Sistemas estruturais em Aço MÓDULO. Galpões em estrutura de aço

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1 Sistemas estruturais em Aço MÓDULO Galpões em estrutura de aço 61

2 Módulo 6 Índice - Módulo Elementos estruturais e de vedação que compõem o galpão Estrutura principal Coberturas Coberturas em arcos Coberturas em treliça de duas águas Coberturas com lanternins Coberturas em shed Terças e correntes Telhas Contraventamentos Contraventamento horizontal Contraventamento vertical Estrutura de fechamento - longarinas correntes Pontes rolantes 2

3 Sistemas Estruturais em Aço Parte 1 - Galpões em estruturas de aço 10. Galpões de estruturas de aço. Vídeo Edifícios industriais Elementos estruturais e de vedação que compõem o galpão Galpões É nos galpões industriais que a estrutura metálica em aço apresenta sua aplicação mais freqüente em nosso país. Tal fato deve-se a exigência de grandes vãos livres, onde a estrutura metálica torna-se solução mais econômica se comparada à estrutura de concreto armado. As primeiras estruturas das grandes coberturas foram projetadas em madeira, mas a evolução das indústrias e sua multiplicidade de atividades tornaram o risco de incêndio fator decisivo na opção pela estrutura metálica. Os componentes principais de um galpão industrial são: Estrutura principal Cobertura : terças e telhas Fechamento : longarinas e elementos de vedação Contraventamentos: horizontal e vertical. Estrutura principal A estrutura principal é formada por pórticos com diversas formas. Em função do vão a ser vencido, a estrutura principal pode ser composta por: a) Pórtico Simples. Quando a estrutura principal vence um único vão. Os pórticos simples são relativamente econômicos para vãos até 40 m. Os elementos que compõem o pórtico, vigas e pilares, podem ser de alma cheia, Vierendeel ou treliçados. A opção por uma ou outra solução depende dos vãos e resultados estéticos pretendidos. Normalmente para vãos até 10 m, a viga de alma cheia apresenta-se como solução satisfatoriamente econômica. 3

4 Módulo 6 b) Pórticos múltiplos Usados quando os espaços a serem cobertos são muito grandes, e não é econômico o uso de um único pórtico. São usados para vãos acima de 30m Coberturas em arcos As coberturas em arco são as mais freqüentes por que apresentam grande economia, principalmente para grandes vãos. Vale lembrar que o arco deve trabalhar predominantemente à compressão simples, o que dentro da hierarquia dos esforços encontra-se em segundo lugar. Para a composição do arco podemos usar perfis de alma cheia, treliçados e vierendeeel. Destes, sem dúvida, a solução em treliça é a mais econômica, como já foi discutido anteriormente. Também vale lembrar que para um arco ter um bom desempenho, sua forma deve ser a do antifunicular dos carregamentos predominantes: as cargas gravitacionais (peso próprio, telhas, forros, equipamentos, entre outras). Outra questão importante é a dos empuxos, que como já foi visto, podem ser absorvidos por tirantes ou nos pilares. Neste último caso os pilares sofrem flexão apresentando dimensões maiores. 4

5 Sistemas Estruturais em Aço Outra possibilidade de cobrir vãos em edifícios industriais é o uso de treliças de duas águas, também denominadas de tesouras. Apesar de mais pesadas que os arcos, a tesoura metálica pode apresentar menor altura, resultando em edificações mais baixas. Usando treliças de duas águas em disposições diferentes da tradicional, ou invertendo-a, pode-se criar soluções de cobertura bastante interessantes. Os perfis utilizados nesta treliças são, normalmente, cantoneiras duplas ou U. Neste último caso pode-se evitar o uso de chapas de nó, fixando-se as diagonais e montantes diretamente nos abas do perfil U. 5

6 Módulo 6 Exemplos de Uso: 6

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8 Módulo Coberturas com lanternins Quando os espaços cobertos são muito grandes, a iluminação do ambiente, feita apenas pelas laterais, torna-se insuficiente. Neste caso, iluminações intermediárias devem ser previstas através do uso do lanternim, que é uma estrutura secundária apoiada na principal e que serve para apoio de caixilhos. O lanternim pode ser disposto longitudinalmente e contínuo ou transversalmente e descontínuo. A opção depende das necessidades de ventilação e iluminação. A retirada do ar quente se processa pelo efeito de convecção. Sendo o ar quente mais leve, ele sobe saindo pelo lanternim. O ar frio entra por baixo por aberturas feitas na vedação. Exemplos de uso: 8

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10 Módulo Coberturas em shed O shed é um sistema de cobertura muito usado nas indústrias, pois além de permitir a diminuição dos apoios internos, permite excelente nível de iluminação e ventilação do ambiente interno. O sistema de cobertura em shed apresenta dois níveis de estruturas principais portantes: as vigas primárias ou vigas mestras e as vigas secundárias. As vigas secundárias são as que recebem a estrutura de apoio das telhas, portanto devem apresentar a inclinação exigida pelo tipo de telha utilizado. As vigas secundárias podem ser formadas por vigas de alma cheia, vierendeel ou treliçadas, conforme exigência do vão ou opção estética. A viga mestra é o elemento estrutural que apóia as vigas secundárias e transmite a carga de toda cobertura para os pilares. A viga mestra pode ser formada por vigas de alma cheia, treliçadas de banzos paralelos ou Vierendeel. As vigas treliçadas serão sempre mais leves e econômicas. É na viga mestra que se fixa o caixilho para iluminação e ventilação do ambiente. No nosso hemisfério a face iluminada do shed (viga mestra) deve ficar voltada para o sul de forma a evitar incidência direta dos raios solares no recinto. 10

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12 12 Módulo 6

13 Sistemas Estruturais em Aço Parte 2 - Galpões em estruturas de aço Terças e correntes Cobertura Para apoio das telhas e transmissão das cargas à estrutura principal, são usadas vigas que recebem o nome de terças. Se atendidos os vãos econômicos (4 a 6 m), as terças podem ser constituídas de perfis U laminados ou de chapas dobradas. Para vãos maiores são usados perfis l, vigas treliçadas ou, ainda, vigas armadas (viga vagão). A exigência do caimento para telhas faz com que as terças sejam montadas inclinadas. Com isso as cargas que as solicitam provocam esforços de flexão na direção de menor rigidez do perfil. Para evitar a necessidade de aumento de seção nessa direção, o que seria anti-econômico, o vão a ser vencido pelas terças, nessa direção, é diminuído pela colocação de tirantes que recebem o nome de correntes. As correntes podem ser constituídas por barras redondas de ½ de diâmetro ou por pequenas cantoneiras. 13

14 Módulo 6 Exemplos de uso: 14

15 Sistemas Estruturais em Aço Contraventamentos Vídeo Contraventamento Vídeo Contraventamento portico nó enrijecido 1 Vídeo Modelo de contraventamento Vídeo Contraventamento portico com diagonal Vídeo Posições de contraventamento horizontal Vídeo Posições de contraventamento vertical Vídeo Posições de contraventamento em 3 planos Vídeo Contraventamento em estruturas verticais Vídeo Contraventamento em estruturas verticais c diagonais Vídeo Contraventamento em estruturas verticais c enrijecedor Vídeo Contraventamento em estruturas 2 modelos Contraventamentos Um elemento estrutural importante e que muitas vezes não é considerado no projeto de arquitetura, e que pode provocar surpresas ao arquiteto, é o contraventamento. Sendo o aço um material muito resistente, as peças estruturais resultam muito esbeltas. O que por um lado é uma grande vantagem, por outro pode se apresentar como um inconveniente. Como as estruturas metálicas são muito esbeltas, apresentam grande instabilidade. Mesmo quando não sujeitas a esforços de vento, podem apresentar deformações indesejáveis fora dos planos dos esforços principais. Para travar a estrutura seja pela atuação do vento, seja por efeito de flambagem ou da própria falta de rigidez do conjunto estrutural, são usados os denominados contraventamentos. Os contraventamentos podem ser usados temporariamente, durante a montagem da estrutura, ou definitivamente. Como nunca se sabe em que direção poderá ocorrer o deslocamento do conjunto estrutural, o contraventamento deverá garantir a imobilidade em todas as direções. Para que ele não se torne um elemento pesado, tanto do ponto de vista visual como físico, deve-se, sempre que possível, fazer com que trabalhe a tração axial (o mais favorável dos esforços). Em vista disso a maneira mais simples de concebê-lo é na forma de um X, pois dessa forma, em um ou outro sentido, as barras que compõem esse X estarão submetidas à tração. A estabilização da estrutura deverá ser garantida tanto no plano horizontal como no vertical. No caso da cobertura do galpão a estabilização horizontal, é dada pela criação de contraventamento no plano inclinado da cobertura. 15

16 Módulo 6 Contraventamento horizontal O contraventamento horizontal é composto pelas barras em X, pelo banzo superior das tesouras e pelas terças. Esse conjunto forma uma grande treliça de banzos paralelos que é responsável por levar qualquer força horizontal para os pilares. Longe da região do contraventamento, as forças horizontais, devidas aos deslocamentos fora do plano da estrutura principal, são transmitidas a ele pelas terças. Se a distância entre contraventamentos for muito grande a eficiência de transmissão de forças pelas terças fica muito prejudicada, pois elas ficam muito longas. Para maior eficiência os contraventamentos horizontais deverão ser previstos com afastamentos convenientes. A experiência mostra que, colocados a cada três ou quatro pórticos, os contraventamentos mostram-se eficazes. Em outras palavras: os contraventamentos não devem ser afastados mais que 25 m. 16

17 Sistemas Estruturais em Aço Exemplos de uso: 17

18 Módulo 6 Contraventamento vertical Os contraventamentos horizontais são necessários, mas não suficientes. As forças horizontais que chegam nos pilares devem ser transmitidas às fundações. Para isso são previstos contraventamentos verticais executados no plano vertical e entre pilares. Quando a locação do contraventamento vertical prejudicar a circulação, a forma em X poderá ser substituída por um pórtico treliçado. Esta solução, no entanto, será sempre mais cara que a anterior. O arquiteto deverá estar sempre consciente da necessidade desse contraventamento para que possa, se houver interesse, tirar proveito estético dele. Exemplos de uso: 18

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20 Módulo 6 Parte 3 - Galpões em estruturas de aço Telhas Para cobertura do galpão poderão se previstos diversos tipos de telhas. O uso de telha de barro, em princípio, não é o mais indicado devido ao seu grande peso, no mínimo o dobro de outros tipos de telhas. Apesar disso, soluções de coberturas em estruturas metálicas com telhas de barro resultam em soluções estética e ambientalmente agradáveis. As telhas mais comumente usadas na cobertura de galpões são: telhas metálicas em aço ou alumínio. telhas de PVC. telhas de fibras vegetais As telhas de fibras vegetais têm desenho semelhante às telhas de fibrocimento, hoje pouco usadas por suspeita de provocarem problemas de saúde. São fornecidas em diversas cores. Têm contra si a necessidade de grande número de terças, pois devido à sua pouca rigidez e resistência não vencem vão superior a 50 cm. Atualmente as telhas de aço são as mais usadas, por apresentarem dimensões que agilizam a montagem do telhado. Por serem de aço apresentam a possibilidade de deterioração, o que é solucionado com o uso de telhas galvanizadas, plastificadas ou pré-pintadas. São mais leves que as de fibrocimento e com possibilidade de vencerem vãos bem maiores, o que pode representar uma economia no uso de terças. Apresenta como desvantagem o alto índice de transmissão de ruídos e calor. Esse problema pode ser minimizado com o uso de telhas sanduíche, com material isolante entre elas, o que, por outro lado, aumenta o seu custo. Entretanto, no computo geral, considerando-se custos indiretos de refrigeração ao longo da vida útil da edificação, as telhas isotérmicas tem se mostrado muito competitivas e até mais econômicas. 20

21 Sistemas Estruturais em Aço As telhas de alumínio apresentam como grande vantagem seu baixo peso. Quanto ao aspecto de conforto valem as observações feitas para as telhas de aço. As telhas de alumínio não devem entrar em contato direto com peças de aço, devido ao processo de corrosão eletrolítica que acontece entre os dois materiais. Novos tipos de aço, revestidos de alumínio e zinco, comercializados como galvalume, zincalume, entre outros, são alternativas às telhas de alumínio, sendo mais baratas e mais resistentes. (para saber mais: As telhas de PVC, por serem translúcidas são usadas, exclusivamente, quando há necessidade de aumento de área de iluminação natural. Perfilação da telha no local 21

22 Módulo 6 Montagem do telhado Montagem com telhas isotérmicas 22

23 Sistemas Estruturais em Aço Telha isotérmica 23

24 Módulo 6 Montagem de telha zipada 24

25 Sistemas Estruturais em Aço Maquina de zipar de telhas Vista geral 25

26 Módulo 6 Telha multi-dobra Telha multi-dobra - instalação 26

27 Sistemas Estruturais em Aço Estrutura de fechamento - longarinas correntes Fechamentos laterais Os fechamentos dos galpões industriais podem ser feitos com: alvenaria de tijolos, blocos cerâmicos ou de concreto telhas metálicas painéis sanduíche metálicos painéis pré-moldados de concreto armado. painéis pré-moldados de argamassa armada. As alvenarias, principalmente de blocos, são normalmente utilizadas como complemento das vedações com telhas. Neste caso a alvenaria fecha o edifício até uma altura em torno de 2 m e o restante é fechado com telha. Entre as telhas e a alvenaria é deixado um vão para penetração do ar externo para ventilação do ambiente. Devido ao comportamento diferenciado entre a alvenaria e o aço, alguns cuidados especiais devem ser observados nas regiões de contato entre esses materiais. O uso de uma alvenaria autoportante, totalmente independente da estrutura metálica, quando possível, é a melhor solução. Quando o fechamento lateral for constituído por telhas metálicas há a necessidade de se criar uma estrutura para apoiá-las. Essa estrutura tem a função de suportar as cargas verticais do peso próprio das telhas e as cargas horizontais devidas ao vento. Para essa função são usadas vigas constituídas de perfis U laminados ou de chapa dobrada. As vigas são posicionadas na horizontal visando maior resistência aos efeitos do vento. Na direção vertical os vãos são diminuídos pelo uso de correntes (tirantes) verticais. O uso de painéis de argamassa armada, devido ao seu baixo peso e grande resistência, é uma solução bastante promissora como elemento de vedação das estruturas metálicas. Mais promissores ainda são os painéis sanduíche metálicos, com enchimentos em pur ou pir. Por se constituírem de elementos industrializados, com grande qualidade de acabamento e velocidade de montagem compatível com a estrutura de aço, tem as vantagens de serem isotérmicos. E, com o uso de aços pré-pintados, tem ainda grande durabilidade e não necessitam de pintura adicional. 27

28 Módulo 6 Exemplos de uso 28

29 Sistemas Estruturais em Aço 29

30 Módulo Pontes rolantes Ponte rolante Quando o uso do galpão exigir deslocamento de produtos dentro do seu espaço, deverá ser prevista a existência de talhas ou pontes rolantes. Para isso a estrutura principal do galpão (pórtico) deverá ser projetada para os grandes esforços oriundos desses equipamentos. As frenagens longitudinais e transversais, que correspondem 1/7 a 1/10 da carga da ponte rolante, respectivamente, podem introduzir esforços muito grandes nos pilares, principalmente de flexão. Com isso os pilares dos pórticos passam a apresentar dimensões variáveis, com seção mais robusta até o nível da ponte rolante e menor daí até a cobertura. Ponte rolante 30

31 Sistemas Estruturais em Aço As vigas que apóiam a ponte rolante, e que vencem o vão entre os pilares do pórtico, são chamadas vigas de rolamento. Devido às grandes cargas que suportam e ao vão que vencem, as vigas de rolamento apresentam grande altura e são normalmente executadas em perfil de chapas soldadas. Para se evitar torção, nessas vigas, devido à força de frenagem transversal, deve ser prevista ao nível da mesa superior, uma viga horizontal, de alma cheia ou treliçada, que irá transferir a força horizontal diretamente aos pilares do pórtico. Dependendo do tipo e capacidade das pontes rolantes, são exigidas medidas especiais, necessárias para o bom desempenho do equipamento e que deverão ser rigorosamente seguidas pelo projeto de arquitetura. Em vista disso, recomenda-se que sejam cuidadosamente consultados os catálogos dos fabricantes das pontes para obtenção dessas medidas. Exemplos de uso: 31