Analise estrutural de perfis, Resumos de Análise Estrutural

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PROF. THALES JOSÉ MENDES, M.Sc.

ESTRUTURAS DE AÇO

DE EDIFÍCIOS

- Agradecimentos Primeiramente agradeço a Deus, aos meus maravilhosos pais e aos meus filhos Lucca e Marcelinho. Pela paciência, gostaria muito de agradecer minha esposa Érika e, com isso, dedicar a ela este projeto. Amo todos vocês! Thales José Mendes - Graduado em Engenharia Civil, Pós-graduado (especialização) em Construções Metálicas, Pós-graduado (mestrado) em Construção Metálica, Engenheiro Consultor em estruturas de aço, Diretor de Engenharia na empresa Draft Solutions, Ex- membro Titular da Comissão de Patentes Industriais do Grupo Usiminas, Professor de Estruturas de Aço e de Madeira , Teoria das Estruturas II e Pontes do curso de Engenharia Civil da Faculdade Única do Vale do Aço, Professor de Estruturas de Aço do curso de pós- graduação em Engenharia de Estruturas da Faculdade Única do Vale do Aço, Instrutor de Estruturas de Aço de Edifícios e Pontes do IMEC - Instituto Mineiro de Engenharia Civil, membro da comissão de estudos (CE-02:125.05) na elaboração da NBR 16694 (Projeto de pontes rodoviárias estruturadas em aço e mistas aço e concreto) perante à ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas e Autor do livro Manual Mecânica das Estruturas.

ÍNDICE

• 1.1 - Introdução
• 1.2 - Conceitos Básicos
• 1.3 - Histórico da Construção em Aço
• 1.4 - Processo de Fabricação do Aço
• 1.5 - Tipos de Aços Estruturais
• 1.6 - Propriedades Mecânicas dos Aços Estruturais
• 1.7 - Tipos de Perfis
• 2.1 - Compreendendo o Fluxo de Cargas Capítulo 2 - A Estrutura de Aço
• 2.2 - Tipos de Edificações
• 2.3 - Tipos de Vigamentos
• 2.4 - Tipos de Pisos
• 2.5 - Sistemas de Apoios e Transmissão de Cargas
• 2.6 - A Escolha do Sistema Estrutural
• 3.1 - Segurança e Estados Limites Capítulo 3 - Ações nas Estruturas de Aço
• 4.1 - Barras Tracionadas Capítulo 4 - Estudo das Barras
• 4.2 - Barras Comprimidas
• 4.3 - Barras Submetidas a Flexão Simples
• 5 .1 - Tópicos Relevantes na Fase de Projeto Capítulo 5 - Tópicos Relevantes
• 5 .2 - Tópicos Relevantes na Fase de Detalhamento
• 5 .3 - Tópicos Relevantes na Fase de Fabricação
• 5 .4 - Tópicos Relevantes na Fase de Montagem
• 6 .1 - Histórico Capítulo 6 - Pontes
• 6 .2 - Normas de Pontes
• 6 .3 - Aços Estruturais para Pontes Metálicas
• 6 .4 - Conceitos Gerais
• 6 5 - Elementos de Pontes
• 6 6 - Diferentes Tipos de Pontes
• 6 7 - Ações em Pontes, Viadutos e Passarelas
• 1 - Perfil Laminado Gerdau Tabelas
• 2 - Perfil I Laminado
• 3 - Perfil C Laminado
• 4 - Cantoneira Laminada de Abas Iguais
• 5 - Cantoneira Laminada de Abas Diferentes
• 6 - Perfil Soldado Série VS
• 7 - Perfil Soldado Série CVS
• 8 - Perfil Soldado Série CS
• Bibliografia
• A - O Aço e os Elementos de Liga Anexo
• B - Comparativo entre Viga Mista e Viga de Aço Isolada
• C - Coeficiente "K" usado em Galpões
• D - Ordem de Grandeza Estrutural
• E - Perguntas e Respostas sobre Estruturas Metálicas
• F - Linhas de Influência
• G - Montagem de pontes, viadutos e passarelas

CAPÍTULO 1 - O AÇO NA CONSTRUÇÃO CIVIL

1.1 - Introdução A correta escolha do sistema estrutural em aço é de grande importância para o sucesso do empreendimento, já que afeta vários fatores importantes, tais como segurança, consumo de aço, velocidade de construção, estética, etc. Como é muito importante que a construção seja concebida desde o início para ser estruturada em aço é conveniente que o arquiteto ou o engenheiro que trabalha nessa fase possua um bom conhecimento sobre os sistemas estruturais e suas características. Os arquitetos são freqüentemente colocados em uma situação particularmente desagradável ao ter que projetar uma estrutura completa, compostas por sistemas estruturais, muitas vezes sem ter o conhecimento mais profundo dos tipos de sistema. Esta apostila visa prover os arquitetos e os engenheiros com as ferramentas necessárias para que se sintam mais confortáveis e confiantes ao trabalhar em projetos de edifícios e pontes estruturados em aço. Enfim, apresentaremos conceitos básicos que facilitarão a comunicação entre arquitetos e engenheiros estruturais. 1.2 - Conceitos Básicos Engenharia Estrutural é o ramo da Engenharia civil, mecânica, naval, aeronáutica ou qualquer outra engenharia que utilize cálculo estrutural, seja de estruturas estáticas ou dinâmicas, dedicado primariamente ao projeto e cálculo de estruturas e é a aplicação da mecânica das estruturas ao projeto de edifícios, pontes, muros de contenção, barragens, túneis, plataformas de petróleo, navios, aviões, automóveis e outras estruturas. O objetivo do Projeto de uma Estrutura é permitir que a mesma atenda à sua função primária sem entrar em colapso e sem deformar ou vibrar excessivamente. Dentro destes limites, os quais são precisamente definidos pelas normas técnicas, o engenheiro estrutural almeja o melhor uso dos materiais disponíveis e o menor custo possível de construção e manutenção da estrutura. Principais Etapas do Projeto Estrutural são a criação do esquema estrutural, definição das cargas ou forças que atuam na estrutura, cálculo dos esforços e deformações, dimensionamento das peças estruturais e o detalhamento do projeto para execução.

As cargas ou forças que atuam na estrutura são as permanentes (peso próprio e cargas permanentes dos objetos suportados pela estrutura) e as acidentais (sobrecargas e cargas referentes aos ventos). Para estruturas comuns, as normas técnicas contém recomendações para as cargas a serem consideradas. Com base nestas recomendações, o arquiteto e/ou engenheiro estrutural definem diversos casos de carregamento, com o objetivo de estabelecer a condição mais desfavorável de projeto (aquela que produz os maiores esforços). Os esforços estruturais são medidas estruturais correspondentes às tensões que atuam no material que compõe a estrutura. Esforço normal (força atuante no sentido da peça, tendendo a tracioná-la ou comprimí-la), Esforço cortante (força perpendicular à peça, calculada a partir da tensão cisalhante na mesma), Momento fletor (momento que tende a flexionar a peça, como resultado de tensões normais de sinais contrários na mesma seção) e Momento torçor (tende a torcer a peça em torno de seu próprio eixo). O cálculo dos esforços é feito através da análise estrutural. A análise pode ser estática, considerando cargas constantes no tempo, ou dinâmica, levando em conta as variações das cargas e os modos de vibração da estrutura. Com a automatização desta etapa do projeto, tradicionalmente a mais demorada, o engenheiro estrutural moderno pode dedicar mais atenção aos pontos mais problemáticos do projeto, além de alterar o esquema estrutural e propor diferentes condições de carga, em busca de um melhor projeto final. Conhecidos os esforços em cada elemento estrutural, é necessário dimensionar a peça que irá resistir a estes esforços, ou seja, determinar as suas medidas. Dado o material a ser utilizado, como o aço e suas propriedades, os princípios de resistência dos materiais e mecânica das estruturas são empregados para verificar que a peça é capaz de resistir aos esforços. Por exemplo, pode-se determinar o ponto mais solicitado e obter uma seção capaz de resistir aos esforços neste ponto. Se for economicamente viável, esta seção é empregada para toda a peça. Para elementos mais complexos, pode ser necessário analisar vários pontos e variar a seção empregada, ou mesmo efetuar o dimensionamento da peça como um todo. O dimensionamento moderno é realizado com o auxílio do computador. Contudo, o engenheiro estrutural possui bastante liberdade para alterar o dimensionamento visando simplificar a construção, por exemplo padronizando as seções sugeridas pelo programa de computador.

O aço é um produto siderúrgico definido como liga metálica composta principalmente de ferro e pequenas quantidades de carbono. O processo siderúrgico pode ser dividido em preparo das matérias-primas (Coqueria e Sinterização), produção de gusa (alto-forno), produção de Aço (Aciaria) e conformação mecânica (Laminação). As matérias-primas necessárias para a obtenção do aço são: o minério de ferro, principalmente a hematita, e o carvão mineral. Ambos não são encontrados puros na natureza, sendo necessário então um preparo nas matérias primas de modo a reduzir o consumo de energia e aumentar a eficiência do processo. A coqueificação ocorre a uma temperatura de 1300oC em ausência de ar durante um período de 18 horas, onde ocorre a liberação de substâncias voláteis. O produto resultante desta etapa, o coque, é um material poroso com elevada resistência mecânica, alto ponto de fusão e grande quantidade de carbono. O coque, nas especificações físicas e químicas requeridas, é encaminhado ao alto-forno e os finos de coque são enviados à sinterização e à aciaria. O coque é a matéria prima mais importante na composição do custo de um alto-forno (60%). Na sinterização, a preparação do minério de ferro é feita cuidando-se da granulometria, visto que os grãos mais finos são indesejáveis, pois diminuem a permeabilidade do ar na combustão, comprometendo a queima. Para solucionar o problema, adicionam-se materiais fundentes (calcário, areia de sílica ou o próprio sínter) aos grãos mais finos. Com a composição correta, estes elementos são levados ao forno onde a mistura é fundida. Em seguida, o material resultante é resfriado e britado até atingir a granulometria desejada (diâmetro médio de 5mm). O produto final deste processo é denominado de sínter e de acordo com o Arquiteto Luís Andrade de Mattos Dias, "em decorrência de suas características combustíveis e de permeabilidade, o sínter tornou-se mais importante para o processo do que o próprio minério de ferro". No alto-forno, esta parte do processo de fabricação do aço consiste na redução do minério de ferro, utilizando o coque metalúrgico e outros fundentes, que misturados com o minério de ferro são transformados em ferro gusa. A reação ocorre no equipamento denominado Alto Forno, e constitui uma reação exotérmica. O resíduo formado pela reação, a escória, é vendida para a indústria de cimento. Após a reação, o ferro gusa na forma líquida é transportado nos carros-torpedos (vagões revestidos com elemento refratário) para uma estação de dessulfuração, onde são reduzidos os teores de enxofre a níveis aceitáveis. Também são feitas análises da composição química da liga (carbono, silício, manganês, fósforo, enxofre) e a seguir o carro torpedo transporta o ferro gusa para a aciaria, onde será transformado em aço. Na aciaria, o ferro gusa é transformado em aço através da injeção de oxigênio puro sob pressão no banho de gusa líquido, dentro de um conversor. A reação, constitui na redução da gusa através da combinação dos elementos de liga existentes (silício,

manganês) com o oxigênio soprado, o que provoca uma grande elevação na temperatura, atingindo aproximadamente 1700oC. Os gases resultantes do processo são queimados logo na saída do equipamento e a os demais resíduos indesejáveis são eliminados pela escória, que fica a superfície do metal. Após outros ajustes finos na composição do aço, este é transferido para a próxima etapa que constitui o lingotamento contínuo. No processo de lingotamento contínuo o aço líquido é transferido para moldes onde se solidificará. O veio metálico é continuamente extraído por rolos e após resfriado, é transformado em placas rústicas através do corte com maçarico. Posteriormente, os lingotes devem passar pelo processo de laminação, podendo ser a quente ou a frio, onde se transformarão em chapas através da diminuição da área da seção transversal. Na laminação a quente, a peça com aproximados 250 mm é aquecida e submetida à deformação por cilindros que a pressionarão até atingir a espessura desejada. Chapas Grossas espessura: 6 a 200 mm - largura: 1000 a 3800 mm comprimento: 5000 a 18000 mm Tiras espessura: 1,2 a 12,50 mm - largura: 800 a 1800 mm comprimento-padrão: 2000, 3000 e 6000 mm Devido ao resfriamento desigual das peças, chapas e perfis laminados a quente apresentam tensões que permanecem após o completo resfriamento. Em chapas, por exemplo, as bordas se solidificam mais rapidamente que o centro, servindo como um quadro que impedirá a retração da peça como um todo, fazendo com que o centro da peça permaneça tracionado. A norma brasileira NBR8800 fixa essa tensão em 115 MPa. Ao contrário do processo de laminação a quente as peças laminadas a frio são normalmente mais finas, com melhor acabamento e sem a presença de tensões residuais. Laminação a Frio - Dimensões: espessura: 0,3 a 3,00 mm - largura: 800 a 1600 mm comprimentos-padrão: 2000, 2500 e 3000 mm Constantes físicas dos aços estruturais conforme NBR 8800

**Tabela: Fonte NBR 8800

1. 6 - Propriedades Mecânicas dos Aços Estruturais**

• Diagrama Tensão x Deformação Uma barra metálica submetida a um esforço crescente de tração sofre uma deformação progressiva de extensão:

A relação entre a tensão aplicada e a deformação linear específica de alguns aços estruturais pode ser vista no diagrama tensão-deformação abaixo: Até certo nível de tensão aplicada, o material trabalha no regime elástico-linear, isto é, segue a Lei de Hooke e a deformação linear específica é proporcional ao esforço aplicado. A proporcionalidade pode ser observada na próxima figura, no trecho retilíneo do diagrama tensão-deformação e a constante de proporcionalidade é denominada módulo de deformação longitudinal ou módulo de elasticidade. Ultrapassado o limite de proporcionalidade (fp), tem lugar a fase plástica, na qual ocorrem deformações crescentes sem variação de tensão (patamar de escoamento). O valor constante dessa tensão é a mais importante característica dos aços estruturais e é denominada limite de escoamento. Após o escoamento, a estrutura interna do aço se rearranja e o material passa pelo encruamento, em que se verifica novamente a variação de tensão com a deformação específica, porém de forma não-linear. O valor máximo da tensão antes da ruptura é denominada resistência à ruptura do material. A resistência à ruptura do material é calculado dividindo-se a carga máxima que ele suporta, antes da ruptura, pela área da seção transversal inicial do corpo de prova. Observa-se que fu é calculado em relação à área inicial, apesar de o material sofrer uma redução de área quando solicitada à tração. Embora a tensão verdadeira deva ser calculada considerando-se a área real, a tensão tal como foi definida anteriormente é mais importante para o engenheiro estrutural, pois os projetos são feitos com base nas dimensões iniciais. Em um ensaio de compressão, sem a ocorrência de flambagem, obtém-se um diagrama tensão-deformação similar ao do ensaio de tração.