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ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 1 CAPITULO 1 Introdução ao Aço ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 2 1. AS ESTRUTURAS DE AÇO NA CONSTRUÇÃO CIVIL 1.1. Novas formas estruturais a partir das estruturas metálicas A estrutura metálica, possui uma capacidade estrutural muito maior que o concreto armado para determinados fins. Sendo assim, ela traz uma maior liberdade para o desenho conceitual da estrutura. Mas o surgimento dessas novas formas, vem de um desenvolvimento histórico pelo qual a estrutura metálica e o homem passaram. As primeiras estruturas metálicas, a serem construídas, foram feitas na Europa em meados do século XIX, antes da utilização do concreto armado. Um belo exemplo é o Crystal Palace na Inglaterra, construído para abrigar uma feira; ainda hoje inspira arquitetos da atualidade, principalmente os relacionados diretamente como Nicholas Grimshaw, arquiteto inglês que, entre tantas obras, projetou a nova parte da Waterloo Station também na Inglaterra, destinada à linha internacional de trens. Crystal Palace A partir disso, se vê como a forma da estrutura metálica permite uma unidade maior entre o design do edifício e sua construção final. E mesmo com a vinda de novos conceitos arquitetônicos, como o modernismo que buscava a pureza das formas, a estrutura metálica trouxe uma qualidade estrutural e um nível de precisão inacessível ao concreto armado. ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 3 Sua leveza trouxe para os arquitetos modernos formas de se projetar um edifício jamais imaginadas, principalmente no que se refere à altura dos mesmos, como os novos arranha-céus, que atingiram grandes alturas graças a estrutura metálica. No Brasil a história foi um pouco diferente. Num país carente de tecnologias e de mão-de-obra qualificada, o concreto armado se adaptou melhor do que o aço. Sendo assim, o início de sua utilização, deu-se em meados do século XX. Aqui no Brasil a utilização dessa estrutura veio somente com o incentivo de muitos homens e graças ao surgimento de uma indústria siderúrgica no país, que antes importava todo aço que consumia. Em 1957 vê-se o surgimento do primeiro edifício em aço no Brasil. Esse edifício seria projetado para servir de garagem no centro de São Paulo, chamado então, Garagem América. Burj Dubai – 818 mde altura 160 andares World Trade Center – 417 m de altura 110 andares Burj Dubai – 818 mde altura 160 andares Garagem América ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 4 1.2. Um breve histórico do aço na construção civil 1750 Primeiras obras em aço (industrialização do aço) 1757 Primeira ponte de ferro fundido na Inglaterra 1780 Escadaria do Louvre (Paris) e do Teatro de Palais Royal 1880 Utilização em grande escala, por conta dos edifícios em Chicago, USA 1812 Início da fabricação do ferro no Brasil 1857 Primeira grande obra a utilizar ferro fundido no Brasil – Ponte Paraíba do Sul, estado do Rio de Janeiro 1921 Primeira obra a utilizar aço importado no Brasil – Teatro Santa Izabel, Recife, PE 1921 Implantada a Companhia Siderúrgica Belgo-Mineira, produzindo inicialmente arame farpado, perfis leves, etc. 1940 Instituída a Comissão Executiva do Plano Siderúrgico Nacional 1946 Início de operação da Companhia Siderúrgica Nacional produzindo chapas, trilhos e perfis com bitolas americanas 1.3. O uso das estruturas de aço na construção civil Aeroporto Internacional de Guarapes, Recife - PE ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 5 Hospital São Francisco Ribeirão Preto, SP Passarela Belvedere - Belo Horizonte, MG ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 6 Estádio Allianz Arena Munique, Alemanha Viaduto Sta. Efigênia, São Paulo -SP Ponte Jk - Brasília, DF Ponte Em Camburi - Vitória, ES ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 7 1.4. Vantagens do seu uso Varias são as vantagens do uso da estrutura metálica na construção civil. Algumas das mais expressivas são: 1. Alta resistência 2. Fabricação fora do local da obra (área mais limpa, mais organizada e com menos riscos de provocar acidentes) 3. Qualidade de Fabricação 4. Baixo peso - redução de esforços nas fundações e facilidade desmontagem 5. Confiabilidade e precisão de medidas - economia no revestimento 6. Rapidez de execução: - retorno de investimento mais rápido 7. Redução de perdas 8. Facilidade de ampliações e remoções 9. Sustentabilidade - reciclagem 1.5. Desvantagens do seu uso Quando comparados as estruturas convencionais de concreto, algumas desvantagens pode ser considerada: 1. Mão de obra especializada – montagem das estruturas; soldagem 2. Maior propensão a corrosão - alguns modos de se reduzir a corrosão são: a. Especificação de materiais, b. Projeto e execução adequados c. Proteção com pinturas d. Manutenção periódica 3. Requer maior manutenção preventiva / corretiva. 4. Custo – quando analisados apenas o custo direto Quando os custos deste tipo de estrutura são analisados por um contexto completo, seu custo tende a ser uma VANTAGEM, pois ai, tem deve ser levados em conta os seguintes aspectos: a. Tempo de montagem, b. Qualidade de montagem, c. Redução de desperdícios d. Redução de gastos financeiros (empréstimos,) e. Maior giro do capital “Não importa o custo da estrutura e sim as vantagens econômicas agregadas ao empreendimento. “(autor desconhecido) 1.6. Perfis Metálicos Entre os vários componentes de uma estrutura metálica, tais como chapas de ligação ou elementos de fixação, os perfis são evidentemente, os mais importantes para o projeto, fabricação e montagem de uma estrutura. ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 8 Os perfis de utilização corrente são aqueles cuja seção transversal se assemelha às formas das letras I, H, U e Z, recebendo denominação análoga a essas letras e à letra L, nesse caso denominados cantoneiras. Os perfis podem ser obtidos partir de vários processos de fabricação: • Laminação (à quente ou à frio) • Extrusão • Trefilação A partir da matéria prima disponível (pelos processos de Laminação ou Extrusão), outros processos podem ser utilizados para a fabricação de elementos estruturais: • Conformação a frio • Soldagem de chapas 1.7. Processo de Laminação O processo de laminação atua na forma do material, modificando-lhe a sua geometria. Para isso, há necessidade dainfluência de agentes mecânicos externos, que são os meios de se realizar tal processo. Na laminação, os agentes mecânicos são os cilindros de trabalho em movimento de rotação, acionados pelo conjunto de motores e caixas de transmissão, que geram energia suficiente para causar a deformação do material que está sendo laminado. 1.7.1. Processo de Laminação a Quente Etapa inicial do processo de laminação no qual o material é aquecido a uma temperatura elevada (no caso de aços entre 1100 e 1300 ºC) para que seja realizado o chamado desbaste dos lingotes ou placas fundidas. O processo transcorre da seguinte forma: 1- Uma placa (matéria-prima inicial), cujo peso varia de alguns quilos até 15 toneladas, é produzida por meio de fundição semicontínua, em molde com seção transversal retangular. Esquema de rolos laminadores ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 9 2- Posteriormente, a placa é aquecida até tornar-se semiplástica. 3- A laminação a quente se processa em laminadores reversíveis duplos 4- O material laminado é deslocado, a cada passada, por entre os cilindros, A redução da espessura por passe é de aproximadamente 50%. No último passe de laminação, o material é enrolado ou cortado em chapas planas, constituindo-se na matéria-prima para o processo de laminação a frio. 1.7.2. Processo de Laminação a Frio Etapa final do processo de laminação que tem por objetivo o acabamento do metal, no qual o mesmo, inicialmente recebido da laminação a quente como chapa grossa, tem sua espessura reduzida para valores bem menores, normalmente à temperatura ambiente. A laminação a frio é empregada para produzir folhas e tiras com acabamento superficial e com tolerâncias dimensionais superiores quando comparadas com as tiras produzidas por laminação a quente. Laminação de barras e perfis: Esquema de rolos laminadores Processo de Laminação a quente ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 10 Barras de seção circular e hexagonal e perfis estruturais como: vigas em I, calhas e trilhos são produzidos em grande quantidade por laminação a quente com cilindros ranhura dos, conforme mostrado abaixo. 1.8. Processo de Extrusão: Extrusão é um processo de conformação no qual o material é forçado através de uma matriz (no laminado o material é puxado), de forma similar ao aperto de um tubo de pasta de dentes. Praticamente qualquer forma de seção transversal vazada ou cheia pode ser produzida por extrusão. Como a geometria da matriz permanece inalterada, os produtos extrudados têm seção transversal constante. Os materiais mais usados na extrusão são: alumínio, cobre, aço de baixo carbono, magnésio e chumbo. Rolos laminadores Representação gráfica de uma extrusão ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 11 1.9. Processo de Trefilação A trefilação é uma operação em que a matéria-prima é puxada contra uma matriz (chamada fieira ou trefila) em forma de funil por meio de uma força de tração aplicada do lado de saída da matriz. O escoamento plástico é produzido principalmente pelas forças compressivas provenientes da reação da matriz sobre o material. Normalmente realiza- se a operação a frio. 1.10. Processo de Conformação de Chapas: Conformação de chapas é o processo de transformação mecânica que consiste em conformar uma chapa à forma de uma matriz, pela aplicação de esforços transmitidos através de um punção. Na operação ocorrem alongamento e contração das dimensões de todos os elementos de volume. A chapa, originalmente plana, adquire uma nova forma geométrica. ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 12 1.11. Processo de Soldagem A soldagem é amplamente usada na junção de materiais, permitindo a execução de uniões com geometrias complicadas e garantia da perfeita continuidade das peças. Tem sua maior aplicabilidade na construção metálica para fabricação de Perfis (Vigas I, H) Soldadas. Cuidado especial deve ser tomado com construções em que as ligações dos elementos estruturais na montagem são feitas através de solda, pois isto gera problemas insolúveis, como: falta de prumos, falta de alinhamento e falta de garantia na qualidade da própria solda. Podemos afirmar, sem exagero, que tal procedimento de montagem evidência a "inexistência" de um profissional competente atuando na obra. As soldas são classificadas em ligações permanentes 1.12. Processo de Fixação: Além do processo de solda utilizado como processo para se fabricar elementos estruturais complexos, é amplamente utilizado como elementos de fixação das estruturas. Além desse são utilizados também parafusos e rebites como formas de fixação. A solda e o rebite são processos de fixação permanentes pois, uma vez aplicados, não podem ser removidos. A fixação por parafuso é considerado como fixação móvel. Rebites Parafusos ESTRUTURAS METÁLICAS Prof: Mauricio Bernardo 13
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