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Monografia " DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ARQUITETÔNICO EM ESTRUTURAS DE AÇO " Autor: Dora Rodrigues Alves de Oliveira Orientador: Prof. Fernando Pena Dezembro/2004 Dora Rodrigues Alves de Oliveira Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia Departamento de Engenharia de Materiais e Construção Curso de Especialização em Construção Civil II Dora Rodrigues Alves de Oliveira " DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ARQUITETÔNICO EM ESTRUTURAS DE AÇO" Monografia apresentada ao Curso de Especialização em Construção Civil da Escola de Engenharia UFMG Ênfase: Tecnologia e produtividade das construções Orientador: Prof. Fernando Pena Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2004 III SUMÁRIO 1 – CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO........................................................................................... 09 2 – CAPÍTULO 2: A COORDENAÇÃO DOS PROJETOS...................................................... 11 3 – CAPÍTULO 3: CONDICIONANTES DO PROJETO ARQUITETÔNICO....................... 3.1 – A estrutura..........................................................................................................14 3.2 – A coordenação modular.....................................................................................20 3.3 – Os sistemas de estabilização estrutural do edifício ...........................................23 3.4 – A ordem de grandeza dos elementos estruturais................................................ 25 3.5 – A especificação do tipo de aço...........................................................................26 4 - DETALHES A SEREM CONSIDERADOS EM PROJETO ............................................. ..32 4.1 – Ligação Aço-Alvenaria ......................................................................................33 4.2 – Detalhes de Proteção Contra a Corrosão .........................................................36 5 - ESTUDO DE CASO ........................................................................................................... ..38 5.1 – O Centro de Arte Corpo.....................................................................................38 5.2 – A Casa Serrana ..................................................................................................44 6 - CONCLUSÃO .................................................................................................................... ..47 7 - ANEXOS............................................................................................................................. ..48 7.1 – Prescrição de normas técnicas .......................................................................... 48 8 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................ ..50 8.1 – Livros ................................................................................................................. 50 8.2 – Artigos técnicos.................................................................................................. 50 8.3 – Manuais.............................................................................................................. 50 8.4 – Encartes ............................................................................................................. 51 8.5 – Monografia ........................................................................................................ 51 8.6 – Sites .................................................................................................................... 51 IV LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 - Viga de alma cheia ............................................................................................... 14 Figura 3.2 - Viga alveolar......................................................................................................... 14 Figura 3.3 - Viga em forma de treliça ................................................................................................ 14 Figura 3.4 - Viga vierendeel ou quadros .................................................................................. 14 Figura 3.5 - Viga mista ............................................................................................................ 14 Figura 3.6 - Lajes em concreto e chapa de aço dobrada .......................................................... 17 Figura 3.7 - Instalação de painéis de laje reago........................................................................ 18 Figura 3.8 - Utilização de painel wall....................................................................................... 18 Figura 3.9 - Vista inferior da laje em painel wall .................................................................... 18 Figura 3.10 - O Modulor ........................................................................................................... 20 Figura 3.11 - Série de Fibonacci ............................................................................................... 20 Figura 3.12 - Sistema métrico x Sistema antropomórfico ....................................................... 20 Figura 3.13 - Malhas Duais ...................................................................................................... 21 Figura 3.14 - Malhas Duais ..................................................................................................... 21 Figura 3.15 - Simulações de descrições geométricas e projetos sobre bases modulares pré – definidas .................................................................................................... 21 Figura 3.16 - Simulações de descrições geométricas e projetos sobre bases modulares pré – definidas ..................................................................................................... 21 Figura 3.17 - Representações técnicas da aplicação do sistema de coordenação modular em projetos ................................................................................................................ 22 Figura 3.18 - Ações atuantes na estrutura ................................................................................ 23 Figura 3.19 - Contraventamentos em “Y” e “K”...................................................................... 23 Figura 3.20 - Pórtico com ligações rígidas .............................................................................. 23 Figura 3.21 - Parede de cisalhamento....................................................................................... 23 Figura 3.22 - Edifício contraventado em “X” ......................................................................... 24 Figura 3.23 - Edifício em sistema de pórticos flexíveis .......................................................... 24 Figura 3.24 - Pórticos flexíveis ............................................................................................... 24 V Figura 3.25 - Pórticos semi - rígidos ....................................................................................... 24 Figura 3.26 - Diagrama de aços e aplicações .......................................................................... 31 Figura 4.1- Telas de arame zincado assentadas a cada três fiadas ............................................. 33 Figura 4.2 –Sistema de encunhamento rígido ........................................................................... 33 Figura 4.3- Sistema de encunhamento deformável .................................................................... 33 Figura 4.4 - Ligação deformável: Viga-alvenaria ......................................................................33 Figura 4.5- Cantoneiras metálicas ............................................................................................. 34 Figura 4.6 – Perfil “U” metálico ................................................................................................ 34 Figura 4.7- Sistema de encunhamento rígido ............................................................................ 34 Figura 4.8 – Vão entre alvenaria e a estrutura ........................................................................... 34 Figura 4.9 – Geometria das peças ............................................................................................. 36 Figura 4.10 - Geometria das peças ............................................................................................ 36 Figura 4.11- Geometria das peças ............................................................................................ 36 Figura 4.12 - Geometria das peças ............................................................................................ 36 Figura 4.13 - Geometria das peças ............................................................................................ 36 Figura 4.14 – Detalles anti-corrosão das peças metálicas ......................................................... 36 Figura 4.15- Detalles anti-corrosão das peças metálicas .......................................................... 36 Figura 4.16 - Detalles anti-corrosão das peças metálicas .......................................................... 37 Figura 4.17 – Detalhe de ligações adequadas ............................................................................ 37 Figura 4.18 - Detalhe de ligações adequadas ............................................................................ 37 Figura 4.19 - Detalhe de ligações adequadas ............................................................................ 37 Figura 4.20 - Detalhe de ligações adequadas ............................................................................ 37 Figura 5.1 –Vista aérea............................................................................................................... 38 Figura 5.2 – Perspectivas isométricas do conjunto arquitetônico............................................... 38 Figura 5.3 - Vista aérea .............................................................................................................. 38 Figura 5.4 - Vista aérea .............................................................................................................. 38 Figura 5.5 - Centro Cultural, vista da rampa sob o vazio da caixa interna................................. 39 Figura 5.6 – Foyer do teatro ....................................................................................................... 39 VI Figura 5.7 - Sede do Grupo Corpo, vista do páteo interno e área de convívio .......................... 39 Figura 5.8 - Galeria, vista geral com portas abertas para a praça ............................................... 39 Figura 5.9 - Centro Cultural, vista da rampa sob o vazio da caixa interna................................. 39 Figura 5.10 – Sistema estrutural do teatro.................................................................................. 41 Figura 5.11 - Sistema estrutural do teatro................................................................................... 41 Figura 5.12 - Pilares que sustentam o pavilhão e pilar inclinado que sustenta sala e terraço..... 44 Figura 5.13 - Ponte de ligação e tirantes metálicos que compõe o sistema de estabilização...... 44 Figura 5.14 - Vista externa do bloco da sala em balanço ........................................................... 44 Figura 5.15 - Fachada lateral direita........................................................................................... 44 Figura 5.16 - Planta do sub-solo – setor se serviços e dependência ........................................... 45 Figura 5.17 - Planta do pavimento intermediário, ao nível da rua ............................................. 45 Figura 5.18 - Elevação posterior ................................................................................................ 45 Figura 5.19 - Elevação lateral esquerda...................................................................................... 45 Figura 5.20 - Planta do pavimento superior – setor íntimo ........................................................ 45 Figura 5.21 - Corte Longitudinal................................................................................................ 46 VII LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 - Modulações Usuais ........................................................................................... 22 Tabela 3.2 - Vigas metálicas ................................................................................................... 25 Tabela 3.3 - As clases do aço carbono..................................................................................... 26 Tabela 3.4 - Características dos aços-carbono......................................................................... 27 Tabela 3.5 - Tabela de equivalência de aços ASTM especificados pela ABNT ..................... 28 Tabela 4.1 - Resistência das ligações ...................................................................................... 34 Tabela 4.2 - Resistência das ligações ...................................................................................... 34 Tabela 4.3 - Resistência das ligações ...................................................................................... 34 Tabela 7.1 Normas Técnicas.................................................................................................... 48 VIII RESUMO Para se entender o desenvolvimento de um projeto de estrutura metálica deve-se primeiro entender que “o aço como elemento de construção significa uma obra racionalizada, uma obra para a qual a fábrica vai produzir peças que foram otimizadas no projeto de arquitetura e que serão, depois de transportadas, montadas no canteiro de obras”. (SANTOS, 1996) O projeto de uma obra em aço tem importância fundamental para o seu sucesso e, portanto, deverá ser desenvolvido de modo a atender aos requisitos de qualidade e custo necessários ao bom resultado da obra. Ele demanda uma lógica projetual própria, onde devem ser consideradas as exigências do material aço, as exigências que o processo construtivo industrializado requer e, ainda, ter qualidade arquitetônica. Para que isto seja possível, os arquitetos devem seguir um caminho projetual específico para o aço. Ou seja, conhecer as vantagens e restrições do processo de projeto, as linguagens técnicas, ter capacidade de planejamento e coordenação e etc., para então usufruir as diversas possibilidades funcionais e formais que envolvem o uso desta sofisticada tecnologia construtiva, resultando em projetos arquitetônicos desde os mais arrojados, segundo diversas formas estéticas, até os mais tradicionais. São etapas a serem considerados para a execução de uma obra em aço: projeto, fabricação, pré-montagem, transporte e montagem. Porém, como é objeto primeiro desta monografia, abordaremos neste trabalho os aspectos intrínsecos ao desenvolvimento do projeto arquitetônico para a tecnologia em aço, deixando em aberto os demais procedimentos que envolvem a execução deste modelo de obra. Primeiramente serão abordados aspectos referentes à coordenação do projeto, já que este é um item relevante dentro da cadeia de produção de um edifício metálico. Em seguida, apontaremos pontos condicionantes que restringem o partido arquitetônico deste tipo de projeto, terminandopor abordar os detalhes considerados relevantes ao bom desempenho de uma edificação em aço. Finalmente, o trabalho se conclui com a análise de dois projetos concebidos para serem desenvolvidos em estrutura metálica. O primeiro discorre sobre o projeto para as instalações da sede do Grupo Corpo em Nova Lima, MG, dos arquitetos Alexandre Brasil Garcia, Carlos Alberto Maciel, Éolo Maia e Jô Vasconcellos. O segundo, aborda uma residência também em Nova Lima, MG, e se desenvolve com base em entrevistas feitas no período de outubro a novembro 2005 ao arquiteto autor do projeto: João Diniz. Nesta etapa são tratadas questões então ponderadas ao longo do trabalho, no sentido de se vislumbrar na prática o que foi discorrido durante a monografia. 1. INTRODUÇÃO A construção metálica está atravessando um período de grande expansão no Brasil. Desde os anos oitenta tem-se tido a oportunidade de vivenciar o crescimento do mercado de estruturas em aço, incrementado principalmente por novas tendências do setor da construção de edifícios: a construção industrializada e os conceitos relativos ao meio ambiente, principalmente aqueles relacionados ao desenvolvimento humano sustentável. A industrialização na produção de edifícios é um objetivo perseguido a partir da instalação das idéias de racionalização e gestão da qualidade no mercado global, onde o controle da cadeia de produção leva a melhores resultados no produto final e maior economia. Estas idéias têm o sentido de promover a organização da cadeia produtiva a partir do controle de procedimentos e do desenvolvimento de soluções que buscam diminuir desperdícios e agilizar o tempo de produção, atendendo exigências de prazo, custo e qualidade cada vez maiores no mercado imobiliário. Na construção metálica, a industrialização se dá desde a elaboração do projeto, passando pela fabricação dos perfis até a montagem no canteiro de obras, o que permite um maior controle da cadeia produtiva, fazendo com que prazos, custos e qualidade possam ser estabelecidos ao início e atingidos ao final do processo. Já os conceitos relativos ao meio ambiente, na construção metálica, são traduzidos por se tratar de um material totalmente reciclável, uma vez que esgotada a vida útil da edificação, este material pode retornar sob forma de sucata aos fornos das usinas siderúrgicas para ser re-processado sem perda de qualidade. Também no processo de produção dos perfis, a emissão de CO2 caiu pela metade e a emissão de partículas foi reduzida em mais de 90%. Os dispositivos de filtragem de partículas permitem que estes derivados da produção do aço sejam quase totalmente reciclados. A escória, por exemplo, é empregada como material mineral para construção de estradas, como lastro, e na produção de cimento. A melhoria contínua no processo de produção de perfis inclui ainda uma redução no consumo de água e a reutilização de praticamente todos os gases residuais para produção de energia. Simultaneamente, dentro do canteiro de obras, a maior organização, o menor desperdício de materiais e a menor emissão de partículas fazem com que este modelo de construção seja menos agressivo ao meio ambiente que os modelos tradicionais, o que justifica o maior interesse que este sistema vem despertando no mercado da construção de edifícios. Também, os novos investimentos em aços específicos para a engenharia e arquitetura têm difundido esta tecnologia. Atualmente, são fabricados pelas siderúrgicas aços com maior resistência mecânica, maior resistência à corrosão atmosférica e melhor aderência à pintura. Este desenvolvimento da tecnologia do material, juntamente com o desenvolvimento da tecnologia de construção em aço, fazem da estrutura metálica uma opção competitiva em relação a outros processos construtivos. Hoje, sua aplicação extrapola a utilização em empreendimentos como shopping centers, supermercados e escolas, se tornando atraente também para as construções de baixa renda, de edifícios residenciais de múltiplos andares e andares simples. 9 Porém, apesar de toda a expansão que este modelo estrutural alcançou no mercado nacional, a produção de edifícios em aço ainda representa uma parcela bastante inferior à produção em concreto armado. Esta realidade se deve a diversas situações, uma delas a “cultura do concreto armado” consolidada no setor. Alguns fatores que contribuem para que a produção de edifícios em estrutura metálica não seja maior no mercado brasileiro estão expostos abaixo: • A escassez de mão de obra: a produção em aço exige um preparo da mão de obra diferente da construção em estrutura tradicional. Isto leva a uma menor qualidade e quantidade de mão de obra disponível para a produção em estrutura metálica e a um maior valor quanto à remuneração dos profissionais qualificados. • As escolas de formação profissional de engenharia e de arquitetura, na maioria das vezes, dispoem de uma grade curricular baseada no ensino da produção de edifícios em estruturas em concreto armado, não promovendo a disseminação e o entendimento de outros sistemas, como a estrutura em aço. Esta postura leva à formação de profissionais vinculados a um único sistema construtivo, ou seja, inseguros quanto à atuação em outros modelos estruturais. • O afastamento e a inversão de valores profissionais, principalmente nos últimos vinte anos, por parte de arquitetos e engenheiros diminuiu substancialmente o trabalho de equipes multidisciplinares formadas por estes dois agentes. Esta situação contribui para o processo de inibição do desenvolvimento de sistemas que exigem a formação de uma equipe multidisciplinar, como é o caso das construções em aço. Com o intuito de compreender a utilização do aço na construção civil, principalmente suas potencialidades e complexidades relativas à produção de projetos arquitetônicos, este trabalho vem abordar o tema “DESENVOLVIMENTO DE PROJETOS ARQUITETÔNICOS EM ESTRUTURAS DE AÇO”. 10 2. A COORDENAÇÃO DOS PROJETOS “ O grande desafio dos arquitetos é conseguir conciliar o sistema subjetivo e individual da qualidade arquitetônica com a precisão construtiva rigorosa normatizada pelos processos industriais”. (SANTOS, 1996) O sistema de construção em aço é uma tecnologia industrializada, onde sua execução exige um perfeito planejamento logístico de todo o processo construtivo e um grau de detalhamento milimétrico da estrutura a ser executada, tendo em vista a precisão do processo de fábricação e montagem da obra. Para que se atinja a qualidade exigida pela estrutura, é necessário que haja uma coordenação interativa entre cada uma das etapas da cadeia construtiva, desde definição do produto, passando pela concepção do projeto até a finalização da obra. Esta coordenação torna-se parte fundamental do processo, já que a estrutura metálica não se adapta a improvisos e qualquer alteração projetual ou executiva devem ser planejadas com antecedência. Do contrário, tais modificações podem levar a um alto desprendimento de custo, à redução da qualidade e a um aumento do tempo de execução da obra. (MERRIGUI, 2004) Qualquer que seja o sistema construtivo, a coordenação dos projetos deve ser iniciada ainda na fase de definição do produto imobiliário. Esta fase, que na maioria dos processos é definida apenas por investidores e construtores, deve ter também a participação da equipe de projeto, que auxiliará na definição do produto baseados nos pré – requisitos estipulados, agindo também como direcionadora na procura e compra do terreno que melhor atender a estes parâmetros. A etapa de análise de viabilidade para compra do terreno deve ser abordada além dos aspectos legais de restrições construtivas edocumentações. Deverão ser elaborados também, antes da compra do terreno, os levantamentos plani-altimétricos, as sondagens e feita a verificação dos fatores de exigência do material aço quanto a ambientes agressivos, ventos e etc. Estes estudos levarão a um conjunto de informações ligadas aos aspectos estéticos, técnicos e funcionais os quais restringirão o desenvolvimento do produto e orientarão na elaboração de um estudo preliminar inicial, chamado briefing, o qual caracterizará a aptidão do terreno de acordo com os objetivos finais do empreendimento. Após definido o produto imobiliário e feita a escolha e compra do terreno, inicia-se o desenvolvimento do projeto a partir da formação de uma equipe multidisciplinar de trabalho. A inter-relação da equipe de projeto arquitetônico às demais equipes envolvidas, principalmente ao trabalho do calculista, atua de modo que as interfaces técnico construtivas que interferem no projeto arquitetônico sejam bem definidas e reduzam qualquer possibilidade de reavaliação de projetos durante a fabricação dos perfis e da obra . O entrosamento destas disciplinas torna-se assim um aspecto definidor da imagem e da expressão de uma obra e um fator relevante para o bom desenvolvimento, organização e estruturação da concepção do produto e de todo o projeto arquitetônico. 11 Este processo implica, então, para os arquitetos, o problema da troca do trabalho individual, artesanal, pelo trabalho técnico de uma equipe multidisciplinar, onde são dividas e repartidas responsabilidades de forma a viabilizar o produto final edificado com qualidade arquitetônica e construtiva. Pela sua formação, o arquiteto é quem deve controlar e assumir a responsabilidade do processo de projeto em todas disciplinas envolvidas, definindo os parâmetros estruturais básicos que serão desenvolvidos e depurados na atuação do calculista. A partir daí o projeto deve ser detalhado com a interação entre esses profissionais, dividindo assim a responsabilidade pelas definições que resultam na integridade física da construção. (MERRIGUI, 2004) Como interface entre o anteprojeto e os projetos executivos arquitetônico e estrutural, de fabricação e montagem, deve ser transmitido às equipes um conjunto de procedimentos de execução dos serviços, diretrizes e detalhes importantes que visam padronizar o processo projetual. São também organizadas todas as informações existentes que caracterizam o produto e definem o projeto, como memorial descritivo, sondagem e levantamento planialtimétrico, projeto legal, etc. A inspeção dos projetos deve ser feita através da adoção de mecanismos de compatibilização e conferências que garantam a qualidade das soluções e o atendimento às normas técnicas1. As alterações a serem feitas devem seguir os procedimentos de “solicitação de alteração de projetos” formulado pela equipe de trabalho. Concluindo, a coordenação de projetos em aço deve buscar promover a integração entre os participantes do processo construtivo, garantindo alta precisão do produto final e a comunicação fluida e exata entre todos os níveis da cadeia de produção, com uma maior atenção às interfaces das etapas. Estes pontos tornam-se importantes a medida que customizam os prazos de obra, apesar de aumentar os prazos de projeto, diminuem os custos da obra, apesar de aumentar os custos iniciais, bem menores que os finais, e buscam efetivamente concretizar os objetivos iniciais apontados pelos investidores e a qualidade final desejada pelas empresas e pelo mercado de edificações. 1 Anexas estão as principais normas que regulamentam a construção em aço 12 3. CONDICIONANTES DO PROJETO ARQUITETÔNICO As idéias iniciais de projeto definidas na etapa de “Estudos Preliminares” e apresentadas sob a forma de fluxograma, setorização e definição da tipologia da edificação, resultam das informações levantadas pelo arquiteto junto ao cliente, aos órgãos públicos e entidades regulamentadoras. Os principais balizadores dessas “idéias” para o desenvolvimento de projetos de qualquer sistema construtivo são: os anseios dos proprietários; os dados físicos relativos ao terreno e seu entorno; as necessidades levantadas na definição do programa; as limitações da legislação; as dimensões definidas; e a disponibilidade de investimento no projeto. Porém, o projeto em estrutura metálica exige ainda do arquiteto definições de alguns parâmetros auxiliares na fase de Estudo Preliminar e anteprojeto que direcionarão o Partido Arquitetônico a ser adotado. São eles: • A estrutura: na construção industrializada em aço, várias são as formas com que este material pode ser utilizado. Cabe ao arquiteto identificar e balizar a melhor aplicação para cada caso; • O sistema de coordenação modular: a coordenação modular serve como forma de planejamento da fabricação, transporte e montagem do sistema proposto e como ferramenta direcionadora ao melhor aproveitamento de materiais e menor desperdício de esforços; • Os sistemas de estabilização estrutural do edifício: o arquiteto deve estabelecer o sistema ao qual a estrutura se submeterá, respondendo às solicitações do projeto arquitetônico e às ações de forças a serem absorvidas pela estrutura sem que esta seja abalada; • A ordem de grandeza dos elementos estruturais: este aspecto deve ser proposto pelo arquiteto ainda na fase de anteprojeto. • A especificação dos aços: a equipe multidisciplinar de projeto deve estabelecer os aços adequados ao bom desempenho da obra. Esta definição deverá restringir o partido arquitetônico, permitindo que o projeto se desenvolva de acordo com as características de cada tipo de aço; 13 3.1 A ESTRUTURA Na construção civil o aço pode ocorrer de duas formas: 3.1.1 COMO SISTEMA CONSTRUTIVO Devido às suas características técnicas e acompanhando a evolução tecnológica, o aço tem substituído outros materiais na construção industrializada, sendo aplicado também como sistema construtivo. O aço pode ser empregado, por exemplo, como componente industrializado, substituindo materiais como tijolos, madeiras, vigas e pilares de concreto, como ocorre no sistema denominado internacionalmente denominado por Steel Frame. Fig. 3.1 - Viga de alma cheia 3.1.2 COMO ELEMENTO ESTRUTURAL a. VIGAS • VIGAS DE ALMA CHEIA São formadas por duas mesas, interligadas por uma alma, e se caracterizam pelo acentuado afastamento entre as mesas. Os perfis tipo “I” soldados, da série CVS e VS, “I” laminados e os pedis “U” estruturais formados a frio são os mais utilizados para vigas. Pela própria forma da seção, são bastante adequados para resistir, por intermédio das mesas, os esforços de compressão e de tração. As mesas dos perfis “I” são sempre mais espessas do que as almas. Fig. 3.2 - Viga alveolar Os valores de referência, para efeito de pré - dimensionamento das alturas das vigas de alma cheia (seção “I”) simplesmente apoiadas, são: Fig. 3.3 - Viga em forma de treliça - Vigas principais - 1/14 a 1/20 do vão (para vãos de 8 a 30 m); - Vigas secundárias - 1/20 a 1/25 do vão (para vãos de 4,5 a 18 m). • VIGAS ALVEOLARES São obtidas a partir dos perfis tipo “I”, normalmente por recorte longitudinal das almas, na forma de colmeias, com posterior deslocamento e soldagem, ou mesmo por meio da execução de aberturas nas almas desses perfis. Na peça obtida por recorte da alma, a nova geometria da seção transversal apresentará uma altura Fig. 3.4 - Viga vierendeel ou quadros 14 significativamente maior do que a do perfil original, com a mesma massa inicial, portanto, com uma consideráveleconomia de peso. (DIAS, 2002) • VIGAS EM FORMA DE TRELIÇAS As treliças são constituídas de barras coplanares articuladas entre si e submetidas a carregamentos nodais. Nessas vigas, as barras podem-se articular por meio de ligação direta ou indireta. Na ligação direta, as barras são diretamente fixadas uma às outras por soldagem. A ligação indireta utiliza um elemento chamado chapa de ligação ou chapa de “ Gousset ”. Os valores de referência, para efeito de pré - dimensionamento da altura das treliças, são: 1/lOa 1/25dovão(para vãos de 12a35m). • VIGAS VIERENDEEL São vigas compostas de barras resistentes na forma de quadros, unidas entre si por meio de ligações rígidas, que devem resistir as forças normais e cortantes e também aos momentos fletores. Em virtude da característica dos vínculos, as vigas-quadro são mais deformáveis do que as vigas treliças planas. Valores de referência: 1/15 a 1/20 do vão. • VIGAS MISTAS Resultam da associação de uma viga de aço com uma laje de concreto, sendo a ligação laje-viga realizada por meio de conectores. Esse trabalho solidário proporciona grande economia no peso das vigas de aço, principalmente quando se tratar de vigas simplesmente apoiadas. No caso da utilização de perfis “I”, a laje de concreto recebe boa parte dos esforços de compressão que deveriam ser absorvidos pela mesa superior do perfil, enquanto os esforços de tração são normalmente absorvidos pela mesa inferior do perfil de aço. Os conectores cumprem a função de absorver os esforços de cisalhamento horizontal e impedir o afastamento vertical entre a laje e a viga. Dentre os vários tipos de conectores, os mais recomendados são os classificados como flexíveis, do tipo pino com cabeça, que são igualmente os mais utilizados. Alguns tipos de lajes podem trabalhar no sistema misto, como, por exemplo, as lajes moldadas “in loco”, as lajes pré - fabricadas do tipo pré-lajes e as lajes com “decks” metálicos (“steel decks). O valor de referência, para efeito de pré-dimensionamento da altura das vigas mistas, são: 1/20 a 1/25 do vão (para vãos de 6 a 20 m). 15 b. LAJES E PISOS O esqueleto metálico permite a utilização de vários tipos de laje como: • Laje convencional em concreto armado ou protendido ; • Laje mista com vigas pré-moldadas, metálicas ou não, e tijolos furados; • Laje de concreto com vigas metálicas, trabalhando com viga mista aço-concreto; • Lajes em elementos pré-fabricados de concreto, servindo de forma e trabalhando como laje mista aço- concreto; • Lajes com forma metálica trabalhando como laje mista aço-concreto. Porém, alguns destes tipos de laje se caracterizam pelo baixo peso, facilidade de execução e rapidez de montagem sendo as mais indicadas para edifícios em estruturas metálicas. As lajes metálicas apresentam uma série de vantagens em relação às lajes convencionais, entre elas podemos citar: rapidez e facilidade de colocação, com o mínimo emprego de mão-de-obra; leveza, o que permite fácil manuseio dos painéis metálicos; dispensam a utilização de formas, já que seus elementos são pré-fabricados; admite que se obtenha logo após a montagem do esqueleto metálico, fixando as chapas corrugadas na estrutura, uma plataforma de trabalho a qual permite a execução de todos os trabalhos inerentes à construção; reduz a altura do prédio, da seção das colunas e das cargas nas fundações devido ao menor peso da laje; etc. (Freire, 2005) • LAJES COMPOSTAS CONCRETO-CHAPA DE AÇO DOBRADA Estas lajes consistem da substituição da armadura de tração convencional em ferro por uma chapa fina de aço laminado a frio, com espessura da ordem de 1mm, dobrada de forma com que trabalhe em conjunto com a camada de concreto. A chapa dobrada além de atuar como armadura, também recebe o papel de forma para a concretagem. É de grande importância que exista uma boa aderência entre o concreto e a chapa de aço. A ausência de aderência provocaria um deslizamento entre os dois materiais fazendo com que ambos deixam de trabalhar em conjunto, além de impossibilitar a transferência de esforços. São utilizados vários dispositivos para garantir uma boa aderência entre o concreto e a chapa de aço, sendo os mais comuns a utilização de estampagem de mossas na superfície da chapa, o dobramento de chapa em ângulos reentrantes e a soldagem de barras no sentido transversal. 16 A capacidade de carga das lajes compostas vai depender da geometria da chapa, da sua espessura, do tipo de aço e do tipo de concreto, podendo ser adequada para vãos de 2.5 a 4.5m, trazendo uma grande economia no dimensionamento das vigas e na altura do peso. Fig. 3.6 - Lajes em concreto e chapa de aço dobrada Fonte: Freire, 2005 • PISO STEEL DECK O piso steel deck consiste na utilização de perfis de aço A446 pré-fabricados, em forma de telha trapezoidal revestidos por uma camada de concreto leve (argila expandida como agregado), cuja resistência mínima à compressão é 20MPa. Ele é utilizado como uma viga mista, como descrito anteriormente. Para o controle de fissuração é empregado uma tela soldada com área mínima igual a 0,1% da área de concreto acima do topo do perfil. A altura do perfil é de 75 mm com largura igual a 820mm, o comprimento varia conforme o desejado. Peso Próprio (P.P.) = 100kg/m2 Sobrecarga = 450kg/m2. (Freire, 2005) • LAJE PRÉ-PROTENDIDA O painel treliçado é um elemento composto por uma base de concreto estrutural e armação treliçada, englobada parcialmente na região da armadura inferior de tração, obtendo-se junto com uma capa de concreto, adicionado em obra, com trabalhabilidade e espessura de acordo com o projeto da laje, obtendo-se uma laje treliçada maciça e pré-fabricada. Dimensões dos painéis: Largura: 250mm ou 300mm Comprimento: definido pelo projeto Treliça: altura e composição de aço em função do projeto 17 Para uma laje de 10cm de altura com capa de concreto de 7cm, temos um peso próprio equivalente a 250kgf/m2. P.P.: 250kg/m2 S.C.: 300kg/m2 (Freire, 2005) • LAJE REAGO Fig. 3.7 - Instalação de painéis de laje reago A laje é composta por painéis vazados de concreto protendido, que acomodam facilmente todos os tipos de dutos de serviços elétricos ou de comunicações, trazendo uma redução de até 10cm por altura do piso. Os painéis apresentam largura de 990mm, comprimento variável conforme o projeto e as seguintes alturas: 100, 150, 200 e 250mm. Fig. 3.8 - Utilização de painel wall como laje para um estacionamento P.P.: 160kg/m2 S.C.: 390kg/m2 • PAINEL WALL Os Painéis Wall são compostos de madeira maciça revestida de compensados com colagem à prova d´água, com espessura total de 4 cm. Suas superfícies são revestidas de manta fenólica anti-derrapante que impermeabiliza e protege o painel. Suporta altas cargas podendo ser utilizado em estacionamentos, e mezaninos. Fig. 3.9 - Vista inferior da laje em painel wall de um estacionamento As placas apresentam as seguintes dimensões: 2.500 x 1.2000 x 40mm e necessitam de apoios a cada 1,25m. Peso Próprio: 20kg/m2 Resistência: 700 kgf/m² (Freire, 2005) • CHAPA DE PISO OU CHAPA XADREZ São chapas de aço que apresentam relevos em sua superfície, obtidos na laminação das chapas ou através de operações de estampagem. Podem ser fabricadas a partir de chapas grossas ou finas, laminadas a quente e zincadas ou não. Normalmente, as chapas de piso são fornecidas sem especificação de composição química ou propriedades mecânicas. 18 • GRADE DE METAL ELETROFUNDIDO As grades de metal eletrofundidosãos compostas de barras de aço sob a forma de uma malha ortogonal soldadas, que apresentam diferentes capacidades de sobrecargas conforme a altura e o espaçamento entre as barras. • GRADE DE METAL EXPANDIDO A grade de metal expandido apresenta mais rigidez e resistência que as chapas lisas. É confeccionada a partir de chapas grossas de metal, zincadas ou não, que sofrem operações de corte e são expandidas. Por serem malhas de grande área aberta, não impedem a passagem de luz e ar, não acumulam resíduos sobre o piso e comportam-se como piso antiderrapante. 19 3.2 A COORDENAÇÃO MODULAR Historicamente vários sistemas de medidas e modulações foram propostos por arquitetos, principalmente ao longo do século XX. A primeira tentativa efetiva de padronização da indústria foi a adoção do metro com seus múltiplos e sub-múltiplos decimais no Sistema Internacional (S.I.), que também englobava grandezas como o peso e a força. O sistema métrico de medidas começou a ser comparado a sistemas antropomórficos por arquitetos interessados em estabelecer relações entre as necessidades humanas e as dimensões métricas. Um dos primeiros a fazer uma correlação métrico-antropomófica foi o arquiteto Le Corbusier, na experiência do Modulor, que combinava diretamente medidas relacionadas com o corpo humano e seu valor direto em metros. A base científica do estabelecimento de valores numéricos foi a série de Fibonacci, que compõe o número com a soma dos dois valores que o precedem. Neufert foi o primeiro a parametrizar medidas humanizadas com uma fração do metro, mais precisamente sua oitava parte. Com este valor, o módulo de 125 mm, estabeleceu o sistema de coordenação modular, que serviria de base para a reconstrução da Alemanha no pós-guerra na década de vinte através de sistemas industrializados. Ainda hoje, as medidas propostas pelo alemão são usadas para o desenvolvimento de projetos, sem contudo, relacionar os valores apresentados à base que os geraram: um sistema de coordenação modular com módulo básico de 1/8 metro ou 125mm . (MERRIGUI, 2004) Com a interferência da ISO, International Organization for Standardization definiu-se como “Módulo Fundamental de Norma” a medida de 600 milímetros e sistemas de coordenação modular baseados em seus múltiplos e sub-mútiplos. Estes valores não possuem ainda suas referências métricas estabelecidas globalmente, ficando os pontos de interseção restritos aos grandes módulos de transporte: as dimensões padronizadas dos containers, dos vagões de trens e carrocerias de carretas, de 12 metros com o meio módulo de 6 metros. Nestas dimensões até mesmo o sistema imperial de medidas (em pés e polegadas) está coordenado nas medidas de 20 e 40 pés do meio container e do container respectivamente. O “Módulo Fundamental de Norma” também rege as dimensões das peças de perfis estruturais e chapas metálicas feitos em série (3, 6 e 12 metros), e os materiais de acabamento como as cerâmicas de fachada (de 100x100 mm e as várias medidas comuns a estes materiais: 150x150mm e 300x300), Fig. 3.10- O Modulor Fonte: MERRIGUI, 2004 Fig. 3.11 - Série de Fibonacci: Un+1=Un+Un-1(U0= 0, U1=1) Ex..: 1 : 1 : 2 : 3 : 5 : 8... Fig. 3.12 - Sist. Métrico x Antropomórfico (1metro/8): Módulo = 125 mm Fonte: Merrigui, 2004 20 passando por placas industrializadas e painéis pré-moldados. Paralelamente à padronização ISO, temos o sistema imperial usado pelos americanos e o sistema dos Japoneses baseado na referência histórica local das medidas dos Tatamis, com módulo básico de 900mm. (MERRIGUI, 2004) Fig. 3.13 – Malhas Duais Fonte: SANTOS, 1996 Em projetos para a construção em aço, o grid modular é feito em malhas reticulares tridimensionais e, usualmente é definido pelo “Módulo Fundamental de Norma”, estabelecendo 600mm (e seus múltiplos) para cada lado. As malhas reticulares mais comuns são as quadradas, triangulares e hexagonais. Outros tipos de malhas podem ser adotados, sendo que preferencialmente deverão manter a razão de 600mm em suas dimensões. É também comum o trabalho com a malha principal e sua correspondente dual, fazendo com que o projeto de arquitetura tenha muitas possibilidades de variação de formas e volumes dentro do sistema de controle industrial. Porém, modular não significa que todos os componentes construtivos devam necessariamente ter suas dimensões padronizadas de acordo com a fábrica ou que o projeto deva obrigatoriamente estabelecer-se em um único módulo. É necessário sim ponderar sempre os parâmetros específicos de cada situação, já que as malhas espaciais são apenas referências, podendo ser abandonadas em parte ou no todo, em casos específicos, quando não atenderem aos requisitos dimensionais da arquitetura. Fig. 3.14 – Malhas Duais Fonte: SANTOS, 1996 O objetivo do módulo fundamental no projeto de arquitetura metálica é proporcionar ao arquiteto inúmeras possibilidades de um desenho variado dentro do processo de fábrica. O sistema de coordenação modular torna-se portanto a principal ferramenta de estruturação, organização e relação entre a definição de medidas e as ações logísticas que tornarão possível sua implementação prática. Além disso, atua também no controle de perdas, reduzindo custos, tempo e o impacto ambiental e social, aumentando ainda a qualidade da obra. Contudo, apesar de permitir a racionalização da etapa de fabricação, pequenas perdas durante o processo sempre existirão, as malhas reticulares apenas contribuem para que estas perdas se mantenham em limites admissíveis. Fig. 3.15 e 3.16 - Simulações de descrições geométricas e projetos sobre bases modulares pré – definidas. Fonte: Merrigui, 2004 É função do arquiteto elaborar um projeto bem coordenado, concebido dentro da lógica de produção industrializada, que ao entrar em processo de fabricação e montagem minimize perdas de materiais e esforços de implementação sendo, concebido em direção favorável a sua viabilidade econômico-financeira. As modulações mais comuns usadas de acordo com o padrão industrial de perfis são: 21 Tabela: 3.1 MODULAÇÕES USUAIS 3000 mm x 3000 mm 6000 mm x 6000 mm 6000 mm x 12000 mm 8000 mm x 8000 mm 7500 mm x 5000 mm 7500 mm x 7500 mm 7500 mm x 10000 mm 7500 mm x 15000 mm O esquema abaixo representa as relações entre os elementos de projeto e a coordenação modular através dos eixos estruturais. Todos estes elementos de notação técnica e estruturação da idéias de projeto são ferramentas de controle do desenvolvimento do processo em direção à sua viabilidade e manutenção dos conceitos iniciais de projeto. Fig. 3.17 - Representações técnicas da aplicação do sistema de coordenação modular em projetos Fonte: norma Alemã DIN 1800 appud Merrigui, 2004 22 3.3 OS SISTEMAS DE ESTABILIZAÇÃO ESTRUTURAL DO EDIFÍCIO Em estruturas metálicas a definição do princípio de estabilização tem relação direta com a proposta arquitetônica e deve ser decidido pelo arquiteto juntamente com a equipe multidisciplinar de projeto, direcionando assim o partido arquitetônico. Toda solução estrutural seja ela em aço ou não, sofre solicitação de esforços tais como as ações verticais (sobrecarga e peso próprio da estrutura) e ações horizontais (como a ação do vento). Para que estas estruturas apresentem resistência à tais solicitações é preciso que se desenvolva um sistema de estabilização que garanta sua performance dentro dos parâmetros estabelecidos em projeto. Em linhas básicas, “estabilizar a estrutura significa garantir que sua forma não seja abalada durantea ocorrência de quaisquer solicitações, as quais a edificação foi projetada a suportar”.(MERRIGUI,2004) Fig. 3.18 - Fonte: Merrigui 2004 Ações atuantes na estrutura induzindo à desestabilização dos quadros estruturais: • variação da diagonal • variação dos ângulos Usualmente, as soluções de estabilização em estruturas metálicas dos planos verticais, tanto transversal quanto longitudinalmente, são os sistemas de pórticos rígidos, os sistemas de contraventamento, e as soluções de paredes de cisalhamento em pórticos deslocáveis, os quais veremos mais detalhadamente a seguir. Porém, no plano horizontal a estabilização é garantida pela interação da laje (pano rígido) com a retícula de vigas (vigas-mistas), funcionando como um sistema de parede de cisalhamento horizontal. Na ausência da laje ou de um outro elemento que possa acrescentar rigidez suficiente ao plano horizontal, deve-se utilizar o sistema de contraventamentros, ligações rígidas entre as vigas ou engradamento de cobertura. Um caso típico de estabilização por contraventamento horizontal são as coberturas de galpões, quase sempre estabilizadas com cabos ou barras no plano abaixo das telhas. Fig. 3.19 - Fonte: SANTOS, 1996 Contraventamentos em “Y” e “K” Fig. 3.20 - Fonte: MERRIGUI, 2004 Esquema de edifício estruturado em pórtico com ligações rígidas a. CONTRAVENTAMENTO Este sistema é caracterizado pela inserção de uma peça estrutural na diagonal do quadro metálico, de modo a permitir o uso de elementos mais leves que adquiram resistência ao conjunto através da geometria indeformável do triângulo. Este princípio nos leva a considerar que, do ponto de vista estático, uma barra diagonal é suficiente para garantir a estabilidade do quadro. Porém, o acréscimo de duas barras em forma de Fig. 3.21 - Fonte: MERRIGUI, 2004 Esquema de edifício estruturado em parede de cisalhamento 23 “X”, nos leva à soluções mais econômicas. Outras formas de contraventamentos também podem ser utilizadas, dependendo da necessidade de uso da edificação, assim temos os sistemas em “K” e em “Y”. b. LIGAÇÕES RÍGIDAS Estas ligações mantêm estável o pórtico formado por colunas e vigas metálicas, a partir do enrijecimento de uma ou mais de suas ligações, o que impede diretamente a variação angular deste quadro. Este tipo de solução inclui procedimentos mais complexos devido à inserção de placas de ligação mais espessas e maior volume de solda ou parafusos, aumentando também o peso global da estrutura e o trabalho homem - hora necessário para a fabricação e montagem das conexões. Estes procedimentos fazem com que o enrijecimento completo das junções dos pórticos seja uma solução menos econômica do que o acréscimo de barras de travamento, sendo, por isso, menos utilizada. c. PAREDES DE CISALHAMENTO A inserção de um elemento dentro ou faceando o quadro estrutural, com rigidez suficiente para garantir sua forma inicial também é uma solução para o problema estrutural. A rigidez necessária para garantir a performance da parede como estabilizadora da estrutura pode ser atingida com alvenarias de blocos, tijolos, painéis pré-moldados, ou com paredes moldadas no local, e deve ser calculada por um profissional da área. Fig. 3.23 - Fonte: DIAS, 2002. Edifício em sistema de pórticos flexíveis, sua estruturação vertical acontece através das paredes de cisalhamento. Fig. 3.22 - Fonte: DIAS, 2002. Edifício contraventado em “X” d. NÚCLEO CENTRAL RÍGIDO Fig. 3.24 - Fonte: DIAS, 2002. Pórticos flexíveis estruturados através do sistema de paredes de cisalhamento. Fig. 3.25 - Fonte: DIAS, 2002. Pórticos semi - rígidos estruturados através de um núcleo central rígido. Esta opção consiste basicamente em amarrar a retícula estrutural, com ligações semi-rígidas e sem contraventamentos, a uma torre com rigidez suficiente para garantir que o esquadro e o prumo das peças estruturais permaneçam os mesmos estabelecidos no projeto e na montagem. A torre do núcleo central, rígida quase sempre, pode ser combinada a elementos do programa, mais precisamente aqueles associados à circulação vertical da edificação como caixa de escadas e elevadores . 24 O inconveniente desta solução é o descompasso entre as tecnologias. A opção mais frequente para execução do núcleo rígido é em concreto armado, sua velocidade de execução, por necessidade técnica da cura do material, pode comprometer o rendimento global da execução do edifício em estrutura metálica. 3.4 A ORDEM DE GRANDEZA DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS Segundo o arquiteto João Diniz, a geometria é ocupação do arquiteto é ele quem deve lançar, mesmo que intuitivamente, a estrutura no projeto e sua geometria, para depois o discutir com o engenheiro estrutural as diversas possibilidades de soluções. A dimensão da peça estrutural está relacionada ao vão o qual esta peça se submete. A tabela abaixo apresenta as dimensões para vigas segundo esta relação. Já as definições da ordem de grandeza das colunas são menos complexas, pois sua resistência pode ser ajustada com a variação da espessura da chapa que as compõe. Tabela 3.2 – Vigas metálicas - Fonte: MERRIGUI 2004 TIPO DE VIGA REPRESENTAÇÃO GRÁFICA (sem escala) ALTURA (a) x VÃO (v) Vigas “I” - Alma Cheia a = v / 20 Vigas “I”-Alma Vazada (Alveolares) a = v / x Treliças Seção Fixa a = v / 10 ~ a = v / 25 Treliças Seção Variável am = v / 10 ~ a = v / 25 Vigas Vierendeel a = v / x Vigas Mistas a = v / 20 ~ a = v / 30 25 3.5 A ESPECIFICAÇÃO DO TIPO DE AÇO No desenvolvimento de um projeto arquitetônico, compreender o comportamento do material que se trabalha, as características que o torna adequado ou não a determinado uso é importante para que se possa potencializar seu desempenho através do desenvolvimento de soluções adequadas e econômicas para a aplicação que se deseja. No caso do aço, este estudo torna-se complexo já que o aço é produzido em uma grande variedade de tipos e formas, cada qual atendendo eficientemente a uma ou mais aplicações e às exigências específicas que surgem no mercado, levando à ocorrência de 3500 tipos1 diferentes de aços. Os aços são ligas de ferro e carbono com teor de C de 0,002 à 2%, aproximadamente. Para a sua aplicação na construção civil são utilizados os aços com teor de carbono na ordem de 0,18 à 0,25%, chamados aços de baixa liga, e os aço-carbono, que apresentam propriedades de resistência e ductilidade especiais para esta aplicação e adequados para a utilização em elementos da construção sujeitos a carregamento. As propriedades do aço podem variar consideravelmente a partir da variação da concentração de carbono e de outros elementos de liga adicionados propositadamente como o manganês, níquel, cromo, etc. a. AÇOS-CARBONO (Média resistência mecânica) De acordo com a NBR 6215, o aço-carbono é aquele que apresenta elementos de liga em teores residuais máximos admissíveis. Em função do teor máximo de carbono eles são divididos em três classes de acordo com a 2tabela abaixo: Tabela 3.3 – As clases do aço carbono CLASSE LIMITE USUAL DE RESISTÊNCIA (MPa) CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS APLICAÇÕES BAIXO CARBONO (C<ou=0,30%) <440 Boa tenacidade, conformabilidade e soldabilidade. São os mais adequados à construção civil Pontes, edifícios, navios, caldeiras, estruturas mecânicas, etc. MÉDIO CARBONO (0,30<C<0,50%) 440 a 590 Média conformabilidade e soldabilidade Estruturas parafusadas de navios e vagões, tubos, implementosagrícolas, etc. ALTO CARBONO (C>ou=0,50%) 590 a 780 Má conformabilidade e soldabilidade devido à sua baixa ductilidade, alta resistência ao desgaste. Peças mecânicas, implementos agrícolas, trilhos e rodas ferroviárias Dentre os aços estruturais existentes atualmente, o mais utilizado e conhecido é o ASTM A36, especificado pela American Society for Testing and Materials. A 3tabela abaixo apresenta os principais tipos de aços- carbonos especificados pela ASTM usados no Brasil para perfis, chapas e barras: 1 Fonte de dados: site do CBCA (Centro Brasileiro da Construção em Aço) 26 Tabela 3.4 – Características dos aços-carbono DENOMI- NAÇÃO CARACTERÍSTICA PRODU- TO GRUPO / GRAU 4fy (MPa) 5fu (Mpa) Perfis Todos os grupos Barras t < ou = 200 A 36 É o aço mais usado em obras civis: edifícios, pontes e estruturas gerais. É empregado com ligações rebitadas, parafusadas ou soldadas. É produzido em espessura maior que 4,57mm. Chapas t < ou = 100 250 400 à 450 Grau 33 230 260 A 570 Empregado na confecção de perfis de chapa dobrada devido à sua ductilidade Chapas Todos os grupos Grau 40 275 380 Grau a 232 320 Redondo Grau b 296 408 Grau a 274 320 A 500 Apresenta-se em tubos com e sem costura. Tubos sem costura: espessura: 12,5mm; diâmetro: 258mm. Tubos com costura: Espessura: 10m; diâmetro: 258mm. Tubos Quad. ou Retang. Grau b 323 408 A 501 Uso: tubos redondos quadrados e retangulares, com e sem costura; Resistência igual ao A36; Espessura: até 25mm; Diâmetro: 12 - 600mm Tubos Todos os grupos 250 408 Grupo 1e2 345 485 Perfis Grupo 3 315 460 t<ou=19 345 485 t<ou=19 315 460 19<ou= t < 38 290 435 A 441 Usado onde se requer um grau de resistência maior. Apresenta-se em vários graus. É empregado em qualquer tipo de estrutura com ligações soldadas, rebitadas ou parafusadas. Chapas e Barras 38<t<ou=100 275 415 Grau 42 290 415 Perfis Todos os grupos Grau 50 345 450 Grau 42 (t<ou=150) 290 415 A572 Usado onde se requer um grau de resistência maior. Apresentado em vários graus. Pode ser empregado em qualquer tipo estrutura com ligações soldadas, rebitadas ou parafusadas. Chapas e Barras Grau 50 (t<ou=150) 345 450 Grupo 1 e 2 345 480 Perfis Grupo 3 315 460 t<ou=19 345 480 19<t<ou=38 315 460 A 242 Caracteriza-se por ter uma resistência à corrosão duas vezes a do aço carbono. Pode ser empregado em ligações soldadas parafusadas ou rebitadas e em estruturas em geral. Chapas e Barras 38<t<ou=100 290 435 Perfis Todos os grupos 345 485 t<ou=100 315 485 100<t<ou=127 315 460 A 588 Usado onde requer redução de peso e maior resistência à corrosão atmosférica, que é 4 vezes maior que a do aço carbono. Empregado em pontes, viadutos e estruturas especiais. Devido à sua resistência a corrosão dispensa pintura, exceto em ambientes agressivos. Pode ser empregado em ligações soldadas parafusadas ou rebitadas. Chapas e Barras 127<t<ou=200 290 435 A seguir, apresentamos uma 6tabela de equivalência dos aços ASTM especificados pela ABNT, os chamados aços NBR 2 Fonte: DIAS, 2002 - p. 31 3 site CBCA 4 Fy = tensão de escoamento (valores mínimos) 4 Fu = tensão de ruptura (valores mínimos) 6 idem (2) 27 Tabela 3.5 – Tabela de equivalência dos aços ASTM especificados pela ABNT PRODUTO NORMA ABNT / NBR CLASSE GRAU fy (Mpa) fu (Mpa) ASTM EQUIVALE NTE DIN 7007 MR - 250 - 250 400 A 36 ST - 42 7007 AR - 290 - 290 415 A 572 GR - 42 ST - 46 7007 AR - 345 - 345 450 A 572 GR - 50 ST - 50 7007 AR-COR- 345 A 345 485 A 242 GR - 1 PERFIS 7007 AR-COR- 345 B 345 485 A 242 GR - 2 e A 578 6649 CG - 26 - 255 410 A 36 ST - 42 6649 / 6650 CF - 26 - 260 410 A 36 ST - 42 5000 G - 30 - 300 415 A 572 GR - 42 5000 G - 35 - 345 450 A 572 GR - 50 ST – 52 5004 F – 35 / Q - 35 - 340 450 A 572 GR - 50 ST – 52 5008 1,2 e 2A T<ou= 19mm 345 480 A 588 CHAPAS 5920 / 5921 CF-BLAR - 340 480 A 588 8261 Circular B 290 400 A 500 GR - B 8261 Quadrado ou retangular B 317 400 A 500 GR - B 8261 Circular C 317 427 A 500 GR - B TUBOS 8261 Quadrado ou retangular C 345 427 As usinas nacionais produzem aços equivalentes aos ASTM e NBR como os especificados pela Usiminas, chamados aços USI, os especificados pela Cosipa, chamados COS, os especificados pela CSN, chamados CSN. 28 b. AÇOS DE BAIXA LIGA A tendência de arquitetos contemporâneos projetarem estruturas com vãos cada vez maiores tem levado engenheiros, projetistas e construtores a utilizar aços de maior resistência, os chamados aços de alta resistência e baixa liga, de modo a evitar estruturas cada vez mais pesadas. Estes aços são utilizados toda vez que se deseja: • Aumentar a resistência mecânica, permitindo um acréscimo da carga unitária da estrutura ou tornando possível uma diminuição proporcional da seção, ou seja, o emprego de seções mais leves; • Melhorar a resistência à corrosão atmosférica; • Melhorar a resistência ao choque e o limite de fadiga; • Elevar a relação do limite de escoamento para o limite de resistência à tração, sem perda apreciável da ductilidade Dentre os aços desta categoria merecem destaque os chamados aços Patináveis ou Aclimáveis, que apresentam como principal característica a resistência à corrosão atmosférica, muito superior à do aço carbono convencional, conseguida pela adição de pequenas quantidades de elementos de liga (Manganês, Silício, Enxofre, Fósforo, Cobre, Níquel, Cromo, nióbio, Titânio), de forma que se obtenha alta resistência, mantendo sua boa ductilidade, tenacidade, soldabilidade, resistência à corrosão e à abrasão. Estes aços quando expostos à atmosfera desenvolvem em sua camada superficial uma camada de óxido compacta e aderente, que funciona como uma barreira, chamada pátina, contra o prosseguimento do processo corrosivo, possibilitando a utilização destes aços sem qualquer revestimento. A pátina só se desenvolve quando a superfície metálica for submetida a ciclos alternados de ação climática (chuva, nevoeiro umidade, sol e vento). O tempo necessário para a sua formação varia em função do tipo de atmosfera a que o aço está exposto, sendo em geral 18 meses a 3 anos; após um ano , porém, o material já apresenta uma homogênea coloração marrom-claro. A tonalidade definitiva, uma gradação escura do marrom, será função da atmosfera predominante e da freqüência com que a superfície do material se molha e se seca. São enquadrados em diversas normas, tais como as normas brasileiras NBR 5008, 5920, 5921, 6215 e 7007 e as norte-americanas ASTM A242, A588 e A709, que especificam limites de composição química e propriedades mecânicas, estes aços têm sido utilizados no mundo inteiro na construção de pontes, viadutos, silos, torres de transmissão de energia, etc. De acordo com a NBR 6215, são aços com teor de carbono inferior ou igual a 0,25%, com um teor total de elementos de liga inferior a 2,0% e com limite de escoamento igual ou superior a 300MPa. 29 A possibilidade de se obter aços patináveis com alta resistência proporciona uma redução na espessura das peças, quando comparadas ao aço-carbono, o que reduz o consumo e melhora o aproveitamentodo material. Os aços de alta resistência e baixa liga disponíveis no mercado são USI-SAC-350, COS-AR-COR 500 e CSN 500, que possuem alta resistência mecânica. Devem se citados também os aços que, apesar de sua alta resistência à corrosão, possuem média resistência mecânica e com custo unitário médio menor do que o anterior. São eles: USI-SAC 250 e 300, COS-AR-COR 400 e 400E , CSN 420. Os aços patináveis são hoje largamente utilizados em pontes, viadutos, passarelas, edifícios de andares múltiplos, edifícios industriais, estações ferroviárias e rodoviárias, residências, caixa d’água, etc., sendo empregados sem qualquer proteção em ambientes que possam formar inteiramente a camada de óxido protetor (pátina). De uma forma geral, atmosferas classificadas como industrial não muito agressiva, rural, urbana e marítima (distante mais de 600 m da orla marítima) podem abrigar aplicações de aços patináveis sem revestimento. Porém, em atmosferas industriais consideradas altamente agressivas, marinhas severas (à distância de até 600 m da orla marítima) ou em locais em que as condições climáticas ou de utilização não permitam o desenvolvimento completo da pátina protetora, diminuindo assim a sua resistência à corrosão, é indicado o uso do aço patinável com revestimento. Os revestimentos apresentam excelente aderência aos aços patináveis, com um desempenho no mínimo duas vezes superior em relação ao mesmo revestimento aplicado sobre o aço carbono comum. c. AÇOS RESISTENTES AO FOGO Os aços resistentes ao fogo são basicamente resultado de modificações de aços resistentes à corrosão atmosférica. As adições são ajustadas sempre no limite mínimo possível, de forma que garantam um valor determinado e elevado de resistência mecânica à tração, proporcionando também boa soldabilidade e mantendo o padrão de excelente resistência à corrosão atmosférica, intrínseco ao aço de origem. Alguns dos aços resistentes ao fogo são os produzidos pela Cosipa (COS-AR-COR FIRE 500) e pela Usiminas (USI-FIRE-400 e USI-FIRE-490) Como em qualquer material, as propriedades do aço não dependem somente de sua composição química, mas, estão diretamente relacionadas à sua estrutura, que também é determinada pelos processamentos ao qual o material é submetido durante a sua fabricação. No caso do aço, os tratamentos térmicos, de deformação mecânica e da velocidade de solidificação, alteram a estrutura do material conferindo propriedades físicas, mecânicas e químicas adequadas às suas diversas aplicações. 30 Os processos de alteração da estrutura do aço são dados pelo processamento primário, através da solidificação (lingotamento e fundição), metalurgia do pó, pelo processamento mecânico, que envolve deformação plástica: laminação, trefilação, forjamento, extrusão, entre outros, e pelo processamento térmico: operações de aquecimento e resfriamento, recozimento, têmpera, revenimento, entre outros. O aço é uma liga obtida sob rígido controle, fazendo com que as características de cada tipo de liga sejam bastante confiáveis. Por isto os coeficientes de segurança em um projeto podem ser bem baixos, permitindo o uso de uma quantidade de material muito próxima daquela exigida pelos esforços máximos. Por ser um material isótropo e homogêneo sua aplicação independe da direção de aplicação do esforço. (DIAS, 2002) Os fluxos seguintes, esclarecidos pelo encarte da Usiminas “O Aço na Construção Civil”, apresentam um modelo de orientação na escolha dos aços apropriados a cada aplicação em função dos aspectos ambientais e condições estruturais. Segundo o encarte, o fluxo apresentado considera sempre as solicitações predominantes (tração, compressão ou flexão). Deve-se também considerar as limitações dimensionais determinantes do projeto em todos os casos. Fig. 3.26 – Diagrama de aços e aplicações 31 4. DETALHES A SEREM CONSIDERADOS EM PROJETO “A idéia de qualidade dentro da cadeia de produção vem fazendo com que os profissionais de construção procurem otimizar ganhos em função dos insumos envolvidos em uma obra. Insumos são considerados não só os materiais de construção, como também o homem-hora, a mão-de-obra de execução e, principalmente, a mão-de-obra de projeto. É a mão de obra do projeto que otimiza os insumos utilizados na construção como um todo, pois nos projetos que utilizam sistemas industrializados, o controle de custos e qualidade construtiva está expresso nos desenhos que determinam, de uma maneira precisa, volumes de materiais e tolerâncias em milímetros”. (SANTOS, 1996) O projeto de detalhamento engloba a visão geral da proposta de execução, apresentando grande número de informações técnicas que fazem com que, a partir da liberação dos desenhos, a obra possa ser integralmente orçada e viabilizada. Por convenção internacional, adota-se o sistema SI de medidas como base para o desenvolvimento de projetos em estruturas metálicas, tais medidas devem ser dadas em milímetros. Uma referência importante no detalhamento é a apresentação das cotas de eixo a eixo da estrutura. Os eixos estruturais são determinados na modulação arquitetônica e permitem melhor visualização das soluções de projeto. Outro importante procedimento no detalhamento de projetos é a definição das dimensões arquitetônicas das peças. O dimensionamento arquitetônico faz com que características culturais próprias a cada arquiteto possam ser mantidas com as proporções intentadas. Como visto no capítulo anterior, para executar esse dimensionamento, o arquiteto e o calculista trabalham em conjunto. Cabe ao arquiteto determinar o tipo de desenho, altura e largura dos perfis, trabalhando o calculista com as espessuras, que vão resistir aos esforços atuantes sobre o conjunto. Assim, para os projetos feitos em estrutura metálica temos, como uma subdivisão do projeto de detalhamento os projetos de fabricação e montagem dos perfis metálicos. Nos projetos de fabricação são elaborados os detalhes de todos os elementos componentes da estrutura. Dependendo da necessidade de precisão, as peças são mostradas isoladamente ou em conjunto. Para uma treliça, por exemplo, são indicados os comprimentos das peças, a localização dos furos, os parafusos, as listas de materiais, etc. (Dias, 2002) Já os projetos de montagem trazem uma representação mais esquemática, sob a forma de diagramas, mostrando o sistema estrutural, a indicação das numerações ou marcas de cada peça, o seu posicionamento e a sequência de montagem. Além disso, podem fornecer informações complementares para o montador, como: a peça mais pesada, o raio máximo de trabalho do equipamento de montagem, a metodologia de montagem, etc. (Dias, 2002) Também nesta etapa de projeto devem ser especificados todos os materiais a serem utilizados, quantificados os volumes de insumos para vedações e acabamentos e detalhados todas as ligações aço-aço e as ligações aço à outros materiais, com o objetivo de precisar os dados para otimização de recursos a serem empregados. 32 Dentre os detalhes de ligação, um importante projeto é a ligação entre a estrutura metálica e a alvenaria de vedação. A seguir veremos os principais pontos necessários à estabilidade das alvenarias no sistema estrutural em aço. 4.1 LIGAÇÃO AÇO-ALVENARIA “O termo “Ligações” das alvenarias é conhecido na engenharia como todas as soluções adotadas para unir ou desunir as alvenarias no contato com a estrutura suporte”.(NASCIMENTO, 2004) Para a definição do modelo de ligação adequado, torna-se necessário o conhecimento dos mecanismos de fixação e suas capacidades de desempenho. A escolha do sistema está diretamente ligada ao tipo e ao vão da estrutura a ser fechada com a alvenaria de vedação.Assim temos, de acordo com NASCIMENTO (2004), a distância entre os apoios como um fator definidor para a escolha do sistema de ligação entre a alvenaria e o pilar: • Vãos até 4,5 m: atrito lateral (rugosidade - chapisco) - Tipo Vinculada • Vãos entre 4,5 e 6,5 m (fixação lateral com tela soldada ou ferro dobrado de amarração) - Tipo Vinculada. • Vãos maiores ou igual a 6,5 m (fixação lateral e superior com folha de EPS (cantoneiras) ou argamassa expansiva). Tipo Desvinculada. Quando se deseja uma ligação rígida ou semi-rígida, a interação entre as alvenarias e os pilares de aço pode ser feita com a utilização de barras de aço de espera, conhecidas como ferro - cabelo (4 a 6 mm de diâmetro e 30 a 40 cm de comprimento), em forma de “U’, soldadas ao perfil a cada 40cm aproximadamente, ou a cada 3 fiadas, e solidarizadas à alvenaria pelo enchimento de 2 cm de argamassa, durante o seu assentamento. Como variante pode-se também utilizar telas eletrossoldadas de arame zincado com malha de 15 x 15 e fio de 1,5 mm de diâmetro. Fig. 4.1 / Fonte: NASCIMENTO, 2004 Telas de arame zincado assentadas a cada 3 fiadas Fig. 4.2 / Fonte: NASCIMENTO, 2004 Sistema de encunhamento rígido. Este sistema, quando adotado, deve considerar pequenas deformações estruturais sobre a alvenaria Fig. 4.4 / Fonte: NASCIMENTO, 2004 Fig. 4.3 / Fonte: NASCIMENTO, 2004 Sistema de encunhamento deformável Ligação deformável: viga-alvenaria. Neste sistema de encunhamento deve-se adotar o processo de confinamento lateral pelas cantoneiras, em função da necessidade de absorver todos os efeitos de movimentação da estrutura. A eficiência destes dispositivos é variável. Numa análise de desempenho, NASCIMENTO (2004), nos apresenta a seguinte tabela: 33 Tabela 4.1 – Resistência das ligações Fonte: NASCIMENTO, 2004 – p.21. SISTEMA RESISTÊNCIA AO ARRANCAMENTO (Kgf) LOCAL DA RUPTURA Fita metálica perfurada 220 Fita Fita metálica corrugada 400 Fita Ferro de amarração ø5,0mm 400 Fixação Tela soldada ø 1.65 mm 800 Corpo do fio Fig. 4.5 / Fonte: NASCIMENTO, 2004 Cantoneiras metálicas (planta) fixadas através de pinos de aço-zincado ou através de soldagem. Já a resistência ao cisalhamento da junta horizontal reforçada com dispositivo metálico é representada pela seguinte tabela: Tabela 4.2 – Resistência das ligações Fonte: NASCIMENTO, 2004 appud MEDEIROS 1999 – p.21. FIXAÇÃO RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO (Kgf) Sem fixação metálica 500 Ferro cabelo 800 Ferro dobrado de amarração 1800 Fig. 4.6 / Fonte: DIAS, 2002 Perfil “U” metálico Tela soldada 2100 Fig. 4.3 / Fonte: NASCIMENTO, 2004 Sistema de encunhamento rígido. Este sistema quando adotado, considera pequenas deformações estruturais sobre s alvenaria. Os resultados apresentados mostram uma grande diferença e maior eficiência para a tela soldada e o ferro dobrado. Conclui-se que a utilização de ferro liso “ferro cabelo” uni-direcionado não altera as características da ligação, não sendo eficiente no sistema de ligação quando utilizado sozinho. (NASCIMENTO, 2004) A tabela a seguir comprova a eficiência da ligação por arraste e a necessidade de provocar esta ligação, e não apenas a aderência da barra. Tabela 4.3 – Resistência das ligações Fonte: NASCIMENTO, 2004 – P.21 - Ensaio de arrancamento por tração direta do sistema de fixação numa alvenaria já com carga de compressão. SISTEMA DE FIXAÇÃO RESISTÊNCIA AO ARRANCAMENTO (Kgf) TIPO DE RUPTURA Ferro CA 60 – 5mm (reto) 240 Interface fio / argamassa Fita metálica 340 Interface fio / argamassa Ferro dobrado de amarração 540 Corpo da argamassa Tola soldada 760 Corpo da argamassa Para os sistemas com o objetivo de absorver as movimentações diferenciadas, costuma-se aplicar nas ligações mecânicas entre as alvenarias e os pilares, um material deformável. Deve-se usar materiais como cortiça, isopor ou poliestireno. Fig. 4.7 / Fonte: DIAS, 2002 O tradicional encunhamento rígido deve ser evitado em estruturas deslocáveis, ou semi-deslocáveis. Fig. 4.8 / Fonte: DIAS, 2002 Espaçamento entre a alvenaria e a estrutura. Para que haja uma adequada fixação do vão entre a alvenaria e a estrutura, deverá ser deixado um espaçamento compatível com o sistema de fixação superior da alvenaria especificado em projeto. 34 As juntas de vedação entre as alvenarias e os elementos estruturais de aço devem ser arrematadas por mata - juntas ou selantes flexíveis. Ao se trabalhar com estruturas flexíveis, o encunhamento (encontro superior entre as alvenaria e as vigas de aço) através de tijolos inclinados ou mesmo através de argamassas deve ser evitado, sempre que possível. A deformação das vigas de aço apresenta sérios problemas para as alvenarias de vedação, razão pela qual se recomenda a substituição do tradicional encunhamento por uma junta de solidarização, de material deformável capaz de absorver essas tensões. Para isto, são utilizadas cantoneiras (perfis formados a frio em forma de “U”) com argamassa expansiva ou folhas de ESP (poliestireno expandido) fixadas ao longo dos perfis metálicos. Também placas de EPS, com aproximadamente 15 mm de espessura, podem ser usadas para isolar a alvenaria da estrutura metálica, absorvendo, assim, eventuais deformações provenientes da estrutura ou da própria alvenaria. (DIAS, 2002) Estas juntas deverão ser marcadas com sulcos e preenchida com selantes flexíveis, da mesma forma que no encontro com os pilares, por ocasião do revestimento. No caso da adoção dessas juntas, o contraventamento lateral da alvenaria será assegurado pela solução de solidarizar as alvenarias com os pilares de aço. Uma maneira que contribui para reduzir ao mínimo o aparecimento de fissuras nas alvenarias é a execução dos panos de fechamento da edificação de cima para baixo ou alternando os pavimentos, para que as deflexões dos andares superiores, provenientes do carregamento das alvenarias, não sejam transmitidas aos andares inferiores. Também, a última fiada de alvenaria deverá ser executada somente depois que toda a estrutura estiver totalmente carregada. No caso de alvenarias com blocos de concreto celular autoclavado, um procedimento adicional consiste em cortar na diagonal todos os blocos da faixa horizontal junto às mesas inferiores das vigas, criando assim um plano de cisalhamento que irá minimizar o aparecimento de trincas ou fissuras provocadas por eventual introdução de esforço de deformação. As alvenarias aparentes, como as constituídas por tijolos maciços de barro ou laminados, por exemplo, devem garantir a sua estanqueidade pelo adensamento da argamassa nas juntas verticais e horizontais mediante a pressão de um tijolo contra o outro durante o assentamento e pelo frisamento das juntas, dando maior compacidade á argamassa, dificultando a penetração e facilitando o escoamento das águas pluviais que incidem sobre os panos de fachada. A perfeita solução da ligação entre a alvenaria e a estrutura metálica, torna-se para o edifício fator relacionado à qualidade do produto final. Numa edificação estruturada em aço, as naturais movimentações das alvenarias e da estrutura podem induzir à tensões sobre o elemento de vedação. Para se evitar que a resultante das deformações impostas seja superior às deformações admitidas pela alvenaria, aplica-se as soluções de ligações adequadas a cada tipo de estrutura. Do contrário, tais deformações podem levar ao aparecimento de fissuras, ou mesmo a ocorrência de destacamento do elemento de vedação, comprometendo, assim, o desempenho do material através da possibilidade de infiltração de água. 35 DETALHES DE PROTEÇÃO CONTRA A CORROSÃO Temos uma
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