Estrutura Metálica I

Prof. Kuelson Rândello E-mail: kuelson@gmail.com

Sistemas estruturais em AçoElementos Básicos: Uma estrutura é um conjunto de elementos

construtuivos concebido para suportar esforços1.Lajes2.Paredes Estruturais;3.Vigas;4.Pilares;5.Fundação.

Sistemas estruturais em Aço

1. Elementos estruturais

• Elementos Lineares Alongados – Hastes ou Barras

• Elementos Bidimensionais – Elementos Planos (Placas ou Chapas)

• Hastes – São dimensões alongadas cujas as dimensões transversais são pequenas em relação ao comprimento

Pode ser Classificadas:1. Tirante (Tração Axial);

2. Colunas ou escoras (Compressão Axial);

3. Vigas (cargas transversais produzindo momentos fletores e esforços cortantes);

4. Eixos (torção).

2. Sistemas planos de elementos lineares

Os sistemas de elementos lineares são formados pela combinação dos principais elementos lineares (tirantes, colunas e vigas)

A TRELIÇA é um dos sistemas utilizados tipicamente em coberturas de edifícios industriais galpões. Nas treliças as hastes trabalham predominantemente a tração ou compressão simples.

Treliça

GRELHA PLANA é formada por dois feixes de vigas, ortogonais ou oblíquas, suportando conjuntamente cargas atuando na direção perpendicular ao plano da grelha. Sendo utilizadas em pisos de edifícios e superestrutura de pontes.

Grelha plana

Pórticos são sistemas formados pela associação de hastes retilíneas ou curvilíneas com ligação rígidas entre si

Elementos estruturais

3. Sistemas de Elementos Bidimensionais

Os sistemas de planos bidimensionais são constituídos por chapas dobradas ou reforçadas com enrijecedores soldados.

Galpão Metálico – Esquema Tridimensional

Pórtico Transversal

Terça de Cobertura

Vigas de SuporteTapamento Lateral

Contraventamento nos planos da Cobertura

4. Sistemas de pisos para edificações As estruturas de piso em edificações são, em geral,

compostas de vigas principais e secundárias associadas a painéis de laje de concreto armado com as vigas secundárias pouco espaçadas, sendo que a laje trabalhará com as armaduras no sentido do menor vão

• As cargas verticais atuantes no piso são transferidas da laje para as vigas secundárias as quais se apoiam nas vigas principais e estas, por sua vez, transmitem aos pilares. Além de transferir as cargas verticais aos pilares , os sistemas de pisos são também responsáveis por distribuir entre os pilares e subestruturas de contraventamento as cargas de vento atuantes nas fachadas

• As lajes mais comuns para estrutura de aço são as lajes denominadas Steel Deck, que é um tipo de laje mista de estrutura metálica com concreto moldado in loco.

A presença da chapa corrugada serve como forma para lançamento do concreto, despencando o uso de estrutura de sustentação das formas (cimbramento) na maioria dos casos, onde os vão geralmente não ultrapassarem 4m.

O dimensionamento desse tipo de laje pode ser feito através das orientações do fabricante.

• Os perfis metálicos são geralmente associados às lajes de concreto armado por meio de conectores de cisalhamento, formando a vigas mistas.

5. Galpões industriais simples

5. Galpões industriais simples

Pórtico transversal sob ação de vento. No detalhe, terça sob flexão oblíqua;

Planta de cobertura sem e com contraventamento

5. Galpões industriais simples

5. Galpões industriais simples

Vista longitudinal mostrando o contraventamento entre pilares.

Caminhamento das Forças Atráves da Estrutura

Apoios

Método de CálculoProjeto estrutural e NormasOBJETIVO: Garantia de segurança estrutural evitando-se

colapso da estrutura.

Garantia de bom desempenho da estrutura evitando-se a ocorrência de grandes deslocamentos, vibrações, danos locais.

Etapas de um projeto estrutural1. Anteprojeto ou projeto básico, quando são definidos o

sistema estrutural e os materiais a serem utilizados

2. Dimensionamento ou cálculo estrutural, fase na qual são o definidas as dimensões dos elementos da estrutura e suas ligações de maneira a garantir a segurança e o bom desempenho da estrutura.

3. Detalhamento, quando são elaborados os desenhos executivos da estrutura contendo as especificações de todos os seus componentes.

Nas fases de DIMENSIONAMENTO e detalhamento, utiliza-se , além dos conhecimentos de análise estrutural e resistência dos materiais, grande número de regras e recomendações referentes a:

• Critérios de garantia de segurança; • Padrões de testes para caracterização dos

materiais e limites dos valores de características mecânicas;

• Definição de níveis de carga que representam a situação mais desfavorável;

• Limites de tolerância para imperfeições na execução; • Regras construtivas, etc.

• Os conjuntos de regras e especificações, para cada tipo de estrutura, são reunidas em documentos oficiais, denominados normas, que estabelecem bases comuns, utilizadas por todos os engenheiros na elaboração dos projetos.

• No que diz respeito aos critérios para garantia de segurança da estrutura, as normas para projeto de estruturas metálicas utilizavam, até meados da década de 1980, o Método das Tensões Admissíveis, quando passaram gradativamente a adotar o Método dos Coeficientes Parciais, denominado no Brasil de Método dos Estados Limites.

Estados Limites• Um estado limite ocorre sempre que a

estrutura deixa de satisfazer um de seus objetivos de garantia de segurança estrutural e bom desempenho da estrutura

Eles podem ser divididos em:

Estados limites últimos; Estados limites de utilização (serviço).

Os estados limites últimos estão associados à ocorrência de cargas excessivas e consequente colapso da estrutura devido, por exemplo, a:

• Perda de equilíbrio como corpo rígido; • Plastificação total de um elemento

estrutural ou de uma seção; • Ruptura de uma ligação ou seção; • Flambagem em regime elástico ou não; • Ruptura por fadiga.

Os estados limites de utilização (associados a cargas de serviço) incluem:

• Deformações excessivas; • Vibrações excessivas.

Método dos estados limites

• O método dos estados limites consiste num método semi-probabilístico onde o dimensionamento dos elementos da estrutura é feito através do ELU (estado limite último) e a verificação do seu comportamento durante sua utilização é feito através do ELS (estado limite de serviço, ou utilização).

Estados Limites Últimos• A garantia da segurança no método dos

estados limites é traduzida pela equação de conformidade, para cada seção da estrutura:

Onde: Sd - Solicitação de Projeto ou de cálculo ; Rd - Resistência de Projeto;f – Coeficiente de majoração de cargas (ou ações), m – Coeficiente de redução de resistência interna

Combinação de solicitações segundo a NBR 8800• A referida norma fixa critérios de segurança

das estruturas e da quantificação das ações e das resistências a serem adotadas nos projetos.

• As solicitações de projeto podem ser representadas como combinação de solicitações S devidas às ações Fik pela expressão:

f1 = coeficiente ligado a dispersão das ações; transforma os valores característicos das ações (Fk) correspondente à probabilidade de 5% de ultrapassarem em valores extremos de menor probabilidade de ocorrência; f1 tem um valor da ordem de 1,15 para cargas permanentes e 1,30 para cargas variáveis;

f2 = coeficiente de combinação de ações;

f3 = coeficiente relacionado com tolerância de execução, aproximações de projeto, diferenças entre esquemas de cálculo e o sistema real etc., γf3 tem um valor numérico da ordem de 1,15.

Observa-se na equação anterior que os coeficientes f1 e f2 aplicam-se diretamente às ações Fk, enquanto o coeficiente f3 aplica-se às solicitações (esforços normais, momentos fletores, etc.) geradas pelas ações.

Para o cálculo das solicitações de projeto Sd, as ações devem ser combinadas de forma a expressar a situação mais desfavorável para a estrutura durante a sua vida útil prevista.

As ações variáveis de uma estrutura diferem em diferentes instantes entre si, desta forma cada ação variável considerada nos cálculos tem seu valor característico atingido em momentos diferentes.

• Com relação aos tipos de combinação das ações para verificação nos estados limites últimos, são considerados:

Combinação normal: combinação que inclui todas as ações decorrentes do uso previsto da estrutura;

Combinação de Construção: combinação que considera ações que podem promover algum estado limite último na fase de construção da estrutura;

Combinação Especial: combinação que inclui combinação de ações variáveis especiais, cujos efeitos tem magnitude maior que os efeitos das ações de uma combinação normal;

Combinação Excepcional: Combinação que inclui ações excepcionais, as quais podem produzir efeitos catastróficos, tais como explosões, choques de veículos, incêndios e sismos.

• Para as COMBINAÇÕES DE AÇÕES, a equação anterior pode ser simplificada (considerando análise linear da estrutura, não considerando os efeitos de segunda ordem), fazendo f1 x f3 = f e efetuando cada ação variável secundária de um fator de combinação 0, equivalente ao coeficiente f2 .

• As COMBINAÇÕES NORMAIS de ações para estados limites últimos são escritas em função dos valores característicos das ações permanentes G e variáveis Q:

**

Tabela 1.2 – Coeficientes de segurança parciais f aplicados às ações (ou solicitações), no

Estado Limite Último (NBR 8800)

Tabela 1.2 – Coeficientes de segurança parciais f aplicados às ações (ou solicitações), no

Estado Limite Último (NBR 8800)

• As COMBINAÇÕES ÚLTIMAS DE CONSTRUÇÃO e especiais são também escritas como na equação**.

• Nestes casos, o fator 0 pode ser substituído por quando a ação dominante tiver tempo de duração muito curto. Os valores dos coeficientes utilizados para a combinação especial dependem da magnitude das cargas decorrentes do uso da estrutura (Q uso).

• As combinações excepcionais (E), tais como explosões, choques de veículos, efeitos sísmicos, etc., são combinados com as outras ações de acordo com a expressão:

Esforços Resistentes• Denominam-se ESFORÇOS RESISTENTES, em

uma dada seção da estrutura, as resultantes das tensões internas, na seção considerada.

• Os esforços internos (esforço normal, momento fletor, etc.) resistentes denominam-se resistência última - Ru e são calculados, em geral, a partir de expressões derivadas de modelos semi analíticos em função de uma tensão resistente característica(por exemplo fyk)

• A resistência de projeto Rd é igual a resistência última dividida pelo coeficiente parcial de segurança m :

Exercicio1. Uma viga de edifício comercial está sujeita a

momentos fletores oriundos de diferentes cargas:

Calcular o momento Fletor solicitante de projeto Md.

• As solicitações Mg1 e Mg2 são permanentes e devem figurar em todas as combinações de esforços. As solicitações Mq e Mv são variáveis e devem ser consideradas, uma de cada vez, como dominantes nas combinações.

jjqjqigid QQGM 011

g1 = 1,25 (Tabela 1.2) - g2 = 1,50 (Tabela 1.2)

q = 1,50 (Tabela 1.2) - v= 1,40 (Tabela 1.2)

oq = 0,70 (Tabela 1.3) - ov = 0,60 (Tabela 1.3)

Combinações

01 - Md = 1,25 Mg1 + 1,5Mg2 + 1,5 Mq + 1,4x0,6Mv

Md = 1,25 *10 + 1,5*50 + 1,5*30 + 1,4*0,6*20

Md = 149,3 kN.m

02 - Md = 1,25 Mg1 + 1,5Mg2 + 1,4 Mv + 1,5x0,7Mq

Md = 1,25 *10 + 1,5*50 + 1,4*20 + 1,5*0,7*30

Md = 147,0 kN.m Momento fletor Solicitante Mdfinal = 149,3 kN.m

jjqjqigid QQGM 011

2. Uma diagonal de treliça de telhado está sujeita aos seguintes esforços normais (+ tração) oriundos de diferentes cargas:

Calcule o esforço Normal solicitante de projeto

Considerações• Neste caso as cargas variáveis v1 e v2 não

ocorrem simultaneamente. Com isso não se combinam entre si. Na combinação em que a carga v2 for dominante, a carga permanente terá efeito favorável.

jjqjqigid QQGF 011

g1 = 1,25 (Tabela 1.2) - g1 = 1,00 (Tabela 1.2 - Favorável)

q = 1,50 (Tabela 1.2) - v1 e v2= 1,40 (Tabela 1.2)

oq = 0,50 (Tabela 1.3) - ov = 0,60 (Tabela 1.3)

01 - Fd = 1,25 Ng + 1,5 Nq + 1,4x0,6Nv1

Fd = 1,25 *1 + 1,5*0,5 + 1,4*0,6*1,5

Fd = 3,26 kN

02 - Fd = 1,25 Ng + 1,4 Nv1 + 1,5x0,5Nq

Fd = 1,25 *1 + 1,4*1,5 + 1,5*0,5*0,5

Fd = 3,73kN03 - Fd = 1,00 Ng + 1,4 Nv2

Fd = 1,00 *1 + 1,4*(-3,00) Fd = -3,20kN

Esforços Normais Solicitante Nd (Tração)= 3,73kN Nd (Compressão)= -3,20kN

jjqjqigid QQGF 011

• Peso Próprio da Estrutura Metálica e cobertura ----- Ng1 = 2kN• Peso dos Outros componentes não metálico permanentes ----- Ng2 = 3kN• Vento de sobrepressão v1 ----- Nv1 = 2,5kN • Vento de sucção v2 ---- Nv2 = -

4,5kN• Sobrecarga variável ---- Nq = 0,5 kN

Calcule o esforço Normal solicitante de projeto

3. Uma diagonal de treliça de telhado está sujeita aos seguintes esforços normais (+ tração) oriundos de diferentes cargas:

4. Uma treliça utilizada na estrutura de cobertura de um galpão industrial está sujeita à ação permanente, à ação do vento e uma ação decorrente da movimentação de equipamentos. Uma barra desta treliça está submetida aos esforços normais originados destas ações:

• Compressão devida ao Peso Próprio da Estrutura ----- Ng1 = -5kN• Compressão devido a outras cargas permanentes ----- Ng2 = -12kN• Compressão devido ao Vento de sobrepressão v1 ----- Nv1 = -12,5kN • Tração devido ao Vento de sucção v2 ----- Nv2 = 14kN• Compressão devido à movimentação de equipamento ----- Nq = -6 kN

Calcule o esforço Normal solicitante de projeto