Ildony H. Bellei . Fernando O. Pinho

Mauro O. Pinho

EDIFCIOS DE MLTIPLOS A N D A R E S EM AO

A*

t e v

lldony H. Bellei Fernando 0. Pinho

Mauro 0. Pinho

Edifcios de Mlt iplos A n d a r e s em Ao

> COPYRIGHT EDITORA PINI LTDA. Todos os direitos de reproduo reservados pela Editora Pini Ltda.

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP) (Cmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)

Bellei, lldony H. Edifcios de mltiplos andares em ao / lldony

H. Bellei, Fernando O. Pinho, Mauro O. Pinho. --2. ed. - So Paulo : Pini, 2008.

Bibliografia. ISBN 978-85-7266-184-3

1. Construes em ferro e ao 2. Estruturas metlicas 1. Pinho, Fernando O. II. Pinho, Mauro O. III. Ttulo.

08-08161 CDD-693.71

ndices para catlogo sistemtico:

1. Edifcios de andares mltiplos : Projeto e execuo : Construo 693.71

Coordenao Manuais Tcnicos: Josiani Souza Diagramao e capa: Maurcio Luiz Aires

Editora Pini Ltda. Rua Anhaia, 964 - CEP 01130-900 So Paulo, SP Fone: 011 2173-2328- Fax 011 2173-2327 Internet: www.piniwcb.com - E-mail: manuais@pini.coni.br

2a edio Ia tiragem: 2.000 exemplares, set/2008

Prefcio

As razes que nos levaram a escrever este livro se fundamentam essencialmente no desejo de transmitir nossa experincia cm projeto, fabricao e montagem de estruturas de ao aos profis-sionais que militam no setor e especialmente queles que nele pretendem se iniciar.

Delimitamos o trabalho aos aspectos mais relevantes do projeto e execuo de estruturas de edifcios de mltiplos andares de pequeno e mdio portes para fins comerciais e residenciais.

Nosso objetivo foi fazer um livro essencialmente prtico-ilustrado com mais de 200 figuras-par-tindo do pressuposto de que o leitor tenha conhecimentos bsicos de resistncia dos materiais, esttica das estruturas e das normas de clculo em ao.

Julgamos preencher uma lacuna na literatura tcnica existente, no nos detendo no simples clculo dc peas isoladas, mas apresentando, alm disso, todas as condies para que o profissional e o estu-dante possam desenvolver um projeto completo dc um edifcio.

Na parte de orientao dc clculo, nos baseamos na especificao do AISC-LRFD (13a Edi-o), c na atual NBR 8800/2008. Citaremos o AISC-ASD (mtodo das tenses admissveis) sem-pre que se fizer necessrio para um melhor entendimento do tema, consoante com nossa longa experincia nessa norma.

O livro est pautado em 8 captulos: Inicia-se com a parte geral referente concepo e clculo das estruturas (captulos 1 ao 4); em seguida passa para o captulo de ligaes, ao qual procuramos dar uma nfase bastante grande, apresentando diversas tabelas e exemplos, calculados tanto no mtodo dos estados limites (NBR 8800. AISC-LRFD) quanto no mtodo das tenses admissveis (AISC-ASD). A numerao das tabelas e exemplos so as mesmas diferindo apenas da letra "A" que significa "admissvel" (captulo 5); a seguir fizemos uma condensao dos sistemas dc proteo das estruturas, tanto contra a corroso quanto contra a ao do fogo (captulo 6); nos captulos finais abordamos a montagem de edifcios, com indicao e uso de equipamentos e processos (captulo 7), e noes sobre oramento, planejamento c controle dc obras (captulo 8).

Alem do texto bsico composto pelos 8 captulos, introduzimos cinco apndices, a saber: Apndice A - Dimensionamento de elementos dc acordo com as especificaes da NBR 8800/2008,

inclusivccxcmplos; Apndice B - Tabelas em geral necessrias para o desenvolvimento de um bom projeto, tais como

perfis laminados e soldados, parafusos, frma-lajc, lajes pr-moldadasetc.;

Apndice C - Tolerncias recomendadas de fabricao e montagem; Apndice D - Projeto completo com memria de clculo das vigas e colunas principais de um prdio

comercial dc 8 pavimentos, incluindo o projetodas ligaes e dc proteo das estruturas a corroso e ao do fogo;

Apndice E - Oramento c planejamento do edifcio do Apndice D.

Os Autores

Agradecimentos V

A compreenso, estmulo e pacincia de nossas famlias:

Ildony - esposa Mariza e filhos limara, Humberto e Leandro e o genro Carlos.

Fernando - esposa Cilae e filhos Gabriela, Arthur, Manuela e neto Lucas.

Mauro - esposa Maria Cludia e filhos Joo Paulo, Flvio e Renato.

Ao C B C A - Centro Brasileiro da Construo cm Ao pelo apoio a esta publicao.

Ao prezado amigo Joo de Brito Carneiro, que no mediu esforos na anlise do captulo 5 - ligaes - dando valiosa contribuio com suas crticas e sugestes.

Aos Engenheiros limara N. Bellei e Carlos Alberto Ternero, no apoio s figu-ras em geral.

ndice Captulo 1 - Introduo 17

1.1 - Histrico 18

1.1.1 - Precursores da construo em ao 18

1.1.2 - O ao e a arquitetura dos sculos XIX e XX 18

1.1.3 - A construo em ao no Brasil 20

1.1.4 - A arquitetura do ao 22

1.2 - Campo de aplicao 22

1.3 - Vantagens das estruturas metlicas 23

1.4 - Principais fases na construo de uma obra em estruturas de ao 24

1.5 - Fatores que influenciam os custos de uma estrutura 25

1.6 - O projeto estrutural e seus princpios 26

1.6.1 - Procedimentos para projeto 27

1.7 - Segurana e filosofias de projeto 28

1.7.1 - Filosofias de projeto 29

1.7.1.1 - Projeto pelos estados limites - LFRD (adotado pela ABNT NBR 8800) 30

1.7.1.1.1 - Combinaes de aes 31

1.7.1.1.2 - Combinaes de servios 32

1.7.1.2 - Projeto pelas resistncias admissveis - ASD 36

1.8 - Elementos estruturais 37

1.9 - Normas estruturais 37

Captulo 2 - Materiais 41

2.1 - Introduo 42

2.2 - Aos estruturais 42

2.3 - Parafusos, pinos e barras rosqueadas 43

2.4 - Metal de solda e fluxo para soldagem 43

2.5 - Propriedades mecnicas 44

2.6 - Resistncia dos aos estruturais 44

2.6.1 - Tipos de aos estruturais 44

2.6.2 - Bitolas das chapas encontradas no mercado 46

Captulo 3 - Cargas nos Edifcios 49

3.1 - Introduo 50

3.2 - Cargas permanentes (peso prprio) - CP 51

3.3 - Cargas acidentais (sobrecargas) - CA 52

3.4 - Foras devidas ao vento (NBR 6123) - CV 53

3.5 - Combinaes de aes 57

3.6 - Deslocamentos mximos 58

3.7 - Vibraes em pisos 60

3.7.2 - Fatores que influenciam a percepo das vibraes 61

3.7.3 - Grficos de sensibilidade humana as vibraes 62

3.7.4 - Critrio proposto 64

3.7.5 - Recomendaes da NBR 8800 70

Captulo 4 - Sistemas Estruturais 73

4.1 - Introduo 74

4.2 - Sistemas estruturais 74

4.2.1 - Quadro contraventado 75

4.2.2 - Quadro rgido 75

4.2.3 - Sistema misto - contraventado e aporticado 76

4.2.4 - Quadro com ncleo central 76

4.2.5 - Trelias interpavimentos 80

4.2.6 - Pisos suspensos 80

4.2.7 - Vigas em balano 81

4.3 - Estruturas de piso 82

4.3.1 - Composio c funo 82

4.3.2 - Vigamento secundrio e principal 82

4.3.3 - Sistemas de laje 84

4.3.3.1 - Laje moldada no local 84

4.3.3.2 - Laje pr-moldada de vigotas de concreto com lajotas 84

4.3.3.3 - Pr-lajes (treliada) 84

4.3.3.4 - Frma-laje (Steel Deck) 84

4.4 - Interfaces ao-concreto 85

4.5 - Juntas de dilatao 85

4.6 - Aberturas em almas de vigas 87

4.6.1 - NBR 8800 Anexo J 88

4.6.2 - Manual/Sries AISC - Nc 2 89

4.6.2.1 - Principais pontos a serem observados no projeto e detalhe de vigas com abertura na alma 89

4.6.3 - Zona neutra 92

4.6.4 - Exemplos 92

4.7 - Caractersticas de tipos de edifcios 98

Captulo 5 - Ligaes 101 5.1 - Introduo 102

5.2 - Ligaes soldadas 102

5.2.1 - Vantagens e desvantagens 103

5.2.2 - Classificao, tipos de solda e qualidade 103

5.2.2.1 - reas efetivas 105

5.2.2.2 - Limitaes 106

5.2.3 - Resistncia mnima do metal de solda 107

5.2.3.1 - Resistncia mnima trao do metal de solda 107

5.2.3.2 - Resistncia fatorada de um filete de solda em kN/cm 107

5.2.3.3 - Resistncia da solda 108

5.2.4 - Inspeo e controle de qualidade 109

5.2.5 - Simbologia de soldagem 109

5.3 - Ligaes parafusadas 117

5.3.1 - Introduo 118

5.3.2 - Tipos de parafusos 118

5.3.3 - Conexes tipo atrito e tipo contato 123

5.3.4 - Resistncia dos parafusos 124

5.3.5 - Arruelas 127

5.3.5.1 - Partes parafusadas 127

5.3.5.2 - Arruelas endurecidas 127

5.3.6 - Normas aplicveis 128

5.3.7 - Furos 128

5.3.8 - Pega longa e ligaes de grande comprimento 128

5.3.9 - Distncia mnima de um furo s bordas 129

5.3.9.1 - Furo padro 129

5.3.9.2 - Furos alargados ou alongados 129

5.3.10 - Espaamento mnimo e mximo entre furos 130

5.3.10.1 - Espaamento mnimo 130

5.3.10.2 - Espaamento mximo entre furos e furo extremidade 130

5.3.11 - Resistncia mnima das conexes 130

5.3.12 - Calos 131

5.4 - Ligaes mistas (Parafuso com solda) 131

5.5 - Tipos de ligaes mais usuais 132

5.5.1 - Ligaes viga com viga 132

5.5.2 - Ligaes viga com pilar 132

5.5.3 - Emendas de pilares tipo I, H ou tubular 132

5.5.3.1 - Ligaes por contato 136

5.5.3.2 - Ligaes sem contato 136

5.5.4 - Ligao pilar com fundao 136

5.5.4.1 - Tipos de base 140

5.5.4.1.1 - Bases rotuladas 140

5.5.4.1.2 - Bases engastadas 140

5.6 - Placas de base 141

5.6.1 - Bases submetidas compresso axial 141

5.6.1.1 - Parmetros para clculo da espessura das placas de base 142

5.6.2 - Bases submetidas compresso excntrica 143

5.6.3 - Chumbadores 145

5.6.3.1 - Chumbadores a trao para o ao SAE 1020 146

5.6.3.2 - Chumbadores a cisalhamento para o ao SAE 1020 146

5.6.3.3 - Chumbadores a trao com cisalhamento 146

5.7 - Tabelas complementares e exemplos de ligaes: AISC - LRFD/ NBR 8800 157

5.7.1 - Tabelas complementares 157

5.7.2 - Exemplos de ligaes de acordo com o AISC/LFRD e NBR 8800 164

5.8 - Tabelas complementares e exemplos de ligaes de acordo AISC/ASD 171

5.8.1 - Tabelas complementares 171

5.8.2 - Exemplos de ligaes considerando cargas admissveis de acordo com AISC/ASD 9d 186

Captulo 6 - Proteo das Es t ru turas 195

6.1 - Introduo 196

6.2 - Proteo das estruturas corroso 196

6.2.1 - Limpeza 1%

6.2.2 - Pintura 197

6.2.3 - Galvanizao ou zincagem 198

6.3 - Proteo das estruturas ao do fogo 199

6.3.1 - Resistncia do ao ao do fogo 199

6.3.2 - Fogo como ao (carga) na estrutura 201

6.3.2.1 - Combinaes de aes para os estados limites ltimos 202

6.3.2.2 - Resistncias de clculo 203

6.3.3 - Clculo da temperatura no ao 203

6.3.3.1 - Fator de forma ou massividade 203

6.3.4 - Elevao da temperatura no ao 205

6.3.4.1 - Estruturas internas 205

6.3.4.1.1 - Elementos estruturais sem proteo contra o fogo 205

6.3.4.2 - Estruturas externas 206

6.3.5 - Fatores de ventilao 207

6.3.6 - Carga de fogo 208

6.3.7 - As construes e o tempo mnimo de resistncia ao fogo 210

6.3.8 - Deformaes aps um incndio 214

6.3.9 - Materiais de proteo passiva 216

6.3.10 - Carta de cobertura do material de proteo 221

Captulo 7 - Montagem 229

7.1 - Introduo 230

7.1.1 - Pr-montagem 230

7.1.2 - Mo-de-obra e segurana do trabalho 230

7.1.3 - Proteo de segurana 231

7.2 - Equipamentos de montagem 232

7.2.1 - Equipamentos de iamento vertical 232

7.2.1.1 - Guindastes 232

7.2.1.2 - Gruas de torre 242

7.2.2 - Equipamentos de transporte horizontal 249

7.2.3 - Equipamentos auxiliares 251

7.3 - Operao de guindastes 252

7.3.1 - Introduo 252

7.3.2 - Terminologia 253

7.3.3 - Clculo da capacidade de carga 255

7.3.4 - Condies de estabilidade dos guindastes 257

7.3.5 - Tabelas de capacidade de carga 258

7.3.6 - Especificao de um guindaste 260

7.4 - Operao de gruas 261

7.4.1 - Especificao c escolha da grua 262

7.5 - Tcnicas de iamento 263

7.5.1 - Determinao da carga a ser iada 263

7.5.2 - Clculo do peso da pea 263

7.5.3 - Iamento e centro de gravidade 264

7.5.4 - Acessrios de iamento 266

7.5.5 - Ferramentas de montagem 267

7.5.6 - Lista de verificao de montagem 268

7.6 - Tcnicas de montagem de edifcios 268

7.6.1 - Tipos de edifcios 268

7.6.2 - Estabilidade da estrutura 272

7.6.3 - Estabilidade de peas isoladas 273

7.6.4 - Seqncia de montagem dc edifcios 274

Captulo 8 - Custos das Es t ru turas Metlicas 279

8.1 - Introduo 280

8.2 - Elaborao dos oramentos 281

8.3 - Oramento de projetos 282

8.3.1 - Projeto estrutural e detalhamento da estrutura 282

8.3.2 - Informaes necessrias ao oramento do projeto estrutural: 283

8.3.3 - Itens que formam os custos de projeto estrutural e detalhamento da estrutura 283

8.4 - Oramento de materiais 284

8.4.1 - Materiais empregados 284

8.5 - Oramento de fabricao e pintura 286

8.5.1 - Processo de fabricao 286

8.5.2 - Informaes necessrias ao oramento de fabricao 287

8.5.3 - Itens que formam os custos de fabricao 287

8.6 - Oramento de transporte 288

8.6.1 - Informaes necessrias ao oramento de transporte 290

8.7 - Oramento de montagem 290

8.7.1 - Introduo 290

8.7.2 - O oramento de montagem 291

8.7.3 - Informaes necessrias para a elaborao do oramento de montagem 292

8.7.4 - Itens do oramento de montagem 293

8.8 - Fatores que influenciam nos custos das estruturas metlicas 294

8.8.1 - Ligaes 294

8.8.2 - Protees 295

8.9 - Outros itens do fornecimento de estruturas metlicas 296

8.10 - Princpios de planejamento de obras 2%

8.10.1 - Nvel do planejamento 296

8.10.2 - Relaes entre tarefas 297

8.10.3 - Durao das atividades e definio de recursos 297

8.10.4 - Cronogramas 298

8.10.5 - Histogramas 299

8.10.6 - Controle da obra e gerenciamento de custos 300

8.11 - Planejamento da construo metlica 301

8.11.1 - Projetos 301

8.11.2 - Fabricao 301

8.11.3 - Transporte 302

8.11.4 - Montagem 302

8.11.5 - Interface com outras atividades 303

8.12 - Formao do preo de venda 304

8.12.1 - Servios 305

8.12.2 - Comrcio de materiais 305

8.12.3 - Fornecimento e fabricao 306

8.13 - Contratos 306

8.13.1 - Formas de remunerao dos contratos 306

8.12.2 - Formas de medio e pagamento 307

8.13.3 - Fiscalizao 309

Referncia Bibliogrfica 310

Apndice A - Dimensionamento de elementos de acordo com a NBR 8800 314

A 1.1 - Bases para projeto 314

A 1.1.1 - Critrios de segurana 314

Al.1.2 - Estados limites 314

A 1.1.3 - Integridade estrutural 314

A2 - Elementos tracionados 315

A2.1 - Introduo 315

A2.2 - rea bruta, rea lquida e rea lquida efetiva 315

A2.3 - Condies de runa dos elementos tracionados 319

A2.4 - Fora axial de trao resistente de clculo 319

A2.5 - Limitao do ndice de esbeltez 320

A2.6 - Exemplos de elementos (racionados 320

A3 - Elementos comprimidos 328

A3.1 - Introduo 328

A3.2 - Fora axial de compresso resistente de clculo 329

A3.3 - Coeficiente de flambagem por flexo 331

A3.4 - Limitao do ndice de esbeltez 331

A3.5 - Flambagem local de barras axialmente comprimidas 332

A3.6 - Exemplos de elementos comprimidos 334

A4 - Vigas contidas lateralmente 342

A4.1 - Introduo 342

A4.2 - Comportamento das vigas estveis lateralmente 343

A4.3 - Resistncia ao momento fletor 346

A4.4 - Resistncia ao cisalhamento 347

A4.5 - Deslocamentos mximos 350

A4.6 - Cargas concentradas 351

A4.7 - Exemplos 352

A5 - Flambagem lateral de vigas 358

A5.1 - Introduo 358

A5.2 - Apoio lateral 359

A5.3 - Resistncia ao momento fletor 360

A5.4 - Resistncia ao cisalhamento e deformaes mximas 362

A5.5 - Exemplo 362

A6 - Elementos fletidos comprimidos 365

A6.1 - Introduo 365

A6.2 - Ao combinada de fora axial e momento fletor 365

A6.3 - Efeitos de segunda ordem 367

A6.4 - Exigncias para a estabilidade das barras de uma estrutura 367

A6.5 - Classificao quanto sensibilidade a deslocamentos laterais: 369

A6.5.1 - Estruturas de pequena deslocabilidade 369

A6.5.2 - Estruturas de media deslocabilidade 370

A6.5.3 - Estruturas de grande deslocabilidade 371

A6.6 - Mtodo aproximado para a amplificao dos esforos solicitantes 371

A6.7 - Determinao simplificada dos esforos solicitantes 374

A6.7.1 - Estruturas contraventadas 374

A6.7.2 - Estruturas em prticos 374

A6.8 - Exemplos 377

A7 - Vigas mistas 384

A7.1 - In t roduo 384

A7.2 - Ao mista e tipos de construo 385

A7.3 - Critrios para projeto e definies 386

A7.4 - Largura efetiva da laje 387

A7.5 - Resistncia de clculo de vigas com conectores de cisalhamento 388

A7.5.1 - Construo escorada 388

A7.5.2 - Construo no-escorada 392

A7.6 - Disposies para laje com frma de ao incorporada "steel-deck" 392

A7.6.1 - Limitaes 392

A7.6.2 - Frmas com nervuras perpendiculares ao perfil de ao 393

A7.6.3 - Frmas com nervuras paralelas ao perfil de ao 394

A7.7 - Disposies para laje com pr-laje de concreto 394

A7.8 - Verificao fora cortante 394

A7.9 - Conectores de cisalhamento 394

A7.9.1 - Conectores tipo pino com cabea ("studs bolts") 394

A7.9.2 - Conectores tipo perfil em U laminado ou formado a frio 395

A7.9.3 - Localizao e espaamento de conectores de cisalhamento 396

A7.10 - Exemplo 396

Apndice B - Tabelas 405

Tabela B-l - Perfil I Laminado - Abas inclinadas 409

Tabela B-2 - Perfil U - Abas inclinadas 410

Tabela B-3 - Cantoneira de abas iguais - Srie polegada 411

Tabela B-4 - Gabaritos usuais para furao de cantoneiras - Srie americana 412

Tabela B-5 - Par de cantoneiras iguais opostas pelo vrtice 413

Tabela B-6 - Par de cantoneiras de abas iguais 414

Tabela B-7 - Perfil I Laminado nacional - Abas paralelas 415

Tabela B-8 - Perfil H Laminado nacional - Aominas 417

Tabela B-9 - Perfil I laminado - Srie europia 418

Tabela B-10 - Tubos redondos sem costura 420

Tabela B- l l - Tubos quadrados 421

Tabela B-12 - Tubos retangulares 422

Tabela B-13 - Perfil I Soldado Srie CS 423

Tabela B-14 - Perfil I Soldado Srie CVS 426

Tabela B-15 - Perfil I Soldado Srie VS 430

Tabela B-l6 - Perfil I Soldado Srie VSM 435

Tabela B-17 - Perfil I Eletrossoldado - Srie Simtrica 437

Tabela B-l8 - Perfil U de chapa dobrada 439

Tabela B-19 - Parafuso sextavado pesado - ANS1 B 18.2.1 441

Tabela B-20 - Porca sextavada pesada - ANSI B 18.2.2 442

Tabela B-21 - Arruela circular para estruturas metlicas 443

Tabela B-22 - (Metform) Steel Deck MF-75 444

Tabela B-23 - Polydeck 59 - Perfilor 446

Tabela B-24 - Estropos 450

Tabela B-25 - Clips 451

Tabela B-26 - Manilhas 451

Tabela B-27 - Esticadores 452

Tabela B-28 - Moites 452

Tabela B-29 - Clculo dos esforos em jogos de roldanas 453

Tabela B-30 - Caractersticas para transporte rodovirio 454

Tabela B-31 - Converso de unidades 455

Apndice C -Tolerncias de fabricao e montagem 458

Tabela C-l - Tolerncias dimensionais para perfis soldados 458

Tabela C-2 - Tolerncias dimensionais para as estruturas 460

Tabela C-3 - Tolerncias de montagem 467

Apndice D - Projeto completo de um edifcio de oito pavimentos 470

D-l - Caractersticas do edifcio 471

D-2 - Sistema estrutural 472

I)-3 - Especificaes dos materiais 475

I)-4 - Normas adotadas 475

D-5 - Cargas bsicas 476

D-6 - Dimensionamento das colunas isoladas 480

I)-7 - Modelos e resultados para computador 487

I)-8 - Dimensionamento das vigas principais 491

D-9 - Lista de material para estimativa 509

D-10 - Clculo das principais ligaes 517

D-11 - Proposta de proteo passiva 520

D-12 - Sistema de pintura a ser adotado para as partes externas 523

Apndice E - Exemplo de oramento e planejamento do projeto do apndice D 526

E-l - Introduo 526

E-2 - Fabricao 526

E-3 - Jateamento e pintura 530

E-4 - Montagem 531

E-5 - Equipes e prazos: 533

E-6 - Elaborao dos histogramas 536

E-7 - Elaborao dos cronogramas 537

E-8 - Equipamentos 541

Captulo 1

Introduo

1.1- HISTRICO

- PRECURSORES DA CONSTRUO EM AO

As evidncias mais seguras da primeira obteno do ferro indicam que tal fato se deu aproximadamente 6 mil anos a.C., em civilizaes como as do Egito, Babilnia e ndia. O ferro era, ento, um material considerado nobre, devido sua raridade, com sua utilizao se limitando a fins militares ou como elemento de adorno nas construes.

A utilizao do ferro em escala industrial s teve lugar muito tempo depois, em meados do sculo XIX, devido aos processos de industrializao que experimentavam os pases mais desenvolvidos pela revoluo industrial, tais como Inglaterra, Frana e Alemanha.

Paralelamente ao auge da produo de ferro, desenvolveram-se progressos na elabora-o e conformao deste metal; j nos meados do sculo XVIII se laminavam pranchas de ferro na Inglaterra; em 1830, trilhos para estradas de ferro; em 1854 primeiramente na Frana, os perfis de seo I de ferro forjvel, que se tornaria a pea fundamental da cons-truo em ao.

A primeira obra importante construda em ferro foi a Ponte sobre o Rio Severn em Coalbrookdale, Inglaterra, cm 1779. Essa ponte, com um vo simples de 42 m c formada por um arco de elementos de ferro fundido e existe at hoje.

Em I851 inicia-se a era dos grandes edifcios metlicos, com o Palcio de Cristal, em Londres. Mas, o primeiro edifcio de andares mltiplos realmente projetado como deve ser um edifcio com estrutura metlica foi a fbrica de chocolates de Noisiel-Sur-Namc, perto de Paris. Trata-se de um edifcio de vrios andares, construdo por Jules Saulnier, em 1872, sobre os quatro pilares da antiga ponte sobre o rio Marne, de forma a aproveitar a energia hidrulica do rio. Esse edifcio antecipa alguns dos elementos estruturais da moderna cons-truo com esqueleto de ao: as laterais do edifcio apoiadas em vigas em balano e prin-cipalmente a estabilidade lateral do prdio, garantida por uma rede de diagonais, sistema idntico ao de contraventamento de modernos edifcios.

- O AO E A ARQUITETURA DOS SCULOS X I X E X X A Escola de Chicago (1880-1910)

O fundador e lder da Escola de Chicago foi Willian lc Baron Jcnncy, que cm 1868 abriu seu escritrio de arquitetura em Chicago. Provou suas teorias sobre a estrutura de ferro em 1879, no Leiter Building 1.

Em 1885, o Home Insurance Building, projetado por Jcnncy, apresentou um sistema estrutural pioneiro das modernas estruturas de ao. Pela primeira vez, transferiu-se o peso das paredes para um vigamento de ferro e respectivas colunas embutidas em alvenaria que, por sua vez, s serviu de enchimento do vo livre.

Em 1884, Holaird c Roche construram o Tocama Building, com 14 andares, o primeiro edifcio com ligaes rebitadas, e o resultado foi a maior rigidez da estrutura, o que no era possvel obter anteriormente com o uso de parafusos comuns.

Entre 1890 e 1893 foram construdas em Chicago muitas estruturas cujas caractersticas tpicas eram: ligaes rebitadas, contraventamentos verticais e janelas salientes.

Em 1885 ocorreu o salto tecnolgico, quando as vigas de ferro forjado foram substi-tudas pelas vigas laminadas de ao doce, pela primeira vez produzidas nos Estados Unidos pela Carnegie Steel Company, precursora da United States Steel. Aps essa inovao, a coluna de ferro fundido caiu rapidamente na obsolescncia, bem como os perfis comple-xos de colunas compostas de perfis padronizados, laminados ou caixo.

Frana, Blgica e Sua (1890-1930)

Foi na Frana e Blgica que se desenvolveram as primeiras construes em ao em edifcios de vrios andares, devido s condies materiais e intelectuais favorveis nesses pases.

As primeiras estruturas de cobertura em ferro forjado foram construdas na Frana antes das pontes dc ferro fundido terem sido construdas na Inglaterra. Com suas coberturas cm vidro e abbadas na Galeria D'Orleans, no Jardim das Plantas em Paris.

As primeiras criaes mais importantes dc arquitetura foram as de Victor Horta em edi-fcios construdos cm Bruxelas, tais como o Tasscl (1892-1893), a Casa do Povo (1899) c outros. Muitas dessas estruturas foram construdas em Paris em outras cidades francesas at o incio da Primeira Guerra Mundial. Aps a mesma as construes em ao haviam se retrado quantitativamente, tanto na mente dos arquitetos quanto dos seus clientes.

Entretanto, tremendos progressos foram feitos nos mtodos de executar ligaes nas estruturas de ao, quando se fez a transio do rebite para a solda e para os parafusos de alta resistncia.

Alemanha (1910-1930)

Na Alemanha, a construo em ao cm edifcios de muitos andares s fez progressos aps o trmino da Primeira Guerra Mundial. Ainda nos anos 20, os arquitetos davam pre-ferncia ao sistema composto de construes: estrutura interna de concreto armado, pa-redes externas dc alvenaria. Dentre os edifcios construdos na poca, poucos possuam uma estrutura de ao. Apesar de tudo, a arquitetura alem, entre 1910 e 1930, ainda marcaria poca, no tanto pelo que foi construdo e sim pelos novos conceitos de forma e aspecto. Mas foi depois da Segunda Guerra Mundial, a partir da Amrica, que se desen-volveu a verdadeira arquitetura baseada no ao. Teve grande destaque em 1919o fants-tico projeto dc Mies Van der Rohe para um edifcio cm Berlim, um sonho apotetico dc

ao, completamente fechado com vidros. Nesse projeto, Mies estava avanado 50 anos cm relao sua poca c 20 anos cm relao ao que ele mais tarde conseguiu realizar em Chicago.

Os arranha-cus nos Estados Unidos (1890-1940)

No final do ltimo sculo, a posio de liderana na construo de edifcios altos foi assumida por Nova York, no somente no nmero de edifcios construdos, mas tambm em recordes de altura e mrito arquitetnico. Em 1913 foi construdo o Woolworth Tower, com 234 metros de altura, 55 andares, considerado at 1930 o edifcio mais alto do mundo. Em 1929 foi construdo o Chrysler Building, com 320 metros de altura e 75 andares, e em 1931 o Empire State, com 380 metros de altura e 102 andares, que durante os 40 anos que se seguiram no encontrou rival no mundo.

Antes mesmo que o World Trade Centcr em Nova York tivesse sido totalmente ocupado e em funcionamento, um terceiro dos superarranha-cus j estava se aproximando do final de construo em Chicago: era o Sears Tower (1972-1974), o maior edifcio do mundo, com 109 andares e 445 metros de altura, projetado por B. Graham.

- A CONSTRUO EM A O NO BRASIL

O advento da Primeira Guerra Mundial produziu profundas alteraes no panorama da construo cm geral, refletindo-se no Brasil pela dificuldade de se conseguir material impor-tado. Com o trmino da guerra, os materiais originariamente importados da Europa passam a vir, preferencialmente, dos EUAe nossa produo de gusa no passava de 10 mil toneladas.

Foi na dcada de 20 que o Brasil comeou realmente a desenvolver sua incipiente in-dstria siderrgica, com a criao da Companhia Siderrgica Belgo Mineira. Nessa mes-ma dcada, considerando-se tambm a produo de outras pequenas fundies, nossa produo atingiu a casa de 35 mil toneladas. No final do decnio, j alcanava a casa de 96 mil toneladas.

Em 1940, foi instituda no Brasil a Comisso Executiva do Plano Siderrgico Nacional, e em plena Segunda Guerra Mundial foi fundada a Companhia Siderrgica Nacional, que entrou cm operao cm 12 dc outubro dc 1945, com a finalidade de produzir chapas, trilhos e perfis nas bitolas americanas. Para consolidar o mercado, entraram em operao na dcada de 60 as usinas da Usiminas e Cosipa, para produo de chapas, e mais recen-temente a entrada da Gerdau Aominas para produo de perfis laminados de abas para-lelas. A partir da grandes expanses foram realizadas no setor siderrgico, produzindo o Brasil, hoje, mais de 30 milhes de toneladas de ao. O Brasil, que at a dcada de 70 ainda importava, passou a exportar, devido ao baixo consumo interno.

Para ajudar a difundir o uso do ao nas construes, a CSN criou cm 1953, como um dos seus departamentos, a FEM - Fbrica de Estruturas Metlicas (desativadaem 1998), que iniciou a formao de mo-de-obra especializada, bem como do ciclo completo de produo das Estruturas Metlicas.

Datam desse perodo alguns bons exemplos de edifcios de andares mltiplos em estru-tura metlica erguidos no Brasil: Edifcio Garagem Amrica (16 andares) em So Paulo, o primeiro a ser fabricado pela

FEM cm 1957, (Figura 1.1); Edifcio Avenida Central (34 andares) no Rio de Janeiro cm 1961, (Figura 1.2); Edifcio Escritrio Central da CSN (17 andares) em Volta Redonda/RJ em 1966, o

primeiro em perfis soldados. (Figura 1.3).

A partir dessa poca foram surgindo em todo o Pas um grande nmero de fabricantes, projetistas, desenhistas e outros profissionais do ramo e o Brasil, na dcada de 1970 j produzia cerca de 500 mil toneladas de estruturas metlicas por ano, mas totalmente vol-tada para o setor industrial.

Figura 1.1 - Edifcio Garagem Figura 1.2 - Edifcio Avenida Figura 1.3 - Escritrio Central Amrica. Central. da CSN.

- A ARQUITETURA DO AO

A arquitetura do ao, quando bem utilizada, produz em funo das caractersticas do ao cons-trues leves, modernas e arrojadas, mas sempre com excelentes resultados econmicos.

O projeto arquitetnico de um edifcio com estrutura metlica permite com facilidade o emprego de outros materiais complementares industrializados e pr-fabricados: condies de projetar economicamente grandes vos livres e ainda uma grande liberdade de formas.

Entretanto, temos que compreender que para um melhor resultado c importante que o projeto seja concebido desde o incio pensando na utilizao do ao, e no seja apenas uma adaptao de um projeto originalmente concebido para outro tipo de construo.

O arquiteto brasileiro descobriu as estruturas metlicas e vem empregando cm inmeros projetos de edifcios, principalmente em Belo Horizonte, So Paulo, Salvador e Volta Re-donda, sempre com bastante sucesso, como o Edifcio da Casa do Comrcio da Bahia em Salvador (Figura 1.4).

Primeiro utilizando somente as estruturas metlicas c depois descobrindo outros materiais industrializados como lajes de piso (lajes pr-moldadas, steel deck), paredes de vedao (ti jolos de encaixe, paredes pr-fabricadas de gesso estruturada em ao), forros eesquadrias metlicas que acompanham melhor a velocidade e preciso das estruturas metlicas.

1.2 - CAMPO DE APLICAO As estruturas metlicas podem ser usadas cm quase todos os tipos de construes civis,

industriais e virias. Entre esses, nos deteremos na aplicao em edifcios de mltiplos an-

dares, tais como edifcios para escritrios, residenciais, mistos, comerciais, escolas etc., ate 12 pavimentos, que nosso objetivo ao longo deste trabalho, onde desenvolveremos um projeto completo de um edifcio para escritrios com oito pavimentos.

1.3-VANTAGENS DAS ESTRUTURAS METLICAS So as seguintes as principais vantagens das estruturas de ao:

l - Alta resistncia do ao em comparao com outros materiais. 2 - 0 ao um material homogneo de produo controlada. 3 - As estruturas so produzidas em fbricas por processos industrializados seriados, cu jo

efeito dc escala favorece a menores prazos e menores custos. 4 - Os elementos das estruturas metlicas podem ser desmontados e substitudos com fa-

cilidade e permitem tambm reforo quando necessrio. 5 - A possibi lidade de reaproveitamento do material que no seja mais necessrio construo. 6 - Menor prazo dc execuo se comparado com outros materiais.

Pelas vantagens expostas, o simples emprego de estruturas metlicas substituindo os ele-mentos de concreto armado e mantendo todo o restante do acabamento da obra nos proces-sos e padres usuais, j altera radicalmente o planejamento da obra e traz consigo um novo "Processo Construtivo", como demonstrado abaixo:

Menor Custo de Administrao

Devido ao menor nmero de operrios, menor prazo de obra e uma reduo substancial dos gastos com limpeza da obra (retirada de entulhos).

Economia nas Fundaes

Devido ao menor peso do edifcio em ao (o esqueleto metlico pesa em mdia dez ve-zes menos que o de concreto), possibilitando uma reduo do nmero de estacas por base e/ou do nmero de bases com o emprego de vos maiores.

Menor Consumo de Revestimento

Devido maior preciso de fabricao das estruturas metlicas (milmetros e no centme-tros), haver uma reduo significativa nas espessuras dos revestimentos (emboo e reboco).

Rapidez de Execuo

Pela possibilidade de superposio de diversas atividades na obra, bem como um nmero maior de frentes para a mesma atividade.

Maior Lucratividade do Investimento

Devido maior velocidade dc giro do capital investido c maior rea til com elementos estruturais de menores dimenses.

Essas vantagens podero ser ainda incrementadas se associarmos a uma arquitetura voltada para a estrutura metlica c a utilizao dc outros componentes industrializados.

1.4 - PRINCIPAIS FASES NA CONSTRUO DE UMA OBRA EM ESTRUTURAS DE AO

Uma obra com estruturas metlicas c o resultado de um sistema industrializado, que se inicia no projeto arquitetnico, na construo civil ou no projeto bsico na indstria, con-tinua no projeto estrutural definitivo, passa pelo detalhamento do projeto (desenho de oficina), fabricao, limpeza e pintura, seguido pelo transporte, montagem e da proteo contra fogo se necessria.

A scqucncia abaixo mostra a integrao das fases para a produo das estruturas metlicas:

Arquitetura - Onde desenvolvido todo o estudo da obra, materiais de acabamento, di-menses, caractersticas de ventilao, iluminao, formato etc. Uma arquitetura desenvol-vida para o ao torna esse material mais competitivo, tirando partido da sua melhor resistn-cia e menores dimenses das sees transversais dos perfis, etc.

Projeto estrutural - Onde se d corpo ao projeto arquitetnico, calculando-se os ele-mentos de sustentao, ligaes principais, tipos de ao, cargas nas fundaes, especifi-cando se a estrutura ser soldada ou parafusada na montagem, etc. uma das etapas mais importantes, pois um projeto mal elaborado pode causar prejuzo econmico ao fabricante e ao construtor. Nesta fase gerada uma lista bsica de material (chapas e perfis), com peso total previsto para a estrutura.

Detalhamento - Nessa fase o projeto estrutural detalhado pea por pea, dentro das recomendaes do projeto, indicando o tipo de ligao, se parafusada ou soldada, procu-rando agrupar ao mximo as peas, isso tudo visando atender ao cronograma dc fabricao c montagem. Fornece ainda os diagramas dc montagem com posicionamento das peas na estrutura para orientao dos servios de campo.

Fornecimento e fabricao - Inclui o aprovisionamento de todos os materiais neces-srios para a confeco das peas e a fabricao das mesmas dc acordo com os desenhos de detalhe, seguindo s recomendaes do projeto e s observaes contidas nos desenhos de detalhe.

Limpeza e proteo - Aps a fabricao, as peas que vo compor a estrutura so pre-

paradas quando necessrio para receber proteo contra a corroso. Aps a limpeza, a estru-tura deve ser pintada ou mesmo deixada em estado natural, se a estrutura vai receber proteo contra a ao do fogo por meio de argamassas.

Transporte - preciso, j na fase inicial de projeto e detalhamento, indicar o tamanho das peas, procurando dentro do possvel evitar o transporte especial. Esta fase inclui tam-bm a conferncia dos materiais embarcados e o fornecimento dos meios de transporte at o local de montagem, com providncias fiscais, licenas e seguros.

Montagem - onde as peas vo se juntar, uma a uma, para compor a estrutura. Inclui os servios de descarga, conferncia e armazenamento das estruturas no canteiro de obra, confe-rncia das bases, mo-de-obra de montagem, superviso c responsabilidade tcnica, ferra-mentas e equipamentos.

Eventualmente ser executada a pintura de acabamento ou simplesmente retoques na mes-ma. o coroamento de toda a obra, quando sabemos se houve ou no um bom projeto.

Proteo contra fogo - De acordo com o tipo de ocupao e altura da estrutura feita uma verificao de acordo com as normas vigentes para saber se h necessidade de proteo passiva das estruturas ao do fogo em caso de incndio, e qual o material a ser empregado.

1.5 - FATORES QUE INFLUENCIAM OS CUSTOS DE UMA ESTRUTURA

Tradicionalmente o ao tem sido vendido por tonelada e, conseqentemente, discutin-do-se o custo de uma estrutura de ao, impe-se a formulao de seus custos por tonelada dc uma estrutura acabada. S que se ignora o fato dc grande nmero dc fatores ter influncia significativa no custo final, por tonelada, de uma pea acabada. No projeto, detalhe, fabri-cao e montagem de uma estrutura de ao, os seguintes fatores influenciam o custo de uma estrutura: a) seleo do sistema estrutural (por exemplo se a estrutura ser totalmente aporticada ou

contraventada; se a coluna ser engastada ou rotulada etc.); b) projeto dos elementos estruturais (vigas de perfil de alma cheia, viga mista, treliaetc.); c) projeto e detalhe das ligaes (ligaes a momento, com chapa de extremidade, com

cantoneiras parafusadas etc.); d) processo a ser usado na fabricao (sc automatizado, se soldado, se parafusado); e) especificao para fabricao e montagem (se dentro dos padres usuais ou no); 0 sistema de proteo corroso (dependendo do tipo de limpeza e qualidade da tinta); g) sistema a ser usado na montagem (sc com o uso de guindaste ou outro tipo); h) sistema e tempo de proteo passiva contra fogo (se argamassa, tinta intumescente etc.,

para trinta, sessenta, noventa ou cento e vinte minutos de resistncia ao fogo).

A seleo do mais eficiente sistema estrutural compatvel com o processo de fabricao fundamental para se otimizar os custos. Economia na fabricao e montagem s possvel como resultado de ligaes bem elaboradas durante a fase de detalhamento, de acordo com as premissas de projeto. A especificao a que maior influncia tem nos custos de fabri-cao c montagem, onde se determinam a qualidade do material e as tolerncias requeridas. Outro item importante a proteo contra a corroso, que em muitos casos pode chegar a at 30% do valor da estrutura.

Sc o projeto e o detalhamento no so executados pelo fabricante, c este c desconhecido, c importante deixar alternativas no projeto para uso de ligaes soldadas ou parafusadas, ou ento, o detalhamento propor solues alternativas de acordo com a sua fabricao.

Em geral, o custo dc uma estrutura metlica pode ser apresentado da seguinte maneira:

Projeto estrutural 1% a 3% Detalhamento 2% a 5% Material e insumos 20% a 50% Fabricao 20% a 40% Limpeza e pintura 10% a 30% Transporte 1% a 3% Montagem 20% a 35% Proteo passiva ao fogo 8% a 15%

Alm dos custos por tonelada que o mais tradicional, um outro muito comum c talvez mais apropriado para esse tipo de construo o custo por metro quadrado.

1 . 6 - 0 PROJETO ESTRUTURAL E SEUS PRINCPIOS O projeto um processo pelo qual se obtm uma soluo tima para a estrutura. Num

projeto dc Estruturas Metlicas, os critrios tpicos para a soluo tima podem ser: a) menor custo das estruturas; b) menor peso das estruturas; c) menor tempo de construo; d) mnimo trabalho; e) menor custo dc fabricao dos materiais do cliente; 0 mxima eficincia dos servios para o cliente.

Normalmente vrios critrios esto envolvidos, e cada qual tem sua importncia. Ob-servando um possvel critrio para um projeto com os itens acima (como peso e custo), ser muito difcil estabelecer um critrio claro dc medida, c na maioria das situaes prticas a avaliao deve ser qualitativa.

Para facilitar nossas comparaes, o critrio de menor peso ser aqui enfatizado, com base na suposio de que menor quantidade de material representa custo mnimo.

- PROCEDIMENTOS PARA PROJETO

O procedimento para projeto deve ser considerado como composto de duas partes:

Projeto para o Uso c Projeto das Estruturas.

O Projeto para o Uso deve garantir os resultados pretendidos pela arquitetura, tais como: a) reas c espaos adequados para o trabalho; b) uma ventilao e/ou sistema de ar condicionado adequado; c) sistemas de transporte adequados tais como escadas, elevadores etc.; d) iluminao adequada; e) boa esttica.

O Projeto das Estruturas a escolha dos arranjos e dimenses dos elementos estruturais de forma que as cargas de servio decorrentes do uso c outras aes externas sejam resis-tidas com segurana e os deslocamentos decorrentes estejam dentro de limites aceitveis.

Partindo do princpio de que o estudo de viabilidade e a anlise financeira j terem sido feitos inicia-se o projeto, cu jo processo iterativo pode ser resumido nas seguintes etapas: 1) Planejamento - Estabelecimento das funes para as quais a estrutura deve servir (fun-

cionalidade, segurana, economia, esttica etc.) c definio dos critrios que resulta-ro num projeto timo.

2) Configurao estrutural preliminar-Arranjo dos elementos estruturais para atender s funes do item 1. Aps uma srie de esboos feita a escolha da configurao es-trutural mais conveniente nessa fase.

3) Determinao das cargas - Levantamento de todas as cargas que atuaro na estrutura. 4) Seleo preliminar dos elementos - Com base nas decises das etapas 1 ,2 e 3, feita

a seleo das dimenses dos elementos para atender a critrios objetivos, tais como menor peso ou custo.

5) Anlise estrutural - Anlise estrutural envolvendo as cargas levantadas e o modelo estru-tural adotado para obter as foras internas e deformaes desejadas em alguns pontos.

6) Avaliao - Esto sendo atendidos todos os requisitos de resistncia e utilizao e o resultado est de acordo com os critrios preestabelecidos?

7) Novo projeto - Dependendo da comparao do item anterior, ser necessria a repetio de qualquer parte da seqncia de 1 a 6, o que representa um processo iterativo.

8) Deciso final - A determinao se foi ou no encontrado o projeto timo.

1.7 - SEGURANA E FILOSOFIAS DE PROJETO As estruturas e os elementos estruturais devem ter resistncia adequada, bem como

rigidez e dureza para permitir funcionalidade adequada durante a vida til da estrutura. O projeto deve prover ainda alguma reserva de resistncia, acima das que seriam necessrias para resistir s cargas de servio, ou seja, a estrutura deve prever a possibilidade de um excesso de carga (sol ic i tao) .

Excessos dc cargas podem aparecer dc mudanas do uso para a qual uma estrutura cm particular foi projetada, da subestimativa dos efeitos das cargas, pela simplificao exage-rada da anlise estrutural ou de variaes dos processos de construo.

Alm disso deve-se fazer uma proviso para a possibilidade de uma reduo da resistn-cia. Desvios nas dimenses dos elementos, mesmo que dentro de tolerncias aceitveis, podem resultar num elemento com uma resistncia menor do que a adotada. Os materiais (aos para as barras, parafusos e soldas) podem ter uma resistncia menor do que a usada nos clculos. Uma seo de ao pode ocasionalmente ter uma tenso de escoamento abaixo do valor mnimo especificado, mas ainda dentro dos limites estatsticos aceitveis.

Para uma segurana estrutural adequada, devem ser feitas provises para ambos os efei-tos: um excesso de carga e uma menor resistncia. Estudos para constituir uma formulao apropriada de segurana estrutural tm sido feitos durante os ltimos anos. O principal es-foro tem sido para examinar as chances da "runa" ocorrer num elemento, ligao ou sis-tema estrutural por vrios mtodos probabilsticos.

Prefere-se o termo "estado limite" cm vez do termo "runa", que significa as condies que uma estrutura deixa de cumprir a sua funo determinada. Os estados limites so ge-ralmente divididos dentro de duas categorias: resistncia e utilizao.

Estados Limites de ltimos (ELU) so fenmenos comportamentais como resistncia dctil, mxima flambagem, fadiga, fratura, toro e deslizamento.

Estados Limites de Servio (ELS) so aqueles ligados com a ocupao de um edifcio, tais como deformaes, vibraes c trincas.

A aproximao atual para um mtodo simplificado para obter a base probabilstica da se-gurana estrutural assume que a solicitao S e a resistncia R so variveis aleatrias. A distribuio dc freqncia tpica para essas variveis aleatrias mostrada na Figura 1.5. Quando a resistncia R cxccdc a solicitao S haver uma margem dc segurana.

A menos que RcxccdaS por uma grande margem, existir alguma probabilidade deque R seja menor que S, e em geral uma anlise que leva em conta todas as incertezas que podem influenciar um "estado limite" no prtica ou talvez at mesmo impossvel. A "runa" es-trutural pode ento ser examinada comparando R com S, como na Figura 1.5.

Freqncia

\ R

s

/ \ Runa /

Sm Rm Resistncia R Solicitao S

Figura 1.5 - Distribuio de freqncia da Solicitao S e da Resistncia R.

Em geral a expresso para a condio da segurana estrutural em relao a cada uma das solicitaes pode ser escrita como:

R > S

onde o lado esquerdo da equao representa a resistncia de clculo do elemento estrutural e o lado direito representa a solicitao de clculo que deve atuar.

- FILOSOFIAS DE PROJETO

Existem duas filosofias de projeto correntemente em uso:

- Projeto pelos estados limites

(referenciado pelo AISC como projeto pelos fatores de carga e de resistncia ou

LRFD "Load & Resistance Factor Design")

- Projeto pelas resistncias admissveis

(referenciado pelo AISC como projeto pelas resistncias admissveis ou

ASD "Alowable Strength Design")

1.7.1.1 - PROJETO PELOS ESTADOS LIMITES - LRFD (ADOTADO PELA ABNT NBR 8800)

Durante os ltimos anos, tem se estudado processos de projeto que utilize a expresso geral da segurana estrutural, e o Al S C lanou em 1986 a sua primeira especificao para o projeto de estruturas metlicas, com base no critrio dos fatores de carga e de resistncia - LRFD, baseada em adaptaes de mtodos probabilsticos. Desde ento cada vez maior o nmero de normas que adotam o novo cdigo, sendo o mtodo de clculo adotado tambm pela NBR 8800 desde a sua primeira edio em 1986.

A edio de 2008 da NBR 8800 passou a adotar tambm os critrios de verificao da segurana estrutural da ABNT NBR 8681, que so aplicveis s estruturas e s peas estru-turais construdas com quaisquer dos materiais usualmente empregados na construo civil c utiliza a seguinte expresso para a verificao da segurana estrutural:

K > Sd

onde:

^d - > representa os valores de clculo dos esforos resistentes, conforme o tipo de f m

situao, obtidos dividindo-se as resistncias ltimas pelo respectivo coeficiente de ponde-rao ym que leva em conta as incertezas das resistncias (fator de resistncia).

Sd = yf.S > representa os valores de clculo dos esforos atuantes, com base nas combi-naes ltimas das aes, obtidos multiplicando-se cada tipo dc esforo que compe a com-binao pelos respectivos coeficientes de ponderao y f que levam em conta as incertezas das solicitaes (fatores de carga).

A e x p r e s s o gera l da s egu rana es t ru tura l pa ra u m a so l ic i tao i so lada pode ser es-cr i ta , c o m o :

ym

Como as aes podem atuar juntas, estas devem ser combinadas de acordo com a proba-bilidade dc atuarem simultaneamente sobre a estrutura, durante um perodo estabelecido e a expresso geral da segurana estrutural para uma combinao de aes ser:

D m

I m =1

O ndice no coeficiente dc ponderao das aes indica que para cada tipo dc solicitao Sj (carga permanente - CP, carga acidental - CA ou carga devida aos ventos -CV), tem o seu nvel de incerteza e estar associada a um correspondente Yy?.

1 . 7 . 1 . 1 . 1 - COMBINAES DE AES

As combinaes ltimas de aes devem determinar os efeitos mais desfavorveis para a estrutura e so classificadas em:

- Combinaes ltimas normais - decorrem do uso previsto para a edificao;

M jm2

- Combinaes ltimas especiais - decorrem da atuao de aes variveis de natureza ou intensidade especial;

m n Sd =Z(V j F G/) + + y Z ( y < U - V o j t e f F Q j )

=1 j=2

- Combinaes ltimas de construo - decorrem de estados limites ltimos j na fase da construo;

m n s d = Z t v ^ / H r ^ i M - F Q )

i=1 j=2

- Combinaes ltimas excepcionais - decorrem da atuao de aes excepcionais que podem provocar efeitos catastrficos.

m ii Sd = Z (y8< FCi ) + FQexc + Z (y

m n

/=1 j=2

- Combinaes raras - so aquelas que podem atuar no mximo em algumas horas du-rante a vida da estrutura e so utilizadas para os estados limites irreversveis ou que causam danos permanentes estrutura ou outros componentes da construo, como o funcionamen-to adequado da estrutura, formao de fissuras e danos aos fechamentos.

m n S s e r ^ G i ^ Q l ^ M

i=l j=2

As aes permanentes diretas so constitudas pelo peso prprio da estrutura e pesos prprios dos elementos construtivos fixos c das instalaes permanentes. Para os pesos especficos dos materiais podem ser usados os valores indicados na ABNT, NBR 6120. Para componentes industrializados, usualmente so considerados os valores indicados pelos fornecedores.

As aes variveis so as que ocorrem com valores que apresentam variaes significa-tivas durante a vida til da construo c as mais comuns so as aes decorrentes do uso da edificao, como cargas acidentais (sobrecargas nos pisos c nas coberturas). Para as cargas acidentais-CA, usar os valores da ABNT, NBR 6120, os valores do anexo B da ABNT, NBR 8800 e para o caso de passarelas de pedestres a AB NT, N B R 7188. Os esforos causados pela ao do vento - C V, devem ser determinados de acordo com a ABNT, NBR 6123.

Os valores dos coeficientes de ponderao das aes no estado limite ltimo (ELU) para as combinaes normais, que levam em considerao as incertezas das solicitaes (a variabilidade das aes e os possveis erros de avaliao dos efeitos das aes), so dados na Tabela 1.1.

Os valores dos coeficientes dc ponderao das resistncias no estado limite ltimo (ELU) para as combinaes normais, que levam em considerao as incertezas das resistncias, so dados na Tabela 1.2.

Quando existe a probabilidade de ocorrncia simultnea de mais de duas aes variveis de diferentes naturezas, a probabilidade de ocorrncia de todas no valor mximo muito baixa e os valores dos coeficientes de ponderao das aes no estado limite ltimo (ELU) so multiplicados pelos fatores de combinao, que levam cm considerao a simultaneida-dc de atuao das aes, dados na Tabela 1.3.

Tabela 1.1 - Coeficientes de ponderao das aes y f para combinaes normais

y s

Peso prprio de estruturas

metlicas

Peso prprio de estruturas pr-moldadas

Peso prprio de estruturas moldadas no

local e de elementos

construtivos industrializados

(ex. paredes e fachadas

pr-moldadas, gesso acartonado)

Peso prprio de elementos construtivos

industrializados com adies

in loco

Peso prprio de elementos

construtivos em geral e

equipamentos (ex. paredes de alvenaria e seus

revestimentos, contrasisos)

1,25 1,30 1,35 1,40 1,50

Aes permanentes diretas agrupadas: quando C A > 5 kN/m2 Yg = 1,35 quando CA < 5 kN/m2 = 1,40

5 kN/m2 -> y c = 1,50 quando CA < 5 kN/m2 -> y , = 1,40

Nota:

1) Para as aes permanentes favorveis segurana o coeficiente de ponderao Y g = 1,00 e as aes variveis

favorveis segurana no devem ser includos nas combinaes.

2) Para combinaes especiais, de construo e excepcionais, ver ABNT, NBR 8800.

Tabela 1.2 - Coeficientes de ponderao das resistncias ym para combinaes normais

Va

r c ys ya\

Ya2 r c ys

1,10 1,35 1,40 1,15

Nota: 1) Inclui o ao de frma incorporada, usada nas lajes mistas de ao e concreto, de pinos e parafusos. 2) Para combinaes especiais, de construo e excepcionais, ver ABNT, NBR 8800.

Tabela 1.3 - Fatores de combinao vj/0 e de reduo \j/, e vj/2 para as aes variveis

Vo V i V2

Cargas acidentais de edifcios CA

Locais em que no h predominncia de pesos e de equipamentos que permanecem fixos por longos perodos de tempo, nem de elevadas concentraes de pessoas 0

0,5 0,4 0,3

Locais em que h predominncia de pesos e de equipamentos que permanecem fixos por longos perodos de tempo, ou elevadas concentraes de pessoas 2)

0,7 0,6 0,4

Bibliotecas, arquivos, depsitos, oficinas e garagens e sobrecargas em coberturas (ver NBR 8800 B.5.1)

0,8 0,7 0,6

Vento - CV Presso dinmica do vento nas estruturas em geral

0,6 0,3 0

Temperatura Variaes uniformes de temperatura em relao mdia anual local

0,6 0,5 0,3

Cargas mveis Passarelas de pedestres 0,6 0,4 0,3

e seus efeitos Vigas de rolamento de pontes rolantes 1,0 0,8 0,5

dinmicos Pilares e outros elementos ou subestruturas que suportam vigas de rolamento de pontes rolantes

0,7 0,6 0,4

Notas: 1) Edificaes residenciais de acesso restrito. 2) Edificaes comerciais, de escritrios e de acesso pblico.

O mtodo tradicional das especificaes da AISC tem sido o ASD, "Allowable Stress Design" ou projeto pelas tenses de trabalho, onde a base para a verificao de tenses para as cargas de servio, limitadas a uma tenso admissvel que atende a segurana necessria para a resistncia da estrutura.

A ltima edio do AISC (13a edio de 2005), substituiu as tenses pela resistncia para uma comparao mais fcil com o LRFD c o ASD passou a ser "Allowable Strength Design

Para o ASD a equao geral da segurana estrutural do LRFD simplificada pela consi-derao de um nico coeficiente de ponderao das aes y f que multiplica a soma das cargas dc servio Z.S que pode ser (CP + CA + CV +....).

R m Expresso geral da segurana estrutural do LRFD ~~ - X j fi-^i

i m =1

Expresso geral da segurana estrutural do ASD > ^Y / - X St ou - X ^ Y m /=1 im'if i=l

Fazendo ym.y f = FS (fator de segurana), c considerando os coeficientes da NBR 8800:

y^ =1,10 > coeficiente de ponderao das resistncias (escoamento, flambagem ou instabilidade);

Yy = 1,40 coeficiente de ponderao das aes (para todas as aes permanentes c variveis agrupadas e CA < 5 kN/nr) .

Teremos: FS= 1,10 x 1,40=1,54 (o AISC adota 1,50)

Portanto, a equao dc estabilidade do ASD para o elemento dc ao ser: -

1.54 U

Nota y Esta equao do ASD, considerando as restries acima, atende aos requisitos da ABNT, NBR 8800 e poder ser empregada para um pr-dimensionamento rpido ou ainda quando s temos a carga total e no se conhece todas as suas parcelas e ser muito mais adequada do que tentar estimar uma mistura de cargas para aplicar o LRFD.

1.8 - ELEMENTOS ESTRUTURAIS Consideraremos para o dimensionamento dos elementos estruturais de ao a norma bra-

sileira ABNT NBR 8800 na edio de 2008, cujo resumo dos principais tpicos esto mos-trados no Apndice A.

Para facilitar o entendimento do comportamento estrutural do elemento na determinao das condies estados limites ltimos, separa-se os elementos de ao que compem uma estrutura em funo do tipo dc carga que atua sobre eles. Os elementos estruturais ento so divididos em:

ELEMENTOS TR ACIONADOS ou TIRANTES -Tem como solicitao a traoaxial

' T \ e comportamento similar ao do corpo de prova de um ensaio de trao. Ocorrem

normalmente nas cordas e diagonais de trelias, nos contraventamentos, nos suportes de

pisos suspensos, nos cabos de sistemas de coberturas, etc. A expresso da segurana R '"

estrutural para os elementos tracionados ser: ~~ - X TV7/ Ta f=l

ELEMENTOS COMPRIMIDOS ou PILARES - Tem como solicitao a compresso

axial " C \ e ocorrem nas cordas e diagonais de trelias, e nos pilares dos edifcios.

A expresso da segurana estrutural para os elementos comprimidos ser: ~~ -/

O seu emprego garante ao projetista um projeto seguro e econmico. Podemos empregar normas nacionais e estrangeiras, devendo-se entretanto tomar muito cuidado ao se misturar recomendaes de diferentes normas.

As principais normas ABNT aplicveis para a construo com estruturas metlicas so:

NBR 5884 - Perfil estrutural soldado por arco eltrico;

NBR 6120 - Cargas para o clculo de estruturas dc edifcios;

NBR 6123 - Foras devidas aos ventos em edificaes;

NBR 6648 - Chapas grossas de ao carbono para uso estrutural;

NBR 6650 - Chapas finas quente de ao carbono para uso estrutural;

NBR 7007 - Aos-carbono e microligados para uso estrutural geral;

NBR 8800 - Projeto dc estruturas dc ao e dc estruturas mistas dc ao e concreto de edifcios;

NBR 14323 - Dimensionamento de estruturas de ao de edifcios em situao ce incndio;

NBR 14432 - Exigncias de resistncia ao fogo de elementos construtivos de edificaes;

NBR 15279 - Perfil estrutural dc ao soldado por eletrofuso.

Captulo 2

Materiais

2.1 - INTRODUO O ao um dos mais importantes materiais para uso em estruturas, seja isolado ou tra-

balhando em conjunto com outros materiais, como o concreto e a madeira.

As propriedades mais importantes so a sua alta resistncia, quando comparada com outros materiais e a ductilidade, que a capacidade de se deformar substancialmente antes da ruptura.

Produo

O ao o produto do refinamento do minrio de ferro e da sucata, que junto com outros agentes como o coque e o oxignio em altos fornos produzem grande massa de ferro cha-mado "ferro-gusa".

O ferro-gusa c posteriormente refinado para a remoo dc excessos dc carbono c outras impurezas (fsforo e enxofre) e o adicionamento de outros elementos, tais como: cobre, nquel, mangans, molibdnio, silcio, titnio, vandio, nibio etc., para desenvolver uma resistncia desejada, a ductilidade, a soldabilidade c/ou outras caractersticas como a resis-tncia corroso.

2.2 - AOS ESTRUTURAIS Os aos estruturais aprovados para uso nas Estruturas Metlicas so listados a seguir. Na

Tabela 2.1 so apresentadas as propriedades mecnicas utilizadas nos clculos, algumas infor-maes complementares, bem como uma lista de outros aos cujo uso tambm permitido.

No item 2.3 so apresentados os materiais usados em parafusos e pinos. NBR 7007 - Aos-carbono e microligados para uso estrutural e geral; NBR 6648 - Chapas grossas dc ao-carbono para uso estrutural; NBR 6649 - Chapas finas a frio de ao-carbono para uso estrutural; NBR 6650/ASTM A36 - Chapas finas a quente de ao-carbono para uso estrutural; NBR 50(X)/ASTM A572 - Chapas grossas de ao de baixa liga e alta resistncia mecnica; NBR 5004/ASTM A572 - Chapas finas dc ao dc baixa liga c alta resistncia mecnica; NBR 5008/ASTM A709 - Chapas grossas dc ao de baixa liga c alta resistncia mecnica,

resistentes corroso atmosfrica, para uso estrutural - Requisitos; NBR 5920/ASTM A588 - Chapas finas a fr ioe bobinas finas a frio, de ao de baixa liga,

resistentes corroso atmosfrica, para uso estrutural - Requisitos; NBR 592 l/ASTM A588 - Chapas finas a quente e bobinas finas a quente, de ao de baixa

liga, resistentes corroso atmosfrica, para uso estrutural - Requisitos; NBR 8261 - Perfil tubular, de ao-carbono, formado a frio, com e sem costura, de seo

circular, quadrada ou retangular para uso estrutural.

2.3 - PARAFUSOS, PINOS E BARRAS ROSQUEADAS

- O S PARAFUSOS DEVEM SATISFAZER A UMA DAS SEGUINTES ESPECIFICAES

a) ASTM A307 - Conectores dc ao dc baixo teor dc carbono rosqueados externa c internamente;

b) ASTM A325 - Parafusos de alta resistncia para ligaes em estruturas de ao, incluindo porcas adequadas c arruelas planas endurecidas;

c) ASTM A490 - Parafusos dc alta resistncia dc ao-liga temperado c revenido, para liga-es em estruturas de ao.

- Os PINOS SO NORMALMENTE ENCONTRADOS NAS ESPECIFICAES ASTM A35 OU SAE-1020 (fu = 38,7 kN/cm2)

- BARRAS REDONDAS ROSUEADAS

As propriedades mecnicas e a composio qumica dos aos usados em barras redon-das rosqueadas devem estar de acordo com as normas correspondentes listadas para os aos estruturais e parafusos. As roscas devem obedecer s normas aplicveis a parafusos. As porcas devem ter resistncia adequada ao tipo dc ao que for usado nas barras.

2.4 - METAL DE SOLDA E FLUXO PARA SOLDAGEM Os eletrodos e fluxos devem obedecer a uma das seguintes especificaes onde aplicvel:

a) AWS A5.1 - Especificao para eletrodos de ao doce, revestidos, para soldagem por arco eltrico;

b) AWS A5.5 - Especificao para eletrodos de ao de baixa liga, revestidos, para soldagem por arco eltrico;

c) AWS A5.17 - Especificao para eletrodos nus de ao doce e fluxo, para soldagem por arco submerso;

d) AWS A5.18 - Especificao para eletrodos dc ao doce, para soldagem por arco eltrico com proteo gasosa;

e) AWS A5.20 - Especificao para eletrodos de ao doce, para soldagem por arco com fluxo no ncleo;

f) AWS A5.23 - Especificao para eletrodos nus de ao de baixa liga e fluxo, para soldagem por arco submerso;

g) AWS A5.28 - Especificao para eletrodos de baixa liga, para soldagem por arco eltrico com proteo gasosa;

h) AWS A5.29 - Especificao para eletrodos de baixa liga, para soldagem por arco com fluxo no ncleo.

Conectores de cisalhaniento tipo pino com cabea (STUDS)

Os conectores de ao, tipo pino com cabea, devem atender aos requisitos do captulo 7 da Norma AWS D 1.1.

2.5 - PROPRIEDADES MECNICAS

Para efeito de clculo devem ser adotados, para os aos aqui relacionados, os seguintes valores, na faixa normal de temperaturas atmosfricas: a) E = 200.000 MPa, mdulo dc elasticidade do ao (todos os aos); (20.000 kN/cm2) b) G = 77.200 MPa, mdulo de elasticidade transversal do ao (todos os aos); (7.720

kN/cm2) c) v a = 0,3, coeficiente de Poisson; d) pa = 12 x IO'6 por C*!, coeficiente dc dilatao trmica; e) ya = 77 kN/m3, massa especfica (0,000077 kN/cm3) = 7850 kg/m3

Nota: para propriedades do concreto, ver NBR 6118.

2.6 - RESISTNCIA DOS AOS ESTRUTURAIS Todo projeto de estruturas de ao parte de algumas caractersticas mecnica* importan-

tes do ao que so o Limite de Escoamento e o Limite de Ruptura.

O teste usado para a determinao das propriedades mecnicas do ao o Ensaio dc Trao com corpo-de-prova padronizado. A Figura 2.1 mostra o resultado tpico de um ensaio de trao para o ao ASTM A36 e A588.

Os Limites de Escoamento e Ruptura so os valores mnimos garantidos pelos fabricantes do ao, baseados na mdia estatstica de valores obtidos em um grande nmero de testes.

TIPOS DE AOS ESTRUTURAIS

A Tabela 2.1 fornece os Limites de Escoamento e Ruptura dos aos estruturais mais usados.

- Diagrama tenso x deformao.

TensoA 56

kN/cm* 49

42

35

28

21

14

7

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24%

Deformao

Figura 2.1 - Diagrama tenso x deformao.

- Propriedades mecnicas mnimas.

Propriedades mecnicas mnimas

Denominao Caractersticas Limite de escoamento fy Limite de ruptura fu tf/cm1 kN/cm1 tf/cm1 kN/cm1

ASTM A36/MR 250 Ao-carbono estrutural comum 2,5 25 4,0 40

ASTM A36/MDC0S CIVIL Ao-carbono mdia resistncia 3,0 30 4.0 40

ASTM A570 G33 Ao-carbono laminado a quente para perfis dobrados a frio 2,3 23 3,6 35

ASTM A572 G50-1/G35 Ao de baixa liga e alta resistnda mecnica 3,5 34,5 4,5 45

ASTM A709 G36 Ao de baixa liga e alta resistncia corroso atmosfrica 2,5 25 4,0 40

ASTM A709 G50, USISAC-300, C0SARC0R 300 e CSN COR-420

Ao de baixa liga e alta resistncia corroso atmosfrica

3,0 3,0

30 30

4,0 4,2

40 42

ASTM A588, USI SAC-350, COSARCOR 350 Ao de baixa liga, alta resistnda mecnica e corroso atmosfrica 3,5 34,5 4,9 49

ASTM A709G70, USI SAC-490 Ao de baixa liga, alta resistnda mecnica e corroso atmosfrica 4,9 49 5,8 58

f kN/

fym ).=3 4.5 k J/cml "s RR " ' " " "

**

= 40 kN/c n* 1 1

A 36.

U -fym n.=; 5kN /cm2

\

BITOLAS DAS CHAPAS ENCONTRADAS NO MERCADO.

Bitolas padro Bitolas padro Massa

mm Polegadas kg/m1

3,175 1/8" 24,92

4,75 3/16" 37,38

6,3 1/4" 49,46

8.0 5/16" 62,80

9,5 3/8" 74,59

12,5 1/2" 98,13

16 5/8" 125,60

19 3/4" 149,15

22,4 7/8" 175,84

25 r 196,25

31,5 246,96

37,5 294,38

45 13/4" 353,25

50 2" 392,50

57 m" 447,44 63 m" 494,55 76 3" 596,60

89 3 to" 698,65

102 4" 800,70

Captulo 3

Cargas nos Edifcios

3.1 - INTRODUO A anlise e o projeto de qualquer estrutura geralmente se iniciam com a determinao das

cargas e aes atuantes na estrutura e seus elementos. A estrutura deve ter resistncia para suportar as cargas e suas combinaes, manter as deformaes elsticas verticais e horizontais correspondentes dentro dos limites especficos e ainda manter as vibraes nos pisos dentro de nveis de conforto compatveis.

Entende-se por cargas todas as aes impostas pela gravidade (peso prprio), meio am-biente (vento etc.) e as devidas ao uso da estrutura (sobrecargas ou acidentais). Essas cargas so denominadas aes externas e consistem em:

1. Cargas permanentes - CP Peso dos elementos da estrutura; Pesos de todos os elementos da construo permanentemente suportados pela estrutura,

tais como: pisos, paredes fixas, coberturas, forros, escadas, revestimentos e acabamentos; Pesos dc instalaes, acessrios c equipamentos permanentes, tais como tubulaes de

gua, esgoto, guas pluviais, gs, dutos c cabos eltricos; Quaisquer outras aes de carter permanente ao longo da vida da estrutura.

2. Cargas acidentais - CA Sobrecargas distribudas em pisos devidas ao peso de pessoas; Objetos e materiais estocados; Cargas de equipamentos: elevadores, centrais de ar-condicionado; Peso de paredes removveis; Sobrecargas cm coberturas; Empuxos de terra e presses hidrostticas.

3. Cargas devidas ao vento - C V Presso ou suco dc rajadas devidas ao vento.

4. Outras cargas Variaes de temperatura (diferena entre a temperatura mn ima e mx ima da estrutura);

Cargas ssmicas (efeitos dc terremotos); Cargas de neve; Recalques de fundaes; Deformaes impostas.

A fim de resguardar a segurana do pblico, as autoridades estabelecem cdigos de cons-truo mediante os quais so controladas as construes. Esses cdigos prescrevem as car-

gas mnimas, a resistnciac a qualidade dos materiais, procedimentos de fabricao e muitos outros fatores importantes.

Os Cdigos de Construo ou normas so desenvolvidos com o auxlio de tcnicos ex-perientes e resultados de ensaios. O projetista deve habituar-se idia de que as normas no foram feitas para tolher seus movimentos e solues, mas sim como uma valiosa ajuda e guia de seu trabalho.

No presente trabalho sero seguidas as ltimas edies das normas brasileiras da ABNT -Associao Brasileira de Normas Tcnicas, relacionadas a seguir. Quando as normas brasilei-ras so omissas, inexistentes ou em reviso, citaremos normas estrangeiras reconhecidas.

Normas nacionais da ABNT NBR 6120/80 - Cargas para o clculo de estruturas de edificaes. NBR 6123/88 - Foras devidas aos ventos em edificaes. NBR 8800/07 - Projeto de estruturas de ao e de estruturas mistas de ao e concreto de edifcios. NBR 14323/99 - Dimensionamento de estruturas de ao de edifcios em situao dc incndio. NBR 14432/00 - Exigncias de resistncia ao fogo de elementos construtivos de edificaes.

Para a determinao das cargas permanentes, devem ser tomados os pesos reais dos materiais de construo usados. Os pesos especficos aparentes dos materiais de constru-o mais utilizados nos edifcios, previstos na NBR 6120, so indicados na Tabela 3.1.

- Pesos especficos da NBR 6120.

Material Peso Especifico (t/m5) Peso Especfico (kN/nf)

Concreto simples 2,40 24,0

Concreto armado 2,50 25,0

Argamassa de cimento e areia 2,10 21,0

Argamassa de gesso 125 12,5

Tijolos furados uo 13,0 Tijolos macios 1.80 18.0

Rocha granito 2,80 28,0

Mrmore 2,80 28,0

Madeira (peroba) 0,80 8,0

Madeira (pinho, cedro) 0,50 5,0

Ao 7,85 78,5

Vidro 2,60 26,0

Asfalto uo 13,0 Alumnio e ligas 2,80 28,0

Para outros materiais consultar a NBR 6120 ou determinar experimentalmente.

Os pesos de elementos pr-fabricados, como: telhas, lajes, forros e painis podem ser encontrados nos catlogos dos fabricantes, conforme os exemplos abaixo: Forro fixo de gesso 0,3 kN/m2

Paredes de diviso interna de gesso 0,3 kN/m2

Telhas trapezoidais de ao (altura 40 x 0,65 mm) 0,07 kN/m2

Steel Dcck (altura 75 x 0,8 mm) 0,1 kN/m2

Blocos leves de alvenaria para vedao 5,0 kN/m3

As cargas acidentais ou sobrecargas so cargas dc ocupao, definidas em funo de anlises estatsticas, cujos valores mnimos, cm termos dc cargas uniformemente distribudas, so es-tabelecidos pela NBR 6120. ATabela 3.2 mostra alguns valores das cargas verticais mais co-muns em edifcios.

- Cargas acidentais da NBR 6120.

Tipo Local Valores mnimos kgf/n Valores mnimos kN/nf Edifcios residenciais Dormitrios, sala, copa, cozinha, banheiro 150 1,5

Despensa, rea de servio, lavanderia 200 2,0 Escadas Com acesso ao pblico

Sem acesso ao pblico 300 250

3,0 2,5

Escritrios Salas de uso geral e banheiros 200 2,0

Lojas Galeria de lojas Valor mnimo

Com mezaninos 300 500

3,0 5,0

Restaurantes Valor mnimo 300 3,0

Garagens e estacionamentos Veculos de passageiros 300 3,0

Escolas Salas de aula, corredor Outras salas 300 200

3,0 2,0

Bibliotecas Salas de leitura Depsito de livros 250 400

2,5 4,0

Terraos Sem acesso ao pbico Com acesso ao pbico 200 300

2,0 2,0

Forros Sem acesso a pessoas 50 0,5

Para outros materiais consultar a NBR 6120 ou determinar experimentalmente.

Critrio para reduo das cargas acidentais:

Nmero de pisos suportados pelo elemento estrutural

% de reduo da carga acidental nos pisos acima do elemento (proposto)

A ao dos ventos nas estruturas uma das mais importantes e no pode ser negligenciada, sob o risco de colocar a estrutura em colapso.

As consideraes do vento, bem como sua forma de aplicao, so constantes da NBR 6123 - Foras devidas ao vento em edificaes, que uma norma bastante completa, de-rivada da norma inglesa e baseada no clculo das probabilidades.

Para a anlise das foras devidas ao vento necessrio conhecer trs parmetros, que so:

1. Presso dinmica - A presso dinmica depende da velocidade do vento e de fatores que a influenciam, conforme mostrado abaixo:

q = 63 ' sendo: Vk = V0 .S rS2 .S3

q = Presso dinmica do vento (N/m2)

V ( )- Velocidade bsica do vento medida sobre 3 segundos, que pode ser excedida em mdia uma vez em 50 anos, a 10 m sobre o nvel do terreno cm lugar aberto c plano, (m/s) (ver Figura 3.1).

Figura 3.1 - Isopletas da velocidade bsica Vo em m/s.

S, - Fator topogrfico - leva em considerao as variaes do relevo do terreno e deter-minado do seguinte modo:

a) terreno plano ou fracamente acidentado: S, = 1; h) taludes e morros: S, > 1 (ver NBR 6123); c) vales profundos, protegidos dc ventos de qualquer direo: S, = 0,9.

S., - Fator de rugosidade - considera o efeito combinado da rugosidade do terreno, da vari-aoda velocidade do vento com a altura acima do terreno e das dimenses daedificao.

A rugosidade do terreno classificada em: Categoria I - Superfcies lisas de grandes dimenses, com mais de 5 km de extenso, medida

na direo do vento incidente. Exemplo: mar calmo, lagos e rios, pntanos sem vegetao. Categoria II - Terrenos abertos em nvel ou aproximadamente em nvel, com poucos

obstculos isolados, tais como rvores e edificaes baixas. Exemplo: zonas costeiras planas, pntanos com vegetao rala, campos dc aviao, pradarias, fazendas sem muros. A cota mdia do topo dos obstculos inferior ou igual a 1 m.

Categoria III -Terrenos planos ou ondulados com obstculos, tais como muros, poucos quebra-ventos de rvores, edificaes baixas e esparsas. Exemplo: granjas, casas dc cam-po, fazendas com muros, subrbios a considervel distncia do centro, com casas baixas e esparsas. A cota mdia do topo dos obstculos igual a 3 m.

Categoria IV - Terrenos cobertos por obstculos numerosos c pouco espaados, em zona florestal, industrial ou urbanizada. Exemplo: zonas de parques e bosques com muitas rvores, cidades pequenas e seus arredores, subrbios densamente construdos de gran-des cidades, reas industriais plenas ou parcialmente desenvolvidas. A cota mdia do topo dos obstculos igual a 10 m. Esta categoria inclui zonas com obstculos maiores que no possam ser consideradas na categoria V.

Categoria V - Terrenos cobertos por obstculos numerosos, grandes, altos e pouco es-paados. Exemplo: florestas com rvores altas de copas isoladas, centros de grandes cidades, complexos industriais bem desenvolvidos. A cota mdia do topo dos obstcu-los c igual ou superior a 25 m.

Foram escolhidas as seguintes classes de edificaes, partes de edificaes e seus ele-mentos, com intervalos dc tempo para clculo da velocidade mdia dc, respectivamente, 3, 5 e 10 segundos: Classe A - Todas as unidades de vedao, seus elementos de fixao e peas individuais de

estruturas sem vedao. Toda edificao na qual a maior dimenso horizontal ou vertical no exceda 20 m.

Classe B -Toda edificao ou parte de edificao para a qual a maior dimenso horizontal ou vertical da superfcie frontal esteja entre 20 e 50 m.

Classe C-Toda edificao ou parte de edificao para a qual a maior dimenso horizontal ou vertical da superfcie frontal exceda 50 m.

Os valores de S2 para as diversas categorias de rugosidade do terreno e classes, em funo da altura z sobre o terreno so apresentados na Tabela 3.3.

- Fator de rugosidade - S2.

Categoria

z 1 II III IV V (m) Classe Classe Classe Classe Classe

A B C A B C A B C A B C A B C 1,06 1,04 1,01 0,94 0,92 0,89 0,88 0,86 0,82 0,79 0,76 0,73 0,74 0,72 0,67

10 HO 1,09 1,06 1,00 0,98 0,95 0,94 0,92 0,88 0,86 0,83 0,80 0,74 0,72 0,67 15 1,13 1.12 1,09 1,04 1,02 099 0,98 0,96 0,93 0,90 0,88 0,84 0,79 0,76 0,72 20 1.15 1,14 1,12 1,06 1,04 1,02 1,01 0,99 0,96 0,93 0,91 0,88 0,82 0,80 0,76 30 1.17 1.17 1,15 1,10 1,08 1,06 1,05 1,03 1,00 0,98 0,96 0,93 0,87 0,85 0,82 40 1,20 1.19 1,17 1,13 1,11 1,09 1,08 1,06 1,04 1,01 0,99 0,96 0,91 0,89 0,86 50 1,21 1.21 1,19 1,15 1.13 1,12 1,10 1,09 1,06 1,04 1,02 0,99 0,94 0,93 0,89 60 1,22 1.22 1,21 1,16 1,15 1,14 1,12 1,11 1,09 1,07 1,04 1,02 0,97 0,95 0,92 80 1.25 1,24 1,23 1,19 1,18 1,17 1,16 1,14 1,12 1,10 1,08 1,06 1,01 1,00 0,97 100 1,26 1,26 U 5 1,22 1,21 1,20 1,18 1,17 1.15 1,13 1,11 1,09 1,05 1,03 1,01 120 1,28 1,28 U 7 1,24 1,23 1,22 1,20 1,20 1,18 1,16 1,14 1.12 1,07 1,06 1,04 140 1.29 1,29 U 8 U 5 1,24 1,24 1,22 1,22 UO 1,18 1,16 1.14 1,10 1,09 1,07 160 uo 130 1,29 U 7 1,26 1,25 1,24 1,23 1,22 uo 1,18 1,16 1,12 1,11 1,10 180 U1 1,31 tfl 1,28 1.27 1,27 1,26 1,25 1,23 1,22 1,20 1,18 1,14 1,14 1,12 200 132 U 2 1,32 1,29 1,28 1,28 1,27 1,26 1,25 1,23 U1 1,20 1,16 1,16 1,14 250 1,34 1,34 U 3 131 ui 131 uo 1,29 1,28 1,27 1,25 1,23 1,20 1,20 1,18 300 - - 1.34 U 3 1,33 V U 2 U1 1,29 1,27 1,26 1,23 1,23 1.22 350 - - - - - 1,34 1,34 U 3 U 2 1,30 1,29 1,26 1,26 1,26 400 - - - - - - - 1,34 1,32 1,32 1,29 1,29 1,29 420 - - - - - - U 5 135 U 3 1,30 uo uo 450 - - - - - - U 2 U 2 U 2 500 - - - - - - - - - - - 1,34 1,34 134

S 3 - Fator Estatstico - O fator estatstico baseado em conceitos estatsticos e considera o grau de segurana requerido e a vida til da edificao. Os valores mnimos do fator S3 so os indicados na Tabela 3.4.

- Fator estatstico S}.

Grupo Descrio S3 1 Edificaes cuja runa total ou parcial pode afetar a segurana ou possibilidade de socorro a pessoas aps uma tempestade destrutiva

(hospitais, quartis de bombeiros e de foras de segurana, centrais de comunicao etc) 2 Edificaes para hotis e residncias. Edificaes para comrcio e indstria com alto fator de ocupao.

1,10

1,00 3 Edificaes e instalaes industriais com baixo fator de ocupao (depsitos, silos, construes rurais etc) 0,95 4 Vedaes (telhas, vidros, painis de vedao etc) 0,88 5 Edificaes temporrias. Estruturas dos grupos 1 a 3 durante a construo. 0,83

2. Coeficiente de Presso C e de Forma C externos pe c Os valores dos coeficientes de presso e de forma externos para edificaes de planta

retangular e para as direes crticas do vento so dados na Tabela 3.5. Superfcies em que ocorram variaes considerveis de presso foram subdivididas e os coeficientes so da-dos para cada uma das partes.

- Coeficientes de Presso (CjJ e de Forma ( Q externos, para paredes de edificaes de planta retangular

os dois b 2

2 < ^ < 4

Valores de C para C Mdio P* a =90

-0,9

-0,9

-0,5

-0,4

+0,7

+0,7

-0,5

-0,3

+0,7

+0,7

-0,5

-0,6

-0,9

-0,9

-0,5

-0,5

-1,1

-1,1

-1,0 -0,6 +0,8 -0,6 +0,8 -0,6 -1.0 -0,6

-1,0 -0,5 +0,8 -0,3 +0,8 -0,6 -1,0 -0,6

-1,2

-1,2

05

b/3 ou a/4 (o maior dos dois, porm < 2h)

3. Coeficiente de Presso Interna C pi

A, C B,

A> B2

A. B, .

D t

90'.

2 h ou b/2 (o menor dos dois)

,

D, I D?

Se a edificao for totalmente impermevel ao ar, a presso no interior da mesma ser invarivel no tempo e independente da corrente dc ar externa.

Para edificaes com as quatro faces igualmente permeveis, considerar o mais noci vodos valores:

Cpi = -0,3 ou 0

Para outros tipos ver NBR 6123.

Segundo a ABNT, NBR 8800 que adota o critrio dos estados limites (LRFD), cm um edifcio dc mltiplos andares comercial de escritrios, no mnimo as seguintes combina-es ltimas normais de aes ^ y ^ . S , so apropriadas e devem ser investigadas na deter-minao da combinao crtica:

Combinao 1 1,25.CP,+ l,35.CP2+ 1,50.CP3 + 1,50.CA

Combinao 2 1,25.CP, + 1,35.CP2 + 1,50.CP3 + 1,50.CA + 1,40 x 0,6.CV

Combinao 3 1,25.CP, + 1,35.CP2 + 1,50.CP3 + 1,50 x 0,7.CA + 1,40.CV

Quando consideramos as aes permanentes todas agrupadas e CA < 5 kN/m2, as mesmas combinaes passam a ser:

Combinao 1 1,40.CP+ 1.40.CA

Combinao 2 -> 1,40.CP + 1,40.CA + 1,40 x 0,6.CV

Combinao 3 - 1,40.CP + 1,40 x 0,7.CA + 1,40.CV

Onde:

CP, > representa as aes permanentes do peso prprio das estruturas metlicas;

CP2 > representa as aes permanentes das lajes moldadas no local;

CP3 > representa as aes permanentes das paredes dc alvenaria, revestimentos e contrapisos;

CP > representa as aes permanentes agrupadas (estrutura+laje+revestimento+parede)

CA > representa as aes variveis devidas s cargas acidentais;

C V > representa as aes variveis devidas aos ventos.

As aes podem ser: foras axiais dc trao e compresso, momentos fletorcs, foras cortantes, etc.

Nota > Em um edifcio de mltiplos andares comercial de escritrios, para um pr-dimensionamento rpido ou quando s temos a carga total e no se conhece as suas par-celas, pode-se empregar o mtodo das resistncias admissveis (ASD), que ser muito mais adequado do que tentar estimar uma mistura de cargas para aplicar o LRFD, e neste caso no mnimo as seguintes combinaes normais de aes V Si so apropriadas c devem ser investigadas na determinao da combinao crtica, quando consideramos as aes permanentes todas agrupadas e CA < 5 kN/nr:

Combinao > CP + CA

Combinao 2-> CP + CA + 0,6. CV

Combinao 3 > CP + 0,7.CA + CV

Onde:

CP representa as aes permanentes agrupadas (estruturas + revestimentos + paredes)

CA > representa as aes variveis devidas s cargas acidentais

CV > representa as aes variveis devidas aos ventos

As aes podem ser: foras axiais de trao e compresso, momentos fletores, esforos cortantes, etc.

3.6 - DESLOCAMENTOS MXIMOS Os valores mximos requeridos para os deslocamentos verticais c horizontais dados na

Tabela 3.6, so os limites para os casos mais comuns nas construes de edifcios, e so valores prticos utilizados para verificao do Estado Limite de Servio (ELS) de deslocamentos excessivos da estrutura, devendo ser entendidos como valores prticos recomendados.

Em alguns casos, limites mais rigorosos podem ter que ser adotados, considerando, por exemplo, o uso da edificao, as caractersticas dos materiais de acabamento, o funcionamento adequado de equipamentos, questes de ordem econmica e a percepo de desconforto.

O responsvel tcnico pelo projeto deve decidir quais combinaes de servio devem ser usadas, conforme o elemento estrutural considerado, as funes previstas para a estrutura, as caractersticas dos materiais de acabamento vinculados e a seqncia de construo.

Os valores mximos para os deslocamentos verticais (flechas) c horizontais so dados na Tabela 3.6. No caso dos deslocamentos verticais, os valores tm como referncia uma viga simplesmente apoiada, mostrada na Figura 3.2, na qual:

80 a contraflecha da viga;

, o deslocamento devido s aes permanentes, sem efeitos de longa durao;

2 o deslocamento devido aos efeitos de longa durao das cargas permanentes (se houver);

63 o deslocamento devido s aes variveis;

5max o deslocamento mximo da viga no estgio final de carregamento;

=S,+ 2 + 3 .

L

Figura 3.2 - Deslocamentos verticais a serem considerados.

No clculo dos deslocamentos verticais a serem comparados com os valores mximos dados na Tabela 3.6, pode-se deduzir o valor da contraflecha da viga at o limite do valor da flecha proveniente das aes permanentes (5, da Figura 3.2).

Atender aos valores de deformaes limites apresentados na Tabela 3.6 no exclui a necessidade de verificar possveis estados limites referentes a vibraes excessivas (ver item 3.7).

Captulo 3 - Cargas nos Edifcios

- Deslocamentos mximos para edifcios

Descrio Travessas de fechamento: - entre linhas de tirantes e paralelo ao plano fechamento - apenas o vento nominal perpendicular ao plano de fechamento

t/180 1/120

Teras de cobertura: - combinaes raras, com aes variveis no sentido da permanente - apenas aes variveis, no sentido oposto da ao permanente

L/180 t/120

Vigas de cobertura 1/250

Vigas de piso 1/350

Vigas que suportam pilares L/500

Edifcios de um pavimento: - deslocamento horizontal do topo em relao base

H/300

Edifcios de dois ou mais pavimentos: - deslocamento horizontal do topo em relao base - deslocamento horizontal relativo entre dois pisos consecutivos

H/400 H/500

Notas: L o vo terico entre apoios (para vigas biapoiadas) ou o dobro do comprimento terico do balano; H a altura total do pilar (distncia do topo base); h a altura do andar (distncia entre centros das vigas de dois pisos consecutivos); em telhados de pequena dedividade, deve-se evitar tambm a ocorrncia de empoamento. caso haja paredes de alvenaria sobre ou sob uma \iga de piso, solidarizadas com esta viga, o deslocamento vertical tambm no deve aceder a 15 mm.

- INTRODUO

A evoluo dos mtodos de projeto e construo tem aumentado a resistncia e reduzido o peso dos materiais usados nas estruturas. Os ocupantes de alguns edifcios, principalmente em grandes arcas c sem divisrias, podem observar que atividades dc rotina como caminhar, onde h pequenos impactos causados pelo calcanhar, podem causar vibraes considerveis no piso. Isso pode ser conseqncia da alta relao resistncia/peso do material e sistema estrutural, e no necessariamente indica uma resistncia inadequada ou deformao excessiva.

Portanto, alm de garantir a resistncia e atender aos requisitos de deformao esttica, o pro-jetista deve se preocupar com as vibraes percebidas que causam desconforto aos ocupantes.

Os critrios dc percepo humana s vibraes, segundo Murray, resumidos abaixo cm qua-tro classes, sendo que apenas as Classes 1 e 2 so aceitveis para a maioria dos projetos: Classe 1 - Vibrao presente, mas no percebida pelos ocupantes (no perceptvel). Classe 2 - Vibrao percebida, mas no incomoda (levemente perceptvel).

Classe 3 - Vibrao incomoda e perturba (distintamente perceptvel). Classe 4 - Vibrao forte que deixa as pessoas enjoadas (fortemente perceptvel).

- FATORES QUE INFLUENCIAM A PERCEPO DAS VIBRAES

A resposta humana a vibraes um fenmeno muito complexo e envolve a magnitude do movimento de excitao, as caractersticas do ambiente e da sensibilidade do prprio ser humano. Vibraes contnuas podem ser mais nocivas do que vibraes causadas por impac-tos no freqentes (transientes), como o caminhar das pessoas.

Dependendo das caractersticas da fonte de excitao, como amplitude, freqncia e durao da exposio, e das caractersticas do sistema de piso como freqncia natural (ri-gidez c massa) c amortecimento, existem dois principais tipos de vibraes:

Vibraes Senoidais Contnuas (ressonncia)

Vibraes contnuas podem ser causadas por mquinas c por atividades humanas, tais como dana ou esportes. Pessoas sozinhas ou em grupo podem criar foras peridicas com freqn-cia na faixa de 1 a 4 Hz aproximadamente e, portanto, para tais atividades, freqncias naturais de pisos menores que 5 Hz devem ser evitadas. Para atividades muito repetitivas, tais como dana, possvel ter alguma ressonncia quando o impacto rtmico ocorrer a cada dois ciclos de vibrao do piso e, portanto, recomendvel que a freqncia desses pisos seja no mnimo de 10 Hz, a menos que haja bastante amortecimento (Figura 3.3).

Vibraes passageiras (transientes)

Vibraes passageiras indesejveis devidas ao impacto do caminhar de pessoas podem ocorrerem sistemas de pisos com pouco amortecimento. As vibraes transientes podem ser um problema para pisos sem divisrias c com baixo amortecimento inerente, como c o caso da construo mista (Figura 3.4).

i k Amplitude F a t o r d e amortecimento - / (1% ~ 20%)

A o

TempD

Mximo de 5 segundos

Figura 3.4 - Vibraes passageiras.

- GRFICOS DE SENSIBILIDADE HUMANA S VIBRAES

Em resumo, a percepo humana s vibraes transientes dependem de trs fatores: fre-qncia, amplitude inicial e amortecimento. Um grande nmero de grficos foram desenvol-vidos para medir a sensibilidade humana s vibraes.

Escala modificada de Reiher-Meister

A escala modificada de Reiher-Meister da Figura 3.5 relaciona os efeitos da amplitude e freqncia aos quatro nveis de percepo humana vibrao e empregada por muitos escritrios de projeto e referenciada pelo Manual do AISC. A linha A - proposta por Murray - sugere que sistemas dc pisos com 4% a 10% dc amortecimento acima da metade da rea "Distintamente Perceptvel" resultar em muitas queixas pelos ocupantes. A linha B - pro-posta por McCormick - conclui que sistemas de pisos com amortecimento maior que 3% ser aceitvel se abaixo da linha B, embora possa ser perceptvel pelos ocupantes.

Escala do CSA

A Norma Canadense-CS A utiliza o grfico baseado no trabalho de Allen e Rainer, onde os limites de projeto para vibraes contnuas e vibraes transientes causadas pelo ca-minhar de pessoas, para diferentes nveis de amortecimento, so dados pelo baco da Figura 3.6, funo da Freqncia (Hz) e da Acelerao de Pico (ao), em porcentagem da acele-rao da grav