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0
1- Introdução:
1.1 Enquadramento e actuais conceitos de análise e
dimensionamento
Caso Português:
Regulamento de estruturas de aço para edifícios (REAE) – 1986,
com adaptações do anterior regulamento, sobretudo para ir de encontro
ao RSA
Documento tecnicamente desactualizado
Limitado relativamente ao dimensionamento plástico, fenómenos
de instabilidade e de ligações de estruturas metálicas
Regulamento de segurança e acções em estruturas de edifícios e
pontes (RSA) – documento actual, conceito de coeficientes parciais de
segurança
Prática anterior (em particular nas estruturas metálicas) -. Coeficientes
globais de segurança, com tensões admissíveis.
Prática de utilização de estruturas metálicas em Portugal foi, até há
poucos anos, limitada, sendo relevante em pontes e estruturas
ferroviárias.
Começa-se a assistir a um desenvolvimento da construção metálica e
mista, em novas estruturas
São usadas com alguma frequência em reabilitação e reforço estrutural,
dadas as vantagens que incorporam relativamente a outras soluções.
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Nível Europeu:
Uniformizar regras de cálculo e dimensionamento para os diversos tipos
de estruturas (desde 1975). Com esse objectivo foi criada em 1990 no
seio do Comité Europeu de Normalização, a Comissão Técnica CEN/TC
250. Foram então introduzidos os
1.2 Eurocódigos estruturais:
EN 1990 Eurocódigo: Bases de projecto
EN 1991 Eurocódigo 1: Acções em estruturas
EN 1992 Eurocódigo 2: Projecto de estruturas de betão
EN 1993 Eurocódigo 3: Projecto de estruturas metálicas
EN 1994 Eurocódigo 4: Projecto de estruturas mistas aço- betão
EN 1995 Eurocódigo 5: Projecto de estruturas de madeira
EN 1996 Eurocódigo 6: Projecto de estruturas de alvenaria
EN 1997 Eurocódigo 7: Projecto geotécnico
EN 1998 Eurocódigo 8: Disposições para estruturas resistentes
aos sismos
EN 1999 Eurocódigo 9: Projecto de estruturas de alumínio
Estes documentos serão ainda complementados com Anexos
Nacionais, que poderão incluir disposições específicas aplicáveis a
cada País aderente. Numa primeira fase os EC’s apresentaram-se sob a
forma de pré normas (ENV), tendo sido recentemente aprovadas as
normas definitivas que substituirão os regulamentos nacionais.
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O Eurocódigo 3 (EC3) encontra-se dividido nas seguintes partes:
EN 1993-1 Regras gerais e regras para edifícios
EN 1993-2 Pontes
EN 1993-3 Torres, mastros e chaminés
EN 1993-4 Depósitos, silos e oleodutos
EN 1993-5 Estacas
EN 1993-6 Estruturas de aparelhos de elevação
A parte fundamental do Eurocódigo 3 (EN1993-1) é ainda subdividida:
EN 1993-1-1 Regras gerais e regras para edifícios (EC3-1-1) EN 1993-1-2 Resistência ao fogo
EN 1993-1-3 Elementos e chapas finas enformados a frio
EN 1993-1-4 Aço inoxidável
EN 1993-1-5 Elementos laminares
EN 1993-1-6 Resistência e estabilidade de cascas
EN 1993-1-7 Resistência e estabilidade de elementos planos
carregados transversalmente
EN 1993-1-8 Ligações metálicas (EC3-1-8)
EN 1993-1-9 Fadiga
EN 1993-1-10 Fractura
EN 1993-1-11 Dimensionamento de elementos traccionados
EN 1993-1-12 Aços de alta resistência
O Eurocódigo 4 (EN 1994) – Projecto de Estruturas Mistas Aço-Betão
está dividido em 3 partes:
Parte 1-1 Regras gerais e regras para edifícios
Parte 1-2 Resistência ao fogo
Parte 1-3 Pontes
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(
1.3 Filosofias de dimensionamento
Relativamente às bases de projecto, o Eurocódigo 0 apresenta:
Princípios gerais comuns aos EC’s (ex. princípios e regras de
aplicação, simbologias, referências normativas, etc)
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:
Requisitos, como noções de segurança, fiabilidade, horizonte de
vida das estruturas (ex. edifício corrente 50 anos)
Princípios de dimensionamento de acordo com os estados limites
o Estados limites últimos
o Estados limites de utilização
Variáveis de base
o Classificação de acções (G, P, Q, A)
o Noção de valor característico
o Outros valores (de combinação, frequente, etc)
o Outras acções (dinâmicas, ambientais, etc)
o Materiais, valores característicos das propriedades
o Dados geométricos (dimensões, imperfeições, tolerãncias)
Princípios genéricos de análise estrutural e dimensionamento
suportado em ensaios
o Classificação de acções (G, P, Q, A)
Verificação da segurança através do método dos coeficientes
parciais de segurança
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C
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D
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G
Estados limites últimos
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H
Estados limites últimos: combinações de acções
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0
Anexo 1 do EC 0: aplicação a edifícios
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Estados limites de utilização:
Em estruturas metálicas consideram-se geralmente E. L. de:
i) deformação;
ii) vibração.
Os valores limites para os estados limites de utilização, de acordo
com o EC3-1-1, capítulo 7 e com a EN 1990 - Bases de projecto,
são objecto de acordo entre o dono de obra e os projectistas; os
Anexos Nacionais poderão vir a estabelecer estes limites.
Para a verificação do estado limite de deformação em estruturas
metálicas correntes, são apresentados a seguir alguns limites,
apenas com valor indicativo.
Deformações verticais em vigas (R. Simões, 2005)
w c = contra-flecha;
w 1 = flecha devida às acções permanentes, logo após a sua
aplicação;w 2 = flecha devida aos efeitos diferidas das acções permanentes;
w 3 = flecha da viga devida às acções variáveis;
w tot = flecha total igual à soma w 1 + w 2 + w 3;
w máx = flecha máxima em relação ao eixo recto entre apoios.
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(
Valores limites para os deslocamentos verticais (R. Simões, 2005)
Condições w máx
Coberturas em geral L /200
Coberturas utilizadas frequentemente por pessoas L /250Pavimentos em geral L /250
Pavimentos e coberturas que suportem rebocos ououtros acabamentos frágeis ou divisórias não flexíveis
L /250
Vigas em consola (L = 2 Lconsola ) Limitesanteriores
δ ∆
(00
≤
:00≤∆
Valores limites para os deslocamentos horizontais em pórticos (R. Simões, 2005)
Estados limites de utilização: combinações de acções (EC 0)
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:
1.4 Perspectiva geral das acções relevantes (de exploração
e excepcionais), num contexto de reabilitação estrutural.
Relativamente às acções a considerar no dimensionamento deestruturas novas, reforços de estruturas ou na reabilitação e reconversão
de estruturas existentes, o Eurocódigo 1 está dividido em 2 partes:
EN 1991-1: parte mais geral, cobre acções em edifícios e acções
de diversos tipos em estruturas em geral (7 partes):
o
EN 1991-1-1: acções gerais, densidades, pesos próprios,acções em edifícios
o EN 1991-1-2: acção do fogo
o EN 1991-1-3: acção da neve
o EN 1991-1-4: acção do vento
o EN 1991-1-5: acção térmica
o EN 1991-1-6: acções durante a execução
o EN 1991-1-7: acções acidentais na sequência de impactos
ou explosões
EN 1991-2: acções em pontes e sua modelação.
A parte 1.1do Eurocódigo 1 apresenta:
Princípios gerais comuns aos EC’s
Classificação das acções (PP e acções impostas)
Situações de dimensionamento (generalidades sobre situações decarregamento de estruturas)
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C
Densidades de materiais de construção e armazenados –
complementado com o Anexo A: tabelas, exemplo:
Exemplo de tabela do anexo A do EC1 1-1
Pesos próprios – considerações
Acções impostas em edifícios
o Edifícios residenciais, comerciais e administrativos (exemplo)
o Armazéns e actividades industriais
o Garagens e zonas utilizadas por veículos (excl. Pontes)
o Coberturas
o Acções específicas em guardas
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G
1.5. Algumas propriedades dos materiais
Os aços laminados a quente (aços macios correntes), caracterizados
por percentagens de carbono baixas (da ordem dos 0.2 %), apresentamas seguintes tensões características (EC3):
Valores nominais da tensão de cedência f y e da tensão de rotura à tracção f u dos
aços macios correntes (EN 10025-2) – R. Simões, 2005
Espessura t (mm)
Tipo de aço t 40 mm 40 mm t 80 mm
f y (N/mm2
) f u (N/mm2
) f y (N/mm2
) f u (N/mm2
)S 235 235 360 215 360
S 275 275 430 255 410
S 355 355 510 335 470
S 450 440 550 410 550
e as seguintes propriedades complementares:
Módulo de elasticidade E = 210 000 N/mm2;
Módulo de distorção G = E / [2(1+ν )] N/mm2;
Coeficiente de Poisson ν = 0.3;
Coeficiente de dilatação térmica linear α = 12x10-6 /ºC;
Massa volúmica ρ = 7850 kg/m3.
Em geral os aços macios correntes verificam as seguintes condições de
ductilidade, necessárias para a adopção de métodos plásticos de
análise global das estruturas ou dos seus elementos (EC3):
f u / f y ≥ 1.1;
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H
Extensão após rotura de um provete com um comprimento inicial
de 5.65√A0 (sendo A0 a área da secção transversal) não inferior a
15%;
ε u ≥ 15 ε y .
Os aços dos perfis enformados a frio em geral apresentam tensões
limite de elasticidade superiores às do aço de base (Parte 1.3 do EC3).
Os aços dos elementos de ligação (parafusos, porcas, anilhas,
soldaduras, etc.) possuem características mais específicas (Parte 1.8 do
EC3).
Nas soldaduras, independentemente do processo de execução, o metal
de adição deve apresentar propriedades idênticas às do metal base.
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(0
2- PATOLOGIAS:
2.1 Corrosão
A corrosão apresenta-se como um campo de investigação de grande
interesse.
A título ilustrativo refira-se que nos Estados Unidos da América, cerca de
40% das pontes são construídas em aço. Em alguns estados, como no
Michigan, o número ultrapassa os 60%. Existe a necessidade de
estabelecer critérios racionais que possam ser usados de forma a
determinar o estado de tensão actual dos membros afectados, e
consequentemente avaliar a segurança dessas estruturas sujeitas a
corrosão Por isso, foram surgindo ao longo dos tempos alguns modelos
de deterioração para a análise de pontes metálicas com problemas de
corrosão.
A primeira causa de corrosão é a acumulação de água e sais. As fontes
principais da acumulação desta mistura são as escorrências da
plataforma ou a condensação. A proveniência desta mistura determina, a
maioria das vezes, o tipo de corrosão na estrutura.
As consequências provocadas por corrosão dependerão da
contaminação da mistura e da temperatura ambiente.
2.1.1 Corrosão como processo electroquímico e tipos de corrosão
Os metais mais comuns existem na natureza como compostos de
minério, nomeadamente óxidos.
O processo de extracção de um metal é basicamente:
Composto → Metal
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(
Os metais reagem espontaneamente com líquidos ou gases, através de
reacções químicas, e obtém-se um produto de corrosão semelhante ao
composto químico que deu origem ao metal, isto é, basicamente o
inverso do processo de extracção.
Ferrugem = Oxido de ferro com água ligada quimicamente.
Os produtos de corrosão podem também funcionar como protecção,
quando os metais se corroem ao ar (corrosão seca).
Na maioria dos casos, a corrosão dá-se num ambiente húmido (HRsup a 60%), sendo os produtos da corrosão solúveis. A destruição pode
ser concentrada em áreas adjacentes a um metal mais nobre, ou em
pontos onde há menos oxigénio
Esta corrosão é electroquímica: o metal imerso num líquido condutor tem
áreas de maior resistência eléctrica que outras (célula de corrosão):
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(
Uma corrente eléctrica forma-se do pólo negativo (ânodo) para o positivo
(cátodo), dissolvendo ou corroendo o pólo negativo.
Existe ainda um tipo de corrosão denominado por corrosão galvânica,que consiste na destruição do metal menos nobre da série galvânica, e
na protecção do mais nobre, quando ligados directamente, na presença
de um electrólito.
Série galvânica, do metal mais activo (anódicos), para o menos activo
(catódicos):
1. Alumínio – usado para proteger o aço
2. Zinco – usado para proteger o aço
3. Ferro
4. Aço
5. Aço inoxidável – substitui eficazmente o aço relativamente
à corrosão
6. Chumbo
7. Cobre
8. Prata
9. Ouro
10. Platina
O potencial de corrosão galvânica aumenta com o aumento da diferença
de potencial entra os dois metais.
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((
A corrosão electroquímica pode ser muito localizada, algumas das
razões são:
O aço, em virtude do processo de fabrico, tem uma camada deóxido, que é catódica, e o aço anódico
Não é uma camada contínua, e por isso não é uma barreira
protectora, e nas descontinuidades formam-se células de corrosão
Pequenas partes de aço sem essa barreira no meio de grandes
áreas com barreira dão origem à corrosão por picadas:
ilustração da corrosão por picadas
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(2
Enformagem a frio, soldaduras, etc produzem zonas de
concentração de tensões com formação de cátodos e ânodos:
As zonas menos oxigenadas comportam-se como células de
corrosão:
As imperfeições de superfície do aço enformado a frio tambémpotenciam a corrosão:
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(:
2.1.2 Protecção contra a corrosão
Efeitos das condições da superfície e ambientais:
A corrosão é mais provável quando existe:
Humidade elevada
Poluição (para fornecer impurezas, como sulfidos e cloridos)
Presença da camada de óxido com descontinuidades
Decisão de proteger os aços tem que passar pela resposta às questões:
a) de quê? Qual o ambiente?
b) Esse ambiente mudará no futuro?
c) Existem factores ambientais que representem um risco
acrescido, como por exemplo a poluição?
d) A protecção contra a corrosão deverá ser igual em toda a obra?
e) O sistema de protecção escolhido é económico sob os pontos
de vista da aplicação e da manutenção?
Sistemas de protecção: aplicar uma camada suplementar no aço, por
forma a funcionar como um ânodo, como uma barreira, ou das duasformas. Os processos mais comuns são a pintura, galvanização,
protecção de zinco ou alumínio, ou suas combinações
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(C
Protecção catódica
Uso de ânodos sacrificáveis para num processo electrolítico envolver o
aço de forma gradual e natural por uma camada protectora:
Alguns sistemas recorrem à indução de corrente eléctrica. Devem ser
especificados com rigor, não esquecendo que os ânodos, porque se
corroem, têm que ser inspeccionados e substituídos.
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(D
2.1.3 Tipos especiais de aços
Aço inoxidável
Este material tem um efeito decorativo e é sobretudo usado como
revestimento de fachadas, corrimãos, guardas, equipamento, etc.
A sua resistência à corrosão advém essencialmente da presença, na sua
composição, de crómio, que ajuda a formas uma fina camada protectora
de óxido, também esteticamente interessante.
Custa cerca de 10 vezes mais do que o aço carbono.
“Weathering Steels”
Este aço tem adições na liga de 1 a 2% de metais como cobre, crómio,
níquel, etc.
São mais resistentes à corrosão do que os aços não ligados, já que seforma uma película protectora, na presença de um ambiente com ciclos
de secagem e molhagem com oxigénio. Não são por isso adequados a
ambientes submersos ou enterrados.
2.1.4 Detalhamento de estruturas metálicas com vista à minoração
da susceptibilidade à corrosão
O dimensionamento de uma estrutura metálica com vista à minoração da
susceptibilidade à corrosão deverá ter em conta:
O método de protecção mais adequado, sua aplicação e
manutenção, nomeadamente no que respeita à acessibilidade dos
detalhes
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(H
Os detalhes construtivos escolhidos devem ter em conta diversos
aspectos:
o Eliminar bolsas e cantos onde se possam acumular sujidades
e água:
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o Eliminação de cantos e arestas vivos.
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o Providenciar acesso fácil para pintura, nomeadamente o uso
de trincha ou pistola:
o Áreas inacessíveis devem ser protegidas através de um
sistema protector dimensionado para durar o tempo de vida
da estrutura.
o Há secções mais adequadas à aplicação de um determinado
sistema protector do que outras (por exemplo secções
tubulares
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o No caso de ser previsível a corrosão galvânica, devem ser
tomadas medidas especiais de protecção:
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2C
2.1.5 Protecção das superfícies: aspectos tecnológicos.
Preparação da superfície:
É muito importante e faz parte do processo de protecção da corrosão. É
nomeadamente necessário remover a camada de óxido, e os métodos
normalmente usados para esse fim são:
“Weathering”
Consiste em deixar “ao ar” os elementos de aço. O tempo necessário
para que 90 % dessa camada seja removida de chapas de aço de 9mm
de espessura varia entre 9 meses (atmosferas industriais) e 5 anos
Processos mecânicos de lixagem ou escovagem
Pouco eficazes
Pistolas pneumáticas
Mais eficazes, funcionam por contacto mecânico de peças metálicas
contra a peça de aço, porém o processo é lento
Uso de chama
A dilatação diferencial causa o descolamento da camada de óxido. Mas
só funciona para elementos de aço de espessura superior a 5 mm.
Uso de ácidos
Consiste num banho de uma solução ácida em fábrica que remove a
camada de óxido, normalmente seguido de um outro banho mais diluído
que funciona como uma protecção temporária à oxidação.
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2D
Projecção de elementos abrasivos
É um método eficaz, próprio para ser usado em fábrica, e deixa o aço
preparado para os revestimentos protectores.
Retirar gorduras e lixos:
Faz parte do processo de protecção da corrosão. Normalmente
consegue-se à custa da aplicação de emulsões de limpeza
Rugosidade da superfície:
Nomeadamente em consequência da projecção de elementos abrasivos
para limpeza, há que controlar o nível de rugosidade resultante (ISO
8503-1-1988). Controle é visual, através de um padrão de controle.
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2G
Revestimentos das superfícies:
Os revestimentos mais usados são, como referido, pintura,
galvanização, pulverização de alumínio ou zinco, ou combinações
destes métodos. De uma forma sumária, pode-se descrever cada um
destes processos:
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2H
Sistemas de pintura
As tintas têm 3 componentes: um componente resinoso que faz a
ligação, pigmentos que dão a cor e protecção, e solventes que permitemcontrolar a aplicação, secagem, etc.
Os diversos tipos de tintas, normalmente influenciados pela natureza da
primeira componente, caem fora do âmbito deste curso.
Habitualmente, um sistema de pintura é constituído por 3 componentes:
o Primários, cuja função é promover a aderência e proteger da
corrosão. A espessura desta componente é importante, pelo
que normalmente é especificada em mais do que uma
camada
o Base, que fornece a cor de base ideal para receber a tinta, e
constitui uma protecção adicional (esp. entre 25 e 100 µm)o Acabamento, fornece a cor desejada, e resiste ao ataque dos
elementos ambientais, abrasão, etc (esp. entre 25 e 100 µm).
Aplicação de materiais de envolvimento metálicos
o Galvanização a quente, onde se deposita uma camada de
zinco de cerca de 85 µm de espessura (valor usual)
o Aplicação de camadas de zinco ou zinco+alumínio mais finas
mediante sistemas especiais, normalmente aplicados a
chapas.
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:0
Pulverização de metais
É um processo que envolve um controle de qualidade exigente e deve
ser feito por pessoal especializado, para ser eficaz.
Pode ser levado a cabo em fábrica ou em obra.
Combinação de métodos
Envolve algumas particularidades, nomeadamente na escolha da
segunda camada (nomeadamente as tintas), que deverá ser apropriada
à camada anterior
2.1.6 Manutenção das estruturas metálicas no contexto da corrosão
As camadas de protecção requerem manutenção.
A visibilidade da corrosão pode acontecer já acompanhada de patologias
que devem ser evitadas, com diminuição do nível de segurança dasestruturas. Corrosão não visível pode levar ao colapso de elementos
estruturais ou de estruturas).
O método desejável para determinar a manutenção é através da
intervenção planeada a intervalos regulares, e manutenção de um
registo das patologias observadas com o objectivo de adequar os
intervalos de manutenção.
Este plano de manutenção deve ser uma peça de um projecto de
estrutura metálica, permitindo que esta cumpra os objectivos para que
foi projectada em boas condições de segurança e estéticas durante o
período de vida útil.
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:
A facilidade de manutenção depende do revestimento inicial:
Tintas à base derivados do petróleo ou tintas com composições
químicas particulares: são facilmente cobertas por camadassimilares, desde que a superfície seja previamente limpa.
Aço galvanizado: só são revestidos de forma segura (com tinta por
exemplo) desde que removida toda a oxidação aparente. Existem
primários específicos para melhorar a adesão da tinta à camada de
zinco.
Elementos revestidos com metais pulverizados: normalmente a
manutenção através de pintura não é adequada, sendo muitas
vezes de equacionar uma reaplicação completa da protecção.
2.1.7 Aspectos práticos da protecção da corrosão em edifícios
metálicos
Ligações
Os parafusos, porcas e outros elementos devem ser revestidos com o
mesmo cuidado que os elementos estruturais.
Deve ser tomado especial cuidado para não danificar elementos pré-
revestidos durante a montagem
Quando são especificados no projecto protecções contra a corrosão de
elevada performance, deve ser considerada a utilização de parafusos
especiais – aço inoxidável, por exemplo.
As soldaduras e sua vizinhança devem ser tratadas superficialmente
antes de revestidas com o material de protecção.
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:
Ambiente exterior e zonas em contacto com o exterior
O aspecto chave é o detalhamento, como oportunamente indicado, e a
especificação de sistemas de drenagem eficazes e adequados.
Zonas no interior de edifícios
Para além de aspectos particulares de ambientes agressivos (por
exemplo fábricas), normalmente não é necessário recorrer a disposições
especiais, podendo mesmo dispensar-se protecção.
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:(
Zonas das fachadas de edifícios
Se os elementos metálicos não estiverem protegidos contra a corrosão,
devem ser adoptadas disposições construtivas específicas, com oobjectivo de assegurar a drenagem e a manutenção da estrutura seca, e
assim impedir a corrosão:
quando existe contacto com o paramento exterior, é prudente, para além
de assegurar uma boa drenagem, usar galvanização (85 µm) ou pintura
epoxy (400-500µm).
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:2
Casos especiais
Aço no betão armado: a abordar oportunamente
Perfis tubulares: raramente se recorre à protecção da parte
interior destes perfis. Se a secção está selada não há corrosão, se
o ar circula, a corrosão é diminuta. É prudente providenciar
orifícios nas zonas baixas para assegurar a drenagem de águas.
Elementos laminares de revestimento: são muito usadas chapas
de aço ou alumínio enformadas, eventualmente com protecção
térmica e acústica incorporada. As chapas de aço têm
normalmente protecção de zinco ou alumínio. Se forem usadas
chapas de alumínio há que ter em conta o isolamento dos
elementos estruturais de aço.
2.1.8 Aspectos práticos da protecção da corrosão em pontes
metálicas
As pontes metálicas têm uma duração de vida elevada (por exemplo 100
anos) e estão submetidas a ambientes agressivos, sendo a solução mais
económica uma protecção eficaz contra a corrosão. A escolha recai
habitualmente em pintura ou “weathering steel” para os elementos
estruturais principais e para detalhes elementos galvanizados a quente
ou aço inoxidável. É discutível a utilização de elementos de secção
fechada não protegidos interiormente.
Condições de exposição
Para além das condições climáticas específicas de cada ponte, existem
factores específicos que afectam a corrosão:
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::
A parte inferior do tabuleiro, onde há quase permanência de
condensações
A presença de recantos que retêm águas e lixos
A susceptibilidade dos diversos elementos para a corrosão não é
igual (figura)
Áreas não lavadas pela chuva
Poluição atmosférica ou ventos dominantes
Espalhamento de sais em climas frios
Poluição dos veículos
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:C
A humidade relativa do ar influencia fortemente a corrosão, sendo mais
preponderante a partir de 75%.
Sistemas habituais de protecção
A protecção de zinco é eficaz, sobretudo em zonas não poluídas.
Em atmosferas ácidas, como é o caso de zonas urbanas degrada-
se rapidamente, sendo preferível protecção de alumínio
o Galvanização a quente: consegue-se uma protecção entre 10a 12 anos com espessura entre 60 e 100 microns
o Pulverização de zinco ou ligas P)Q# G:Q: 0 microns
o Alumínio: 150 microns
A associação com tintas faz aumentar a efectividade da protecção
para cerca de 15 anos
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:D
Aço inoxidável
Um exemplo é o tipo austenítico com D$GR D$HR . Começa a
corroer se a camada exterior se dissolver em água ligeiramente ácida.Existem composições químicas mais resistentes a essa corrosão, como
o tipo austenítico com 17% Cr, 11%Ni e 2-3% Mo. É uma liga adequada
a ambientes costeiros e industriais.
Weathering steel
Usado há mais de 30 anos com resultados mistos. Uma pesquisaefectuada nos EUA identificou que a principal causa para a falta de
sucesso é o uso de sais de degelo. Por isso este material deve ser
evitado onde se usam estes sais.
Por outro lado, para que se forme a camada protectora, é necessário
que o material sofra ciclos de secagem e molhagem, não tão facilmente
ocorrentes em superfícies horizontais, que podem reter água devido aimperfeições
Secções fechadas
Uma secção em caixão metálica não deve ser considerada como uma
secção fechada (não susceptível de corrosão). Devem por isso ser
pintadas no interior
Protecção dos diferentes componentes
Elementos do tabuleiro: pintura, galvanização, pulverização,
sistemas combinados ou weathering steel
Cabos e outros dispositivos, e elementos secundários: pintura,
galvanização, aço inoxidável
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:G
2.1.9 Exemplos (Lourenço 2005)
Corrosão em painéis de alma
Corrosão nos apoios
Corrosão por drenagem insuficiente
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:H
Uniões metálicas
Ligação inferior de viga
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C0
2.2 Fadiga
2.2.1 Introdução
A verificação da fadiga toma especial importância no caso de estruturas
submetidas a um grande número de aplicações de carga, como é o caso
das pontes. A rotura pode acontecer ao fim de um determinado número
de aplicações de carga de valor inferior à carga de rotura estática.
A fadiga resulta da propagação lenta de fissuras micro ou
macroscópicas, o que só acontece em presença da flutuação da carga.A rotura dá-se quando essas fissuras atingem a dimensão crítica.
Geralmente acontece em regiões de concentração de tensões, como na
vizinhança de soldaduras.
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C
Distribuição típica de tensões junto à soldadura
Estudo de mecanismos de fractura: a taxa de crescimento de uma
fissura é proporcional à raiz quadrada do seu comprimento, para amesma flutuação de tensão e mesmo grau de concentração de tensões.
Propagação muito lenta – problemas de detecção em inspecção rotineira
Historial típico de aumento da dimensão da fenda
rotura frágil de um elemento pela ligação
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C
2.2.2 Definição da resistência à fadiga e vida útil da estrutura
Resistência à fadiga de um componente soldado: gama de tensão ( R)
que, flutuando com amplitude constante, causa a ruína dessa
componente após um número especificado de ciclos (N) - endurance
2.2.3 Principais factores que afectam a endurance à fadiga
Gama de tensão R
A resistência à fadiga do detalhe específico, definido através do
parâmetro a.
A resistência à fadiga, N, pode ser calculada por:
S Q∆σ% +
ou
#. S #. $ + #. ∆σ% /3
m é uma constante. Normalmente m=3.
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C(
2.2.4 Curvas S-N
A expressão na forma logarítmica materializa-se em rectas,
denominadas curvas S-N. Exemplo:
2.2.5 Classificação dos detalhes
Os detalhes mais correntemente usados são agrupados por classes, de
acordo com evidência experimental – curvas S-N de dimensionamento
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C2
2.2.6 Tipos de detalhes
Em cada classe existem diversos tipos de detalhe, de acordo com a
forma do elemento, a localização provável da 1ª fenda, as suas
dimensões, as exigências de fabrico e de inspecção - (EN 1993-1-9).
São tidas em conta as garantias de execução dos detalhes. Exemplo:
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C:
2.3 Degradação das propriedades dos materiais
2.3.1 Rotura frágil (EN 1993-1-10)
A rotura frágil é um tipo de rotura que se produz bruscamente sem o
desenvolvimento de deformações apreciáveis que avisem do colapso
iminente. Na origem deste fenómeno pode estar a propagação repentina
de uma fissura (Cruz e Alvarez, 2000).
Para que uma rotura frágil possa ocorrer, é necessário que ocorram três
condições:
falta de propriedades adequadas do aço (tenacidade);
estado de tensão;
descida acentuada de temperatura.
A resistência à rotura depende, principalmente, das propriedades dosmateriais e da capacidade de redistribuição de cargas para outros
componentes estruturais. Estão descritos na literatura alguns casos de
colapso súbito estruturas (ponte de Rudersdorf-1938, ponte de Sully-sur-
Loire-1985)
2.3.2 Arrancamento lamelar ou folheação (EN 1993-1-10)
Acontece em estruturas laminadas, e na sua origem estão inclusões,
borbulhas de ar, impurezas, etc. Ao passar pelos trens de laminagem
estes defeitos assumem uma forma alongada que tende a separar o
material em folhas quando este for solicitado na direcção perpendicular
ao plano desses defeitos, como é o caso de placas de topo em vigas ou
placas de base de colunas.
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CC
2.4 Acções
2.4.1 Assentamentos excessivos
Os assentamentos excessivos ou os assentamentos diferenciais estão
frequentemente associados a problemas geotécnicos. Só provocam
esforços em estruturas hiperestáticas.
Podem também estar relacionados com problemas dos aparelhos de
apoio. A correcção pode requerer o levantamento da estrutura para
permitir o reposicionamento ou substituição dos apoios. Todos os outroscomponentes devem ser analisados devido aos assentamentos.
Essencialmente, deve ser cuidadosamente revista a estabilidade do
elemento da infra-estrutura.
Em edifícios industriais deformações excessivas podem comprometer o
funcionamento de equipamentos como pontes rolantes.
2.4.2 Acções durante a construção
Durante a construção das estruturas podem ser aplicadas acções não
previstas, como por exemplo em consequência de armazenagem de
materiais. Se no caso das estruturas de betão armado essas acções
podem acontecer para idades dos betões onde a resistência não ésuficiente, com consequências ao nível da fendilhação e da deformação,
nas estruturas metálicas e mistas essas consequências podem ser mais
gravosas. De facto, podem ocorrer quando não estão ainda instalados
sistemas de contraventamento e acontecerem colapsos por
instabilidade.
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CD
2.4.3 Acções em serviço
Podem ser observadas patologias em elementos estruturais resultantes
de acções de serviço não previstas no projecto, como em casos dereconversão de edifícios, alterações aos projectos das especialidades
(colocação de condutas, equipamentos, maquinaria). Normalmente
estão associadas a deformações excessivas, e é conveniente, nestes
casos, proceder a uma cuidadosa avaliação das acções suplementares.
2.4.4 Acções acidentais
2.4.4.1 Impactos
No transporte e montagem de uma estrutura metálica devem ser
adoptadas as protecções e as medidas necessárias para evitar, ou
minimizar, os danos de eventuais impactos: desde simples riscos do
sistema de protecção até à deformação acentuada de elementos.
Em pontes, o banzo inferior de vigas metálicas sofre frequentemente
danos de impacto. Os banzos inferiores, os reforços transversais e as
almas são os elementos que mais evidenciam os danos por impacto.
Também em parques de estacionamento ou instalações industriais com
pilares metálicos é necessário proceder à protecção dos pilares através
de grelhas metálicas, revestimento de betão, etc.
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CG
2.4.4.2 Fogo
Aço estrutural – fraco desempenho em altas temperaturas
Elevada condutividade térmica – rápida propagação temperatura
Rápida degradação propriedades mecânicas: a partir dos 500-600º
o módulo de elasticidade do aço baixa drasticamente, pelo que
haverá deformações muito acentuadas, mesmo para esforços
reduzidos.
Fundamental: avaliar resistência das estruturas metálicas sob a acção
de incêndios.
Resistência ao fogo: estabilidade durante um período de tempo
suficiente para o combate às chamas e evacuação.
Dimensionamento:
Baseado em ensaios normalizados de resistência ao fogo em
fornalhas (curva de aquecimento ISO 834). A verificação é provar
que o elemento tem uma resistência ao fogo superior à exigida
regulamentarmente. A avaliação da temperatura do aço é o
objectivo último desta análise;
Avaliação do desempenho das estruturas ou dos elementosestruturais quando sujeitos a cenários de incêndio: via do cálculo.
São tidos em conta factores como a temperatura, tipo de incêndio,
consequências da exposição ao fogo, condições de carregamento,
etc – metodologia dos Eurocódigos. Permite maior economia na
protecção contra incêndio.
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CH
Consequências de incêndios em estruturas metálicas (Vila Real 2003)
Estudos recentes têm vindo a permitir desenvolver regras de
dimensionamento. É exemplo o conjunto de ensaios à escala real de
edifícios de 8 pisos em Cardington – Reino Unido (Vila Real 2003):
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D0
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D
Portugal: regulamentação com um conjunto de disposições que visam
garantir em caso de incêndio:
Limitação dos fumos no interior Propagação do incêndio a construções vizinhas
Evacuar os ocupantes
Garantir a segurança das equipas de intervenção
Garantir a capacidade resistente durante um determinado período
de tempo.- classes de resistência ao fogo.
Capacidade resistente: divisão dos edifícios em classes de resistência
em função:
Tipo de edifício
Altura
Risco de incêndio
Por outro lado, os materiais estruturais ou de compartimentação são
igualmente classificados de acordo com o tempo desde o início de uma
acção de incêndio normalizada até ao instante em que deixa de cumprir
as suas funções.
Exigência de estabilidade (elementos apenas estruturais), estáveis
ao fogo – EF. Por ex. estável ao fogo 60 min: EF60.
Exigência de compartimentação (estanquidade) ou pára-chamas PC
Exigências de estanquidade e isolamento térmico – corta fogo CF
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D
Qualificação
Exigência
EF PC CF
Estabilidade Sim Sim Sim
Estanquidade
chamas e gases
Não Sim Sim
Isolamento
térmicoNão Não Sim
Cálculo estrutural de acordo com a parte 1.2 do EC3:
Utilização de tabelas obtidas de ensaios experimentais
Métodos simplificados de cálculo, com fórmulas analíticas para
elementos isolados
Métodos avançados de cálculo, aplicados à globalidade da
estrutura, a sub-estruturas ou a elementos isolados.
Estrutura metálica não protegida: resistência ao fogo típica: 30 min.
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D(
Medidas de aumento da resistência - reduzir a taxa de aquecimento:
aumento da massa de aço dos elementos
utilização de materiais de protecção térmica (mais económica) e
utilizável e reconversões ou reforço de edifícios. Resistência até 4
horas, conforme a natureza e espessura dos materiais usados.
Os diversos métodos de protecção podem ser agrupados em:
1. Protecção envolvendo o elemento
2. Protecção com resguardos ou ecrãs
3. Irrigação do aço
Materiais e sistemas de protecção (Vila Real 2003):
Materiais de protecção
1. Betão normal: material pesado, logo com grande capacidade
térmica
2. Betão celular, leve e de baixa condutividade térmica.
Vantagem de aumentar a durabilidade (ambientes agressivos)
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D2
3 Gesso: sulfato de cálcio com cerca de 20 % de água. Grande
capacidade de absorção de calor, com vaporização de água.
Obriga à utilização de suporte adequado: ex. rede metálica
Protecção de gesso
4 Tintas intumescentes: derivados celulósicos com adição de agentes
orgânicos especiais e agentes dilatadores, que aumentam devolume a temperaturas elevadas, com aumento de espessura de
várias dezenas de vezes. Capacidade de retardar até cerca de 2
horas a temperatura crítica. Permitem um excelente acabamento, e
são a solução ideal quando se pretende manter a estrutura à vista.
Aplicação: decapagem do aço, aplicação de primário anti-corrosão,
aplicação da tinta, seguida de eventual acabamento final.
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D:
%). 9,
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DC
5 Vermiculite e Perlite: agregados minerais que se expandem sob a
acção do calor, podendo servir para a fabricação de painéis
protectores, ou para entrar na composição de argamassas leves.
Podem também ser projectadas.
6 Fibras minerais, como a fibra ou lã de rocha ou vidro. Podem entrar
na composição de rebocos projectados.
7 Argila expandida ou betão leve; a aplicar a granel, em torno do
elemento, como agregado de betão leve, em blocos pré fabricados
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DD
Sistemas de protecção:
1. Envolvimento total, parcial ou enchimento
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DG
2. Protecção do contorno, normalmente projectada, com um dosmateriais anteriormente referidos
3. Protecção em caixão: aplicação de placas rígidas pré fabricadas
de betão celular, vermiculite, gesso, etc
4. Protecção com mantas de fibra cerâmica, lã de rocha, etc.
Constituem uma boa alternativa em edifícios já em funcionamento,
pois são de aplicação limpa, mas devem ser usados em zonas
ocultas (fraco efeito estético);
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DH
5. Protecção com resguardos ou ecrãs: podem constituir tectos
falsos, com função igualmente acústica ou estética, sendo por isso
uma alternativa económica
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G0
6. Estruturas irrigadas: perfis tubulares cheios de água, criando-se
correntes naturais pela acção do incêndio. Existem depósitos no
topo dos edifícios, para evitar sobrepressões. Outra possibilidade é
a utilização de sprinklers.
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G
2.4.4.3 Sismo
Uma das acções com carácter de excepção que maiores danos pode
causar a uma estrutura é o sismo. Desde os sismos de Northridge(1994) e de Kobe (1995), que um grande número de investigações
experimentais e teóricas têm sido desenvolvidas no Japão, nos EUA e
na Europa, sobre o comportamento sísmico de estruturas metálicas.
A palavra chave que deve caracterizar as estruturas metálicas e mistas
com vista à sua sobrevivência a um sismo intenso é
DUCTILIDADE
A ocorrência de um elevado número de roturas frágeis tornou evidente a
necessidade de melhorar o comportamento das estruturas, com especial
ênfase nas ligações.
Danos nas estruturas metálicas no sismo de Kobe (Gioncu e Mazzolani 2002)
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G
Os tipos de ductilidade presentes numa estrutura são indicados na figura
seguinte:
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G(
Exemplo de danos muito severos – Complexo. Pino Suarez – Sismo
Michoacan – México 1985
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G2
Exemplo de danos em ligações no mesmo sismo
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G:
Fracturas típicas em ligações de estruturas metálicas observadas no
sismo de Kobe:
As ligações (elemento fundamental), podem ser divididas em
componentes, e a caracterização do comportamento da ligação depende
do comportamento dessas componentes:
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GC
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GD
Como consequência, o comportamento das ligações será igualmente
muito dúctil, dúctil ou frágil.
O grau de sobreresistência das ligações normalmente preconizado pelos
regulamentos pode não ser suficiente com vista ao impedimento da
formação de rótulas nesses elementos. O reforço sísmico de um edifício
existente pode passar por uma intervenção nas suas ligações, por forma
a conferir-lhes ductilidade ou o seu reforço, por forma a afastar a rótula
plástica da zona da ligação.
Outra forma de afastar a rótula plástica da ligação, consiste em criar
uma zona mais fraca do que a ligação no elemento estrutural,
funcionando como “fusível”. Esta técnica pode ser aplicada a edifícios
existentes, desde que a capacidade resistente dos elementos (vigas)
tenha uma margem de segurança suficiente.
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GG
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GH
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H0
Avaliação de perdas e danos resultantes de sismos
Nos EUA, a Federal Emergency Management Agency (FEMA) indica
custos de reparação de elementos estruturais e não estruturaisdanificados em função do custo do edifício e da aceleração basal. No
caso presente a comparação é feita com o sismo de Northridge.
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H
2.5 Erros de concepção ou projecto
Os problemas de projecto podem estar relacionados com graves
problemas de segurança (no limite o colapso, c.f. instabilidade) ou comomais frequentemente acontece, com um mau desempenho das
estruturas, problemas de durabilidade, dificuldade de execução, etc.
2.5.1 Modelação estrutural
Um dos primeiros erros encontra-se na modelação estrutural. O facto
dos softwares actuais fornecerem grandes quantidades de informaçãonão significa que o utilizador obtenha os resultados pretendidos. Um
apoio mal colocado, uma propriedade física indevidamente atribuída, ou
um simples parâmetro de entrada a que não foi dada a devida atenção
pode conduzir a resultados indesejados e inadequados.
Um erro frequente tem que ver com a utilização de modelos que não
tenham capacidade de reproduzir fielmente a realidade, quer pelautilização de elementos finitos desajustados (por exemplo, utilização de
elementos de placa sem deformabilidade axial em elementos laminares
com fortes esforços axiais), ou uma discretização desadequada.
Outro problema pode ter que ver com a incorrecta modelação de apoios
ou elementos que funcionem apenas para alguns esforços (por exemplo
aparelhos de apoio de neoprene ou cabos), não sendo detectado que o
sinal do esforço correspondente está na direcção contrária ao possível
funcionamento do elemento.
2.5.2 Avaliação de acções
Outro erro relativamente comum é o da omissão ou sub-avaliação de
cargas. Em muitos projectos, para além da deficiente quantificação das
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H(
Pode ser particularmente crítica a ausência de contraventamentos
durante a fase construtiva de elementos que serão contraventados na
fase de exploração – caso das vigas mistas, por exemplo.
2.5.4 Ligações
As ligações entre elementos estruturais são partes fundamentais das
estruturas. É também nas ligações que existem grandes concentrações
de esforços.
Deficientes concepções, modelações ou pormenorizações das ligações
podem conduzir a patologias diversas.
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H2
A concepção das ligações tem que ser adequada aos esforços a que
estas venham a transmitir.
As propriedades fundamentais que caracterizam uma ligação são:
A resistência
A rigidez
A capacidade de rotação
Em ligações mais simples a rigidez não tem um papel relevante.
Um dos princípios fundamentais a que a concepção de uma ligação
deve obedecer é a de ter uma boa ductilidade, ou seja, esgotada a sua
capacidade resistente, esta deve poder suportar deformações
consideráveis por forma a poder permitir redistribuições de esforços
entre secções ou proporcionar à estrutura uma ruína dúctil.
exemplos de colapso de ligações sob acção da sucção do vento:
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H:
2.6 Durabilidade
A ausência de preocupações de durabilidade na fase de projecto têm
consequências económicas na exploração da estrutura, aumentando osseus custos de exploração. A falta de meios para uma manutenção
adequada pode levar a casos de deterioração extrema.
Perda de estanquicidade
Penetração da humidade
Falta de acessibilidade: corrosão
2.7 Defeitos de fabricação e montagem
Excentricidade das ligações: Esta é uma patologia comum
observada em estruturas metálicas. A título de exemplo, refira-se a
excentricidade de bases de colunas, com efeitos sobre a
verticalidade dos pilares, ou o desajuste em obra de ligaçõesaparafusadas com furação feita em fábrica.
Erros de corte: erros de corte, com arestas vivas e entalhes sem o
devido tratamento geométrico provocam, para além de
inconvenientes estéticos, pontos de concentração de tensões
favoráveis ao surgimento de rotura por fadiga
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HC
Soldadura: O controle de soldaduras é essencial ao seu bom
desempenho. Existem diversas técnicas de conseguir uma
soldadura de qualidade, mas é mais fácil atingir essa qualidade em
fábrica do que em obra. Por esse motivo devem-se privilegiar asligações aparafusadas em obra, deixando para o estaleiro, tanto
quanto possível, ligações aparafusadas.
A título de exemplo, veja-se a comparação de percentagem de
fracturas em ligações soldadas em fábrica e em estaleiro,
resultante do sismo de Kobe (Gioncu e Mazzolanni 2002):
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HD
Protecção: os defeitos de protecção, podem dar origem a
patologias, quer resultantes de impactos, de fogo, ou, na situação
mais comum, resultantes de deficiente protecção contra a
corrosão. Estes aspectos foram abordados nos parágrafoscorrespondentes. Porém, importa apenas referir que uma
protecção mal especificada ou uma deficiente inspecção durante a
realização dos trabalhos ou periodicamente durante a vida da
estrutura, podem trazer consequências para a sua segurança, ou,
pelo menos, custos acrescidos de manutenção.
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HG
6- Utilização de estruturas metálicas (reabilitação e reforço)
6.1 Introdução
A tendência actual é de preservação da herança arquitectónica, o que
está intimamente ligado com as seguintes intervenções em edifícios
antigos, normalmente ligadas à sua danificação ou alteração de
utilização:
Reforço
Reutilização
Modernização
Actualmente uma preocupação de projecto (estrutural e não estrutural)
deve ser a possibilidade de intervenção futura neste domínio.
As intervenções são naturalmente realizadas ou em edifícios comuns ou
em edifícios de interesse arquitectónico. Em ambos os casos o aço,
através de estruturas metálicas é um material de eleição, pois:
É estruturalmente eficiente
É arquitectonicamente interessante
Facilmente pré-fabricado em componentes
Montagem simples e rápida (ligações), e minimização de
equipamento
Minimização da privação de uso, quer pela montagem, quer pela
imediata resistência
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HH
6.2 Níveis de reconstrução
Do ponto de vista estrutural, os trabalhos com estruturas metálicas
podem ser classificados como:
Assegurar segurança
Reparação
Reforço
Reestruturação
A salvaguarda de um determinado nível de segurança pode ser uma
intervenção na sequência de uma acção acidental, tal como sismo ou
impacto, ou uma deterioração não monitorada, como no caso da
corrosão. Pode ser necessário recorrer a estruturas provisórias.
Após a salvaguarda de segurança, segue-se então a reparação e/ou o
reforço
A reparação significa devolver ao edifício a sua segurança pré-existente.
O reforço significa aumentar o seu nível de segurança, quer por
deficiências de projecto ou execução, quer pela necessidade de
reconversão. As intervenções de reforço podem ser:
Alterações a elementos estruturais individuais, sem alterar
significativamente o seu desempenho global
Alterações profundas e globais
A reestruturação por seu lado envolve alterações profundas, como no
caso de extensão horizontal ou vertical, ou na formação de espaços
livres.
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6.3 Estruturas temporarias
Pela sua eficiência, facilidade de execução e montagem, e também de
desmontagem, as estruturas metálicas são das mais adequadas a estautilização particular. Referem-se algumas aplicações concretas:
6.3.1 Suportes verticais provisórios
É exemplo o escoramento com perfis laminados de colunas de pedra
Palazzo Carigliano, Turin, Italy
A execução de aberturas em paredes de pedra ou alvenaria necessitam
de apoios temporários, até à instalação da estrutura definitiva. Caso
sejam usadas vigas metálicas é necessário verificar a sua segurança
relativamente a:
Capacidade resistente das secções à flexão e esforço transverso
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Encurvadura lateral
Ligações (se aplicável)
Needles and props used for temporary vertical support to wall duringreconstruction work.(ESDEP)
6.3.2 Estabilização de elementos verticais
A estabilização de elementos verticais, frequentemente fachadas, pode
ser realizada através de estruturas metálicas de diversos tipos,
colocadas:
Exteriormente, que praticamente não interferem com os trabalhosno interior, sendo apenas de realizar previamente os trabalhos de
remoção de portas e janelas. Tem no entanto os inconvenientes
relacionados com a ocupação da via pública em meios urbanos
Interiormente, não tendo os inconvenientes atrás citados, mas que
pode interferir seriamente com os trabalhos ou mesmo com a
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definição da estrutura. Porém, a estrutura temporária pode em todo
ou em parte ser aproveitada para estrutura definitiva.
Facade retention systems (ESDEP)
escoramento de fachada
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É fundamental o contraventamento da estrutura face às acções
horizontais, e para não ocupar a via pública nem restringir demasiado o
espaço interior, a incorporação de tirantes poderá ter que ser a solução:
Temporary steel ties to prevent spread across façade (ESDEP)
Execução de caves:
Construction of a new basement - to achieve the maximum lettable floor area - aspart of a refurbishment contract in the centre of London (ESDEP)
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0:
6.4 Soluções construtivas metálicas (reabilitação e reforço)
O dimensionamento deste elementos passa, normalmente:
Pela avaliação das acções
Pela avaliação da resistência dos elementos existentes
Pela decisão do nível de reforço (interacção reforço-estrutura)
Avaliação dos esforços nos elementos de reforço
Dimensionamento dos elementos de reforço: chapas traccionadas,ao corte, à compressão, elementos de ligação como parafusos ou
soldaduras
Avaliação dos esforços de conexão aço betão e seu
dimensionamento.
Deve ser incorporada protecção contra o fogo (se aplicável, por exemploem estruturas de betão armado) e corrosão.
Faz-se aqui uma ilustração da utilização de estruturas metálicas no
reforço de estruturas de diferentes materiais.
6.4.1 Reforço de estruturas de alvenaria
Para fazer face às acções verticais ou horizontais, como no caso de
assentamentos de fundações, ou acções sísmicas.
No caso do reforço face a acções verticais, pode usar-se:
Ladear os pilares de pedra por pilares metálicos
Inserir pilares metálicos ao longo da fachada e a ela ligadospontualmente
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Inserir estruturas metálicas na bordadura de aberturas
Post Office, Leeds, UK
No caso de reforço face a acções horizontais, pode recorrer-se:
Criação de anéis horizontais ligados entre si
Estabilização dos cantos dos edifícios através de perfis com
triangulações ou pórticos acoplados
Introdução de contraventamentos de estruturas metálicas por
ligação adicional entre elementos existentes
Introdução de contraventamentos de estruturas metálicas por
estruturas trianguladas
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travamentos de fachada
Exemplo de reforço de arcos de alvenaria
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6.4.2 Reforço de estruturas de madeira
Os tradicionais pavimentos de madeira podem ser facilmente reforçados
usando estruturas metálicas.
Reforço de vigas de Madeira por introdução de perfis metálicos paralelos
Reforço de vigas de Madeira por introdução de perfis metálicos paralelos
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Podem ser introduzidas variantes, como a utilização de cantoneiras,
chapas pregadas ou coladas na parte inferior ou lateral das vigas, ou
reforço pela parte superior do pavimento, com posterior betonagem de
betão leve (eventual cofragem colaborante)
6.4.3 Reforço de estruturas de betão armado
A solução mais comum passa pela colocação de perfis metálicos ou de
chapas metálicas convenientemente ligadas ao betão armado
(conectores, resinas, etc). Estas chapas são normalmente ligadas às
faces superiores e inferiores para aumentar a resistência à flexão ou àspartes laterais para reforçar ao esforço transverso.
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Reforço de lajes de betão usando perfis metálicos
Em lajes com capitéis o procedimento torna-se menos prático e mais
dispendioso.
laje fungiformes com capitéis salientes
Uma forma muito eficaz de reforço sísmico é a colocação de estruturas
metálicas de contraventamento
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diferentes contraventamentos
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Exemplo de contraventamento
6.4.4 Reforço de estruturas de aço ou ferro
Para reforçar estruturas metálicas existentes podem ser usadas diversas
técnicas (atenção às propriedades do material original). São exemplos a
soldadura de chapas de banzo ou de cantoneiras. Um exemplo a
assinalar é a mobilização da acção mista aço-betão, introduzindo
conectores.
A ligação entre os 2 elementos deve ser analisada cuidadosamente. Se
aparafusado deve ser analisada a perda de resistência provocada pela
furação na fase de montagem. Por outro lado deve ser avaliada asoldabilidade do material existente. Por exemplo o ferro forjado não pode
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ser soldado. Estruturas metálicas das décadas de 1910 a 1930
normalmente são constituídas já por aço carbono, podem ser soldadas
com eléctrodos apropriados mas requerem normalmente pré-
aquecimento para diminuir a taxa de arrefecimento.
exemplos de reforço
Devem ser realizados ensaios para avaliar o aço existente, pois existe a
possibilidade de ter havido reutilização de materiais.
Alguns aspectos tecnológicos:
Preferir soldadura por cordão a soldaduras de topo
Especificar soldaduras de fácil acesso (qualidade)
Orientar os cordões preferencialmente na direcção das tensões
As secções mais espessas necessitam provavelmente de um pre-
aquecimento, para que no processo de arrefecimento não haja
tensões residuais muito significativas
Controle de qualidade da soldadura real, através de ensaios
representativos.
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2
6.5 Modificações de estruturas de edifícios
Os níveis de intervenção já referidos podem resultar em:
inserção de partes da estrutura
extensão da estrutura
substituição de elementos estruturais ou não estruturais existentes
por materiais mais leves
substituição integral da estrutura - apenas mantendo fachadas (s).
exemplo de pavimento mais leve
Nestes trabalhos deve ser realizada cuidadosamente a avaliação
estrutural antes da intervenção, durante, e após, tendo em conta asalterações de distribuição de acções.
Muitas vezes a substituição completa de uma cobertura em madeira
pode ser aproveitada para incorporar uma estrutura metálica que tenha
simultaneamente funções de diafragma sismo-resistente.
Quanto aos aspectos económicos e político-sociais, importa realçar queembora a substituição integral de uma estrutura mantendo a fachada
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:
seja normalmente mais cara do que a execução de um edifício de raíz,
aquele procedimento pode permitir uma maior área de construção do
que um novo edifício, resultando numa relação final custo-benefício mais
favorável para o cliente. São frequentemente também soluções impostaspelas entidades licenciadoras, como no caso da manutenção de
fachadas em zonas históricas.
Os princípios gerais a que uma reestruturação deve obedecer são
basicamente os mesmos de uma nova estrutura, com os aspectos
adicionais de compatibilização com os elementos existentes, como as
fachadas e ligação a esses elementos. O processo construtivo com as
etapas de construção são também condicionantes importantes.
Um aspecto relevante é a deformação suportada pelos elementos não
estruturais pré-existentes (por exemplo fachadas), que podem
condicionar o dimensionamento de toda a nova estrutura
(deformabilidade horizontal, por exemplo).
O processo típico de reconstrução com estrutura metálica envolve as
seguintes etapas:
Fase de projecto:
o escolha global da solução, com os elementos a manter e os
elementos a demolir;
o a solução pode ser ditada pelo tipo de edifício (edifício onde
se pretende estrutura de madeira, por exemplo);
o escolha da solução para as lajes de piso, muitas vezes
condicionadas pela ponderação entre os vãos a vencer, as
aberturas existentes nas fachadas (a manter), as instalações
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especiais a incorporar, eventual existência de tectos falsos,
etc);
o esta ponderação levará à escolha do tipo de material
estrutural e ao funcionamento das lajes (1D ou 2D);
o uma grelha de vigas justapostas podem permitir a passagem
de condutas pararelamente às vigas secundárias. (quando
existe grande folga para o pé-direito);
o vigas tipo IFB podem ajudar a reduzir a altura estrutural e
facilitar a passagem de instalações, mantendo as vantagens
de uma solução mista aço-betão;
o vigas metálicas com aberturas nas almas (tipo encastelado
por exemplo) podem ser a melhor solução para vãos
apreciáveis;
o se as condições locais permitirem, o recurso a pré-lajes de
betão armado pode ser uma solução económica, pois
minimiza as cofragens. A melhor solução passa pela
incorporação de conectores aço-betão: acção mista;
o a cofragem de chapa metálica colaborante é uma boa
solução, pois além de eliminar a tradicional cofragem é de
simples manuseamento e montagem, e revela-se económica
no dimensionamento estrutural. A protecção ao fogo pode
ser conseguida através dos revestimentos adequados ou da
incorporação de armaduras secundárias. Tem a grande
vantagem de ser facilmente cortada em obra e por isso
acomodável às irregularidades dos elementos existentes.
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D
Fase de execução:
o estrutura metálica provisória de estabilização das fachadas
(se necessário);
o demolição da estrutura interior existente;
o execução da estrutura metálica. Neste aspecto deve ter-se
em conta, e logo desde a fase de projecto, à dimensão dos
elementos especificados, pois como referido a facilidade de
manuseamento reflecte-se numa redução de custos de
execução;
o preparação para a ligação da nova estrutura à fachada
existente. Esta solução depende se se pretende apenas
estabilizar a fachada ou se há transmissão de acções
verticais. Uma solução tradicional consiste em inserir
elementos metálicos (parafusos longos na alvenariaconvenientemente chumbados), ou furação completa da
parede com apoios do lado oposto. Atenção aos aspectos
relacionados com a corrosão, pode ser conveniente em
alguns casos usar elementos de ligação em aço inox.
o Em virtude da possibilidade de movimentos diferenciais das
fundações, uma solução conveniente pode passar pelaincorporação de elementos flexíveis na direcção vertical
o execução dos restantes elementos estruturais (betão armado
por exemplo).
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G
Ligação através de chapas – flexibilidade vertical.
Ligação através de cantoneiras aos pilares.
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H
Uma solução muitas vezes posta em prática é a execução da estrutura
metálica definitiva antes da demolição (total ou parcial, apenas na
vizinhança das fachadas), usando-a ao mesmo tempo para estabilizar a
fachada, poupando a estrutura provisória. Este processo tem maiorviabilidade no caso de interiores em madeira. As vigas podem ser
incorporadas por baixo ou por cima da estrutura a demolir.
Execução prévia da estutura com travamentos provisórios.
Fase de demolição com estrutura pré-executada.
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Fase de construção da restante estrutura.
6.6 Alguns exemplos (case studies )
6.6.1 : Office Building, Sea Containers Limited, London,
Great Britain
Foi construída a estrutura de um edifício com 12 pisos destinado umhotel, mas o projecto foi abandonado. Na estrutura inicial, nos pisos
superiores a transmissão de acções era realizada através de paredes
espaçadas de 3,6 m (dimensão padrão dos quartos), e nos pisos
inferiores toda a estrutura descarregava em pilares fundados por
estacas, com vãos de 7,2m.
O edifício foi comprado por uma empresa que pretendia transformar o
edifício em escritórios, com espaços amplos. Era então necessário
substituir o as paredes por uma estrutura porticada metálica que
suportasse as lajes.
Para facilitar a execução, a demolição das paredes não se concretizou
até às fachadas, deixando troços junto as estes elementos que
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passaram a funcionar como os pilares de fachada em conjunto com a
nova estrutura.
Os perfis metálicos usados foram do tipo U colocados de cada lado das
paredes a demolir, e ligados às lajes superiores.
6.6.2 : Conversão de fábrica em ginásio (Como-Itália)
A estrutura original era uma estrutura de betão armado com 2 pisos e
pilares no interior. A estrutura metálica foi construída suportando
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completamente o piso de cobertura, e demolindo os pilares, vigas e laje
intermédia.
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(
6.6.3 : Rue De L'ourcq, Paris, France
Trata-se de uma reestruturação completa de um edifício parisience onde
o pátio interior foi ocupado em parte por estrutura metálica aparente. Oresto da estrutura existente era metálica
6.6.4 : Abadia de Val de Saint Lambert, Seraing, Bélgica
Trata-se de uma reestruturação da cobertura da abadia do séc. XIII
completamente realizada pelo interior, em estrutura tubular curva.
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6.6.5 : Palácio da Justiça – Ancona, Itália
Trata-se de uma reestruturação completa de um edifício renascentista
onde era imperioso manter as fachadas, com todas as suas aberturas.
Foi assim imaginada uma estrutura com 4 torres de betão armado
(9*9m) servindo de comunicações verticais e contraventando o edifício
face às acções horizontais, e servindo de suporte vertical ao telhado e a
5 pisos suspensos na estrutura da cobertura. Com esta solução
conseguiram-se espaços amplos no piso térreo, sem pilares.
A estrutura metálica de suspensão é relativamente simples, pois
consiste em 4 pares de treliças principais suportadas pelas 4 torres,
dispostas no perímetro do edifício. Cada par de treliças forma um caixão
com 1,8 m de largura e 4 m de altura. Todos os elementos da treliça
eram constituídos por perfis I, ligados através de chapas de gusset.
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:
A modelação foi portanto bastante simples, bem como o
dimensionamento. Em virtude de haver duas treliças dispostas
paralelamente e ligadas entre si, os problemas de instabilidade lateral de
cada treliça foram facilmente ultrapassados. O vão intermédio é de cercade 21,5 m.
As lajes são mistas aço-betão, estando suportadas por vigas suspensas
das treliças.
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6.6.6 : Edifício de pequeno porte em Coimbra
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7- Reabilitação e reforço de pontes
7.1 Introdução
Muitas pontes (neste contexto referimo-nos em particular a pontes
metálicas) foram projectadas e construídas para volumes de tréfego
muito inferiores aos actuais, para veícu
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