KRISMAN ENGELBRECHT DESTO
ANÁLISE DE CONCEPÇÕES ESTRUTURAIS PARA GALPÕES
METÁLICOS DE DIMENSÕES 15X30M UTILIZANDO PERFIS
FORMADOS À FRIO NA CIDADE DE SINOP-MT
SINOP
2015/2
KRISMAN ENGELBRECHT DESTO
ANÁLISE DE CONCEPÇÕES ESTRUTURAIS PARA GALPÕES
METÁLICOS DE DIMENSÕES 15X30M UTILIZANDO PERFIS
FORMADOS À FRIO NA CIDADE DE SINOP-MT
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof.ª Orientadora: Anne Maiara Seidel Luciano.
SINOP
2015/2
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 ... 13 Equação 2 ... 13 Equação 3 ... 14 Equação 4 ... 14 Equação 5 ... 14 Equação 6 ... 14 Equação 7 ... 15 Equação 8 ... 15 Equação 9 ... 19 Equação 10 ... 19 Equação 11 ... 19 Equação 12 ... 19 Equação 13 ... 19 Equação 14 ... 19 Equação 15 ... 20 Equação 16 ... 20 Equação 17 ... 20 Equação 18 ... 20 Equação 19 ... 20 Equação 20 ... 20 Equação 21 ... 20LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas TécnicasAISI – American Iron and Steel Institute BIM – Building Information Modeling CAD – Computer aided design
CBCA – Centro Brasileiro da Construção em Aço Dr. – Doutor
IABr – Instituto Aço Brasil
IFC – Industry Foundation Classes M. Sc. – Master of Science
NBR – Norma Brasileira
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Partes constituintes de um galpão em estrutura metálica ... 9
Figura 2 – Continuação da Figura 1 ... 9
Figura 3 – Tipos de cobertura para galpões ... 10
Figura 4 – Mapa das Isopletas ... 12
Figura 5 – Fator S1 ... 16
Figura 6 – Distribuição de tensões ... 21
Figura 7 – Interface do Ftool ... 23
Figura 8 – Inserção de nós e barras no Ftool ... 24
Figura 9 – Inserção de apoios no Ftool ... 24
Figura 10 – Inserção de rotação no Ftool ... 25
Figura 11 – Escolha do material no Ftool ... 25
Figura 12 – Escolha do perfil no Ftool ... 26
Figura 13 – Cota de elementos no Ftool ... 26
Figura 14 – Aplicação de carregamento no Ftool ... 27
Figura 15 – Análise de Esforço Normal no Ftool ... 27
Figura 16 – Análise de Esforço Cortante no Ftool ... 28
Figura 17 – Análise de Momento Fletor no Ftool ... 28
Figura 18 – Análise de Deformação no Ftool ... 29
Figura 19 – Interface no DimPerfil ... 30
Figura 20 – Escolha do perfil no DimPerfil ... 30
Figura 21 – Análise de resultados no DimPerfil ... 31
Figura 22 – Interface no Novo Metálicas 3D ... 32
Figura 23 – Criação de nova obra no Novo Metálicas 3D ... 33
Figura 24 – Inserção de informações no Novo Metálicas 3D ... 33
Figura 25 – Inserção de nós e barras no Novo Metálicas 3D ... 34
Figura 26 – Geração de planos no Novo Metálicas 3D ... 34
Figura 27 – Processo de cálculo no Novo Metálicas 3D ... 35
Figura 28 – Treliça Triangular ... 36
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Análise de concepções estruturais para galpões metálicos de dimensões 15x30m utilizando perfis formados à frio na cidade de Sinop-MT
2. Tema: Estruturas metálicas
3. Delimitação do Tema: Análise de concepção estrutural de galpões metálicos 4. Proponente(s): Krisman Engelbrecht Desto
5. Orientador(a): Anne Maiara Seidel Luciano
6. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso
7. Público Alvo: Acadêmicos, professores, engenheiros e demais profissionais da área
SUMÁRIO
LISTA DE EQUAÇÕES ... 3 LISTA DE ABREVIATURAS ... 4 LISTA DE FIGURAS ... 5 DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... 6 1 INTRODUÇÃO ... 3 1.1 APRESENTAÇÃO ... 3 1.2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 4 1.3 JUSTIFICATIVA ... 5 1.4 HIPÓTESES ... 6 1.5 OBJETIVOS ... 7 1.5.1 Objetivo Geral ... 7 1.5.2 Objetivos Específicos ... 7 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 8 2.1 AÇO ... 8 2.2 GALPÕES ... 8 2.3 CONCEPÇÃO ESTRUTURAL ... 102.4 AÇÕES NAS ESTRUTURAS ... 11
2.5 CARGAS DE VENTO ... 11
2.6 FORÇAS ESTÁTICAS DEVIDO AO VENTO ... 13
2.6.1 Coeficientes de pressão ... 13 2.6.2 Coeficientes de forma ... 14 2.6.3 Coeficientes de força ... 15 2.7 FATOR S1 ... 15 2.8 FATOR S2 ... 17 2.8.1 Rugosidade do terreno ... 17 2.8.2 Dimensões da edificação ... 17
2.8.3 Altura sobre o terreno ... 18
2.9 FATOR S3 ... 18
2.10COEFICIENTE DE PRESSÃO INTERNA ... 18
2.11COEFICIENTE DE PRESSÃO E DE FORMA EXTERNOS ... 18
2.12CARREGAMENTO NA ESTRUTURA ... 18
2.12.1 Carregamento nas Terças ... 19
2.12.1.1 Combinações das ações últimas normais (ABNT NBR 14762/10)... ... 19
2.12.1.2 Combinações das ações quase permanentes de serviço (ABNT NBR
14762/10)... ... 19
2.12.2 Carregamento nas Treliças ... 20
2.12.2.1 Combinações das ações ultimas normais (ABNT NBR 14762/10)... ... 20
2.12.2.2 Combinações das ações quase permanentes de serviço (ABNT NBR 14762/10)... ... 20
2.13CONTRAVENTAMENTO ... 21
2.14MÃO-FRANCESA ... 21
2.15MÉTODO DAS LARGURAS EFETIVAS ... 21
3 METODOLOGIA ... 23
3.1 FTOOL ... 23
3.2 DIMPERFIL ... 29
3.3 CYPE NOVO METÁLICAS 3D ... 31
4 DADOS PRELIMINARES ... 36
5 CRONOGRAMA ... 38
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 39
1 INTRODUÇÃO
1.1 APRESENTAÇÃO
A utilização do aço no Brasil vem crescendo nos últimos anos, independentemente do cenário econômico, visto que a construção civil, cada vez mais está se tornando industrializada e aperfeiçoando seus processos produtivos (VENDRAMINI, 2015).
Somado a esse aspecto, o uso da estrutura metálica oferece métodos alternativos a projetos que exigem desempenho estrutural na solução de grandes vãos com custo, tempo de entrega e montagem e pesos reduzidos (LOEB, 2015).
Entre as principais contribuições desse tipo de construção para as áreas de engenharia e arquitetura destacam-se a sua flexibilidade, durabilidade e facilidade de manutenção (ROCHA, 2015).
Sob reflexo desses atrativos, segundo o Instituto Aço Brasil, de 1963 até 2013, a produção brasileira de aço aumentou de dois milhões para 34,5 milhões de toneladas.
As construções em aço, estão sujeitas a várias cargas durante sua vida útil, bem como qualquer outro tipo de estrutura (SANTOS, 2014). Devido às considerações necessárias para o cálculo de estruturas metálicas sob influência de cargas naturais, finalidade estrutural e demais carregamentos, faz-se necessária a utilização de normas técnicas, como meio de respaldar os serviços realizados pelo engenheiro.
STACH (2012) afirmou que os galpões em pórticos de aço, de uso comercial ou industrial, são soluções versáteis e econômicas para uma grande faixa de vãos bem como têm diversos tipos de aplicações, tais como: pequenas fábricas, lojas, depósitos, academias, ginásios, garagens e outros.
Segundo MADEIRA (2009), os projetos atuais devem combinar três aspectos fundamentais: segurança, economia e durabilidade. Faz-se necessário, portanto, conhecer todas as tipologias dos galpões em pórticos assim como suas características, de modo a empregar sempre a concepção mais econômica e adequada para cada tipo de obra (STACH, 2012).
Esse projeto de pesquisa tem como principal objetivo analisar, mediante softwares, as mudanças ocasionadas nas estruturas de galpões metálicos de 6 metros de pé-direito, de treliças planas do tipo Howe no município de Sinop-MT ao alterarem-se propriedades fundamentais do cálculo estrutural.
1.2 PROBLEMATIZAÇÃO
Segundo FALEIROS et al. (2012), as estruturas metálicas são utilizadas para diversas finalidades, com destaque para montagem e construção de viadutos, pontes, torres, pórticos, grandes antenas, edifícios, assim como galpões industriais e comerciais.
As peças metálicas são capazes de cumprir papel estrutural similar ao que vigas e pilares de concreto armado costumam desempenhar, com aplicação tanto para pequenas construções domésticas quanto a grandes obras públicas.
Para atender as exigências do mercado, os projetos atuais de estruturas metálicas devem satisfazer requisitos de segurança, economia e durabilidade, aspectos estes que atestam a competitividade de um projeto (MADEIRA, 2009).
No entanto, é difícil saber qual a melhor concepção estrutural para um galpão em estrutura metálica, com relação aos requisitos citados anteriormente, tendo em vista que não se tem este estudo disponível no mercado local.
1.3 JUSTIFICATIVA
O dimensionamento das estruturas metálicas depende de uma vasta quantidade de ações e fatores a serem considerados, destacando-se a finalidade estrutural, o peso das peças metálicas e principalmente, segundo SANTOS (2014), a velocidade do vento da região, podendo haver oscilações de redução ou aumento no custo das estruturas metálicas.
A fim de fornecer um padrão de galpão para cada situação levantada, de modo a facilitar os cálculos do engenheiro projetista e ocasionar uma maior confiabilidade para o cliente, pretende-se elaborar este devido projeto de pesquisa. Para tanto, faz-se de suma importância analisar as condições climáticas do local, como a incidência do vento em Sinop-MT segundo as normas da ABNT, bem como as finalidades usuais de galpões utilizados no município. Dessa forma, possibilita-se a elaboração de uma pesquisa que desenvolva um comparativo mostrando qual a melhor concepção do galpão metálico para determinada finalidade estrutural.
Através dos dados fornecidos pelas normas da ABNT para a região e utilizando-se softwares de cálculo estrutural, como o CYPE Novo Metálicas 3D, e complementares, como o Ftool e DimPerfil, pretende-se analisar as devidas concepções estruturais para os galpões do município em questão, variando-se o tipo de treliça (trapezoidal ou triangular), distância entre pórticos, configurações dos pilares e ângulo de inclinação da cobertura.
1.4 HIPÓTESES
Como modo de auxiliar o engenheiro projetista e de forma a transpassar maior confiança para os clientes, espera-se, ao final do presente trabalho, que os dados obtidos forneçam a melhor concepção estrutural para um galpão em estrutura metálica em Sinop-MT, para as finalidades estruturais mais usuais da região.
1.5 OBJETIVOS
1.5.1 Objetivo Geral
Analisar a melhor concepção estrutural de galpões metálicos executados em treliças Howe na cidade de Sinop-MT, sob determinadas situações e para as finalidades construtivas usuais da região.
1.5.2 Objetivos Específicos
Levantar as possibilidades conceptivas para os galpões metálicos executados
em treliças Howe no município;
Avaliar a melhor concepção para cada caso;
Desenvolver modelo estatístico que reflita os resultados obtidos pelo trabalho
para o mercado regional.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 AÇO
O aço é uma liga de ferro e carbono adicionado de outros elementos como silício, manganês, fósforo, enxofre e outros (PFEIL,1976).
Segundo o histórico levantado pela Universidade Federal do Paraná, as primeiras obras de aço surgiram praticamente ao mesmo tempo em que começou a produção em nível industrial desse material. Com o avanço no processo de fabricação do aço, em torno de 1880, já existia uma grande aplicação de aço na indústria civil dos Estados Unidos. No Brasil, a primeira construção em estrutura metálica realizada foi a ponte sobre o rio Paraíba do Sul, no Rio de Janeiro, em 1857.
Segundo o Instituto Aço Brasil, o IABr, o sistema construtivo em aço permite liberdade no projeto arquitetônico, uma maior área útil, flexibilidade, compatibilidade com demais materiais, menor prazo de execução, racionalização de materiais e mão-de-obra, alívio das cargas na fundação, garantia de qualidade, uma maior organização e limpeza no canteiro de obras, bem como precisão construtiva.
O aço estrutural tem uma grande faixa de aplicações, com destaque para construções de pontes, viadutos, torres, pórticos, edifícios e galpões industriais e comerciais.
2.2 GALPÕES
O Instituto Aço Brasil (IABr), bem como o Centro Brasileiro da Construção em Aço (CBCA), definem galpões metálicos como sendo estruturas em aço, geralmente detendo pavimentos únicos e formados por um sistema de pórticos igualmente espaçados, com cobertura apoiada em terça e vigas ou mesmo em tesouras e terças, de modo a cobrir grandes áreas e com finalidade estrutural voltados para uso comercial, industrial, agrícola ou outras aplicações.
Nas Figuras 1 e 2 são mostradas as principais partes constituintes do tipo mais comum de um galpão metálico, com um vão transversal, cobertura de duas águas e estrutura dotada de viga de rolamento com a finalidade de receber ponte rolante.
Segundo SANTOS (2014), a cobertura é considerada o elemento estrutural que apresenta maior número de possibilidades de alteração conceptiva de galpões metálicos, podendo ser classificadas em: coberturas de vãos simples, múltiplos,
germinados ou Shed. A Figura ilustra claramente alguns dos diferentes tipos de coberturas existentes para os galpões metálicos.
Figura 1 – Partes constituintes de um galpão em estrutura metálica Fonte: Adaptado de Instituto Brasileiro de Siderurgia, 2004
Figura 2 – Continuação da Figura 1
Figura 3 – Tipos de cobertura para galpões Fonte: SANTOS, 2014
Além da cobertura, outro fator fundamental para a alteração da concepção estrutural de um galpão metálico é o dimensionamento dos pilares, assim como a escolha dos perfis adotados e o tamanho das seções. De acordo com SANTOS (2014), os pilares basicamente suportarão as cargas da cobertura, contudo quando há necessidade de transportar cargas dentro do galpão, podem ser instaladas pontes rolantes apoiadas em vigas de rolamento que irão descarregar diretamente sobre os pilares.
2.3 CONCEPÇÃO ESTRUTURAL
Conforme DIAS (1997), as estruturas como um todo bem como seus subsistemas devem conter ligações ou mecanismos de travamento adequados de modo a garantir a não-hipostaticidade das barras e do conjunto. As barras precisam ter seção, vínculos e comprimentos adequados, para evitar problemas de flambagem. DIAS (1997) ainda afirma que o esquema estrutural deve ser estudado de modo a encontrar o modelo mais adequado a cada caso: estrutura isostática ou hiperestática, pórtico deformável ou pórtico indeformável, ligações rígidas ou flexíveis. Para tanto, deve-se ter em vista a economia, a funcionalidade e os aspectos arquitetônicos da edificação.
Por fim, CANTUSIO NETO (2007) infere que a concepção estrutural implica na escolha dos elementos que comporão a estrutura em questão, bem como na determinação dos esforços atuantes sobre tal estrutura.
2.4 AÇÕES NAS ESTRUTURAS
De acordo com o IABr e o CBCA (2010, p. 15), citado por SANTOS (2014), os carregamentos em uma estrutura devem ser analisados: além dos pesos próprios presentes na estrutura, também devem ser consideradas todas as cargas acidentais que atuarão ao longo da vida útil da edificação.
Conforme a ABNT NBR 8681/03 – Ações e segurança nas estruturas, para o
estabelecimento de regras de combinação de ações, estas são classificadas mediante sua variabilidade com o tempo em três categorias: ações permanentes, variáveis e excepcionais.
Já a ABNT NBR 8800/08 – Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas
de aço e concreto de edifícios – informa que na análise estrutural deve ser
considerada a influência de todas as ações que possam produzir efeitos significativos para a estrutura, levando-se em conta os estados-limites último e de serviço.
A ABNT NBR 8681/03 e a ABNT NBR 8800/08 preconizam que:
a) as ações permanentes diretas e indiretas são aquelas que atuam durante toda a vida útil da construção apresentando valores relativamente constantes; b) as ações variáveis são cargas decorrentes da utilização e ocupação da
estrutura e podendo ser causadas também pela ação do vento na estrutura, podendo ser dividida em ações variáveis normais e especiais;
c) as ações excepcionais correspondem às ações que possuem duração extremamente curta e pouca probabilidade de ocorrência durante a vida útil da construção.
2.5 CARGAS DE VENTO
Tal como informa PRAVIA e DREHMER (2004), o vento não é um problema grave em construções baixas e pesadas com paredes grossas, porém em estruturas esbeltas passa a ser uma das ações mais importantes a ser determinada no projeto de estruturas.
Para CANTUSIO NETO (2007), a ação das cargas de vento nas estruturas metálicas é de suma importância e para que se possa estabelecer critérios para essa
análise, é preciso conhecer-se as aplicações na ABNT NBR 6123/88 – Forças Devidas ao Vento nas Edificações.
A fim de se utilizar a força do vento como carregamento para cálculo de estruturas metálicas, primeiramente deve-se fazer levantamentos quanto a sua intensidade, frequência, probabilidade de ocorrência e distribuição de velocidades segundo sua direção, tal como especificado por FERREIRA (2005, p.21, apud PADARATZ, 1977).
Contudo tais levantamentos encontram-se inclusos na ABNT NBR 6123/88, restritos por tabelas e mapas de isopletas que oferecem um modelo simplificado de cálculo para cada região.
A Figura 4 abaixo retrata o mapa das isopletas do território brasileiro segundo ABNT NBR 6123:88, de onde é possível retirar o valor da velocidade básica do vento para a região em que o município de Sinop está inserido, na ordem de 30m/s.
Figura 4 – Mapa das Isopletas Fonte: Adaptado de ABNT NBR 6123, 1988.
Conforme CANTUSIO NETO (2007), as cargas de vento podem ser determinadas tendo-se conhecimento de três parâmetros iniciais: a pressão dinâmica, o coeficiente de pressão e de forma externas e o coeficiente de pressão interna.
2.6 FORÇAS ESTÁTICAS DEVIDO AO VENTO
As forças estáticas devidas ao vento, conforme a ABNT NBR 6123/88, são determinadas pelas seguintes maneiras:
A velocidade básica do vento, V0, é determinada considerando-se a velocidade
de uma rajada de 3s de duração, excedida em média uma vez em 50 anos, a 10m acima do terreno, em um campo aberto e plano. Admite-se que o vento básico pode soprar de qualquer direção horizontal.
A velocidade básica do vento considera os fatores S1, S2 e S3 como integrantes
do produto com a velocidade, para ser obtida a velocidade característica do vento, Vk,
para a parcela da edificação em consideração, tal como a expressão a seguir: Vk= V0× S1× S2× S3 Equação 1
Sendo:
Vk = Velocidade característica do vento, em m/s;
V0 = Velocidade básica do vento, em m/s;
S1 = Fator topográfico, adimensional;
S2 = Fator relativo à rugosidade do terreno, dimensões da edificação e altura
sobre o terreno, adimensional;
S3 = Fator estatístico, adimensional.
Com a velocidade característica do vento, determina-se a pressão dinâmica do vento pela expressão:
q = 0,613 × Vk2 Equação 2
Sendo:
q = Pressão dinâmica do vento, em N/m².
2.6.1 Coeficientes de pressão
A força do vento depende da diferença de pressão nas faces opostas da parte da edificação em estudo, logo, os coeficientes de pressão são dados para superfícies tanto internas quanto externas. Define-se pressão efetiva o valor definido pela expressão a seguir:
Δp = Δpe− Δpi Equação 3 Sendo:
Δp = Pressão efetiva;
Δpe = Pressão efetiva externa;
Δpi = Pressão efetiva interna.
Desta expressão, obtém-se uma outra vinculada:
Δp = (cpe− cpi) × q Equação 4
Sendo:
cpe = Coeficiente de pressão externa: cpe = Δpe /q;
cpi = Coeficiente de pressão interna; cpi = Δpi /q.
Os seus sinais (positivo e negativo) referenciam o comportamento da pressão na estrutura. Valores positivos para o coeficiente de pressão implicam sobrepressões, enquanto valores negativos implicam sucções.
2.6.2 Coeficientes de forma
Tal como especificado na ABNT NBR 6123/88, a força do vento atura em direção perpendicular a um elemento plano de edificação de área A, sendo determinada por:
F = Fe− Fi Equação 5
Sendo:
F = Força do vento;
Fe = Força externa à edificação, atuando na superfície plana da área A;
Fi = Força interna à edificação, atuando na superfície plana da área A.
Desta expressão, obtém-se uma outra vinculada:
F = (Ce− Ci) × q × A Equação 6
Sendo:
Ce = Coeficiente de forma externo: Ce = Fe /(q×A);
Ci = Coeficiente de forma externo: Ci = Fi /(q×A);
Os seus sinais (positivo e negativo) referenciam o comportamento da pressão na estrutura. Valores positivos para o coeficiente de forma implicam sobrepressões, enquanto valores negativos implicam sucções.
Sabe-se que a força atuará para o interior quando resultar um valor de F positivo, enquanto um valor negativo indica que a força atuará para o exterior da edificação.
2.6.3 Coeficientes de força
A componente da força global na direção do vento, denominada força de
arrasto, Fa, é obtida pela seguinte expressão:
Fa = Ca× q × Ae Equação 7
Sendo:
Fa = Força de arrasto do vento;
Ca = Coeficiente de arrasto;
Ae = Área frontal efetiva.
Uma componente qualquer da força global do vento é obtida segundo a expressão a seguir:
F = Cf× q × A Equação 8
Sendo:
Cf = Coeficiente de força, especificado para todas as direções consideradas.
2.7 FATOR S
1O fator S1, denominado fator topográfico, leva em consideração as variações
do relevo do terreno e pode ser determinado da seguinte maneira:
a) Para terrenos planos ou fracamente acidentados: S1=1,0;
b) Para taludes e morros, tal como verificado na Figura 5.
No ponto A do morro e nos pontos A e C do talude: S1=1,0;
No ponto B, S1 é uma função S1(z):
θ≤3º:
6º≤θ≤17º: S1(z) = 1,0 + (2,5 −z d) × tg(θ − 3°) ≥ 1 θ≥45º: S1(z) = 1,0 + (2,5 − z d) × 0,31 ≥ 1
Deve-se, para o caso anterior, interpolar linearmente os valores para 3º<θ<6º e 17º<θ<45º quando necessário.
Sendo:
z= Cota de altura medida a partir da superfície do terreno no ponto considerado; d= Diferença de nível entre o topo do talude ou morro e a base;
θ= Inclinação média da encosta do morro ou talude.
c) Para vales profundos, com proteção de ventos de qualquer direção: S1=0,9.
Figura 5 – Fator S1
2.8 FATOR S
2O fator S2 considera o efeito conjunto da rugosidade do terreno em questão, da
variação da velocidade do vento com a altura acima do terreno e das dimensões da edificação ou parte da edificação em consideração.
2.8.1 Rugosidade do terreno
A rugosidade do terreno é dividida em cinco categorias:
a. Categoria I: superfícies lisas de grandes dimensões, com mais de 5km de extensão, medida na direção e sentido do vento incidente;
b. Categoria II: terrenos abertos em nível ou aproximadamente em nível, com poucos obstáculos isolados, como árvores e edificações baixas. A cota média do topo dos obstáculos é inferior ou igual a 1m;
c. Categoria III: terrenos planos ou ondulados com obstáculos, como sebes e muros, com poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esparsas. A cota média é considerada igual a 3m;
d. Categoria IV: terrenos cobertos por diversos obstáculos e pouco espaçados, em zona florestal, industrial ou urbanizada. A cota média é considerada igual a 10m;
e. Categoria V: terrenos cobertos por obstáculos numerosos, grandes, altos e com pouco espaçamento. A cota média é superior ou igual a 25m.
2.8.2 Dimensões da edificação
Conforme ABNT NBR 6123/88, existem três classes de edificações, com intervalos de tempo de 3s, 5s e 10s respectivamente, para cálculo da velocidade média:
a. Classe A: todas as unidades de vedação, elementos de fixação e peças individuais de estruturas sem vedação. Correspondem às edificações nas quais a maior dimensão horizontal ou vertical não excede 20m;
b. Classe B: toda edificação para qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal esteja situada entre 20m e 50m;
c. Classe C: toda edificação para qual a maior dimensão horizontal ou vertical da superfície frontal exceda 50m.
Os cálculos serão realizados para um galpão de 15 por 30 metros, logo, enquadra-se na Classe B.
2.8.3 Altura sobre o terreno
Outro parâmetro de entrada para obtenção do fator S2 é a altura sobre o
terreno, representado por “z”. A altura é inserida diretamente no quadro disponibilizado no Anexo 1, juntamente com a categoria de rugosidade do terreno e a classe de dimensões da edificação.
2.9 FATOR S
3O fator S3, estatístico, considera o grau de segurança requerido e a vida útil da
edificação e permite enquadrar a edificação em cinco grupos, tal como evidenciado no quadro do Anexo 2.
2.10 COEFICIENTE DE PRESSÃO INTERNA
Tal como especificado na ABNT NBR 6123/88, para edificações com paredes internas com permeabilidade, a pressão interna pode ser considerada uniforme. Neste caso, devem ser adotados os valores para o coeficiente de pressão interna conforme disposto na respectiva norma, encontrado mediante análise de permeabilidade e da disposição da abertura dominante na edificação.
As análises serão feitas para galpões com duas faces opostas da edificação igualmente permeáveis e as demais faces impermeáveis.
2.11 COEFICIENTE DE PRESSÃO E DE FORMA EXTERNOS
Conforme ABNT NBR 6123/88, os coeficientes de pressão e forma externos são obtidos pela interpretação da figura do Anexo 3, que correlaciona o ângulo de inclinação da cobertura e o ângulo de incidência na edificação.
2.12 CARREGAMENTO NA ESTRUTURA
Para a predefinição de cargas, adota-se: · Peso Próprio da Treliça: 0,10 kN/m²; · Peso Próprio da Terça: 0,05 kN/m²;· Peso próprio da telha trapezoidal 40: 0,0413 kN/m²;
· Sobrecarga na estrutura devido a carga variável: 0,25 kN/m², tal como ABNT NBR 8800/08;
· Distância entre pórticos: 5m inicial, variando progressivamente em 0,5 metros; · Distância entre terças: 1,5m;
· Altura das treliças: variável, sendo utilizadas treliças triangulares e trapezoidais. Os coeficientes de majoração utilizados, segundo a ABNT NBR 14762/10, são:
· γg - 1,25; 1,00;
· γq,v - 1,40; · γq,sc - 1,50;
· Ψ2,v = 0,0;
· Ψ2,sc = 0,40.
2.12.1 Carregamento nas Terças
Multiplica-se a distância entre terças (dt) pelo vento a 0° atuante na cobertura
(Fv), pelo peso próprio da telha (Fne), pelo peso próprio das terças (Fpp) e pela
sobrecarga (Fsc):
Qv = d𝑡× Fv Equação 9
Qne = d𝑡× Fne Equação 10
Qpp = d𝑡× Fpp Equação 11 Qsc = d𝑡× F𝑠𝑐 Equação 12
2.12.1.1 Combinações das ações últimas normais (ABNT NBR 14762/10)
Utiliza-se a sequente equação para a realização dos cálculos para combinação de ações últimas normais:
F𝑑 = ∑i=1m ( γgi × FGi,k) + γq1× FQ1,k+ ∑nj=2( γqj× Ψ0j× FQj,k) Equação 13
· GPP + GNE + Qsc
F𝑑 = γg × (Qne+ Qpp) + γq,sc× Qsc
· GPP + GNE + Qv
F𝑑 = γg × (Qne+ Qpp) + γq,v× Qv
2.12.1.2 Combinações das ações quase permanentes de serviço (ABNT NBR 14762/10)
Utiliza-se a sequente equação para a realização dos cálculos para combinação de ações quase permanentes de serviço:
Fser = ∑mi=1FGi,k+ ∑nj=1( Ψ2j× FQj,k) Equação 14
· GPP + GNE + Qsc
Fser = (Qne+ Qpp) + Ψ2,sc× Qsc
· GPP + GNE + Qv
Fser = (Qne+ Qpp) + Ψ2,v× Qv
2.12.2 Carregamento nas Treliças
Fazem-se os cálculos segundo área de influência, multiplicando-se a distância
entre terças (dt) pela distância entre pórticos (dp) e por sua vez pelo: vento a 0° atuante
na cobertura (Fv); peso próprio da telha (Fne,telha); peso próprio das terças (Fne,terça);
peso próprio da treliça (Fpp); pela sobrecarga (Fsc).
Gpp = d𝑡× d𝑝 × F𝑝𝑝 Equação 15
Gne,terça = d𝑡× d𝑝 × F𝑛𝑒,𝑡𝑒𝑟ç𝑎 Equação 16
Gne,telha= d𝑡× d𝑝 × F𝑛𝑒,𝑡𝑒𝑙ℎ𝑎 Equação 17
Qv = d𝑡× d𝑝 × F𝑣 Equação 18
Qsc= d𝑡× d𝑝 × F𝑠𝑐 Equação 19
2.12.2.1 Combinações das ações ultimas normais (ABNT NBR 14762/10) Fd = ∑i=1m ( γgi × FGi,k) + γq1 × FQ1,k+ ∑nj=2( γqj × Ψ0j × FQj,k) Equação 20
· GPP + GNE + Qsc
F𝑑 = γg× (Gpp+ Gne,terça+ Gne,telha) + γq,sc × Qsc
· GPP + GNE + Qv
F𝑑 = γg× (Gpp+ Gne,terça + Gne,telha) + γq,v × Qv
2.12.2.2 Combinações das ações quase permanentes de serviço (ABNT NBR 14762/10)
Fser = ∑mi=1FGi,k+ ∑nj=1( Ψ2j × FQj,k) Equação 21
· GPP + GNE + Qsc
Fser = (Gpp+ Gne,terça+ Gne,telha) + Ψ2,sc × Qsc
Fser = (Gpp+ Gne,terça+ Gne,telha) + Ψ2,v × Qv
2.13 CONTRAVENTAMENTO
Para PFEIL (2006), os elementos de contraventamento, quando em conjunto com as treliças, formam um sistema estrutural tridimensional capaz de resistir às ações impostas pelo vento provenientes de qualquer direção horizontal.
Além disso, os contraventamento “[...] servem para apoiar lateralmente os elementos comprimidos das treliças, reduzindo assim seus comprimentos de flambagem fora dos planos verticais das treliças” (PFEIL, 2006, p.16).
2.14 MÃO-FRANCESA
A AutoQi define mão-francesa como um elemento estrutural no formato de uma barra inclinada utilizada em algumas situações como a transição ou apoio para vigas. Já para MELO e LIMA FILHO (2009), mão-francesa é definida como sendo uma peça suspensa padrão fixada em outro elemento.
Uma das principais vantagens de se utilizar a mão francesa em estruturas de pórticos é a possibilidade de melhoria na rigidez tanto no plano vertical como no horizontal. (BRITO, 2010, apud HABITATIONSE, 2007).
2.15 MÉTODO DAS LARGURAS EFETIVAS
Dada a seguinte distribuição de tensões em uma peça metálica representada pela Figura 6:
Figura 6 – Distribuição de tensões Fonte: Adaptado de SILVA, 2014.
Conforme SILVA (2014), conceitua-se o método de larguras efetivas conforme substituição do diagrama da distribuição de tensões, o qual não é uniforme, por um outro diagrama, uniforme de tensões.
Observando-se a Figura 6, admite-se que a distribuição de tensões seja
uniforme ao longo da largura efetiva (bef) fictícia e que seu valor seja igual às tensões
das bordas. A largura efetiva é obtida de forma que a área sob a curva da distribuição
não uniforme seja de valor igual à soma de duas partes retangulares de largura bef e
intensidade fmáx. Contudo, o método das larguras efetivas não se aplica na verificação
3 METODOLOGIA
3.1 FTOOL
O programa, desenvolvido na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio), é uma das mais conhecidas ferramentas para análise de estruturas bidimensionais brasileiras.
Com base na apresentação do programa no Instituto Tecgraf de Desenvolvimento de Software Técnico Científico da PUC-Rio, é possível informar que o Ftool se trata de uma ferramenta simples, somando em uma mesma interface recursos para uma eficiente criação ou mesmo manipulação do modelo (pré-processamento) aliados à análise rápida da estrutura, bem como a uma visualização de resultados efetiva e com rapidez (pós-processamento).
A Figura 7 abaixo evidencia a interface do programa Ftool.
Figura 7 – Interface do Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
Ao abrir a interface do software Ftool, pode-se imediatamente efetuar a atividade desejada. Para isso, são inseridos os nós e barras da treliça tal como na Figura 8 a seguir.
Figura 8 – Inserção de nós e barras no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
Configura-se os apoios da estrutura, com suas respectivas condições de engaste e rotação. A Figura 9 e Figura 10 evidenciam o processo.
Figura 9 – Inserção de apoios no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
Figura 10 – Inserção de rotação no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
Com os elementos inseridos, deve-se configurar o software para interpretar o tipo de estrutura que está representada. Para tanto, configura-se a seção dos elementos e a natureza do material. A natureza do material será do tipo Metálico e a seção dos elementos é variável. A inserção desses dados é evidenciada na Figura 11 e Figura 12.
Figura 11 – Escolha do material no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
Figura 12 – Escolha do perfil no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
Com a estrutura posicionada, serão retiradas as cotas dos elementos (Figura 13) para posterior comparação entre as demais estruturas.
Figura 13 – Cota de elementos no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
A estrutura recebe então o carregamento previamente calculado. A inserção do carregamento é evidenciada na Figura 14.
Figura 14 – Aplicação de carregamento no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
Uma vez completa a estrutura, faz-se as análises de esforço Normal (Figura 15), Cortante (Figura 16), Momento Fletor (Figura 17) e a Deformação ocorrida na estrutura metálica (Figura 18).
Figura 15 – Análise de Esforço Normal no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
Figura 16 – Análise de Esforço Cortante no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
Figura 17 – Análise de Momento Fletor no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
Figura 18 – Análise de Deformação no Ftool Fonte: Acervo particular, 2015.
3.2 DIMPERFIL
O DimPerfil é disponibilizado pelo CBCA por autoria dos professores M.Sc. Edson Lubas Silva e Dr. Valdir Pignatta e Silva.
Conforme SILVA (2006), com este programa, os perfis são calculados mediante os procedimentos da norma brasileira, NBR 14762/10, e americana, AISI (2001). Os resultados são exibidos em forma de gráficos, tabelas e relatórios. Este último é detalhado suficientemente para que o engenheiro civil possa entender os cálculos realizados, conforme acompanhamento das etapas de cálculo com as suas respectivas normas técnicas.
Ainda para SILVA (2006), outra importante qualidade que o programa oferece ao usuário é a capacidade de poder acompanhar visualmente as larguras efetivas calculadas, bem como o detalhamento dos enrijecedores de borda com suas respectivas propriedades geométricas. Logo, é possível visivelmente entender como o perfil se comporta quanto à flambagem local dos elementos.
Figura 19 – Interface no DimPerfil Fonte: Acervo particular, 2015.
Uma vez iniciado o software DimPerfil, escolhe-se o tipo de perfil a ser utilizado (Figura 20), e configura-se a tensão de trabalho, σ, para 24 kN/cm².
Figura 20 – Escolha do perfil no DimPerfil Fonte: Acervo particular, 2015.
Em seguida, na sessão Cálculo dos Esforços, insere-se os comprimentos Lx, Ly
e Lt. Aplica-se, então, o comando de cálculo e analisa-se os resultados obtidos pelos
demais softwares com os valores limites encontrados no DimPerfil. A Figura 21 a seguir evidencia o processo final.
Figura 21 – Análise de resultados no DimPerfil Fonte: Acervo particular, 2015.
Verifica-se quais perfis resistem aos esforços calculados nos demais softwares e seleciona-se o perfil que garante, em conjunto, maior segurança, economia e durabilidade.
3.3 CYPE NOVO METÁLICAS 3D
O CYPE Novo Metálicas 3D, tal como especificado no site do desenvolvedor Multiplus, é um programa para cálculo e dimensionamento de estruturas metálicas, alumínio e estruturas de madeira.
Segundo a Multiplus, a entrada de dados é realizada de maneira fácil, na qual o usuário pode desenhar a estrutura e por meio de um comando de cotas são informadas as dimensões do projeto. O software ainda permite a importação de um desenho feito em qualquer programa CAD (formato dwg ou dxf) sendo que as linhas
deste desenho são transformadas em barras, sem que haja necessidade de redesenhar toda a estrutura.
A Multiplus informa que o software CYPE Novo Metálicas 3D dispõe das seguintes Normas Técnicas para o cálculo e dimensionamento das estruturas e que serão utilizadas neste projeto de pesquisa:
a) ABNT NBR 14762/10 – Dimensionamento de estruturas de aço
constituídas por perfis formados a frio;
b) ABNT NBR 8800/08 – Projeto de estruturas de aço e de estruturas
mistas de aço e concreto de edifícios;
c) ABNT NBR 8681/03 – Ações e segurança nas estruturas –
Procedimento;
d) ABNT NBR 6120/80 – Cargas para o cálculo de estruturas de
edificações;
e) ABNT NBR 6123/88 – Forças devidas ao vento em edificações.
A Figura 22 a seguir evidencia a interface do programa CYPE Novo Metálicas 3D.
Figura 22 – Interface no Novo Metálicas 3D Fonte: Adaptado de MULTIPLUS, 2013.
Inicialmente, ao executar o software, necessita-se criar um novo arquivo correspondente à nova obra a ser dimensionada, para tanto insere-se o nome da obra e caso necessário uma breve descrição, tal como a Figura 23.
Figura 23 – Criação de nova obra no Novo Metálicas 3D Fonte: Adaptado de MULTIPLUS, 2013.
Em seguida, seleciona-se o tipo de obra a ser trabalhada: “Obra Vazia”, respectiva à uma obra iniciada a partir do zero; ou “Introdução automática IFC”, respectivo à introdução automática a partir de um arquivo IFC da tecnologia BIM. Para o devido projeto de pesquisa, será utilizado o tipo “Obra Vazia”.
Após escolhido o tipo de obra, abre-se um Assistente de Projeto, onde serão fornecidos ao software informações importantes para o dimensionamento de estruturas metálicas, como as NBRs vigentes, a configuração das combinações de ações e coeficientes de segurança, introdução de hipóteses de carregamento, configurar o tipo de aço a ser trabalhado, bem como configurar a fundação da edificação (Figura 24).
Figura 24 – Inserção de informações no Novo Metálicas 3D Fonte: Adaptado de MULTIPLUS, 2013.
Ao clicar em “Terminar”, abre-se a interface do programa (Figura 22), onde será iniciado o lançamento da estrutura por meio do desenho dos elementos da treliça. Para facilitar o desenho, o programa será configurado para o modo de visualização em 2D por meio da aba “Vista”.
O lançamento das barras e nós será realizado por meio de suas respectivas abas tal como verificado na Figura 25.
Figura 25 – Inserção de nós e barras no Novo Metálicas 3D Fonte: Adaptado de MULTIPLUS, 2013.
Após lançados os nós e posicionadas as barras, converte-se a imagem para o modelo 3D. Utiliza-se o comando de geração de planos para reproduzir cópias do desenho feito ao inserir o número de pórticos a gerar e a distância entre planos, tal como evidenciado na Figura 26.
Figura 26 – Geração de planos no Novo Metálicas 3D Fonte: Adaptado de MULTIPLUS, 2013.
Repete-se o procedimento de conversão para vista 2D para as demais faces da estrutura e para as águas da cobertura, até que toda a edificação esteja lançada.
Na aba “Nó”, identifica-se qual tipo de vinculação será utilizada, enquanto na aba “Barra” faz-se a descrição do perfil a ser utilizado
Em sequência, insere-se mediante a aba “Cargas” quais cargas atuarão sobre a estrutura e sua intensidade.
Uma vez inseridas as cargas em seus respectivos locais de aplicação, utiliza-se
o comando de cálculo (Figura 27) do software na aba “Cálculo”. Após calculado,
analisa-se os resultados (deformações, reações, diagramas e verificação de segurança das barras) na mesma aba.
Figura 27 – Processo de cálculo no Novo Metálicas 3D Fonte: Adaptado de MULTIPLUS, 2013.
4 DADOS PRELIMINARES
Iniciaram-se alguns testes para eliminação prévia de combinações referentes à concepção estrutural do galpão metálico, em função da altura e tipo de treliça adotada (triangular ou trapezoidal) para um ângulo de inclinação de 15°.
A análise foi realizada mediante inserção direta no software Ftool, tendo-se em vista garantir uma concepção estrutural que una segurança, durabilidade e economia na execução da estrutura. Serão apresentados por meio de imagens os dados referentes ao esforço normal.
Fez-se a análise para uma treliça triangular e obteve-se os resultados evidenciados na Figura 28.
Figura 28 – Treliça triangular Fonte: Acervo particular, 2015.
Em seguida, foi realizada a análise para uma treliça trapezoidal com altura de 0,50 m, 0,85 m, 1,30 m e 2,00 m, obtendo-se os resultados da Figura 29.
O esforço normal máximo evidenciado na treliça triangular é de valor 31,85 kN. Para as treliças trapezoidais, os esforços normais (N) têm valor:
a) H=0,50 m: N=17,80 kN; b) H=0,85 m: N=14,76 kN; c) H=1,30 m: N=12,12 kN; d) H=2,00 m: N=9,47 kN.
Figura 29 – Treliça trapezoidal Fonte: Acervo particular, 2015.
Nota-se que a diminuição nos esforços normais é significante a partir da treliça triangular até a trapezoidal com altura de 1,30 m. Ao aumentarmos ainda mais a altura da treliça (2,00 m), a diminuição nos esforços normais se torna insignificante e, portanto, economicamente inviável.
Para tanto, a melhor concepção para esta situação é utilizando-se uma treliça trapezoidal de altura de 1,30 m.
5 CRONOGRAMA
Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
Encontros com Orientador Referencial Teórico Cálculo dos Carregamentos Análise no Ftool Análise no DimPerfil Análise no Novo Metálicas 3D Análise dos Resultados Conclusões Apresentação e Defesa do Trabalho Entrega da Versão Final do TCC
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Anexo 1
z (m)
Categoria
I II III IV V
Classe Classe Classe Classe Classe
A B C A B C A B C A B C A B C ≤ 5 1,06 1,04 1,01 0,94 0,92 0,89 0,88 0,86 0,82 0,79 0,76 0,73 0,74 0,72 0,67 10 1,10 1,09 1,06 1,00 0,98 0,95 0,94 0,92 0,88 0,86 0,83 0,80 0,74 0,72 0,67 15 1,13 1,12 1,09 1,04 1,02 0,99 0,98 0,96 0,93 0,90 0,88 0,84 0,79 0,76 0,72 20 1,15 1,14 1,12 1,06 1,04 1,02 1,01 0,99 0,96 0,93 0,91 0,88 0,82 0,80 0,76 30 1,17 1,17 1,15 1,10 1,08 1,06 1,05 1,03 1,00 0,98 0,96 0,93 0,87 0,85 0,82 40 1,20 1,19 1,17 1,13 1,11 1,09 1,08 1,06 1,04 1,01 0,99 0,96 0,91 0,89 0,86 50 1,21 1,21 1,19 1,15 1,13 1,12 1,10 1,09 1,06 1,04 1,02 0,99 0,94 0,93 0,89 60 1,22 1,22 1,21 1,16 1,15 1,14 1,12 1,11 1,09 1,07 1,04 1,02 0,97 0,95 0,92 80 1,25 1,24 1,23 1,19 1,18 1,17 1,16 1,14 1,12 1,10 1,08 1,06 1,01 1,00 0,97 100 1,26 1,26 1,25 1,22 1,21 1,20 1,18 1,17 1,15 1,13 1,11 1,09 1,05 1,03 1,01 120 1,28 1,28 1,27 1,24 1,23 1,22 1,20 1,20 1,18 1,16 1,14 1,12 1,07 1,06 1,04 140 1,29 1,29 1,28 1,25 1,24 1,24 1,22 1,22 1,20 1,18 1,16 1,14 1,10 1,09 1,07 160 1,30 1,30 1,29 1,27 1,26 1,25 1,24 1,23 1,22 1,20 1,18 1,16 1,12 1,11 1,10 180 1,31 1,31 1,31 1,28 1,27 1,27 1,26 1,25 1,23 1,22 1,20 1,18 1,14 1,14 1,12 200 1,32 1,32 1,32 1,29 1,28 1,28 1,27 1,26 1,25 1,23 1,21 1,20 1,16 1,16 1,14 250 1,34 1,34 1,33 1,31 1,31 1,31 1,30 1,29 1,28 1,27 1,25 1,23 1,20 1,20 1,18 300 - - - 1,34 1,33 1,33 1,32 1,32 1,31 1,29 1,27 1,26 1,23 1,23 1,22 350 - - - 1,34 1,34 1,33 1,32 1,30 1,29 1,26 1,26 1,26 400 - - - 1,34 1,32 1,32 1,29 1,29 1,29 420 - - - 1,35 1,35 1,33 1,30 1,30 1,30 450 - - - 1,32 1,32 1,32 500 - - - 1,34 1,34 1,34
Anexo 2
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 e de forças de segurança, centrais de comunicação, etc.)
1,10
2 Edificações para hotéis e residências. Edificações para
comércio e indústria com alto fator de ocupação 1,00
3 Edificações e instalações industriais com baixo fator de
ocupação (depósitos, silos, construções rurais, etc.) 0,95
4 Vedações (telhas, vidros, painéis de vedação, etc.) 0,88
5 Edificações temporárias. Estruturas dos grupos 1 a 3
