CONSTRUMETAL CONGRESSO LATINO-AMERICANO DA CONSTRUÇÃO METÁLICA São Paulo Brasil 31 de agosto a 02 de setembro 2010

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1 CONSTRUMETAL CONGRESSO LATINO-AMERICANO DA CONSTRUÇÃO METÁLICA São Paulo Brasil 31 de agosto a 02 de setembro 2010 RESISTÊNCIA DE BARRAS COMPRIMIDAS DE AÇO: CURVAS DE FLAMBAGEM PARA PERFIS LAMINADOS A QUENTE E SOLDADOS, FORMADOS A FRIO E TUBULARES Eduardo de Miranda Batista Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE/UFRJ) batista@coc.ufrj.br Arlene Maria Sarmanho Freitas Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) Roberval José Pimenta Codeme Engenharia Ricardo Hallal Fakury Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) João Alberto Venegas Requena Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Afonso Henrique Mascarenhas de Araújo Vallourec & Mannesmann do Brasil (VMB) RESUMO Atualizações recentes das normas brasileiras dirigidas ao projeto de estruturas de aço trouxeram alterações na definição das curvas de flambagem adotadas para barras sob compressão simples, tanto no caso dos perfis laminados a quente e soldados quanto no caso dos perfis formados a frio, respectivamente as normas ABNT NBR 8800 e NBR Adicionalmente, uma nova proposta de norma brasileira dirigida especificamente à construção metálica com perfis tubulares apresenta proposição de curva de flambagem para barras comprimidas que, mais uma vez, difere do padrão originalmente implementado no país pela ABNT NBR 8800 na sua edição de Essa última se refere à versão original da norma brasileira de estruturas de aço de edifícios, a qual trouxe a concepção das curvas múltiplas de flambagem originada do ECCS e posteriormente implantada nos códigos europeus, os Eurocodes. A concepção das curvas múltiplas atende de forma adequada às necessidades de dimensionamento de barras comprimidas, considerando distintos tipos de perfis de aço, com imperfeições variadas. No entanto, o atendimento aos critérios de segurança estrutural decorre essencialmente de critérios de confiabilidade, os quais podem ser alcançados por distintas configurações de curvas de flambagem ou curvas de resistência não sendo possível identificar uma solução única para o problema. Sendo assim, podemos identificar inúmeras soluções para atender os critérios de segurança de barras comprimidas de aço, desde que validadas por calibração adequada preferencialmente por comparação com conjuntos de resultados experimentais e numéricos. O presente artigo apresenta e discute as soluções de dimensionamento de barras comprimidas de aço recentemente adotadas nas normas brasileiras, esclarecendo sobre suas origens e o atendimento dos critérios de segurança previamente estabelecidos pela norma brasileira de ações e segurança ABNT NBR 8681, além dos critérios de confiabilidade previstos nas prescrições de dimensionamento com auxílio de resultados experimentais. Desse 1

2 modo, pretendem os autores trazer uma contribuição na discussão sobre as novidades recentemente implantadas e em via de proposição para a definição da resistência de barras de aço comprimidas formadas por perfis de aço laminados a quente, soldados, formados a frio e tubulares. 1. Introdução Os métodos de dimensionamento de barras de aço sob compressão axial apresentados nas normas e especificações para projetos de estruturas são tributários de uma longa história de desenvolvimento do conhecimento de teoria da estabilidade, podendo-se adotar como ponto de partida a definição da força crítica de flambagem apresentada por Euler, válida para regime elástico e pequenas deformações. A fórmula de Euler PI dois EI sobre L ao quadrado, conforme acabam por memorizar os alunos de resistência dos materiais de aparência muito simples, se dirige a um fenômeno complexo que ganhou importância crescente conforme os engenheiros foram se tornando capazes de utilizar barras de aço mais e mais esbeltas. Com o desenvolvimento do uso do aço na construção, logo se constatou que a curva de Euler se revelava insuficiente para representar de forma adequada a resistência de barras sob compressão centrada, desde que se constatou por meio de experimentos que o desempenho dessas barras depende não apenas da estabilidade elástica, mas igualmente da ductilidade do material regime plástico e, ainda, das imperfeições intrínsecas constatadas nas barras formadas por perfis industriais. A consideração da plasticidade na resistência das barras comprimidas de aço e os efeitos das imperfeições levaram ao estabelecimento das chamadas curvas de flambagem associadas à resistência e, portanto, aos estados-limites últimos de flambagem dessas barras. As curvas de flambagem são conhecidas dos engenheiros calculistas e especialistas em estruturas, não só de aço, sendo sugeridas como método de dimensionamento de pilares e barras sob compressão centrada em geral. As seções de perfis de aço a que nos referimos no presente artigo, laminados a quente, soldados, formados a frio e os perfis tubulares, estão ilustradas na Figura 1. Laminado W, HP Soldado, PS Formado a frio, PFF Tubo TC: circular TQ: quadrado Figura 1: Seções de perfis estruturais de aço referidos no presente trabalho. 2

3 O histórico das curvas propostas para projetos de estruturas de aço pode ser dividida em duas vertentes, ambas de interesse no caso do brasileiro: (i) com origem na América do Norte e (ii) com origem na Europa. Vamos seguir esses dois percursos, de modo a chegarmos ao caso presente das especificações atuais das normas brasileiras. No primeiro caso, vamos citar as metodologias propostas nos Estados Unidos para perfis de seção aberta por conta da importante influência que as normas do AISC American Institute of Steel Construction - tem exercido no nosso país por meio das especificações para a construção de edifícios em aço (ANSI/AISC, 2005). No caso dos perfis tubulares vamos nos referir em particular às prescrições canadenses. No caso europeu, dado o excepcional esforço de unificação desenvolvido naquele continente nas últimas décadas, é natural que o foco sejam as recomendações originais do ECCS European Convention for Constructional Steelwork as quais se desdobraram nas prescrições das normas européias EN , mais conhecido como Eurocode 3. Podemos constatar que nas últimas décadas as novas normas brasileiras dirigidas ao projeto de estruturas de aço e mistas foram desenvolvidas sob forte influência dessas duas escolas, americana e européia. É ainda interessante citar a título informativo em especial aos mais jovens que não muito distante, nos anos 1960 por exemplo, a norma brasileira disponível no sistema ABNT, a NB 14 (ABNT, 1968), era fundada na escola das normas DIN alemãs, assim como não deve escapar a informação de que, por muitos anos, prevaleceu no ambiente nacional da engenharia de projetos o uso do manual da AISC, o qual dispunha, além de tabelas e informações práticas e úteis ao dia a dia do engenheiro, das especificações do AISC até a nona edição com base no método das tensões admissíveis allowable stress design, AWS (AISC, 1989) e, a seguir, nas edições seguintes, já com a apresentação em estados-limites load and resistance factor design, LRFD (AISC, 1995). A seguir faremos uma descrição das distintas formulações de curvas de flambagem para barras de aço e, a seguir, comentaremos sobre as prescrições recentemente incluídas nas novas versões de norma brasileiras. Desde já, devemos destacar que a discussão dos critérios de verificação da segurança estrutural de barras comprimidas versa não apenas sobre as curvas em si, mas, igualmente, sobre a confiabilidade, economia e praticidade resultantes. 2. Curvas flambagem: escola americana A chamada curva única americana para flambagem de colunas tem origem no CRC, Column Research Council, entidade que posteriormente se transformou no SSRC, Structural 3

4 Stability Research Council 1. A curva única das especificações do ANSI/AISC :2005 e do AISI S100, a primeira voltada para perfis laminados e soldados e a segunda para perfis formados a frio, corresponde à concepção original do CRC, tendo sido alterada para se tornar a curva de flambagem conhecida pelas Equações 1. A Equação 1a indica a expressão para cálculo da força axial resistente de cálculo, onde Q representa o coeficiente de redução devido à flambagem local e Af y á a resistência plástica da seção. O fator de redução da resistência à compressão χ, devido ao efeito da flambagem, é função da esbelteza relativa da barra comprimida λ 0, onde N e é a força crítica de flambagem da barra, e é aplicável a toda a gama de perfis laminados e soldados sob compressão centrada, no caso do AISC, com prescrições especiais dirigidas aos casos de seções com elementos esbeltos, mesas ou alma devido à flambagem local (para os quais Q<1,0). N crd = χ QAf y / γ γ =1,1 (1a) 2 = 0,658 λ 0 χ para λ 0 1, 5 (1b) 0,877 χ = para λ 2 0 > 1, 5 (1c) λ 0 ( QAf N ) 0, 5 λ = (1d) 0 y e Nos anos 1960 foi produzida uma grande quantidade de resultados experimentais de resistência de colunas de aço. Grande parte desse esforço de pesquisa foi conduzida no laboratório da Universidade de Lehigh, onde havia à época uma prensa com grande capacidade de carga que permitiu a execução de ensaios de colunas de dimensões realistas. Esses resultados permitiram a definição de uma solução de curvas múltiplas de flambagem, descrita pelas três curva do SSRC, 1, 2 e 3 (Bjorhovde, 1972). Essa solução se apoiava em um conjunto de resultados numéricos produzidos por metodologia previamente calibrada contra os resultados experimentais e que, em princípio, cobria um largo espectro de tipos de seções, tipos de aço, tensões residuais, tomando a imperfeição geométrica global de tipo senoidal com amplitude máxima igual a L/1000. Posteriormente foram propostas as curvas modificadas do SSRC, 1P, 2P e 3P, as quais incorporam imperfeição geométrica inicial senoidal com excentricidade máxima igual a L/1470. A Figura 2 apresenta as curvas de flambagem originais do SSRC. Destacamos que a curva única de flambagem atual do AISC, igualmente incluída na Figura 1 e expressa pelas Equações 1b a 1d, corresponde exatamente à curva SSRC 2P

5 1,20 χ 1,00 1 0,80 0,60 2 0,40 3 0,20 λ 0 0,00 0,00 0,30 0,70 1,10 1,50 1,90 2,30 AISC, NBR8800 SSRC 1 SSRC 2 SSRC 3 Euler Figura 2: Curvas múltiplas de flambagem do SSRC e única do AISC (Eqs. 1b a 1d). As últimas versões das normas americanas têm mantido a curva única cuja origem, como se viu anteriormente, é a curva 2P do SSRC. Uma descrição completa desses procedimentos adotados nas normas americanas pode ser encontrada no Guide to Stability Design Criteria editado pelo SSRC (Ziemian, 2010). As justificativas para a não adoção do conceito das curvas múltiplas nas regras do AISC (conforme citado no Guide do SSRC) residem: (i) na manutenção da simplicidade dos critérios de projeto e (ii) na possível inadequação das curvas múltiplas para certos casos específicos, sendo por isso necessário estudos adicionais para completar os vazios julgados não preenchidos pela base de resultados disponíveis (Ziemian, 2010; Bjorhovde, 2010). 3. Curvas flambagem: escola européia As chamadas curvas múltiplas de flambagem adotadas no Eurocode EC3 (EN , 2007) tem origem nos estudos conduzidos pelo ECCS, em especial os trabalhos experimentais de Stinfesco (1970) e Jacquet (1970) e nos estudos teóricos de Beer e Schultz (1970), os quais resultaram nas curvas européias de flambagem. Finalmente, essas curvas foram traduzidas pelas equações propostas por Rondal e Maquoi (1979) indicadas nas Equações 2 (valores do coeficiente de imperfeição α são fornecidos para cada curva de flambagem (EN , 2007)) e cujo resultado está representado na Figura 3. Às curvas múltiplas do ECCS a, b, c e d foi posteriormente adicionada a curva superior a 0, a 5

6 qual se dirige aos casos de aços de resistência ao escoamento f y superior a 460 MPa, restrita ainda aos casos de perfis laminados de seção I (h/b>1,2) com espessura de mesas inferior a 40 mm e aos tubos de seção circular, quadrada ou retangular acabados a quente. Esse espectro de curvas de flambagem para o projeto de barras sob compressão centrada pretende atender os múltiplos tipos de seções e aços estruturais correntemente adotados na construção metálica. Finalmente, é interessante notar que o emprego de aços de maior valor da tensão de escoamento tende a atenuar a influência das tensões residuais na resistência da barra comprimida e, por isso mesmo, libera o uso de curvas de flambagem superiores (caso da curva a 0 ) ,5 χ = 1/( φ + ( φ λ ) ) 1,0 (2a) 2 ( + α( λ 0,2 ) φ = 0,5 1 + λ (2b) 0 ) 0 χ 1,20 1,00 a 0 0,80 0,60 0,40 d 0,20 λ 0 0,00 0,00 0,30 0,70 1,10 1,50 1,90 2,30 EC3 a0 EC3 a EC3 b EC3 c EC3 d AISC, NBR8800 Euler Figura 3: Curvas múltiplas de flambagem do ECCS adotadas no Eurocode EC3 (Equação 2) e curva única do AISC (Eqs. 1b a 1d). 4. Experiência brasileira 4.1. A norma ABNT NBR8800 de 1986 A norma brasileira ABNT NBR 8800 editada em 1986 (ABNT, 1986) sucedeu a norma ABNT NB 14 de 1968 (ABNT, 1968), alterando de forma substancial as prescrições 6

7 nacionais para o projeto de estruturas de edifícios em aço. A ABNT NBR 8800:1986 contribuiu de forma decisiva para a modernização da metodologia de projeto de estruturas de aço no país e foi desenvolvida a partir das especificações americanas do AISC-LRFD, com base no conceito dos estados-limites. A principal diferença introduzida na norma nacional em relação às prescrições do AISC foi, justamente, no item 5.3 dedicado às barras comprimidas, onde foi incluída a concepção européia das curvas múltiplas, adotando-se as quatro curvas do ECCS a, b, c e d descritas anteriormente pelas Equações 2. A ABNT NBR 8800 não incluía, portanto, a curva superior a 0, sendo indicada a curva a para as barras formadas por tubos, sem distinção para o processo de fabricação a quente ou a frio, com ou sem costura. Desse modo podemos constatar que a ABNT NBR8800:1986 foi de fato precursora na aplicação do conceito das curvas múltiplas de flambagem, desde que à época não haviam ainda as normas européias como são hoje, mas apenas recomendações do ECCS. Apesar da publicação da nova e moderna norma brasileira de 1986, o que se verificou nos anos subseqüentes foi que o ambiente de projetos em aço no país, em grande parte, manteve-se fiel aos manuais e especificações do AISC, com ênfase nos critérios de tensões admissíveis ASD (já à época em franca contradição com a filosofia de segurança em estadoslimites adotada no país). Isso ocorreu por tradição, por falta de formação continuada dos profissionais, por falta de iniciativa de associações ligadas ao setor produtivo ou por todos esses motivos combinados. Essa situação só começou a se alterar com o interesse do setor produtivo - siderúrgicas e produtores de estruturas de aço - em colaboração com os profissionais de ensino e pesquisa nas Universidades, na produção de normatização técnica, na informação e na formação dos profissionais implicados na cadeia produtiva das estruturas de aço. Enfim, a importante modernização trazida pela norma ABNT NBR 8800:1986 não foi plenamente usufruída pelo mercado, mas, a nosso ver, implantou a semente que posteriormente resultou na versão atual da ABNT NBR 8800: A norma ABNT NBR8800 de 2008 A revisão da ABNT NBR8800 envolveu mais uma vez um número considerável de profissionais e resultou na edição de 2008 (ABNT, 2008), atualizada especialmente com base na versão da ANSI/AISC de 2005 e do Eurocode 4 no caso de estruturas mistas (EN , 2007). No caso particular das curvas de flambagem, assunto do presente trabalho, resultou na aplicação da curva única do AISC. A Figura 2 apresentou as curvas européias e a curva única do AISC (formalmente a curva SSRC 2P). A simples observação dessas curvas não permite conclusões definitivas sobre a comparação entre soluções aparentemente tão 7

8 distintas. A confrontação entre essas duas opções de curvas de flambagem para barras comprimidas deve ser obtida da análise de confiabilidade frente a resultados experimentais e/ou teóricos calibrados. Nesse caso, importam não apenas os resultados singulares de resistência como também as variabilidades das ações, das imperfeições geométricas e tensões residuais, das propriedades dos materiais, além das condições de extremidade e das combinações das ações adotadas em cada situação. A calibração da solução adotada para os perfis formados a frio sob compressão centrada da norma brasileira ABNT NBR (ABNT NBR 14762, 2010), que será comentada mais adiante, indica, por exemplo, que a solução da curva única se adapta de forma adequada para a gama de seções de PFF correntemente adotadas no Brasil, resultando na alteração da solução com base nas curvas múltiplas européias incluída na edição anterior daquela norma (ABNT NBR 14762, 2001). Apresentamos na Figura 4 a comparação entre as curvas de flambagem afetadas pelos coeficientes de ponderação da resistência adotados respectivamente na norma ABNT NBR 8800:2008 e no Eurocode EC3 - os critérios de combinação de ações e de resistência estão inscritos na norma européia EN 1990 Basis of structural design. Nesse caso, a ABNT NBR 8800 adota o coeficiente de ponderação da resistência γ= γ a1 =1,1 (ver Equação 1a) para colunas enquanto a norma européia utiliza γ=1,0. Na Figura 4 percebemos que a curva de flambagem adotada na ABNT NBR 8800 resulta conservativa em relação às curvas múltiplas européias, exceto para as curvas c e d, conforme os trechos de esbelteza relativa λ 0 da barra. Destacamos que os fatores de majoração das ações na ABNT NBR8800 e no Eurocode implicam, respectivamente, em 1,25G+1,5Q e 1,35G+1,5Q, para os casos básicos de combinações normais de ação permanente G com ação variável Q. Isso indica que os padrões de combinações de ações não devem influir de forma substancial na comparação entre os resultados da confiabilidade dessas duas opções de curvas de flambagem. Portanto, podemos tomar a comparação entre as curvas na Figura 4 como válida para ilustrar o problema. O procedimento americano do AISC adotado na ABNT NBR 8800:2008 destacou a evidência de incompatibilidade para o caso dos perfis tubulares, em especial os tubos formados a quente e os formados a frio levados a tratamento de alívio de tensões residuais. Nesses casos, o procedimento europeu com auxílio da curva a 0 resulta sempre muito superior (mais econômico) se comparado com a aplicação da curva única americana. Essa constatação, além do caráter muito particular das aplicações de tubos como barra de estruturas de aço, em especial no caso das ligações, levou à necessidade de se desenvolver uma norma específica 8

9 dirigida à aplicação dos tubos estruturais, assunto que será apresentado e comentado mais adiante. χ 1,20 1,00 a 0 0,80 0,60 0,40 0,20 d 0,00 0,00 0,30 0,70 1,10 1,50 1,90 2,30 λ 0 AISC, NBR8800 /1,1 ECCS a ECCS b ECCS c ECCS d Euler Figura 4: Curvas de flambagem de projeto segundo o Eurocode (γ=1,0) e segundo a ABNT NBR8800:2008 (γ=1,1) A experiência brasileira com os perfis formados a frio: ABNT NBR14762 No caso dos perfis formados a frio PFF em 2001 foi editada a norma ABNT NBR14762:2001 (ABNT NBR14762, 2001), formulada com base na norma americana do AISI. Seguindo o formato da ABNT NBR8800:1986, válida à época, o item referente à resistência das barras comprimidas se baseou na concepção européia das curvas múltiplas, com base nas especificações do Eurocode 3 (EN , 2007). A partir da edição da nova ABNT NBR8800, em 2008, reuniu-se mais uma vez o grupo técnico para atualizar a ABNT NBR O trabalho referente ao capítulo das barras comprimidas foi desenvolvido com apoio de extensa re-calibração dos métodos disponíveis, tanto nas especificações do AISI quanto no Eurocode, resultando no método brasileiro das seções efetivas MSE (Batista, 2010), o qual incorpora procedimento para a consideração do efeito da flambagem local na resistência das barras. Especificamente para a curva de 9

10 flambagem a ser adotada, os resultados dos estudos da confiabilidade e do coeficiente de ponderação da resistência γ a ser considerado adotando-se as curvas européias b e c adotadas para a larga maioria dos tipos de seções de PFF na compressão ou a curva única do AISC resultaram fundamentalmente os mesmos. Esses resultados levaram à decisão, confortável no caso dos PFF, de se adequar a nova edição da norma à curva única, buscando assim compatibilizar as prescrições das normas dirigidas a estruturas de aço vigentes no país. A Figura 5 (Batista, 2010) apresenta a comparação entre os resultados experimentais e teóricos (esse procedimento foi desenvolvido de forma intensiva no caso dos PFF) de um conjunto de 127 ensaios experimentais de colunas de PFF com seção U enrijecido, Z enrijecido e Z não enrijecido, com base na curva única do AISC apresentada na Equação 1 e adotada na ABNT NBR14762:2010, sendo possível constatar a comparação adequada entre valores experimentais N exp e valores teóricos N th da resistência (valor médio M=1,03, variação V p =12% e coeficiente de ponderação da resistência γ=1,19 obtido de cálculo de confiabilidade). 1 N exp /N y 0,8 0,6 0,4 0,2 127 tests M=1.03 V p =0.12 γ=1.19 Batista#1 Batista#2 Batista#4 Thomasson Mulligan Loughlan Z Polyzois Nth=Nexp Mean Mean / Resist factor N th /Ny 0 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Figura 5: Resultado da comparação entre resultados experimentais e teóricos da resistência de colunas formadas por PFF (seção U enrijecido, Z enrijecido e Z não enrijecido), com a aplicação da curva única do AISC combinada com o método brasileiro da seção efetiva MSE adotados na ABNT NBR14762:2010 (Batista, 2010). 10

11 4.4. Tubos de aço para uso em estruturas civis: novo projeto de norma ABNT O uso de tubos de aço na fabricação de estruturas treliçadas e edificações industriais e de andares múltiplos, conforme ilustrado nas Figuras 6 a 9, exige procedimentos de projeto típicos, com destaque para a solução das ligações padronizadas, soldadas ou parafusadas, sendo esse um item de destaque na nova norma brasileira ora em desenvolvimento, voltada para a aplicação de tubos estruturais de aço com seção circular, quadrada ou retangular (Freitas et al., 2010). No entanto, o interesse do presente trabalho se restringe aos métodos de dimensionamento de barras comprimidas para as quais os tubos apresentam um caso particular e diferenciado dos perfis de seção aberta. Os tubos constituem uma família de seções com tipologia e comportamento distinto das barras de seção aberta constituídas por perfis laminados, soldados e formados a frio (ver Figura 1). No caso particular da resistência à compressão centrada os modos de flambagem são mais simples do que nos casos de seções abertas, pois se trata apenas do modo de flexão de Euler, excluídos, portanto, modos torcionais e de flexo-torção. Quanto às curvas de flambagem, é largamente reconhecido que no caso das seções tubulares é adequado o emprego de curvas superiores devido (i) aos efeitos reduzidos das imperfeições geométricas de fabricação se comparados com os perfis abertos laminados ou soldados e (ii) ao efeito reduzido das tensões residuais para os casos de tubos fabricados a quente ou a frio, esses últimos com alívio de tensões, em comparação, mais uma vez, com as demais seções abertas laminadas ou soladas. O critério de dimensionamento de barras tubulares comprimidas incluído no projeto de norma brasileira TB-NBT:2010 é apresentado a seguir (destacar mais uma vez que se trata apenas de tubos formados a quente ou formados a frio com alívio de tensões residuais). Esses requisitos se aplicam indistintamente a tubos com e sem costura. Para casos de tubos de aço que não atendem a esses padrões de fabricação (p.ex. formados a frio sem tratamento para alívio de tensões residuais de fabricação) o dimensionamento deve ser feito com base nas prescrições da atual ABNT NBR8800:

12 Figura 6: Estrutura formada por tubos (aeroporto Santos Dumont, Rio de Janeiro) (V&M, 2010). Figura 7: Passarela de pedestres em estrutura treliçada formada por tubos TC (Belo Horizonte) (V&M, 2010). 12

13 Figura 8: Estrutura de ponte em perfis tubulares de aço (Berlim) (V&M, 2010). Figura 9: Estrutura de edifício com pilares em tubo circular de aço (Escola de Farmácia da UFOP, Ouro Preto). A força de compressão resistente para os tubos deve, portanto, ser calculada com auxílio da Equação 1a, conforme indicado na ABNT NBR8800, adotando-se, no entanto, o coeficiente de redução da resistência devido à flambagem da barra χ originado da norma canadense CAN/CSA S16.1:2003, conforme a Equação 3. Na Figura 10 está apresentada a curva de flambagem adotada para os tubos, tendo sido igualmente incluídas as curvas 13

14 européias a e a0 e a curva única adotada na ABNT NBR8800:2008. Já a Figura 11 apresenta essas mesmas curvas de flambagem afetadas pelo coeficiente de ponderação da resistência γ: (i) unitário para as curvas européias, de modo a reproduzir o procedimento proposto pelo Eurocode 3 e (ii) igual a 1,1 no caso da norma brasileira ABNT NBR8800:2008 e projeto de norma brasileira para tubos. Desses resultados observamos que, embora a curva de flambagem canadense se posicione como um limite superior quando consideramos apenas valores nominais (γ=1), para valores de projeto (γ=1,1) o critério proposto no projeto de norma brasileira ora em consideração resulta praticamente coincidente com a curva européia a, exceto para as colunas mais curtas, com λ 0 <0,7, para as quais o valor do coeficiente de redução da resistência χ tende rapidamente para o patamar de resistência plástica χ=0,91. As razões da inclusão da curva de flambagem canadense no projeto de norma brasileira têm origem: (i) nas publicações do CIDECT 2 - Comitê International pour Le Developement er l` Etude de La Construction Tubulaire (ou Construction with Hollow Sections); (ii) na própria norma canadense CAN/CSA S16.1:2003 e (iii) no design guide do CIDECT (Packer et al., 2009). Os documentos do CIDECT apresentam recomendações para o uso estrutural dos tubos de aço, com base em estudos e resultado de pesquisas conduzidas por especialistas e laboratórios de vários países e é uma referência fundamental no caso de tubos estruturais, enquanto o livro de Packer e Henderson é um excelente guia prático para projetistas de estruturas treliçadas em tubos de aço. Adicionalmente, as regras acolhidas no texto do projeto de norma brasileira (que resultam em fórmulas, equações e critérios de aplicação) tem origem preferencial em especificações e normas já oficialmente estabelecidas, como é o caso dos documentos referenciados das normas européias, americanas, canadense e brasileiras. 1 χ = (3) (1 + λ 4,48 1/ 2,24 0 )

15 1,20 χ CAN/CSA a 0 1,00 0,80 AISC NBR8800 0,60 0,40 0,20 0,00 0,00 0,30 0,70 1,10 1,50 1,90 2,30 λ 0 AISC, NBR8800 ECCS a0 ECCS a Tubos CAN/CSA Euler Figura 10: Curvas de flambagem (valores nominais) dirigidas ao dimensionamento de colunas tubulares de aço. 1,20 χ CAN/CSA/1,1 1,00 a 0 0,80 0,60 NBR8800/1,1 0,40 0,20 λ 0 0,00 0,00 0,15 0,30 0,50 0,70 0,90 1,10 1,30 1,50 1,70 1,90 2,10 2,30 2,50 AISC, NBR8800/1,1 ECCS a0 ECCS a CAN/CSA /1,1 Euler Figura 11: Curvas de flambagem dirigidas ao dimensionamento de colunas tubulares de aço: valores de projeto afetados pelo coeficiente de ponderação da resistência γ=1,0 (Eurocode) e γ=1,1 (normas brasileiras). 15

16 Merecem destaque e comentário os critérios de análise recomendados no projeto de norma brasileira quando se trata de estruturas do tipo treliçada formada por barras tubulares para maiores detalhes desse item, referir a artigo igualmente apresentado no presente Construmetal (Fakury et al., 2010). Nesse caso, conforme exemplo na Figura 12, a análise pode ser conduzida com auxílio de modelo clássico de treliça todos os nós rotulados ou, ainda, de forma mais realista com os banzos contínuos e as diagonais e montantes birotulados. Ambas as opções devem conduzir a resultados adequados dos esforços internos, com larga preponderância de esforços normais. Casos de excentricidades nos nós conduzem a momentos nas ligações que não devem influir na distribuição dos esforços normais nas barras e levam aos procedimentos recomendados para a verificação da resistência das ligações (EN , 2007) (Packer et al., 2009) (TB-NBT, 2010). Sendo assim, conclui-se que para barras comprimidas de sistemas do tipo treliçado, mesmo considerando a presença de ligações rígidas entre as barras (caso de ligações soldadas a toda a volta, p. ex.) podemos adotar a solução simplificada do modelo de treliça, desde que seja respeitado o critério de esbelteza das barras proposto pelo CIDECT (Packer et al., 2009) e incluído no Eurocode 3 (EN , 2007), com L/h 6 (L comprimento da barra e h altura da seção transversal do tubo). Esse critério procura garantir que as barras da treliça são suficientemente esbeltas, tornando desprezíveis os efeitos de momentos fletores no dimensionamento. Portanto, fica assegurado nesse caso que o coeficiente de flambagem dessas barras deve ser tomado igual a 1,0 na verificação de sua resistência à compressão. Banzos em segmentos bi-rotulados Rótulas Banzos contínuos Figura 12: Modelos de análise de treliça recomendados no projeto de norma brasileira para tubos estruturais (TB-NBT, 2010). Para o caso de estruturas aporticadas formadas por associações de vigas e pilares, os procedimentos de análise estrutural devem seguir as prescrições e recomendações da ABNT NBR8800 e, nesse caso, a verificação de estado-limite último de barras sob compressão 16

17 centrada segue o procedimento proposto no projeto de norma para tubos, Equação 3, ao mesmo tempo em que se adéqua às regras gerais da ABNT NBR8800: Comentários finais O uso de tubos estruturais de aço merece considerações de projeto específicas, devido a peculiaridades desses elementos se comparados às seções abertas formadas por perfis laminados, soldados e formados a frio. Do ponto de vista da resistência à compressão axial dos tubos de aço, assunto do presente trabalho, é certo que esse aspecto poderia ser coberto na norma geral de projeto de estruturas de aço, a ABNT NBR8800, pela simples inclusão do critério apresentado acima pela Equação 3. O mesmo não se aplica ao caso das ligações de barras tubulares, desde que se trata de assunto extenso e particularizado para cada tipo de ligação, obrigando a inclusão de inúmeras tabelas e figuras que fatalmente aumentariam em muito a dimensão da norma ABNT NBR8800. A solução de desenvolver documento normativo próprio para o projeto de estruturas formadas por barras de tubos de aço atende as necessidades do mercado da construção civil, assim como evita a extensão talvez exagerada do texto da ABNT NBR8800. No caso específico das barras formadas por tubos TC, TR e TQ sob compressão axial, a proposta de norma brasileira dirigida aos tubos TB-NBT:2010 sugere adotar a solução preconizada na norma canadense, representada pela curva de flambagem dada pela Equação 3 combinada com a Equação 1a e coeficiente de ponderação da resistência γ=1,1. A comparação apresentada na Figura 11 com a atual prescrição da ABNT NBR880, conjuntamente com a solução do Eurocode 3 (curva européia a 0 e coeficiente de ponderação da resistência γ=1,0), indicam que a solução proposta resulta (i) inferior ao critério europeu, (ii) convergente com a prescrição canadense e (iii) superior ao critério da ABNT NBR8800 atualmente disponível no Brasil. Referências ABNT NB14: Cálculo e execução de estruturas de aço. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, Brasil. ABNT NBR14762: Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, Brasil. ABNT NBR14762: Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, Brasil. ABNT NBR8800: Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, Brasil. ABNT NBR8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Rio de Janeiro, Brasil. 17

18 AISC (1989). Manual of steel construction, Allowable stress design. 9 th Edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, USA. AISC (1995). Manual of steel construction, Load and resistance factor design. 2 nd Edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, USA. AISI S100: North American specification for the design of cold-formed steel structural members. American Iron and Steel Institute, USA. ANSI/AISC : Specification for structural steel buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, USA. Batista, E. de M (2010). Effective section method: A general direct method for the design of steel cold-formed members under local-global buckling interaction. Thin-Walled Structures vol. 45 (4-5), p Beer, H. e Schulz, G. (1970). Theoretical basis for European column curves. Construction Métallique, vol. 7. no. 3, p (em Frances). Bjorhovde, R. (1972). Deterministic and probabilistic approaches to the strength of steel columns. Ph.D. Dissertation, Lehigh University, Bethlehem, USA. Bjorhovde, R. (2010). Columns: from individual members to framework components, In: Proceedings of SSRC Annual Stability Conference, Orlando, USA, p CAN/CSA S16.1:2003. Steel structures for buildings limit states design. Canadian Institute of Steel Construction, Rexdale, Ontario, Canada. EN Basis of structural design. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium. EN : Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1.1: General rules and rules for buildings. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium. EN : Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1.3: General rules. Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium. EN : Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures. Part 1.1: General rules and rules for buildings. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium. Fakury, R. Freitas, A. M. S., Requena, J. A. V., Pimenta, R. J., Batista, E. de M. e Araújo, A. H. M. A futura norma brasileira de projeto de estruturas de aço e estruturas mistas de aço e concreto com perfis tubulares. Construmetal 2010, São Paulo. Freitas, A.S.; Requena, J.A.V.; Fakury, R.H.; Batista, E.M.; Pimenta, R.J.; Araújo, A.H.M.(2010). Ligações metálicas com perfis tubulares comportamento e prescrições de projeto. Construmetal 2010, São Paulo. Jacquet, J. (1970). Column buckling tests and their statistical evaluation. Construction Métallique, vol. 7. no. 3 (em Frances). Packer, J.A, Wardenier, J., Zhao,X.-L, van der Vegte, G.J. and Kurobane, Y. (2009). Design guide for rectangular hollow section (RHS) joints under predominantly static load, Second Edition, CIDECT. Rondal, J. e Maquoi, R. (1979). Airton-Perry formulation for metallic members buckling. Construction Métallique, no. 4, p (em Frances). Stinfesco, D. (1970). Experimental basis for European column curves. Construction Métallique, vol. 7. no. 3, p (em Frances). 18

19 TB-NBT:2010. Texto-base da futura norma brasileira de projeto de estruturas de aço e mistas de aço e concreto com perfis tubulares em preparação. V&M do Brasil, Imagination & Inspiration. Vallourec & Mannesmann Tubes. Belo Horizonte, Brasil. Ziemian, R. D. (2010). Guide to Stability Design Criteria for Metal Structures. John Wiley & Sons, USA. 19