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Aula 03-Sistemas Estruturais I
As chapas(Placas) são produtos laminados, nos quais uma dimensão, a espessura, é muito
menor que a largura e o comprimento. Elas são divididas em duas categorias:
As chapas podem ser utilizadas de varias formas, e uma delas é ilustrada na figura é a
Entrada da Escola Panamericana de Artes da Avenida Angélica em São Paulo, projeto do
Arquiteto Siegbert Zanettini.
As barras são produtos laminados nos quais duas dimensões da seção transversal são
pequenas em relação ao comprimento. As barras são laminadas em seção circular, quadrada
ou retangular alongada; estas últimas são chamadas vulgarmente de barras chatas.
Os perfis laminados são produzidos em laminadores e tem grande eficiência estrutural, em
forma de H, I, C, L como mostra a figura
Uma estrutura suporte de um mezanino, onde os elementos
estruturais são perfis laminados do tipo I.
Os perfis laminados podem dar origem a outro tipo de perfil, utilizados nas vigas alveolares
ou casteladas, que são obtidas com o recorte e soldagem destes perfis. Estas vigas são muito
eficientes, pois com o aumento de sua altura elas resistem a momentos fletor de grande
intensidade com a mesma seção transversal e volume de material de um perfil laminado
simples. A figura ilustra o recorte, a soldagem do perfil laminado e a nova altura obtida.
Os perfis formados por chapas dobradas a frio são perfis leves obtidos por dobramento a frio
de chapas de aço.
Os perfis podem ser produzidos por dois processos, através da prensagem que utiliza
máquinas conhecidas por dobradeiras ou guilhotinas. Ou através da calandragem utilizando
máquinas chamadas de dobradeira de produção continua.
A figura mostra um perfil U e um perfil L.
Os perfis formados por chapas dobradas têm uma vasta utilização como elemento estrutural e
como elemento arquitetônico, como mostra a figura.
Uma escada onde as vigas são perfis do tipo U enrijecido duplo formando uma caixa, e os
degraus são tipo U simples suporte dos degraus de madeira.
Os fios, cordoalhas e cabos são obtidos por trefilação. Os fios podem
ser fabricados utilizando aço doce ou aço de alto carbono (duro), que
são empregados em cabos de protensão de estruturas de concreto. A
figura ilustra exemplos de fios, cordoalha e cabos.
Os perfis soldados (a) são formados pela associação de chapas e os
perfis compostos (b, c e d) são formados pela associação de perfis
laminados simples. A ligação que forma estes perfis normalmente é
conseguida através de soldagem. Estes perfis são mostrados na figura.
As figuras abaixo, ilustram o edifício do curso de Engenharia de
Alimentos (PUC Goiás) e um detalhe da base de uma de suas colunas
respectivamente.
Além dos perfis listados anteriormente, alguns componentes de forma complexa
podem ser produzidos em aço através de fundição, como outros metais. Esta técnica é
normalmente utilizada na fabricação de peças pequenas, mas excepcionalmente pode
ser usada em elementos de grande dimensão e geometria complexa, como os
elementos estruturais, mostrados na figura, chamados de “Gerberette” usados no
“Centre Pompidou, Paris, France” projeto dos arquitetos Renzo Piano e Richard Rogers.
Meios de ligação
As peças estruturais obtidas a partir de perfis ou chapas são ligadas
entre si compondo elementos ou conjuntos estruturais completos.
As ligações são executadas seguindo as indicações contidas nos
desenho de fabricação e nos desenhos de montagem.
As ligações podem ser permanentes, utilizando rebite (em desuso) ou
solda elétrica, ou podem ser desmontáveis, com o uso de parafusos
e/ou pinos.
A solda elétrica consiste basicamente na fusão local conjunta de duas
peças a serem ligadas, o metal base, é de um eletrodo, o metal solda,
através da alta temperatura provocada por arco
elétrico(eletrovoltaico); após o resfriamento, o metal da solda
depositado serve de meio de união entre as duas peças.
Ligações entre vigas e colunas soldadas e parafusadas com
chapa de extremidade.
ligações entre vigas e colunas
Os 4 principais processos de soldagem utilizados nas estruturas de aço são: arco
elétrico com eletrodo revestido (SWAW – “shielded metal arc welding- soldagem a
arco de metal blindado”), arco submerso (SAW – “submerged arc welding”), arco
elétrico com proteção gasosa (GMAW – “gas metal arc welding”- soldagem a arco de
metal a gás) e arco elétrico com fluxo no núcleo fundido (FCAW – “flux cored arc
welding”).
Existem dois tipos básicos de parafusos: os comuns ASTM(American Society for Testing
and Materials- Sociedade Americana de Ensaios e Materiais) A307 e os de alta
resistência ASTM A325 e ASTM A490. Os parafusos de alta resistência são montados
com controle de aperto para que seja obtida uma protensão inicial mínima no corpo
do parafuso. Para garantir esta protensão inicial existem diferentes processos de
instalação dos parafusos bem como exigências relativas ao uso de arruelas
endurecidas.
A figura ilustra o funcionamento dos dois tipos de parafusos. O parafuso comum,
ilustração superior, transmite a carga por cisalhamento. Isto causa uma concentração
de tensão no corpo do parafuso e não é eficiente, entretanto as construções que
utilizam este tipo de conexão são simples e de custo mais baixo. Já os parafusos de alta
resistência, ilustração inferior, transmitem a carga por atrito entre as chapas que
formam a conexão. Esta conexão é mais eficiente e reduz a concentração de tensão,
entretanto as tolerâncias de fabricação dos elementos da conexão devem ser mínimas.
Os parafusos têm seu emprego praticamente limitado às ligações de
campo, enquanto as ligações executadas nas fabricas são normalmente
soldadas.
Com relação ao desempenho das ligações dos elementos estruturais existem
basicamente dois tipos. As ligações rotuladas e as rígidas. As rotuladas transmitem
somente os esforços axiais e cortantes entre os elementos, não existindo, portanto a
transmissão de momento fletor. Em outras palavras, pode existir rotação relativa entre
eles. Portanto, o comportamento da ligação é similar ao de uma rotula. Já as ligações
rígidas transmitem esforços axiais, cortantes e momentos fletores entre os elementos
conectados, portanto é uma ligação onde não existe nenhum tipo de movimento
relativo entre os elementos conectados. As ligações rígidas na figura anterior e as
ligações rotuladas são ilustradas na figura Abaixo.
A definição do tipo de ligação e a disposição dela no sistema estrutural é
uma importante consideração no projeto das estruturas de aço.
A estabilidade e a estaticidade são os principais fatores que influirão na
escolha do tipo de ligação.
As estruturas estaticamente determinadas, com ligações rotuladas, são
mais simples de serem executadas e tem um custo mais baixo que as
estruturas hiperestáticas ou estaticamente indeterminadas, com
ligações rígidas. Entretanto as estruturas estaticamente determinadas
são instáveis e necessitam de sistemas de estabilização, tais como os
contraventamentos em forma de “X”.
Já as estruturas com ligações rígidas, devido a sua condição de
estaticamente indeterminada, são estruturas que não necessitam de
sistemas de estabilização, ou seja, elas se auto-estabilizam.
Vantagens
• Resistência: O aço tem como grande vantagem a alta resistência do material, e que com sua
alta relação resistência-peso fazem dele um material de utilização muito ampla;
• Controle de qualidade: o aço é um material produzido nas siderúrgicas, que permite que suas
dimensões e todas as suas etapas sejam cuidadosamente controladas;
• Pré-fabricação: As estruturas de aço utilizam componentes pré-fabricados que
conseqüentemente faz da montagem delas um processo rápido e simples mesmo em locais
em que as condições de trabalho não são apropriadas;
• Aparência: E devido ao desempenho do aço como elemento estrutural as estruturas que
utilizam este material oferecem ao arquiteto a possibilidade de obterem-se edificações muito
elegantes, pois são estruturas de grande precisão com elementos estruturais muito esbeltos;
Tempo de execução: Devido à fabricação industrial e seriada, e várias etapas da construção
executadas ao mesmo tempo;
• Maior facilidade de ampliação e reforço estrutural: Devido às ligações entre as peças que são
parafusadas e/ou soldadas (soldagem de chapas nos elementos estruturais no caso de
reforço); Maior limpeza da obra: devido à ausência de detritos como restos de formas,
escoramento e ferragens;
• Maior confiabilidade: O aço é um material único e homogêneo, com limite de escoamento,
limite de ruptura e módulo de elasticidade bem definidos. As estruturas de aço são
fabricadas e montadas por profissionais qualificados.
Desvantagens
• Custo: normalmente o custo básico das estruturas de aço são maiores do que as
equivalentes em madeira ou concreto armado, entretanto o tempo de construção
reduzido pode ser um fator compensatório.
• Corrosão: outra desvantagem é que a maioria dos aços não estáveis quimicamente
fazendo dele um material em que a proteção contra corrosão seja uma
necessidade. Desempenho ao fogo: o aço perde sua capacidade de receber cargas
quando a temperatura é maior que 500ºC o que significa que a estrutura entrará
em colapso na eventualidade de incêndios, ou seja, a necessidade de prover uma
proteção contra fogo à estrutura pode se torna problemática se existe uma
intenção de ter a estrutura exposta como parte da expressão arquitetônica.
• Peso: a densidade do aço é alta e isso faz com que os componentes individuais
sejam pesados. Elementos tais como as vigas e colunas são difíceis de serem
movimentados no local da obra, fazendo o uso de equipamentos tais como
guindastes uma necessidade no que diz respeito à montagem da estrutura.
O Burj Khalifa compreende 1,85 milhões de pés quadrados de espaço residencial e
300.000 pés quadrados de espaço para escritórios. Ele também tem instalações de
saúde e bem-estar, quatro piscinas e dois decks de observação.
O Dubai vai construir a maior torre do mundo, que irá superar os 828 metros do Burj Khalifa
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Aula 03 sistemas estruturais 1 alexandre

  • 2.
  • 3.
  • 4. As chapas(Placas) são produtos laminados, nos quais uma dimensão, a espessura, é muito menor que a largura e o comprimento. Elas são divididas em duas categorias: As chapas podem ser utilizadas de varias formas, e uma delas é ilustrada na figura é a Entrada da Escola Panamericana de Artes da Avenida Angélica em São Paulo, projeto do Arquiteto Siegbert Zanettini.
  • 5. As barras são produtos laminados nos quais duas dimensões da seção transversal são pequenas em relação ao comprimento. As barras são laminadas em seção circular, quadrada ou retangular alongada; estas últimas são chamadas vulgarmente de barras chatas. Os perfis laminados são produzidos em laminadores e tem grande eficiência estrutural, em forma de H, I, C, L como mostra a figura
  • 6. Uma estrutura suporte de um mezanino, onde os elementos estruturais são perfis laminados do tipo I.
  • 7. Os perfis laminados podem dar origem a outro tipo de perfil, utilizados nas vigas alveolares ou casteladas, que são obtidas com o recorte e soldagem destes perfis. Estas vigas são muito eficientes, pois com o aumento de sua altura elas resistem a momentos fletor de grande intensidade com a mesma seção transversal e volume de material de um perfil laminado simples. A figura ilustra o recorte, a soldagem do perfil laminado e a nova altura obtida.
  • 8. Os perfis formados por chapas dobradas a frio são perfis leves obtidos por dobramento a frio de chapas de aço. Os perfis podem ser produzidos por dois processos, através da prensagem que utiliza máquinas conhecidas por dobradeiras ou guilhotinas. Ou através da calandragem utilizando máquinas chamadas de dobradeira de produção continua. A figura mostra um perfil U e um perfil L.
  • 9. Os perfis formados por chapas dobradas têm uma vasta utilização como elemento estrutural e como elemento arquitetônico, como mostra a figura. Uma escada onde as vigas são perfis do tipo U enrijecido duplo formando uma caixa, e os degraus são tipo U simples suporte dos degraus de madeira.
  • 10. Os fios, cordoalhas e cabos são obtidos por trefilação. Os fios podem ser fabricados utilizando aço doce ou aço de alto carbono (duro), que são empregados em cabos de protensão de estruturas de concreto. A figura ilustra exemplos de fios, cordoalha e cabos.
  • 11. Os perfis soldados (a) são formados pela associação de chapas e os perfis compostos (b, c e d) são formados pela associação de perfis laminados simples. A ligação que forma estes perfis normalmente é conseguida através de soldagem. Estes perfis são mostrados na figura.
  • 12.
  • 13. As figuras abaixo, ilustram o edifício do curso de Engenharia de Alimentos (PUC Goiás) e um detalhe da base de uma de suas colunas respectivamente.
  • 14. Além dos perfis listados anteriormente, alguns componentes de forma complexa podem ser produzidos em aço através de fundição, como outros metais. Esta técnica é normalmente utilizada na fabricação de peças pequenas, mas excepcionalmente pode ser usada em elementos de grande dimensão e geometria complexa, como os elementos estruturais, mostrados na figura, chamados de “Gerberette” usados no “Centre Pompidou, Paris, France” projeto dos arquitetos Renzo Piano e Richard Rogers.
  • 15. Meios de ligação As peças estruturais obtidas a partir de perfis ou chapas são ligadas entre si compondo elementos ou conjuntos estruturais completos. As ligações são executadas seguindo as indicações contidas nos desenho de fabricação e nos desenhos de montagem. As ligações podem ser permanentes, utilizando rebite (em desuso) ou solda elétrica, ou podem ser desmontáveis, com o uso de parafusos e/ou pinos. A solda elétrica consiste basicamente na fusão local conjunta de duas peças a serem ligadas, o metal base, é de um eletrodo, o metal solda, através da alta temperatura provocada por arco elétrico(eletrovoltaico); após o resfriamento, o metal da solda depositado serve de meio de união entre as duas peças.
  • 16. Ligações entre vigas e colunas soldadas e parafusadas com chapa de extremidade.
  • 18.
  • 19.
  • 20.
  • 21.
  • 22. Os 4 principais processos de soldagem utilizados nas estruturas de aço são: arco elétrico com eletrodo revestido (SWAW – “shielded metal arc welding- soldagem a arco de metal blindado”), arco submerso (SAW – “submerged arc welding”), arco elétrico com proteção gasosa (GMAW – “gas metal arc welding”- soldagem a arco de metal a gás) e arco elétrico com fluxo no núcleo fundido (FCAW – “flux cored arc welding”). Existem dois tipos básicos de parafusos: os comuns ASTM(American Society for Testing and Materials- Sociedade Americana de Ensaios e Materiais) A307 e os de alta resistência ASTM A325 e ASTM A490. Os parafusos de alta resistência são montados com controle de aperto para que seja obtida uma protensão inicial mínima no corpo do parafuso. Para garantir esta protensão inicial existem diferentes processos de instalação dos parafusos bem como exigências relativas ao uso de arruelas endurecidas. A figura ilustra o funcionamento dos dois tipos de parafusos. O parafuso comum, ilustração superior, transmite a carga por cisalhamento. Isto causa uma concentração de tensão no corpo do parafuso e não é eficiente, entretanto as construções que utilizam este tipo de conexão são simples e de custo mais baixo. Já os parafusos de alta resistência, ilustração inferior, transmitem a carga por atrito entre as chapas que formam a conexão. Esta conexão é mais eficiente e reduz a concentração de tensão, entretanto as tolerâncias de fabricação dos elementos da conexão devem ser mínimas.
  • 23.
  • 24. Os parafusos têm seu emprego praticamente limitado às ligações de campo, enquanto as ligações executadas nas fabricas são normalmente soldadas.
  • 25. Com relação ao desempenho das ligações dos elementos estruturais existem basicamente dois tipos. As ligações rotuladas e as rígidas. As rotuladas transmitem somente os esforços axiais e cortantes entre os elementos, não existindo, portanto a transmissão de momento fletor. Em outras palavras, pode existir rotação relativa entre eles. Portanto, o comportamento da ligação é similar ao de uma rotula. Já as ligações rígidas transmitem esforços axiais, cortantes e momentos fletores entre os elementos conectados, portanto é uma ligação onde não existe nenhum tipo de movimento relativo entre os elementos conectados. As ligações rígidas na figura anterior e as ligações rotuladas são ilustradas na figura Abaixo.
  • 26. A definição do tipo de ligação e a disposição dela no sistema estrutural é uma importante consideração no projeto das estruturas de aço. A estabilidade e a estaticidade são os principais fatores que influirão na escolha do tipo de ligação. As estruturas estaticamente determinadas, com ligações rotuladas, são mais simples de serem executadas e tem um custo mais baixo que as estruturas hiperestáticas ou estaticamente indeterminadas, com ligações rígidas. Entretanto as estruturas estaticamente determinadas são instáveis e necessitam de sistemas de estabilização, tais como os contraventamentos em forma de “X”. Já as estruturas com ligações rígidas, devido a sua condição de estaticamente indeterminada, são estruturas que não necessitam de sistemas de estabilização, ou seja, elas se auto-estabilizam.
  • 27. Vantagens • Resistência: O aço tem como grande vantagem a alta resistência do material, e que com sua alta relação resistência-peso fazem dele um material de utilização muito ampla; • Controle de qualidade: o aço é um material produzido nas siderúrgicas, que permite que suas dimensões e todas as suas etapas sejam cuidadosamente controladas; • Pré-fabricação: As estruturas de aço utilizam componentes pré-fabricados que conseqüentemente faz da montagem delas um processo rápido e simples mesmo em locais em que as condições de trabalho não são apropriadas; • Aparência: E devido ao desempenho do aço como elemento estrutural as estruturas que utilizam este material oferecem ao arquiteto a possibilidade de obterem-se edificações muito elegantes, pois são estruturas de grande precisão com elementos estruturais muito esbeltos; Tempo de execução: Devido à fabricação industrial e seriada, e várias etapas da construção executadas ao mesmo tempo; • Maior facilidade de ampliação e reforço estrutural: Devido às ligações entre as peças que são parafusadas e/ou soldadas (soldagem de chapas nos elementos estruturais no caso de reforço); Maior limpeza da obra: devido à ausência de detritos como restos de formas, escoramento e ferragens; • Maior confiabilidade: O aço é um material único e homogêneo, com limite de escoamento, limite de ruptura e módulo de elasticidade bem definidos. As estruturas de aço são fabricadas e montadas por profissionais qualificados.
  • 28. Desvantagens • Custo: normalmente o custo básico das estruturas de aço são maiores do que as equivalentes em madeira ou concreto armado, entretanto o tempo de construção reduzido pode ser um fator compensatório. • Corrosão: outra desvantagem é que a maioria dos aços não estáveis quimicamente fazendo dele um material em que a proteção contra corrosão seja uma necessidade. Desempenho ao fogo: o aço perde sua capacidade de receber cargas quando a temperatura é maior que 500ºC o que significa que a estrutura entrará em colapso na eventualidade de incêndios, ou seja, a necessidade de prover uma proteção contra fogo à estrutura pode se torna problemática se existe uma intenção de ter a estrutura exposta como parte da expressão arquitetônica. • Peso: a densidade do aço é alta e isso faz com que os componentes individuais sejam pesados. Elementos tais como as vigas e colunas são difíceis de serem movimentados no local da obra, fazendo o uso de equipamentos tais como guindastes uma necessidade no que diz respeito à montagem da estrutura.
  • 29.
  • 30. O Burj Khalifa compreende 1,85 milhões de pés quadrados de espaço residencial e 300.000 pés quadrados de espaço para escritórios. Ele também tem instalações de saúde e bem-estar, quatro piscinas e dois decks de observação.
  • 31. O Dubai vai construir a maior torre do mundo, que irá superar os 828 metros do Burj Khalifa (163 andares), o arranha-céus que detém o recorde também situado no mesmo emirado, indicou hoje a empresa que pretende desenvolver o projeto.