ocorrência de cargas excessivas e con- sequente colapso estrutural devido, por exemplo, à sua perda de equilíbrio como corpo rígido, ruptura de uma ligação ou seção. Os estados limites de utilização incluem a verificação das deformações e vibrações excessivas. Os deslocamentos ou vibrações excessivas podem conduzir, por exemplo, a sensações de insegurança aos usuários das estruturas, danificar equipamentos, abrir fissuras nas alvenarias etc. Assim, os estados limites de uma estrutura são as condições a partir das quais a estru- tura apresenta desempenhos inadequados às finalidades da construção. A sua ocorrência determina a paralização total ou parcial da construção. Os estados limites podem ser classificados em dois tipos (Figura 19): • Estados Limites Últimos (ELU) – de ruína; • Estados Limites de utilização – de Serviço (ELS). Estados Limites Estados Limites de Utilização – ELS Estados Limites Últimos – ELU Figura 19 – Estados limites 20 21 Estados Limites Últimos (ELU) Estados que por sua simples ocorrência determinam a paralisação, no todo ou em parte, do uso da construção. No projeto, usualmente devem ser considerados os estados limites últimos caracteri- zados por (Figura 20): • Perda de equilíbrio, global ou parcial, admitida a estrutura como corpo rígido; • Ruptura ou deformação plástica excessiva dos materiais; • Transformação da estrutura, no todo ou em parte, em sistema hipostático; • Instabilidade por deformação; • Instabilidade dinâmica (ressonância). Perda de equilíbrio Ruptura ou deformação plástica excessiva Transformação da estrutura em sistema hipostático Instabilidade pós-deformação Instabilidade dinâmica (Ressonância) Caracterização dos estados limites últimos Figura 20 – Caracterização dos estados limites últimos Estados Limites de Utilização (ELS) Estados que por sua ocorrência, repetição ou duração causam efeitos estruturais que não respeitam as condições especificadas para o uso normal da construção, ou que são indícios de comprometimento da durabilidade da construção. No projeto, usualmente devem ser considerados os estados limites de utilização carac- terizados por (Figura 21): • Deformações excessivas, que afetem a utilização normal da construção, que com- prometam o seu aspecto estético, prejudiquem o funcionamento de equipamentos ou instalações ou causem danos aos materiais de acabamento ou às partes não estruturais da construção; • Vibrações de amplitude excessiva que causem desconforto aos usuários ou que causem danos à construção ou ao seu conteúdo. Caracterização dos Limites de Utilização Vibrações de Amplitude Excessiva Deformações Excessivas Figura 21 – Caracterização dos estados limites de utilização (serviço)21 UNIDADE Estruturas Metálicasna Construção Civil Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Estática e Mecânica dos Materiais BEER, F. P. et al. Estática e mecânica dos materiais. 1. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. (e-book) Edifícios Industriais em Aço: Projeto e Cálculo BELLEI, I. H. Edifícios industriais em aço: projeto e cálculo. 3. ed. São Paulo: Pini, 2000. Estruturas de Aço: Conceitos, Técnicas e Linguagem DIAS, L. A. M. Estruturas de aço: conceitos, técnicas e linguagem. 7. ed. São Paulo: Zigurate, 2009. Mecânica dos Materiais GERE, J. M. Mecânica dos materiais. 3. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2018. (e-book) Resistência dos Materiais HIBBELER, R. C. Resistência dos materiais. 10. ed. São Paulo: Pearson do Brasil, 2018. (e-book) 22 23 Referências FAKURY, R. H.; SILVA, A. L. R. C.; CALDAS, R. B. Dimensionamento de elementos estruturais de aço e mistos de aço e concreto. 1. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2016. (e-book). PFEIL, W.; PFEIL, M. Estruturas de aço: dimensionamento prático. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. (e-book). PINHEIRO, A. C. F. B. Estruturas metálicas: cálculos, detalhes, exercícios e projetos. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2012. 23