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Engenharia

Edificações – Estruturas Metálicas

By 22 de novembro de 2018 No Comments

O aço é uma variante do ferro. Basicamente ele é obtido a partir do minério de ferro + coque (combustível com altos teores de carbono) + cal. Sua fabricação pode ser dividida em:

  1. – Sinterização ou preparo da carga: O sinter é obtido aglomerando grande parte dos finos do minério de ferro com a cal e finos de coque. O coque é obtido processando o carvão mineral na coqueria.
  2. – Redução ou produção da gusa: O alto forno é carregado com a matéria prima (sinter + coque). O coque em contato com o oxigênio produz calor que funde a carga metálica e dá inicio ao processo de redução do minério de ferro, transformando- o em um metal líquido: o ferro gusa (liga de ferro e alto teor de carbono).
  3. – Refino: Nas aciarias a oxigênio ou elétricas o gusa liquido ou sólido e sucata de ferro é transformado em aço liquido. Nesta fase também é retirado parte do carbono juntamente com as impurezas e a maior parte do aço liquido é solidificada em equipamentos de lingotamento contínuo que produzem semi-acabados, lingotes e blocos.
  4. – Laminação: Os semi-acabados, lingotes e blocos são processados por equipamentos chamados laminadores e transformados em uma grande variedade de produtos cuja nomenclatura depende de sua forma e/ou composição química.

O aço talvez seja o mais versátil de todos os materiais estruturais. Ele tanto resiste bem à tração quanto a compressão. E isso faz dele um material de alta resistência às cargas de flexão como também as cargas axiais.

O aço também é mais forte dos materiais estruturais, cerca de 20 vezes mais forte que a madeira e 10 vezes mais forte que o concreto, e isto faz com que ele tenha um ótimo desempenho em edifícios altos e pontes de grandes vãos. Sendo esta uma das principais características do aço, é possível conseguir edificações com elementos estruturais muito esbeltos e com baixo volume de material estrutural.

A maioria das estruturas de aço tem geometria regular e retilínea, e são formadas por perfis laminados ou soldados, sendo “ ” e “H” os tipos que são muito utilizados como vigas e colunas dos edifícios. Outro tipo de perfil muito utilizado neste tipo de estrutura são os perfis de chapa dobrados que normalmente são usados em estruturas leves e de cobertura. A figura 1.1 mostra um detalhe de encontros entre colunas, em perfil soldado tipo “ ”, vigas, em perfil soldado do tipo “ ” e barras de contraventamentos.

Apesar dos perfis em aço terem geometria retilínea é possível fabricá- los também em formas curvas. Entretanto, o sistema de pré-fabricação utilizado neste tipo de construção deve ser abandonado nas edificações irregulares e curvilíneas, pois um sistema que utiliza a pré-fabricação exige repetição dos seus elementos e que eles sejam regulares.

Assim uma estrutura de aço de um edifício tem uma forma relativamente simples, e o arquiteto terá uma liberdade muito grande no que diz respeito ao planejamento do interior e do tratamento externo da edificação. O interior pode ser subdividido com paredes não estruturais e ainda pode existir um planejamento individualizado por pavimento.

 

1. As propriedades e composição do aço

Como já foi citado, o aço é uma variante do ferro e é produzido a partir do minério de ferro, coque e cal. Na sua forma mais simples, o aço é o ferro gusa refinado, contendo de 0,02% a 2% de carbono. Existe uma grande diversidade de Aço-Liga que pode ser produzida com adição de outros elementos ao aço básico. Alguns dos elementos de liga mais importante são:

  • Manganês: usado praticamente em todo aço comercial. Melhora a resistência, auxilia na remoção do oxigênio e corrige os efeitos adversos do enxofre;
  • Níquel: aumenta a dureza, a resistência, a durabilidade, a rigidez e a resistência a corrosão;
  • Cobre: melhora a resistência a corrosão;
  • Silício: melhora as características magnéticas;
  • Molibdênio: melhora a temperabilidade e a dureza;
  • Cromo: melhora as qualidades de endurecimento e a resistência a corrosão;
  • Vanádio: melhora as propriedades mecânicas, características de tratamento térmico e a dureza.

Os aços estruturais, que são adequados para o uso em elementos que suportam cargas, podem ser agrupados sob três classificações gerais, para as quais as faixas de tensão mínima de escoamento especificado são aproximadamente:

  • Aços carbono: 195 a 260 Mpa
  • Aços de alta resistência e baixa liga: 290 a 345 Mpa
  • Aços-liga para construção, tratados termicamente: 630 a 700 Mpa

Os aços carbono são geralmente usados quando forem baixas as solicitações de cálculo e quando o critério principal de dimensionamento for a rigidez da estrutura. Segundo a NBR 7007 o aço MR 250, que é correspondente ao ASTM A36, é um aço carbono, soldável e disponível sob a forma de perfis estruturais, que tem tensão de escoamento igual a 250 Mpa e tensão de ruptura igual a 400 Mpa. Os principais aços estruturais ASTM e sua utilização estão apresentados na tabela 1.

Os aços estruturais com limites de escoamento iguais ou superiores a 290 Mpa, que adquirem resistência pela adição de pequenas quantidades de elementos de liga, ao invés de tratamento térmico, são designados aços de alta resistência e baixa liga. Eles são disponibilizados na forma de chapas, perfis estruturais, barras, tubos estruturais, chapas finas e bobinas, apresentam uma combinação de alta resistência, soldabilidade e resistência a corrosão atmosférica.

Os aços tratados termicamente contêm elementos de liga e são adequados para as aplicações estruturais. Sendo temperados, têm limites de escoamento que variam de 630 a 700 Mpa. Além da resistência a corrosão atmosférica que é 4 vezes maior que a do aço carbono, é um aço de resistência a abrasão, que é de aproximadamente o dobro da do aço carbono.

 

3. Produtos de aço

As usinas produzem aço estrutural sob diversas formas: chapas, barras, perfis laminados, cabos, fios trefilados e outras. Normalmente os três primeiros são fabricados em laminadores que, em sucessivos passes, dão ao aço pré-aquecido a seção desejada.

As chapas são produtos laminados, nos quais uma dimensão, a espessura, é muito menor que a largura e o comprimento. Elas são divididas em duas categorias:

  • chapas finas, com espessuras geralmente fornecidas em bitolas, sendo usual no Brasil a bitola MSG (Manufacture’s Standard Gauge): 3,8mm (MSG no 9), 3,42 mm (MSG no10), 3,04 mm (no 11), 2,66 mm (no12), 2,28mm (no 13), 1,9 mm (no14), 1,71 mm (no 15) , 1,52 mm (no 16)
  • chapas grossas, de espessura igual ou superior a 4,76 mm (3/16”).

As chapas podem ser utilizadas de varias formas, e uma delas é ilustrada na figura 3.1. – Entrada da Escola Panamericana de Artes da Avenida Angélica em São Paulo, projeto do Arquiteto Siegbert Zanettini.

As barras são produtos laminados nos quais duas dimensões da seção transversal são pequenas em relação ao comprimento.

As barras são laminadas em seção circular, quadrada ou retangular alongada; estas últimas são chamadas vulgarmente de barras chatas.

Os perfis laminados são produzidos em laminadores e tem grande eficiência estrutural, em forma de H, I, C, L como mostra a figura 3.2.

Os perfis H, I, C são produzidos em grupos, sendo os elementos de cada grupo de altura h constante e largura das abas b variável; a variação da largura se obtém aumentando o espaçamento entre os rolos laminadores de maneira que a espessura da alma tem variação igual à da largura das abas.

Os perfis C são normalmente denominados perfis U. E os perfis L, denominados de cantoneiras, são fabricados em diversas espessuras para cada tamanho das abas e elas também podem ter abas iguais ou diferentes.

Além dos perfis H, I, C, L é possível conseguirem seções fechadas do tipo circular e retangular como mostra a figura 3.3.

A figura 3.4 ilustra uma estrutura suporte de um mezanino, onde os elementos estruturais são perfis laminados do tipo I.

Os perfis laminados podem dar origem a outro tipo de perfil, utilizados nas vigas alveolares ou casteladas, que são obtidas com o recorte e soldagem destes perfis. Estas vigas são muito eficientes, pois com o  aumento de sua altura elas resistem a momentos fletor de grande intensidade com a mesma seção transversal e volume de material de um perfil laminado simples. A figura 3.5 ilustra o recorte, a soldagem do perfil laminado e a nova altura obtida.

Os perfis formados por chapas dobradas a frio são perfis leves obtidos por dobramento a frio de chapas de aço. Os perfis podem ser produzidos por dois processos, através da prensagem que utiliza máquinas conhecidas por dobradeiras ou guilhotinas. Ou através da calandragem utilizando máquinas chamadas de dobradeira de produção continua. A figura 3.6 mostra um perfil U e um perfil L.

Os perfis formados por chapas dobradas têm uma vasta utilização como elemento estrutural e como elemento arquitetônico, como mostra a figura 3.7. Uma escada onde as vigas são perfis do tipo U enrijecido duplo formando uma caixa, e os degraus são tipo U simples suporte dos degraus de madeira.

Os fios, cordoalhas e cabos são obtidos por trefilação. Os fios podem ser fabricados utilizando aço doce ou aço de alto carbono (duro), que são empregados em cabos de protensão de estruturas de concreto. A figura 3.8 ilustra exemplos de fios, cordoalha e cabos.

Os perfis soldados (a) são formados pela associação de chapas e os perfis compostos (b, c e d) são formados pela associação de perfis laminados simples. A ligação que forma estes perfis normalmente é conseguida através de soldagem. Estes perfis são mostrados na figura 3.9.

As figuras 3.10 e 3.11 ilustram o edifício do curso de Engenharia de Alimentos (PUC Goiás) e um detalhe da base de uma de suas colunas respectivamente.

Além dos perfis listados anteriormente, alguns componentes de forma complexa podem ser produzidos em aço através de fundição, como outros metais. Esta técnica é normalmente utilizada na fabricação de peças pequenas, mas excepcionalmente pode ser usada em elementos de grande dimensão e geometria complexa, como os elementos estruturais, mostrados na figura 3.12, chamados de “Gerberette” usados no “Centre Pompidou, Paris, France” projeto dos arquitetos Renzo Piano e Richard Rogers.

 

4. Meios de ligação

As peças estruturais obtidas a partir de perfis ou chapas são ligadas entre si compondo elementos ou conjuntos estruturais completos. As ligações são executadas seguindo as indicações contidas nos desenho de fabricação e nos desenhos de montagem.

As ligações podem ser permanentes, utilizando rebite (em desuso) ou solda elétrica, ou podem ser desmontáveis, com o uso de parafusos e/ou pinos.

A solda elétrica consiste basicamente na fusão local conjunta de duas peças a serem ligadas, o metal base, e de um eletrodo, o metal solda, através da alta temperatura provocada por arco elétrico; após o resfriamento, o metal da solda depositado serve de meio de união entre as duas peças.

Os 4 principais processos de soldagem utilizados nas estruturas de aço são: arco elétrico com eletrodo revestido (SWAW – “shielded metal arc welding”), arco submerso (SAW – “submerged arc welding”), arco elétrico com proteção gasosa (GMAW – “gas metal arc welding”) e arco elétrico com fluxo no núcleo (FCAW – “flux cored arc welding”)

Existem dois tipos básicos de parafusos: os comuns ASTM A307 e os de alta resistência ASTM A325 e ASTM A490. Os parafusos de alta resistência são montados com controle de aperto para que seja obtida uma protensão inicial mínima no corpo do parafuso. Para garantir esta protensão inicial existem diferentes processos de instalação dos parafusos bem como exigências relativas ao uso de arruelas endurecidas. A figura 4.1 ilustra o funcionamento dos dois tipos de parafusos. O parafuso comum, ilustração superior, transmite a carga por cisalhamento. Isto causa uma concentração de tensão no corpo do parafuso e não é eficiente, entretanto as construções que utilizam este tipo de conexão são simples e de custo mais baixo. Já os parafusos de alta resistência, ilustração inferior, transmitem a carga por atrito entre as chapas que formam a conexão. Esta conexão é mais eficiente e reduz a concentração de tensão, entretanto as tolerâncias de fabricação dos elementos da conexão devem ser mínimas.

Os parafusos têm seu emprego praticamente limitado às ligações de campo, enquanto as ligações executadas nas fabricas são normalmente soldadas.

Com relação ao desempenho das ligações dos elementos estruturais existem basicamente dois tipos. As ligações rotuladas e as rígidas. As rotuladas transmitem somente os esforços axiais e cortantes entre os elementos, não existindo, portanto a transmissão de momento fletor. Em outras palavras, pode existir rotação relativa entre eles. Portanto, o comportamento da ligação é similar ao de uma rotula. Já as ligações rígidas transmitem esforços axiais, cortantes e momentos fletores entre os  elementos conectados, portanto é uma ligação onde não existe nenhum tipo de movimento relativo entre os elementos conectados. As ligações rígidas na figura 4.2 e as ligações rotuladas são ilustradas na figura 4.3.

A definição do tipo de ligação e a disposição dela no sistema estrutural é uma importante consideração no projeto das estruturas de aço. A estabilidade e a estaticidade são os principais fatores que influirão na escolha do tipo de ligação. As estruturas estaticamente determinadas, com ligações rotuladas, são mais simples de serem executadas e tem um custo mais baixo que as estruturas hiperestáticas ou estaticamente indeterminadas, com ligações rígidas. Entretanto as estruturas estaticamente determinadas são instáveis e necessitam de sistemas de estabilização, tais como os contraventamentos em forma de “X”. Já as estruturas com ligações rígidas, devido a sua condição de estaticamente indeterminada, são estruturas que não necessitam de sistemas de estabilização, ou seja, elas se auto- estabilizam.

5. Vantagens

  • Resistência: O aço tem como grande vantagem a alta resistência do material, e que com sua alta relação resistência- peso fazem dele um material de utilização muito ampla;Controle de qualidade: o aço é um material produzido nas siderúrgicas, que permite que suas dimensões e todas as suas etapas sejam cuidadosamente controladas;
  • Pré-fabricação: As estruturas de aço utilizam componentes pré- fabricados que conseqüentemente faz da montagem delas um processo rápido e simples mesmo em locais em que as condições de trabalho não são apropriadas;
  • Aparência: E devido ao desempenho do aço como elemento estrutural as estruturas que utilizam este material oferecem ao arquiteto a possibilidade de obterem-se edificações muito elegantes, pois são estruturas de grande precisão com elementos estruturais muito esbeltos;
  • Tempo de execução: Devido à fabricação industrial e seriada, e várias etapas da construção executadas ao mesmo tempo;
  • Maior facilidade de ampliação e reforço estrutural: Devido às ligações entre as peças que são parafusadas e/ou soldadas (soldagem de chapas nos elementos estruturais no caso de reforço);
  • Maior limpeza da obra: devido à ausência de detritos como restos de formas, escoramento e ferragens;
  • Maior confiabilidade: O aço é um material único e homogêneo, com limite de escoamento, limite de ruptura e módulo de elasticidade bem definidos. As estruturas de aço são fabricadas e montadas por profissionais qualificados.

 

6. Desvantagens

  • Custo: normalmente o custo básico das estruturas de aço são maiores do que as equivalentes em madeira ou concreto armado, entretanto o tempo de construção reduzido pode ser um fator compensatório.
  • Corrosão: outra desvantagem é que a maioria dos aços não estáveis quimicamente fazendo dele um material em que a proteção contra corrosão seja uma necessidade.
  • Desempenho ao fogo: o aço perde sua capacidade de receber cargas quando a temperatura é maior que 500 0C o que significa que a estrutura entrará em colapso na eventualidade de incêndios, ou seja, a necessidade de prover uma proteção contra fogo à estrutura pode se torna problemática se existe uma intenção de ter a estrutura exposta como parte da expressão arquitetônica.
  • Peso: a densidade do aço é alta e isso faz com que os componentes individuais sejam pesados. Elementos tais como as vigas e colunas são difíceis de serem movimentados no local da obra, fazendo o uso de equipamentos tais como guindastes uma necessidade no que diz respeito à montagem da estrutura.

 

7. Principais fases da construção metálica

Projeto de Arquitetura Projeto Estrutural Desenhos de fabricação Desenhos de Montagem

Jateamento e pintura: preparação das peças para recebimento da proteção contra corrosão e pintura definitiva; normalmente, a estrutura sai da fabrica com a pintura de fundo (primer) e o a pintura definitiva, ficando a última demão para ser aplicada após a montagem;

  • Transporte: estudo dos tamanhos das peças para que elas sejam movimentadas normalmente;
  • Montagem: as peças são unidas compondo o sistema  estrutural, dentro de um planejamento que estabelece o uso de equipamentos e ferramental; é quando o bom projeto, feito por profissionais qualificados e competentes, demonstra sua força;
  • Controle de qualidade: feito durante todas as fases da construção metálica. Garante todas as características exigidas pelo usuário final.

8. Projetos e desenhos

Projeto de Arquitetura: deve partir da concepção inicial de que a estrutura será de aço, daí decorrendo a escolha de vãos, do sistema de vigamento de pisos e da concepção arquitetônica e estrutural. Geralmente as estruturas de aço exigem o uso de elementos industrializados de acabamentos, cabendo ao arquiteto projetá-los conforme a capacidade industrial disponível no país, ou utilizar elementos desenvolvidos pelos fabricantes desses acabamentos. A rapidez de montagem e o próprio conceito de pré-fabricação de uma estrutura de aço devem ser estendidos a todos os demais elementos componentes sem função estrutural.

 

Projeto Estrutural: é um processo que envolve a configuração, as ações, as condições de contorno, as propriedades dos materiais e as especificações.

Desenhos de fabricação (figura 8.1): são aqueles que detalham peça por peça da estrutura a ser fabricada. Especificando os perfis, as dimensões e extensões de soldas, número de furos, diâmetros, espaçamentos, tipos de acabamento e outros detalhes.

Desenhos de Montagem (figura 8.2): descrevem de forma clara a maneira com que a estrutura será montada e em certos casos a seqüência  de montagem;

 

9. Estrutura, forma e dimensões

Devido à alta resistência do aço é possível criar edificações que requerem de moderado a grandes espaços livres de suportes, tais como os pilares. E por ser um material de alta relação resistência/peso, é possível idealizar edifícios com vãos de grande dimensão, econômicos, leves e esbeltos.

A tabela 2 mostra os limites de vários tipos básicos de sistemas estruturais de aço. As relações entre as alturas (h) e os vãos (L) são sugestões que podem ser adotadas nos projetos arquitetônicos em seus estágios iniciais. É importante entender que estes valores não substituem os cálculos rigorosos desenvolvidos nos projetos estruturais. Os valores “Losuperiores são normalmente adotados nas coberturas, onde as cargas são consideravelmente baixas.

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