Steel frame - Estrutura

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Parte 2

Steel frame - Estrutura

Neste segundo artigo sobre construções em steel frame abordaremos a concepção e montagem da estrutura. De uma maneira geral, qualquer

edificação necessita de um sistema estrutural que possibilite mantê-la estável e em condições normais de utilização quando sujeita a diversas ações.

O sistema steel frame é uma proposta para racionalizar a concepção da estrutura da edificação utilizando-se perfis dobrados a frio.

Os elementos metálicos utilizados são fabricados a partir de bobinas de aço de alta resistência e revestidos com zinco ou liga de alumínio-zinco pelo processo contínuo de imersão a quente ou por eletrofusão.

As chapas têm entre 0,8 mm e 3,0 mm de espessura, sendo a mais utilizada a de espessura de 0,95 mm.

Os elementos principais são os perfis, produzidos a partir de dois processos tradicionais: um consiste num processo contínuo em que uma tira de chapa passa por uma série de cilindros (perfiladeiras) dobrando-a para gerar a conformação da seção transversal; o outro, através de dobradeira, que nada mais é que um equipamento de punção que pressiona a chapa contra a mesa para efetivar a dobra, obtendose a seção transversal desejada por vários reposicionamentos.

Os perfis mais utilizados são aqueles com configurações e designações

conforme a figura 1. As seções, espessuras usuais e propriedades geométricas de perfis para steel frame são definidas pelas normas NBR 15253 - Perfis de Aço Formados a Frio, com Revestimento Metálico, para Painéis Reticulados em Edificações: Requisitos Gerais e NBR 6355 - Perfis Estruturais de Aço Formados a Frio: Padronização.

Tipos de perfis

O perfil U simples é formado pela alma de comprimento bw e a mesa de comprimento bf.A mesa também pode ser chamada de flange ou aba. O perfil Ue enrijecido,além da alma e da mesa, possui "enrijecedores" de comprimento D, sendo extensões das mesas.

Os perfis podem possuir, também, enrijecedores intermediários longitudinais, localizados na alma ou na mesa, que nada mais são que pequenos vincos para aumentar a rigidez do perfil.

O perfil cartola possui dois enrijecedores de borda, duas almas e uma mesa. A cantoneira é o perfil formado por duas abas de mesma espessura que podem possuir ou não iguais comprimentos.

Há, ainda, as fitas e chapas, elementos que não possuem dobras. Valendo-se das propriedades interessantes desses tipos de perfis metálicos, principalmente perfis U e Ue, o sistema steel frame é concebido a partir da idealização de painéis, compostos por perfis montados paralelamente e fixados nas extremidades por outros perfis (figura 2).

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Estruturação dos painéis

Os painéis podem ser instalados na vertical, para serem utilizados como paredes, e na horizontal como pisos. Os painéis verticais, na sua maioria, são portantes, isto é, trabalham como estrutura da edificação, recebendo as cargas e dando estabilidade ao conjunto.Outros painéis podem ser utilizados nas paredes com a finalidade de vedação.

A concepção do sistema steel frame permite que os painéis trabalhem em conjunto travando-se entre si e gerando uma integridade na estrutura. Um painel utilizado em parede é formado pelos montantes e pelas guias. Os montantes (perfis Ue) são os elementos paralelos verticais normalmente modulados a cada 400 mm ou 600 mm, que dependendo da solicitação, pode ser de até 200 mm. Essas modulações estão associadas às dimensões dos elementos constituintes dos sistemas de acabamento, visando à minimização do desperdício.

As guias (perfis U) são elementos que fixam as extremidades dos montantes (inferior e superior) conformando a estrutura básica do sistema steel frame. A união é executada com parafusos autoperfurantes e auto-atarraxantes com diversas formas de cabeça (lentilha, sextavada e panela), empregadas de acordo com o local de uso e função estrutural do parafuso.O comprimento e o diâmetro, bem como a quantidade de parafusos, são estabelecidos pelo projetista de acordo com as considerações do dimensionamento da união (figura 3).

Nas aberturas correspondentes às portas e janelas nos painéis portantes é necessária a utilização de elementos estruturais para redistribuição das solicitações nos montantes interrompidos. Para essa finalidade, instalam-se vergas e ombreiras.

Figura 1 - Os perfis são dobrados a frio com perfiladeiras ou dobradeiras

Figura 2 - Painéis prontos Figura 3 - Parafuso lentilha, sextavado e panela

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A verga é obtida com a composição de dois ou mais perfis conectados ou, ainda, utilizando-se perfis cantoneiras conforme figuras 4 e 5.

As ombreiras, que são os perfis que delimitam o vão, são montadas em mesmo número de cada lado da abertura, tomando-se, aproximadamente, o

correspondente à quantidade de montantes interrompidos dividido por dois (figura 6).

O sistema steel frame permite aberturas de grandes vãos e, nesse caso, as vergas devem ser compostas por vigas treliçadas (figura 7).

Contraventamento

Como uma estrutura metálica tradicional, há também a necessidade de contraventamentos, geralmente executados com fitas de aço galvanizado parafusadas em placas de Gusset (figura 8) que, por sua vez, encontram-se nas quinas do painel. Os contraventamentos podem assumir formas de X ou K, dependendo das condições do projeto (figura 9).

O travamento horizontal é executado pelos bloqueadores, de perfis U ou Ue, conectados aos montantes ou vigas. Introduz-se, também, uma fita metálica que une os montantes do painel entre si e com os bloqueadores. Esse conjunto bloqueador-fita aumenta a capacidade resistente do painel, pois diminui o comprimento de flambagem dos montantes e tenta impedir a torção do

montante em torno de seu eixo longitudinal (figura 10).O número de linhas de bloqueadores e fitas depende da altura do painel e das suas solicitações. Os painéis de piso são montados a partir de perfis Ue paralelos, com a mesma modulação das paredes, formando as vigas e em suas extremidades instalam-se as guias, denominadas sanefas. Nas extremidades das vigas onde instalam-se apóiam painéis deve-se colocar um enrijecedor de alma para combater a flambagem local da seção transversal desse elemento, dada à ação das cargas normais verticais oriundas dos montantes do painel do pavimento superior nessas extremidades (figura 11).

Para compor o piso das lajes do sistema steel frame pode-se utilizar placas pré-fabricadas sobre as vigas de perfis Ue, constituindo a chamada laje

seca.Tais placas podem ser compostas por fibras de madeira orientadas ou por madeira laminada ou sarrafeada

contraplacada por lâmina de madeira, recebendo ou não revestimento cimentício em suas faces. Há ainda a possibilidade do uso de laje úmida, normalmente executada com uma chapa de aço ondulada (steel deck) parafusada às vigas e preenchida com concreto e armadura contra fissuramento. É possível também o emprego de lajes convencionais em concreto (moldadas "in loco" ou pré-fabricadas), porém essas, assim como a laje úmida, desviam-se do conceito de construção a seco, que é premissa do

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sistema steel frame.

Estruturalmente, é interessante ressaltar que as lajes funcionam como diafragma horizontal participando efetivamente da rigidez global do conjunto da edificação, semelhante ao que se considera nas estruturas de alvenaria estrutural.

Ainda, da mesma forma como ocorre em edificações de alvenaria estrutural, é fundamental que a estrutura seja projetada de forma que as paredes

estruturais estejam em prumo e, particularmente no sistema steel frame, os montantes estejam alinhados (in-line framing) entre paredes de todos os pavimentos, lajes e estrutura de telhado, para que se possa admitir a distribuição das ações de maneira mais uniforme e se possa obter a melhor capacidade resistente dos elementos estruturais que compõem os painéis.

Escadas

O sistema steel frame também oferece soluções para a execução das escadas. A escada com vão aberto é montada a partir de uma viga caixa, constituída por dois ou mais perfis Ue,na inclinação necessária, com a estrutura dos degraus, formada por perfis U dobrados, nela parafusada. Essa estrutura está pronta para receber o piso e os espelhos, que podem ser de painel de madeira sarrafeada,

placas compostas por fibras de madeira orientadas, madeira maciça, ou qualquer outro material com a resistência necessária (figura 12).

As escadas fechadas podem ser formadas por painéis com seu topo inclinado e utilizando perfis U dobrados para formação dos degraus (figura 13). Uma outra concepção é a da utilização de painéis escalonados compostos por montantes de perfis Ue e guias de perfis U que, se necessário, podem receber um painel auxiliar para o assentamento da placa do piso. Se o material da placa de piso fornecer a resistência necessária às solicitações, esse painel pode ser

desprezado (figura 14).

Figura 5 - Cantoneira

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Os painéis que compõem a estrutura e o fechamento da edificação podem ser confeccionados na obra ou prémontados. A opção pela pré-montagem implica uma montagem mais precisa dos painéis e menor tempo de trabalho em canteiro de obras. Para a execução dos painéis em fábrica as montagens são feitas sobre uma mesa com largura um pouco superior à altura da parede e comprimento em torno de 5 m a 6 m. Os painéis pré-montados fora da obra são transportados até o local de instalação sem maiores complicações, sendo, portanto, uma solução ideal para obras que possuem pouco espaço no canteiro (figura 15).

Os perfis,em sua maioria,são cortados nos comprimentos de montagem

durante o processo de perfilagem.Após a execução do painel, deve receber um travamento provisório para que mantenha seu esquadro durante o transporte ao local de instalação. Em geral, os painéis são muito leves e podem ser facilmente transportados e manuseados na obra por duas a quatro pessoas. Na obra, os painéis devem receber uma fita de isolamento em sua base, que pode ser de manta asfáltica ou fita de espuma de poliuretano expandido. O procedimento protege o painel da umidade e reduz a vibração.

Dispostos em suas respectivas posições, os painéis recebem fixações

provisórias com pinos instalados com pistola à base de pólvora enquanto, para manter o prumo, são feitos escoramentos provisórios, habitualmente utilizando perfis Ue (figura 16).

Os painéis são fixados uns aos outros por parafusos semelhantes aos utilizados na sua execução. Nos pontos de ligação entre painéis, é comum o emprego de montantes duplos para reforçar a conexão. Uma vez feitas todas as verificações de prumos e esquadro, os painéis devem receber a ancoragem definitiva à fundação, conforme apresentado na parte 1 desta série de artigos sobre steel frame.

Figura 7 - Vigas treliçadas Figura 8 - Placa de Gusset

Figura 9 - Contraventamento Figura 10 - Montante ao longo do eixo longitudinal

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Após a fixação definitiva dos painéis do primeiro pavimento,são montadas as lajes ou a estrutura do telhado. As lajes são normalmente montadas

totalmente no canteiro de obras, em função da dificuldade de transporte de painéis de grandes dimensões. O procedimento de montagem dos painéis do pavimento superior é semelhante ao do pavimento inferior, sendo a fixação dos suportes de ancoragem feita com barras roscadas passante na laje.

Dimensionamento

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formados a frio, é regido pela NBR 14762 - Dimensionamento de Estruturas de Aço Constituídas por Perfis Formados a Frio: Procedimento, que fornece as considerações de dimensionamento dos elementos estruturais para as diversas formas de solicitações com as considerações inerentes e particulares para cada verificação.

Na análise estrutural deve ser considerada a influência de todas as ações que possam produzir efeitos significativos para a segurança da estrutura em exame, levando-se em conta os possíveis estados limites últimos e os de serviço. Nesse sentido, a avaliação e determinação das ações (permanentes, variáveis e excepcionais) e seus esforços solicitantes segue os procedimentos normativos de estruturas de modo geral. Nessas tarefas, são importantes, entre outras as normas, NBR 8681 - Ações e Segurança nas Estruturas - Procedimento, a NBR 6120 - Cargas para Cálculo de Estruturas de Edificações - Procedimento, a NBR 6123 - Forças Devidas ao Vento em Edificações -

Procedimento.

Em princípio, a rotina de dimensionamento para os elementos de perfis metálicos segue o que se desenvolve comumente num projeto de estruturas, destacando-se as análises referentes às flambagens locais do perfil devido à seção transversal ser formada por elementos (mesas, almas e abas) em chapas de espessura fina. No sistema steel frame é usual a aplicação de perfis com seções transversais abertas e assimétricas e, portanto, a análise do

comportamento dessas seções deve ser criteriosa, principalmente nas adoções e considerações de contraventamentos laterais e distâncias entre seções lateralmente contidas.

Verificam-se, também, outras formas de instabilidade considerando o perfil como um todo (dependo, agora, de parâmetros como das propriedades geométricas da seção transversal, das propriedades do aço utilizado, do comprimento da barra, das considerações de suas vinculações, entre outros). Verifica-se, entre outras, a flambagem da barra por flexão, torção e flexotorção enquanto para vigas, além da verificação à flexão e cisalhamento, a verificação da instabilidade lateral.

As expressões normativas de análise de comportamento de perfis, sejam no estado último ou de serviço, consideram conceitos teóricos desenvolvidos a partir de conhecimentos de várias áreas do saber da análise estrutural. Como se pode imaginar, por vezes, o entendimento das expressões constantes na norma é complexo. Contudo, o texto proposto na norma para o

desenvolvimento do dimensionamento dos elementos estruturais e das ligações não possui maiores dificuldades de serem levados a termo.Atualmente, há referências bibliográficas que auxiliam nessa tarefa sem se aprofundar nos conceitos teóricos, atendo-se eminentemente às rotinas de dimensionamentos e apresentando, inclusive, tabelas prescritivas de pré-dimensionamento da estrutura.

Outras verificações são importantes, como a determinação de flechas e a instalação de adequados contraventamentos garantindo a estabilidade global da estrutura.

Nos perfis de steel frame, devido à galvanização, a ligação parafusada é a mais apropriada do que a ligação soldada que necessita de calor para sua execução, danificando, assim, a camada protetora do perfil. O dimensionamento das

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ligações é fundamental para a estabilidade da estrutura, principalmente no sistema steel frame que utiliza parafusos autoperfurantes. A NBR 14762 recomenda o uso de parafusos de aço com qualificação estrutural, comum ou de alta resistência. Contudo, não apresenta prescrições a respeito do

dimensionamento de ligações com parafusos autobrocantes, que são os mais usuais.Assim, na prática, para o dimensionamento das ligações, vale-se das especificações da North American Specification for Design of Cold-Formed Steel Structural Members (AISI, 2001). Entre as considerações normativas,

disposições e prescrições, as referentes às distâncias entre centros de furos e entre centro de furos e bordas, devem ser bem analisadas no projeto para que não ocorram colapsos nas ligações, como rasgamentos entre furos e entre furos e as bordas e, conseqüentemente, esta condição altere o comportamento do elemento estrutural ou mesmo da estrutura como um todo.

Após os procedimentos normativos de dimensionamento e analisando-se o comportamento dos elementos, verifica- se a necessidade de alterar a concepção estrutural, espessuras ou outro tipo de procedimento que possa considerar uma composição de adoções se a condição de segurança quanto ao estado limite último ou de serviço não forem verificados simultaneamente.

Antonio Wanderley Terni

Professor-doutor do Departamento de Engenharia Civil da Unesp do Campus de Guaratingüetá-SP

Alexandre Kokke Santiago

Arquiteto, Mestre em Engenharia Civil, Construção Metálica Ufop (Universidade Federal de Ouro Preto)

José Pianheri

Engenheiro civil, consultor, sócio-diretor da Pienge Engenharia e Construção Ltda. pienge.engenheria@uol.com.br