ANÁLISE COMPARATIVA DE SOLUÇÕES DE PILARES PARA GALPÕES: PILARES DE AÇO, PRÉ-MOLDADOS E MISTOS DE AÇO E CONCRETO

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ANÁLISE COMPARATIVA DE SOLUÇÕES DE PILARES PARA GALPÕES: PILARES DE AÇO, PRÉ-MOLDADOS E MISTOS DE AÇO E

CONCRETO

Silvana De Nardin (1), Alex Sander Clemente de Souza (1), Margot Fabiana Pereira (2), Jorge Augusto Serafim (3)

(1) Prof. Dr. Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de São Carlos (2) Bolsista de Iniciação Científica no Departamento de Engenharia Civil da Universidade

Federal de São Carlos

(3) Mestrando no Programa de Pós-Graduação em Construção Civil da Universidade Federal de São Carlos

Universidade Federal de São Carlos. Rodovia Washington Luís, km 235 - SP-310. São Carlos - São Paulo – Brasil. CEP 13565-905

Resumo

O objetivo deste estudo é analisar as soluções mais comuns para pilares de galpões industriais e comerciais que são constituídos por seções em aço ou em concreto pré-moldado e também a apresentar a possibilidade do uso de pilares mistos de aço e concreto parcialmente revestido. Foram avaliados 18 galpões variando se o vão, altura e a condição de vínculo viga-pilar e pilar-fundação.

Cada um dos galpões foi projetado com pilar metálico em seção tipo I, pilar de concreto pré- moldado de seção retangular e pilar misto parcialmente revestido constituído de seção tipo I com a região entre as mesas preenchidas com concreto. As soluções foram comparadas entre si com relação a custos de materiais e mão de obra além de aspectos construtivos relativos à fabricação, transporte e montagem. As estruturas foram analisadas em 2ª ordem e dimensionadas de acordo com as normas brasileiras específicas. Os custos foram levantados considerando a construção na região central do estado de São Paulo. De acordo com os resultados percebe-se que o uso de pilares mistos é viável em galpões trazendo redução de custos em relação aos pilares de aço e, principalmente em relação ao pilares em concreto pré-moldados. Além disso, em relação aos pilares pré-moldados há também reduções nos prazos de construção quando se utiliza pilares de aço ou pilares mistos de aço e concreto.

1. Introdução

Tem-se observado nas últimas décadas um aumento progressivo na utilização da construção metálica, o que se reflete no aumento da competitividade desse tipo de solução estrutural em diversas áreas da construção civil como em edifícios comerciais, shopping centers, edifícios residenciais, pontes, viadutos, passarelas, etc. No Brasil, uma parcela significativa das construções metálicas se referem a estruturas de grandes coberturas e edifícios industriais, como os galpões industriais.

Os galpões industriais são, em geral, estruturas de um único pavimento com grande área construída e diferentes funções na indústria. Os elementos em aço também podem ser empregados em

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coberturas de depósitos, ginásios, garagens, academias esportivas, entre outras. Essas edificações são construídas com estruturas metálicas ou com estruturas pré-moldadas de concreto. Além destas duas, outra solução bastante empregada e que se mostra competitiva economicamente é a estrutura híbrida, assim denominada quando diferentes materiais são empregados em diferentes elementos estruturais; por exemplo, no caso do galpão industrial, pilares pré-moldados e cobertura em aço. Na

Figura 1 – Exemplos de galpões industriais

A concepção estrutural (ou seja, o sistema estrutural) de galpões pode conduzir a diferentes tipologias dependendo da geometria da cobertura, do tipo de perfis, do tipo de pilares, das ações atuantes, etc. A Tabela 1 apresenta uma classificação genérica dos sistemas estruturais e construtivos para galpões.

Tabela 1 – Classificação de galpões quanto ao sistema estrutural/construtivo

Edifícios com vãos simples Estruturas com vãos múltiplos Edifícios com estruturas especiais Cobertura em uma água

Cobertura em duas águas Cobertura em arco

Cobertura em múltiplos de uma água

Cobertura em múltiplos de duas águas

Estruturas reticuladas espaciais Outras estruturas especiais

Fonte: Chaves (2007)

Segundo essa classificação, os galpões podem ou não ter pontes rolantes, os perfis utilizados podem ser seções de alma cheia ou em treliça e a escolha depende das necessidades impostas no projeto.

Além disso, Chaves (2007) emprega a denominação galpões industriais leves para edifícios industriais sem ponte rolante ou com ponte rolante de pequena capacidade (até 50kN).

A fim de dar subsídios para uma escolha adequada do sistema estrutural e que conduza ao menor custo, Chaves (2007) fez um estudo comparativo considerando cinco tipologias de sistemas

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estruturais para galpões em aço: galpões em alma cheia (AC); treliça em arco (TA); treliça de banzos paralelos (BP); Treliça trapezoidal (TP) e treliça triangular com vãos variando entre 16 e 32m. O autor observou que a influência da tipologia no consumo de aço torna-se maior à medida que o vão livre do pórtico torna-se maior. Os pórticos em alma cheia apresentaram maior consumo de aço e maiores deslocamentos verticais se comparados a pórticos treliçados. Já a tipologia em treliça triangular, para vãos de 20m, apresentou a menor eficiência entre os sistemas testados se aproximando muito dos pórticos em alma cheia. A comparação entre as tipologias de treliça em arco e treliça com banzos paralelos mostrou comportamento estrutural muito semelhante entre estas duas opções. A treliça trapezoidal apresentou as menores taxas de consumo de aço e também os menores deslocamentos, mostrando-se o sistema mais eficiente para o caso estudado.

Com relação à escolha do material estrutural, esta é muito influenciada pela condição do mercado que ora tende para as estruturas em aço ora para as estruturas pré-moldadas de concreto. No entanto, não há estudos comparativos consistentes sobre custos para estas duas soluções. Exemplo recente de uma obra já executada apontou redução de custos da ordem de 35% obtida com a substituição da estrutura pré-moldada de concreto por estrutura de aço. O estudo foi publicado na Revista Guia da Construção (outubro de 2011) e trata-se de uma edificação de um único pavimento, de uso comercial, e que inicialmente havia sido concebida com pilares e vigas pré-moldadas de concreto e cobertura metálica. Além da redução de custos, a substituição dos elementos pré-moldados de concreto por elementos em aço resultou em redução do tempo de execução, que passou de 70 para 45 dias.

O crescimento econômico brasileiro verificado nos últimos anos tem levado a um crescimento da demanda por galpões para uso comercial e industrial, fazendo-se necessário não apenas um estudo sobre custos para as soluções consagradas como também o desenvolvimento de novas soluções que aliem custos competitivos a facilidade de fabricação, montagem e manutenção. Aqui vale ressaltar que, além da demanda por galpões industriais estar em crescimento, também há a escassez da mão- de-obra e, estes dois fatores, juntos, favorecem a utilização de elementos com maior grau de industrialização.

Neste sentido, as estruturas mistas de aço e concreto entram no conjunto das possíveis soluções e, no caso específico do presente estudo, o uso de pilares mistos do tipo parcialmente revestido. Neste estudo será analisada a viabilidade da utilização dos pilares mistos parcialmente revestidos e estes serão comparados aos pilares de aço e pré-moldados de concreto. O sistema estrutural será sempre

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em pórtico com vigas de alma cheia e telhado de duas águas. Para este sistema, serão analisadas as seguintes possibilidades para os pilares: pilar de aço, pilar pré-moldado de concreto e pilar misto parcialmente revestido.

O comportamento estrutural e os procedimentos de dimensionamento para pilares de aço e pré- fabricados de concreto já são bem conhecidos e estão consolidados; no entanto, os elementos mistos de aço e concreto ainda são pouco utilizados e merecem ter seu comportamento definido e detalhado.

Os elementos estruturais mistos compreendem componentes de aço associados ao concreto moldado no local ou pré-moldado, formando a seção resistente dos elementos. Assim, em um elemento misto de aço e concreto, o aço é utilizado na forma de perfis que trabalham em conjunto com o concreto simples ou armado (Erro! Fonte de referência não encontrada.). Um perfil de aço trabalhando em conjunto com o concreto pode dar origem a: pilar misto (Erro! Fonte de referência não encontrada.c), viga mista (Erro! Fonte de referência não encontrada.a), laje mista (Erro! Fonte de referência não encontrada.b) e ligação mista. Uma breve descrição das principais características dos elementos mistos de aço e concreto pode ser encontrada em De Nardin et al.

(2005). Em relação ao comportamento conjunto aço-concreto, há diversas maneiras de promover o comportamento conjunto: a interação pode ser mecânica via conectores de cisalhamento, mossas e saliências, por atrito ou por aderência e repartição de cargas.

a) Vigas b) Lajes c) Pilares

Figura 2 – Exemplos de elementos mistos de aço e concreto

A utilização de elementos mistos tem crescido nas últimas décadas devido às suas boas características econômicas, construtivas e estruturais. Neste sentido, merecem destaque: a redução das dimensões dos elementos com conseqüente economia de materiais, mão-de-obra e maior área livre por pavimento; grande resistência, rigidez e ductilidade, especialmente com o advento dos

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Além da variedade de opções e combinações possíveis para as estruturas mistas, especificamente em relação às estruturas em concreto armado, verifica-se a possibilidade de reduzir ou dispensar fôrmas e escoramentos, diminuindo custos com materiais e mão-de-obra, reduzindo o peso próprio da estrutura devido à utilização de elementos mistos estruturalmente mais eficientes e aumentando a precisão dimensional dos elementos. Por outro lado, em relação às estruturas de aço, as estruturas mistas permitem reduzir o consumo de aço estrutural. Aqui é importante frisar que o emprego de elementos mistos constitui não só uma opção de sistema estrutural, mas também de processo construtivo e, como tal, suas vantagens estendem-se também a estes aspectos, desde que sejam adotadas técnicas construtivas adequadas ao sistema. Além disso, o surgimento dos elementos mistos e sua associação com elementos em concreto armado e de aço impulsionaram o surgimento das estruturas híbridas. É cada vez mais comum compor o sistema estrutural de uma edificação com pilares de aço, vigas mistas, núcleos ou paredes de concreto armado que garantem a estabilidade horizontal.

No tocante aos pilares mistos (Figura 3), em função da posição que o perfil de aço ocupa na seção transversal estes elementos são classificados em: seções preenchidas, que podem ser circulares ou retangulares; seções revestidas e seções parcialmente revestidas. Em qualquer dos casos, os perfis de aço devem ser compactos o suficiente para respeitar os limites de esbeltez local impostos pela NBR 8800:2008 e evitar a ocorrência de instabilidade local. No presente estudo daremos ênfase aos pilares do tipo parcialmente revestido destacando que este tipo de pilar apresenta grande potencialidade de utilização uma vez que permite ganhos consideráveis de capacidade resistente sem aumento da seção transversal, podendo ser pré-fabricados e posteriormente, posicionados no local definitivo; no entanto, sua utilização ainda é bastante restrita.

a) Preenchidos b) Revestidos c) Parcialmente revestidos Figura 3 – Exemplos de pilares mistos de aço e concreto

Não há registro da utilização de pilares parcialmente revestidos em galpões industriais, mas acredita-se que tais elementos tenham grande potencial de emprego neste tipo de construção,

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sobretudo naqueles que apresentam grande pé-direito. Assim, estes elementos estruturais podem ser uma alternativa aos pilares de aço e pré-moldados de concreto que, atualmente, são de utilização predominante em galpões industriais.

Os pilares mistos revestidos (Figura 3b) caracterizam-se pelo completo envolvimento, por concreto, do elemento estrutural em aço, composto por um ou mais perfis de aço. Já os pilares mistos preenchidos são formados por perfis tubulares preenchidos com concreto e encontrados no formato circular, retangular, triangular, etc. O não envolvimento por completo do elemento estrutural de aço do pilar misto de aço e concreto, resulta num terceiro tipo de elemento misto, denominado pilar misto parcialmente revestido (Figura 3c).

Ao contrário dos pilares revestidos, os pilares parcialmente revestidos podem dispensar total ou parcialmente o uso de fôrmas e permitem a pré-fabricação uma vez que o pilar pode ser concretado horizontalmente e posicionado na estrutura após o endurecimento do concreto entre as mesas. As porções da mesa que ficam expostas podem receber algum tipo de proteção contra incêndio, por exemplo, pintura; além disso, é obrigatório o uso de armadura longitudinal e transversal para aumentar a resistência ao fogo e, sobretudo, para prevenir fissuras e fendilhamento do concreto.

Os pilares mistos parcialmente revestidos tem sido algo de vários estudos no exterior, merecendo destaque os estudos de ELNASHAI e BRODERICK (1994), ELNASHAI et al.(1990), HUNAITI et al. (1994), e PLUMIER et al. (1995). Dentro deste contexto, HUNAITI et al. (1994) testou 19 pilares parcialmente revestidos submetidos a compressão simples, visando avaliar a existência do comportamento conjunto aço-concreto. Os resultados experimentais revelaram que os pilares têm comportamento misto e atingem a ruptura por esgotamento da capacidade resistente da seção mista.

Outra linha que vem ganhando vários estudos é voltada para desenvolvimento de pilares parcialmente revestidos compostos por perfis de chapa fina, ou seja, perfis conformados a frio e, para os quais, as instabilidades locais podem ser importantes. Neste contexto, merecem destaque os estudos de TREMBLAY et al. (1998), VINCENT et al.(2001), CHICOINE et al. (2002), TREMBLAY et al. (2002), CHICOINE et al. (2003), PRICKETT & DRIVER (2006).

No Brasil, o que se verifica é o pouco uso dos pilares parcialmente revestidos por parte dos profissionais de engenharia. Alguns trabalhos surgiram no final do século XX, mais precisamente na década de 90 e representam as primeiras iniciativas no sentido de introduzir este elemento estrutural no rol de opções oferecidas aos profissionais. Passo importante foi dado pela Associação

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Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) que, ao revisar e atualizar a NBR 8800:1986, inseriu o dimensionamento de elementos mistos de aço e concreto. A versão da NBR 8800:2008 aborda, além dos pilares, o dimensionamento de vigas, lajes e ligações mistas de aço e concreto.

Algumas universidades e centros de pesquisa brasileiros vêm realizando estudos sobre o comportamento e a viabilidade das estruturas mistas de aço e concreto, merecendo destaque, no caso de pilares mistos os trabalhos de DE NARDIN (1999), ALVA (2000), QUEIROZ (2001), DE NARDIN (2003), DE NARDIN (2005) e DE NARDIN et al. (2010). Universidades como UFOP, UFMG, USP e UFSCar vem estudos os elementos mistos em geral.

ALVA (2000) e QUEIROZ (2001) destacam que a combinação aço-concreto na forma de pilares mistos proporciona estruturas mais rígidas para resistir aos carregamentos horizontais e às solicitações provenientes de ações sísmicas, além de um comportamento mais “dúctil” que aquele apresentado por um pilar de concreto armado. QUEIROZ (2003) simulou numericamente o comportamento de pilares mistos parcialmente revestidos submetidos a flexo-compressão. DE NARDIN et al. (2010) fez um estudo de viabilidade para utilização de pilares parcialmente revestidos em sistemas estruturais aporticados de edifícios de múltiplos pavimentos. Neste estudos, os pilares de aço foram substituídos por pilares mistos do tipo parcialmente revestido. O estudo mostrou a viabilidade da utilização proposta e produziu reduções de até 41% no consumo de aço na forma de perfis. Além disso, foi observado que a substituição de pilares de aço por mistos de aço e concreto resultou em um aumento de até 13% na área livre por pavimento. Este aumento na área livre decorre da redução das dimensões do pilar quando se emprega pilares mistos do tipo aqui investigado. Naturalmente, NARDIN et al. (2010) fizeram um estudo de caso mas os resultados obtidos se mostraram bastante promissores.

Outro aspecto importante para o desenvolvimento e uso dos elementos mistos e em particular os pilares mistos é o detalhamento das ligações. Em DE NARDIN et al. (2007) são apresentadas diversas alternativas de ligação viga-pilar, destinadas a pilares do tipo preenchido. DE NARDIN (2003) apresenta alternativas para as ligações envolvendo pilares mistos preenchidos e vigas de aço.

Uma dessas alternativas, composta de parafusos passantes e chapas de extremidade, apresentou comportamento bastante satisfatório na transmissão de momentos fletores e foi escolhida para posteriores análises. Dando continuidade, SILVA (2006) analisou a transferência de forças nessa ligação mediante ensaios de push-out, com a presença de diferentes tipos de conectores de

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cisalhamento. FARIAS (2008) introduziu as lajes na ligação para avaliar a sua contribuição nos mecanismos de transferência de momentos e cortantes.

Atualmente, verifica-se que, além dos estudos voltados para os elementos mistos de aço e concreto, a utilização de estruturas híbridas, compostas por elementos mistos de aço e concreto e pré- moldados de concreto também está sendo apontada como uma alternativa bastante viável para a melhoria da qualidade da construção civil no Brasil. No entanto, poucos são os estudos direcionados para a viabilidade de aplicação destes elementos em estruturas correntes. Além disso, percebe-se que os estudos sobre ligações estão voltados para aplicação em edifícios, assim como os estudos sobre os pilares mistos parcialmente revestidos.

Portanto, o estudo aqui proposto visa preencher essa lacuna analisando a possibilidade de utilização de pilares mistos parcialmente revestidos frente a duas soluções consagradas para essa finalidade que são os pilares de aço e os pilares pré-moldados de concreto. Ressalta-se que a questão da ligação entre os elementos mistos ou pré-moldados de concreto é um ponto importante para a viabilidade técnica, mas que não será objeto de estudo deste trabalho.

2. Síntese da formulação para dimensionamento/verificação de pilares mistos –

!BR 8800:2008

Segundo a NBR 8800:2008, o dimensionamento de pilares mistos submetidos à compressão simples é baseado na plastificação da seção mista e a instabilidade global deve ser verificada pela mesma curva de resistência aplicada aos perfis de. Na flexão simples também se admite plastificação total da seção mista como estado limite último. Tanto na compressão como na flexão as instabilidades locais devem ser evitadas havendo limites de esbeltez local para que tal fenômeno não ocorra. No Tabela 2 são dados alguns limites de aplicabilidade da NBR 8800:2008, bem como recomendações relativas a esbeltez local e global, taxa de armadura, fator de contribuição do perfil de aço (δ) e rigidez a flexão.

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Tabela 2 – Limites de aplicabilidade e outras limitações (NBR 8800, 2008)

Seção parcialmente revestida

d=hc

bf=bo tfey x ex y

Resistência do aço ao escoamento Resistência do concreto MPa

420

f_yk ≤ 20MPa ≤f_ck ≤50MPa

Obs.: concreto de densidade normal

Limite de índice de esbeltez global 2,0

N N

e Rp m

,

o = ≤

λ ^l

Limite de esbeltez local

yd f

f

f 49 E , t 1 b ≤

Fator de contribuição do perfil de aço 0,2≤δ≤0,9 com

Rd , p

yd a

N f A

l

= ⋅ δ

Rigidez efetiva a flexão

( )

EI _e =E_a ⋅I_a +0,6⋅E_c_,_red⋅I_c +E_s⋅I_s







⋅ ϕ +

=

Sd Sd , G c red

, c

N 1 N

E E ; E_c =4760⋅ f_ck

5 ,

=2

ϕ (pilares parcialmente revestidos)

Em relação à taxa de armadura longitudinal As, obrigatória no caso dos pilares mistos parcialmente revestidos, não deve ser inferior a 0,3% e nem superior a 4% da área de concreto. Porcentagens maiores podem ser necessárias para verificação em alta temperatura; neste caso, na verificação em temperatura ambiente deve ser adotado o valor máximo correspondente a 4% da área de concreto.

Quanto ao comportamento conjunto, como hipótese de dimensionamento, admite-se comportamento conjunto com interação completa entre o perfil de aço e o concreto. Isto é válido quando a aplicação das forças advindas do pavimento se dá de forma simultânea nos dois componentes da seção mista: perfil e concreto. No entanto, para verificação os pilares são divididos, ao longo de sua altura, em duas regiões: regiões de introdução de cargas e região entre pontos de introdução de cargas. A primeira consiste naquela em que ocorre variação localizada dos esforços

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solicitantes. A segunda fica localizada entre trechos de introdução de cargas. Em ambas as regiões, deve-se verificar se as tensões solicitantes de cisalhamento na interface aço-concreto não excedem os valores resistentes.

No caso de pilares parcialmente revestidos submetidos a compressão simples, a determinação da capacidade resistente a compressão (N_Rd) requer que se determine a capacidade resistente da seção mista à plastificação dos materiais aço e concreto (N_pl,Rd)

A força normal resistente à plastificacao (N_pl,Rd) é dada pelo somatório das resistências à plastificação total de cada componente comprimido que compõe a seção transversal do pilar misto de aço e concreto, ou seja: perfil de aço, concreto e armadura longitudinal como segue:

Rd , s , p Rd , c , p Rd , a , p Rd ,

p N N N

Nl = l + l + l

Sendo:

1) Capacidade resistente do perfil de aço: N_pl_,_a_,_Rd =f_yd⋅A_s

2) Capacidade resistente do concreto: N_pl_,_c_,_Rd =f_cd₁⋅A_c, f_cd₁ =0,85⋅f_cd 3) Capacidade resistente da armadura longitudinal: N_pl_,_s_,_Rd =f_sd⋅A_s

De forma semelhante ao que ocorre com os elementos de aço submetidos a compressão simples, a instabilidade por flexão é considerada por meio do parâmetro de redução χ, que depende, essencialmente, do índice de esbeltez reduzido. A curva que representa a relação entre χ e λ₀_,_m é dividida em dois trechos, como mostrado na Figura 4, que foi extraída a NBR 8800:2008.

A força axial resistente de cálculo para elementos a compressão simples (N_Rd) sujeitos a instabilidade por flexão é expressa por:

Rd , p

Rd N

N =χ⋅ l

No caso de pilares mistos submetidos à flexo-compressão, a verificação também é análoga àquela dos pilares em aço apresentada pela NBR 8800:2008. Portanto, são utilizadas expressões de interação momento-normal adaptadas para levar em conta a presença do concreto na seção mista parcialmente revestida. Basicamente, a verificação consiste em analisar isoladamente os efeitos da compressão e da flexão e, posteriormente, considerar a interação entre estes esforços via diagrama ou equação de interação.

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0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0,2

0,4 0,6 0,8 1,0

8 7 7 , 0

2 m , λ0

= χ

658 ,

0 ^λ⁰^,^m²

= χ

λλλλ0,m

χχχχ

5 , 877 1

, 0

5 , 1 658

, 0

m , 0

2 m , 0

>

λ

→

= χ

≤ λ

→

= χ

λ λ

Figura 4 – Relação entre o parâmetro χ e o índice de esbeltez reduzido λ₀_,_m

Diferentemente do que ocorre com os pilares em aço, no caso dos pilares mistos, são permitidas duas equações de interação: uma idêntica à empregada para elementos em aço (Modelo I) e outra sugerida especificamente para elementos mistos (Modelo II). Para o Modelo I são válidas as seguintes equações de verificação da interação momento-normal, lembrando que este modelo representa o diagrama de interação real por dois segmentos de reta:

2 , N 0 N

Rd

Sd ≥ → 1

M M M

M 9 8 N N

Rd , y

Sd , y Rd , x

Sd , x Rd

Sd ≤









 +

+

2 , N 0 N

Rd

Sd < → 1

M M M

M N

2 N

Rd , y

Sd , y Rd , x

Sd , x Rd

Sd ≤









 +

⋅ +

O Modelo II é inspirado nas curvas de interação Momento-Força Normal adotadas pelo Eurocode 4 (2004), que representa a curva de interação por três trechos de reta. Na equação geral de interação, o coeficiente µ assume, em função do eixo de flexão, os valores mostrados a seguir. Para flexão em torno do eixo y, basta alterar adequadamente as expressões a seguir, considerando as características geométricas neste eixo.

0 , M 1 M M

M

y , c y

Sd , tot , y x , c x

Sd , tot ,

x ≤

⋅ +µ

⋅

µ ; Com N_Sd ≤N_Rd

Os momentos fletores Mc e Md são expressos por:

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Rd , x , p x

,

c 0,9 M

M = × l e M_c_,_y =0,9×M_pl_,_y_,_Rd

Rd , x , p max, x

,

d 0,8 M

M = × l e M_d_,_y =0,8×M_max,_pl_,_y_,_Rd

Nas situações em que M_d_,_x <M_c_,_x, M_d_,_x deve ser tomado igual a M_c_,_x. O mesmo procedimento deve ser adotado em relação ao eixo y.

Em toda a formulação apresentada até o momento, o índice x corresponde à flexão em torno do eixo x e o índice y corresponde à flexão em torno do eixo y.

Na equação geral de interação, os momentos M_x_,_tot_,_Sd e M_y_,_tot_,_Sd representam os momentos fletores totais solicitantes de cálculo, em relação aos eixos x e y, respectivamente. No cálculo destes esforços solicitantes devem ser levados em conta os efeitos das imperfeições iniciais nos pilares, da seguinte forma. Caso não seja feita análise mais rigorosa, as imperfeições geométricas no pilar misto parcialmente revestido devem ser levadas em conta por meio da consideração de um momento devido às imperfeições ao longo do pilar, dado por:

Eixo x: M_x_,_tot_,_Sd =M_x_,_Sd +M_x_,_,i_Sd Eixo y: M_y_,_tot_,_Sd =M_y_,_Sd +M_y_,_,i_Sd











 −

⋅

= ⋅

x , 2 e

Sd x Sd Sd

,i , x

N 1 N 200

L

M N e











 −

⋅

= ⋅

y , 2 e

Sd y Sd Sd

, i, y

N 1 N 150

L M N

Sendo:

( ) ( )

_x^e²^,^x

2 x , 2

e L

N =π ⋅ EI e

( )

_y^e²^,^y

2 y , 2

e L

N =π ⋅ EI

Vale ressaltar que as imperfeições iniciais ao longo do pilar devem ser consideradas em apenas um dois eixos, devendo-se levar em conta sua ocorrência no eixo que produzir o resultado mais desfavorável.

Para determinação dos momentos fletores de plastificacao (Mpl,Rd e Mmax,pl,Rd) nos eixos x e y sao empregadas as expressões a seguir:

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x y

hn

(

_a _an

)

^cd¹

(

_c _cn

)

_sd

(

_s _sn

)

yd Rd ,

p Z Z f Z Z

2 Z f

Z f

Ml = ⋅ − + ⋅ − + ⋅ −

s sd c 1 cd a yd Rd , p

max, Z f Z

2 Z f f

M l = ⋅ + ⋅ + ⋅

Quanto aos módulos plásticos resistentes, as expressões para cálculo em relação ao eixo x são dadas no Tabela 3. Para o eixo y, as expressões são mostradas na Tabela 4.

Tabela 3 – Módulos de resistência plásticos em relação ao eixo x

d=hc

bf=bc

x ey

tf x y

hn hn

1) Perfil Ι: fornecido pelo fabricante (tabelado)

2) Armadura, eixo x:

∑

=

⋅

= ⁿ

1 i

y si

s A e

Z

3) Concreto, eixo x: _a _s

2 c c

c Z Z

4 h

Z b ⋅ − −

=

Linha neutra distante hn do eixo que passa pelo centróide da seção mista

a) Linha neutra na alma do perfil I:

f

n d/2 t

h ≤ −

Posição da linha neutra:

) f f (2 t 2 f b 2

) f f (2 A f h A

cd1 yd w cd1

c

cd1 sd sn

cd1 c

n ⋅ + ⋅ ⋅ −

−

⋅

−

= ⋅

Perfil: Z_an =t_w ⋅h_n²

Armadura:

∑

=

⋅

= ⁿ

1 i

yi sni

sn A e

Z

Concreto: Z_cn =b_c ⋅h²_n −Z_an −Z_sn

b) Linha neutra na mesa do perfil I:

2 / d h t 2 /

d − _f < _n ≤

) f b (2f

2 f 2b

) f - )(2f 2t - )(d t b - ( + ) f (2f A f h A

cd1 f yd

cd1 c

cd1 yd f f w

cd1 sd sn cd1 c

n + −

−

= −

Perfil:

4

) 2t )(d b t

h ( b Z

2 f f w

2 n f an

−

− −

=

Armadura e concreto: semelhante à posição a)

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Tabela 4 – Módulos de resistência plásticos em relação ao eixo y

d=hc

bf=bc

ey x tf

ex y

hn hn

1) Perfil Ι: fornecido pelo fabricante (tabelado)

2) Armadura, eixo y:

∑

=

⋅

= ⁿ

1 i

x si

s A e

Z

3) Concreto, eixo y: _a _s

2 c c

c Z Z

4 h

Z b ⋅ − −

=

Linha neutra distante hn do eixo que passa pelo centróide da seção mista

a) Linha neutra na alma do perfil I:

f

n d/2 t

h ≤ −

) f (2f 2d f

2h

) f (2f A f h A

cd1 yd cd1

c

cd1 sd sn cd1 c

n + ⋅ −

−

= −

Perfil: Z_an =d⋅h²_n

Armadura:

∑

=

⋅

= ⁿ

1 i

xi sni

sn A e

Z

Concreto: Z_cn =h_c ⋅h²_n −Z_an −Z_sn

b) Linha neutra na mesa do perfil I:

2 / b h 2 /

t_w < _n ≤ _f

) f t (2f 4 f 2h

) f - (2f d) - (2t t + ) f (2f A f h A

cd1 f yd

cd1 c

cd1 yd f

w cd1 sd sn cd1 c

n ⋅ + −

⋅

−

= −

Perfil:

4 t ) 2t h (d

t 2 Z

2 w 2 f

n f an

⋅ + −

⋅

=

Armadura e concreto: semelhante à posição a)

Com a formulação apresentada até aqui, é possível dimensionar/verificar um pilar misto parcialmente revestido submetido a compressão axial, flexo-compressão reta e flexão oblíqua. A seguir, esta formulação será aplicada na verificação dos pilares mistos parcialmente revestidos utilizados no sistema estrutural de galpões industriais.

3. Metodologia

Para analisar a viabilidade do uso de pilares mistos em galpões e a influência do tipo de pilar no custo do galpão foram comparadas as soluções mais usuais, ou seja, pilar de aço e pilar pré- fabricado de concreto com uma alternativa em pilar misto parcialmente revestido. Foram

(15)

dimensionados 18 galpões com cobertura em duas águas em aço variando se o tipo de pilar (aço, pré-moldado e mitos parcialmente revestido), altura, vão e as condições de vinculação viga-pilar e pilar fundação. Na Tabela 5 apresenta-se um resumo dos galpões analisados.

Tabela 5 – Características dos galpões analisados

Modelos Vão (m) Altura do Pilar (m)

Distância entre pórticos (m)

Comprimento total (m)

Ligação viga- pilar

Ligação pilar-base

G1 Rígida Rígida

G2 Rígida Flexível

G3

5,0

Flexível Rígida

G4 Rígida Rígida

G6

20,0

10,0

6,0

Flexível Rígida

G7 Rígida Rígida

G9

5,0

Flexível Rígida

G10 Rígida Rígida

G12

24,0

10,0

6,0

Flexível Rígida

G13 Rígida Rígida

G15

5,0

Flexível Rígida

G16 Rígida Rígida

G18

28,0

10,0

6,0

60

Flexível Rígida

Para os galpões com pilares pré-fabricados de concreto foi analisada somente a situação com pilar engastado na base e ligação viga metálica – pilar do tipo flexível; esta é a solução usual e a que conduz a maior facilidade de montagem.

Nos pilares metálicos foram utilizadas seções tipo I soldadas em aço ASTM A36. Nos pilares mistos seção tipo I soldadas em aço ASTM A36 parcialmente revestido com concreto estrutural C25 além de armaduras longitudinais em aço CA-50. No caso dos pilares pré-fabricados de concreto foi utilizado concreto classe C45 e armadura em aço CA-50.

(16)

Para determinação dos esforços foi utilizada análise de 2a ordem de acordo com os critérios na NBR 8800:2008 e NBR 6118:2003. No caso dos pilares mistos foram geradas seções equivalentes para considerar, de forma adequada, a contribuição do aço e do concreto para a rigidez da seção.

Para as ações atuantes foram utilizados valores compatíveis para essa tipologia estrutural; o peso próprio foi gerado automaticamente e a sobrecarga adotada foi aquela da NBR 8800:2008 de 0,25 kN/m². A ação do vento foi determinada segundo as recomendações na NBR 6123:1988 considerando implantação dos galpões em terreno plano na cidade de São Carlos-SP.

Para avaliação dos estados limites últimos e de serviço foram utilizadas as combinações de ações da NBR 8800:2008.

Para análise da viabilidade técnica e econômica do uso de pilares mistos parcialmente revestidos em galpões foram avaliados os deslocamentos das estruturas para cada tipo de pilar (aço, misto e pré- fabricado de concreto), além de avaliar comparativamente o peso próprio da estrutura que pode influenciar o projeto das fundações e da logística de transporte e montagem.

O levantamento de custos foi realizado com base nos índices da revista Construção Mercado – Editora PINI (mês de referência: julho de 2011) e também nos índices de custos praticados pela empresa CONSTRUAÇO. A empresa CONSTRUAÇO está sediada na cidade de São Carlos – SP e tem como produto principal o projeto e a construção de galpões para uso diversos em aço e híbrido de aço e pré-fabricados de concreto. No levantamento de custos foram incluídos os custos de materiais, transporte e mão-de-obra considerando que os galpões seriam construídos na cidade de São Carlos, localizada no interior do estado de São Paulo.

3 Análise dos Resultados

Os elementos vigas e pilares que compõem os galpões foram dimensionados segundo as normas NBR 8800:2008 e NBR 6118:2003. Não foi realizado um processo de otimização da seção transversal, porém cada perfil foi dimensionado visando a melhor taxa de aproveitamento possível dentre os perfis soldados padronizados. Em alguns o dimensionamento foi governado por condições de serviço. Um resumo do dimensionamento está apresentado na Tabela 6.

(17)

Tabela 6 – Seções I, armaduras e dimensões dos pilares pré-fabricados de concreto

Pilar em Aço Pilar Misto Pilar Pré-Fabricado de

Concreto

Viga Pilar Viga Pilar Armadura

longitudinal

Viga Pilar (cm)

G1 VS 375x53 VS 400X39 VS 375x53 VS 300X31 4 φ 10 VS 400x53 30x40

G2 VS 375x53 VS 400X39 VS 375x53 VS 300X31 4 φ 10 - -

G3 VS 550x88 VS 350X26 VS 550x88 VS 200X19 6 φ 10 VS 500x75 30x40 G4 VS 400X49 VS 500X86 VS 400X39 VS 350X39 4 φ 10 VS 400x44 25x50

G5 VS 450X51 VS 600X81 VS 500X61 VS 450X59 6 φ 10 - -

G6 VS 550x64 VS 550X88 VS 550X64 VS 350X51 4 φ 10 VS 500x73 25x50 G7 VS 400X53 VS 450X51 VS 400X53 VS 350X38 4 φ 10 VS 400x53 25x50

G8 VS 400X53 VS 450X60 VS 400X53 VS 350X38 4 φ 10 - -

G9 VS 600X81 VS 450X51 VS 600X95 VS 300X25 4 φ 10 VS 500x88 25x50 G10 VS 450X49 VS 600X81 VS 450X59 VS 400X39 4 φ 10 VS 450x59 25x50

G11 VS 500X61 VS 650X84 VS 500X61 VS 500X61 6 φ 10 - -

G12 VS 650X84 VS 600X81 VS 650X84 VS 400X32 4 φ 10 VS 650x84 25x50 G13 VS 500X61 VS 500X61 VS 500X61 VS 400X44 4 φ 10 VS 550x75 25x50

G14 VS 500X61 VS 500X61 VS 500X61 VS 400X44 4 φ 10 - -

G15 VS 700X105 VS 450X51 VS 700X105 VS 400X44 4 φ 10 VS 700x105 25x50 G16 VS 550x64 VS 650X84 VS 550X64 VS 450X51 4 φ 10 VS 550x75 25x50

G17 VS 600X81 VS 650X98 VS 550X64 VS 550X64 6 φ 10 - -

G18 VS 700X105 VS 600X81 VS 700X105 VS 450X51 4 φ 10 VS 700x105 25x50

No caso dos pilares mistos, para a armadura longitudinal foram utilizados os valores mínimos recomendados pela NBR 8800:2008 e as mesmas não foram consideradas na capacidade resistente da seção mista.

Na Tabela 7 são apresentados os quantitativos de peso de aço estrutural, peso de armadura e volume de concreto relativo a um pórtico principal de cada galpão analisado.

(18)

Tabela 7 – Quantitativo para um pórtico

Aço estrutural (Kg) Armadura (Kg) Volume de concreto (m³) Pilar em

aço

Pilar misto

Pilar concreto

Pilar misto

Pilar concreto

Pilar misto Pilar concreto

G1 1450 1370 1060 14,8 100 0,2 1,2

G2 1450 1370 - 14,7 - 0,2 -

G3 2020 1950 1500 22,0 42 0,5 1,2

G4 2700 1560 880 29,4 272 0,6 2,5

G5 2640 2400 - 44,1 - 1,1 -

G6 3040 2300 1460 29,4 232 0,5 2,5

G7 1782 1652 1272 14,7 150 0,3 1,25

G8 1872 1652 - 14,7 - 0,3 -

G9 2454 2530 2112 14,7 75 0,2 1,25

G10 2796 2196 1416 29,4 275 0,7 2,5

G11 3144 2684 - 44,1 - 1,2 -

G12 3636 2656 2016 29,4 237 0,7 2,5

G13 2318 2148 2100 14,7 170 0,4 1,25

G14 2318 2148 - 14,7 - 0,4 -

G15 3450 3380 2940 14,7 127 0,4 1,25

G16 3472 2812 2100 29,4 342 0,8 2,5

G17 4228 3072 - 44,1 - 1,3 -

G18 4560 3960 2940 29,4 268 0,8 2,5

Os gráficos seguintes permitem uma análise comparativa mais imediata do consumo de material em cada alternativa de galpão.

Comparando as opções com pilar de aço e pilar misto, o consumo de aço estrutural é menor para galpões com pilares mistos, porém a diferença é significativa apenas nos galpões com 10m de altura. Obviamente, nos pilares mistos existe a necessidade de armaduras na forma de barras, porém, como pode ser visto na Figura 6 e Tabela 7, o consumo de armadura é baixo neste caso, sobretudo se comparado com os pilares de concreto armado. Quanto ao volume de concreto, o consumo nos pilares mistos é, em média, menor que a metade do consumo nos pilares pré- fabricados como é possível perceber analisando a Figura 7.

(19)

G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G10G11G12G13G14G15G16G17G18

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Peso de aço estrutural (Kg)

Galpão Pilar de aço

Pilar Misto Pilar de concreto

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Peso de aço armadura (Kg)

Figura 5 – Consumo de aço estrutural Figura 6 – Consumo de armadura

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Volume de concreto (m3 )

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500

Peso próprio (Kg)

Figura 7 – Consumo de concreto Figura 8 – Peso próprio dos pilares

É importante conhecer a composição das seções transversais em relação ao consumo de materiais (Figura 5, Figura 6 e Figura 7), pois variação diferente na cotação dos insumos pode alterar significativamente o custo total. Atualmente o aço estrutural é o material de maior custo, enquanto o concreto, o de menor custo. Naturalmente, o peso próprio dos pilares de aço é bastante inferior aos demais (Figura 8). Quanto aos pilares mistos, mesmo com a introdução do concreto na seção transversal estes ainda resultam, em média, 40% mais leves que os seus equivalentes em concreto pré-fabricado. O parâmetro peso próprio é importante, pois pode impactar de forma importante as fundações.

A solução adotada para o pilar de galpões tem grande influência na deslocabilidade da estrutura. As Figura 9 e Figura 10 apresentam os deslocamentos horizontais e verticais em situação de serviço para os galpões analisados.

(20)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Deslocamento vertical (mm)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Deslocamento horizontal (mm)

Galpão

Pilar de aço Pilar Misto Pilar de concreto

Figura 9 – Deslocamentos verticais Figura 10 – Deslocamentos horizontais

Verifica-se que os deslocamentos são maiores nos galpões com pilares mistos em comparação com os mesmos galpões com pilares de aço. A redução na seção transversal de aço não foi compensada pela adição do concreto reduzindo a rigidez equivalente da seção mista e, conseqüentemente, a rigidez global da estrutura. De modo geral, os deslocamentos para as alternativas com pilares pré- fabricados de concreto também resultaram superiores àqueles com pilares de aço e mistos. Neste caso, isto ocorreu devido à consideração das ligações como flexíveis entre vigas de aço e pilares de concreto, fato que reduziu o efeito de pórtico e, conseqüentemente, elevou os deslocamentos horizontais. Nos galpões G5, G6, G11 e G12 o dimensionamento dos pilares foi condicionado pelos limites de deslocamento em serviço; por essa razão, esses galpões apresentam deslocamentos maiores em relação aos demais casos analisados.

Para a análise da viabilidade econômica foram levantados os custos para cada solução incluindo material, transporte e mão-de-obra. Os custos são referentes ao mês de julho de 2011 para as estruturas montadas na cidade de São Carlos – SP (Tabela 8).

Tabela 8 – Comparativo de custos Pilar em

aço

Pilar misto Pilar pré- fabricado de

concreto

Pilar misto / pilar em

aço

Pilar misto / pilar pré-fabricado de

concreto

Pilar aço / pilar pré-fabricado

de concreto

G1 14.500,00 13.819,01 15.785,60 0,95 0,87 0,9

G2 14.500,00 13.819,01 - 0,95 -

G3 20.200,00 19.743,97 19.257,60 0,98 1,01 1,0

(21)

Pilar em aço

Pilar misto Pilar pré- fabricado de

concreto

Pilar misto / pilar em

aço

Pilar misto / pilar pré-fabricado de

concreto

Pilar aço / pilar pré-fabricado

de concreto

G5 26.400,00 24.387,11 - 0,92 -

G6 30.400,00 23.213,15 25.159,50 0,76 0,91 1,2

G7 17.820,00 16.676,09 20.535,00 0,94 0,80 0,9

G8 18.720,00 16.675,29 - 0,89 -

G9 24.540,00 25.420,19 26.055,00 1,04 0,97 0,9

G10 27.960,00 22.229,95 25.407,50 0,80 0,86 1,1

G11 31.440,00 27.260,32 - 0,87 -

G12 36.360,00 26.812,26 30.799,50 0,74 0,86 1,2

G13 23.180,00 21.660,99 27.455,00 0,93 0,78 0,8

G14 23.180,00 21.660,99 - 0,93 - -

G15 34.500,00 33.975,53 35.167,00 0,98 0,96 1,0

G16 34.720,00 28.411,60 41.719,50 0,82 0,74 0,8

G17 42.280,00 31.173,53 - 0,74 - -

G18 45.600,00 39.894,76 40.535,50 0,87 0,98 1,1

Verifica-se que, para maioria dos galpões analisados, o uso de pilares mistos parcialmente revestidos conduz à redução de custo monetário. A redução de custo dos galpões com pilares mistos em relação à solução com pilares de aço é, em média, de 13%; para os pilares com 10m de altura essa média sobe para 21%. Na comparação entre os custos de galpões com pilares mistos e pilares pré-fabricados, há redução de custo em favor dos pilares mistos que, em média, chega a 10% para pilares com 5m de altura e 14,5% para pilares com 10m.

Além do custo total, é interessante avaliar também a composição de custos de cada solução, pois os materiais têm variações de preço bastante expressivas, sendo o aço estrutural o mais sensível a variações mercadológicas e o mais caro por unidade de peso/volume.

Para os pórticos com pilares mistos parcialmente revestidos onde se observa que a participação do concreto e da armadura no custo total gira em torno de 1%. Por outro lado, nos pórticos com pilares em concreto pré-fabricado, os componentes de concreto e armadura têm predominância na composição do custo total. Vale salientar que nas análises não foram incluídos os custos com instalações e equipamentos, que dependem do tempo de execução da obra e que tende a ser maior para os galpões com pilares pré-fabricados e menor para galpões com pilares de aço e misto de aço e concreto.

(22)

Por fim, com base no exposto e nos resultados apresentados, acredita-se na viabilidade da utilização de pilares mistos parcialmente revestidos trazendo vantagens construtivas, estruturais e econômicas para galpões com usos diversos. Sendo assim, os pilares parcialmente revestidos surgem como uma alternativa aos pilares de aço e de concreto pré-fabricado. No entanto, a escolha do projetista não pode ser pautada unicamente neste estudo, devendo-se considerar também as especificidades de cada obra, além das condições do mercado no momento da construção.

4 Comentários finais

O principal objetivo deste estudo foi apresentar e inserir o pilar misto parcialmente revestido como uma alternativa aos pilares de aço e em concreto pré-fabricados comumente empregados na composição do sistema estrutural de galpões. Com este intuito, foram avaliados 18 galpões com características variadas e foi desenvolvida uma análise comparativa entre as três alternativas de pilares (aço isolado e misto e pré-fabricado de concreto) por meio de parâmetros como consumo de aço, concreto e armadura, deslocamentos horizontais e verticais. Verificou-se que:

Para a maioria dos galpões analisados, o uso de pilares mistos parcialmente revestidos conduz à redução de custo monetário;

A solução com pilares mistos do tipo parcialmente revestido resultou em menores dimensões para os pilares e isto se reflete em redução nas interferências com a arquitetura;

Quanto ao consumo de aço, este é menor para a solução com pilares mistos do que para a solução com pilares de aço. A redução de custo dos galpões com pilares mistos em relação à solução com pilares de aço é, em média, de 13%; para os pilares com 10m de altura essa média sobe para 21%;

Na comparação entre os custos de galpões com pilares mistos e pilares pré-fabricados, há redução de custo em favor dos pilares mistos que, em média, chega a 10% para pilares com 5m de altura e 14,5% para pilares com 10m.

Acredita-se, com base nos resultados apresentados, que é viável a utilização de pilares mistos em galpões industriais e, que esta solução deve fazer parte das alternativas para este tipo de edificação podendo trazer vantagens estruturais e construtivas além de econômicas.

Naturalmente, são necessários novos estudos para comprovar estes resultados iniciais.