Desenho e Projeto de Tubulação Industrial. Módulo IV. Aula 05

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1 Desenho e Projeto de Tubulação Industrial Módulo IV Aula 05

2 Estruturas Metálicas Definição São estruturas formadas por associação de peças metálicas ligadas entre si por solda ou por meio de conectores que geralmente são parafusos. Como: colunas, vigas, chapas, telhas e etc. são capazes de auto suportar-se e suportar cargas externas que atuam sobre elas. Estas peças têm suas seções transversais limitadas em função da capacidade dos laminadores. Por apresentar alto desempenho técnico, fácil aplicação e se adaptar às mais severas condições de serviços, o uso de estruturas metálicas na construção industrial tem crescido cada vez mais. É reconhecida, ainda, pela qualidade em todas as etapas do processo construtivo: projeto, cálculo estrutural, fabricação e montagem. As estruturas metálicas possibilitam construções eficientes, com soluções arrojadas e de alta qualidade. Por ser um material resistente, as estruturas metálicas superam qualquer outro material de construção na relação resistência/peso, resultando em menores cargas nas fundações. São indicadas para os mais variados tipos de construção, armazéns, centros de distribuição, construção industrial, estruturas pré moldadas, galpões etc. especialmente para construções industriais, pois substituem materiais como: tijolos, madeiras, vigas e pilares de concreto. Tipos de estrutura: Existem vários tipos de estrutura metálica como: mezaninos metálicos, vigas, colunas, chapas, telhas, pisos, coberturas metálicas e etc. Vantagens das estruturas metálicas Liberdade na fabricação- A tecnologia do aço confere aos projetistas total liberdade na fabricação, permitindo a elaboração de projetos arrojados e de expressão arquitetônica marcante. - Maior área útil - As seções dos pilares e vigas de aço por serem mais compaquitas do que as de concreto resultam em um melhor aproveitamento dos espaços internos e aumento da área útil. - Flexibilidade - A estrutura metálica em aço mostra-se especialmente indicada nos casos onde há necessidade de adaptações, ampliações, reformas e mudança de ocupação de edifícios. Além disso, torna mais fácil a passagem de utilidades como água, ar condicionado, eletricidade, esgoto, telefonia, informática, etc. - Compatibilidade com outros materiais - O sistema construtivo em aço é perfeitamente compatível com qualquer tipo de material de fechamento, tanto vertical como horizontal, admitindo desde os mais convencionais (tijolos e blocos, lajes moldadas in loco) até componentes pré-fabricados (lajes e painéis de concreto, painéis "dry-wall", etc). - Menor prazo de execução - A fabricação da estrutura metálica em paralelo com a execução das fundações, a possibilidade de se trabalhar em diversas frentes de serviços simultaneamente, a diminuição de formas e escoramentos e o fato da montagem da estrutura metálica não ser afetada pela ocorrência de chuvas, pode levar a uma redução de até 40% no tempo de execução quando comparado com os processos convencionais. - Racionalização de materiais e mão-de-obra - Numa obra, através de processos convencionais, o desperdício de materiais pode chegar a 25% em peso. A estrutura metálica em aço possibilita a adoção de sistemas industrializados, fazendo com que o desperdício seja sensivelmente reduzido. - Alívio de carga nas fundações - Por serem mais leves, as estruturas metálica em aço podem reduzir em até 30% o custo das fundações. 1

3 - Garantia de qualidade - A fabricação de uma estrutura metálica em aço ocorre dentro de uma indústria e conta com mão-de-obra altamente qualificada, o que dá ao cliente a garantia de uma obra com qualidade superior devido ao rígido controle existente durante todo o processo industrial. - Antecipação do ganho - Em função da maior velocidade de execução da obra com a estrutura metálica, haverá um ganho adicional pela ocupação antecipada do imóvel e pela rapidez no retorno do capital investido. - Organização do canteiro de obras - Como a estrutura metálica em aço é totalmente pré-fabricada, há uma melhor organização do canteiro devido entre outros à ausência de grandes depósitos de areia, brita, cimento, madeiras e ferragens, reduzindo também o inevitável desperdício desses materiais. O ambiente limpo com menor geração de entulho, oferece ainda melhores condições de segurança ao trabalhador contribuindo para a redução dos acidentes na obra. - Precisão construtiva - Enquanto nas estruturas de concreto a precisão é medida em centímetros, numa estrutura metálica em aço a unidade empregada é o milímetro. Isso garante uma estrutura perfeitamente aprumada e nivelada, facilitando atividades como o assentamento de esquadrias, instalação de elevadores, bem como redução no custo dos materiais de revestimento. - Reciclabilidade - O aço é 100% reciclável e as estruturas metálicas podem ser desmontadas e reaproveitadas com menor geração de rejeitos. - Preservação do meio ambiente - A estrutura metálica em aço é menos agressiva ao meio ambiente pois além de reduzir o consumo de madeira na obra, diminui a emissão de material particulado e poluição sonora geradas pelas serras e outros equipamentos destinados a trabalhar a madeira. Tipos de perfis PERFIS Entre os vários componentes de uma estrutura metálica, tais como: chapas de ligação, parafusos, chumbadores,os perfis, evidentemente, os mais importantes para o projeto, fabricação e montagem. Os perfis metálicos podem ser obtidos por um processo siderúrgico ou ainda por um processo metalúrgico. Produtos siderúrgicos: são chapas, barras e perfis laminados a quente. Produtos metalúrgicos: são perfis obtidos pela dobra de tiras de aço ou ainda por composição de chapas dobradas ou soldadas.os perfis de utilização corrente são aqueles cuja seção transversal se assemelha às formas das letras I, H, U e Z, recebendo denominação análoga a essas letras, e à letra L, nesse caso denominados cantoneiras. Estruturalmente apresentam uma relação inércia/peso de muito boa performance, e que permite encontrar uma solução bem econômica ao projeto. São encontrados em comprimentos de 12 metros. A composição química é assegurada por padrões internacionais com certificado de qualidade fornecido para cada peça. Os perfis podem ser obtidos a partir de operações de: conformação a frio soldagem eletro-soldagem de chapas. Laminação. Perfis soldados Perfil soldado é o perfil constituído por chapas de aço estrutural, unidas entre si por soldagem a arco elétrico. Os perfis soldados são largamente empregados na construção de estruturas de aço, em face da grande versatilidade de combinações possíveis de espessuras, alturas e larguras, levando à redução do peso da estrutura, comparativamente aos perfis laminados disponíveis no mercado brasileiro. O custo para a fabricação dos perfis soldados, no entanto, é maior do que para a laminação dos perfis laminados. Os perfis soldados são produzidos pelos fabricantes de estruturas metálicas a partir do corte e soldagem das chapas fabricadas pelas usinas siderúrgicas.solvo raras exceções os perfis soldados são sempre fabricados em I H ou T. 2

4 Perfis eletros-soldado Perfis eletro-soldado são perfis constituídos por chapas de aço estrutural, unidas entre si pela fusão devido ao calor gerado pela resistência à passagem de uma corrente elétrica de alta freqüência, e pela aplicação simultânea de pressão, formando em sua seção transversal, um I, H ou T. Os perfis eletrosoldado dividem-se em série simétrica e monossimétrica. A série simétrica é composta por perfis que apresentam simetria na sua seção transversal em relação aos eixos X-X e Y-Y. A série monossimétrica é composta por perfis que não apresentam simetria na sua seção transversal em relação ao eixo X-X e podem apresentar simetria em relação ao eixo Y-Y. Perfis estruturais formados a frio Nem sempre são encontrados no mercado os perfis laminados com dimensões adequadas às necessidades do projeto; por exemplo o perfil U de 2 não é encontrado no mercado brasileira sendo necessário então a fabricação artesanal do mesmo, no caso de perfis pouco solicitados, tais como terças, montantes e diagonais de treliças, travamentos, etc faz se necessário a fabricação artesanal pois não é lucrativos para as siderúrgicas fabricarem um produto pouco requisitado no mercado, enquanto os perfis estruturais formados a frio podem ser fabricados nas dimensões desejadas. Os perfis estruturais formados a frio, também conhecidos como perfis de chapas dobradas, vêm sendo utilizados de forma crescente na execução de estruturas metálicas leves, pois podem ser projetados para cada aplicação específica Os perfis formados a frio, sendo compostos por chapas finas, possuem leveza, facilidade de fabricação, de manuseio e de transporte, além de possuírem resistência e ductilidade(capacidade de deformação do material) adequadas ao uso em estruturas. No caso de estruturas de maior porte, a utilização de perfis formados a frio duplos, em seção unicelular (tubular-retangular) também conhecidos como seção-caixão, pode resultar, em algumas situações, em estruturas mais econômicas. Isso se deve à boa rigidez à torção (eliminando travamentos), menor área exposta 3

5 Perfis laminados Perfis laminados são aqueles fabricados a quente nas usinas siderúrgicas e são os mais econômicos para utilização em edificações de estruturas metálicas, pois dispensam a fabricação artesanal dos perfis soldados ou dos perfis formados a frio. Por se tratar de um perfil fabricado diretamente na siderúrgica, há dimensões padronizadas e o projetista fica restrito a essas dimensões. Se houver necessidade de perfis de dimensões diferentes das padronizadas, podem ser utilizados os perfis formados a frio ou soldados em substituição ao laminado. O Processo é feito ao reduzir a espessura de uma chapa, barra ou perfil metálico por meio de sua passagem entre 2 cilindros girantes, com separação menor que a espessura de entrada. A barra é "puxada" pelos cilindros devido às forças de atrito entre as superfícies. O montante da redução é limitada pelas potências dos motores, e resistência mecânica dos cilindros, mancais, eixos cardans e redutores. Divide-se em 2 grandes ramos: Laminação de produtos planos e não planos. Laminação de produtos planos: O objetivo é produzir chapas de determinada espessura a partir de chapas mais grossas, ou de blocos ou lingotes. A redução é progressiva, em vários passes e sempre num mesmo plano, cada passe reduzindo a espessura num certo percentual. Os esforços chegam a milhares de toneladas devido às grandes áreas envolvidas. Os cilindros de trabalho, que entram em contato com o material, são suportados por cilindros de encosto, de maior diâmetro o que evita que aqueles se quebrem. De todo modo a deformação elástica resulta em uma deflexão maior no meio que nas extremidades dos cilindros. Para evitar que as chapas tenham espessura diferente ao longo da largura, os diâmetros dos cilindros de trabalho são maiores no meio que nas extremidades. Laminação de produtos longos (não planos): O objetivo é produzir barras (redondas, quadradas, chatas) ou perfis (cantoneiras, vigas U e I, trilhos, dormentes metálicos, etc). Para isso é necessário que a deformação seja muitas vezes alternada entre 2 planos, de modo que a largura e espessura sejam reduzidas. Ao contrário dos cilindros usados para chapas, aqui eles recebem sulcos (canais) usinados, por onde passam as barras e perfis, que são assim obrigados gradualmente, passe a passe, a mudar da seção inicial ( por exemplo: quadrada) até o perfil final. 4

6 Os perfis laminados podem ser feitos de diferentes formas e tamanho, mas como a dependendo da necessidade,e podem ter abas iguais, diferentes e inclinadas, no entanto os perfis mais usados em larga escala no Brasil são os : I,L,H,T,U,redondos, quadrados, hexagonais e trilhos. Perfis compostos São perfis obtidos pela composição, por meio de soldagem ou aparafusamento, de chapas ou outros perfis,podem ter as mais variadas formas e tamanhos, mais as principais são as colunas, vigas e treliças. Colunas Uma coluna é um elemento da estrutura destinado a receber as cargas verticais transmitindo-as à fundação. Embora tenha a mesma função de um pilar, este é geralmente mais robusto e de secção quadrada, (o que poderia corresponder genericamente ao fuste da coluna). A coluna costuma ser caracterizada por uma estrutura mais esbelta e esguia em prumo. Embora nem todas as colunas sigam a mesma linha pode-se fazer uma subdivisão geral em três componentes ou áreas diferentes: 5

7 Base É a uma chapa que fica em baixo do fuste e que recebe todo a carga a transmitindo para o solo, pode ser parafusada ou chumbada ao chão dependendo das condições do piso em que a estrutura será erguida. Fuste É nada mais que a própria coluna, o perfil que esta na vertical transmitindo a carga para base, também serve como apoio dos capitel. Capitel( meios de ligação ). Capitel, pontos de ligação Significa cabeça, extremidade, ou seja, o capitel é o elemento da estrutura que liga o perfil vertical ao perfil horizontal tornando se assim um ponto de ligação. Treliças As treliças ou sistemas triangulados são estruturas formadas por elementos indeformáveis aos quais se da o nome de barras, ligado entre si por articulações que se consideram perfeitas, os nos, que é o ponto de união das barras e pode ser feito por solda ou aparafusameto. Nas treliças as cargas existem somente nos nós, ficando assim as barras apenas sujeitas a esforços normais ( alinhados segundo o eixo da barra) de tração ou compressão.designa-se treliça plana quando todos os elementos da mesma se encontram dispostos essencialmente num plano.as treliças nada mais são que dois perfis paralelos eqüidistante entre si que tem a sua unia por outros perfis que são colocados transversalmente entre eles.ou seja cruzados. Vigas Uma viga é um elemento estrutural das edificações. A viga é geralmente usada para transferir os esforços verticais recebidos como por exemplo cargas que estao sobre a estrutura,para as colunas, Vigas são estruturas amplamente utilizadas na engenharia. Nós Elementos obrigatórios no dimensionamento de estruturas simples ou complexas, as vigas possuem diferentes formas de seção, denominadas perfis. Os perfis mais utilizados são o perfil "I" e o perfil "T", existindo ainda o perfil em "U" e em "L". Para sabermos o peso que pode ser aplicado em uma determinada viga, devemos fazer o cálculo das Tensões de Cisalhamento (corte). Para sabermos o momento que pode ser aplicado na viga, deveremos calcular o Momento Fletor. No perfil, o elemento vertical chama-se alma e o elemento horizontal (um no perfil em "T", dois no perfil em "I") denomina-se banzo. 6

8 Podem ser classificadas em : Viga em balanço ou em console: é uma viga de edificação com um só apoio. Toda a carga recebida é transmite a um único ponto de fixação. Viga biapoiada ou simplesmente apoiada: diz-se das vigas com dois apoios, que podem ser simples e/ou engastados, gerando-se vigas do tipo simplesmente apoiadas, vigas com apoio simples e engaste, vigas biengastadas. Viga contínua: diz-se da viga com múltiplos apoios. Calculo de peso As forças exercidas em uma estrutura metálica originam-se de muitas causas e possuem variadas orientações e intensidades; as aplicações ocorrem em diversos pontos. As decorrentes das ventanias ou de corpos móveis denominam-se cargas dinâmicas. As cargas dinâmicas, que podem atingir intensidades preocupantes; por isto é indicado um acréscimo de 50% nos valores das isóptero eólicas( elemento para cortar o vento aerodinâmica) da NB O peso próprio da estrutura, e de corpos sustentados ou fixados, cargas estáticas. O peso suportado por um elemento estrutural e o seu peso próprio constitui o peso para outro elemento que lhe serve de apoio; e assim por diante. Em vista do exposto, o cálculo começa pelas solicitações externas;; do suporte, as terças; apoio para as terças; etc. até chegar às fundações. O cálculo preciso das forças que agem em uma barra, ou elemento estrutural, permite a escolha do tipo de perfil com as propriedades adequadas. Para isso, no entanto é necessário conhecer a propriedade de cada material e essas propriedades são fornecidas em tabelas pelo fabricante do material. Essas propriedade levam a características peculiares de cada material como, por exemplo, o aço. Características do aço Limite de Resilência á 4200 Kg / cm 2 Tensão normal de trabalho 2300 Kg / cm 2 ( médio) Dureza brinell 105 á 120 BH Características de perfilados Limite de resilência 4000 á 5000 Kg/ cm 2 Tensão normal de trabalho 2530 Kg/ cm 2 Dureza brinell 112 á 140 BH Propriedades Ductilidade : é a capacidade do metal de se deformar sob a ação de cargas, levando a estrutura a uma ruptura que passa anteriormente por grandes deformações sinalizadoras. Fragilidade : sob determinadas condições os aços podem se tornar frágeis como por exemplo em temperaturas extremadas,( baixas temperatura ambiente ou elevadas no caso de incêndio ) podendo provocar rupturas bruscas sem aviso prévio. Resilência: é a capacidade de absorver energia mecânica por unidade de volume tracionada em regime elástico. Tenacidade:é a capacidade de absorver energia total ( elástica e plástica) por unidade de volume tracionada ate a sua ruptura. Fadiga: denomina-se efeito de fadiga a ruptura de uma peça sob esforços repetidos a uma tensão inferior a sua característica de ruptura Dureza: denomina-se dureza a resistência a abrasão ao risco ou a penetração de uma outra peça de dureza conhecida medida através de um dos três processos: brinnel, rockwell ou shore. Como você já sabe, as propriedades mecânicas constituem uma das características mais importantes dos metais em suas várias aplicações na engenharia, visto que o projeto e a fabricação de produtos se baseiam principalmente no comportamento destas propriedades. A determinação das propriedades mecânicas dos materiais é obtida por meio de ensaios mecânicos, realizados no próprio produto ou em corpos de prova de dimensões e formas especificadas, segundo procedimentos padronizados por normas brasileiras e estrangeiras. 7

9 Ensaio de tração: consiste em submeter o material a um esforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio. No ensaio de tração o corpo é deformado por alongamento, até o momento em que se rompe. Os ensaios de tração permitem conhecer como os materiais reagem aos esforços de tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento se rompem.a partir daí é possível descobrir as propriedade de cada material as quais já foram citadas acima, então na fabricação basta analisar as propriedades de cada material e calcular as forças exercidas sobre ele e descobrir se ele as suportara. Imagine um corpo preso numa das extremidades, submetido a uma força, Quando esta força é aplicada na direção do eixo longitudinal, dizemos que se trata de uma força axial. Ao mesmo tempo, a força axial é perpendicular à seção transversal do corpo. Repare que a força axial está dirigida para fora do corpo sobre o qual foi aplicada. Quando a força axial está dirigida para fora do corpo, trata-se de uma força axial de tração. A aplicação de uma força axial de tração num corpo preso produz uma deformação no corpo, isto é, um aumento no seu comprimento com diminuição da área da seção transversal. Este aumento de comprimento recebe o nome de alongamento. Veja o efeito do alongamento num corpo submetido a um ensaio de tração. 8

10 Na norma brasileira, o alongamento é representado pela letra A e é calculado subtraindo-se o comprimento inicial do comprimento final e dividindo-se o resultado pelo comprimento inicial. Em linguagem matemática, esta afirmação pode ser expressa pela seguinte igualdade: A = Lf Lo/ Lo sendo que Lo representa o comprimento inicial antes do ensaio e Lf representa o comprimento final após o ensaio. Suponha que você quer saber qual o alongamento sofrido por um corpo de 12 mm que, submetido a uma força axial de tração, ficou com 13,2 mm de comprimento. Aplicando a fórmula anterior, você fica sabendo que: A unidade mm/mm indica que ocorreu uma deformação de 0,1 mm por 1 mm de dimensão do material. Pode-se também indicar a deformação de maneira percentual. Para obter a deformação expressa em porcentagem, basta multiplicar o resultado anterior por 100. No nosso exemplo: A = 0,1 mm/mm 100 = 10%. Através desse ensaio de tração é determinada a tensão que esse material poderá sofrer então, bastara fazer o calculo de tensão que veremos logo mais e descobrir se aquele material agüentará a tensão sofrida sem se deformar. É preciso lembrar que todo o material ao sofrer uma tensão terá uma deformação seja ela elástica ou plástica. Sendo que na elástica não trará muitos problemas pois o material tornara ao seu estado natural, já na plástica ele ficara deformado. Deformação elástica: não é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material volta à sua forma original. Deformação plástica: é permanente.uma vez cessados os esforços, o material recupera a deformação elástica, mas fica com uma deformação residual plástica, não voltando mais à sua forma original. Tensão de tração; como calcular? A força de tração atua sobre a área da seção transversal do material. Tem-se assim uma relação entre essa força aplicada e a área do material que está sendo exigida, denominada tensão. Tensão (T) é a relação entre uma força (F) e uma unidade de área (S): T = F/S Para efeito de cálculo da tensão suportada por um material, considera-se como área útil da seção deste material a soma das áreas de suas partes maciças. A unidade de medida de força adotada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) é o Newton (N). A unidade de medida de área é o metro quadrado (m2). No caso da medida de tensão, é mais freqüentemente usado seu submúltiplo, o milímetro quadrado (mm2). Assim, a tensão é expressa: T = N/mm2 Veja no quadro de conversões a seguir a correspondência entre essas unidades de medida. O calculo de tenção é só um exemplo de calculo que se deve fazer, ele é aplicado para se descobrir a ductilidade do material mas como ele existe vários outros cálculos que se devem como o de resilência, tenacidade, fadiga, dureza etc. é preciso descobrir os forças que serão exercidas em cada elemento da estrutura e calcular se o material usado é capaz de suportar, é claro que não vamos explicar todos. 9

11 "Resistência dos Materiais" é um estudo avançado que faz parte dos cursos de engenharia, após sólidos conhecimentos de "Estática" e de "Dinâmica". Visam capacitar os futuros profissionais para análise e projetos de máquinas e estruturas. Enquanto a Estática e a Dinâmica se valem de modelos matemáticos simples, Resistência dos Materiais necessita de modelos mais complexos para as necessidades tecnológicas da área industrial. Condições de equilíbrio das forças que agem em uma estrutura; a relação entre tensão e deformação em certo material; as condições impostas pelas solicitações (apoios e carregamentos da estrutura); a importância das propriedades geométricas dos materiais; diagramas do comportamento de materiais e a aplicação correta deles; etc. fazem parte deste estudo. No cálculo do material de uma estrutura é essencial que se determine que as cargas impostas, permanentes ou transitórias, e o efeito do envelhecimento não façam a estrutura ruir. Não se deve construir sem um bom projeto e um competente cálculo. Aplicações e finalidades (a descrição das estruturas são basicamente em aço carbono estrutural ) Estruturas metálicas são constituídas basicamente por colunas e vigas inter travadas entre si de maneira a resistir a esforços e cargas produzidos a partir da ação dos ventos e do peso próprio do conjunto das estruturas e com uma margem de segurança devidamente calculada pela engenharia civil. as estruturas metálicas utilizadas nas construções de galpões industriais são normalmente cobertas e se constituem basicamente de perfis metálicos conjugados e treliças dimensionadas para resistir e suportar toda a carga de telhado base e trilhos de ponte rolantes com o peso próprio mais as cargas deslocadas em toda a extensões internas desses galpões.e mais os fechamentos laterais e portões de entrada. Sua função principal é abrigar maquinas e equipamentos do processo de produção alem de outras instalações e acomodações funcionais. São fixadas em fundações de concreto armado devidamente calculadas e construídas para garantir a distribuição e estabilização de toda a carga do conjunto arquitetônico industrial construído. Em parques industriais cujo os equipamentos estão expostos aos intempéries as estruturas metálicas funcionam como estruturas auxiliares de apoio e inter travamento de equipamentos estáticos ou dinâmicos, plataformas e escadas de acesso e também para corredores de tubulações suspensas (pipe hak) ; pontilhões de passagem de tubulação e eletrodutos Em vias de circulação. Os pipe hak, estão situados entre os limites de bateria das unidades industriais e funcionam como corredor de apoio das tubulações industriais elevadas que interligam essas unidades. São concebidos a partir dos eixos delimitadores das diferentes unidades e descritos de forma alfa numérica em eixos e colunas que se distribuem do ponto inicial da fabrica crescendo de sul para norte e de leste para oeste em relação ao norte da planta, possuem dimensões padronizadas de 7.5 mt de comprimento em intervalos regulares e 5.5 mt de largura máxima, com altura mínima de 3.5 mt no primeiro nível de supuração das tubulações.esse padrão construtivo visa não somente sustentar as tubulações nos níveis superiores mas também garantir o livra acesso na parte do piso inferior, não são permitidos nenhum tipo de instalação, e o corredor devera estar totalmente livre para que haja o acesso de maquinas, acessórios, veículos e pessoas. 10