Dim Lig Modulo 1

Curso de Dimensionamento de Estruturas de Aço - Ligaçõesem AçoEAD - CBCA

Prof. Yopanan C. P. Rebello

Coordenação Geral:

Sidnei Palatnikwww.cursoscbca.com.br

Sobre o autor:Yopanan Conrado Pereira Rebelloé engenheiro civil pela Universidade Mackenzie (1971),é mestre e doutor pela FAU-USP (1992).Diretor Pedagógico da Ycon Formação ContinuadaDiretor Técnico da Ycon Engenharia Ltda.E autor de diversos livros, entre eles: “A Concepção Estrutural e a Arquitetura”*“Bases para Projeto Estrutural”*“Estruturas de Aço, Concreto e Madeira”*“Fundações”**títulos publicados pela Zigurate Editora – São Paulo

Colaboradores: Sidnei Palatnik e Marcelo Mello

Ficha técnica:Produção: CBCA – Centro Brasileiro da Construção em AçoCoordenação Geral: Sidnei PalatnikProjeto Gráfico: Vinicius Zanoni (Hous Mídia Interativa) e Sidnei PalatnikEditoração Eletrônica: Vinicius Zanoni (Hous Mídia Interativa)Ilustrações: Sidnei Palatnik e Marcelo Mello

Fotos: Conforme indicado

© 2011 INSTITUTO AÇO BRASIL/CENTRO BRASILEIRO DA CONSTRUÇÃO EM AÇONenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida por qualquer meio, sem a prévia autorização desta Entidade.

Ficha catalográfica preparada pelo Centro de Informações do IABr/CBCA

Rebello, Yopanan Conrado Pereira

Dimensionamento de Estruturas de Aço: Ligações em Aço / Yopanan Conrado Pereira Rebello – Rio de Janeiro: IABr/CBCA, 2011. (Curso a distância – via Internet) Bibliografia ISBN

1.Estruturas de aço 2.NBR 8800:2008 3.Estruturas metálicas 4.Dimensionamento de ligações 5.Curso a distância

Av. Rio Branco, 181 / 28º Andar20040-007 - Rio de Janeiro - RJe-mail: [email protected]: www.cbca-iabr.org.br

Capa:Estação Pinheiros - CPTMFoto: Sidnei Palatnik

O conteúdo desta apostila é parte integrante do curso a distância intitulado: “Dimensionamento de Estruturas de Aço - Ligações em Aço ”, desenvolvido pelo Professor Doutor Engenheiro Yopanan Conrado Pereira Rebello e pelo Arquiteto Sidnei Palatnik, com a colaboração do engenheiro Marcelo Mello, para o CBCA – Centro Brasileiro da Construção em Aço - e oferecido no link www.cursoscbca.com.br.

Ao prepararmos esta apostila tivemos como único fim oferecer a possibilidade de imprimir o conteúdo escrito do curso, de forma a facilitar sua leitura.

Ressaltamos que inúmeros recursos multimídia disponíveis na internet não se aplicam a esta versão. Ela também não incluiu todo o conteúdo disponibilizado no curso, como fóruns de discussão, exercícios, testes e vídeos, bem como o conteúdo desenvolvido pelos alunos durante o curso.

Eventuais links para sites, ou outros, apresentados ao longo do texto, só funcionarão se utilizados a partir dos links correspondentes das páginas web, no ambiente de estudo na internet. Da mesma forma, os vídeos assinalados ao longo da apostila somente são disponibilizados através do ambiente de internet do curso. Dependendo do tipo de conexão à internet, banda larga ou não, recomendamos que seja feito o download dos vídeos oferecidos durante o curso para que possam ser visualizados a partir do computador do leitor.

Sobre esta Apostila

Dimensionamento de perfis de chapa dobrada

Dimensionamento de Vigas a Flexão

Dimensionamento de pilares mistos

Ligações em estruturas de aço

Apresentação

Sumário do Curso

Módulo 1

Módulo 2

Módulo 3

Módulo 4

Módulo 5

Critérios para Lançamento de Estruturas de Aço

Dimensionamento de apoiosMódulo 6

Estudo de CasoMódulo 7

Dimensionamento de Estruturas de Aço – EAD - CBCA

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Apresentação

Introdução

O curso Dimensionamento de Estruturas de Aço - Ligações em Aço corresponde à segunda parte do estudo iniciado no curso Dimensionamento de elementos de estruturas de aço, pré-requisito para este que começaremos a partir de agora.

No curso anterior estudamos o dimensionamento de elementos isolados da estrutura metálica, como pilares, vigas, elementos de treliças e outros.

Neste, pretendemos abordar o cálculo completo da estrutura de uma pequena edificação, e chegar aos detalhes construtivos, com o estudo das ligações entre os elementos estruturais de aço, principal objetivo deste curso.

Além disso, vamos também estudar alguns assuntos que não foram incluídos no curso anterior, tais como os perfis de chapa dobrada e os elementos mistos de aço e concreto.

Mas ao pensarmos em uma estrutura completa para um dado projeto arquitetônico, podem surgir diversas possibilidades. Esta etapa é o lançamento da estrutura, tanto no plano vertical como no plano horizontal. E conforme as nossas escolhas para o lançamento da estrutura, ela pode ter grande impacto tanto no projeto de arquitetura, como no custo da obra, dependendo das escolhas feitas e do seu desenvolvimento. Assim sendo, devido a sua importância, vamos começar relembrando alguns conceitos importantes (1).

(1) Nota: O material a seguir foi apresentado no curso Dimensionamento de Elementos das Estruturas de Aço, no Módulo 4 - Edificios estruturados em aço - parte 5 - Critérios para lançamento da estrutura.

Vídeo 0 – Introdução assista on-line

Curso de Dimensionamento de Estruturas de Aço - Ligações em AçoEAD - CBCA

Módulo1

Módulo 1CRITÉRIOS PARA LANÇAMENTO DE ESTRUTURAS DE AÇO

Critérios para Lançamento de Estruturas de Aço - Parte 1 página 8

1. Lançamento de Estrutura página 8

1.1. Critérios para Lançamento da Estrutura no Plano Horizontal. página 8


1.2. Critérios para Lançamento de Estrutura no Plano Vertical página 12


1.3. Contraventamentos página 14

1.3.1. Contraventamento Horizontal página 14

1.3.2. Contraventamento Vertical página 15

Sumário


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1. Lançamento de Estrutura

Módulo 1Critérios Para Lançamento de Estruturas de Aço - Parte 1

1.1. Critérios para lançamento da estrutura no plano horizontal.

1.1.1. É interessante que as vigas sejam locadas de forma que os panos de lajes resultem em tamanhos próximos. Não é conveniente ter panos de lajes muito grandes junto a outros muito pequenos. Lajes com vãos muito diferentes apresentam dois inconvenientes:

• Oprimeiroéquelajescomvãosmuitodiferentestêm,paraefeitoderesistência,necessidadedeespessuras muito diferentes; como é interessante, do ponto de vista construtivo, que as lajes de um mesmo pavimento tenham a mesma espessura, adota-se como espessura única a da laje de maior vão, com isso superdimensiona-se, e em muito, as lajes de vãos menores.

• Osegundoinconvenienteéquelajesdevãomuitodiferentespodemprovocarcomportamentoinad-equado da estrutura, como mostrado na figura 1.

Vídeo 1 – Lançamento de Estruturas assista on-line

Dá-se o nome de lançamento da estrutura ao pro-cedimento de locar lajes, vigas e pilares de forma a se criar uma estrutura capaz de suportar as cargas do projeto arquitetônico, buscando uma solução que se adapte bem a ele, sem prejudicá-lo estetica-mente. Seria sempre desejável que o arquiteto ao projetar já estivesse preocupado com a estrutura resultante da sua concepção, de modo que arquitetura e estru-tura se integrem desde o início, sem que uma venha prejudicar a outra. Infelizmente isso nem sempre ocorre, o que, muitas vezes, acarreta a necessi-dade de a estrutura ter que se adaptar, de maneira forçada, ao projeto arquitetônico, ou, ainda, que este tenha que ceder às necessidades da estrutura prej-udicando sua estética ou funcionalidade; sofrendo, em situações extremas, profundas modificações.

Não existem regras definitivas e precisas para o lançamento da estrutura. O que será feito aqui é a proposição de alguns critérios que sirvam de ponto de partida. Nem sempre a primeira solução pro-posta é a melhor. É recomendável que se estudem outras,nomínimotrês,paraquesepossaescolher,dentre elas, aquela que melhor atenda à interação entre arquitetura e estrutura, tanto do ponto de vista estético, como do técnico e econômico.

O lançamento pode ser iniciado por qualquer nível. Entretanto,aexperiênciamostraqueaosecomeçarpelo pavimento intermediário pode-se chegar mais rapidamente à solução mais adequada. Usando o pavimento intermediário tem-se mais domínio so-bre como a solução proposta interfere no pavimento inferior e superior.

No lançamento da estrutura deve-se evitar a angús-tia de ter de encontrar a melhor solução. É impor-tante lembrarmos que a melhor solução não existe! O que existe é uma solução muito boa que atenda a determinados parâmetros, pré-estabelecidos, de ordem estética, construtiva e econômica. Essa boa solução surgirá das várias tentativas que se fizer.

Para orientar as tentativas serão apresentados nos próximos itens alguns critérios para locação de lajes e vigas.

Os primeiros critérios apresentados tratam de loca-ção de vigas, já que a locação da laje está intimam-ente ligada à locação das vigas.


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Como se pode observar, quando carregadas, a laje demenorvãotende,porinfluênciadalajedevãomaior, a ser submetida apenas a momentos negati-vos (tração em cima), provocando na viga que apoia a laje menor um carregamento de baixo para cima.

Figura 01

Figura 02

1.1.2. Sempre que possível, a viga deve ser locada sob uma alvenaria. Como a viga é mais rígida que a laje,

devido sua maior espessura, ela sofre menos deformações quando solicitada pela carga da alvenaria, evi-

tando, nesta, trincas indesejáveis. Ver figura 2.

Esta viga torna-se mais um elemento de ancoragem que de apoio. Neste caso a eliminação dessa viga é mais interessante, fazendo com que a laje menor esteja em balanço em relação à maior. Do ponto de vista construtivo, a eliminação da viga facilita a execução das formas.


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Sendo impossível atender este critério, recomenda-se que a parede, e também, seu revestimento sejam executados mais tarde, quando a laje já tiver sofrido as maiores deformações.

Pode-se prescindir da viga quando a alvenaria estiver locada a menos de 1/4 do vão. Nesta posição as lajes são mais rígidas e os efeitos das deforma-ções sobre a alvenaria podem ser desprezados. Ver figura 3

Figura 03

1.1.3. Sempre que possível as vigas devem ser locadas sobre alvenarias. Pretende-se com isso evitar que as lajes se apoiem sobre as alvenarias, introduzindo esforços não previstos no cálculo. Ver figura 4.

Figura 04


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Pode-se ver pela figura anterior que usando a viga sobre a alvenaria, define-se ainda na fase de projeto, seu apoio, armando-se a laje de forma adequada.

Caso torne-se impossível o uso da viga sobre a alvenaria, recomenda-se que a mesma só seja executada depois da laje ter sofrido as maiores deformações.

Quando a alvenaria estiver locada a menos de 1/4 do vão da laje pode-se prescindir do uso da viga. Nesta situação as deformações da laje junto à alvenaria são pequenas e o efeito de apoio é desprezível.

1.1.4. Sempre que o uso de uma viga interferir esteticamente no pavimento inferior, e quando possível, pode-se inverter a viga, isto é, colocar a laje na face inferior da viga. Neste caso deve-se prever reforços na mesa inferior, usando nervuras verticais. Ver figura 5.

Figura 05a e 05b

Figura 05c e 05d


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Quando a laje apoiar-se a meia altura da alma da viga, deverá ser prevista uma cantoneira soldada na alma da viga, para apoio da laje. Ver figura 6.

Nessas duas últimas situações é óbvio que as lajes não podem colaborar como vigas mistas.

Critérios Para Lançamento de Estruturas de Aço - Parte 2

1.2. Critérios para lançamento de estrutura no plano vertical.

Figura 06

Pertencem ao plano vertical da estrutura os pilares e contraventamentos verticais. Enfatizamos que um bom projeto arquitetônico, e consequentemente estrutural de aço deve levar em consideração na deter-minação do pé direito dos pavimentos a questão de perdas. Por isso é interessante que essas dimensões sejam múltiplas ou submúltiplas dos comprimentos padrões dos perfis, ou seja, de 6 e 12 m.

1.2.1. Nos edifícios comerciais os espaços desejados são bem maiores que aqueles usados para edificações residenciais, o que resulta na necessidade de vãos maiores, enquanto nos edifícios residenciais os espaça-mentos econômicos encontram-se entre 4 e 6 m , nos edifícios comerciais são usados vãos maiores. Nos edifícios comerciais os vãos podem ser aqueles impostos pela arquitetura, no entanto, convém ressaltar quevãosacimade8mtornam-semaisonerosos.Portantoquandonãohouverexigênciasarquitetônicaséconveniente restringir “os grandes vãos” a esses limites.

Em princípio, em qualquer edificação, seria suficiente o uso de apenas um pilar. Não é difícil imaginar que uma solução como esta tornaria a estrutura mais complexa, e muito mais cara. O número de pilares num edifício deve ser dosado de forma que a estrutura seja fácil de ser executada e viável economicamente.


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1.2.2. Os pilares devem ser locados de forma que as vigas resultem com vãos da mesma ordem de grande-za. Diferenças de até 20% de um vão para o outro, são aceitáveis. Deve-se evitar uma situação semelhante à que aparece na figura 7.

Figura 07

Quando a viga é carregada, seu vão maior tende a fazer com que o menor seja solicitado exclusivamente por momentos negativos, provocando reação negativa no apoio extremo do vão menor. O pilar deste apoio acaba atuando mais como tirante que pilar. Numa situação como esta é preferível eliminar o apoio extre-mo, transformando o vão menor em balanço. Tornando, com isso, a execução mais simples e a estrutura mais econômica.

1.2.3. Sempre que possível, os pilares devem ser locados de forma que se criem balanços que aliviem vãos centrais. A figura 8 mostra as relações mais interessantes entre balanços e vãos centrais.

Em algumas situações o uso de poucos pilares, em lugar de vantajoso, pode gerar sensações desa-gradáveisdopontodevistapsicológico.Estudosrealizadosemsaguõesdeesperamostramatendênciadaspessoasseagruparememtornodepilares.Aausênciadeumnúmeromaiordepilarespodecausarangústia e insegurança. A proposta de se usar o mínimo possível de pilares deve ser muito bem justificada para que se evitem transtornos econômicos, técnicos e até mesmo psicológicos


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Figura 08

1.2.4. Os pilares devem ser locados de forma que sejam contínuos da fundação à cobertura. Evita-se, com isso, vigas de transição, que encarecem a estrutura.

1.2.5. Sempre que possível os pilares devem ser locados no encontro das vigas. Este é um critério desejável mas não obrigatório, já que vigas podem, sem problema algum, ser apoiadas em outras vigas. O único in-conveniente é que, ao se apoiarem em outras, as vigas depositam, nestas, cargas concentradas que ten-dem a aumentar seus esforços, tornando-as mais caras.

1.2.6. Sempre que possível os pilares devem ser locados de forma que se encontrem em um mesmo eixo, para facilitar a locação em obra.

1.2.7. Outro critério que pode determinar a locação dos pilares é a necessidade do contraventamento verti-cal da estrutura. Dependendo da altura do edifício e para aumentar sua rigidez, pode ser necessária a execução de pilares com espaçamentos menores.

Critérios Para Lançamento de Estruturas de Aço - Parte 3

1.3. Contraventamentos.

1.3.1. Contraventamento horizontal

Os edifícios metálicos, independente de suas dimensões e devido à sua pouca rigidez, necessitam ser con-traventados (travados), tanto no plano horizontal como vertical.As lajes maciças ou pré-moldadas, quando convenientemente ligadas ao vigamento, comportam-se como placas horizontais de grande rigidez que dão adequado travamento ao edifício em seu plano horizontal.


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Caso a ligação laje-viga não seja a mais adequada, será necessário criar contraventamentos metálicos entre as vigas. Esses contraventamentos devem ser executados na forma de X para que qualquer que seja o sentido do deslocamento as barras funcionem a tração.Para diminuir o peso da estrutura, os perfis que constituem as barras dos contraventamentos devem ser barras redondas ou cantoneiras.

1.3.2. Contraventamento vertical

O contraventamento vertical representa, muitas vezes, um elemento de difícil adaptação à arquitetura. Por isso é necessário ser previsto na concepção do projeto arquitetônico, quando se pode, inclusive, usá-lo como elemento estético.

Constituem-se elementos possíveis de serem usados como contraventamento vertical:

•paredesdealvenaria•paredesdeconcreto•aporticamentoentrepilaresevigas•Xmetálico

Paraumadequadoenrijecimentodaestruturametálicasãonecessáriosnomínimotrêsplanosdecon-traventamentos verticais, não sendo permitido contraventamentos concorrentes em um mesmo vértice. (figura 9).

Figura 09


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Em princípio as vedações em alvenarias poderiam fazer o papel de contraventamento vertical.

Masissodeveserevitadoporduasrazões:dependendodosvãosatendênciadedeslocamentosnaes-trutura são maiores, aplicando maiores esforços às paredes, podendo causar-lhes danos. Segundo, as alvenarias podem ser removidas durante reformas; neste caso, a eliminação do contraventamento, pode trazer prejuízos para o comportamento global da estrutura. Quando se usar contraventamento com pare-desdeve-sedarpreferênciaaparedesmaisdefinitivas,comoasdeconcretodecaixasdeescadaououtrasprevistas pela arquitetura.

As paredes de concreto, quando fizerem parte da proposta arquitetônica, são uma solução de contraventa-mento bastante eficiente.

Foto 1 – Estação Pinheiros – Contraventamento horizontal. Fonte: Sidnei Palatnik

Foto 2 – Contraventamento horizontal. Fonte: Sidnei Palatnik

Foto 3 – Contraventamento horizontal e vertical. Fonte: Sidnei Palatnik

Foto 4 - Contraventamento horizontal e vertical. Fonte: CBCA

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Foto 5 – Contraventamento vertical.Fonte: CBCA

Foto 6 – Contraventamento vertical.Fonte: CBCA

Foto 7 – Contraventamento vertical.Fonte: Sidnei Palatnik

Foto 8 - Contraventamento vertical.Fonte: CBCA


Foto 10 - Contraventamento vertical.Fonte: Sidnei Palatnik

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Foto 12 - Contraventamento vertical.Fonte: Sidnei Palatnik


Foto 14 - Contraventamento vertical. Fonte: Sidnei Palatnik

Foto 15 - Contraventamento vertical. Fonte: Sidnei Palatnik

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Foto 16 – Detalhe de ligação em contraventamento vertical.Fonte: Sidnei Palatnik

Foto 17 – Contraventamento vertical incorporado ao partido arquitetônico.Fonte: Usiminas

Foto 18 – Contraventamento vertical incorporado ao partido arquitetônico. Fonte: Sidnei Palatnik

Foto 19 – Edificio Capri - Contraventamento vertical incorporado ao partido arquitetônico. Fonte: CBCA

Foto 20 – Contraventamento vertical incorporado ao partido arquitetônico

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Foto 21 – Banco Itaú - Contraventamento vertical incorporado ao partido arquitetônico. Fonte: Sidnei Palatnik

Foto 22 – Bank of China - Contraventamento verti-cal incorporado ao partido arquitetônico

Foto 23 – John_Hancock_Center - Contraventa-mento vertical incorporado ao partido arquitetônico. Foto: Joe Ravi

Foto 24 – Guggenheim Bilbao - Contraventamento vertical de todos os vãos.

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Foto 25 – Guggenheim Bilbao – vista geral com a estrutura revestida

Foto 26 – Beijing CCTV Tower – vista da estrutura e do Contraventamento vertical incorporado ao par-tido arquitetônico (1)Fonte: http://allcity7.com/showpost.php?p=43187

Foto 27 – Beijing CCTV Tower – vista da estrutura e do Contraventamento vertical incorporado ao par-tido arquitetônico (2) Fonte: http://allcity7.com/showpost.php?p=43187

Foto 28 – Beijing CCTV Tower – vista da estrutura e do Contraventamento vertical incorporado ao par-tido arquitetônico (3)Fonte: http://allcity7.com/showpost.php?p=43187

O aporticamento e o contraventamento em X são outras soluções para enrijecer a estrutura. Estes tipos são, normalmente, os mais usados.

O aporticamento consiste em enrijecer a ligação entre vigas e pilares, diminuindo a deslocabilidade da estrutura. Os pórticos, entretanto, não tornam a estrutura totalmente indeslocável e com isso os pilares passam a apresentar um comprimento real de flambagem maior que a distância entre as vigas dos pavi-mentos contíguos, o que se traduz na necessidade de pilares de maiores dimensões, aumentando o custo da estrutura. Além disso, os pórticos são estruturas que apresentam momento fletor nos pilares, o que tende a aumentar ainda mais o seu custo.

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O contraventamento em X é o mais eficiente, tanto do ponto de vista físico como econômico. Este tipo de contraventamento torna a estrutura mais rígida, permitindo considerá-la indeslocável, o que resulta em economia no dimensionamento dos pilares. Como já comentado, o uso de contraventamentos deste tipo deve ser adotado já no início do projeto de arquitetura, podendo-se tirar proveito formal deles. Quando esse contraventamento é pensado depois do projeto de arquitetura já definido, fica difícil sua absorção pelo projetoarquitetônico,poispoderesultareminterferênciasindesejáveisnosespaços,PoisoXcriabarreirana circulação, o que muitas vezes impede o seu uso.

Enfim, a decisão pelo uso do tipo mais adequado de contraventamento vertical ficará, sempre, na de-pendênciadaspossibilidadesarquitetônicas,econômicaseconstrutivas.

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