UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL

PROJETO DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

CONCEPÇÃO DE PROJETOS DE EDIFÍCIOS INDUSTRIAIS EM AÇO

ORIENTANDO: MICAEL FRANCO DAMBRÓS

ORIENTADOR: PROF. JOÃO KAMINSKI JUNIOR

Santa Maria, Abril de 2012.

1. INTRODUÇÃO

Neste trabalho será abordado um tipo de construção importante no

desenvolvimento da economia e da sociedade: os edifícios industriais.

A indústria promoveu um conjunto de transformações tecnológicas, sociais e

econômicas conhecido como Revolução Industrial, iniciado na segunda metade do

século XVIII e que foi um marco para a sociedade que vivemos.

Desde então as construções industriais foram evoluindo na aplicação de

diferentes materiais e conceitos de projeto.

Na primeira parte deste trabalho será realizada uma revisão bibliográfica

sobre as construções industriais, levando em conta o histórico deste tipo de

construção, a evolução na concepção dos projetos e as diferentes especialidades

envolvidas na elaboração do layout1 de um edifício industrial.

Geralmente em uma obra industrial os prazos de execução são pequenos.

Então a construção industrializada (com estruturas de aço e/ou de concreto

pré-moldado) oferece a racionalização do processo construtivo exigida por uma obra

deste tipo.

Segundo BELLEI (1998), no Brasil, o setor industrial é o maior consumidor de

estruturas metálicas, absorvendo a maior parte da produção. Isso se deve ao fato de

o Brasil ser um país em crescimento, e edifícios residenciais em aço são pouco

utilizados no país.

Ainda, na primeira parte deste trabalho, será apresentada uma revisão

bibliográfica sobre a utilização de estruturas metálicas nas construções industriais,

além das vantagens na utilização do aço, suas propriedades e os principais produtos

siderúrgicos utilizados em estruturas.

A seguir, uma revisão sobre os tipos de edifícios industriais e as partes

constituintes de um edifício padrão será apresentada. Por fim, serão revisados

princípios básicos do comportamento estrutural de pórticos.

Na segunda parte deste trabalho será analisado o projeto de um edifício

industrial real, concebido em estrutura metálica.

1 O Layout (ou Projeto de Instalações) é o resultado do projeto de arranjo dos elementos físicos de uma atividade industrial, e pode ser representado por uma planta contendo o arranjo das instalações, como equipamentos, materiais, pessoas, requisitos de edificações, utilidades e circulações (CAMAROTTO, 1998). O Layout de um edifício industrial será base de dados para os projetos de construção civil deste edifício.

1

2. JUSTIFICATIVA

Optou-se em desenvolver este trabalho na área de construções industriais

devido à experiência profissional de três anos2 do orientando atuando em obras de

implantação e ampliações de fábricas da AmBev.

O orientando busca com este trabalho agregar conhecimentos teóricos com a

experiência prática na execução de um edifício industrial.

3. OBJETIVOS

3.1- Objetivo geral

O objetivo principal deste trabalho é realizar um estudo sobre o projeto de

edifícios industriais, com a exposição de um caso real.

3.2- Objetivos específicos

- Realizar um estudo sobre o histórico das construções industriais;

- Realizar um estudo sobre a concepção de projeto de edifícios industriais;

- Realizar um estudo sobre a utilização do aço em estruturas de pavilhões

industriais, e os sistemas estruturais mais utilizados;

- Apresentar um caso real de um edifício industrial, expondo as soluções

adotadas.

2 Três anos, incluindo o período de estágio obrigatório supervisionado.2

4. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

4.1- Histórico

Até o século 17, a produção de objetos era basicamente artesanal, com o

objetivo de atender as necessidades da própria família e de poucos clientes

localizados nas proximidades. Os trabalhadores utilizavam a energia eólica e da

roda d’água para produção de mercadorias. A produção era realizada nas próprias

residências dos artesãos: edificações de madeira, sem divisão entre as áreas de

produção e a habitação (CAMAROTTO, 1998).

Com a mercantilização impulsionada pelas navegações do século 17, houve

um aumento no volume de produção de mercadorias. Com isto, aumentou o uso de

mão de obra operária, e as edificações dos artesãos já apresentavam nítida divisão

entre a habitação e a fábrica, com áreas destinadas a depósito de materiais e

ferramentas. Neste período, alguns setores, como o da mineração, já utilizavam

edifícios específicos para a produção de bens, que eram desvinculados das casas

dos trabalhadores.

Na primeira metade do século 18, na Inglaterra, surgiram as primeiras

edificações de uso exclusivo para a fabricação de bens. Os avanços tecnológicos da

época (como novas técnicas de fiação para a indústria têxtil) tinham a necessidade

de força motriz constante, o que deslocou as fábricas para a proximidade dos leitos

dos rios. Nesta época, os edifícios industriais eram estruturados com madeira,

tinham paredes de alvenaria e com grande extensão de aberturas de janelas.

A partir da metade do século 18, ocorreu uma grande mudança na sociedade,

iniciando na Inglaterra, que já era a primeira economia industrializada. Estas

mudanças resultaram na Revolução Industrial.

Neste período, o grande marco para a indústria foi a utilização da máquina a

vapor, que não mais limitava a localização das fábricas nas proximidades dos leitos

dos rios. As fábricas estavam com aumento significativo na produção de

mercadorias, e contavam com diversos trabalhadores executando tarefas

semelhantes e especializadas.

Assim, na Inglaterra surgiam os primeiros distritos industriais, e

posteriormente as cidades industriais. Neste quadro, destaca-se a cidade de

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Manchester, que no final do século 18 contava com 50 novas fiações de algodão

(CAMAROTTO, 1998). Nesta época, os edifícios industriais já se consolidavam

exclusivamente para abrigar a produção de bens.

Para atender as inovações de logística da época, os antigos depósitos,

localizados nas proximidades dos cursos d’água, também tiveram que ser

reconstruídos, sendo deslocados para o longo das ferrovias. Estes edifícios eram

extensos, de estruturas pesadas em madeira e ferro, capazes de suportar grandes

cargas, com paredes em tijolos e pedra e grandes aberturas laterais para o

recebimento das mercadorias, permitindo movimentos com guinchos.

Em 1830 começou a vigorar uma legislação trabalhista, na qual as fábricas

deveriam considerar características como a jornada de trabalho, salário mínimo,

higiene e conforto ambiental. Então, a concepção do edifício industrial agora levava

em conta a relação entre questões sociais e as funcionais da fábrica.

Com as inovações tecnológicas de produção, foram desenvolvidas técnicas

construtivas de estruturas de edificações em ferro fundido. Com isto, novas técnicas

de produção e máquinas maiores foram inseridas nas fábricas, o que fez com que os

edifícios industriais crescessem em forma e dimensões. Neste cenário, as indústrias

destinadas a confecções e tecelagem eram abrigadas em edifícios de vários

pavimentos, enquanto que as indústrias mais pesadas, de fabricação e reparo de

máquinas, eram melhores acomodadas em edifícios planos, em função das

movimentações de cargas, dos sistemas de elevação, e das cargas estáticas e

dinâmicas das máquinas.

Com estas novas características, talvez tenha se criado o primeiro emblema

do edifício industrial moderno (CAMAROTTO apud: PEVSNER, 1980).

No inicio do século 20, as edificações industriais urbanas seguiam a

tendência do uso do aço, de concreto armado e grandes áreas envidraçadas. Neste

período, o surgimento do automóvel teve enorme importância no desenvolvimento

do setor industrial americano e europeu. As plantas das indústrias automobilísticas

revolucionaram a construção das fábricas americanas. Henry Ford estabeleceu a

construção de fábricas térreas e de grande extensão, o que seria tomado como

modelo para os projetos de fábricas da época.

Então, a partir dos anos 30, a tendência nas construções industriais era a

construção de grandes unidades, com o uso de grandes coberturas e galpões

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unidos de forma que possibilitassem fácil modificação do arranjo interno da

produção. Assim, todos os processos de produção eram instalados em um sistema

estrutural único, com o menor número possível de colunas e grandes espaços livres,

o que permitia bastante flexibilidade na realocação das máquinas, e reserva de

espaços para futuras expansões (CAMAROTTO, 1998). Este tipo de construção

produz uma economia nas fundações das máquinas e da edificação, e facilita as

linhas de produção da fábrica.

O princípio da flexibilidade é utilizado até hoje nas construções industriais. Os

edifícios são de estrutura padronizada e disposta de forma que futuras ampliações

sejam de fácil execução. No inicio da década de 60, os projetos das fábricas foram

caracterizados por unidades menores e edificações separadas. Os blocos de

escritórios (administração) eram conectados ao edifício principal por passarelas e

mezaninos. Com a mecanização da movimentação de materiais a produtividade da

mão de obra aumentou, e as edificações eram separadas pelas diferentes fases do

processo produtivo. Neste sentido, a construção da planta de uma fábrica passou a

seguir o processo de produção. Este é o modelo de construção de fábricas que é

utilizado até hoje, se adequando ao tipo de processo de produção em cada caso.

4.2- Aço estrutural

As principais vantagens na utilização do aço em estruturas de edifícios são as

seguintes: alta resistência nos diversos estados de tensão (tração, compressão,

flexão, etc.) com área reduzida de seção, o que garante uma estrutura mais leve do

que a de concreto armado; os elementos estruturais oferecem grande margem de

segurança no trabalho, por ser um material homogêneo e de propriedades bem

definidas; as peças são produzidas em oficinas, e contribuem para uma construção

racionalizada, onde a montagem e a manutenção das estruturas no local são

simplificadas, o que é capaz de diminuir o prazo da construção (BELLEI, 1998).

O aço é uma liga composta por uma grande parte de ferro (em torno de 98%)

e pequenas quantidades de carbono e elementos adicionais como silício, manganês,

enxofre, fósforo, entre outros. A composição química determina muita das

características dos aços, importantes para aplicações estruturais.

Para compreender o comportamento das estruturas de aço é essencial que o

calculista entenda as propriedades do aço. Através de testes de tração simples são

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traçados os diagramas tensão-deformação, que representam uma informação

valiosa e necessária para entender como será o comportamento do aço em uma

determinada situação. A Figura 1 mostra o diagrama tensão-deformação típico de

um teste de tração simples.

Figura 1 - Diagrama típico de tensão-deformação para aços estruturais, obtido através de um teste de tração simples (Fonte: ANDRADE, 1994).

Do diagrama tensão-deformação (Figura 1) obtemos os seguintes dados do

aço analisado:

Limite de Proporcionalidade (fp): é a tensão máxima do trecho

elástico (trecho onde tensões e deformações são proporcionais);

Limite de Escoamento (fy): é a mais significativa propriedade que

diferencia os aços estruturais para as quais se aplicam as normas. É a

tensão correspondente ao patamar de escoamento (trecho onde a

deformação aumenta e a tensão permanece constante);

Limite de Resistência a Tração (fu): é a tensão máxima do diagrama,

também conhecida como tensão última ou de ruptura;

Módulo de Elasticidade Longitudinal (E): é a tangente do ângulo α

do trecho elástico da curva tensão-deformação. Toma-se o valor de E

como 2.100 tf/cm² para as estruturas de aço (BELLEI, 1998).

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Algumas propriedades dos aços são praticamente constantes na faixa normal

de temperatura atmosférica. São as constantes físicas dos aços:

Massa específica ------------------------------------------------------- ρ = 7,85 t/m³

Módulo de Elasticidade ----------------------------------------- E = 210.000 Mpa

Módulo Transversal de Elasticidade -------------------------- G = 78.850 Mpa

Coeficiente de Poisson no regime elástico ------------------------------ v = 0,3

Coeficiente de Poisson no regime plástico ----------------------------- vp = 0,5

Coeficiente de dilatação térmica -------------------------------- α = 12 x 10-6/°C

As principais propriedades dos aços são: elasticidade, ductilidade, fragilidade,

resiliência, tenacidade, dureza e fadiga.

Elasticidade é a capacidade que têm os metais de voltar a sua forma original

após sucessivos ciclos de carregamentos e descarregamentos (carga e descarga).

Ductilidade é a capacidade do material de se deformar sob a ação das

cargas. O aço se deixar deformar sem sofrer fraturas na fase inelástica, isto é, além

do seu limite elástico (limite de elasticidade). Os aços dúcteis, quando sujeitos a

tensões locais elevadas sofrem deformações plásticas capazes de redistribuir as

tensões; este comportamento permite, por exemplo, considerar distribuição uniforme

da carga entre rebites, no caso de uma ligação rebitada. Também, a ductilidade é

importante, pois conduz a mecanismos de ruptura acompanhados de grandes

deformações que fornecem avisos da atuação de cargas elevadas.

Fragilidade é o oposto da ductilidade. Materiais frágeis se rompem

bruscamente, sem aviso prévio. Os aços podem se tornar frágeis pela ação de

diversos agentes: baixas temperaturas ambientais, efeitos térmicos locais causados,

por exemplo, por solda elétrica, etc.

Resiliência é a capacidade de absorver energia mecânica em regime

elástico.

Tenacidade é a capacidade de absorver energia mecânica com deformações

elásticas e plásticas. No ensaio de tração simples, a tenacidade é medida pela área

total do diagrama tensão-deformação.

Dureza é a resistência do aço ao risco ou abrasão. Pode-se medir a dureza

de um aço pela resistência que a superfície do material oferece à penetração de

uma peça de maior dureza. A dureza pode ser definida como uma combinação de

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resistência e ductilidade, de forma que o ensaio da dureza é um meio expedito de

verificar a resistência do aço.

Quanto à classificação dos aços, basicamente, podem ser enumerados dois

tipos: o aço carbono e o aço de baixa liga.

O aço carbono é o mais utilizado em estruturas metálicas, e varia de acordo

com o teor de carbono adicionado na composição do material. Para estruturas, a

orientação é que esta taxa varie de 0,15% a 0,45%. Este é o limite que permite uma

boa soldabilidade para o aço (BELLEI, 1998). Os principais aços carbono utilizados

são os especificados como: ASTM A36 e A570; ABNT NBR 7007, 6648, 6649, 6650;

DIN St37 (norma alemã). O mais usual (especificação ASTM A36) possui um teor de

carbono entre 0,25% e 0,29%.

O aço de baixa liga é o aço carbono com adições de elementos de liga, que

melhoram algumas das propriedades mecânicas do material. São elementos de liga:

cromo colúmbio, cobre, manganês, molibdênio, nióbio, níquel, fósforo, silício,

vanádio, zircônio (PFEIL; PFEIL, 1995). O teor de carbono para aços de baixa liga é

da ordem de 0,20%, o que garante uma boa soldabilidade do material. Os principais

aços de baixa liga utilizados são os especificados como: ASTM A572 e A441; ABNT

NBR 7007, 5000, 5004; DIN St52 (BELLEI, 1998). A Companhia Siderúrgica

Nacional produz o aço A242 (Niocor), que é um aço de baixa liga com resistência a

corrosão atmosférica (também chamados de aços patináveis).

Ainda, os aços carbono e de baixa liga podem ter sua resistência aumentada

através do tratamento térmico. Estes aços com tratamento térmico são utilizados na

fabricação de conectores, parafusos de alta tensão e barras para protensão. Neste

tipo, podemos citar os aços da especificação ASTM A325 e A490 (PFEIL; PFEIL,

1995).

4.3- Produtos siderúrgicos para uso em estruturas de aço

Os principais materiais usados como elementos ou componentes estruturais

são: chapas finas a frio, chapas zincadas, chapas finas a quente, chapas grossas,

fios, cordoalhas e cabos, perfis laminados estruturais, tubos estruturais com e sem

costura, barras redondas e barras chatas, perfis soldados e perfis estruturais em

chapas dobradas (BELLEI, 1998). Então podemos enumerar os principais produtos

de aço estrutural produzidos pelas siderúrgicas brasileiras:

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a) Chapas: são produtos laminados, nos quais uma dimensão (a espessura)

é muito menor que as outras duas (largura e comprimento);

b) Barras: são produtos laminados nos quais duas dimensões (da seção

transversal) são pequenas em relação à terceira (comprimento);

c) Perfis laminados: os laminadores produzem perfis de grande resistência

estrutural, nas formas de H, I, U e L (cantoneiras). São utilizados na

fabricação de estruturas metálicas e, secundariamente, como caixilhos e

grades;

d) Perfis de chapas dobradas (perfis formados a frio): são produzidos por

máquinas chamadas viradeiras, que permitem dobrar chapas a frio. São

aplicados na execução de estruturas leves e, também, para terças e vigas

de tapamento de qualquer estrutura;

e) Perfis soldados: são compostos a partir de três chapas, e devido à grande

variabilidade de combinações de espessuras com alturas e larguras, são

largamente empregados em estruturas metálicas. Assim, o projetista possui

opções variadas e grande liberdade para o projeto. Para facilitar os

projetistas e calculistas, a ABNT NBR 5884/80 padronizou três séries de

perfis soldados: CS (para colunas), VS (para vigas) e CVS (para colunas e

vigas);

f) Fios (ou arames): são obtidos por trefilação, podendo ser de aço doce ou

de aço duro (empregados em molas e cabos de protensão de estruturas);

g) Cordoalhas: são formadas por três ou sete fios arrumados em forma de

hélice;

h) Cabos de aço: são formados por fios trefilados finos, agrupados em

arranjos helicoidais variáveis.

As dimensões das peças são limitadas transversalmente pela capacidade dos

laminadores, e no comprimento pela capacidade dos veículos de transporte. Então

as estruturas de aço são formadas por associação de peças ligadas entre si.

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Existem, basicamente, dois tipos de ligações entre peças metálicas: por meio

de conectores ou por solda. Os conectores (rebites, parafusos) são colocados em

furos que atravessam as peças a ligar. A ligação por solda consiste em fundir as

partes em contato de modo a provocar coalescência das mesmas (PFEIL; PFEIL,

1995).

4.4- Edifícios Industriais

Edifícios industriais são construções geralmente de um pavimento,

constituídos de colunas regularmente espaçadas com cobertura na parte superior e,

às vezes, também nas laterais, se estendendo por grandes áreas. (INSTITUDO

BRASILEIRO DE SIDERURGIA, 2004).

Modernamente, um edifício industrial pode ser construído com uma série de

materiais, a saber: aço, madeira, concreto, alumínio; cada um isoladamente ou em

conjunto com outros. (BELLEI, 1998).

Na elaboração de projetos de obras civis para edifícios industriais são

considerados os diversos fatores que se relacionam entre si, garantindo que o

edifício atenda aos requisitos estruturais, econômicos, e do processo industrial a que

o edifício é destinado.

Para que a concepção da planta de uma fábrica seja satisfatória, diversas

especialidades são envolvidas na elaboração do Layout de uma fábrica

(CAMAROTTO, 1998). A Tabela 1 apresenta os principais conhecimentos e áreas

de atuação aplicados na definição do Layout de uma fábrica.

Caso o projetista não possua uma definição do arranjo interno do processo

industrial do edifício, ele deve contar com o princípio da flexibilidade, dispondo o

mínimo de apoios internos, e assim facilitando a execução de possíveis ajustes no

arranjo do edifício, além de facilitar futuras ampliações da construção.

A finalidade básica da construção é prover acomodação na qual o processo

industrial seja executado sem a interferência de seus elementos. A construção deve

ser considerada como uma estrutura completa, onde cada elemento desempenha

sua função, mas não pode ser considerada isoladamente. Assim, por exemplo, o

fechamento lateral protege a estrutura e o interior do edifício das intempéries, e o

fazendo, pelo esquema estrutural adotado, causa imposição de cargas sobre a

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estrutura e, ao mesmo tempo, promove a rigidez dos membros estruturais (BELLEI,

1998).

Então a estrutura deve suportar a cobertura do edifício, o fechamento lateral,

os serviços executados no seu interior, os equipamentos, etc. e também ser capaz

de transmitir as cargas às fundações.

Para obter uma estrutura econômica, o projetista deve adotar estruturas que

reduzem ao máximo os comprimentos da trajetória das cargas até as fundações.

Tabela 1 - Principais áreas de atuação envolvidas no Projeto de Instalações de uma fábrica.

Itens do Projeto de Instalações

Áreas e sub-áreas de conhecimento envolvidas

EquipamentosEngenharia de Processos, Organização do Trabalho, Ergonomia, Engenharia Mecânica, Engenharia de Segurança

Operação (Transformação - Montagem)

Engenharia de Processos, Engenharia de Materiais, Engenharia Mecânica, Logística, Ergonomia, Engenharia de Segurança, Planejamento e Controle da Produção

MateriaisEngenharia de Materiais, Logística, Engenharia de Segurança, Ergonomia

Mão de obra direta e indireta

Organização do Trabalho, Engenharia Econômica, Planejamento e Controle da Produção, Administração, Ergonomia

ManutençãoEngenharia de Manutenção, Engenharia Mecânica, Planejamento e Controle da Produção

Segurança e saúdeEngenharia de Segurança, Engenharia de Produção, Saúde Ocupacional, Administração

Almoxarifado/estoque Logística, Planejamento e Controle da Produção

Serviços auxiliares de fábrica

Engenharia de Processos, Engenharia Mecânica, Planejamento e Controle da Produção

EdificaçãoArquitetura, Engenharia Civil, Engenharia de Segurança, Ergonomia, Engenharia Econômica, Planejamento e Controle da Produção

Sistema de movimentaçãoPlanejamento e Controle da Produção, Logística, Ergonomia, Engenharia de Segurança

UtilidadesEngenharia de Processos, Engenharia Mecânica, Engenharia de Materiais

FluxoPlanejamento e Controle da Produção, Logística, Engenharia Econômica, Engenharia de Segurança, Organização do Trabalho

EspaçoErgonomia, Engenharia de Segurança, Engenharia de Processos, Planejamento e Controle da Produção

Serviços de pessoal (refeitório, sanitários, vestiários, lazer, etc.)

Organização do Trabalho, Engenharia de Segurança, Arquitetura, Administração

Fonte: CAMAROTTO, 1998, p. 19

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Os contraventamentos podem transferir as forças horizontais para as

fundações. A utilização de componentes horizontais para a substituição de suportes

verticais, como no caso de vigas centrais, permitindo maior espaçamento entre as

colunas, é uma alternativa que aumenta o custo da estrutura.

As fundações devem garantir que toda a estrutura do edifício não sofra

recalques ou rotações na combinação de carga mais crítica. O tipo e condições do

solo também são fatores importantes na definição do tipo mais conveniente de

fundações para o edifício.

4.5- Tipos de Edifícios Industriais

Os edifícios industriais podem ser em estruturas de vãos simples (isolados)

ou múltiplos, quando grandes áreas cobertas são necessárias. Dependendo do

layout, colunas internas podem não ser convenientes, e, então são estudados

sistemas de cobertura para grandes áreas com um mínimo de colunas internas

(BELLEI, 1998).

Caso haja imposições rígidas, pode-se construir qualquer tipo de estrutura.

Mas arranjos ou situações mais sofisticadas representam sempre maior custo para a

estrutura. Então qualquer custo inicial extra do projeto do edifício que simplifique o

processo industrial é sempre justificado. Conforme BELLEI (1998), a seguir são

destacados alguns tipos de edifícios industriais, classificados em dois grupos:

edifícios com vão simples, e edifícios com vãos múltiplos.

4.5.1- Edifícios de vãos simples

4.5.1.1 Edifícios com coluna simples e tesoura

É o sistema mais barato para a construção de galpões industriais, com a

estrutura principal composta basicamente por colunas e tesouras em aço para a

cobertura. A estrutura para o fechamento lateral pode ser presa nas colunas.

Caso seja necessária facilidade na movimentação de materiais e/ou outros

componentes para o processo industrial a que o edifício se destina, o sistema de

edifício com coluna simples e tesoura admite a instalação de uma ponte rolante leve,

suportada por vigas de rolamento apoiadas em consoles das colunas.

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Para a introdução uma ponte rolante em um edifício deve-se atentar para que

o mesmo esteja devidamente contraventado, mantendo a rigidez do prédio com a

vibração causada pelo trabalho da ponte rolante.

Neste caso, a capacidade máxima recomendada para suporte da ponte

rolante é de 15 tf, ou com reação máxima de 25 t. Para valores acima desta

capacidade, deve-se prever uma coluna exclusiva para dar suporte à viga de

rolamento.

4.5.1.2 Edifícios com coluna simples e treliça

Para vencer grandes vãos, este sistema é uma boa solução, utilizando

menores inclinações da cobertura e vigas treliçadas, em vez de tesouras.

As vigas treliçadas e outros elementos da cobertura podem ser constituídos

por perfis metálicos estruturais ocos, fabricados por chapas dobradas a frio,

tornando a estrutura mais leve.

4.5.1.3 Edifícios com coluna entreliçada ou travada e tesoura

Para edifícios com necessidade de ponte rolante, a coluna que suporta as

vigas de rolamento pode ser entreliçada ou travada à coluna externa que suporta a

cobertura.

4.5.1.4 Edifícios com pórticos de alma cheia

Edifícios com pórticos de alma cheia são muito usados para edifícios

industriais, em substituição aos edifícios com coluna simples e tesoura. O

espaçamento destes pórticos influencia na economia da estrutura da cobertura e da

estrutura suporte.

Os pórticos são criteriosamente espaçados em função do vão do edifício. A

Tabela 2 apresenta uma orientação para o espaçamento dos pórticos de maneira

mais conveniente.

A estrutura mais simples para os pórticos é aquela com vigas e colunas de

mesma seção em perfis laminados, adequada para vãos pequenos e em alguns

casos de vãos de tamanho médio, sendo os últimos freqüentemente misulados nos

beirais e reforçados nas cumeeiras.

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Tabela 2 – Espaçamento de pórticos de alma cheia

Vão Espaçamento entre pórticos (m)

Pequeno: até 15 m 3 a 5

Médio:16 a 25 m 4 a 726 a 35 m 6 a 8

Longo: 36 a 45 m 8 a 10Inércia variável: 46 a 60 m 9 a 12

Fonte: BELLEI, 1998

Para os pórticos de vãos longos e médios, é comum utilizar perfis de diferentes

dimensões para as vigas e colunas. Em vãos muito grandes, a estrutura do pórtico

pode ser de inércia variável.

Geralmente, as ligações dos pórticos são parafusadas no campo, com

parafusos de alta resistência.

A altura efetiva da área do edifício pode ser aumentada com a execução de

mísulas nas extremidades das vigas, o que aumenta a resistência da viga e garante

que a seção das colunas seja no mínimo igual à seção da viga. Esta hipótese é

válida desde que os momentos máximos ocorram nas ligações viga-coluna.

Para a base dos pórticos de edifícios de vão médio ou longo, é preferencial a

execução de bases rotuladas, pois desta maneira as fundações serão mais

econômicas, comparadas com as fundações para bases engastadas.

O tipo das terças utilizadas na cobertura pode ser definido em função do

espaçamento longitudinal dos pórticos. Em edifícios de vão pequeno ou médio

podem ser utilizados perfis cantoneiras, perfil “U” laminado, ou outros perfis

dobrados a frio. Para grandes vãos, como alternativa mais econômica, pode-se

utilizar terças entreliçadas ou armadas, aumentando o espaçamento entre elas.

Quando são introduzidas vigas de rolamento nos pórticos, a deformação do

beiral, devido ao carregamento, se torna mais critica. Apesar de as vigas de

rolamento favorecerem a redução destas deformações, a relação entre esta redução

e as condições práticas a serem tomadas inviabilizam esta alternativa. Então a

rigidez para o controle da deformação horizontal deve ser obtida a partir dos

elementos que compõe o pórtico. A introdução de tirantes entre os cantos é

satisfatória para as cargas verticais que causam deslocamentos laterais, mas

ineficiente se o vento age em sentido contrário. A fixação do pórtico às bases

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também pode reduzir o deslocamento. Aumentar as dimensões ou a rigidez dos

menbros acima do mínimo necessário para a resistência é outra maneira de se

reduzir o deslocamento (BELLEI, 1998).

4.5.2- Edifícios de vãos múltiplos

Os tipos de edifícios apresentados acima podem ser aplicados aos vão

múltiplos. Às vezes, por razões do layout, é necessário eliminar algumas colunas

intermediárias e introduzir vigas centrais para contornar este problema. Esta solução

pede contraventamento de cobertura adicionais para ajudar a distribuir as cargas

horizontais do vento.

Para edifícios com pontes rolantes, a duplicação das vigas de rolamento

sobre as colunas centrais exerce alguma influencia sobre elas e sobre as proporias

vigas.

4.5.2.1 Edifícios com tesouras suportadas por treliças

Para áreas muito grandes, livres de colunas-suporte, freqüentemente é

necessária a adoção de um sistema de treliças e tesouras suportadas por treliças.

Para telhados de dupla água e menor desperdício de espaço coberto pode-se

utilizar cobertura em múltiplos de duas águas em tesoura. Desde que exista uma

pequena altura de construção na viga de apoio do eixo central, as tesouras devem

ser projetadas em balanço (figura 2). Com relação às treliças e às cargas de peso

próprio e sobrecarga, a corda superior está submetida à tração e às cargas de peso

próprio e sobrecarga, a corda superior está submetida à tração e a corda inferior

horizontal, à compressão.

Figura 2 - Cobertura em múltiplos de duas águas em tesoura (FONTE: BELLEI, 1998, p. 120).

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Carregamentos excêntricos causam tendência de rotação, que deve ser

resistida por ancoragem adequada na coluna lateral e requer cuidado extra na

fixação da estrutura.

Desde que a altura de construção seja suficiente para acomodar uma treliça

de apoio do eixo central, pode-se adquirir maior espaço interno com a solução de

cobertura di tipo duas águas com treliça (figura 3). Este representa um telhado

estável, com boa aparência e pode ser bastante econômico.

Figura 3 - Cobertura em múltiplos de duas águas em treliça (Fonte: BELLEI, 1998, p. 120)

Para a utilização de ventilação e iluminação natural pela parte superior do

edifício, utiliza-se a cobertura tipo “Shed” (Figura 4). Para evitar a insolação direta,

os painéis verticais são orientados no sentido do quadrante Sul. Para dar maior

acesso à luz os painéis são suficientemente inclinados.

Figura 4 - Cobertura em múltiplos de duas águas do tipo "Shed" (Fonte: BELLEI, 1998, p. 120)

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4.5.2.2 Edifícios formados por pórticos em alma cheia germinada

Para a construção de edifícios de vãos múltiplos com pórticos de alma cheia

deve-se levar em conta que são necessárias pernas internas em cada pórtico, então

não deve existir objeção de Layout para a implantação da estrutura.

Para pórticos de dois vãos completos, como o apresentado na Figura 5, uma

análise estrutural detalhada deve ser feita, pois o efeito da adição de um vão extra

significa aumento no empuxo horizontal. Para carregamentos balanceados, as

colunas do centro são livres para empuxos, e o momento no centro é todo

transmitido de viga a viga. Mas a coluna central deve ser considerada como parte

integrante da estrutura, pois existem os carregamentos excêntricos impostos e do

vento.

Caso as colunas internas de cada pórtico não sejam convenientes ao Layout,

uma solução apresentada por BELLEI (1998) é a utilização de pórticos mais

pesados com espaçamentos convenientes. Também sistemas de vigas de cumeeira

e vigas entre colunas, que suportam vigas intermediárias, pois são relativamente

fáceis de fabricar. Mas isto representa um custo total provavelmente maior que o de

pórticos simples de múltiplos vãos.

Figura 5 - Edifícios de pórticos com vigas de pórticos intermediários apoiados em vigas retas (Fonte: BELLEI, 1998, p. 121)

17

Outra solução é utilizar uma série de vigas de pórtico suportadas por colunas

externas e vigas centrais. As vigas de pórtico se deslocam sob carga, produzindo

uma força horizontal tal aplicada no beiral, que poderá ser equilibrada com a

colocação de um contraventamento horizontal, sendo este suficiente para evitar a

abertura dos vãos.

4.6- Peças que compõem um edifício industrial

A Figura 6 apresentada a seguir ilustra vários aspectos para edifícios

industriais, com a indicação dos nomes das componentes.

Figura 6 - Perspectiva didática de um galpão industrial com indicação do nome de seus principais componentes (Fonte: BELLEI, 1998 p. 125)

A estrutura pode ser dividida em estrutura principal e estrutura secundária. A

estrutura primária suporta a estrutura secundária, e pode ser composta por pórticos

de estruturas metálicas de perfis de alma cheia ou treliçados; ou por vigas de

cobertura apoiadas sobre pilares de concreto. A estrutura secundária complementa

a estrutura primária, suportando os fechamentos e utilidades (SOARES, 2008).

18

4.6.1- Vigas de cobertura

Vigas são elementos estruturais sujeitos basicamente a esforços de flexão.

Por serem elementos empregados para vencer vãos na horizontal, são muito

solicitadas em termos de esforços, uma vez que necessitam ter condições de

transferir forças, geralmente verticais, para os apoios através de um caminhamento

horizontal (DIAS, 2008).

Para receber as cargas de cobertura (telhas, terças, chuvas, poeiras e

sobrecargas em geral) e transmiti-las às colunas, são empregadas vigas que ao

mesmo tempo servem para dar estabilidade às estruturas, que podem ser em alma

cheia ou vazada ou tesoura e treliça.

Quando o espaçamento entre colunas é muito grande (maior que 8 metros), é

comum a colocação de uma viga intermediária com a finalidade de se reduzir o vão

das terças, chamando-se de vigas secundárias da cobertura (Figura 7).

Figura 7 - Viga secundária de cobertura (Fonte: BELLEI, 1998 p. 193)

4.6.1.1 Vigas de cobertura em alma cheia

São formadas por duas mesas interligadas por uma alma e se caracterizam

pelo acentuado afastamento entre as mesas, podendo ser por perfis laminados,

soldados ou vazados, originado de ambos. Podem ser com altura constante, para

vãos de até 30 metros, ou variáveis – muito usados em grandes vãos, acima de 30

metros, para galpões sem ponte rolante.

19

Os perfis tipo I soldados, I laminados e os perfis U estruturais formados a frio

são os mais utilizados nas vigas. Pela própria forma da seção, são adequados para

resistir, por intermédio das mesas, aos esforços de compressão e de tração.

As vigas com muita massa próxima ao eixo neutro, por exemplo peças

maciças de seção quadrada ou circular, trabalham com menor eficiência na flexão,

isto é, para o mesmo peso de viga, têm menor capacidade de carga (PFEIL; PFEIL,

1995).

Como as vigas são peças submetidas a esforços de flexão, em qualquer

seção transversal aparecem tensões perpendiculares a ela, que variam de nulas –

junto à linha neutra – a máximas – nas bordas. Assim, para resistir aos esforços do

momento fletor que caminha por elas, as mesas de perfis I são sempre mais

espessas do que as almas. Por outro lado, a força cortante caminha pela alma do

perfil (DIAS, 2008).

Conforme BELLEI (1998), a altura da viga do pórtico varia dentro da seguinte

relação:

H/L (altura da viga / comprimento do vão) = 1/40 a 1/60 do vão para galpões com

ponte rolante;

H/l = 1/50 a 1/70 do vão para galpões sem ponte rolante.

Conforme DIAS (2008), os valores de referência, para efeito de pré-

dimensionamento das alturas das vigas de alma cheia (com seção I) simplesmente

apoiadas, são:

Para vigas principais, 1/14 a 1/18 do vão (para vãos de 8 a 18 metros);

Para vigas secundárias, 1/18 a 1/22 do vão (para vãos de 5 a 10 metros).

Para se ter um dimensionamento econômico, é fundamental dar-se a

necessária contenção lateral à viga, que pode ser feita com terças ou mediante a

colocação de contraventamentos no plano da cobertura. Se a viga tem pequena

altura (menor que 400 milímetros), somente o contraventamento dá a devida

contenção. Mas se tiver altura maior, usa-se o artifício de se colocar mão-francesa

em algumas terças estrategicamente escolhidas.

Pórticos com tirantes são também empregados, mas com cautela pois os

tirantes não devem ser considerados para as cargas permanentes mais vento, que

normalmente resultam em compressão no tirante. O mesmo pode acontecer com a

20

introdução de cargas horizontais de ponte rolante. Os tirantes têm a vantagem de

reduzir os deslocamentos nos pontos de ligação viga-coluna.

Quando se trabalha com vãos maiores que 20 metros, os deslocamentos nos

cantos podem ser inconvenientes durante a fase de montagem. Nesses casos,

pode-se estudar uma contraflecha no pórtico ou colocar um tirante para neutralizar

esses efeitos.

Sobre as ligações com outras peças, em vigas de cobertura em alma cheia,

temos somente duas ligações principais: ligação viga com viga (geralmente a

cumeeira) e ligação viga com coluna.

4.6.1.2 Vigas de cobertura em armação (tesouras ou treliças)

As armações são as mais antigas formas de solução para qualquer tipo de

cobertura. Atualmente, com o desenvolvimento de perfis laminados de maior altura e

de perfis soldados, as armações passaram a ser econômicas para vãos acima de

25-30 metros (BELLEI, 1998). As ligações podem ser compostas por meio de

ligações parafusadas ou soldadas. Ligações parafusadas representam um peso

maior para a estrutura, em comparação com as ligações soldadas.

A principal característica desse tipo de estrutura é que as suas barras

trabalham normalmente a tração ou compressão.

Contraflechas devem ser dadas em armações para vãos acima de 20 metros,

igual à flecha provocada pelo peso próprio.

Existe uma grande variedade de tipos de tesouras e treliças. Algumas são

apresentadas na Figura 8. A tesoura mais simples é a calculada como biapoiada

(Figura 8a). Quando se quer dar maior rigidez para as cargas laterais de vento, usa-

se colocar uma mão-francesa indo da coluna até o primeiro montante (Figura 8b)m

ou se adota uma solução como a indicada na Figura 8c, que proporciona excelente

rigidez às colunas para qualquer tipo de carregamento.

As soluções em treliças, com as cordas paralelas, também é uma ótima

opção para inclinações de 0° a 10° (Figuras 8d e 8e).

21

Figura 8 - Tipos de armação (Fonte: BELLEI, 1998, p. 196)

As treliças são constituídas por barras coplanares articuladas entre si e

submetidas a cargas nodais. Nessas vigas, as barras podem-se articular por meio

de ligação direta ou indireta. Na ligação direta as barras são diretamente fixadas

umas as outras por soldagem. As ligações indiretas utilizam um elemento chamado

de chapa de ligação ou chapa de “Gousset” (DIAS, 2002). Estas duas formas de

ligações são apresentadas na Figura 9.

Figura 9 - Vigas em forma de treliça e suas ligações (Fonte: DIAS, 2002, p. 58)

22

Os tipos de seção empregadas na formação de elementos das armações de

coberturas devem ser selecionados sob o ponto de vista técnico e econômico,

procurando-se a solução mais apropriada (BELLEI, 1998).

As barras das treliças são em geral constituídas por perfis laminados únicos

ou agrupados. As treliças mais leves são formadas por cantoneiras ou perfis, ligados

por solda ou rebite. Normalmente, empregam-se para as cordas as soluções que

tenham um eixo de simetria no plano da armação.

Caso se trabalhe com perfis em chapa dobrada, estes não devem ter

espessura menor do que 3,3 milímetros para as cordas e 2,6 milímetros para as

diagonais e montantes.

Para serem econômicas, as armações devem estar dentro de uma relação

altura/vão de 1/8 a 1/15, sendo a mais usada de 1/10. Para se obter maior economia

de material, deve-se orientar as diagonais para trabalharem à tração.

4.6.1.3 Vigas Vierendeel

As vigas Vierendeel são constituídas por barras resistentes na forma de

quadros, unidas entre si por meio de ligações rígidas, que devem resistir às forças

normais e cortantes e também aos momentos fletores. Em virtude da característica

dos seus vínculos, as vigas Vierendeel são mais deformáveis do que as vigas em

armação (DIAS, 2008).

Normalmente as vigas Vierendeel são utilizadas para soluções estruturais que

exigem grandes vãos livres. Neste caso, a altura da viga, ou a distância do banzo

superior ao banzo inferior, resulta igual à distância entre pavimentos da edificação.

No caso de edifícios industriais na forma de grandes galpões não convém a

utilização deste tipo de viga, podendo ser aplicada a edifícios sociais ou

administrativos dentro de uma planta industrial, ou para estruturas do tipo Pipe Rack

(estruturas metálicas para suporte e passagem de tubulações do processo

industrial).

4.6.2- Colunas

As colunas são os elementos estruturais cuja finalidade é levar às fundações

as cargas originárias dos outros componentes da construção. BELLEI (1998) divide

as colunas basicamente sob o ponto de vista estrutural: principais, que são aquelas

23

que recebem a maior parcela das cargas, e secundárias, que recebem a menor

parcela das cargas (geralmente são as colunas de fechamentos laterais).

Basicamente, cada coluna é composta por três partes principais: o fuste, que é o

elemento portante básico da coluna; o ponto de ligação, que serve de apoio para as

outras partes da estrutura; e a base, cuja finalidade é distribuir as cargas nas

fundações, além de fixá-las.

As colunas podem estar sujeitas a esforços de compressão; compressão com

flexão; e tração com flexão (caso de pendurais e o caso de algumas colunas,

quando solicitadas a peso próprio mais vento). Nas colunas sujeitas a cargas de

compressão, ela pode ocorrer na forma de compressão centrada, quando as cargas

estão aplicadas diretamente no centro da seção da coluna ou de forma simétrica ao

eixo do fuste; ou como compressão excêntrica, em que as cargas estão aplicadas

descentradas em relação ao eixo do fuste. Para ambos os casos também pode

ocorrer a flexão simultânea, típica em colunas de edifícios industriais (Figura 10).

Figura 10 - Colunas submetidas a compressão com flexão (Fonte: BELLEI, 1998, p. 214)

4.6.2.1 Colunas de alma cheia e altura constante

O tipo de fuste de uma coluna de alma cheia e altura constante é formado por

um ou vários perfis laminados ou soldados, ligados por solda ou parafusos. Para

haver uma boa economia é importante um bom equilíbrio de rigidez nos dois

sentidos da seção.

O perfil tubular é o mais racional sob o ponto de vista de trabalho, mas de

pouco uso em edifícios industriais, pela escassez de tubos, maior custo e dificuldade

de ligações. A seção básica para edifícios é o tipo I ou H, laminado ou soldado. O

perfil I laminado é pouco usado, devido ao seu baixo raio de giro no sentido da

menor inércia, sendo utilizado em edifícios pequenos sem ponte rolante ou em

24

colunas de fechamento lateral de pequena altura. O perfil H laminado é ideal, por

possuir os raios de giro muito próximos. Tem grande aplicação até 400 a 450

milímetros de altura. Acima destas medidas é mais econômica a utilização de perfis

soldados, compostos por três chapas.

Para a composição dos perfis soldados, a rigor pode-se utilizar qualquer

espessura de material, desde que atenda às relações largura/espessura

especificadas nas normas. Segundo BELLEI (1998), a prática nos indica o seguinte:

tf – espessura da mesa de 8 a 50 milímetros;

tw – espessura da alma de 9 a 25 milímetros.

4.6.2.2 Colunas treliçadas de altura constante

O fuste de uma coluna treliçada ou travejada é composto de um ou vários

perfis laminados, ligados por chapas ou cantoneiras nos planos das mesas.

A vantagem básica das colunas treliçadas é a possibilidade de ser obtida

resistência equivalente às de alma cheia, embora se tenha um pequeno acréscimo

de mão de obra na fabricação.

4.6.3- Terças e vigas de fechamento lateral

As terças são vigas posicionadas na cobertura, situadas entre vigas principais

ou secundarias de pórticos ou tesouras, com a finalidade de suportar as chapas da

cobertura. Normalmente estão sujeitas às solicitações de flexão dupla e

excepcionalmente a flexão simples, provocadas pelas cargas que atuam sobre as

telhas, como cargas acidentais (chuva, poeira, pessoas na cobertura) e pelas cargas

provocadas pelo vento (pressão ou sucção).

As vigas de fechamento lateral estão situadas entre pórticos ou colunas com

a finalidade de servir de apoio para as chapas de fechamento lateral. Estão sujeitas

a solicitações de flexão dupla: no sentido da maior inércia, provocada pelo peso

próprio das vigas e chapas de fechamento.

Tanto para as terças como para as vigas de fechamento normalmente são

utilizados perfis laminados, perfis de chapas dobradas e perfis compostos.

Para reduzir o vão entre estas vigas no sentido da menor inércia são

instaladas barras redondas entre os apoios de terças e vigas de fechamento. Estas

barras são chamadas de correntes e estão sujeitas unicamente a esforços de tração.

25

4.6.4- Contraventamentos

Contraventamentos são barras colocadas nas estruturas com a finalidade de

garantir a estabilidade do conjunto durante a sua vida útil e durante a fase de

montagem, e possuem grande importância para a rigidez espacial do edifício. Os

contraventamentos estão sujeitos basicamente aos esforços de tração e/ou

compressão.

Os contraventamentos podem ser horizontais ou verticais.

Os contraventamento horizontais podem se encontrar no plano das terças

(superiores) ou das cordas (inferiores) das tesouras ou vigas do pórtico. Os frontais

são situados no plano das terças e/ou no plano das cordas, e além de darem

estabilidade à estrutura, distribuem as cargas de vento. Além dos frontais, são

colocados a intervamos de 50 a 60 metros. Os contraventamentos horizontais

laterais distribuem as cargas de vento (caso existam colunas de tapamento laterais)

e impactos laterais de pontes rolantes. A instalação destes contraventamentos

laterais permite melhor distribuição das cargas horizontais e, com isso, redução dos

momentos na base das colunas e dos deslocamentos.

Os contraventamentos verticais se encontram entre pilares, garantem a

estabilidade da estrutura e são responsáveis pela condução das cargas superiores

de vento e pontes rolantes (força longitudinal) até as fundações. Normalmente estes

contraventamentos são dispostos procurando-se colocar aqueles da parte inferior

próximos ao meio do comprimento longitudinal para permitir melhor dilatação do

edifício.

4.6.5- Chapas de cobertura e tapamento (telhas)

São basicamente as chapas que envolvem e “vestem” uma estrutura,

protegendo-a tanto exterior como interiormente das intempéries. Existe uma gama

muito grande de perfis e materiais no mercado, sendo que a definição do tipo de

chapa de cobertura e tapamento será feita conforme necessidades do ambiente a

ser construído e normas/padrões aplicáveis ao cliente.

As chapas de fibrocimento foram muito utilizadas, sendo encontradas no

mercado em uma gama muito grande e tipos e alturas. O peso destas chapas é

muito grande.

26

As chapas de aço galvanizado, de conformação ondulada, cujo uso já foi

generalizado, estão sendo substituídas por telhas com outras conformações. As

chapas com corrugação trapezoidal, por possuírem maior inércia que as onduladas

e permitirem maior espaçamento entre vigas de apoio, têm praticamente o mesmo

custo, tornando mais econômico este tipo de conformação. Estas chapas podem ser

pintadas de diversas cores, conforme definições arquitetônicas do edifício. As

chapas em aço podem vencer boas distâncias entre suportes.

As chapas em alumínio são mais caras do que chapas de aço galvanizado,

mas também são utilizadas em fechamentos laterais e coberturas, podendo ser

aplicada em diversos perfis. As chapas em alumínio pesam menos do que as

chapas de aço galvanizado e, em grandes coberturas, pode representar uma

redução das cargas de peso próprio e assim também correspondente redução no

peso próprio da estrutura suporte. Mas para uma solução deste tipo deve-se analisar

as dimensões do telhado e o ângulo de inclinação, levando em conta o efeito da

carga do vento ser inverso ao peso próprio. As chapas de alumínio também podem

ser encontradas no mercado com revestimento. Deve-se evitar o contato direto das

telhas de alumínio com a estrutura metálica para não se ter problemas com a

corrosão eletroquímica, então as telhas recebem cuidados especiais para evitar este

problema. O alumínio é fácil de manusear, mas é suscetível a deformação ou

manchas.

Para melhorar o índice de iluminação interna são utilizadas telhas

translúcidas. Estas chapas também são utilizadas no revestimento. Apresentam

variação muito grande e podem ser compatíveis com os vários formatos das demais

telhas.

Para edifícios com necessidades de isolamento térmico, são utilizadas telhas

do tipo sanduiche. São basicamente formadas por duas chapas, em cujo interior se

coloca uma camada de material isolante, como o poliuretano ou a lã de rocha. Como

a resistência da telha tipo sanduíche é maior que a da telha isolada, trabalha-se com

vãos maiores, até 4,00 metros, com espessuras de chapas mais finas (BELLEI,

1998).

27

4.6.6- Ventilação

É comum que edifícios industriais abriguem fontes irradiantes de calor, como

caldeiras, equipamentos de pasteurização, etc. Neste caso, há necessidade de

ventilação natural ou forçada para regular o calor e a umidade, eliminar a poeira, os

vapores e os gases provenientes do funcionamento dos equipamentos, e também

para a renovação do ar dentro do edifício.

A ventilação natural ocorre com a renovação de ar provocada pelo vento ou

pelo movimento ascendente de ar quente, e pode ser obtida em edifícios industriais

com a execução de aberturas inferiores nas laterais do prédio (geralmente entre a

telha de tapamento e a parede de alvenaria) para a entrada de ar e aberturas na

parte superior (os lanternins) para a saída do ar quente. A ventilação natural ocorre

mesmo no caso de não haver vento, devido ao “efeito de lareira”, cuja influência é

mais acentuada que a do vento (BELLEI, 1998). O sistema de troca de ar só será

eficiente se as aberturas de entrada de ar foram iguais ou maiores do que as de

saída.

Caso o vento seja insuficiente ou inadequado para construções em locais

onde é liberada grande quantidade de calor, deve-se proceder um estudo básico por

um especialista no assunto, podendo ser necessário o uso de ventilação forçada.

4.6.7- Calhas e tubos de descida

As calhas e os tubos de descida de águas pluviais têm como finalidade o

escoamento das águas da chuva que caem sobre a cobertura.

Os principais materiais empregados na fabricação das calhas são chapas

galvanizadas, zincadas e chapa preta, dobradas em diversas formas, de acordo com

a necessidade do projeto. São também empregadas calhas em PVC, fiberglass,

fibrocimento e alumínio.

A inclinação das calhas deve ser, no mínimo, de 0,5%, podendo chegar a

0,2%, em casos excepcionais. As calhas são ligadas aos tubos de descida por meio

de peças de transição para facilitar o escoamento das águas.

Os principais materiais empregados na construção dos tubos de descida são:

tudos de PVC, de chapa zincada, de ferro fundido, de fibrocimento e de aço com

costura.

28

4.6.8- Escadas, corrimãos e passadiços

Para o acesso às partes mais altas das estruturas normalmente são

empregadas escadas. Basicamente existem dois tipos de escada: as inclinadas (ou

de lances) e as paralelas à estrutura (chamadas de escadas de marinheiro). A

utilização de escadas tipo marinheiro se dá para o acesso nos locais em que a área

não permite a instalação de escadas com lanças, como poços de visita, acessos à

pontes rolantes, torres de resfriamento, etc.

Para promover a proteção lateral de escadas e passadiços, normalmente são

usados corrimãos. A proteção padrão consiste de um corrimão superior, um

intermediário, montantes e chapas de rodapé (BELLEI, 1998). Mas o modelo de

corrimão e de guarda-corpo a ser empregado deve seguir as especificações de

normas de segurança aplicáveis.

Os passadiços podem ser usados sobre a estrutura existente como forma de

acesso a outras partes ou em estruturas independentes. Os materiais empregados

são: chapa xadrez, chapa estirada e grelha com largura mínima de 600 milímetros.

Devem ser fixados por parafusos ou, o mais comum, por solda intermitente ou

contínua.

4.7- Comportamento estrutural

Toda estrutura formada por barras vinculadas entre si é denominada pórtico

espacial. É possível, na prática, isolar subconjuntos do pórtico espacial e analisá-los

como se fossem estruturas independentes ligadas umas às outras por vínculos. As

reações de apoio de um subconjunto são a carga do outro, que serve de apoio ao

primeiro (DIAS, 2008).

As barras pertencentes às estruturas diferenciam-se quanto ao tipo de

deformação a que estão sujeitas. Entende-se por deformação a mudança de forma

de uma peça, traduzida pelo deslocamento de seus pontos em conseqüência da

aplicação de uma carga.

Os subconjuntos estruturais mais facilmente identificáveis são:

Pórtico plano: estrutura formada por barras coplanares e submetida a cargas

pertencentes a este mesmo plano. As barras pertencentes a um pórtico plano

podem apresentar deformações axiais e por flexão, porém não sofrem deformação

por torção.

29

Treliça plana: é um caso particular de pórtico plano, que é a estrutura

formada por barras coplanares articuladas entre si e submetidas a cargas nodais. As

barras pertencentes a uma treliça plana apresentam apenas deformações axiais.

Treliça espacial: é a estrutura formada por barras não-coplanares articuladas

entre si e submetida a cargas nodais. Assim como para treliças planas, as barras

pertencentes a uma treliça espacial apresentam apenas deformações axiais.

Grelha: é a estrutura formada por barras coplanares e submetida a cargas

pertencentes a planos ortogonais ao da estrutura. As barras pertencentes a uma

grelha estão sujeitas a deformações axiais, por flexão e por torção.

A rigidez dos elementos de aço à deformação axial é muito maior do que a

rigidez destes elementos à deformação por flexão. Então o deslocamento de pontos

causado por deformações axiais é menor do que o deslocamento de pontos devido a

deformações por flexão.

Os pórticos deformáveis são aqueles em que o deslocamento de um ou

mais de seus nós decorre da deformação por flexão das barras. Em pórticos com

conexões rígidas, devido a flexão, as seções transversais das barras resultam

maiores e mais pesadas do que as barras dos pórticos travados em cruz.

Os pórticos indeformáveis são aqueles em que o deslocamento de todos os

seus nós decorre da deformação axial das barras. Este deslocamento pode ser

praticamente desprezado. Somente em casos de edifícios com grande altura ou de

torres metálicas, a soma desses pequenos deslocamentos pode ser considerável e o

deslocamento total deve ser analisado (DIAS, 2008).

Os elementos estruturais, bem como todo o conjunto da construção, devem

estar em equilíbrio, isto é, a resultante de todas as forças ou cargas atuantes em um

corpo deve ser nula e o momento provocado por estas forças, em qualquer ponto do

corpo, também deve ser nulo.

As equações resultantes da imposição do equilíbrio denominam-se equações

da estática. No caso de estruturas planas, são três equações e no caso de

estruturais espaciais, são seis equações.

De acordo com o principio da terceira lei de Newton, a ação de um corpo

sobre outro provoca, no primeiro, uma reação de igual intensidade e na mesma

direção, porém de sentido contrário, denominada no caso das estruturas, reação

vincular, reação de apoio ou simplesmente reação.

30

O número de reações transmitidas por um vínculo está associado ao

impedimento de movimento provocado por este vínculo. Assim, uma articulação

móvel transmite uma reação ortogonal à sua linha de ação; uma articulação fixa

transmite uma reação ortogonal e outra paralela à sua linha de ação; por fim, um

engastamento transmite um momento, uma reação ortogonal e outra paralela à sai

linha de ação.

O equilíbrio deve-se estabelecer para todas as forças agentes no corpo em

estudo, sejam elas ativas ou reativas.

As estruturas para as quais são suficientes as equações da estática para o

calculo das reações, independente da geometria da seção transversal ou o tipo de

material das peças, denominam-se estruturas isostáticas (DIAS, 2008).

As estruturas para as quais as equações da estática são em maior número do

que as incógnitas denominam-se estruturas hipoestáticas. Nestas estruturas não é

possível a imposição do equilíbrio das forças, a não ser em casos particulares,

teóricos e inexistentes na prática. Estas estruturas não devem ser utilizadas, pois

estão sujeitas a colapso ou a impedimentos de serviço.

As estruturas para as quais as equações da estática são em menor número

do que as incógnitas denominam-se estruturas hiperestáticas. Para o cálculo das

reações destas estruturas, além das equações da estática, são necessárias outras

equações envolvendo as dimensões da seção das peças e, às vezes, o tipo de

material. Os métodos de cálculo então são mais aprimorados, atualmente

desenvolvidos com a utilização de softwares específicos. As estruturas

hiperestáticas geralmente são concebidas mais leves, porém com ligações menos

econômicas.

O equilíbrio das estruturas pode ser classificado de três formas: o equilíbrio

estável, onde após um corpo ser solicitado ele retorna para sua posição de origem;

o equilíbrio instável, em que um corpo se desloca para uma nova posição, muito

distante da original, após ser solicitado; e o equilíbrio indiferente, onde o corpo se

desloca para uma nova posição de equilíbrio, de forma proporcional à intensidade da

força aplicada.

O equilibro estável caracteriza estruturas isostáticas e hiperestáticas, e é a

condição ideal que se deve buscar para as estruturas. As estruturas hipoestáticas

apresentam um equilíbrio instável, que deve ser evitado.

31

As estruturas como um todo e os seus subsistemas devem possuir ligações

ou esquemas de travamentos adequados para garantir a não-hiposestaticidade das

barras e do conjunto. As barras precisam ter seções, vínculos e comprimentos

adequados, para evitar problemas de flambagem (DIAS, 2008).

A flambagem é um conceito teórico, mas em termos práticos, a flambagem

pode ser associada à característica que as peças esbeltas possuem de se deslocar

transversalmente à linha de ação da força aplicada quando esta supera o valor de

carga crítica. Esta situação, mesmo em barras pertencentes a conjuntos isostáticos

ou hiperestáticos, também é considerada como equilíbrio instável e deve ser evitada

no projeto.

A carga crítica que causa a flambagem depende das dimensões da seção da

barra, do tipo der vinculação e do seu comprimento livre. Quanto mais trabalhosas

forem as vinculações, mais robustas as seções e menores os comprimentos, maior

será o valor da carga crítica.

O comprimento de flambagem de uma barra é a distância entre os pontos de

momento nulo da barra comprimida e deformada lateralmente. Para uma barra

birrotulada o comprimento de flambagem é o próprio comprimento da barra (PFEIL;

PFEIL, 1995).

Então, para eliminar problemas de deslocamentos atribuídos à flambagem

deve-se aumentar a seção da barra, alterar a vinculação ou reduzir o seu

comprimento de flambagem por meio de travamentos. Este último procedimento, em

geral, é a solução mais econômica (DIAS, 2008).

O tipo de flambagem mais conhecido é o que ocorre nas barras submetidas a

uma força axial de compressão, o que ocorre comumente com pilares. Este tipo de

flambagem é denominado flambagem por flexão ou flambagem de Euler (DIAS,

2008, p. 27). Outros tipos de flambagem podem ocorrer em pilares metálicos: a

flambagem por torção que é característico de pilares com seção transversal

cruciforme, formados com chapas finas – ocorre quando as quatro chapas

flambarem por flexão simultaneamente e na mesma direção, provocando a rotação

(torção) da seção; e a flambagem por flexotorção, característica de seções esbeltas

e em forma de L ou U, que ocorrem pela ação simultânea das flambagens por torção

e por flexão.

32

A instabilidade de uma barra comprimida também pode ocorrer por

flambagem local, que acontece quando um ou mais elementos da seção, cujas

relações largura-espessura são grandes, perdem sua forma plana, apresentando

ondulações ou enrugamentos (ANDRADE, 1994).

A flambagem local é tratada teoricamente como flambagem da placa isolada,

considerando-se suas vinculações com as demais componentes do perfil. Para

impedir a flambagem local sob cargas de serviço, impõem-se limitações geométricas

às placas componentes do perfil, de tal maneira que a carga que provoca o

escoamento do material seja inferior à carga de flambagem elástica das placas

(PFEIL; PFEIL, 1995).

A flambagem lateral de vigas é outro importante tipo de flambagem,

fundamental no cálculo da resistência das vigas metálicas não continuamente

travadas (sem impedimentos para deslocamento lateral). Assim, uma viga de seção

transversal em forma de I, com uma carga transversal distribuída ou concentrada,

flete, ocasionando compressão na mesa superior e tração na mesa inferior. A mesa

superior, quando submetida à força de compressão maior do que a carga critica,

procura flambar por flexão, como se fosse um pilar, porem a mesa inferior, ligada a

ela pela alma, perturba o movimento livre da mesa superior, resultando um

movimento composto de deslocamento lateral (flexão lateral), rotação (torção) da

seção da viga e empenamento (a seção deixa de ser plana após a deformação)

(DIAS, 2008).

Assim, deve-se estudar o esquema estrutural mais adequado a cada caso:

estrutura isoestática ou hiperestática, pórtico deformável ou indeformável, ligação

rígida ou flexível, tendo em consideração a economia, a funcionalidade e os

aspectos arquitetônicos do edifício. A análise da estrutura tridimensional pode ser

feita pela observância da estabilidade dos seus vários planos, garantindo a

inexistência de hipostaticidades e de flambagens.

A estabilidade do equilíbrio de um pórtico plano pode ser garantida através do

enrijecimento de ligações e/ou acrescentando-se um ou mais elementos ao interior

do pórtico (travamentos/contraventamentos).

O aumento das ligações rígidas leva a soluções menos econômicas, pois a

alteração de vínculos significa aumentar a quantidade de material (parafusos ou

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soldas e chapas de ligação) assim como trabalhos de fabricação e montagem da

conexão.

5. METODOLOGIA

O presente trabalho realizará uma revisão bibliográfica sobre as construções

industriais, analisando o histórico e a concepção dos projetos deste tipo de

edificação, com a aplicação de estruturas metálicas.

Também serão apresentados os mais comuns tipos de edifícios industriais,

descrevendo as partes constituintes da construção.

Após, será analisado o projeto para a construção de um edifício industrial real

com sua estrutura em aço. O edifício se trata de uma construção para a ampliação

da área de produção de uma unidade fabril da AmBev, em Sete Lagoas/MG. Abaixo

as figuras 11 e 12 mostram a planta de cobertura e um corte do prédio,

respectivamente.

Figura 11 - Planta de cobertura da Ampliação do Processo AmBev Nova Minas (Fonte: Marco Projetos e Construções).

34

Figura 12 - Corte no eixo 14b da Ampliação do Processo AmBev Nova Minas (Fonte: Marco Projetos e Construções).

Serão analisadas as condições de projeto para esta construção e os modelos

construtivos adotados.

35

6. CRONOGRAMA

Atividade Abril Maio Junho Julho

Semana 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2

Revisão Bibliográfica:

HistóricoX X X X X        

Revisão Bibliográfica: Aço

Estrutural  X X  X X             

Revisão Bibliográfica:

Edifícios Industriais  X  X X X  X  X         

Análise do projeto da

Ampliação do Processo fabril

(caso real)

    X  X  X  X  X     

Organização da estrutura do

TCC        X X X X X  X  

Redação do TCC         X X X X X X X  

Apresentação                       X

7. RECURSOS

HUMANOS: O desenvolvimento deste estudo de caso envolverá o

orientando, o orientador e a equipe da empresa responsável pelo projeto e execução

do edifício.

MATERIAIS: Livros, manuais técnicos, artigos técnicos, normas técnicas,

microcomputador, entre outros.

8. FONTES DE FINANCIAMENTO

Os recursos necessários para a execução deste trabalho serão custeados

pelo orientando.

36

9. BIBLIOGRAFIA

ANDRADE, PÉRICLES BARRETO DE. Curso Básico de Estruturas de Aço. Belo

Horizonte/MG: IEA Editora, 1994.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8800:2008 – Projeto e

Execução de Estruturas de Aço em Edifícios (Métodos dos Estados Limites) .

Rio de Janeiro/RJ: ABNT, 2008.

BELLEI, ILDONY HÉLIO. Edifícios Industriais em Aço. 2ª edição – São Paulo/SP:

Pini, 1998.

BRASIL, Ministério da Indústria a Comércio. Secretaria de Tecnologia Industrial.

Manual Brasileiro para Cálculo de Estruturas Metálicas. V. 1. Brasilia/DF:

MIC/STI, 1986.

CAMAROTTO, JOÃO ALBERTO. Estudo das relações entre o projeto do edifício

industrial e a gestão da produção. 1v.il. Tese – Doutorado – São Paulo/SP:

FAU/USP, 1998.

DIAS, LUÍS ANDRADE DE MATTOS. Estruturas de aço: conceitos, técnicas e

linguagem. 6ª edição – São Paulo/SP: Zigurate Editora, 2008.

INSTITUTO BRASILEIRO DE SIDERURGIA. Galpões para usos gerais. Rio de

Janeiro/RJ: IBS/CBCA, 2004.

PFEIL, WALTER; PFEIL, MICHÈLE. Estruturas de aço. Dimensionamento

Prático. 6ª edição – Rio de Janeiro/RJ: LTC, 1995.

QUEIROZ, GILSON. Elementos das Estruturas de Aço. 1ª edição – Belo

Horizonte/MG: Gilson Queiroz, 1986.

SANTOS, ADEMIR PEREIRA DOS. Arquitetura Industrial: São José dos

Campos. São José dos Campos/SP: A.P. Santos, 2066.

SANTOS, ARTHUR FERREIRA DOS. Estruturas metálicas: projeto e detalhes

para fabricação. 3ª edição – São Paulo/SP: McGraw-Hill do Brasil, 1977.

37

SOARES, TAMARA PEREIRA. Estruturas Secundárias: Comparativo entre

Terças Treliçadas (Barjoist) e Terças em Chapa Dobrada. Trabalho de conclusão

de curso, requisito parcial para graduação em Engenheira Civil pela Universidade

Federal de Santa Maria – Santa Maria/RS: UFSM, 2008.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA (UFU). Faculdade de Engenharia

Civil. Notas de aula da disciplina Sistemas Estruturais. Uberlândia/MG, 2005.

38