Curso de Estruturas Metálicas ÍN D I C E

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1 ÍN D I C E PAG. 1. CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE AS ESTRUTURAS METÁLICAS 1.1. Principais Aplicações 1.2. Vantagens e desvantagens das Estruturas Metálicas 1.3. Exigências que se apresentam na execução de uma Estrutura Metálica 1.4. Critérios de Projeto 2. MATERIAIS EMPREGADOS NAS ESTRUTURAS METÁLICAS E SUAS PROPRIEDADES 2.1. Aços Estruturais 2.2. Aços para conectores (parafusos) e metal de solda (eletrodos) 2.3. Propriedades Mecânicas dos Aços Estruturais 2.4. Principais tipos de peças estruturais 3. PEÇAS TRACIONADAS 3.1. Introdução 3.2. Dimensionamento de barras tracionadas 3.3. Exemplos resolvidos 3.4. Dimensionamento de barras tracionadas considerando os critérios da NBR 8800/ COMPRESSÃO - COLUNAS SUBMETIDAS A CARGAS AXIAIS 4.1. Introdução 4.2. Flambagem 4.3. Carga de Flambagem 4.4. Tensão de Compressão em Colunas 4.5. Tensões Admissíveis à Compressão (AISC) 4.6. Exemplos Resolvidos 4.7. Critérios da NBR 8800/ FLEXÃO 5.1. Introdução 5.2. Comportamento Elástico e Inelástico das Vigas Metálicas 5.3. Tensões Admissíveis à Flexão Simples 5.4. Cisalhamento de Flexão 5.5. Centro de Cisalhamento 5.6. Empenamento 5.7. Limitação de Deformações 5.8. Exemplos resolvidos 6. FLEXÃO COMPOSTA Prof. Marcio Varela Página 1

2 6.1. Introdução 6.2. Força Normal de Tração 6.3. Força Normal de Compressão 6.4. Exemplos resolvidos 7. LIGAÇÕES 7.1. Introdução 7.2. Ligações com parafusos Parafusos Comuns Parafusos de Alta-resistência Tipos de Ruptura Tensões de Corte e de Contato Ligação à Tração Disposições Construtivas Ligações Excêntricas à Cisalhamento Exercícios Resolvidos 7.3. Ligações com Solda Elétrica Introdução Tipos de Eletrodos Tipos de Solda Tensões em Solda de Entalhe Tensões em Soldas de Filete Ligações Soldadas Excêntricas Exercícios Resolvidos 8. TABELAS 8.1. Perfis Laminados 8.2. Perfis Soldados 9. REFERÊNCIAS Prof. Marcio Varela Página 2

3 1. CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE AS ESTRUTURAS METÁLICAS Na escolha da melhor forma da construção e de seus elementos, o trabalho do projetista de estruturas metálicas deve estar fundamentado nos seguintes postulados: - concepção estrutural otimizada; - aproveitamento máximo das propriedades dos materiais, com base no estudo e ensaio dos mesmos; - a qualidade dos trabalhos de execução da estrutura baseado nas experiência anteriores das construções realizadas. O projetista de estruturas metálicas tem como objetivo principal encontrar, em cada caso concreto, a solução mais prática e racional levando em consideração o nível atual de desenvolvimento das ciências e das engenharias Principais Aplicações As estruturas metálicas podem ser utilizadas principalmente nas seguintes construções: a) Obras civis de pequeno porte e instalações industriais; b) Estruturas Off Shore (jaquetas, plataformas, etc.); c) Edifícios civis de grande porte (pavilhões de exposições, cúpulas, etc.); d) Prédios especiais (hangares, estaleiros de construção naval, etc.); e) Torres para linha de transmissão; f) Obras de arte especiais (pontes, viadutos, etc.); g) Aplicações especiais: comportas, silos, reservatórios, etc Vantagens e Desvantagens das Estruturas Metálicas As principais vantagens das estruturas de aço são as seguintes: a) Alta resistência do material nos vários estados de tensão (tração, compressão, flexão, etc.), permitindo aos elementos estruturais suportarem grandes esforços de solicitação, apesar da seção transversal possuir uma área relativamente pequena; como conseqüência, as estruturas em aço, apesar da grande densidade deste material ( 78,5 KN/m 3 ), são mais leves que os elementos de outros materiais e mais prática para o transporte. Prof. Marcio Varela Página 3

4 b) Os elementos de aço são fabricados dentro de critérios de aceitação, em oficinas especializadas o que permite, na montagem, uma maior otimização no campo, o que permite diminuir os prazos de conclusão da construção; c) Os elementos de aço oferecem uma grande margem de segurança no trabalho, devido ao alto nível de homogeneidade do material, refletindo diretamente nas suas propriedades físicas e mecânicas; d) Os elementos de aço podem ser desmontados e substituídos com facilidade, o que permite reforçar ou substituir facilmente diversos elementos da estrutura Como principais desvantagens das estruturas de aço, podem-se assinalar: a) Os elementos de aço estão sujeitos a corrosão, o que requer uma maior preocupação com manutenção e critérios de prevenção como: pintura ou o emprego de outros métodos de proteção; ou utilização de aços especiais de alta resistência a corrosão, já produzido no Brasil. b) No caso de construções que são freqüentadas por muitas pessoas, necessitando um certo período de tempo para evacuar o local, a estrutura de aço exige uma proteção contra incêndio, que aumenta o seu preço. Essa proteção não é normalmente exigida em estruturas de concreto armado Exigências na execução de uma estrutura metálica As estruturas metálicas devem satisfazer as exigências de acordo com o objetivo da respectiva construção. Para diminuir as despesas e o custo com material, é preciso escolher de forma mais racional os esquemas estruturais, as seções dos elementos e os tipos de aços a ser utilizado. O trabalho do projetista de estruturas metálicas tem, em geral, como documento básico de referência um projeto arquitetônico ou funcional da obra. Nesse projeto, apresentado sob a forma de desenhos e especificações, estão indicadas as dimensões principais da obra e, pela indicação dos espaços que devem ser deixados livres, as dimensões máximas que poderão ter os elementos estruturais. A elaboração de um projeto de Estruturas Metálicas e de sua execução de um modo geral, compreendem as seguintes fases: - O anteprojeto da estrutura; - Os desenhos de projeto; - Memória de cálculo; - Os desenhos de fabricação e; - Os desenhos de montagem. Prof. Marcio Varela Página 4

5 Critérios de Projeto O Projeto das Estruturas é a escolha dos arranjos e dimensões dos elementos estruturais de forma que as cargas de serviço decorrentes do uso c outras ações externas sejam resistidas com segurança e os deslocamentos decorrentes estejam dentro de limites aceitáveis. Partindo do princípio de que o estudo de viabilidade e a análise financeira já terem sido feitos inicia-se o projeto, cu jo processo iterativo pode ser resumido nas seguintes etapas: 1) Planejamento - Estabelecimento das funções para as quais a estrutura deve servir (funcionalidade, segurança, economia, estética etc.) c definição dos critérios que resultarão em um projeto ótimo. 2) Configuração estrutural preliminar-arranjo dos elementos estruturais para atender às funções do item 1. Após uma série de esboços é feita a escolha da configuração estrutural mais conveniente nessa fase. 3) Determinação das cargas - Levantamento de todas as cargas que atuarão na estrutura. 4) Seleção preliminar dos elementos - Com base nas decisões das etapas 1,2 e 3, é feita a seleção das dimensões dos elementos para atender a critérios objetivos, tais como menor peso ou custo. 5) Análise estrutural - Análise estrutural envolvendo as cargas levantadas e o modelo estrutural adotado para obter as forças internas e deformações desejadas em alguns pontos. 6) Avaliação - Estão sendo atendidos todos os requisitos de resistência e utilização e o resultado está de acordo com os critérios preestabelecidos? 7) Novo projeto - Dependendo da comparação do item anterior, será necessária a repetição de qualquer parte da seqüência de 1 a 6, o que representa um processo iterativo. 8) Decisão final - A determinação se foi ou não encontrado o projeto ótimo. SEGURANÇA E FILOSOFIAS DE PROJETO As estruturas e os elementos estruturais devem ter resistência adequada, bem como rigidez e dureza para permitir funcionalidade adequada durante a vida útil da estrutura. O projeto deve prover ainda alguma reserva de resistência, acima das que seriam necessárias para resistir às cargas de serviço, ou seja, a estrutura deve prever a possibilidade de um excesso de carga (solicitação). Existem duas filosofias de projeto correntemente em uso: Projeto pelos estados limites (referenciado pelo AISC como projeto pelos fatores de carga e de resistência ou LRFD "Load & Resistance Factor Design") - Projeto pelas resistências admissíveis Prof. Marcio Varela Página 5

6 (referenciado pelo AISC como projeto pelas resistências admissíveis ou ASD "Alowable Strength Design"). PROJETO PELOS ESTADOS LIMITES - LRFD (ADOTADO PELA ABNT NBR 8800) Durante os últimos anos, tem se estudado processos de projeto que utilize a expressão geral da segurança estrutural, e o Al S C lançou em 1986 a sua primeira especificação para o projeto de estruturas metálicas, com base no critério dos fatores de carga e de resistência - LRFD, baseada em adaptações de métodos probabilísticos. Desde então é cada vez maior o número de normas que adotam o novo código, sendo o método de cálculo adotado também pela NBR 8800 desde a sua primeira edição em A edição de 2008 da NBR 8800 passou a adotar também os critérios de verificação da segurança estrutural da ABNT NBR 8681, que são aplicáveis às estruturas e às peças estruturais construídas com quaisquer dos materiais usualmente empregados na construção civil e utiliza a seguinte expressão para a verificação da segurança estrutural: R d S d Onde: R d = Resistência de cálculo S d = Solicitação de cálculo R d Ru = γ m Representa os valores de cálculo dos esforços resistentes, conforme o tipo de situação, obtidos dividindo-se as resistências últimas pelo respectivo coeficiente de ponderação γ m que leva em conta as incertezas das resistências (fator de resistência). S d = γ f S representa os valores de cálculo dos esforços atuantes, com base nas combinações últimas das ações, obtidos multiplicando-se cada tipo dc esforço que compõe a combinação pelos respectivos coeficientes de ponderação γ f que levam em conta as incertezas das solicitações (fatores de carga). A expressão geral da segurança estrutural para uma solicitação isolada pode ser escrita, como: R γ u m γ f S Prof. Marcio Varela Página 6

7 Como as ações podem atuar juntas, estas devem ser combinadas de acordo com a probabilidade de atuarem simultaneamente sobre a estrutura, durante um período estabelecido e a expressão geral da segurança estrutural para uma combinação de ações será: R γ u m m i= 1 γ S fi i O índice i no coeficiente dc ponderação das ações indica que para cada tipo de solicitação S i (carga permanente - C P, carga acidental - C A ou carga devida aos ventos - C V ), tem o seu nível de incerteza e estará associada a um correspondente γ fi. Para definir os coeficientes utilizados, vamos definir primeiramente as cargas dadas na NBR 8800/ Ações e combinações de ações Valores e classificação As ações a serem adotadas no projeto das estruturas e seus componentes são as estabelecidas pelas normas brasileiras NBR 6120, NBR 6123 e NBR 7188, ou por outras normas aplicáveis, e também pelo anexo B desta Norma. Conforme a NBR 8681, estas ações são classificadas segundo sua variabilidade no tempo, nas três categorias a seguir: - F G : ações permanentes - ações decorrentes do peso próprio da estrutura e de todos os elementos componentes da construção (pisos, telhas, paredes permanentes, revestimentos e acabamentos, instalações e equipamentos fixos, etc.), as quais são chamadas de ações permanentes diretas, e as ações decorrentes de efeitos de recalques de apoio, de retração dos materiais e de protensão, as quais são chamadas de ações permanentes indiretas; - F Q : ações variáveis - ações decorrentes do uso e ocupação da edificação (ações devidas a sobrecargas em pisos e coberturas, equipamentos e divisórias móveis, etc.), pressão hidrostática, empuxo de terra, vento, variação de temperatura, etc.; - F Q,exc : ações excepcionais - ações decorrentes de incêndios, explosões, choques de veículos, efeitos sísmicos, etc. Prof. Marcio Varela Página 7

8 Nas regras de combinações de ações para os estados limites últimos e de utilização, as ações devem ser tomadas com seus valores característicos de acordo com a NBR As ações excepcionais podem ser tomadas com seus valores convencionais excepcionais Combinações de ações para os estados limites últimos As combinações de ações para os estados limites últimos, de acordo com a NBR 8681, são as seguintes: a) combinações últimas normais m Σ i= 1 n ( γ ) + γ F + Σ ( γ ψ F ) gi FGi q1 Q1 qj 0 j j= 2 Qj b) combinações últimas especiais ou de construção (situação transitória): b) c) combinações últimas excepcionais, exceto para o caso em que a ação excepcional decorre de incêndio (ver ): Onde: F Gi são as ações permanentes; F Q1 é a ação variável considerada como principal nas combinações normais, ou como principal para a situação transitória nas combinações especiais ou de construção; F Qj são as demais ações variáveis; F Q,exc é a ação excepcional; Prof. Marcio Varela Página 8

9 γ gi são os coeficientes de ponderação das ações permanentes, fornecidos pela tabela 1 (para maiores informações, deve ser consultada a NBR 8681); γ qj são os coeficientes de ponderação das ações variáveis, fornecidos pela tabela 1 (para maiores informações, deve ser consultada a NBR 8681); ψ oj são os fatores de combinação das ações variáveis que podem atuar concomitantemente com a ação variável principal F Q1, nas combinações normais, conforme a tabela 2; ψ oj,ef são os fatores de combinação efetivos das ações variáveis que podem atuar concomitantemente com a ação variável principal FQ1, durante a situação transitória, ou com a ação excepcional F Q,exc. O fator ψ oj,ef é igual ao fator ψ oj adotado nas combinações normais, salvo quando a ação principal F Q1 ou a ação excepcional; Q, exc tiver um tempo de atuação muito pequeno, caso em que ψ oj,ef pode ser tomado igual ao correspondente ψ 2 (tabela 2). Prof. Marcio Varela Página 9

10 Tabela 1. Coeficientes de ponderação das ações Ações permanentes (γg) 1,3 Combinações Diretas Peso próprio Peso Peso próprio de Peso próprio de de estruturas metálicas próprio de estruturas prémoldadas estruturas moldadas no local e de elementos construtivos industrializados elementos construtivos industrializados com adições in loco Peso próprio de elementos construtivos em geral e equipamentos Indiretas Normais 1,25 1,30 1,35 1,40 1,50 1,20 (0) Durante a 1,15 1,20 1,25 1,30 1,40 1,20 Construção (0) Excepcionais 1,10 1,15 1,15 1,20 1,30 1,20 (0) Ações Variáveis (γq) 1,4 Efeito da temperatura 2 Ação do vento Demais ações variáveis, incluindo as decorrentes do uso e ocupação Normais 1,20 1,40 1,50 Durante a 1,00 1,20 1,30 Construção Excepcionais 1,00 1,00 1,00 NOTAS: 1. Os valores entre parênteses correspondem aos coeficientes para as ações permanentes favoráveis à segurança; ações variáveis e excepcionais favoráveis à segurança não devem ser incluídas nas combinações. 2. O efeito de temperatura citado não inclui o gerado por equipamentos, o qual deve ser considerado como ação decorrente do uso e ocupação da edificação. 3. As ações permanentes diretas que não são favoráveis à segurança podem, opcionalmente, ser consideradas todas agrupadas, com coeficiente de ponderação igual a 1,35 quando as ações variáveis decorrentes do uso e ocupação forem iguais ou superiores a 5 kn/m 2, ou 1,40 quando isso não ocorrer. 4. Se as ações permanentes diretas que não são favoráveis à segurança forem agrupadas, as ações variáveis que não são favoráveis à segurança podem, opcionalmente, ser consideradas também todas agrupadas, com coeficiente de ponderação igual a 1,40 quando as ações variáveis decorrentes do uso e ocupação forem iguais ou superiores a 5 kn/m 2, ou 1,50 quando isso não ocorrer (mesmo nesse caso, o efeito da temperatura pode ser considerado isoladamente, com o seu próprio coeficiente de ponderação). Ações permanentes diretas agrupadas: quando C A > 5 kn/m 2 γ g = 1,35 quando CA < 5 kn/m 2 γ g = 1,40 Prof. Marcio Varela Página 10

11 Combinações de ações para os estados limites de utilização Nas combinações de ações para os estados limites de utilização são consideradas todas as ações permanentes, inclusive as deformações impostas permanentes, e as ações variáveis correspondentes a cada um dos tipos de combinações, conforme indicado a seguir: a) Combinações quase permanentes de utilização (combinações que podem atuar durante grande parte do período de vida da estrutura, da ordem da metade deste período): b) Combinações freqüentes de utilização (combinações que se repetem muitas vezes durante o período de vida da estrutura, da ordem de 105 vezes em 50 anos, ou que tenham duração total igual a uma parte não desprezível desse período, da ordem de 5%): c) Combinações raras de utilização (combinações que podem atuar no máximo algumas horas durante o período de vida da estrutura): Onde: F Gi são as ações permanentes; F Q1 é a ação variável principal da combinação; ψ 1j FQj são os valores freqüentes da ação; ψ 2j FQj são os valores quase permanentes da ação; ψ 1j, ψ2j são os fatores de utilização, conforme Tabela 2. Prof. Marcio Varela Página 11

12 Tabela 2. Fatores de combinação e fatores de utilização Ações Ψ oj 1 Ψ 1j Ψ 2j Variações uniformes de temperatura em relação à média anual local 0,6 0,5 0,3 Pressão dinâmica do vento nas estruturas em geral 0,6 0,3 0 Ações decorrentes do uso e ocupação: - Sem predominância de equipamentos que permanecem fixos por longos períodos de tempo, nem de elevadas concentrações de pessoas - Com predominância de equipamentos que permanecem fixos por longos períodos de tempo, ou de elevadas concentrações de pessoas - Bibliotecas, arquivos, depósitos, oficinas e garagens 0,5 0,7 0,8 0,4 0,6 0,7 0,3 0,4 0,6 Cargas móveis e seus efeitos dinâmicos: - Vigas de rolamento de pontes rolantes - Passarelas de pedestres 1,0 0,6 0,8 0,4 0,5 0,3 NOTA: 1. Os coeficientes ψ oj devem ser admitidos como 1,0 para ações variáveis de mesma natureza da ação variável principal F Q1. Obs 1 : As combinações de ações últimas excepcionais para os estados limites últimos em situação de incêndio devem ser determinadas de acordo com a NBR Obs 2 : Para os casos de combinações de ações referentes aos estados limites últimos ou de utilização não previstos nesta Norma, devem ser obedecidas as exigências da NBR ELEMENTOS ESTRUTURAIS Para facilitar o entendimento do comportamento estrutural do elemento na determinação das condições estados limites últimos, separa-se os elementos de aço que compõem uma estrutura em função do tipo dc carga que atua sobre eles. Os elementos estruturais então são divididos em: ELEMENTOS TRACIONADOS ou TIRANTES: Tem como solicitação a tração axial T e comportamento similar ao do corpo de prova de um ensaio de tração. Ocorrem normalmente nas cordas e diagonais de treliças, nos contraventamentos, nos suportes de pisos suspensos, nos cabos de sistemas de coberturas, etc. Prof. Marcio Varela Página 12

13 ELEMENTOS COMPRIMIDOS ou PILARES: Tem como solicitação a compressão axial C e ocorrem nas cordas e diagonais de treliças, e nos pilares dos edifícios. ELEMENTOS FLETIDOS ou VIGAS: Tem como solicitação o momento fletor M e o esforço cortante V e ocorre nas vigas dos edifícios. ELEMENTOS FLETIDOS COMPRIMIDOS ou VIGA-PILAR: Quando ocorre a ação simultânea de flexão e compressão, a seção dependerá do tipo de ação que é predominante. Encontrados nas estruturas em pórticos, tanto funcionando como pilares ou também como vigas. NORMAS ESTRUTURAIS As normas são o resumo do resultado da experiência acumulada em cada área de conhecimento e devem estar em contínuo aperfeiçoamento, com base nas últimas pesquisas e testes. O seu emprego garante ao projetista um projeto seguro e econômico. Podemos empregar normas nacionais e estrangeiras, devendo-se entretanto tomar muito cuidado ao se misturar recomendações de diferentes normas. As principais normas ABNT aplicáveis para a construção com estruturas metálicas são: NBR Perfil estrutural soldado por arco elétrico; NBR Cargas para o cálculo de estruturas dc edifícios; NBR Forças devidas aos ventos em edificações; NBR Chapas grossas de aço carbono para uso estrutural; NBR Chapas finas à quente de aço carbono para uso estrutural; NBR Aços-carbono e microligados para uso estrutural geral; NBR Projeto dc estruturas dc aço e dc estruturas mistas dc aço e concreto de edifícios; NBR Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação ce incêndio; NBR Exigências de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações; NBR Perfil estrutural dc aço soldado por eletrofusão. Prof. Marcio Varela Página 13

14 MATERIAIS AÇOS ESTRUTURAIS Os aços estruturais aprovados para uso nas Estruturas Metálicas são listados a seguir. Na Tabela 2.1 são apresentadas as propriedades mecânicas utilizadas nos cálculos, algumas informações complementares, bem como uma lista de outros aços cujo uso é também permitido. No item 2.3 são apresentados os materiais usados em parafusos e pinos. NBR Aços-carbono e microligados para uso estrutural e geral; NBR Chapas grossas dc aço-carbono para uso estrutural; NBR Chapas finas a frio de aço-carbono para uso estrutural; NBR 6650/ASTM A36 - Chapas finas a quente de aço-carbono para uso estrutural; NBR 50(X)/ASTM A572 - Chapas grossas de aço de baixa liga e alta resistência mecânica; NBR 5004/ASTM A572 - Chapas finas dc aço dc baixa liga c alta resistência mecânica; NBR 5008/ASTM A709 - Chapas grossas dc aço de baixa liga c alta resistência mecânica, resistentes à corrosão atmosférica, para uso estrutural - Requisitos; NBR 5920/ASTM A588 - Chapas finas a frio e bobinas finas a frio, de aço de baixa liga, resistentes à corrosão atmosférica, para uso estrutural - Requisitos; NBR 592 l/astm A588 - Chapas finas a quente e bobinas finas a quente, de aço de baixa liga, resistentes à corrosão atmosférica, para uso estrutural - Requisitos; NBR Perfil tubular, de aço-carbono, formado a frio, com e sem costura, de seção circular, quadrada ou retangular para uso estrutural. PARAFUSOS, PINOS E BARRAS ROSQUEADAS - OS PARAFUSOS DEVEM SATISFAZER A UMA DAS SEGUINTES ESPECIFICAÇÕES a) ASTM A307 - Conectores dc aço de baixo teor dc carbono rosqueados externa e internamente; b) ASTM A325 - Parafusos de alta resistência para ligações em estruturas de aço, incluindo porcas adequadas c arruelas planas endurecidas; c) ASTM A490 - Parafusos dc alta resistência dc aço-liga temperado e revenido, para ligações em estruturas de aço. - Os PINOS SÃO NORMALMENTE ENCONTRADOS NAS ESPECIFICAÇÕES ASTM A35 OU SAE-1020 (f u = 38,7 kn/cm 2 ) Prof. Marcio Varela Página 14

15 - BARRAS REDONDAS ROSQUEADAS As propriedades mecânicas e a composição química dos aços usados em barras redondas rosqueadas devem estar de acordo com as normas correspondentes listadas para os aços estruturais e parafusos. As roscas devem obedecer às normas aplicáveis a parafusos. As porcas devem ter resistência adequada ao tipo dc aço que for usado nas barras. METAL DE SOLDA E FLUXO PARA SOLDAGEM Os eletrodos e fluxos devem obedecer a uma das seguintes especificações onde aplicável: a) AWS A5.1 - Especificação para eletrodos de aço doce, revestidos, para soldagem por arco elétrico; b) AWS A5.5 - Especificação para eletrodos de aço de baixa liga, revestidos, para soldagem por arco elétrico; c) AWS A Especificação para eletrodos nus de aço doce e fluxo, para soldagem por arco submerso; d) AWS A Especificação para eletrodos dc aço doce, para soldagem por arco elétrico com proteção gasosa; e) AWS A Especificação para eletrodos de aço doce, para soldagem por arco com fluxo no núcleo; f) AWS A Especificação para eletrodos nus de aço de baixa liga e fluxo, para soldagem por arco submerso; g) AWS A Especificação para eletrodos de baixa liga, para soldagem por arco elétrico com proteção gasosa; h) AWS A Especificação para eletrodos de baixa liga, para soldagem por arco com fluxo no núcleo. PROPRIEDADES MECÂNICAS Para efeito de cálculo devem ser adotados, para os aços aqui relacionados, os seguintes valores, na faixa normal de temperaturas atmosféricas: a) E = MPa, módulo dc elasticidade do aço (todos os aços); ( kn/cm 2 ) b) G = MPa, módulo de elasticidade transversal do aço (todos os aços); (7.720 kn/cm 2 ); c) νa = 0,3; coeficiente de Poisson; d) βa = 12 x IO -6 por C -1, coeficiente dc dilatação térmica; e) γa = 78,5 kn/m 3, massa específica (0, kn/cm 3 ) = 7850 kg/m 3 Prof. Marcio Varela Página 15

16 RESISTÊNCIA DOS AÇOS ESTRUTURAIS Todo projeto de estruturas de aço parte de algumas características mecânicas importantes do aço que são o Limite de Escoamento e o Limite de Ruptura. O teste usado para a determinação das propriedades mecânicas do aço é o Ensaio dc Tração com corpo-de-prova padronizado. A Figura 2.1 mostra o resultado típico de um ensaio de tração para o aço ASTM A36 e A588. Os Limites de Escoamento e Ruptura são os valores mínimos garantidos pelos fabricantes do aço, baseados na média estatística de valores obtidos em um grande número de testes. TIPOS DE AÇOS ESTRUTURAIS A Tabela 2.1 fornece os Limites de Escoamento e Ruptura dos aços estruturais mais usados. Figura 2.1 Diagrama Tensão x Deformação Tabela Propriedades mecânicas mínimas Prof. Marcio Varela Página 16

17 BITOLAS DAS CHAPAS ENCONTRADAS NO MERCADO CARGAS NAS EDIFICAÇÕES INTRODUÇÃO A estrutura deve ter resistência para suportar as cargas e suas combinações, manter as deformações elásticas verticais e horizontais correspondentes dentro dos limites específicos e ainda manter as vibrações nos pisos dentro de níveis de conforto compatíveis. Entende-se por cargas todas as ações impostas pela gravidade (peso próprio), meio ambiente (vento etc.) e as devidas ao uso da estrutura (sobrecargas ou acidentais). Essas cargas são denominadas ações externas e consistem em: 1. Cargas permanentes - CP Peso dos elementos da estrutura; Pesos de todos os elementos da construção permanentemente suportados pela estrutura, tais como: pisos, paredes fixas, coberturas, forros, escadas, revestimentos e acabamentos; Pesos dc instalações, acessórios c equipamentos permanentes, tais como tubulações de água, esgoto, águas pluviais, gás, dutos c cabos elétricos; Quaisquer outras ações de caráter permanente ao longo da vida da estrutura. Prof. Marcio Varela Página 17

18 2. Cargas acidentais - CA Sobrecargas distribuídas em pisos devidas ao peso de pessoas; Objetos e materiais estocados; Cargas de equipamentos: elevadores, centrais de ar-condicionado; Peso de paredes removíveis; Sobrecargas cm coberturas; Empuxos de terra e pressões hidrostáticas. 3. Cargas devidas ao vento - C V Pressão ou sucção dc rajadas devidas ao vento. 4. Outras cargas Variações de temperatura (diferença entre a temperatura mínima e máxima da estrutura); Cargas sísmicas (efeitos dc terremotos); Cargas de neve; Recalques de fundações; Deformações impostas. A fim de resguardar a segurança do público, as autoridades estabelecem códigos de construção mediante os quais são controladas as construções. Esses códigos prescrevem as cargas mínimas, a resistência e a qualidade dos materiais, procedimentos de fabricação e muitos outros fatores importantes. DESLOCAMENTOS MÁXIMOS Os valores máximos requeridos para os deslocamentos verticais c horizontais dados na Tabela 3.6, são os limites para os casos mais comuns nas construções de edifícios, e são valores práticos utilizados para verificação do Estado Limite de Serviço (ELS) de deslocamentos excessivos da estrutura, devendo ser entendidos como valores práticos recomendados. Em alguns casos, limites mais rigorosos podem ter que ser adotados, considerando, por exemplo, o uso da edificação, as características dos materiais de acabamento, o funcionamento adequado de equipamentos, questões de ordem econômica e a percepção de desconforto. O responsável técnico pelo projeto deve decidir quais combinações de serviço devem ser usadas, conforme o elemento estrutural considerado, as funções previstas para a estrutura, as características dos materiais de acabamento vinculados e a seqüência de construção. Prof. Marcio Varela Página 18

19 Os valores máximos para os deslocamentos verticais (flechas) e horizontais são dados na Tabela 3.6. No caso dos deslocamentos verticais, os valores têm como referência uma viga simplesmente apoiada, mostrada na Figura 3.2, na qual: δ 0 : é a contraflecha da viga; δ 1 : é o deslocamento devido às ações permanentes, sem efeitos de longa duração; δ 2 : é o deslocamento devido aos efeitos de longa duração das cargas permanentes (se houver); δ 3 : é o deslocamento devido às ações variáveis; δ max :é o deslocamento máximo da viga no estágio final de carregamento; δ total = δ 1 + δ 2 + δ 3 Figura Deslocamentos verticais a serem considerados. No cálculo dos deslocamentos verticais a serem comparados com os valores máximos dados na Tabela 3.6, pode-se deduzir o valor da contraflecha da viga até o limite do valor da flecha proveniente das ações permanentes (5, da Figura 3.2). Atender aos valores de deformações limites apresentados na Tabela 3.6 não exclui a necessidade de verificar possíveis estados limites referentes a vibrações excessivas. Prof. Marcio Varela Página 19

20 - Deslocamentos máximos para edifícios Notas: L é o vão teórico entre apoios (para vigas biapoiadas) ou o dobro do comprimento teórico do balanço; H é a altura total do pilar (distância do topo à base); h é a altura do andar (distância entre centros das vigas de dois pisos consecutivos); em telhados de pequena declividade, deve-se evitar também a ocorrência de empoçamento. caso haja paredes de alvenaria sobre ou sob uma viga de piso, solidarizadas com esta viga, o deslocamento vertical também não deve aceder a 15 mm. Prof. Marcio Varela Página 20

21 Membros Tracionados O dimensionamento de elementos estruturais sujeitos a uma carga axial de tração, apesar de ser um dos problemas mais simples da engenharia estrutural, apresenta vários aspectos importantes do comportamento estrutural metálico. Membros tracionados ocorrem em vários tipos de construção e são constituídos de cabos, barras rosqueadas, ou perfis simples e compostos. Os cabos são utilizados em: ponte suspensa e estaiada, coberturas com estais, coberturas com telhado apoiado em cabos, e torres com estais. As barras rosqueadas são utilizadas como: suporte de terças e vigas de tapamento, contraventamento em X (xizamento) e tirantes de arcos. Finalmente, os perfis simples e compostos são utilizados em: pendurais, contraventamento em X, barras de estruturas de torres de transmissão, barras de treliças de coberturas, barras de treliças de edifícios, barras de treliças de pontes. O comportamento de membros tracionados difere do comportamento das amostras do ensaio de tensão-deformação do aço em função de fatores tais como tensão residual, imperfeições da peça, do carregamento e furos na seção transversal. ÁREA BRUTA, ÁREA LÍQUIDA E ÁREA LÍQUIDA EFETIVA Área bruta (A g ) de um elemento é a soma dos produtos da espessura pela largura bruta de cada componente da seção, medida normalmente ao e i x o do elemento. Para cantoneiras, a largura bruta é a soma das larguras das abas menos a espessura. Área líquida (A n ) de um elemento é a soma dos produtos da espessura pela largura líquida de cada componente da seção, calculado como segue: a) em ligações parafusadas, a largura dos furos não executados com broca deve ser considerada 2,0 mm maior que a dimensão nominal desses furos. Como o furo padrão e f e i to 1,5 mm maior que o diâmetro nominal dos parafusos, nesses casos, o diâmetro do furo para efeito de cálculo da área líquida será igual ao diâmetro d o parafuso mais 3,5 mm; Prof. Marcio Varela Página 21