Estruturas metalicas

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Estrutura Metálica I Prof. Kuelson Rândello E-mail: [email protected]

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Estrutura Metálica I

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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.

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Sistemas estruturais em Aço

1. Elementos estruturais

• Elementos Lineares Alongados – Hastes ou Barras

• Elementos Bidimensionais – Elementos Planos (Placas ou Chapas)

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• 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).

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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.

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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

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

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Elementos estruturais

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3. Sistemas de Elementos Bidimensionais

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

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Galpão Metálico – Esquema Tridimensional

Pórtico Transversal

Terça de Cobertura

Vigas de SuporteTapamento Lateral

Contraventamento nos planos da Cobertura

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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

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• 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

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• 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.

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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.

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

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5. Galpões industriais simples

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5. Galpões industriais simples

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

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Planta de cobertura sem e com contraventamento

5. Galpões industriais simples

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5. Galpões industriais simples

Vista longitudinal mostrando o contraventamento entre pilares.

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Caminhamento das Forças Atráves da Estrutura

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Apoios

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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.

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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.

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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.

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• 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.

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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).

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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.

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

• Deformações excessivas; • Vibrações excessivas.

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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).

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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

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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:

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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.

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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.

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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;

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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.

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• 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 .

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

**

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

Estado Limite Último (NBR 8800)

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

Estado Limite Último (NBR 8800)

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• 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).

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

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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)

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

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Exercicio1. Uma viga de edifício comercial está sujeita a

momentos fletores oriundos de diferentes cargas:

Calcular o momento Fletor solicitante de projeto Md.

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• 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)

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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

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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

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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)

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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

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• 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:

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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