Estruturas Metálicas I

Estruturas Metálicas I

(Parte 1 de 3)

Faculdade de Engenharia Engenharia Civil

Livio Moreira Matheus Gomes

Rodrigo César de Oliveira Thalles José do Valle

Estruturas Metálicas I 8 ºPeríodo Prof(o). Oton Silva Soares

Governador Valadares, 13 de Fevereiro de 2015

1.0 - INTRODUÇÃO4
2.0 - OBJETIVO5
3.0 - SISTEMA CONSTRUTIVO METÁLICO6
3.1 - Hastes ou Barras7
3.1.1 - Tirantes7
3.1.2 - Colunas ou Pilares8
3.1.3 - Vigas8
3.1.4 - Componentes de Treliças ou Tesouras9
3.2 - Placas ou chapas9
3.3 - Bases de pilares10
3.3.1 - Bases rotuladas10
3.3.2 - Bases engastadas10
3.4 - Chapas de bases1
3.5 - Chumbadores1
3.6 - Mezanino1
4.0 - SISTEMA CONSTRUTIVO MISTO1
4.1 - Vigas mistas12
4.2 - Pilares mistos13
4.2.1 - Pilares revestidos13
4.2.2 - Pilar misto parcialmente revestido14
4.2.3 - Pilar preenchido14
4.3 - Lajes mistas15
4.4 - Pavimentos ou pisos mistos16
5.0 - TIPOS DE AÇO17
5.1 - Aço carbono17
5.2.1 - Aços de Alta Resistência Mecânica18
5.2.2 - Aços de Alta Resistência Mecânica e Corrosão Atmosférica18
5.3 - Propriedades dos aços estruturais18
6.0 - SISTEMA DE LAJE MISTA-STEEL DECK20
7.0 - CAMARGO CORREA TOWER23
7.1 - Perfil corporativo empresa Camargo Corrêa23
7.2 - Camargo Corrêa Corporate Towers24
7.3 - Especificações técnicas25
7.4 - Estruturas29
8.0 - CONSIDERAÇÕES FINAIS30

1.0 – INTRODUÇÃO

Compreendemos que no mundo atual a concorrência conduz o profissional a executar um trabalho mais econômico e original, objetivando atingir o menor custo total possível. A evolução do sistema de fabricação, pesquisas constantes que possibilitam atualização nas normas, conduzem a tensões de serviços cada vez mais elevadas. Novos conceitos de engenharia civil, estrutural e mecânica contribuem para a racionalização de projetos. Materiais de maior resistência mecânica e tenacidade são lançados no mercado, contribuindo para o uso de estruturas mais leves.

2.0 - OBJETIVO

Estudar os principais componentes e sistema construtivo com estrutura metálica, e com isso, conhecer suas principais vantagens. Maior área útil, compatibilidade com outros materiais, menor prazo de entrega da obra, garantia de qualidade, reciclabilidade, preservação do meio ambiente, precisão construtiva entre outras. E assim, nos mostrar e ensinar a sua importância na construção civil.

3.0 - SISTEMA CONSTRUTIVO METÁLICO

O sistema construtivo metálico consiste do emprego de aço como principal elemento estrutural.

Essas estruturas são formadas por peças metálicas ligadas entre si por meio de conectores (parafusos, rebites) ou soldas. São peças com seções transversais limitadas em função da capacidade dos laminadores e seus comprimentos também são limitados em função dos transportes disponíveis.

Após determinar o tipo de aço, as características geométricas das figuras planas que satisfazem as seções transversais das peças estruturais que serão utilizados na estrutura, precisa-se estudar os efeitos das forças que irão atuar nessas estruturas.

De modo geral, essas peças ou elementos estruturais podem ser classificadas em:

3.1 - Hastes ou Barras

Peças cujas dimensões transversais são pequenas em relação ao seu comprimento. Dependendo da solicitação predominante, essas hastes ou barras podem ser denominadas:

Tirante são elementos de ancoragem que nos permitem transferir, por tração, para o interior do maciço, esforços de uma superfície, através de cabos ou monobarras de aço. Os tirantes são agrupados em três tipos: de barra, de fios e de cordoalha. Suas principais aplicações são: Contenção de taludes em solo e rocha;

Sustentação de paredes para escavação profunda;

Ancoragem de lajes para combater a subpressão;

Fixação de estruturas especiais, quer em solo ou rocha.

Santarém - Ponte Salgueiro Maia

3.1.2 - Colunas ou Pilares

Elemento estrutural vertical usado normalmente para receber os esforços diagonais de uma edificação e transferi-los para outros elementos, como as fundações. Sujeitos à compressão axial;

Colunas Metálicas. Fonte: Arquivo pessoal. Fotos tiradas na construção do Cinema em Governador Valadares.

Sujeitas à cargas transversais que produzem momentos fletores e esforços cortantes;

Vigas Metálicas. Fonte: Arquivo pessoal. Fotos tiradas na construção do Cinema em Governador Valadares.

3.1.4 - Componentes de Treliças ou Tesouras Sujeitas a tração e compressão axiais.

Treliça metálico. Fonte: Arquivo pessoal. Fotos tiradas na construção do Cinema em Governador Valadares.

3.2 - Placas ou chapas

São peças cujas dimensões de superfície são grandes em relação a sua espessura.

Figura ilustrativa de placa de pilar

3.3 - Bases de pilares

Para bases de pilares, existem dois tipos básicos de bases: as rotuladas e as engastadas.

Ilustração de base de pilar. Fonte: Arquivo pessoal.

3.3.1 - Bases rotuladas

Assemelha-se a uma rótula perfeita (FIG. 1.1a). Esse tipo de base é pouco utilizado devido às dificuldades de fabricação. A base rotulada mais simples e mais utilizada é formada por uma placa soldada à extremidade inferior do pilar e pela colocação de chumbadores posicionados o mais próximo possível de seu eixo de interesse (FIG. 1.1b). Esse tipo de base torna menor o custo da fundação.

3.3.2 - Bases engastadas

Propiciam estruturas mais econômicas e fundações mais onerosas que as rotuladas. Esse tipo de base tem a capacidade de resistir, além das forças verticais, aos momentos fletores devidos ao esquema estrutural adotado. A base engastada mais simples e mais utilizada consiste em uma placa soldada à extremidade inferior do pilar, com chumbadores afastados da linha de centro, com objetivo de se formar um braço de alavanca (FIG. 1.1c).

3.4 - Chapas de bases

São chapas dimensionadas a partir da tensão gerada pela aplicação do esforço de compressão, supondo que a chapa possua dimensões maiores do que os pilares.

3.5 - Chumbadores

São elementos metálicos inseridos na estrutura com a finalidade de garantir ancoragem eficaz ou constituir elemento genérico de fixação.

Ilustração de chumbador. Fonte: Arquivo pessoal.

3.6 - Mezanino

São estruturas de dimensões das mais variadas mas que, no entanto, tendem a ter essas dimensões menores do que a área onde estão inseridas.

4.0 - SISTEMA CONSTRUTIVO MISTO

O sistema construtivo misto é aquele composto, parcialmente ou totalmente, por elementos formados por dois materiais distintos.

As estruturas mistas podem ser constituídas de modo geral, de concretomadeira, concreto-aço ou aço-madeira. Um sistema de ligação entre os dois materiais deve ser utilizado para assegurar a transferência de esforços, e também evitar o desprendimento vertical dos dois materiais.

Essa combinação visa aproveitar as vantagens de cada material, tanto em termos estruturais como construtivos. É um método construtivo que se destaca pela rapidez de execução e pela significativa redução de peso total da estrutura.

mistas

No Brasil, a NBR 80/86 aborda somente o dimensionamento de vigas

Esses elementos mistos surgiram da necessidade de proteção dos perfis de aço contra a ação do fogo e da busca por maior rigidez destes elementos. Sua utilização, quer seja na forma de vigas mistas, lajes mistas ou pilares mistos, tem apresentado um grande crescimento nas últimas décadas. Devido à crescente utilização, critérios para dimensionamento e verificação de elementos mistos foram incorporados a diversas normas técnicas, sobretudo naquelas que abordam estruturas de aço.

O dimensionamento de pilares mistos e lajes mistas, que não eram abordados pela NBR 80, foram incluídos num dos anexos da NBR 14323/9 (dimensionamento de estruturas de aço em situação de incêndio) que aborda o dimensionamento de estruturas de aço em situação de incêndio. Atualmente após a revisão de texto, a NBR 80 já contempla o dimensionamento de lajes mistas, vigas mistas, pilares mistos e ligações mistas. Os elementos são compostos por:

4.1 - Vigas mistas

A viga mista é composta por um perfil I, conectado à laje de concreto por conectores de cisalhamento. Podem ser simplesmente apoiadas ou contínuas. As simplesmente apoiadas contribuem para a maior eficiência do sistema misto, pois a viga de aço trabalha predominantemente à tração e a laje de concreto à compressão.

Ilustração de seções mistas em vigas. 4.2 - Pilares mistos

Existem diversos tipos de pilares mistos, que diferem entre si pela posição que o concreto ocupa na seção transversal. Em função desta posição, os pilares mistos podem ser classificados em: revestidos, parcialmente revestidos e preenchidos.

Ilustração de seção mista em pilares.

4.2.1 - Pilares revestidos O concreto envolve o perfil de aço.

Pilar revestido

O concretoé utilizado somente no preenchimento do espaço entre as

4.2.2 - Pilar misto parcialmente revestido mesas do perfil I.

Pilar parcialmente revestido

É formado por um perfil tubular (retangular ou circular) de aço preenchido com concreto.

Pilares preenchidos

Quanto aos pilares revestidos e parcialmente revestidos, são necessárias fôrmas e barras de armadura para evitar a flexão do concreto.

Os pilares parcialmente revestidos podem dispensar as fôrmas se a concretagem for executada na horizontal, executando o preenchimento de um dos lados e, em seguida, o preenchimento do outro lado.

4.3 - Lajes mistas

É um elemento estrutural composto por uma chapa perfilada sobre o qual é adicionado concreto. Após a cura do concreto os dois materiais funcionam em conjunto desenvolvendo um comportamento misto, portanto, estes dois materiais são travados entre si, garantindo assim um comportamento solidário.

Atualmente a utilização das lajes com forma de aço incorporada é uma alternativa atraente porque permite a racionalização do processo construtivo e, por isso, são empregadas com sucesso em edifícios de aço, de concreto armado e em pontes, apresentando vantagens construtivas, estruturais e econômicas. Dentre as vantagens advindas do uso de lajes com forma de aço incorporada cita-se as mais relevantes: ♦ A forma de aço substitui as armaduras de tração da laje, gerando economia de tempo, material e mão de obra, pois os serviços de corte, dobramento e montagem das armaduras são eliminados ou reduzidos; ♦ Elimina a utilização de formas de madeira, que constituem uma parcela significativa do custo total de uma estrutura de concreto; ♦ Reduz sensivelmente a necessidade de escoramentos tornando o canteiro de obras mais organizado, reduzindo o tempo gasto com montagem e desmontagem dos escoramentos e retirada de forma; ♦ A forma de aço pode servir de plataforma de trabalho nos andares superiores e proteção aos operários em serviço nos andares inferiores; ♦ As formas de aço são leves, de fácil manuseio e instalação;

♦ O uso de formas de aço facilita a execução das diversas instalações e a fixação de forros falsos.

Ilustrações da composição de uma laje mista metálica.

Ilustrações da composição de uma laje mista metálica.

4.4 - Pavimentos ou pisos mistos

A nomenclatura “pisos mistos” é utilizada para descrever um tipo de sistema estrutural e construtivo no qual as vigas são embutidas na altura da laje de concreto. Estes pisos mistos são formados por vigas I de abas desiguais e lajes de concreto ou mistas, embutidas nestas vigas. Ou seja, a aparência compacta, fruto do embutimento de parte da viga de aço no concreto da laje é a principal característica deste tipo de piso.

Imagens retiradas da internet.

5.0 - TIPOS DE AÇO O aço utilizado em estruturas metálicas divide-se em dois grupos;

5.1 - Aço carbono

É o mais usual, utiliza-se o carbono para aumentar a resistência do aço em relação ao ferro, no entanto, se o teor de carbono ultrapassar os valores dos limites estabelecidos, teremos um decréscimo na soldabilidade, trazendo dificuldades de fabricação e montagem das estruturas.

Dentre os perfis mais usuais de aço-carbono podemos citar:

ASTM A-36: É considerado o tipo mais comum de aço-carbono e que contém de 0,25 a 0,29% de carbono, sendo utilizado em perfis, barras e chapas para os mais diversos tipos de construção, desde pontes, edifícios, etc. ASTM A570: É empregado principalmente para perfis de chapas dobradas, devido à sua maleabilidade. ASTM A307: Aço de baixo carbono utilizado em parafusos comuns. ASTM A325: Aço de médio carbono utilizado em parafusos de alta resistência.

5.2 - Aço de baixa liga

É obtido pelo mesmo aço-carbono acrescido de elementos de liga em proporções sutis (cobre, manganês, silício, etc). O acréscimo desses elementos promovem alteração na micro estrutura original, aumentando a resistência desse tipo de aço e consequentemente aumentando a resistência à oxidação. No entanto, estes elementos atribuem acréscimo de custos nas estruturas.

Dessa maneira, os aços de baixa-liga podem ser sub-divididos em:

5.2.1 - Aços de Alta Resistência Mecânica

ASTM A441: Utilizado em estruturas que necessitem de alta resistência mecânica. ASTM A572: Utilizado em estruturas que necessitem de alta resistência mecânica têm, atualmente, aumentado consideravelmente seu uso no mercado de perfis, em especial, vigas tipo ‘ I ‘ ou ‘ U ’.

5.2.2 - Aços de Alta Resistência Mecânica e Corrosão Atmosférica

ASTM A242: Possuem o dobro da resistência à corrosão do aço-carbono, o que permite sua utilização plena em situações de exposições às intempéries.

5.3 - Propriedades dos aços estruturais

Para melhor se compreender o comportamento das estruturas de aço, se faz necessário conhecer, de forma satisfatória, as principais propriedades dos aços estruturais.

O primeiro ponto a ser analisado deve ser o diagrama de tensão-deformação, para se analisar e entender o comportamento estrutural. Quando solicitamos um corpo de prova ao esforço normal de tração, podemos obter valores importantes para a determinação das propriedades mecânicas dos aços.

As primeiras propriedades mecânicas que devem ser salientadas são: Fy : Tensão limite de resistência à tração (variável para os tipos de aço) Fu : Tensão última de resistência à tração (variável para os tipos de aço) E : Módulo de Elasticidade = 205 Gpa

Elasticidade vem a ser a capacidade que certos elementos estruturais têm de voltar à sua forma original após sucessivos ciclos de carregamento e descarregamento.

Coeficiente de Poisson é o coeficiente de proporcionalidade entre as deformações longitudinal e transversal de uma peça. Quando se realiza estudos das deformações ao longo do eixo longitudinal de uma peça, observa-se uma propriedade em todos os sólidos relativas às deformações consequentes transversais. Portanto, o coeficiente de Poisson equivale o mesmo que coeficiente de deformação transversal.

Quando se eleva ou se abaixa a temperatura de um corpo, o material se dilata ou se contrai, a não ser que seja impedido por circunstâncias locais e, havendo a mudança de temperatura de uma barra livre, o Coeficiente de Dilatação Térmica do material é a variação por unidade de comprimento e por grau de temperatura.

Módulo de Elasticidade Transversal ou simplesmente Módulo de Elasticidade de Cisalhamento, é utilizado quando ocorre a extensão ou encurtamento motivada por cisalhamento, ou seja, por corte no plano perpendicular. Essas deformações por corte, ocorrem com as de tração-compressão na flexão e torção.

Outras propriedades que devem ser estudadas são: Dureza – É a resistência ao risco ou abrasão e pode ser medida pela resistência com que a superfície do material se opõe à introdução de uma peça de maior dureza. Os ensaios de dureza são bastante utilizados para verificar a homogeneidade do material.

Ductilidade – É a capacidade do material de se deformar sob a ação de cargas e as estruturas dotadas de maior ductilidade sofrem grandes deformações antes de se romperem, o que na prática constitui um aviso da existência de tensões elevadas, ou seja, o aço vai além do seu limite elástico.

Tenacidade – É a energia mecânica total que o material pode absorver em deformações elásticas e plásticas até a sua ruptura.

Resiliência – É a energia mecânica total que o material pode absorver em deformações elásticas até sua ruptura.

Efeito de Alta e Baixa Temperaturas – As altas temperaturas modificam as propriedades mecânicas dos aços estruturais, pois acima de 100ºC, a uma tendência a se eliminar a definição linear do limite de escoamento, surgindo reduções centuadas das resistências de escoamento bem como do módulo de elasticidade. As baixas temperaturas, por sua vez, estabelecem a perda de ductibilidade e de tenacidade, o que constitui uma fato indesejável, podendo conduzir à ruptura frágil.

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