Galpões em pórticos com perfis estruturais laminados

Galpões em pórticos com perfis estruturais laminados

(Parte 1 de 2)

3ª Edição 2005

Flávio D ?Alambert

Coordenação Técnica: Rosângela C. Bastos Martins

Colaboração: Christiane Mirian Haddad Djaniro Álvaro de Souza Fernando Ottoboni Pinho Luciano Antinossi Cordeiro da Mata

Coordenação Gráfica: Andréa Vicentin

A utilização do aço como elemento estrutural no Brasil ainda é pequena nos diversos segmentos da construção, com exceção da área industrial, onde já existe uma participação expressiva do aço, principalmente na fabricação de galpões. Mas mesmo nesse segmento, ainda é relativamente reduzida a utilização de galpões do tipo pórtico estruturados com perfis de alma cheia. Em outros países, onde a cultura do uso do aço é mais difundida, essa solução é amplamente utilizada, devido à praticidade e rapidez na execução dos projetos.

aço. Os Perfis Gerdau Açominas, laminados, são produzidos de acordo com a Norma

Com a introdução dos Perfis Gerdau Açominas, cuja produção foi iniciada em 2002, essa solução passou a ser também uma excelente alternativa para o mercado brasileiro da construção em ASTM A 6/A 6M, em aço de alta resistência mecânica, com abas paralelas que facilitam ligações e interfaces com outros materiais, possibilitando soluções bastante econômicas. Têm qualidade certificada e são oferecidos em ampla variedade de bitolas, nos tipos I e H, entre 150 m e 610 m.

A publicação deste Manual, ᰀGalpões em Pórticos com Perfis Estruturais Laminados ?, terceiro da série ᰀColetânea do Uso do Aço ?, é mais uma iniciativa da Gerdau Açominas para o desenvolvimento da construção em aço no Brasil. O que se pretende com este manual é tornar disponíveis para os profissionais de engenharia e arquitetura, assim como construtores, investidores, e outros interessados, informações mais detalhadas sobre a aplicação de perfis laminados na construção de galpões tipo pórtico e suas vantagens.

Utilizando uma abordagem prática, o manual destaca essa solução para diferentes dimensões de vãos, alturas e espaçamento entre pórticos. Inclui também uma série de tabelas e ábacos para pré-dimensionamento, além de alguns detalhes construtivos, que foram definidos buscando-se alternativas racionais, econômicas e de fácil execução.

Nomenclatura7
1 Introdução9
com Perfis Estruturais Laminados..................................................................13
2.1 - Dimensões Padrão15
2.2 - Tipologia16
3 Premissas19
3.1 - Premissas de Cálculo21
3.2 - Normas Utilizadas21
3.3 - Sistema Estrutural21
3.4 - Parâmetros de Cálculo21
3.4.1 Tipo de Aço21
3.4.2 Deformações21
3.4.3 Contenção Lateral dos Elementos2
4 Ações e Carregamentos25
4.1 - Ações Permanentes27
4.2 - Ações Variáveis27
4.2.1 Sobrecarga27
4.2.2 Vento27
4.3 - Combinações de Carregamento28
4.3.1 Para Dimensionamento Estrutural28
4.3.2 Para Determinação das Reações nas Bases e Deformações28
5 Detalhes Construtivos29
5.1 - Nó do Pórtico...............................................................................................31
5.2 - Cumeeira.....................................................................................................32
5.3 - Emenda da Viga do Pórtico...........................................................................3
5.4 - Detalhe das Bases........................................................................................3
5.5 - Calha para Pavilhão Simples..........................................................................34
5.6 - Calha Central para Pavilhão Duplo.................................................................34
5.7 - Galpão com Fechamento e sem Calha............................................................35

2 Características dos Galpões em Pórticos 5.8 - Coberturas e Fechamentos............................................................................35

6 Tabelas e Ábacos37
6.1 - Composição dos Estágios de Ações39
6.2 - Composição Geométrica39
6.3 - Esforços nos Nós do Pórtico40
6.4 - Tabelas de Pré-dimensionamento41
6.5 - Ábacos de Pré-dimensionamento4
6.6 - Detalhe das Bases47
6.7 - Tabela de Perfis Gerdau Açominas48
7 Exemplos de Utilização53
7.1 - Consulta Direta Vão Padrão5
7.2 - Consulta por Interpolação Vão Qualquer56
7.3 - Projeto de um Galpão com Vão Padrão...........................................................56

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 8 Consumo Aproximado de Aço ........................................................................63

NOMENCLATURA Maiúsculas

Designação B G H

I x

I y

L b

M x1

M x2

R h1

R h2

R v1

R v2

Q n

W x

W y

Descrição

Espaçamento entre pórticos

Ações permanentes

Altura do pórtico

Momento de inércia no eixo X-X Momento de inércia no eixo Y-Y

Vão livre do pórtico

Comprimento destravado da viga do pórtico

Momento fletor no plano do pórtico - permanente + acidental

Momento fletor no plano do pórtico devido ao vento Reação horizontal para carga permanente + acidental

Reação horizontal para carga de vento

Reação vertical para carga permanente + acidental

Reação vertical para carga de vento

Ações variáveis Estágios de ação

Área da seção transversal do perfil

Fator topográfico

Fator de rugosidade do terreno

Fator estatístico

Velocidade básica do vento

Módulo resistente elástico no eixo X-X Módulo resistente elástico no eixo Y-Y

Unidade m ou m KN m ou m

4 cm

4 cm m ou m m ou m

KNm KNm KN KN KN KN KN

S/unid.

2 cm

S/unid. S/unid. S/unid.

m/seg.

3 cm

3 cm

Designação b f f u f y r x r y t f t w

Descrição

Largura da aba

Altura total do perfil Altura livre da alma

Limite de resistência do aço Limite de escoamento do aço

Altura interna do perfil

Raio de giração no eixo X-X Raio de giração no eixo Y-Y

Espessura da aba Espessura da alma

Unidade m m

2 KN/cm

2 KN/cm m cm cm m m htr(máx)Índice de esbeltez máximomm

Letras Gregas

Designação g gq yj

D vert lim D hor lim

Descrição

Coeficientes de ponderação das ações permanentes (NBR 80)

Coeficientes de ponderação das ações variáveis (NBR 80)

Fatores de combinação

Deformação vertical limite Deformação horizontal limite

INTRODUÇÃO 1

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 1

1 - INTRODUÇÃO 1.1 - Objetivos

1.2 - Pórticos Utilizando Perfis Laminados

" Oferecer as principais diretrizes para elaboração do projeto de um galpão com sistema estrutural em pórtico de alma cheia.

" Facilitar, através da utilização de tabelas e ábacos, o pré-dimensionamento dos pórticos compostos com os Perfis Gerdau Açominas.

Por pré-dimensionamento entenda-se o estágio em que o calculista das estruturas faz o estudo e a análise preliminar de dimensionamento dos pórticos, obtendo como resultado uma estimativa do peso da estrutura e os perfis que podem ser utilizados. Usando-se as premissas e parâmetros estabelecidos neste estudo é possível obter-se resultados muito próximos do cálculo definitivo.

Pórticos estruturados com Perfis Laminados são largamente utilizados na construção de edifícios industriais e comerciais, devido às suas características que possibilitam uma ótima relação entre vão e peso próprio.

Os galpões em sistema do tipo pórtico de alma cheia proporcionam uma série de vantagens ao projeto desde sua concepção até a montagem, sendo algumas das principais, as seguintes:

" Padronização estrutural e construtiva " Simplicidade de projeto e detalhamento " Liberdade no projeto arquitetônico " Facilidade para compor ampliações " Possibilidade de vencer grandes vãos livres com baixo peso próprio " Compatibilidade com componentes e outros sistemas construtivos industrializados " Canteiros organizados " Rapidez de fabricação e montagem das estruturas " Menores prazos de execução da obra " Fácil manutenção

2 - Características dos Galpões em Pórticos com Perfis Estruturais Laminados

2.1 - Dimensões Padrão

Para elaboração deste manual foram desenvolvidas várias opções, considerando vãos de pórticos entre 15 metros e 45 metros, altura das colunas entre 6 e 12 metros e distância entre pórticos de 6 metros a 12 metros.

Os resultados obtidos estão registrados em tabelas e ábacos que permitem o rápido prédimensionamento dos pórticos da estrutura principal, incluindo a interpolação para medidas intermediárias.

A seguir, indicam-se os valores usados neste manual para os vãos dos pórticos, a altura das colunas e a distância entre os pórticos (figura 1).

Tabela 1- Tabela das Dimensões Padrão (m)

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 15

Figura 1 - Dimensões Padrão

B 1 = 6,0
B 2 = 9,0
B 3 = 12,0

Distância entre Pórticos

H 1 = 6,0
H 2 = 9,0
H 3 = 12,0

Altura das Colunas

Vão dos Pórticos L 1 = 15,0 L 2 = 20,0 L 3 = 25,0 L 4 = 30,0 L 5 = 35,0 L 6 = 40,0 L 7 = 45,0

IMPORTANTE: É fundamental a avaliação de um profissional habilitado quando da elaboração do projeto executivo.

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 16

Figura 2 - Galpão de Vão Simples

H Coluna

Viga

Figura 3 - Galpão de Vãos Múltiplos

L L 2º Pavilhão1º Pavilhão

2.2 - Tipologia

Esses galpões podem ser classificados em dois tipos básicos: os de vão simples (figura 2) e os de vãos múltiplos (figura 3).

Os estudos desenvolvidos prevêem possibilidades de ampliação tanto lateral quanto longitudinal (figura 4), ou seja, são permitidas expansões nos galpões sem alteração do dimensionamento dos pórticos.

Na ampliação lateral (duplicação do pórtico) as cargas verticais no pilar central terão seu valor duplicado. Já os esforços fletores diminuirão, pois as ações horizontais, principalmente devidas ao vento, serão suportadas por um número maior de pilares fazendo com que o perfis utilizados sejam mantidos, mesmo com o aumento dos esforços verticais.

Obedecendo-se os devidos critérios de análise, este sistema também possibilita ampliações do tipo anexo (figura 5).

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 17

Figura 4 - Possibilidades de Ampliação

Ligação Rotulada L L

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 21

3.1 - Premissas de Cálculo

3.2 - Normas Utilizadas 3.3 - Sistema Estrutural

3.4 - Parâmetros de Cálculo 3.4.1 Tipo de Aço

3.4.2 Deformações - Figura 6

Os modelos de Galpões em Pórtico com Perfis Estruturais Laminados Gerdau Açominas foram desenvolvidos segundo algumas premissas e práticas de cálculo consagradas.

A partir da série de perfis e de carregamentos adequados às condições brasileiras, definiram-se as dimensões mais econômicas para o sistema estrutural adotado.

Com base nessas dimensões definiram-se os estágios de carregamento (Qn), que representam a associação da distância entre pórticos com a carga de vento.

Esses estágios de carregamento em conjunto com o vão e a altura do pórtico estabelecem toda a base do dimensionamento.

Os resultados obtidos foram organizados em tabelas e ábacos de pré-dimensionamento, tendo em conta as variáveis acima mencionadas, e podem ser vistos no capítulo 6.

" NBR 80/86 - Projeto e Execução de Estruturas de Aço e Edifícios " NBR 6123/8 - Forças Devidas ao Vento em Edificações " AWS D1.1/92 - American Welding Society

" - pórticos rígidos com Perfis Gerdau Açominas e bases engastadas

" Longitudinal - pórticos contraventados verticalmente com bases rotuladas.

o " Inclinação da cobertura de 10% (5,71)

Todos os cálculos demonstrados neste manual consideram o uso de Perfis Gerdau Açominas em aço ASTM A 572 Grau 50, com F > 345 Mpa. y

" Verticais - L/180 para sobrecargas " Horizontais - H/400

Transversal

2 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

3.4.3 Contenção Lateral dos Elementos do Pórtico

" Vigas:

As abas comprimidas da viga do pórtico devem estar contidas no máximo a cada 2,5 m

(L - figura 7), que é o espaçamento máximo, para efetivo travamento destes elementos, e b garantia de sua estabilidade. É usual utilizar-se os elementos secundários da cobertura (terças) para essa finalidade, mas, nesse caso, eles deverão ser calculados e avaliados para que proporcionem a efetiva contenção do pórtico.

" Colunas:

O comprimento efetivo de flambagem, foi definido de modo que o índice de esbeltez seja menor ou igual a 150. Para que isso ocorra o comprimento destravado máximo, h, deve atender a tr tabela 2.

Para que uma contenção possa ser considerada efetiva, fazendo com que o comprimento de flambagem do elemento que está sendo travado seja igual à distância entre os pontos nos quais essas contenções estejam presentes, deve ser avaliada a resistência e a rigidez dos elementos de contenção, considerando-se suas dimensões e propriedades geométricas.

Figura 6 - Valores Máximos para a Deformação

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 23

Tabela 2 - Tabela de hpara kL/r = 150 tr (máx)

W 200 x 26,6 W 250 x 32,7 W 250 x 38,5 W 360 x 4,0 W 410 x 38,8 W 410 x 46,1 W 410 x 53,0 W 410 x 60,0 W 410 x 67,0 W 410 x 75,0 W 460 x 52,0 W 460 x 60,0 W 460 x 68,0 W 460 x 74,0 W 460 x 82,0 W 460 x 89,0 W 530 x 6,0 W 530 x 72,0 W 530 x 74,0 W 530 x 82,0 W 530 x 85,0 W 530 x 92,0 W 610 x 101,0 W 610 x 113,0 W 610 x 155,0 W 610 x 174,0 h (m) tr

H h h Coluna

Viga

Figura 7 - Identificação de L e h btr

4 - Ações e Carregamentos 4.1 - Ações Permanentes

4.2 - Ações Variáveis 4.2.1 Sobrecarga na Cobertura

4.2.2 Vento NBR6123/8

As ações adotadas nos cálculos dos galpões e seus componentes referem-se a galpões sem ponte rolante.

Nos casos de aplicações específicas da edificação, que exijam carregamentos especiais, deverão ser feitas as verificações pertinentes das estruturas.

Peso próprio das estruturas metálicas:

2 2 " 0,25 KN/m (25 kg/m) - Segundo NBR 80/86

Foram considerados dois casos de vento:

"Para construção totalmente fechada, sem aberturas dominantes e com as quatro faces

"Para construção totalmente aberta igualmente permeáveis

Deve ser observado, no caso de construção totalmente aberta, se a relação entre a altura e o vão coloca a edificação na condição de cobertura isolada, como estabelece o item 8.2 da Norma. Neste caso, deverão ser feitas verificações necessárias, pois não está previsto neste estudo.

Fatores considerados:

" Velocidades básicas do vento de 30, 35, 40 e 45 m/s " Fator Topográfico S1 = 1 " Fator de Rugosidade S2 para categoria I e classe B " Fator estatístico S3 = 1

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 27

Pórtico Terças e tirantes Contraventamentos Telhas

Peso Estimado

2 2 0,05 KN/m(5 kgf/m)

2 2 0,05 KN/m(5 kgf/m)

2 2 0,06 a 0,12 KN/m(6 a 12kgf/m)

4.3 - Combinações de Carregamento

g q11qj jj

S (gG) + g Q + S (g yQ)

4.3.1 Para dimensionamento estrutural utilizam-se as seguintes combinações (cargas fatoradas):

(cargas de serviço):

4.3.2 Para determinação das reações nas bases e deformações usam-se as combinações

A NBR 80/86 classifica as ações de carregamento basicamente em três categorias:

Ações Permanentes são as decorrentes das características da estrutura, ou seja, o peso próprio da estrutura e dos elementos que a compõem, como telhas, forro, instalações, etc.

Ações Variáveis são as decorrentes do uso e ocupação, tais como equipamentos, sobrecargas em coberturas, vento, temperatura, etc.

Ações Excepcionais são as decorrentes de incêndios, explosões, choques de veículos, efeitos sísmicos, etc.

Com base nessas definições, as combinações de ações para os estados limites últimos, são classificadas em normais e excepcionais. Por ser este um trabalho orientativo, consideram-se apenas as ᰀcombinações normais ?, que são as que cuidam das ações permanentes e das variáveis.

As combinações de carregamento definidas no item 4.8.1 da NBR 80/86 são as seguintes:

Gações permanentes

Qações variáveis principais (predominante para o efeito analisado) 1

Qdemais ações variáveis j gcoeficiente de ponderação das ações permanentes g gcoeficiente de ponderação das ações variáveis q yfatores de combinação das ações variáveis

" 1,3 x Ações Permanentes " 1,3 x Ações Permanentes + 1,5 x Sobrecargas " 1,0 x Ações Permanentes + 1,4 x Vento " 1,3 x Ações Permanentes + 1,5 x Sobrecargas + 0,6 x 1,4 x Vento " 1,3 x Ações Permanentes + 1,4 x Vento + 1,0 x 1,5 x Sobrecargas

" 1,0 x Ações Permanentes + 1,0 x Sobrecargas " 1,0 x Ações Permanentes + 1,0 x Vento

28 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 31

Figura 8 - Nó do Pórtico e Recorte das Mísulas

5 - Detalhes Construtivos

5.1 - Nó do Pórtico

As ligações devem ser projetadas e calculadas para os esforços atuantes em cada projeto, a fim de garantir a estabilidade do sistema.

O projeto de uma ligação deve considerar além dos esforços atuantes, a definição dos vínculos estabelecidos no cálculo dos elementos, de forma que reproduza o sistema estrutural adotado.

Como ilustração, definimos alguns exemplos de detalhes construtivos das ligações principais do sistema.

Neste estudo foi definido engaste para a ligação da viga do pórtico com a coluna.

Nesse tipo de ligação é usual que os esforços cortantes sejam absorvidos apenas pela alma, ficando as abas do perfil responsáveis pelo momento fletor.

Essas ligações podem ser soldadas ou parafusadas, de acordo com as necessidades e recursos definidos por cada situação.

ATENÇÃO: Nos nós de pórtico utiliza-se mísulas na definição do engaste da ligação viga-pilar (figura 8). As mísulas são obtidas pelo corte do próprio perfil.

Figura 8 - Nó do Pórtico e Recorte das MísulasFigura 8 - Nó do Pórtico e Recorte das Mísulas b = L/10

Espessura = b

Linha de corte para obtenção da mísula

Podem ser previstas furações para ampliação futura

Para esforços, consulte a tabela no Capítulo 6.

Mísula d

32 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

5.2 - Cumeeira

Figura 9 - Nó do Pórtico para Duplo Pavilhão b = L/10Mísula b = L/10

Para esforços, consulte a tabela no Capítulo 6. Figura 10 - Cumeeira

Para esforços, consulte a tabela no Capítulo 6.

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 3

5.3 - Emenda da Viga do Pórtico

5.4 - Detalhe das Bases Figura 12 - Base do Pórtico

com os Esforços de cada Projeto

Figura 1 - Emenda da Viga do Pórtico, Calculada de Acordo Para esforços, consulte a tabela no Capítulo 6.

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