Sistemas estruturais em Aço MÓDULO. Edifícios residenciais e comerciais em Aço

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1 Sistemas estruturais em Aço MÓDULO Edifícios residenciais e comerciais em Aço 71

2 Módulo 7 Índice - Módulo Edifícios residenciais e comerciais em aço Elementos estruturais e de vedação que compõem o edifício Plano horizontal Estrutura do piso Critérios para uso de lajes Lajes maciças de concreto armado, moldadas in-loco Lajes pré-fabricadas mistas Lajes steel-deck Painéis pré-fabricados de concreto protendido Painéis de concreto auto clavado (sical, siporex, etc) Painéis mistos de fibrocimento e madeira (wall, etc) Chapas metálicas Estrutura de apoio do piso Critérios para uso do vigamento. Soluções econômicas para estruturas de piso Contraventamento horizontal Plano vertical Critérios para locação dos pilares Contraventamentos verticais - critérios de uso Vedações interfaces Tipos de Vedações. Detalhes de interface entre as alvenarias de vedação e a estrutura metálica. 13. Estrutura de Aço de Edifícios Altos Estrutura dos edifícios altos. 14. Consumo Médio de Aço nas Diversas Aplicações 2

3 Sistemas Estruturais em Aço Parte 1 - Edifícios residenciais e comerciais em Aço 11. Edifícios residenciais e comerciais em aço Vídeo: edifícios comerciais e residenciais Edifícios residenciais e comerciais em aço Somente há poucos anos, o uso da estrutura metálica para esses tipos de edifícios, vem sendo mais intensamente implementado. Muito desconhecimento ronda a execução dos projetos, devido, principalmente, à falta de experiência brasileira nesse campo. O Brasil ainda não tem um domínio satisfatório das interfaces entre a execução de concreto armado e de aço. Muitos são os erros de compatibilidade entre esses materiais, devido, principalmente, à grande diferença de precisão entre a execução de um e outro. É um desafio que precisa ser enfrentado. Nos países mais adiantados o uso do aço nos edifícios não industriais ocorre há décadas, tornando esse material extremamente competitivo, ocorrendo situações em que o uso do concreto torna-se totalmente antieconômico em relação ao aço. É o caso dos edifícios com mais de dez andares onde o uso do aço apresenta-se mais econômico. No Brasil ainda não chega a ser assim, mas, sem dúvida nenhuma, se a opção urbanística for pela grande verticalização, edifícios com mais de 50 andares poderão ser mais econômicos em aço. O usuário brasileiro, e mesmo os profissionais da área, ainda não se acostumaram com a linguagem estética do aço e muitos tendem a transferir para o aço formas e detalhes comuns ao concreto armado, tornando a solução cara. Espera-se que uma discussão mais ampla sobre o assunto com profissionais ligados à área, principalmente o arquiteto, o gerador inicial da estrutura, possa levar a uma aplicação mais adequada e em maior escala das estruturas em aço, mesmo para as edificações de pequeno porte. Um dado bastante sintomático dá conta de que 75 % dos edifícios executados no Brasil são residências unifamiliares. Destes, apenas 1 % é executado em aço. Há, portanto, muito ainda que se fazer neste segmento. Os edifícios baixos e os altos apresentam a mesma solução estrutural quanto aos seus planos horizontais (lajes e vigas). A diferenciação ocorre nos planos verticais, onde soluções especiais devem ser previstas para os edifícios altos, devido às forças horizontais do vento. 3

4 Módulo 7 Para uma análise mais organizada, a estrutura do edifício será dividida em plano horizontal e vertical. O primeiro abrange as lajes, vigas e o contraventamento horizontal, o segundo os pilares e o contraventamento vertical Elementos estruturais e de vedação que compõem o edifício Plano horizontal Sendo a construção metálica um processo de pré-fabricação, a repetição de elementos estruturais é um fator de simplificação e de economia na execução da estrutura. Para isso é necessário que os projetos arquitetônicos prevejam algum tipo de modulação. Isso não implica na necessidade de projetos extremamente fechados. A prova disso é que, apesar dessa necessidade de modulação, há uma infinidade de obras que apresentam soluções muito ricas e criativas. O módulo é a base sobre a qual podemos, sem receios, introduzir jogos de planos horizontais e verticais, elementos curvos e inclinados, mantendo a possibilidade de soluções bastante ricas. Modulação nada tem a ver com pobreza de solução. O módulo fundamental, internacionalmente conhecido é de 10 cm ou 100 mm. A partir desse módulo são criados os multimódulos de 300 e 600mm e os submódulos, que são obtidos pela divisão do módulo por um número inteiro qualquer. O multimódulo maior, de 600 mm é, apropriado para ser usado como base do reticulado do qual se originará o projeto em aço. Matematicamente o número 600 é apropriado para subdivisões, pois contém um número exato de vezes os números primos (600 = 2³ x 3 x 5²), portanto admite muitos divisores. Além disso, peças de 10 x 600 mm = 6 m de comprimento apresentam facilidades de transporte e manuseio Elementos de piso Critérios para uso de lajes Em uma estrutura metálica podem ser usados os seguintes tipos de laje: - lajes maciças de concreto armado, moldadas in-loco - lajes pré-fabricadas mistas - lajes de concreto com forma metálica incorporada conhecido como steeldeck - painéis pré-fabricados de concreto protendido - painéis de concreto auto clavado (sical, siporex, etc) - painéis mistos de fibrocimento e madeira (wall, etc) - chapas metálicas - Lajes maciças de concreto armado, moldadas in-loco As lajes maciças são usadas, com vantagem econômica, quando puderem ser incorporadas às vigas metálicas, formando, com estas, seções mistas de concreto e aço, aproveitando o comportamento mais adequado de cada material, o concreto trabalhando a compressão e o aço a tração. Durante a execução da laje, as vigas metálicas podem eliminar a necessidade de cimbramento da laje enquanto não curada, pois a forma da laje pode ser apoiada diretamente nos perfis metálicos. Essa solução permite que sob a laje possam ocorrer outros tipos de atividades enquanto ela não estiver curada, 4

5 Sistemas Estruturais em Aço aumentando a velocidade de execução da obra. Para que se possa usufruir das vantagens da laje maciça é necessário que ela seja apoiada em um vigamento mais denso, com espaçamentos entre 1,5 e 4 m. Para maiores espaçamentos a solução com laje maciça deixa de ser vantajosa. Lajes pré-fabricadas mistas A laje pré é pouco utilizada em obras de maior porte ou em edifícios verticalizados, pois não apresenta as vantagens de incorporação às vigas metálicas. Frente ao aço, seu uso torna-se muito artesanal. Por outro lado em obras residenciais ela tem um uso bastante corriqueiro, principalmente pela questão econômica. O tipo de laje pré mais interessante para uso em estruturas metálicas é a denominada pré laje. Essa laje é composta de vigotas semelhantes às das lajes pré-moldadas convencionais, havendo apenas a eliminação das lajotas de enchimento entre as vigotas. Isso permite que as vigotas possam ser dispostas lado a lado, resultando que após o enchimento da capa de concreto a laje torne-se maciça, possibilitando, inclusive, armação em duas direções. Esse tipo de laje pode ser incorporado ao perfil de aço para obtenção de vigas mistas. 5

6 Módulo 7 Exemplo: 6

7 Sistemas Estruturais em Aço Lajes steel-deck A laje de concreto, com forma metálica incorporada, mais conhecida por steel-deck, é uma solução cujo uso tem sido bastante difundido. Para sua execução usa-se uma forma metálica trapezoidal, com capacidade de suportar o concreto ainda fresco, em vãos de até 4m, diminuindo a necessidade de cimbramentos. A forma metálica desempenha além da função de forma a função de armação da laje, compondo com o concreto uma laje nervurada. A forma metálica pode vir pintada em diversas cores, não necessitando de acabamento posterior. Sobre a forma é lançado concreto para completar a altura final da laje. Essa laje também pode ser incorporada à viga metálica para a composição de vigas mistas. 7

8 Módulo 7 Forma de instalação: Painéis pré-fabricados de concreto protendido Os painéis de lajes pré-moldados protendidos têm um uso muito freqüente devido à sua rapidez de execução e aos grandes vãos que podem vencer. Essas lajes não permitem sua incorporação às vigas metálicas. Exigem espaço, nem sempre disponível, para estacionamento do equipamento de lançamento. O uso dessa laje permite que aproximadamente 250 m² possam ser executados por dia. 8

9 Sistemas Estruturais em Aço Painéis de concreto auto clavado (sical, siporex, etc) Os painéis de concreto celular autoclavado são muito interessantes, pois são leves e podem vencer vãos de até 4m, sem qualquer cimbramento e sem capa de concreto. Painéis mistos de fibrocimento e madeira (wall, etc) Os painéis de fibrocimento e chapas metálicas exigem um grande número de vigas (espaçamento em torno de 1m), já que não são adequados para vencerem grandes vãos. São usados quando se tem a necessidade de grande agilidade na execução, pois apresentam dimensões reduzidas e são muito leves. Normalmente esses painéis são aplicados em obras de pequeno porte e em locais de acesso limitado. 9

10 Módulo 7 Chapas metálicas As chapas metálicas não são recomendadas para locais onde o ruído seja prejudicial ao ambiente. A laje ideal Concluindo, a escolha do tipo ideal de laje é função do processo construtivo, prazos, custos e até mesmo de necessidades estéticas. 10

11 Sistemas Estruturais em Aço Parte 2 - Edifícios residenciais e comerciais em Aço Estrutura do piso Critérios para uso do vigamento O lançamento do vigamento está ligado à escolha do tipo de laje. Um critério fundamental é que a estrutura resulte em menor altura total de piso, o que significa menor altura do edifício e, portanto, em menor despesa com materiais de acabamento e com a própria estrutura. Basicamente, têm-se três tipos de vigas: as vigas principais, as vigas secundárias e as terciárias. As vigas secundárias apoiam-se nas principais e as terciárias naquelas. As vigas principais transmitem a carga do piso para os pilares. A necessidade de existência ou não de vigas secundárias e terciárias, além de estar ligada ao tipo de laje, está também ligada à disposição dos pilares em planta. 11

12 Módulo 7 Os painéis de laje alveolar protendida, por exemplo, podem prescindir das vigas secundárias, apoiando-se, diretamente, nas vigas principais. A direção das vigas principais é definida pela possibilidade de disposição dos pilares. A direção onde pode haver maior quantidade de pilares, é a direção em que se desenvolve o vigamento principal. Nem sempre essa direção é única e as vigas principais podem não necessariamente estar numa única direção. De maneira geral pode-se dizer que o vigamento será mais econômico quanto mais curto for o caminho de uma carga ao pilar. Em edifícios onde pilares internos são arquitetonicamente indesejáveis, o uso de uma única ordem de vigas é mais econômico. Nesse caso pode-se usar um vigamento transversal apoiado diretamente sobre os pilares de fachada, sem a necessidade de outras vigas. O espaçamento econômico entre estas vigas situa-se entre 1,5 e 3 m. Para esta situação, pode ser econômico o uso de vigas com vãos de até 20m. O uso de pilares mais próximos facilita a execução da caixilharia, que poderá ser fixada diretamente na estrutura, dispensando o uso de outros elementos. Quando a arquitetura permitir a existência de pilares internos ao edifício, e quando, ainda, for necessária grande distância entre pilares, em ambas as direções, pode-se usar duas ordens de vigamentos, ou seja: vigas principais e secundárias. Piso com o vigamento em 1 direção O espaçamento entre as vigas secundárias é definido pelo tipo de laje usado, sendo que são também econômicos espaçamentos entre 1,5 e 3 m. Como as vigas secundárias são sempre menos carregadas que as principais cabe a elas vencerem os vãos maiores dos retângulos formados pelos pilares. Com isso tem-se uma solução mais econômica. São econômicos vãos de 6 a 12 m para as vigas principais e de 7 a 20 m para as vigas secundárias. É interessante que o eixo de algumas vigas secundárias coincidam com os eixos dos pilares, para que o travamento do edifício se torne mais eficiente. Sempre que possível, as vigas secundárias devem ser colocadas no mesmo nível das principais, o que resulta em uma menor espessura da estrutura do piso. Nos edifícios, onde as tubulações de serviço são intensas e grandes, pode-se optar por colocar as vigas secundárias sobre as principais, liberando espaço para a passagem das tubulações. Piso com o vigamento em 2 direções Nos edifícios de grande largura tornam-se econômicos espaçamentos maiores para as vigas secundárias, o que exige, para não aumentar o vão das lajes, uma terceira ordem de vigas, as vigas terciárias. 12

13 Sistemas Estruturais em Aço As vigas podem ser de alma cheia, vierendeel, vierendeel alveolar ou treliçada. As três últimas são utilizadas quando há necessidade da passagem de tubulação no espaço ocupado pela sua altura. Lembrar que a viga de alma cheia tem sempre menor altura que as demais. Como já comentado, a laje maciça de concreto armado pode ser incorporada às vigas metálicas, resultando nas vigas mistas, o que proporciona uma altura do perfil menor do que aquela que se obteria se trabalhassem isoladamente. Para garantir o comportamento conjunto entre laje e perfil da viga mista, evitando deslizamento entre as duas superfícies, devido à força cortante, deve ser prevista uma ligação adequada entre eles. Essa ligação é feita através de cantoneiras ou conectores soldados na mesa superior do perfil. Piso com vigamento em 2 direções e vigas intermediárias transversais Sendo os elementos de concreto armado de menor custo que os de aço, podese dizer que de maneira geral em um piso, deve-se projetar lajes com vãos maiores e vigas mais espaçadas, para diminuir o consumo de aço. Soluções econômicas para estruturas de piso Contraventamento horizontal Plano Horizontal Como foi anteriormente comentado, os edifícios com estrutura em aço, independentemente de suas dimensões e devido à sua pouca rigidez, necessitam ser contraventados (travados), tanto no plano horizontal como vertical. As lajes maciças ou pré-moldadas, quando convenientemente ligadas ao vigamento, comportam-se como placas horizontais de grande rigidez que dão conveniente travamento ao edifício em seu plano horizontal. 13

14 Módulo 7 Caso a ligação laje-viga não for adequada será necessário criar um contraventamento metálico entre as vigas. Esses contraventamentos devem ser executados na forma de X para que qualquer que seja o sentido do deslocamento as barras funcionem a tração. Para diminuir o peso da estrutura, os perfis que constituem as barras do contraventamento devem ser barras redondas ou cantoneiras. Plano vertical Critérios para locação dos pilares. De modo geral, os espaçamentos econômicos entre pilares estão entre 6 e 18 m. Outro critério que pode determinar a locação dos pilares é a necessidade do contraventamento vertical da estrutura. Dependendo da altura do edifício e para aumentar sua rigidez, pode ser necessária a execução de pilares com espaçamentos menores. Contraventamento vertical O contraventamento vertical representa, muitas vezes, um elemento de difícil adaptação à arquitetura. Por isso é necessário ser previsto na concepção do projeto arquitetônico, quando se pode, inclusive, usá-lo como elemento estético. Constituem-se elementos possíveis de serem usados como contraventamento vertical: paredes de alvenaria paredes de concreto aporticamento entre pilares e vigas X metálico Para um adequado enrijecimento da estrutura metálica são necessários no mínimo três planos de contraventamentos verticais, não permitindo que sejam concorrentes em um mesmo vértice. 14

15 Sistemas Estruturais em Aço Apesar de possível, o uso das paredes de alvenaria como contraventamento não é recomendado em vista de sua possível eliminação quando de reformas. As paredes de concreto, mais permanentes, são mais usadas, principalmente em edifícios altos. Especial atenção deve ser dada ao processo construtivo, pois a diferença de velocidade de execução dos dois materiais, quando não levado em conta, pode provocar atraso na execução da estrutura metálica. As paredes de concreto podem formar o denominado núcleo rígido. Este núcleo de concreto pode ser constituído das áreas de caixas de elevadores e escadas, que, se construído com formas deslizantes, acompanha melhor a velocidade de estrutura de aço. O aporticamento e o contraventamento em X são outras formas de enrijecer a estrutura. São normalmente as mais usadas. O aporticamento consiste em enrijecer a ligação entre vigas e pilares, diminuindo a deslocabilidade da estrutura. Os pórticos, entretanto, não tornam a estrutura totalmente indeslocável, com isso os pilares passam a apresentar um comprimento real de flambagem maior que à distância entre as vigas dos pavimentos contíguos, o que se traduz na necessidade de pilares de maiores dimensões, aumentando o custo da estrutura. Além disso, os pórticos são estruturas que apresentam momento fletor nos pilares, o que tende a aumentar ainda mais o seu custo. O uso do contraventamento em X é bem mais econômico que o pórtico. Por outro lado, cria barreira formada pelo X, o que muitas vezes impede o seu uso. Enfim, a decisão pelo uso do tipo mais adequado de contraventamento vertical ficará, sempre, na dependência das possibilidades arquitetônicas, econômicas e construtivas. 15

16 Módulo Vedações interfaces Vedações As vedações utilizadas nas construções metálicas devem ter como premissa, leveza e agilidade de execução, propriedades típicas das estruturas metálicas. O uso de alvenarias de tijolos maciços e blocos de concreto ou cerâmico resultam em soluções muito interessantes esteticamente, mas de certa forma não coerente com o peso e velocidade construtiva da estrutura metálica. Caso opte-se por esse tipo de alvenaria, cuidados especiais deverão ser adotados para que as ligações entre os dois materiais minimizem os efeitos do comportamento diferenciado entre eles. Duas são as posturas que podem ser tomadas: ou se opta por uma ligação bastante íntima entre os dois materiais, com o uso de esperas deixadas nas peças metálicas ou se assume sua total separação. Atenção especial deve ser dada às vedações externas, onde as ligações entre alvenaria e aço, mesmo que bem executadas, podem, devido ao efeito das intempéries, apresentar fissuras, que mesmo não visíveis, são pontos de passagem de umidade, que resultam não só em prejuízos estéticos, como também na diminuição da vida útil da estrutura. O uso de rufos e/ou materiais selantes, pode apresentar bons resultados. Para as estruturas metálicas é mais interessante a utilização de painéis leves e de rápida aplicação tais como placas de concreto celular autoclavado, painéis de placas cimentícias estruturados sobre grelha metálica, de madeira com enchimento de isopor, de fibrocimento com enchimento de madeira; os dry wall que são painéis de gesso aplicados sobre nervuras metálicas, painéis de concreto reforçado com fibras de vidro (GFRC) e painéis de concreto convencional. O painel GFRC por ser feito de material bastante plástico e permite efeitos semelhantes aos painéis moldados de fibras de vidro e outros plásticos. São usados principalmente para composição de fachadas. O dry wal é indicado para divisões internas. Detalhes de interface entre as alvenarias de vedação e a estrutura metálica. As alvenarias apresentam respostas bem diferentes às da estrutura metálica às questões de variação de temperatura e umidade do ambiente. Por isso as deformações diferenciais entre os dois materiais podem causar resultados desagradáveis, como trincas e descolamentos, entre outros. Para minimizar esses problemas devem ser previstas algumas medidas como as que são mostradas a seguir: 16

17 Sistemas Estruturais em Aço a) Ligação da base da alvenaria externa com vigas metálicas. b) Ligação do topo das alvenarias com as vigas metálicas. 17

18 Módulo 7 c) Ligação dos pilares com as alvenarias d) Perfis incorporados às alvenarias 18

19 Sistemas Estruturais em Aço Parte 3 - Edifícios residenciais e comerciais em Aço Estruturas de Aço em Edifícios Altos Para o estudo de edifícios altos vamos utilizar a apostila desenvolvida pelo Prof. Aloizio Fontana Margarido, O uso do Aço na Arquitetura, cujo capítulo 10 trata deste assunto. 19

20 Módulo 7 CONSUMO MÉDIO DE AÇO EM DIVERSAS APLICAÇÕES Este item tem como objetivo fornecer informações que possam ser úteis na previsão e avaliação do consumo de material nas estruturas metálicas. É importante salientar que os valores aqui fornecidos podem ser alterados em função de características especiais de cada projeto, mas serve de base para uma avaliação rápida de um empreendimento, baseado em valores médios. Mezaninos Supõem-se sobrecarga entre 300 e 500 Kgf/m² Área Consumo médio de aço qualquer área 35 a 45 kgf/m² Edifícios Supõem-se vãos entre 6,0 e 8,0 m Nº de pavimentos Consumo médio de aço até 3 pavimentos 30 a 45 kgf/m² de 3 a a 45 kgf/m² pavimentos Galpão Supõem-se pé direito de 6 m Vãos (m) Consumo médio de aço 10 a 12 m 10 kgf/m² 12 a 15 m 12 a 14 kgf/m² 15 a 20 m 14 a 18 kgf/m² 20 a 30 m 18 a 22 kgf/m² 30 a 40 m 20 a 25 kgf/m² * Nos galpões em arco prever de 10 % a menos de consumo Treliças espaciais Modulação Consumo médio de aço Módulo de 18 kgf/m² 20 x 20 m Módulo de 20 kgf/m² 25 x 25 m Módulo de 25 kgf/m² 30 x 30 m 20