01. Estruturas Metálicas Introdução e Generalidades

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

PROF. TALLES MELLO
ESTRUTURAS METÁLICAS: INTRODUÇÃO
O aço já não pode mais ser visto como uma opção de construção apenas para indústrias, galpões e edifícios comerciais. Os sistemas construtivos em aço – tendência já consolidada em países desenvolvidos – vêm crescendo a cada ano também nos projetos residenciais no Brasil. Profissionais de renome nacional têm aderido à versatilidade do material, que permite maior leveza e agilidade em projetos residenciais.
O emprego do aço permite construir com segurança, rapidez e precisão, além de possibilitar um maior controle nos custos, haja vista a velocidade da construção.
Atualmente constata-se que a estrutura metálica vem conquistando cada vez maior espaço na construção civil.
E o Brasil dispõe hoje de uma siderurgia moderna, com capacidade instalada capaz de suprir com produtos de alta qualidade uma maior demanda do mercado da construção civil.
INtrodução
Alta Resistência às Tensões: O aço é mais resistente às tensões de tração, compressão e flexão. E também muito mais rijo (ou menos deformável) do que qualquer outro material estrutural comumente conhecido e empregado na construção civil, como por exemplo a madeira, o concreto armado ou ainda os tijolos de concreto ou cerâmicos da alvenaria estrutural.
Liberdade no Projeto Arquitetônico: devido à alta resistência mecânica dos aços estruturais, essa tecnologia de construção permite ao Arquiteto grande liberdade criativa, possibilitando a elaboração de designs arrojados e de expressão arquitetônica marcante sem grande incremento nos custos ou no consumo dos insumos, ainda que, por vezes, demande maior sofisticação de cálculo no trabalho de Engenharia, nos recursos de Metalurgia e na proficiência da Serralheria.
Alívio das Fundações: Sendo o aço um material de grande resistência, consegue- se projetos estruturais mais leves, devido aos ganhos na esbeltez, com efetiva redução de cargas.
Ressalta-se também que com os elementos estruturais chegando à obra nas dimensões exatas de projeto, e sendo montados bem alinhados e aprumados, permitem, além da rapidez na montagem, uma condição de nível, prumo e esquadros perfeitos, evitando excentricidades e desperdícios de correções em revestimentos e rebocos.
Vantagens
Sustentabilidade: As estruturas de aço podem ser desmontadas e reaproveitadas. E mesmo que não possam ser reaproveitas, o aço é 100% reciclável, podendo ser fundido e remoldado indefinidamente, sem perdas significativas.
Antecipação do ganho: Em função da maior velocidade de execução da obra, haverá maior rapidez no retorno do capital investido.
Garantia de qualidade: A fabricação de uma estrutura metálica ocorre dentro de uma indústria e conta com mão-de-obra qualificada, o que dá ao cliente a garantia de uma obra com qualidade superior devido ao rígido controle de qualidade existente durante todo o processo industrial, desde a obtenção do aço na siderurgia até o acabamento no canteiro de obras.
Maior área útil interna: Dada as características do material, a estrutura em aço permite utilizar pilares de menor seção e vencer maiores vãos-livres que nas estrutura em concreto armado ou alvenaria estrutural. Permite também adotar um menor número de pilares e vigas com menor altura, aumentando-se significativamente o espaço útil no interior da construção.
vantagens
Sistema Porticulado
Consiste de edificações cuja estrutura portante é constituída por pórticos espaciais de vigas de aço. Nessas edificações, as paredes são do tipo panos de vedação, que, embora não sejam colaborantes na resistência das solicitações de carregamento verticais, são extremamente importantes para as ações de contraventamento e também para conferir rigidez global à construção.
Tipos de sistemas
Sistema Treliçado
Consiste de edificações cuja estrutura portante é constituída por treliças espaciais de vigas de aço. Nessas edificações, as paredes não são colaborantes na resistência das solicitações de carregamento verticais, nem às ações de contraventamento, pois a geometria das treliças espaciais já confere esses efeitos à construção.
Tipos de sistema
Sistema Container
Os containers reaproveitados para uso na construção civil estão ficando cada vez mais populares e daqui a alguns anos devem se tornar cada vez mais presentes nas cidades. Os contêineres são sinônimo de design diferenciado, rapidez na construção e sustentabilidade. Considerando que os containers são feitos de aço, um forte condutor de calor, é importante aproveitar a orientação do terreno para garantir ventilação e insolação ideais, cogitando todos os módulos. Também é vital para o sucesso da edificação a escolha e especificação de materiais isolantes térmicos e também isolantes acústicos. Os alvarás e licenças para uma construção de container são os mesmos de alvenaria, obtidos junto à prefeitura, no entanto, pode-se enfrentar problemas em algumas cidades, já que trata-se de uma construção pouco usual. Os containers são geralmente medidos em pés (unidade de medida naval), variando em 20 e 40. Os de 20 apresentam as seguintes dimensões: 6m x 2,4m x 2,6m de altura, enquanto os de 40 variam em 12m x 2,4m x 2,6m; 12m x 2,4m x 2,9m; e 6m x 2,4m x 2,6m de altura, dependendo da antiga função do container. Containers que foram utilizados para transportar produtos químicos requerem laudo técnico de um Engenheiro Mecânico para serem reutilizados. Mão-de-obra especializada também é exigida, tanto para operar os guindastes quanto no corte do metal para portas e janelas. O custo de cada unidade de container usado gira em torno de US$ 1.200,00. Um novo sai por US$ 6.000,00.
Tipos de sistema
Sistema Light Steel Frame (L SF)
É um sistema de construção a seco constituído por uma estrutura leve de perfis de aço galvanizado que formam um esqueleto estrutural autoportante, composto de painéis, vigas, tesouras de telhado e outros elementos, projetados para suportar as cargas da edificação e as forças do vento, até 200 km/h. Assemelha-se muito ao sistema porticulado, diferenciando-se apenas pela leveza de seus elementos estruturais. A utilização do aço galvanizado ZAR230, zincado de alta resistência, com 230 MPa, com 180g/m² de liga de zinco para ambientes não marinhos e com 275 g/m² de liga de zinco para ambientes marinhos, garante um ótimo desempenho contra corrosão. É indicado para obras residenciais ou comerciais de até 4 pavimentos, e galpões.
Tipos de sistema
Já quanto às ligações entre os perfis metálicos, temos três tipos:
ligações parafusadas;
ligações soldadas; e
ligações rebitadas.
ligações
ligações
TIPOS DE SOLDA
Solda de Entalhe ou Solda de Chanfro, que temos de 2 tipos:
Solda de Penetração Total
Solda de Penetração Parcial
Solda de Filete ou Solda de Cordão
Solda de Tampão
Aço
constituída
O	aço	é	uma	liga	metálica basicamente de ferro e carbono.
Cada	um
propriedades
destes	elementos físicas		da	liga,
altera		as como	sua
resistência	mecânica,	resistência	a	corrosão, ductilidade e muitas outras
A quantidade de carbono
Aços com maior quantidade de carbono são mais resistentes, porém pouco dúcteis e muito quebradiços. Com menos carbono são mais dúcteis, mas com menor resistência.
A ductilidade é um aspecto importante, pois permite que sejam visualizadas as deformações em peças submetidas a grandes tensões, servindo como aviso antes da ruptura, ou permitindo a redistribuição dos esforços.
Em relação ao cálculo de dimensionamento, não se considera o limite de ruptura como limite de trabalho do aço e sim o limite de escoamento, pois a partir deste ponto as deformações são permanentes e indesejáveis, podendo, inclusive ocorrer a ruptura inesperadamente.
Perfis Metálicos
Os perfis estruturais de aço são obtidos a partir dos lingotes reaquecidos, que passam pelos laminadores-desbastadores, onde têm sua seção transversal alterada e a estrutura molecular do aço trabalhada para atingir características físicas apropriadas.
Perfis Metálicos
Os perfis estruturais podem ser de três tipos:
Perfis Laminados
Perfis de chapas soldadas
e Perfis de chapa dobrada
Perfil Laminado
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:
Perfil U
Perfil I e H
Cantoneira
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 e 5 mm, os perfis recebem a denominação de perfis leves.
Os perfis mais pesados podem ser executados com chapas que podem chegar à espessura de 25 mm. Neste caso são exigidos raios de curvaturas mínimos na dobragem para evitar fissuração ou alteração nas características do aço.
Perfil de Chapa Dobrada
Os perfis de chapa dobrada permitem variação de forma e dimensões das seções, mas podem, também, ser encontrados prontos e padronizados.
Os perfis de chapa dobrada mais comuns são:
Perfil U, simples e enrijecido
Cantoneira
Perfil de Chapas Soldadas
Perfil de chapas soldadas é o perfil obtido pela soldagem de chapas entre si. Permite grande variedade na forma e dimensões das seções; As chapas, com as mais diversas espessuras, variando entre 5 e 50 mm, e que podem, ainda, estar previamente dobradas, quando soldadas entre si originam as mais diversas possibilidades de seções
Devido ao custo de fabricação mais elevado esse tipo de perfil é utilizado em obras de médio a grande porte.
Principais aplicações dos perfis
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.
Principais aplicações dos perfis
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.
Principais aplicações dos perfis
O esforço de flexão exige formas de seção em que o material encontre-se longe do centro de gravidade, mas apenas em relação ao eixo em torno do qual ocorre o momento fletor.
Cantoneiras
Cantoneiras
Elemento de ligação entre peças
Cantoneiras
Barras de treliças, principalmente em tesouras de telhado
– É recomendável que as barras das treliças sejam formadas por cantoneiras duplas, para que o centro de gravidade da força passe pelo c.g. da seção, evitando-se assim excentricidades que resultem em esforços indesejáveis.
Perfil “U”
Perfil “U”
Os perfis U de chapa dobrada podem ser enrijecidos para aumentar sua inércia em relação ao seu eixo vertical (de menor inércia). Esse enrijecimento é dado pelo dobramento de seus extremos.
Perfil “U”
Barras de Treliças de grande porte;
Composição de pilares através da soldagem dos perfis entre si ou com chapas ou cantoneiras;
Terças para apoio de telhas de cobertura;
Vigas para pequenas cargas e vãos.
Perfil “U”
Perfil “I”
Perfil “I”
O	uso
como	viga	é	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.
Perfil “H”
Perfil “H”
O	perfil	“H”,
geométricas,	é
pelas quase
suas	características 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 pilares submetidos a flexocompressão (flexão + compressão axial).
Perfil “T”
O perfil “T” tem pouca utilização estrutural, sendo principalmente usado na composição de caixilhos.
Perfil Tubular
As seções dos tubos podem ser circulares, quadradas ou retangulares.
Perfil Tubular
– Um	sério
problema	dos	perfis
tubulares	é	a
possibilidade de sofrerem deterioração de dentro para fora e que não pode ser detectada visualmente. Por isso recomenda-se o uso de tubos em aços de maior resistência à corrosão.
Perfil Tubular
Barras de treliças planas e espaciais.
Por possuírem massas igualmente distanciadas do centro de gravidade, prestam-se bem à utilização em barras submetidas tanto a tração como compressão, como ocorre nas treliças.
Barras submetidas à torção
Os perfis tubulares, principalmente os cilíndricos, são os que melhor absorvem esforços de torção por possuírem massas igualmente distanciadas do centro de gravidade.
Perfil Tubular
Vigas
Pilares
– Talvez seja essa a mais interessante aplicação dos perfis tubulares, pois apresentam maior eficiência contra a flambagem com menor consumo de material.
Chapas
As chapas de aço são obtidas através da laminação dos lingotes ou placas. Classificam- se em finas e grossas, conforme suas espessuras.
As chapas finas variam de 0,31mm a 4, 76 mm de espessura e são fornecidas em peças de até 6.0m de comprimento ou em bobinas.
Chapas
Conformação de perfis estruturais (perfis de chapas dobradas). Para esta finalidade são usadas apenas chapas finas.
Elementos de ligação de perfis em nós de treliças ou outros sistemas. A forma da chapa é função do tipo de ligação a ser executada.
Reforço de estruturas existentes.
Barras redondas
As barras redondas são obtidas por laminação. Seu	diâmetro	varia	de	½”	(12,5	mm)	a	4”
(102,0	mm).	As	barras
basicamente,	usadas	para
redondas	são, confecção		de
chumbadores, parafusos e tirantes.
A estrutura deve ser projetada como uma entidade tridimensional, deve ser robusta e estável sob condições normais de carregamento e não deve, na eventualidade de ocorrer um acidente ou ser utilizada inadequadamente, sofrer danos desproporcionais às suas causas.
Cada pilar de um edifício deve ser efetivamente travado por meio de escoras (contenções) horizontais em pelo menos duas direções, de preferência ortogonais, em cada nível suportado por esse pilar, inclusive nas coberturas.
DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTOS DE ACORDO 
COM A NBR 8800
Ações permanentes (γg)1,3
Combinações
Diretas
Peso próprio
de estruturas
metálicas
Peso
próprio de
estruturas
prémoldadas
Peso próprio de estruturas
moldadas no
local e de
elementos
construtivos
industrializados
Peso próprio de elementos
construtivos
industrializados
com adições “in
loco”
Peso próprio
de elementos
construtivos
em geral e
equipamentos
Indiretas
Normais
1,25
(1,00)
1,30
(1,00)
1,35
(1,00)
1,40
(1,00)
1,50
(1,00)
1,20
(0)
Durante a Construção
1,15
(1,00)
1,20
(1,00)
1,25
(1,00)
1,30
(1,00)
1,40
(1,00)
1,20
(0)
Excepcionais
1,10
(1,00)
1,15
(1,00)
1,15
(1,00)
1,20
(1,00)
1,30
(1,00)
1,20
(0)
Ações Variáveis (γq)1,4
Efeito da temperatura2
Ação do vento
Demais ações variáveis, incluindo as decorrentes do uso e ocupação
Normais
1,20
1,40
1,50
Durante a Construção
1,00
1,20
1,30
Excepcionais
1,00
1,00
1,00
Ações permanentes diretas agrupadas: 	quando CA > 5 kN/m2 gg = 1,35
					quando CA < 5 kN/m2 gg = 1,40
Material Aço
PROPRIEDADES MECÂNICAS
Para efeito de cálculo devem ser adotados, para os aços aqui relacionados, os seguintes valores, na faixa normal de temperaturas atmosféricas:
a) E = 200.000 MPa, módulo de elasticidade do aço (todos os aços); (20.000 kN/cm2)
b) G = 77.200 MPa, módulo de elasticidade transversal do aço (todos os aços); (7.720 kN/cm2);
c) na = 0,3; coeficiente de Poisson;
d) ba = 12 x IO-6 por °C-1, coeficiente de dilatação térmica;
e) ga = 78,5 kN/m3, massa específica (0,000078 kN/cm3) = 7850 kg/m3
Todo projeto de estruturas de aço parte de algumas características mecânicas importantes do aço que são o Limite de Escoamento e o Limite de Ruptura.
Os Limites de Escoamento e Ruptura são os valores
mínimos garantidos pelos fabricantes do aço, baseados na média estatística de valores obtidos em um grande número de testes.
RESISTÊNCIA DOS AÇOS ESTRUTURAIS
Tabela – Propriedades mecânicas mínimas
Material Aço
Denominação
Características
Propriedades mecânicas mínimas
Limite de escoamento fy
Limite de ruptura fu
tf/cm2
kN/cm2
tf/cm2
kN/cm2
ASTM A36/MR 250
Aço-carbono estrutural comum
2,5
25
4,0
40
ASTM A36/MDC0S CIVIL
Aço-carbono média resistência
3,0
30
4,0
40
ASTM A570 G33
Aço-carbono laminado a quente para perfis dobrados a frio
2,3
23
3,6
35
ASTM A572 G50-1/G35
Aço de baixa liga e alta resistência mecânica
3,5
34,5
4,5
45
ASTM A709 G36
Aço de baixa liga e alta resistência à corrosão atmosférica
2,5
25
4,0
40
ASTM A709 G50, USISAC-300, C0SARC0R 300 e CSN COR-420
Aço de baixa liga e alta resistência à corrosão atmosférica
3,0
3,0
30
30
4,0
4,2
40
42
ASTM A588, USI SAC-350, COSARCOR 350
Aço de baixa liga, alta resistência mecânica e à corrosão atmosférica
3,5
34,5
4,9
49
ASTM A709G70, USI SAC-490
Aço de baixa liga, alta resistência mecânica e à corrosão atmosférica
4,9
49
5,8
58
Perfis
Cantoneira
Perfil I
Perfil U ou C
U 203x17,1
H 152x37,1
I 152x18,5
L 50x6,3
L 102x76x7,9
Tabela de Perfis
Tabela – Perfil C
Tabela – Perfil L abas iguais