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Estrutura Metálica Profa. Marilia Ferreira Rodrigues Unidade 1 – Fundamentos 1. Histórico 2. Processo de fabricação 3. Processo construtivo 4. Industrialização da construção Conteúdo Programático Histórico e Fundamentos e terminologias Há indícios da utilização de metais a cerca de 4.000 e 5.000 anos a.C. Provavelmente sua descoberta tenha sido casual, a partir de um incêndio, por exemplo, onde se identificou sua existência e algumas características próprias para o uso comum. O cobre foi o primeiro metal a ser utilizado na fabricação de armas e ferramentas, em substituição à madeira e à pedra. Histórico Porém, é apenas no século XIX que surge a Metalurgia, arte e ciência que estuda os metais e suas ligas a partir dos minerais, de sua elaboração e de seu tratamento. O primeiro material metálico, ou seja siderúrgico, empregado na construção civil no mundo foi o ferro fundido, entre 1780 e 1820, para construção de pontes em arco ou treliças. Histórico Ponte Coalbrookdale, Inglaterra (1779) Vão 30m Ponte Wearmouth, Inglaterra (1796) . reconstruída em 1929 Vão 70m Em edificações, a utilização de estruturas metálicas fica mais intensa a partir da execução da cúpula de ferro fundido do Mercado do Trigo em Paris (1802), depois que a cúpula original em madeira foi destruída em um incêndio. Histórico Histórico A partir do século XIX o ferro fundido é substituído pelo ferro laminado (ou ferro forjado). Passou a ser utilizado em conjunto com o vidro, como material construtivo, amplamente empregado em edifícios públicos, mercados, estações de trens, galerias, etc. Estação de trem que se tornou o museu D’Orsay. Paris Histórico Galeria Lafayette Paris O uso do ferro laminado estava, principalmente, em pontes ferroviárias em treliças. Mesmo assim, em virtude do elevado número de acidentes, outras ligas metálicas precisavam ser estudadas. Os primeiros fornos para produção do aço em larga escala surgiram na Inglaterra, entre 1860 e 1870. A partir daí o aço rapidamente substituiu o ferro fundido e laminado na indústria da construção. Viaduto de Garabit – Sul da França. Construído por G. Eifflel (1884) Ponte Firth of Forth, Escócia. (1890) Recorde mundial de vão livre – 521m Histórico No Brasil, a primeira obra em estrutura metálica, a ponte sobre o rio Parnaíba do Sul, no Rio de Janeiro, foi inaugurada em 1857. Histórico Ponte sobre rio Parnaíba do Sul Rio de Janeiro, Brasil (1857) No Brasil a indústria siderúrgica foi implantada com a construção da Usina Presidente Vargas da Companhia Siderúrgica Nacional (CSN), após a 2ª Guerra Mundial. O primeiro edifício alto em estrutura metálica foi o Edifício Avenida Central, no Rio de Janeiro (1961). Um marco é a ponte Rio-Niteroi, com vão central metálico de 300m, recorde mundial em viga reta. Edifício Avenida Central. Rio de Janeiro, 1961. Histórico Conceito Denomina-se estrutura metálica toda parte ou conjunto de elementos estruturais em liga metálica, notadamente aço, que se destina a resistir a cargas, e que trabalhem de forma sistêmica garantindo as propriedade mecânicas e de resistência e durabilidade à edificação. Normas Técnicas Várias normas regulamentam o projeto, execução e manutenção de estruturas metálicas. As principais são: • NBR 8800:2008 – Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edificíos; • NBR 14323:1999 – Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio – Procedimento; • NBR 14762:2001 – Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio – Procedimento; e • NBR 14859-1 e 2:2002 – Laje pré-fabricada – Requisitos – Parte 1: lajes unidirecionais e Parte 2: Lajes bidirecionais. Fundamentos e Terminologias As soluções em estruturas em aço são particularmente interessantes quando há: • Edificações de grande altura; • Grandes vãos de piso; • Necessidade de arranjo físico flexível; • Possibilidade de futuras ampliações; • Necessidade de rapidez no processo de execução; • Repetitividade do projeto arquitetônico. Assim como as estruturas em concreto armado, as estruturas metálicas devem ser resistentes aos esforços verticais e horizontais e ter durabilidade conforme normatizado. Além disso, por sua versatilidade, as estruturas metálicas ajudam a cumprir o componente estético da edificação. Fundamentos e Terminologias Comparação entre aço e concreto armado Fundamentos e Terminologias Aço Concreto Gestão do canteiro de obra Fabricação externa e montagem no canteiro Fabricação interna ou externa e aplicação no canteiro Precisão quantitativa de materiais Dificuldade de manter a precisão das quantidades Necessidade de pouca mão-de-obra Necessidade de muita mão-de-obra Obra seca Obra com maior consumo de água Elementos estruturais – Fundações, lajes, vigas e pilares Estrutura mais leve, não sobrecarregando fundações Peso estrutural maior Não há escoramento - fôrmas apoiadas no vigamento Necessidade de escoramento para as fôrmas Pavimento liberado mais rapidamente para outros serviços Liberação dos espaços depende da cura do concreto Conforme a ABCEM, as principais vantagens da estrutura metálica são: • Menores dimensões das peças; • Liberdade no projeto e facilidade para cumprir vãos de grandes dimensões; • Precisão no dimensionamento dos componentes estruturais, bem como na locação dos elementos, conferindo precisão nos níveis e prumos; • Maior facilidade em caso de necessidade de aumento de carga – flexibilidade ; • Limpeza da obra; • Rapidez na execução da etapa estrutural; • Resistência a corrosão com medidas simples de pintura ou galvanização; • Redução do peso total da estrutura, reduzindo a carga sobre as fundações. Fundamentos e Terminologias Processo de fabricação Aço Liga metálica constituída eminentemente de ferro e carbono, obtido do refino de ferro-gusa em equipamentos próprios. Ferro-gusa, ou apenas gusa, é o produto da primeira fusão do minério de ferro. As matérias-primas básicas para produção do aço são minério de ferro e carvão coque. A esses produtos é adicionado o calcário, com função específica de retira impurezas. O uso do minério se deve ao fato do ferro ser dificilmente encontrado puro na natureza. Processo de fabricação Antes de iniciar a produção do aço, o carvão mineral é queimado na coqueria e transformado em blocos denominados coque ou carvão coque. Por sua vez, para transformar o minério em ferro é necessário queimá-lo, em alto forno, com quantidades pré-definidas de minério, coque e calcário. Processo de Fabricação Processo de fabricação Processo de Fabricação Aço Classificação dos aços estruturais Aços estruturais são todos os aços que, em função de sua resistência e demais propriedades, são adequados para utilização em elementos que suportam cargas. São eles: a. Aço-carbono b. Aço de baixa liga (ou patináveis) Processo de Fabricação Classificação dos aços estruturais a. Aço-carbono Tipo de aço mais utilizado, pois, o aumento de teor de carbono no ferro fundido eleva a resistência. Em contrapartida, diminui sua capacidade de se deformar (ductibilidade), o que prejudica no processo de solda. Tipos de aço-carbono Tipo de aço Resistência mecânica Limite de escoamento fy (MPa) Resistência à ruptura fu (MPa) ABNT MR250 Média 250 400 AR350 Alta 350 450 AR-COR415 (resistente à corrosão) Alta 415 520 Processo de Fabricação Classificação dos aços estruturaisb. Aço de baixa liga (patinável) Tipo de aço com baixo teor de carbono e com adição de elementos de liga que melhoram algumas propriedades, dentre elas, a resistência à corrosão. Sua coloração marrom escura é função da exposição do material à atmosfera (frequência com que se molha e seca) Processo de Fabricação Classificação dos aços estruturais b. Aço de baixa liga (patinável) Utilização Na engenharia civil sua principal utilização é em torres de transmissão. Na arquitetura, em estruturas de edifícios comerciais e residenciais. Pode ser disposto com ou sem revestimento. Quando não há revestimento, é formada sob sua superfície uma pátina (camada de óxido protetor), que confere proteção anticorrosiva. É possível utilizar aço patinável sem revestimento: • Atmosfera industrial não muito agressiva; • Área rural; • Área marítima, distante mais de 600 m da orla. Deve haver revestimento , pinturapara a estrutura em aço patinável : • Atmosfera industrial altamente agressiva; • Área marinha severa ou moderada (distância até 600m da orla). Processo de Fabricação Corrosão Processo de reação do metal ferroso (aço) à elementos presentes no ambiente a que está exposto. Essa reação provoca o aparecimento de uma espécie de minério de ferro, a corrosão. Ela provoca a diminuição da seção das peças de aço, podendo chegar ao colapso da peça e da estrutura. A proteção contra corrosão em peças metálicas expostas ao ar é feita por pintura ou galvanização. Galvanização é o processo de adição, por imersão, de camada de zinco à superfície do aço limpo. Processo de Fabricação Corrosão Alguns cuidados em projeto ajudam a aumentar a vida útil das estruturas metálicas expostas ao ar: Processo de Fabricação Tipos de produtos estruturais Os produtos estruturais podem ser do tipo laminados – chapas, barras, perfis laminados, e fios trefilados, cordoalhas e cabos. 1. Produtos laminados a. Barras – possuem duas dimensões menores em relação a terceira (comprimento). Podem ter seção circular, quadrada ou retangular alongada. b. Chapas – possuem uma dimensão (espessura) muito menor em relação às outras duas (largura e comprimento). Podem ser chapas grossas (espessura superior a 5mm) ou chapas finas entre (0,3 e 5mm) c. Perfil laminado – Podem ter forma H, I, C e L, trilhos e tubos. Os perfis em C são usualmente denominados de perfil em U e os perfis em L de cantoneiras. 2. Fios, cordoalhas e cabos – fios ou arames são obtidos por trefilação. As cordoalhas são conjuntos de três a sete fios, trefilados finos, agrupados em arranjo helicoidal. Os cabos são conjuntos de cordoalhas de diferentes espessuras de fios. Elementos Estruturais Tipos de produtos estruturais Elementos Estruturais Fio, cordoalha, cabo Barras – seção quadrada, retangular e circular Chapa Classificação dos elementos estruturais Quanto à dimensão tem-se: Elementos Estruturais Blocos – possuem três dimensões na mesma ordem de grandeza. Ex. blocos de fundação. Folhas – possuem uma dimensão com valor muito menor em relação às outras duas. E. lajes, paredes estruturais e as cascas de cobertura. Barras ou hastes – possuem uma dimensão com valor muito maior em relação às outras duas. Ex. Vigas, pilares, tirantes, escoras e eixos. Podem ser sólidas e com paredes delgadas. Classificação dos elementos estruturais Quanto à carga tem-se: Elementos Estruturais 1. Placas ou lajes – Folhas que sofrem carga perpendicular à face onde estão as duas maiores dimensões. 2. Chapas ou paredes estruturais – Folhas que sofrem carga paralela à face onde estão as duas maiores dimensões. 3. Vigas – Barras que sofrem carga transversal ao seu eixo. 4. Pilares – Barras que sofrem carga axial de compressão. 5. Tirantes – Barras que sofrem carga axial de tração. 6. Eixos – Barras que sofrem carga axial de torção (cisalhamento) 1 2 3 4 5 6 Classificação dos elementos estruturais Elementos Estruturais Tipos de deformações de acordo com os esforços atuantes e as tensões resultantes: Pilar e tirante São barras ou hastes submetidos a força de compressão (pilar) ou tração (tirante). Podem ser moldados a partir de perfis (alma cheia, barras chatas ou redondas, tubulares), por composição de chapas ou chapas e perfis. Elementos Estruturais Viga São barras ou hastes sujeitas a esforço de flexão. Podem ser de alma chia, alveolares, treliças, Vierendeel e mistas. Elementos Estruturais Laje As lajes, ou sistema de pisos das edificações em estrutura metálica são compostas de um conjunto de vigas metálicas principais e secundárias associadas a painéis de concreto armado. Podem ser ainda do tipo steel deck, onde uma chapa corrugada de aço serve de forma para o concreto armado. Essa chapa funciona como armadura inferior da laje e como escoramento e forma na fase construtiva. Elementos Estruturais Sistema estrutural Subconjuntos estruturais – Pórtico, Treliça e grelha Elementos Estruturais Grelha Pórtico Plano Treliça espacial e plana Sistema estrutural Pórtico plano – também denominado quadro, é a estrutura formada pela associação de barras ou hastes coplanares, com ligações rígidas entre si. Treliça plana – é um pórtico plano, formado por barras ou hastes coplanares articuladas entre si. Treliça espacial – formada por barras ou hastes não coplanares, com articulações entre si. Grelha – formada por barras ou hastes coplanares e submetidas a esforços no sentido ortogonal ao da estrutura. Elementos Estruturais Sistemas estruturais a. Estrutura em pórticos com ligações rígidas b. Estrutura contraventada com ligações flexíveis c. Estrutura com núcleo rígido de concreto Elementos Estruturais b. a. c. Sistemas estruturais d. Estrutura com núcleo central rígido de aço e. Estrutura com paredes enrijecidas Elementos Estruturais e. d. Sistemas estruturais f. Estrutura com malha de painéis estruturados (Steel Framing) Elementos Estruturais Conforme a ABCEM, as principais vantagens da estrutura metálica são: • Menores dimensões das peças; • Liberdade no projeto e facilidade para cumprir vãos de grandes dimensões; • Precisão no dimensionamento dos componentes estruturais, bem como na locação dos elementos, conferindo precisão nos níveis e prumos; • Maior facilidade em caso de necessidade de aumento de carga – flexibilidade ; • Limpeza da obra; • Rapidez na execução da etapa estrutural; • Resistência a corrosão com medidas simples de pintura ou galvanização; • Redução do peso total da estrutura, reduzindo a carga sobre as fundações. Processo de fabricação Processo Construtivo Curso – Arquitetura e Urbanismo Os projetos, ou desenhos de projeto estrutural, deverão apresentar de forma clara todas as informações necessárias à execução da estrutura metálica, ou seja: • Plantas e elevações; • Desenhos unifilares com representação esquemática dos perfis (bitola, seção transversal, tipo de açõ) e seu posicionamento (locação); • Detalhes das ligações, com indicação dos esforços a serem transmitidos; • Detalhes de interface e interferência com outros componentes de obra; • Locação, corte e detalhe executivo dos chumbadores e insertos; • Lista preliminar de materiais por tipo de material e por conjunto estrutural; • Sistema de limpeza e pintura, se necessário. Representação e simbologia O projeto de uma estrutura metálica é, na verdade, a realização de três etapas: 1. Projeto de engenharia, com a solução estrutural dosistema. São descriminados nesse projeto: • Tipos de perfis e seus comprimentos e características geométricas das seções transversais; • Caracterização dos vínculos; • Cálculo dos esforços atuantes nas seções ou nos pontos mais importantes da estrutura; • Dimensionamento e plano de carga das fundações; • Estimativa de consumo de aço. Representação e simbologia 1. Projeto de engenharia Projeto básico da elevação de uma marquise. Representação e simbologia O projeto de uma estrutura metálica é, na verdade, a realização de três etapas: 2. Projeto de fabricação, com o detalhamento de todos os elementos que fazem parte da estrutura e que serão comprados e/ou manufaturados. Nesse projeto as peças podem ser mostradas em seu conjunto ou de forma isolada, quando necessitar melhor visualização dos detalhes. Com base no projeto de fabricação são elaborados os traçados das peças com informações como: linhas de centro, de furação, posição dos furos, linhas de corte, detalhes das chapas de ligação, etc. Representação e simbologia 2. Projeto de fabricação Elevação de marquise Representação e simbologia O projeto de uma estrutura metálica é, na verdade, a realização de três etapas: 3. Projeto de montagem, que é o conjunto de diagramas mostrando o sistema estrutural e o posicionamento e sequencia de montagem de cada peça. Os desenhos de montagem contém as marcas de todas as peças a serem montadas, detalhes, sequencia de montagem, indicações de solda, recomendações especiais sobre os procedimentos de montagem, etc. Essas informações geram insumo para definição do acesso interno e externo à obra, implantação do canteiro, estocagem de peças, escolha de equipamentos, execução das bases, etc. Representação e simbologia 3. Projeto de montagem Representação e simbologia Para que uma estrutura metálica fique pronta são necessárias as etapas de definição do projeto de engenharia, a fabricação das peças e por fim sua montagem na obra. As companhias siderúrgicas fornecem as chapas e os perfis laminados aos fabricantes das estruturas metálicas, em suas dimensões padronizadas. Essas peças precisam de cortes, dobras, calandragens e conexões para se tornarem a estrutura projetada. Das modificações necessárias, uma das mais importantes é o estabelecimento de conexões ou ligações. Como as peças estruturais em aço do tipo barra possuem uma dimensão e a estrutura trabalha tridimensionalmente, torna-se necessária a ligação entre as peças. A escolha do tipo de ligação leva em consideração, dentre outros fatores: • Comportamento da conexão – rígido, flexível, por contato ou atrito, etc. • Limitações construtivas; • Facilidade de fabricação e montagem – acesso para soldagem, padronização, etc. Detalhes Construtivos Tipos de ligações: 1. Parafusadas – utilizam tipos diferentes de parafusos (comuns ou de alta resistência) para a conexão entre as peças. Detalhes Construtivos Tipos de ligações: 2. Soldadas – podem ser executadas na fábrica ou in loco e possuem dois tipos: soldagem de filete e soldagem de entalhe. Detalhes Construtivos Soldagem de filete Soldagem de entalhe Conexões flexíveis Devem garantir a transmissão da reação de apoio ao pilar sem, entretanto, permitir rotação da viga em torno do seu próprio eixo. Detalhes Construtivos Centro de arte e cultura George Pompidou a. Nó de treliça Detalhes Construtivos b. Base de pilar Detalhes Construtivos Conexões rígidas Detalhes Construtivos Ação de agentes externos Curso – Arquitetura e Urbanismo Corrosão é o conjunto de reações entre um material (usualmente um metal) e seu ambiente, que produz deterioração do material e de suas propriedades. Agentes externos O que afeta a velocidade de corrosão é: • Tempo de umedecimento • Poluentes atmosféficos • Presença de cloretos e dióxidos de enxofre Agressividade ambiental - (ISO 9223:1992) Agentes externos Classificação dos ambientes Agentes externos Como controlar a corrosão Agentes externos O detalhamento do projeto deve garantir a aplicação do sistema de proteção e não promover a corrosão. Agentes externos Detalhamento de projeto Tratamento de frestas e retenção de água na estrutura Agentes externos Detalhamento de projeto Deve-se evitar a retenção de água sobre a estrutura Agentes externos Detalhamento de projeto Deve-se evitar a retenção de água sobre a estrutura Agentes externos Detalhamento de projeto Tratamento de arestas Agentes externos Detalhamento de projeto Corrosão galvânica – ocorre no contato entre dois materiais de constituição diferente. Parafusos, porcas, rebites e peça metálica. Agentes externos Agentes externos Detalhamento de projeto Corrosão galvânica Revestimentos Protetores Pintura A preparação da superfície para aplicação de proteção física, como a pintura, é vital para maximizar a vida da peça metálica. Nenhuma proteção física será boa o suficiente se aplicada sobre base inadequada. Agentes externos Revestimentos Protetores Pintura – Limpeza da base Agentes externos Revestimentos Protetores Tipos de Pintura – Proteção por barreira 1. Pinturas poliuretânicas Indicada para aço carbono, concreto e madeira. Pode ser utilizada como primer, camada intermediária ou acabamento. Características: • Secagem ao ar. • Alta impermeabilidade. • Alta resistência química. • Flexibilidade, dureza e aderência. • Preço elevado. Agentes externos Revestimentos Protetores Tipos de Pintura – Proteção por barreira 2. Pinturas Epoxídicas Indicada para aço carbono e galvanizado, concreto, fibra de vidro. Pode ser utilizada como primer, camada intermediária ou acabamento. Características: • Secagem ao ar. • Alta resistência química. • Flexibilidade e aderência. • Resistência a solventes. • Preço mais elevado. Agentes externos Revestimentos Protetores Tipos de Pintura – Proteção por barreira 3. Pinturas Alquídicas Indicada para interiores secos e abrigados, exteriores não poluídos e pintura predial – portas, esquadrias, janelas de madeira ou aço. Características: • Secagem ao ar • Baixo custo inicial • Fácil aplicação • Baixa resistência a altas umidades e imersão em água, meio alcalino, solventes fortes e produtos químicos. Agentes externos Revestimentos Protetores Escolha do Tipo de Pintura Agentes externos Revestimentos Protetores Escolha do Tipo de Pintura Agentes externos Revestimentos Protetores Galvanização É o processo de revestimento de um metal por outro a fim de protegê-lo contra a corrosão ou melhorar sua aparência. Trata-se de um processo de revestimento de superfícies por meio da eletrólise onde o metal a ser revestido funciona como cátodo e o metal que irá revestir a peça funciona como o ânodo (também pode ser utilizado como ânodo algum material inerte). 1. Galvanização a quente Tratamento anticorrosivo, através da aplicação de zinco fundido, formando uma camada protetora com espessura mínima de 60 microns. Indicada para superfícies de ferro em regiões litorâneas ou locais sujeitos à atmosfera corrosiva (NBR 6181) e superfícies de ferro em áreas externas, sujeitas a intempéries (tais como: gradis, portões, alambrados, postes, etc.). Agentes externos Revestimentos Protetores 1. Galvanização a Quente Agentes externos Revestimentos Protetores1. Galvanização a Quente Agentes externos Revestimentos Protetores 2. Galvanização a Frio Tratamento anticorrosivo, através da aplicação, a pincel, de um produto composto de zinco. Agentes externos Indicado para frigoríficos por resistir à ação corrosiva de sangue e à grande variação de temperatura. Proteção de estruturas metálicas ao ar livre (Torres, Plataformas Marítimas, Tanques e Silos, Antenas, Portões - Resiste à urina). Ideal para superfícies enterradas ou submersas
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