Pdem aula 1-rv07

MBA Projeto, Execução e Controle de Estruturas e Fundações

Princípios de Dimensionamento em Estruturas Metálicas

(PDEM-Aula 1-RV07)

Aula 1-3Eduardo Bicudo de Castro Azambuja

([email protected] | 41 9106-0661)

Estruturas Metálicas de

Brasília

• Capacitar o pós-graduando para execução, projeto e análise de estruturas metálicas.

• Apresentar principais fundamentos e aspectos relacionados a execução, projeto e avaliação das estruturas metálicas, discutindo os aspectos particulares relativos a cada tipo de edifício e a cada arranjo estrutural adotado.

• Discutir os métodos utilizados para a avaliação da segurança e determinação dos esforços internos dos projetos em estruturas metálicas.

• Discutir as recomendações da ABNT NBR 8800:2008 e as simplificações propostas para a análise estrutural.


Apresentação

Estruturas interessantes:

edifício na China


Sistema Internacional de Unidades - SI

Por questões de conveniência, certas unidades derivadascoerentes receberam nomes e símbolos especiais, que podemser usados em combinação com unidades base do SI paraexpressar outras grandezas derivadas.


Sistema Internacional de Unidades - SI


Programação do curso

O aço e o processo siderúrgico;

O uso do aço em edificações;

Sistemas estruturais em aço;

Sistema TRAME 4.1

Dimensionamento de elementos comprimidos;

Softwares para estrutura metálica;

Produtos siderúrgicos de aço;

Ações em edifícios de aço;

Bases para projeto: critérios de segurança e estados limites;

Dimensionamento de elementos tracionados;

Sexta-feira Sábado Domingo


Referências1) BAIÃO FILHO, Oswaldo Teixeira; SILVA, Antonio Carlos Viana. Ligações para

estruturas de aço. 2ed. Gerdau/Açominas, 2005.2) BELLEI, Ildony Hélio; PINHO, Fernando O.; PINHO, Mauro O. Edifícios de

múltiplos andares em aço. 2ed. São Paulo: Pini, 2008.3) BELLEI, Ildony Hélio; BELLEI, Humberto N. Edifícios de pequeno porte

estruturados em aço. 4ed. Rio de Janeiro: IABr/CBCA, 2011.4) CHAMBERLAIN, Zacarias; FABEANE, Ricardo; FICANHA, Ricardo. Projeto e

cálculo de estruturas de aço. Rio de Janeiro: Elsevier, 2013.5) DIAS, Luís Andrade de Mattos. Estruturas de aço: conceitos, técnicas e

linguagem. 5ed. São Paulo: Zigurate Editora, 2006.6) Manual brasileiro para cálculo de estruturas metálicas. v1. Brasília: MD/SDI,

1989.7) MEDEIROS, Jonas Silvestre. Tecnologias de vedação e revestimento para

fachadas. Rio de Janeiro: Instituto Aço Brasil / CBCA, 2014.8) PFEIL, Walter; PFEIL, Michèle. Estruturas de aço: dimensionamento prático.

8ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009.


Referências9) PINHO, Mauro. Transporte e Montagem. Rio de Janeiro: IBS/CBCA, 2005.10) QUEIROZ, Gilson; PIMENTA, Roberval J.; MARTINS, Alexander Galvão. Estruturas

Mistas. 2ed. Rio de Janeiro: IABr/CBCA, 2012.11) REVISTA CONSTRUÇÃO METÁLICA. São Paulo: ABCEM.12) REVISTA ARQUITETURA & AÇO. Rio de Janeiro: CBCA.13) SANTOS, Arthur Ferreira dos. Estruturas Metálicas: projeto e detalhes para

fabricação. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1977.14) SILVA, Valdir Pignatta. Estrutura de aço para edifícios: aspectos tecnológicos e

de concepção. São Paulo: Blucher, 2010a.15) SILVA, Valdir Pignatta. Prevenção contra incêndio no projeto de arquitetura. Rio

de Janeiro: IABr/CBCA, 2010b.16) VASCONCELLOS, Alexandre Luiz. Ligações em estruturas metálicas. 4ed. Rio de

Janeiro: IABr/CBCA, 2011.


Referências

Referências bibliográficas indicadas.

(8) (14)(4)


Referências

Referências bibliográficas indicadas.

(11)(10)


Normas técnicas

1) ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8800 - Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. 2008.

2) ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6120 - Cargas para o cálculo de estruturas de edificações. 1980.

3) ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6123 - Forças Devidas ao Vento em Edificações – Procedimento. 1988.

O Aço e o Processo Siderúrgico

“(...) o aço pode ser reciclado infinitamente, sem perda de qualidade, o que significa que ele é usado, mas nunca consumido, porque é processado em um

circuito fechado que pode continuar para sempre. E o material antigo pode ser transformado em um aço de

maior qualidade do que o original.”

(Consultoria Ambiental Beco, boletim CBCA 31/7/2014)


O aço e o processo siderúrgico

O FERRO GUSA é o produto da primeira fusão do minério de ferro e contém cerca de 3,5 a 4,0% de carbono.

O AÇO é uma liga metálica constituída basicamente de ferro e carbono, obtida do refino do ferro gusa, ou seja, da diminuição dos teores de carbono, silício,

manganês, enxofre e fósforo do gusa. Nos aços utilizados na construção civil, o teor de carbono é da ordem de 0,10 a 0,30%



A transformação do minério de ferro em AÇO é feita através da

execução de 4 ETAPAS:o PREPARAÇÃO: tratamento das

matérias primas;o REDUÇÃO: obtenção do ferro

gusa;o REFINO: obtenção e

melhoramento do aço;o LINGOTAMENTO e

LAMINAÇÃO do aço.

(Fonte: DIAS, 2006).



Planta sintética de um usina siderúrgica integrada (SILVA, 2010).



Na REDUÇÃO, o alto-forno funciona como um reator vertical e um trocador de calor que trabalha em contracorrente, a carga sólida é posicionada no

topo e o ar aquecido é insuflado próximo à sua base (SILVA, 2010).



O REFINO acontece na aciaria, onde o ferro-gusa e a sucata ferrosa são transformados em aço, com o ajuste do teor de carbono, fósforo, manganês

e silício feito através de uma injeção de oxigênio. O produto ainda sofre um ajuste fino na composição química no

equipamento denominado forno-panela (SILVA, 2010).



Influência da composição química em algumas propriedades do aço(SILVA, 2010).



No LINGOTAMENTO CONTÍNUO o aço líquido passa da panela para um recipiente de distribuição que o libera para moldes na forma de placas, blocos e tarugos, transportados em uma esteira até a sua completa solidificação (SILVA, 2010).

Representação de uma linha de laminação

para produção de perfis

estruturais(SILVA, 2010).



Representação de uma linha de laminação de chapas grossas (Fonte: www.usiminas.com acesso em 31/7/2014).



Caminhos para produção do

aço: a siderurgia

integrada e semi-integrada

com forno elétrico

(SILVA, 2010).



AçoEstrutural

O Uso do Aço em Edificações

“Um edifício transparente de linhas horizontais que se ergue sobre um vão

de 20 metros, criando uma grande praça pública, integrando os espaços de

pedestres e preservando o patrimônio arquitetônico da cidade. Foi com essa

proposta que a GPA&A venceu o concurso nacional para o novo Centro

Administrativo de Belo Horizonte.”

(boletim CBCA 31/7/2014)


Histórico da construção em aço

A primeira obra importante construída em ferro fundido foi a ponte Coalbrookdale, em 1779, com vão de 31m,

sobre o rio Severn em Shropshire, uma região rica

em carvão na Inglaterra.

(Fonte: http://structurae.net/ acesso em 31/7/2014)

1779



A ponte suspensa Menai, construída no país de Gales no período de 1819 a 1826, com 177 m, foi à época o maior vão do mundo,

sendo o trabalho mais importante da longa carreira do

construtor escocês Thomas Telford. Ainda em uso.

(Fonte: http://www.anglesey.info/ acesso em 31/7/2014)

1826



(Fonte: http://www.pbs.org/wgbh/buildingbig/wonder/structure/ acesso em 31/7/2014)

Viaduto Garabit, sobre o rio

Truyere, França, por Gustave Eiffel.

1884



Edifício sede da Alcoa em São Francisco, EUA, 1968.(Fonte: manual brasileiro, 1989)

Essa obra antecipou alguns dos modernos conceitos da moderna engenharia com utilização de estrutura de aço, as laterais do prédio

apoiadas em vigas em balanço e a estabilidade global garantida por um sistema de diagonais de

contraventamento.



(Fonte: http://www.archdaily.com.br/ acesso em 31/7/2014)

Para suprir tão grande e rápido crescimento da cidade, a única

maneira de satisfazer as exigências do mercado era a verticalização dos

prédios com estrutura metálica, tanto pela resistência ao fogo, como pela maior capacidade estrutural, resultando em um melhor aproveitamento dos

espaços, como por exemplo, o edifício Wainwright, em St. Louis,

Missouri, EUA, por Adler e Sullivan.

1891


Uso do aço em edificações: Coberturas

Buchholtz Sports Centre, Uster, Suiça(Fonte: http://camenzindevolution.com/ acesso em 9/8/2014)



Buchholtz Sports Centre, Uster, Suiça(Fonte: http://camenzindevolution.com/ acesso em 9/8/2014)



Arena da Baixada, Curitiba(Fonte: Arquitetura & Aço, nº37)



Estádio Beira Rio, Porto Alegre(Fonte: Arquitetura & Aço, nº37)





Arena Amazônia, Manaus(Fonte: Arquitetura & Aço, nº37)


Uso do aço em edificações: Edifícios

Congresso Nacional, Brasília(Fonte: Marcel Gautherot, 2010)



Edifício Sede do SEBRAE, Brasília(Fonte: Arquitetura & Aço, nº28)



Edifício da Federação do Comércio do Estado da Bahia, Salvador/BA.(Fonte: Autor, 27/9/2014)



Centro Empresarial Aeroporto, Porto Alegre(Fonte: Arquitetura & Aço, nº13)



Edifícios de andares múltiplos, São Paulo/SP(Fonte: Revista Construção Metálica, Edição nº 114)



Edifícios de andares múltiplos para habitações populares

(Fonte: Revista Construção Metálica, Edição nº 114)



Edifício destinado a habitação social – 1º lugar do 7º concurso CBCA para estudantes de arquitetura 2014, grupo da UFPR.

(Fonte: www.cbca.com.br. Acesso em 10/10/2014)


Uso do aço em edificações: Torres de transmissão

Torres de distribuição de energia.(Fonte: Revista Construção Metálica, Edição nº 114)


Uso do aço em edificações: Reservatórios

Reservatório de água, Rio Branco/AC.(Fonte: Arqt Miriam Runge, dez/2014)


Uso do aço em edificações: Residências

The Farnsworth House, Illinois, USA(Fonte:http://arte-case.com/, acesso em 6/9/2014)



Eduardo Almeida Arquiteto, São Paulo, SP(Fonte: Arquitetura & Aço, nº6)



Casa Serrana, João Diniz Arquiteto, Belo Horizonte, MG(Fonte: www.metálica.com acesso em 2/8/2014)



Nietsche Arquitetos Associados, Guarujá, SP(Fonte: Arquitetura & Aço, nº19)



Residência Cristiane Botelho, Brasília/DF(Fonte: Autor)



Casa LLM, São Paulo/SP(Fonte: Revista Construção Metálica, Nº 117, 2015)


Uso do aço em edificações: Mezaninos Comerciais

Mercado Municipal, São Paulo/SP(Fonte: Revista Arquitetura e Aço, nº 39 )

Loja Galeria Nacional, São Paulo/SP(Fonte: Revista Arquitetura e Aço, nº 39 )


Uso do aço em edificações: Mobilidade Urbana

VLT de Fortaleza, Estação Borges de Melo(Fonte: Arquitetura & Aço, nº38)



VLT de Fortaleza, Estação Papicu(Fonte: Arquitetura & Aço, nº38)



Pontos de ônibus da cidade de São Paulo(Fonte: Arquitetura & Aço, nº38)



Ponto de ônibus e estação tubo da cidade de Curitiba(Fonte: Autor)


Uso do aço em edificações: Retrofit

Trata-se de uma alternativa para reformar e revitalizar um edifício construído, atendendo as novas demandas, porém,

respeitando as características originais do espaço arquitetônico.

Busca-se trabalhar com elementos diferentes daqueles utilizados na construção original, nesse sentido, o aço é

importante pela capacidade resistente, leveza e facilidade de montagem, o contraste é desejável, desde que, sem conflito.



Pinacotecada cidade de São Paulo(Fonte: Construção Metálica, nº113)



Parque das Ruínas, Rio de Janeiro, RJ

(Fonte: Construção Metálica, nº113)



“A plataforma elevada construída ao longo de uma antiga ferrovia no Chelsea, em Manhattan, entre a 10ª e a 11ª avenidas, virou uma área cercada por prédios de vanguarda assinados pelos criadores mais celebrados do planeta. E a recente inauguração da terceira fase da passarela, que agora se estende até a Rua 34, só criou mais espaço para a tendência.”

(Fonte: http://gazetadopovo.com.br/, acesso em 15/10/2014)



“Varandas de aço contribuindo para

engenhosas reformas de fachadas em

edifícios de São Paulo, Rio de

Janeiro e até Paris (...).”

(Fonte: Revista Arquitetura e Aço, nº 39)



Construída em 1920, a MICHIGAN AVENUE BRIDGE possui dois

níveis, um para carros e pedestres acima e

outro, inferior, para tráfego mais pesado. A ponte é dividida duas

partes, cada uma pesando em torno de

3.340 toneladas, que se abrem e fecham em menos de 1 minuto.

(Fonte: Revista Construção Metálica, Ano 9, nº 36)


Uso do aço em edificações: Pontes e Passarelas

Recentemente, foi anunciada a construção da Passarela de Vidro Mais Longa do Mundo sobre um desfiladeiro do Parque Natural de Zhangjiajie, na província de Hunan. Projetada

pelo escritório israelita de Haim Dotan, o tabuleiro, com uma largura de 6 metros e totalmente transparente, ficará localizado a 300 metros acima do nível do solo.

(Fonte: http://www.engenhariacivil.com/, acesso em 4/6/2015)

http://www.engenhariacivil.com/



Viaduto Estaiado, Curitiba(Fonte: www.gazetadopovo.com.br, acesso em 1/7/2014)



Viaduto Estaiado, Curitiba(Fonte: Autor)



Viaduto Estaiado, Curitiba(Fonte: Autor)



Espaço Natura, São Paulo(Fonte: Arquitetura & Aço, nº5)



Passarela SESC Sorocaba, São Paulo(Fonte: Arquitetura & Aço, nº36)



Passarela Joaquim Macedo sobre o rio Acre, Rio Branco/AC(Fonte: Arq Miriam Runge, dez/2014)



Ponte Benjamim Constant (1895), Manaus/AM(Fonte: http://www.portalamazonia.com.br/, acesso em 6/9/2014)



Passarelas Canal da Maternidade, Rio Branco/AC(Fonte: Autor)

Sistemas Estruturais em Aço

“A Estrutura é o caminho pelo qual as forças da gravidade ou incidentes sobre a edificação

devem transitar até chegar ao seu destino final, o solo.”

(Professor Yopanan Rebello)

(Fonte: ENGEL, Heinrich. Sistemas de estructuras. Madrid: H.Blume, 1978)

No dimensionamento de estruturas utilizam-se modelos teóricos que substituem barras por linhas ligadas por vínculos, procurando simular o comportamento real.

Quanto mais próximo da realidade, melhor o desempenho desse modelo.



Sistemas estruturais em aço

“Chamo a atenção dos técnicos para as condições em que atuam as vigas dos pisos da casa de pedra e as da casa de concreto. O cálculo dos esforços mostra que a primeira viga

opera em condições duas vezes mais desfavorável do que a viga em balanço da construção em concreto armado. Isso precisa ser levado em consideração!”

(Le Corbusier, Precisões, pg.50)



Diagrama de momento fletor para modelos estruturais distintos com o mesmo vão (Fonte: Autor).



PÓRTICOS INDESLOCÁVEIS (a)São pórticos em que o deslocamento de todos os nós depende apenas da deformação axial de barras.

PÓRTICOS DESLOCÁVEIS (b)São pórticos em que o deslocamento de pelo menos um dos seus nós depende da deformação por flexão de pilares.

(Fonte: SILVA, 2010).



Projeto MolaCatarse

Os pórticos deslocáveis tendem a ser menos econômicos, devido às ligações rígidas necessárias e a necessidade de uma inércia maior dos pilares para limitar os

deslocamentos.

Porém, pórticos indeslocáveis exigem maiores adequações da solução arquitetônica, por causa da necessidade das barras de travamento.

(Fonte: http://www.archdaily.com/ acesso em 4/8/2014).



http://gallery.apartmenttherapy.com/photo/022709bigdighousetour/item/45599

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http://www.archdaily.com/24396/big-dig-house-single-speed-design/426045102_nw-3039/

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Edifício com paredes e aberturas nas fachadas com estabilidade vertical obtida através de pórticos deslocáveis com ligações rígidas. (Fonte: DIAS, 2006).



Edifício com pórticos indeslocáveis com estabilidade vertical obtida através de travamentos em X (Fonte: DIAS, 2006).



No caso de edifícios altos, mesmo com o uso de pórticos indeslocáveis, a soma dos pequenos pode ser considerável. (Fonte: DIAS, 2006).



Há várias formas de se conceber soluções para um problema estrutural, sendo possível combinar elementos capazes de resistir simultaneamente solicitações

axiais, de flexão e de força cortante, ligando rigidamente pilares e vigas, criando uma estrutura hiperestática em PÓRTICOS:

• As ligações deverão ter alto grau de vinculação;

• Interação entre força normal e momento fletor;

• Deformabilidade global da estrutura depende da rigidez dos pilares.

(Fonte: SILVA, 2010)



6mm

MODELO 1: pórtico com ligações rígidas e elementos capazes de resistir simultaneamente solicitações axiais, de flexão e de força cortante.

(Fonte: FTOOL Versão Educacional 3.0, 2012)



(Fonte: Manual brasileiro, 1989)

É possível também conceber uma estrutura capaz de resistir aos efeitos das cargas verticais e horizontais, estudando uma distribuição de rótulas entre os vários elementos.

As vigas horizontais serão fletidas, os pilares simplesmente comprimidos e as ligações rotuladas deverão resistir a esforços cortantes.

Para resistir às ações horizontais, será associada uma estrutura vertical rígida e engastada que transfira os seus efeitos às fundações.



3mm

MODELO 2: elementos isostáticos obtidos com distribuição de rótulas e ligações flexíveis simples associado a uma peça rígida de concreto armado engastada nas fundações.




1mm


MODELO 3: elementos isostáticos obtidos com distribuição de rótulas e ligações flexíveis simples associado a um sistema de contraventamento metálico.





Edifício Shopping Volta Redonda, Volta Redonda/RJ(Fonte: Dias, 1993)

Essa associação produz um conjunto de elementos isostáticos e em condições de absorver os esforços oriundos dos carregamentos com as seguintes características:

• Ligações rotuladas simples;

• Deformações dependentes da estrutura rígida em balanço;

• Interação reduzida entre as solicitações axiais e os momentos fletores nos pilares da estrutura;




Estrutura com pórticos articulados contraventados por barras diagonais posicionadas no núcleo central e com lajes de concreto armado colaborantes. (Fonte: DIAS, 2006).



Estrutura com pórticos articulados contraventados por barras diagonais posicionadas nas fachadas e com lajes de concreto armado colaborantes. (Fonte: DIAS, 2006).





Edifício Saraiva Marinho, Belo Horizonte/MG(Fonte: Dias, 1993)

Estrutura com pórticos articulados contraventados por pórticos rígidos no núcleo central e com lajes de concreto armado colaborantes. (Fonte: DIAS, 2006).



Estrutura com pórticos articulados contraventados na horizontal e com a estabilidade garantida por um núcleo rígido central de concreto armado. (Fonte: DIAS, 2006).





Edifício Casa do Comércio, Salvador/BA(Fonte: Dias, 1993)

As estruturas de piso são, em geral, compostas por vigas principais e secundárias, associadas a painéis de lajes.

Utilizam-se vigas secundárias pouco espaçadas, fazendo com que as lajes trabalhem apenas na direção do menor vão.

Além de transferir as cargas verticais para os pilares, os sistemas de piso são responsáveis por distribuir as ações do vento para as estruturas de contraventamento.

(Fonte: PFEIL, 2009).



As lajes mistas são formadas por chapas nervuradas de aço sobre as quais é depositado o concreto. Estes dois materiais são travados entre si por meio de reentrâncias na forma de aço,

garantindo assim um comportamento solidário.

(Fonte: Polydeck 59S, Manual Geral para Dimensionamento)



Flambagem é o nome dado ao fenômeno de perda de estabilidade lateral que ocorre em elementos esbeltos submetidos a esforços de

compressão, diminuindo a resistência final das peças e gerando deslocamentos não aceitáveis.




Vigas são elementos estruturais horizontais que transportam cargas verticais, sendo submetidas, basicamente, por esforços de flexão.




Vigas de alma cheia são caracterizadas pelo afastamento das mesas com o objetivo de aumentar a inércia no plano de flexão, podendo ser formadas por perfis soldados,

laminados ou dobrados à frio.




As vigas alveolares se originam do recorte longitudinal das almas de perfis I, com posterior deslocamento e soldagem, obtendo-se, com o peso original, uma nova geometria com

melhores características aos esforços de flexão.




A treliça é um sistema estrutural formado por barras que se unem em nós, formando triângulos. Isso garante que, quando as cargas atuarem no nós, serão desenvolvidos apenas esforços de tração e compressão simples, apresentando barras mais esbeltas e um conjunto

mais leve para vencer grandes vãos.




A viga tipo Vierendel é composta por barras unidas por ligações rígidas, formando quadros que devem resistir a esforços normais, cortantes e momentos fletores. São mais

deformáveis que as treliças.




(Fonte: ABNT NBR 8800:2008 Anexo P).

Com o objetivo de se aproveitar melhor a resistência do aço e a rigidez do concreto armado, além de melhorar o comportamento resistente ao fogo, a ABNT NBR 8800/2008 no seu

Anexo P, trata do dimensionamento de pilares mistos AÇO/CONCRETO:



Esquema estrutural de um galpão em estrutura de aço sem ponte rolante, formado pela associação de elementos lineares. (Fonte: PFEIL, 2009).



Esquema estrutural de um galpão em estrutura de aço com ponte rolante, formado pela associação de elementos lineares.

(Fonte: Manual brasileiro, 1989).





Trame 4.1

Montar o modelo da passarela do Canal da Maternidade, em Rio Branco/AC, utilizando o sistema TRAME 4.1, utilizando perfis laminados da Gerdau.


Sistemas estruturais em aço: ATIVIDADE 1


Referências Bibliográficas

1) PANNONI, F.D.; MARCONDES, L.. COS-AR-COR: Aços de Alta

Resistência Mecânica Resistentes à Corrosão Atmosférica. Relatório

interno de número RT/17 da Coordenadoria de Pesquisa Tecnológica da

COSIPA (1987).

2) TIMOSHENKO, Stephen P; GERE, James E (Coautor). Mecânica dos

sólidos. Rio de Janeiro: LTC, 1994. 2v

Engineering

Pdem aula 1-rv07