CHARLES JOSÉ PETRY JUNIOR
PROJETO DE ESTRUTURA METÁLICA: TORRE PARA SALTA-Z
Palhoça 2019
CHARLES JOSÉ PETRY JUNIOR
PROJETO DE ESTRUTURA METÁLICA: TORRE PARA SALTA-Z
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientador: Prof. Valdi Spohr, Msc.
Palhoça 2019
A Deus, que nos criou e foi criativo nesta tarefa. Seu fôlego de vida em nós foi sustento e nos deu coragem para questionar realidades e propor sempre um novo mundo de possibilidades.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, Charles José Petry e Andreia Terezinha Martins, por todo apoio, dedicação, paciência, amor e por sempre estarem presentes nos melhores e piores momentos da minha vida.
Aos meus irmãos Gabriel José Petry e Julia Terezinha Petry, por todo apoio, amor e carinho.
A minha namorada e amiga Natalia Sangaletti Simas pelo amor, paciência, compreensão, companheirismo e por sempre estar ao meu lado em todos os momentos.
A todos os professores da Unisul, que ao longo desses cinco anos contribuíram para a realização deste trabalho através do conhecimento compartilhado.
Agradeço em especial ao professor Valdi Henrique Spohr, pela oportunidade, orientação e confiança.
E, por fim, agradeço a todos que, de alguma forma, tenham me ensinado e apoiado na trajetória até esta conquista.
“Nós somos o que repetidamente fazemos. A excelência, então, não é um ato, mas um hábito” (Will Durant, 1926).
RESUMO
Observando a necessidade da sociedade em relação a água tratada e sua importância socioeconômica, a Fundação Nacional de Saúde desenvolveu um sistema de tratamento de água por zeólita (SALTA-z), para comunidades de baixa renda. Mas, para a instalação desse sistema, há a necessidade de uma estrutura capaz de suportá-lo. As estruturas de aço possuem diversas vantagens que proporcionam soluções eficientes e arrojadas para a construção civil por isso, tendo em vista o grande potencial desse material, foi desenvolvido um projeto de estrutura metálica para servir de suporte ao SALTA-z. A estrutura foi projetada de acordo o sistema, sendo feito o dimensionamento dos perfis metálicos segundo NBR 8800:2008 e por fim, o detalhamento de toda a estrutura, possibilitando sua fabricação e montagem.
ABSTRACT
Watching de society necessity for potable water, and its socioeconomics importance, the National Health Foundation has developed a zeolite water treatment system (SALTA-z) for low-income communities. But for the installation of this system, there is a need for a structure capable of supporting it. Steel structures have several advantages that provide efficient and bold solutions for the construction industry so, owing to the great potential of this material, a metal structure project was developed to support SALTA-z. The structure was designed according to the system, being made the sizing of the metal profiles according to NBR 8800: 2008 and finally, the detailing of the whole structure, enabling its manufacture and assembly.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Representação SALTA-z ... 16
Figura 2: Desenho esquemático da SALTA-z ... 17
Figura 3: Visão interna do filtro ... 18
Figura 4: Componentes estruturais ... 20
Figura 5: Diagrama tensão x deformação ... 22
Figura 6: Principais tipos de produtos siderúrgicos laminados de utilização estrutural ... 29
Figura 7: Perfis de chapa dobrada ... 29
Figura 8: Perfis Soldados e Perfis Compostos... 30
Figura 9: Perfil Soldado conforme NBR 5884 (2005) ... 31
Figura 10: Tipos de soldagem ... 32
Figura 11: Identificação dos parafusos ... 33
Figura 12: Descrição geral dos parafusos ... 33
Figura 13: Isopletas da velocidade básica 𝑉𝑜 (m/s) ... 49
Figura 14: Coeficiente de arrasto, para torres reticuladas ... 53
Figura 15: Fator de proteção ... 55
Figura 16: Espaçamentos s e g entre furos 1 e 2 ... 58
Figura 17: Ilustração dos valores de 𝑒𝑐 em seções abertas ... 59
Figura 18: Chapa plana com força de tração transmitida por solda longitudinal ... 60
Figura 19: Geometria da estrutura ... 67
Figura 20: Carregamento da Chapa expandida em kg/m² ... 69
Figura 21: Carregamento do reservatório em kg/m² ... 70
Figura 22: Sobrecarga na estrutura, em kg/m² ... 70
Figura 23: Força do vento na estrutura, em kgf. ... 77
Figura 24: Disposição dos perfis selecionados na estrutura ... 80
Figura 25: Deformações máximas (%) ... 83
Figura 26: Deformação máxima em X3 (cm *10²) ... 83
Figura 27: Deformação máxima em X1 ... 84
Figura 28: Atuação da força axial + momento no plano superior da estrutura ... 85
Figura 29: Atuação da força axial + momento na parte inferior da estrutura ... 86
Figura 30: Máximos esforços no plano superior da estrutura ... 87
Figura 32: Esbeltez nas barras de contraventamento ... 88 Figura 33: Esforços solicitantes para chumbadores, em kgf. ... 91 Figura 34: Planta de cargas ... 94
LISTA DE QUADROS
Quadro 1: Perfis Laminados ... 28
Quadro 2: Definição de categorias para determinação de S2 ... 50
Quadro 3: Definição de classes de edificação para determinação de S2 ... 51
Quadro 4: Resultados do vento perpendicular a estrutura ... 76
Quadro 5: Resultados do vento diagonal a estrutura ... 76
Quadro 6: Resultados contraventamento ... 89
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Propriedades mecânicas do aço ... 24
Tabela 2: Categorias de Aço Carbono ... 25
Tabela 3: Propriedades Mecânicas dos Aços Carbono ... 26
Tabela 4: Propriedades Mecânicas dos Aços Baixa Liga ... 27
Tabela 5: Materiais usados em parafusos ... 34
Tabela 6: Distância mínima de um centro de um furo-padrão à borda ... 35
Tabela 7: Dimensões máximas de furos para parafusos ... 36
Tabela 8: Valores dos coeficientes de ponderação das ações ... 41
Tabela 9: Valores dos fatores de combinação e de redução para as ações variáveis ... 42
Tabela 10: Parâmetros meteorológicos... 51
Tabela 11: Valores mínimos do fator estatístico S3 ... 52
Tabela 12: Componentes de força de arrasto nas faces de torres reticuladas ... 54
Tabela 13: Coeficientes de arrasto, para corpos de seção constante ... 55
Tabela 14: Valor de 𝑥 em função do índice de esbeltez 𝜆0 ... 61
Tabela 15: Coeficiente de flambagem por flexão de elementos isolados ... 64
Tabela 16: Valores de (𝑏𝑡)𝑙𝑖𝑚 ... 65
Tabela 17: Ações existentes na estrutura ... 78
Tabela 18: Combinação das ações ... 78
Tabela 19: Propriedades mecânicas do aço ASTM A36 ... 79
Tabela 20: Perfis selecionados para a estrutura ... 79
Tabela 21: Deslocamentos máximos ... 82
Tabela 22: Resumo de aço ... 93
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 12 1.1 TEMA ... 13 1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA ... 13 1.3 OBJETIVOS ... 13 1.3.1 Objetivo geral ... 13 1.3.2 Objetivos específicos ... 14 1.4 JUSTIFICATIVAS ... 14 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 15 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16
2.1 SOLUÇÃO ALTERNATIVA COLETIVA DE TRATAMENTO DE ÁGUA POR ZEÓLITA (SALTA-Z) ... 16
2.1.1 História ... 16
2.1.2 O que é SALTA-z? ... 17
2.1.3 Funcionamento ... 17
2.1.3.1 Elemento Filtrante - Zeólita ... 18
2.2 SISTEMAS ESTRUTURAIS ... 20
2.3 AÇO ... 21
2.3.1 Vantagens e desvantagens do aço estrutural ... 21
2.3.2 Curva tensão x deformação ... 22
2.3.3 Propriedades dos aços ... 23
2.3.4 Constantes físicas do aço... 24
2.3.5 Tipos de aços estruturais ... 24
2.3.5.1 Aços Carbono ... 25
2.3.5.2 Aços de Baixa Liga ... 26
2.3.6 Perfis ... 28
2.3.6.1 Perfis laminados ou conformados a quente ... 28
2.3.6.2 Perfis de chapa dobrada ou conformados a frio ... 29
2.3.6.3 Perfis soldados e compostos ... 30
2.3.7 Ligações ... 31
2.3.8 Ligações soldadas ... 32
2.3.9.1 Parafusos comuns ... 34
2.3.9.2 Parafusos de alta resistência ... 34
2.3.9.3 Distancias mínimas e máximas de um furo as bordas ... 35
2.3.9.4 Espaçamento mínimo entre furos ... 35
2.3.9.5 Dimensões máximas de furos para parafusos ... 36
2.3.9.6 Força resistente de cálculo ao cisalhamento ... 36
2.3.9.7 Força resistente de cálculo à tração ... 36
2.3.9.8 Tração e cisalhamento combinados ... 37
2.3.10 Corrosão ... 38
2.3.11 Galvanização ... 38
2.4 AÇÕES ... 39
2.4.1 Ações permanentes (𝑭𝒈𝒌) ... 39
2.4.1.1 Ações permanentes diretas ... 39
2.4.1.2 Ações permanentes indiretas ... 39
2.4.2 Ações variáveis (𝑭𝒒𝒌) ... 40
2.4.3 Ações excepcionais... 40
2.5 COEFICIENTES DE PONDERAÇÃO DAS AÇÕES ... 41
2.6 COMBINAÇÕES DE AÇÕES ... 43
2.6.1 Combinações últimas normais (ELU) ... 43
2.6.2 Combinações últimas especiais ou de construção (ELU) ... 44
2.6.3 Combinações últimas excepcionais (ELU) ... 45
2.6.4 Combinações quase permanentes de serviço (ELS) ... 46
2.6.5 Combinações frequentes de serviço (ELS) ... 47
2.6.6 Combinações raras de serviço (ELS) ... 47
2.7 FORÇAS DEVIDAS AO VENTO ... 48
2.7.1 Determinação das forças estáticas devidas ao vento ... 48
2.7.2 Velocidade básica do vento, 𝑽𝒐 ... 49
2.7.3 Fator topográfico, 𝑺𝟏 ... 50
2.7.4 Fator de rugosidade, 𝑺𝟐 ... 50
2.7.5 Fator estatístico, 𝑺𝟑 ... 52
2.7.6 Torres reticuladas ... 52
2.8 CONDIÇÕES PARA DIMENSIONAMENTO DE BARRAS DE AÇO ... 56
2.8.1.1 Área líquida efetiva ... 57
2.8.1.2 Área líquida ... 57
2.8.1.3 Coeficiente de redução ... 58
2.8.2 Peças comprimidas ... 60
2.8.2.1 Fator de redução, 𝑥 ... 61
2.8.2.2 Força axial de flambagem elástica ... 62
2.8.2.3 Força axial de flambagem elástica e coeficiente de flambagem: Seções monossimétricas ... 63
2.8.2.4 Valores de coeficiente de flambagem por flexão ... 63
2.8.2.5 Flambagem local de barras axialmente comprimidas ... 64
3 MÉTODO ... 66
3.1 CLASSIFICAÇÃO DO ESTUDO ... 66
3.2 SOFTWARES E PROGRAMAS UTILIZADOS ... 66
3.3 MODELO PROPOSTO ... 66
3.3.1 Critérios de dimensionamento ... 68
3.3.2 Detalhamento ... 68
3.4 AÇÕES PERMANENTES ... 68
3.4.1 Peso Próprio da estrutura... 68
3.4.2 Chapa expandida (piso) ... 68
3.5 AÇÕES VARIÁVEIS ... 69 3.5.1 Reservatório ... 69 3.5.2 Sobrecarga ... 70 3.6 VENTO ... 71 3.6.1 Velocidade básica 𝑽𝟎 ... 71 3.6.2 Fator topográfico 𝑺𝟏 ... 71 3.6.3 Fator de rugosidade 𝑺𝟐 ... 71 3.6.4 Fator estatístico 𝑺𝟑 ... 73 3.6.5 Velocidade característica 𝑽𝒌 ... 73 3.6.6 Pressão dinâmica ... 73 3.6.7 Força de arrasto ... 74 3.7 COMBINAÇÃO DE AÇÕES ... 78 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 79
4.2 ANÁLISE ESTRUTURAL ... 81
4.2.1 Deformação ou deslocamento da estrutura ... 81
4.2.2 Atuação da força axial + momento na estrutura ... 85
4.2.3 Análise do máximo dos resultados atuantes nas barras ... 87
4.2.4 Análise das barras de contraventamento ... 88
4.3 DIMENSIONAMENTO DOS PARAFUSOS ... 89
4.3.1 Ligação contraventamento – coluna ... 89
4.3.2 Ligação travessa – coluna ... 90
4.4 DIMENSIONAMENTO DOS CHUMBADORES ... 91
4.5 COMPRIMENTO E PESO DOS ELEMENTOS UTILIZADOS ... 93
4.6 PLANTA DE CARGAS ... 94
5 CONCLUSÃO ... 95
5.1 SUGESTÕES PARA FUTURAS PESQUISAS ... 95
REFERÊNCIAS... 97
ANEXOS... 99
ANEXO A – INSTRUÇÕES BAKOFTEC PARA RESERVATÓRIOS ... 100
ANEXO B – RESULTADOS DETALHADOS - TERÇA MAIS SOLICITADA ... 101
ANEXO C – RESULTADOS DETALHADOS - TRAVESSA MAIS SOLICITADA ... 103
ANEXO D – RESULTADOS DETALHADOS - COLUNA MAIS SOLICITADA ... 105
ANEXO E – RESULTADOS DETALHADOS - CONTRAVENTAMENTO MAIS SOLICITADO ... 107
ANEXO F – RESULTADOS GERAIS – TODAS AS BARRAS... 109
ANEXO G – CATÁLOGO CHAPA EXPANDIDA – STRECK METAL ... 113
ANEXO H – TABELA DE PERFIS CANTONEIRA ... 115
ANEXO I – LISTA DE MATERIAIS... 116
1 INTRODUÇÃO
A água constitui um elemento essencial a todo ser vivo, inclusive o homem, podendo atingir 75% de seu peso. O homem tem necessidade de água de qualidade e em quantidade determinada para quase todas suas atividades. Organizações internacionais, como a Organização Mundial da Saúde (OMS) ou o Fundo das Nações Unidas para a Infância (UNICEF), recomendam que cada ser humano deveria ter acesso a, no mínimo, 20 litros de água por dia, provenientes de fontes situadas até 1 quilômetro de sua residência, para atender suas necessidades básicas diárias.
Segundo a Organização Mundial da Saúde (2017), bilhões de pessoas ainda não têm acesso a água potável e saneamento, resultando em perdas humanas desnecessárias e evitáveis, com diferentes impactos na educação e no desenvolvimento socioeconômico.
Levando em conta as necessidades da sociedade com relação a água tratada, pode-se obpode-servar a importância do saneamento básico, por sua influência na saúde, qualidade de vida e no desenvolvimento da sociedade como um todo.
As cidades mais desenvolvidas do Brasil e do mundo dão prioridade ao saneamento, mas infelizmente isso não é realidade para as regiões mais carentes. Normalmente, essa mesma massa populacional também sofre com falta de moradia e renda adequadas.
Com o intuito de promover a saúde pública e a inclusão social por meio de ações de saneamento e saúde ambiental foi criada a Fundação Nacional de Saúde (FUNASA).
Conforme FUNASA (2018):
As ações contemporâneas desenvolvidas pela Fundação resultam em uma maior inclusão social e contribuem para a melhoria das condições de vida das populações mais carentes, culminando em uma das estratégias do governo federal para a erradicação da extrema pobreza. Um bom exemplo é a implantação de Melhorias Habitacionais para Controle da Doença de Chagas.
Considerando todo esse cenário, no qual o acesso ao saneamento ainda é desigual, principalmente nas comunidades mais carentes, normalmente distantes de centros urbanos, as quais não dispõem de fonte segura de água para consumo, a superintendência da Funasa desenvolveu uma solução alternativa coletiva simplificada de tratamento de água, denominada SALTA-z, destinada ao consumo em pequenas comunidades, com o objetivo de suprir essas necessidades.
1.1 TEMA
Trata-se do projeto de uma estrutura metálica, que servirá de sustentação para reservatório de água.
1.2 DELIMITAÇÃO DO TEMA
Este projeto pode ser dividido em duas áreas: sistema de tratamento de água e o projeto de uma estrutura metálica, para suporte desse sistema.
Sobre o tratamento de água, será dissertado sobre a história, implementação e importância do sistema SALTA-z.
Quanto ao projeto da estrutura metálica, serão englobados todos os passos do projeto – desde a concepção da geometria (arquitetura), escolha dos tipos de perfis metálicos, determinação das cargas atuantes na estrutura, dimensionamento dos perfis, até o detalhamento da estrutura.
1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo geral
Este trabalho tem como principal objetivo desenvolver o projeto de uma estrutura metálica, que terá como função o apoio e sustentação de um reservatório d’água que atuará em conjunto com o sistema de tratamento SALTA-z.
1.3.2 Objetivos específicos
a) Descrever a respeito do projeto SALTA-z e sua importância; b) Conceber a geometria da estrutura metálica;
c) Determinar as cargas e ações atuantes na estrutura;
d) Dimensionar os perfis metálicos, conforme NBR 8800 (2008); e) Detalhar toda a estrutura metálica;
1.4 JUSTIFICATIVAS
Criada por servidores da Funasa, a Solução SALTA-z foi testada e aprovada pelas comunidades paraenses e está sendo implementada em quase todo o país. O baixo custo e a facilidade de operação levam água para consumo humano com rapidez às comunidades em situação de vulnerabilidade social.
Para que esta solução se implemente nas comunidades, existe a necessidade da construção de uma torre elevada para sustentação do reservatório e dos elementos do sistema, este reservatório fornecido hoje pela Funasa tem capacidade de 6.000 litros de água.
Atualmente este sistema é implementado principalmente com a construção de torres de madeira, feitas de maneira totalmente manual pelas comunidades contempladas. Sem um projeto para essas estruturas e por possuírem uma altura elevada, podem acarretar riscos a população, tanto no momento de sua montagem, como posteriormente, em possíveis manutenções.
Com o objetivo de garantir a segurança da população e um melhor desempenho de todo o sistema, será projetada uma estrutura metálica para sustentar o reservatório em conjunto à SALTA-z.
A realização de um projeto como este em estrutura metálica, traz diversos benefícios ao sistema, pois garante uma padronização para as torres, tendo precisão nas dimensões e propriedades dos materiais. E em caso de necessidade, possibilita a desmontagem das estruturas e sua posterior montagem em outro local.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho encontra-se estruturado em cinco capítulos:
O Capítulo Um, apresenta a introdução do trabalho, nele é abordado à importância do estudo. Apresenta os objetivos propostos por este trabalho, assim como justifica os motivos que levaram a escolha deste tema.
No Capítulo Dois, o referencial teórico, aborda uma revisão bibliográfica sobre os temas de estudo, buscando familiarizar o leitor com o que futuramente será desenvolvido no projeto. Trata de explicar conceitos do sistema SALTA-z e de estruturas metálicas, baseadas nas diversas literaturas de áreas afins e na norma da ABNT NBR 8800:2008, norma que regulamenta o projeto de estruturas de aço no Brasil.
O Capítulo Três, apresenta o modelo proposto de projeto: suas características, carregamentos e ações, bem como os softwares que serão utilizados e suas funções, para o desenvolvimento do projeto.
No Capítulo Quatro, é feita toda a análise dos resultados obtidos durante o projeto, verificando se estão de acordo com o que estabelece a NBR 8800:2008, determinando assim o dimensionamento da estrutura, podendo assim realizar o projeto detalhado.
No Capítulo Cinco, considerações finais discutem os principais resultados obtidos neste trabalho em relação ao tema de estudo apresentando sugestões para trabalhos futuros.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 SOLUÇÃO ALTERNATIVA COLETIVA DE TRATAMENTO DE ÁGUA POR ZEÓLITA (SALTA-Z)
Figura 1: Representação SALTA-z
Fonte: Ribeiro (2018, p.6).
2.1.1 História
Para falarmos sobre a história deste sistema teremos de falar sobre a Fundação Nacional de Saúde, pois foi a partir dela que se começou as pesquisas por soluções técnicas eficientes, de baixo custo e fácil operação, nas áreas de Saneamento e Saúde Ambiental.
A Fundação Nacional de Saúde (Funasa) é a instituição do poder executivo federal, vinculada ao Ministério da Saúde, com a mais antiga e ininterrupta experiência na área do saneamento ambiental do país e, dessa forma, apresenta competência técnica para propor e subsidiar medidas, propostas e tecnologias que promovam o acesso à água dentro dos padrões de potabilidade exigidos nas legislações do país e da Organização Mundial da Saúde. (FUNASA, 2018).
É o caso da SALTA-z, idealizada a partir da necessidade em atender uma das maiores reinvindicações das comunidades ribeirinhas e rurais, a SALTA-z foi desenvolvida pelos técnicos Eládio Braga de Carvalho e João Nunes Monteiro, do Serviço de Saúde Ambiental da Superintendência Estadual no Pará, e tem como objetivo tratar a água para as comunidades com baixo custo.
2.1.2 O que é SALTA-z?
É uma Solução Alternativa Coletiva Simplificada de Tratamento de Água, a ser destinada ao consumo humano, e que, está em conformidade com a definição preconizada na Portaria Federal (PRC Nº05 de 28/09/2017, Anexo XX, Art. 5º, Inciso VII).
A SALTA-z é uma tecnologia tradicional simples que faz uso de filtros e dosadores de construção e montagens artesanais e fácil operacionalização, apresentando resultados compatíveis com as exigências da portaria de potabilidade vigente. É composta por uma adutora de água bruta, dosador coagulante, dosador de cloro, filtro, reservatório e dreno de sedimentos. 2.1.3 Funcionamento
A SALTA-z utiliza processo convencional para tratar a água, por meio de uma estrutura física simplificada, e fazendo uso de filtro e dosadores de características artesanais. Adicionalmente, é de fácil aplicação, instalação e apropriação pelo município e comunidades, com potencial transformador social e ambiental. (SANTOS; CARVALHO, 2018).
As partes básicas que compõem a SALTA-z são descritas abaixo, com representação na Figura 2:
Figura 2: Desenho esquemático da SALTA-z
1. Adutora para recalque da água bruta por meio de bombeamento ao reservatório;
2. Dosador para coagulante; 3. Dosador para cloro; 4. Filtro;
5. Efluente filtrado; 6. Dreno de sedimentos; e
7. Caixa com leito filtrante para retenção do sedimento;
Ressalta-se que, pela versatilidade e inovação dessa tecnologia, há possibilidade de adaptações, bem como a inserção de reservatórios posteriores ao tratamento para favorecer o aumento de oferta da água tratada.
2.1.3.1 Elemento Filtrante - Zeólita
O filtro é composto por areia selecionada, específica para esse fim, e por Zeólita (Clinoptilolita), conforme ilustra a Figura 3.
Figura 3: Visão interna do filtro
A filtração é um processo de separação sólido–líquido, envolvendo fenômenos físicos, químicos e, às vezes, biológicos. Visa à remoção de impurezas da água por sua passagem através de um meio poroso. O meio poroso utilizado na SALTA-z é o mineral Zeólita – clinoptilolita.
Zeólitas são minerais microporosos, com poros menores que dois nanômetros de diâmetro. Esses poros fazem as zeólitas serem altamente adsorventes. Materiais que são atraídos para eles se aderem a sua superfície. Isto é diferente de absorção, na qual o material sendo absorvido de fato muda seu estado. Algo adsorvido por uma zeólita permanece o mesmo que sempre foi. (SOARES, 2010, p.196).
Os filtros alternativos são utilizados no processo de tratamento de água destinada ao consumo humano. Podendo-se utilizar água de manancial superficial ou de manancial subterrâneo.
A água é tratada com metodologia convencional completa, ou seja, com as etapas de coagulação, floculação, sedimentação, filtração e cloração, típicas das Estações de Tratamento de Água dos grandes sistemas de abastecimento, em se tratando de mananciais superficiais. (SANTOS; CARVALHO, 2018).
O diferencial é a simplicidade com que essas etapas ocorrem, pela praticidade e facilidade técnica, e baixo custo operacional.
2.2 SISTEMAS ESTRUTURAIS
A definição do sistema estrutural é uma etapa inicial de projeto. A escolha de sistema estrutural adequado proporciona benefício para o conjunto da obra: menor peso da estrutura, facilidade de fabricação, rapidez de montagem e, por consequência, menor custo. Este pode ser definido a partir da avaliação de um projeto arquitetônico.
Segundo Pfeil-Pfeil (2010) sistemas estruturais de edifícios são formados principalmente por elementos verticais (colunas), horizontais (vigas), treliças, terças, travessas entre outros. A Figura 4 mostra os componentes estruturais típicos de uma estrutura metálica.
Figura 4: Componentes estruturais
2.3 AÇO
O aço é um dos materiais mais importantes para uso em estruturas, seja trabalhando sozinho ou em conjunto com outros materiais, como o concreto, resultando no concreto armado. Sua importância se dá principalmente por duas de suas propriedades, sua alta resistência, quando comparada a outros materiais e sua ductilidade.
Aço é uma liga metálica constituída basicamente de ferro e carbono, obtida pelo refino de ferro-gusa (produto da primeira fusão do minério de ferro e contém cerca de 3,5 a 4,0% de carbono) em equipamentos apropriados. Como refino do ferro-gusa entende-se a diminuição dos teores de carbono e de silício e enxofre (que são prejudiciais ao aço, em princípio). (DIAS, 2011, p. 59).
2.3.1 Vantagens e desvantagens do aço estrutural
O aço estrutural, como todo material utilizado em construções, possui características que trazem benefícios para a estrutura, que acarretam vantagens em sua aplicação, porem também é necessário estabelecer algumas desvantagens quanto a sua utilização.
Segundo Bellei (2004), as principais vantagens da utilização da estrutura em aço são as seguintes:
a. alta resistência do material nos diversos estados de tensão (tração, compressão, flexão etc.);
b. garantia das dimensões e propriedades do material;
c. os elementos em aço oferecem uma grande margem de segurança no trabalho; e
d. tem-se a possibilidade de desmontar as estruturas e posteriormente montá-las em outro local.
De acordo com Pinheiro (2005), é possível citar como desvantagens do aço: a. limitação de execução em fábrica;
b. necessidade de transporte até o local da obra;
d. limitação de perfis estruturais. 2.3.2 Curva tensão x deformação
A representação gráfica do diagrama tensão-deformação do aço dúctil é determinada pela relação entre tensão aplicada e a deformação resultante. Os valores deste diagrama são obtidos através da aplicação de um esforço normal de tração a um corpo de prova de aço estrutural na temperatura atmosférica (Figura 5). Esse ensaio auxilia na determinação das propriedades mecânicas dos aços.
Todo projeto de estruturas de aço parte de algumas propriedades mecânicas importantes do aço que são o Limite de Escoamento e o Limite de Ruptura, estes limites são valores mínimos garantidos pelos fabricantes de aço. (BELLEI, 2004).
Figura 5: Diagrama tensão x deformação
Fonte: Pinheiro (2005, p. 6). Onde: 𝑓 Tensão no material; 𝑓𝑢 Tensão última; 𝑓𝑦 Tensão de escoamento; 𝑓𝑝 Tensão de proporcionalidade; 𝜀 Deformação específica;
𝜀𝑢 Deformação específica quando ocorre a última tensão;
𝜀𝑝 Deformação específica quando ocorre a tensão de proporcionalidade; 𝛼 Ângulo de inclinação da reta da região elástica.
Para Dias (2011), o limite de escoamento é a constante física mais importante nos cálculos de estruturas de aço, pois o valor dessa tensão deve ser impedido de atingir as seções transversais das peças, como forma de limitar sua deformação. O limite de escoamento é determinado dividindo a carga máxima suportada pelo corpo-de-prova, pela sua seção de área, antes da peça escoar. Já o limite de ruptura, é determinado pela tensão última, que é calculada dividindo a carga máxima que o material suporta, pela sua seção de área inicial, antes da sua ruptura.
2.3.3 Propriedades dos aços
As propriedades mecânicas definem o comportamento dos aços quando sujeitos a esforços mecânicos e correspondem as propriedades que determinam a sua capacidade de resistir e transmitir os esforços que lhes são aplicados, sem que se rompam ou tenham deformações excessivas. (DIAS, 2011).
Segundo Pfeil e Pfeil (2009, p.16), as propriedades que compõem os aços estruturais são:
a) Ductilidade: entende-se como ductilidade a capacidade do material de se deformar sob a ação das cargas.
b) Fragilidade: pode-se dizer que é o oposto da ductilidade. O aço se torna frágil pela ação de diversos agentes: baixas temperaturas ambientes, por exemplo.
c) Resiliência: é a capacidade do material de absorver energia mecânica em regime elástico.
d) Tenacidade: é a capacidade do material de absorver energia mecânica com deformações elásticas e plásticas.
e) Dureza: denomina-se como resistência ao risco ou abrasão.
2.3.4 Constantes físicas do aço
Segundo a NBR 8800:2008, para efeito de cálculo devem ser adotados, os seguintes valores de propriedades mecânicas gerais dos aços:
Tabela 1: Propriedades mecânicas do aço
Fonte: Adaptada da NBR 8800 (2008, p. 13).
2.3.5 Tipos de aços estruturais
Em decorrência da variedade de aplicações dos aços estruturais, há um grande número de tipos de formas de aço, dessa maneira apresentam-se em constantes modificações de acordo com suas utilidades e especificações exigidas pelo mercado. Assim, os critérios determinantes abrangem desde sua composição química a sua propriedade mecânica requerida. (DIAS, 2011).
De acordo com Pfeil (2009), os aços podem ser classificados em dois grupos, segundo sua composição química, em função da presença de elementos de liga e do teor de elementos residuais. Assim podemos classificá-los em:
a. aços-carbono b. aços-liga.
Descrição Simbologia Valor Unidade
Módulo de elasticidade 200.000 MPa
Coeficiente de Poisson 0,3
Módulo de elasticidade transversal G 77.000 MPa
Coeficiente de dilatação térmica
Massa especifica 7.850 Kg/m³ 𝛽𝑎 𝜌𝑎 𝐸 = 𝐸𝑎 𝜈𝑎 1,2 𝑥 10−5 °𝐶−1
2.3.5.1 Aços Carbono
Os aços-carbono são os tipos mais utilizados, nos quais o aumento de resistência em relação ao ferro puro é produzido pelo carbono e, em menor escala, pelo manganês.
Devido ao teor de carbono, podem ser diferenciados em três categorias: Tabela 2: Categorias de Aço Carbono
Fonte: Adaptado de PFEIL (2009, p. 9).
O aumento de teor de carbono eleva a resistência do aço, porém diminui a sua ductilidade (capacidade de se deformar), o que conduz a problemas na soldagem.
Para ser utilizado estruturalmente no Brasil, os aços carbono deverão ser devidamente padronizados pela norma brasileira (ABNT), podendo ser utilizadas normas internacionais, como a American Society for Testing and Materiais (ASTM), conforme recomendação da NBR 8800:2008.
Os aços carbono padronizados por norma brasileira e suas aplicações são: a. ABNT MR-250 (NBR 7007): perfis laminados;
b. ABNT CG-26 e ABNT CG 28 (NBR 6648):chapas grossas (dão origem aos perfis soldados);
c. ABNT CF-26, ABNT CF-28 e ABNT CF-30 (NBR 66500: chapas finas (dão origem aos perfis formados a frio);
d. ABNT B e ABNT C (NBR 8261): perfis tubulares.
Outros aços padronizados pela norma americana (ASTM) e suas utilizações são: a. ASTM A36: chapas (finas e grossas);
b. ASTM A500: perfis tubulares; c. ASTM A307: parafusos comuns;
d. ASTM A 325: parafusos de alta resistência.
Descrição Teor de carbono
Baixo carbono C < 0,3 %
Médio carbono 0,3 < C < 0,7 %
Os aços carbono mais comuns empregados na fabricação de perfis, chapas e tubos estão apresentados na tabela a seguir, com seu limite de escoamento (fy) e sua resistência a tração ou ruptura (fu) descritos.
Tabela 3: Propriedades Mecânicas dos Aços Carbono
Produto Norma Classe fy (MPa) fu (MPa) ASTM
Equivalente Perfis 7007 MR 250 250 400 A36 Chapa 6648 6649/6650 CG-26 CF-26 255 260 410 400 A36 Tubos 8261 B 290 400 A500 GR-B 8261 B 317 400 8261 C 317 427 8261 C 345 427
Fonte: Adaptado de MIGUEL e CARQUEJA (2016, p. 11).
2.3.5.2 Aços de Baixa Liga
Segundo Pfeil (2009), os aços de baixa liga são aços-carbono acrescidos de elementos de liga (cromo colúmbio, cobre, manganês, molibdênio, níquel, fósforo, vanádio, zircônio), os quais melhoram algumas propriedades mecânicas.
Tais elementos adicionais proporcionam um aumento na resistência do aço, mantendo o teor de carbono na ordem de 0,20 %, permitindo que eles sejam soldados sem precauções especiais. Os aços de baixa liga possuem um patamar de escoamento bem definido, com limites de escoamento iguais ou superiores a 290 Mpa.
Os aços de baixa liga padronizados por norma brasileira e suas aplicações são: a. ABNT AR-350 (NBR 7007): perfis laminados;
b. *ABNT AR-350-COR (NBR 7007): perfis laminados; c. ABNT AR-415 (NBR 7007): perfis laminados;
d. ABNT G-30, ABNT G 35, ABNT G 42 e ABNT G 45 (NBR 5000): chapas grossas;
e. ABNT F-32/Q-32, ABNT F-35/Q35, ABNT Q-40, ABNT Q42, ABNT Q45 (NBR 5004): chapas finas;
f. *ABNT CGR 400, ABNT CGR 500 e ABNT CGR 500A (NBR 5008): chapas grossas;
g. *ABNT CFR 400 e ABNT CFR 500 (NBR 5920 / NBR 5921): chapas finas.
Outros aços padronizados pela norma americana (ASTM) e suas utilizações são: a. ASTM A572: perfis laminados e chapas (finas e grossas);
b. *ASTM A242: perfis laminados e chapas; c. *ASTM A588: perfis laminados e chapas.
Sendo os aços listados com (*), todos resistentes a corrosão atmosférica.
Os aços baixa liga mais comuns empregados na fabricação de perfis e chapas estão apresentados na tabela a seguir, com seu limite de escoamento (fy) e sua resistência a tração ou ruptura (fu) descritos.
Tabela 4: Propriedades Mecânicas dos Aços Baixa Liga
Produto Norma Classe fy (MPa) fu (MPa) ASTM
Equivalente Perfis 7007 AR 345 350 450 A572 GR-50 7007 AR 350 COR 350 485 A 242 7007 AR 415 415 520 A572 GR-60 Chapa 5000 G-30 300 415 A572 GR-42 5000 G-35 345 450 A572 GR-50 5004 F-35/Q-35 340 450 A572 GR-50 5008 CGR 250-370 380-490 A 588 5920/5921 CFR 250-370 380-490 A 588
2.3.6 Perfis
2.3.6.1 Perfis laminados ou conformados a quente
De acordo com Schmitzhaus (2015), os perfis laminados são largamente utilizados em aplicações estruturais. Eles são produzidos através da laminação de blocos de aço, em sistema de lingotamento contínuo. As limitações de fabricação são devidas às próprias cadeiras de laminação que impõem uma bitola de altura máxima e mínima, variável de acordo com o equipamento.
Os perfis laminados produzidos atualmente no Brasil possuem seções transversais nos seguintes formatos:
Quadro 1: Perfis Laminados
C Perfil C, também denominado de perfil U ou Canal
L Perfil L ou cantoneira, de abas iguais ou desiguais
I Perfil I
H Perfil H
T Perfil T
Fonte: Elaborado pelo autor, 2019.
Os perfis laminados com formato I e H fabricados no Brasil seguem o padrão de nomenclatura e dimensões adotados nos Estados Unidos, sua feição é exemplificada abaixo conforme descrito por Pfeil (2009), onde:
• Perfil S: Série chamada Standard Shape (S), perfil I de abas com faces internas inclinadas;
• Perfil W: Série chamada Wide Flange Shape, perfil I de abas largas; • Perfil HP: Série chamada H-Pile, Perfil H de abas paralelas e espessura
Figura 6: Principais tipos de produtos siderúrgicos laminados de utilização estrutural
Fonte: Elaborado pelo autor, 2019.
Os perfis laminados são designados com a simbologia que segue uma sequência com a letra latina que o representa. Sua altura em milímetros é seguida pela massa do perfil em Kg/m. Por exemplo, um perfil W 200 x 15 corresponde a um perfil I laminado com altura de 200 mm e 15 Kg/m de massa.
2.3.6.2 Perfis de chapa dobrada ou conformados a frio
Nem sempre são encontrados no mercado os perfis laminados com dimensões adequadas às necessidades do projeto de elementos estruturais leves, porém os perfis estruturais formados a frio podem ser fabricados nas dimensões desejadas. (SILVA, 2001).
Deve-se ter cuidado ao aplicar estes perfis, pois alguns apresentam o uso de chapas finas (em geral menos que 3 mm de espessura) na fabricação desses perfis conduz a problemas de instabilidade estrutural não existentes em perfis laminados. Porém, se bem empregados, garantem leveza, facilidade de fabricação, de manuseio e de transporte, além de possuírem resistência e ductilidade adequadas ao uso em estruturas civis, podendo ser fabricados para aplicações especificas.
Há uma grande variedade de perfis que podem ser fabricados. Figura 7: Perfis de chapa dobrada
2.3.6.3 Perfis soldados e compostos
“Perfis soldados e perfis compostos são aqueles fabricados pela associação de dois ou mais produtos siderúrgicos, como as chapas e os perfis laminados, através de uma ligação contínua por solda elétrica.” (MIGUEL; CARQUEJA, 2016).
Figura 8: Perfis Soldados e Perfis Compostos
Fonte: Elaborado pelo autor, 2019.
Os perfis soldados mais utilizados são os perfis do tipo I e H, formados pela união de três chapas. Devido a esta grande versatilidade de combinações, os perfis soldados com formato I foram padronizados pela norma: Perfil I estrutural de aço soldado por arco elétrico – NBR 5884 (2005). Os tipos já padronizados que podem ter designação dos fabricantes, são divididos em três series:
• Série CS (Coluna Soldada): perfis para a utilização em pilares obedecendo a relação [d/bf = 1].
• Série CVS (Coluna/Viga Soldada): perfis para a utilização em pilares obedecendo a relação [1 < d/bf ≤ 1,5].
• Série VS (Viga Soldada): perfis para a utilização em vigas obedecendo a relação [1,5 < d/bf ≤ 4,0].
Figura 9: Perfil Soldado conforme NBR 5884 (2005)
Fonte: Elaborado pelo autor, 2019.
2.3.7 Ligações
As siderúrgicas fornecem as chapas e os perfis laminados aos fabricantes de estruturas metálicas em dimensões padronizadas. A fabricação da peça estrutural nas dimensões do projeto requer, portanto, cortes e ligações desses materiais (DIAS, 2011).
De acordo com Bellei (2004), ligação é a união entre dois elementos em qualquer tipo de estrutura, especialmente estruturas em aço. É de extrema importância que se trate com cuidado a aplicação das ligações, pois ela representa a segurança da construção. Dependendo de sua complexidade podem acarretar um custo elevado ao projeto.
As ligações se compõem dos elementos de ligação e dos meios de ligação.
Os elementos de ligação são todos os componentes incluídos no conjunto para permitir ou facilitar a transmissão dos esforços.
Os meios de ligação são os elementos que promovem a união entre as partes da estrutura para formar a ligação, os mais comuns são soldas e parafusos.
De acordo com a NBR 8800 (2008), os elementos de ligação e os meios de ligação deverão ser dimensionados de forma que suas resistências de cálculo, correspondentes aos estados limites de em consideração, sejam maiores que as solicitações de cálculo.
2.3.8 Ligações soldadas
A soldagem é a técnica empregada para unir dois ou mais componentes de uma mesma estrutura, assegurando a continuidade do material e suas propriedades mecânicas e químicas, bem como os esforços a que ela está sujeita. (BELLEI, 2004).
As construções onde a solda é utilizada necessitam de um operário especializado. A utilização da soldagem traz consigo algumas vantagens, como:
a. maior rigidez das ligações;
b. economia do material e redução de custos de fabricação; e c. melhor acabamento final.
Como principais desvantagens desse método, tem-se a dificuldade para desmontagem e sobretudo para controle de qualidade em obra.
Os tipos de soldagens mais comuns estão representados na figura 10, sendo a de filete o que a solda é colocada externamente aos elementos a serem conectados, é mais usual por sua facilidade de aplicação, já a soldagem por entalhe ou penetração, a solda é colocada entre os elementos, esta é esteticamente mais agradável, porém tem pequena tolerância de ajuste das peças e custo elevado de preparo da superfície. (DIAS, 2011).
Figura 10: Tipos de soldagem
2.3.9 Ligações parafusadas
Segundo Dias (2011), os parafusos são formados por três partes: cabeça, fuste e rosca. Apesar de serem identificados pelo diâmetro nominal, a sua resistência à tração é função do diâmetro efetivo. A figura 11 ilustra as partes de um parafuso.
Figura 11: Identificação dos parafusos
Fonte: Adaptado de Dias (2011, p.101).
A utilização de ligações parafusadas pode apresentar as seguintes vantagens: a. Montagens mais rápidas e de fácil inspeção;
b. Permitem desmontagens para alteração e reparo; e
c. Não necessita de mão de obra tão qualificada quanto as ligações soldadas. Figura 12: Descrição geral dos parafusos
Na tabela ,5 são fornecidos os valores mínimos da resistência ao escoamento (𝑓𝑦𝑏)
e da resistência à ruptura de parafusos (𝑓𝑢𝑏), bem como os diâmetros nos quais podem ser
encontrados.
Tabela 5: Materiais usados em parafusos
Fonte: NBR 8800 (2018, p.110).
Os parafusos utilizados nas construções metálicas são normalmente o comum (sendo o mais utilizado o ASTM A307) e os de alta resistência (especialmente o ASTM A325 e o ASTM A490).
2.3.9.1 Parafusos comuns
Fabricados em aço carbono, são designados como ASTM A307, são normalmente empregados em estruturas leves, e elementos pouco solicitados ou em que a intensidade das cargas for pequena, pois possuem baixa resistência.
São montados sem especificações de torque e o acabamento das superfícies não requerem cuidados especiais.
2.3.9.2 Parafusos de alta resistência
Os parafusos de alta resistência são montados com protensão (torque especificado de montagem) e requerem cuidados especiais com reação às arruelas e ao acabamento das superfícies em contato das partes ligadas.
2.3.9.3 Distancias mínimas e máximas de um furo as bordas
A distância do centro de um furo-padrão a qualquer borda de uma parte ligada não pode ser inferior ao valor indicado na tabela 6. (NBR 8800:2008, p. 85)
Tabela 6: Distância mínima de um centro de um furo-padrão à borda
Fonte: NBR 8800 (2018, p.85).
Sendo 𝑑𝑏 o diâmetro do parafuso ou barra redonda rosqueada.
A distância máxima para qualquer borda de uma parte ligada, a distância do centro do parafuso, não pode exceder a 12 vezes a espessura da parte ligada considerada, nem 150 mm.
2.3.9.4 Espaçamento mínimo entre furos
Segundo a NBR 8800:2008, a distância entre centros de furos-padrão, não pode ser inferior a 3 × 𝑑𝑏.
Além disso, a distância livre entre as bordas de dois furos consecutivos não pode ser inferior a 𝑑𝑏.
2.3.9.5 Dimensões máximas de furos para parafusos
As dimensões máximas de furos devem obedecer ao indicado na tabela a seguir: Tabela 7: Dimensões máximas de furos para parafusos
Fonte: NBR 8800 (2018, p.83).
2.3.9.6 Força resistente de cálculo ao cisalhamento
A força de cisalhamento resistente de cálculo de um parafuso ou barra redonda rosqueada é, por plano de corte, igual a:
𝐹𝑣,𝑅𝑑 = 0,4 × 𝐴𝑏 × 𝑓𝑢𝑏
𝛾𝑎2
Sendo:
𝐴𝑏 a área bruta, baseada no diâmetro do parafuso 𝑓𝑢𝑏 a resistência à ruptura de parafusos
𝛾𝑎2 igual a 1,35 para ruptura
2.3.9.7 Força resistente de cálculo à tração
A força de tração resistente de cálculo de um parafuso tracionado, é dada por:
𝐹𝑡,𝑅𝑑 =
𝐴𝑏𝑒 × 𝑓𝑢𝑏 𝛾𝑎2
Onde:
Sendo:
𝐴𝑏 a área bruta, baseada no diâmetro do parafuso 𝐴𝑏 a área efetiva
𝑓𝑢𝑏 a resistência à ruptura de parafusos 𝛾𝑎2 igual a 1,35 para ruptura
2.3.9.8 Tração e cisalhamento combinados
Quando ocorrer a ação simultânea de tração e cisalhamento, deve ser atendida a seguinte equação de interação:
(𝐹𝑡,𝑆𝑑 𝐹𝑡,𝑅𝑑 ) 2 + (𝐹𝑣,𝑆𝑑 𝐹𝑣,𝑅𝑑 ) 2 ≤ 1,0 Onde:
𝐹𝑡,𝑆𝑑 a força de tração solicitante de cálculo
2.3.10 Corrosão
Denomina-se corrosão o processo de reação do aço com alguns elementos presentes no ambiente em que se encontra exposto, sendo o produto desta reação muito similar ao minério de ferro. A corrosão promove perda de seção das peças de aço, podendo se constituir em causa principal de colapso. (PFEIL, 2009).
Portanto deve-se proteger a estrutura metálica contra os efeitos corrosivos do meio ambiente. Para que as estruturas sejam bem protegidas, é necessário um bom sistema de limpeza antes da aplicação de qualquer método de proteção. Os dois métodos mais usuais de proteção das estruturas metálicas à corrosão são a pintura e a galvanização.
2.3.11 Galvanização
Galvanização é o processo de proteção do aço contra à corrosão, o recobrindo com uma camada de zinco metálico, por este motivo pode também ser chamada de zincagem.
Segundo Bellei (2004), são as propriedades de proteção catódica do zinco que permitem a galvanização a funcionar como um revestimento de grande resistência à corrosão.
A durabilidade dos produtos galvanizados varia de acordo com a espessura do revestimento de zinco, que deve ser aplicada de forma constante, uniforme ou com pouca variação e inversamente proporcional a agressividade do ambiente, podendo atingir mais de 25 anos em áreas rurais.
2.4 AÇÕES
De acordo com a NBR 8800 (2008), na análise estrutural deve ser considerada a influência de todas as ações que possam produzir efeitos significativos para a estrutura.
As ações classificam-se, segundo a NBR 8681 (2003) em: a. ações permanentes;
b. ações variáveis; c. ações excepcionais. 2.4.1 Ações permanentes (𝑭𝒈𝒌)
As ações permanentes são as que possuem valores constantes, ou de pequena variação em torno da média, atuantes em praticamente toda a vida da construção. Estas ações são subdivididas em diretas e indiretas.
2.4.1.1 Ações permanentes diretas
Sobre as ações permanentes diretas a NBR 8800 (2008) define como sendo aquelas constituídas pelos pesos próprios dos elementos da construção, incluindo-se o peso próprio da estrutura e de todos os elementos construtivos permanentes, os pesos dos equipamentos fixos, empuxos devidos ao peso próprio de terras não removíveis e de outras ações permanentes sobre elas aplicadas.
2.4.1.2 Ações permanentes indiretas
“As ações permanentes indiretas são constituídas pelas deformações impostas por retração e fluência do concreto, deslocamentos de apoio e imperfeições geométricas.” (NBR 8800, 2008, p. 15).
2.4.2 Ações variáveis (𝑭𝒒𝒌)
As ações variáveis são aquelas que possuem valores com variação significativa atuantes em praticamente toda a vida da construção.
As ações variáveis comumente existentes são causadas pelo uso e ocupação da edificação, como as ações decorrentes de sobrecargas em pisos e coberturas, de equipamentos e divisórias moveis, de pressões hidrostáticas e hidrodinâmicas, pela ação do vento e pela variação da temperatura da estrutura. (NBR 8800, 2008, p. 15).
As ações variáveis causadas pelo uso e ocupação são fornecidas pela NBR 6120 (ABNT, 1980, p. 3), já a ação do vento na estrutura será determinada de acordo com a NBR 6123 (ABNT, 1988) no tópico 2.7 deste trabalho.
2.4.3 Ações excepcionais
As ações excepcionais são as que possuem pouca duração e uma probabilidade muito baixa de ocorrência durante a vida útil da construção.
Algumas das ações excepcionais são: explosões, choque de veículos, abalo sísmico, incêndio e enchentes.
2.5 COEFICIENTES DE PONDERAÇÃO DAS AÇÕES
Os coeficientes de ponderação das ações para o estado limite último (𝛾𝑔ou 𝛾𝑞) são
fornecidos pela tabela 8 e o fator de combinação 𝛹0 é dado pela tabela 9, já no estado limite de serviço, o coeficiente de ponderação é igual a 1,0, porem são utilizados os fatores de redução ( 𝛹1 𝑒 𝛹2) dados pela tabela 9.
Tabela 8: Valores dos coeficientes de ponderação das ações
Combinações Ações permanentes (γg) Diretas Indiretas Peso próprio de estruturas metálicas Peso próprio de estruturas pré-moldadas Peso próprio de estruturas moldadas no local e de elementos construtivos industrializados e empuxos permanentes Peso próprio de elementos construtivos industrializad os com adições in loco Peso próprio de elementos construtivos em geral e equipamentos Normais 1,25 1,30 1,35 1,40 1,50 1,20 (1,00) (1,00) (1,00) (1,00) (1,00) (0,00) Especiais ou Construção (1,00) 1,15 (1,00) 1,20 (1,00) 1,25 (1,00) 1,30 (1,00) 1,40 (0,00) 1,20 Excepcionais 1,10 1,15 1,15 1,20 1,30 0,00 (1,00) (1,00) (1,00) (1,00) (1,00) (0,00) Ações variáveis (γq)
Efeito da temperatura Ação do vento truncadas Ações
Demais ações variáveis, incluindo as decorrentes do uso e ocupação Normais 1,20 1,40 1,20 1,50 Especiais ou Construção 1,00 1,20 1,10 1,30 Excepcionais 1,00 1,00 1,00 1,00
Os valores entre parênteses correspondem aos coeficientes para as ações permanentes favoráveis à segurança, ações variáveis e excepcionais favoráveis a segurança não devem ser incluídas.
Tabela 9: Valores dos fatores de combinação e de redução para as ações variáveis
Fonte: Adaptado de Dias (2011, p.101).
Ações 𝛹0 𝛹1 𝛹2 Ações variáveis causadas pelo uso e ocupação
Locais em que não há predominância de pesos e de equipamentos que permanecem fixos por longos períodos de tempo, nem de elevadas
concentrações de pessoas
0,5 0,4 0,3 Locais em que há predominância de pesos de equipamentos
que permanecem fixos por
longos períodos de tempo, ou de elevadas concentrações de pessoas
0,7 0,6 0,4 Bibliotecas, arquivos, depósitos, oficinas e garagens 0,8 0,7 0,6
Vento Pressão dinâmica do vento nas estruturas em geral 0,6 0,3 0
Temperatura Variações uniformes de temperatura em relação à média
anual local 0,6 0,5 0,3
Cargas móveis e seus efeitos
dinâmicos
Passarelas de pedestres 0,6 0,4 0,3
Vigas de rolamento de pontes rolantes 1 0,8 0,5
Pilares e outros elementos ou subestruturas que suportam
2.6 COMBINAÇÕES DE AÇÕES
“Um carregamento é definido pela combinação de ações que tem probabilidades não desprezíveis de atuarem simultaneamente sobre a estrutura, durante um período preestabelecido.” (NBR 8800, 2008, p. 19).
A combinação de ações é realizada de modo a determinar os efeitos mais desfavoráveis para a estrutura. Deve ser realizada em função das combinações últimas e de serviço.
Segundo a NBR 8681 (2003) as combinações últimas das ações podem ser classificadas em normal, especial ou de construção e excepcional, já as combinações de serviço são classificadas de acordo com sua permanência na estrutura em quase permanentes, frequentes e raras.
2.6.1 Combinações últimas normais (ELU)
Estas combinações decorrem do uso que foi previsto para a edificação, devem ser aplicadas tantas ações quanto forem necessárias para as verificações das condições de segurança em relação a todos os estados limites últimos aplicáveis. (NBR 8800, 2008).
Aplica-se a equação abaixo:
𝐹𝑑 = ∑(𝛾𝑔𝑖𝐹𝐺𝑖,𝑘) + 𝛾𝑞1𝐹𝑄1,𝑘 + ∑(𝛾𝑞𝑗 𝛹0𝑗 𝐹𝑄𝑗,𝑘) 𝑛 𝑗=2 𝑚 𝑖=1 Onde:
𝐹𝐺𝑖,𝑘 é o valor característico das ações permanentes;
𝐹𝑄1,𝑘 é o valor característico da ação variável considerada como ação principal
para a combinação;
𝐹𝑄𝑗,𝑘 é o valor característico das ações variáveis que podem atuar
concomitantemente com a ação variável principal;
𝛹0 é o coeficiente de combinação das ações variáveis (tab. 9);
𝛾𝑔 é o coeficiente de ponderação das ações permanentes (tab. 8); 𝛾𝑞 é o coeficiente de ponderação das ações variáveis (tab. 8).
2.6.2 Combinações últimas especiais ou de construção (ELU)
As combinações últimas especiais decorrem da atuação de ações variáveis de natureza ou intensidade especial, cuja intensidade supere os efeitos das ações consideradas combinações normais. Estes carregamentos são transitórios e de curta duração.
As combinações últimas de construção devem ser consideradas nas estruturas em que haja riscos de ocorrência destas ações ainda na fase de construção. O carregamento de construção é transitório com duração específica para cada caso. (NBR 8800, 2008).
𝐹𝑑 = ∑(𝛾𝑔𝑖𝐹𝐺𝑖,𝑘) + 𝛾𝑞1𝐹𝑄1,𝑘 + ∑(𝛾𝑞𝑗 𝛹0𝑗,𝑒𝑓 𝐹𝑄𝑗,𝑘) 𝑛 𝑗=2 𝑚 𝑖=1 Onde:
𝐹𝐺𝑖,𝑘 é o valor característico das ações permanentes;
𝐹𝑄1,𝑘 é o valor característico da ação variável admitida como principal para a
situação transitória considerada;
𝐹𝑄𝑗,𝑘 é o valor característico das ações variáveis que podem atuar
concomitantemente com a ação variável principal;
𝛹0𝑗,𝑒𝑓 é o fator de combinação efetivo de cada uma das demais variáveis que podem agir concomitantemente com a ação principal 𝐹𝑄1,𝑘 , durante a situação transitória;
𝛾𝑔 é o coeficiente de ponderação das ações permanentes (tab. 8);
𝛾𝑞 é o coeficiente de ponderação das ações variáveis (tab. 8).
O fator 𝛹0𝑗,𝑒𝑓 é igual ao fator 𝛹0𝑗 adotado nas combinações normais, salvo quando a ação principal 𝐹𝑄1 tiver um tempo de atuação muito pequeno, caso em que 𝛹0𝑗,𝑒𝑓 pode ser tomado com o correspondente𝛹2𝑗.
2.6.3 Combinações últimas excepcionais (ELU)
Estas combinações decorrem da atuação de ações que podem provocar efeitos catastróficos na estrutura. Devem ser levadas em consideração no projeto apenas quando não possam ser desprezadas, além disso, na concepção estrutural, não possam ser tomadas medidas que anulem ou diminuam as consequências dos seus efeitos.
𝐹𝑑 = ∑(𝛾𝑔𝑖𝐹𝐺𝑖,𝑘) + 𝐹𝑄,𝑒𝑥𝑐 + ∑(𝛾𝑞𝑗 𝛹0𝑗,𝑒𝑓 𝐹𝑄𝑗,𝑘) 𝑛 𝑗=1 𝑚 𝑖=1 Onde:
𝐹𝐺𝑖,𝑘 é o valor característico das ações permanentes;
𝐹𝑄,𝑒𝑥𝑐 é o valor da ação transitória excepcional.
𝐹𝑄𝑗,𝑘 é o valor característico das ações variáveis que podem atuar concomitantemente com a ação variável principal;
𝛹0𝑗,𝑒𝑓 é o fator de combinação efetivo de cada uma das demais variáveis que podem agir concomitantemente com a ação principal 𝐹𝑄1,𝑘 , durante a situação transitória;
𝛾𝑔 é o coeficiente de ponderação das ações permanentes (tab. 8);
𝛾𝑞 é o coeficiente de ponderação das ações variáveis (tab. 8).
O fator 𝛹0𝑗,𝑒𝑓 é igual ao fator 𝛹0𝑗 adotado nas combinações normais, salvo quando a ação principal 𝐹𝑄1 tiver um tempo de atuação muito pequeno, caso em que 𝛹0𝑗,𝑒𝑓 pode ser tomado com o correspondente𝛹2𝑗.
2.6.4 Combinações quase permanentes de serviço (ELS)
Estas combinações são as que podem atuar durante grande parte da vida útil da estrutura. Essas combinações são utilizadas para os efeitos de longa duração e para a aparência de construção.
A NBR 8800 (2008, p. 21) define aparência, no contexto de estados limites de serviço, como “relacionado a deslocamentos excessivos que não provoquem danos a outros componentes da construção, e não a questões meramente estéticas”.
𝐹𝑠𝑒𝑟 = ∑(𝐹𝐺𝑖,𝑘) + ∑( 𝛹2𝑗 𝐹𝑄𝑗,𝑘) 𝑛 𝑗=1 𝑚 𝑖=1 Onde:
𝐹𝐺𝑖,𝑘 é o valor característico das ações permanentes;
𝐹𝑄𝑗,𝑘 é o valor característico das ações variáveis que podem atuar concomitantemente com a ação variável principal;
2.6.5 Combinações frequentes de serviço (ELS)
São aquelas que se repetem diversas vezes durante a vida útil da estrutura ou que tenham duração igual a uma parte não desprezável desse período. Essas combinações são utilizadas quando não causam danos permanentes a estrutura ou a outros componentes da construção. (NBR 8800, 2008). 𝐹𝑠𝑒𝑟 = ∑(𝐹𝐺𝑖,𝑘) + 𝛹1 𝐹𝑄1,𝑘 + ∑( 𝛹2𝑗 𝐹𝑄𝑗,𝑘) 𝑛 𝑗=2 𝑚 𝑖=1 Onde:
𝐹𝐺𝑖,𝑘 é o valor característico das ações permanentes;
𝐹𝑄1,𝑘 é o valor característico da ação variável admitida como principal para a situação transitória considerada;
𝐹𝑄𝑗,𝑘 é o valor característico das ações variáveis que podem atuar
concomitantemente com a ação variável principal;
𝛹1 𝑒 𝛹2 são os fatores de redução das ações variáveis (tab. 9).
2.6.6 Combinações raras de serviço (ELS)
São utilizadas quando causam danos permanentes a estrutura ou a outros elementos da construção, e para aqueles relacionados ou funcionamento adequado da estrutura, como fissuras. Estas combinações podem atuar no máximo algumas horas durante o período de vida útil da estrutura. 𝐹𝑠𝑒𝑟 = ∑(𝐹𝐺𝑖,𝑘) + 𝐹𝑄1,𝑘 + ∑( 𝛹1𝑗 𝐹𝑄𝑗,𝑘) 𝑛 𝑗=2 𝑚 𝑖=1 Onde:
𝐹𝐺𝑖,𝑘 é o valor característico das ações permanentes;
𝐹𝑄1,𝑘 é o valor característico da ação variável admitida como principal para a
situação transitória considerada;
𝐹𝑄𝑗,𝑘 é o valor característico das ações variáveis que podem atuar
concomitantemente com a ação variável principal;
2.7 FORÇAS DEVIDAS AO VENTO
A ação dos ventos nas estruturas é uma das mais importantes e não pode ser negligenciada, sob o risco de colocar a estrutura em colapso.
As considerações do vento, bem como a determinação das forças devidas ao vento são regidas e calculadas de acordo com a NBR 6123 (1988) – Forças devidas ao vento em edificações.
2.7.1 Determinação das forças estáticas devidas ao vento
Deve-se calcular a velocidade característica do vento ( 𝑉𝑘):
𝑉𝑘= 𝑉0 × 𝑆1× 𝑆2× 𝑆3 [𝑚 𝑠⁄ ]
As forças estáticas devidas ao vento são determinadas levando em conta a velocidade básica do vento ( 𝑉𝑜), que é particular ao local onde a estrutura será construída e os
fatores topográfico (𝑆1), de rugosidade (𝑆2)e estatístico (𝑆3).
Com a velocidade característica é possível determinar a pressão dinâmica do vento:
2.7.2 Velocidade básica do vento, 𝑽𝒐
Segundo a NBR 6123 (1988, p.5), “entende-se como velocidade básica do vento, 𝑉𝑜,
medida sobre 3 segundos, que pode ser excedida em média uma vez em 50 anos, a 10 metros acima do nível do terreno em lugar aberto e plano.”
O valor da velocidade básica do vento pode ser encontrado no gráfico das isopletas da velocidade básica do vento no Brasil, com intervalos de 5 m/s, representado na figura 13.
Figura 13: Isopletas da velocidade básica 𝑉𝑜 (m/s)
2.7.3 Fator topográfico, 𝑺𝟏
Este fator leva em consideração as variações do relevo do terreno e pode tomar os seguintes valores:
a) terreno plano ou francamente acidentado: 𝑆1 = 1,0;
b) taludes e morros: 𝑆1 ≥ 1,0 (ver NBR 6123, 1988, p.5); e
c) vales profundos, protegidos de ventos de qualquer direção: 𝑆1 = 0,9. 2.7.4 Fator de rugosidade, 𝑺𝟐
Este fator é determinado definindo uma categoria (rugosidade do terreno) e uma classe de acordo com as dimensões da edificação.
A rugosidade do terreno é classificada em cinco categorias:
Quadro 2: Definição de categorias para determinação de S2
DEFINIÇÃO DAS CATEGORIAS DO TERRENO
Categorias Descrição do ambiente
I Mar calmo, lagos e rios, pântanos sem vegetação
II Campos de aviação, fazendas sem muros, pântanos com vegetação
III Casas de campo, fazendas com muro, subúrbios, a altura média do topo dos obstáculos é considerada igual a 3,0 m
IV Zonas de parques e bosques com muitas árvores, cidades pequenas e arredores, áreas industriais, subúrbios densamente construídos, a altura média dos obstáculos é de 10 m
V Florestas com árvores altas, centros de grandes cidades, complexos industriais bem desenvolvidos, a altura média dos obstáculos é de 25 m
Fonte: Adaptado da NBR 6123 (1988, p. 8).
Foram escolhidas as seguintes classes de edificações, partes de edificações e seus elementos, com intervalos de tempo para cálculo da velocidade média de, respectivamente, 3, 5 e 10 segundos:
Quadro 3: Definição de classes de edificação para determinação de S2
Classe Descrição
A
Todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e peças individuais de estruturas sem vedação. Toda edificação na qual a maior dimensão horizontal ou vertical não exceda 20 m
B horizontal ou vertical da superfície frontal esteja entre 20 m e 50 m. Toda edificação ou parte de edificação para a qual a maior dimensão C Toda edificação ou parte de edificação para a qual a maior dimensão
horizontal ou vertical da superfície frontal exceda 50 m
Fonte: Adaptado da NBR 6123 (1988, p. 9).
O fator 𝑆2 usado no cálculo da velocidade do vento em uma altura z acima do nível geral do terreno é obtido pela expressão:
𝑆2 = 𝑏 × 𝐹𝑟 × (𝑍 10⁄ )𝑃
Sendo os parâmetros meteorológicos da expressão encontrados na tabela a seguir: Tabela 10: Parâmetros meteorológicos
2.7.5 Fator estatístico, 𝑺𝟑
Este fator é baseado em conceitos estatísticos, e considera o grau de segurança requerido e a vida útil da edificação, normalmente de 50 anos.
Os valores mínimos do fator 𝑆3 são os indicados a seguir:
Tabela 11: Valores mínimos do fator estatístico S3
Grupo Descrição S3
1
Edificações cuja ruína total ou parcial pode afetar a segurança ou possibilidade de socorro a pessoas após uma tempestade destrutiva
(hospitais, quartéis de bombeiros, centrais de comunicação etc.) 1,1
2 e indústria com alto fator de ocupação Edificações para hotéis e residências. Edificações para comércio 1
3 ocupação (depósitos, silos, construções rurais, etc.) Edificações e instalações industriais com baixo fator de 0,95
4 Vedações (telhas, vidros, painéis de vedação, etc.) 0,88
5 construção Edificações temporárias. Estruturas dos grupos 1 a 3 durante a 0,83
Fonte: Adaptado da NBR 6123 (1988, p. 10).
2.7.6 Torres reticuladas
A NBR 6123:1988 recomenda que para torres reticuladas de seção quadrada ou triangular equilátera, com reticulados iguais em todas as faces, constituem casos especiais para os quais pode ser conveniente determinar a força global do vento diretamente.
Para estes casos, a força de arrasto é calculada por: 𝐹𝑎 = 𝐶𝑎 × 𝑞 × 𝐴𝑒
Onde:
𝐶𝑎 = coeficiente de arrasto, obtido na figura 13.
𝐴𝑒 = área frontal efetiva: área da projeção ortogonal da edificação, estrutura ou
Figura 14: Coeficiente de arrasto, para torres reticuladas
Fonte: NBR 6123 (1988, p. 29).
Esta ainda evidencia que para torres reticuladas de seção quadrada, o coeficiente de arrasto para vento incidindo com um ângulo α em relação à perpendicular à face de barlavento, 𝐶𝑎∝ , é obtido por:
𝐶𝑎∝ = 𝐾∝× 𝐶𝑎
Onde:
𝐾∝ pode ser considerado 1,16.
As componentes da força de arrasto, nas faces da torre, são obtidas multiplicando 𝐹𝑎, pelos valores da tabela 12.
Tabela 12: Componentes de força de arrasto nas faces de torres reticuladas
Sendo
n
o fator de proteção definido a seguir: Figura 15: Fator de proteçãoFonte: NBR 6123 (1988, p. 29).
Para o vento atuante no reservatório, considera-se o valor do coeficiente de arrasto da tabela a seguir:
Tabela 13: Coeficientes de arrasto, para corpos de seção constante
