Aula Estrutura Metalica Fundamentos

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CCE-0181
Estrutura Metálica
 Professor Brandão Neto
Curso – Arquitetura e Urbanismo
Unidade 1 – Fundamentos
1. Histórico
2. Processo de fabricação
3. Processo construtivo
4. Industrialização da construção
Conteúdo Programático
Histórico e 
Fundamentos e terminologias
Curso – Arquitetura e Urbanismo
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
Curso – Arquitetura e Urbanismo
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 estruturais
b. Aço de baixa liga (patinável)
Tipo de aço com baixo teor de carbono e com adição de elementos deliga 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 do sistema.
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 Protetores
1. 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