Sistemas Estruturais

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1 Notas de aula Prof. Andréa 1. Elementos Estruturais Sistemas Estruturais Uma vez especificados os tipos de aço comumente utilizados em estruturas metálicas, determinadas as características geométricas de figuras planas que correspondem às seções transversais das peças estruturais, é preciso estudar se os efeitos das forças atuantes nessas peças estruturais que compõem um sistema estrutural. De uma maneira geral, essas peças estruturais podem ser classificadas em: 1) Hastes ou Barras são peças cujas dimensões transversais são pequenas em relação ao seu comprimento. Tirantes sujeitos à tração axial; Colunas ou Pilares sujeitos à compressão axial Vigas sujeitas à cargas transversais que produzem momentos fletores e esforços cortantes; Componentes de Treliças ou Tesouras sujeitas à tração e compressão axiais. 2) Placas ou Chapas são peças cujas dimensões de superfície são grandes em relação à sua espessura. 2. Sistemas Lineares Os sistemas lineares são formados por combinações dos principais elementos lineares constituindo estruturas portantes em geral. Treliça - as barras trabalham predominantemente à tração ou compressão simples; Grelhas planas - são formadas por feixes de barras que trabalham predominantemente à flexão Pórticos - barras retilíneas ou curvelíneas com ligações rígidas entre si que trabalham à tração e compressão simples ou mesmo à flexão. 3. Classificação dos Esforços Cargas são as forças externas que atuam sobre um determinado sistema estrutural. Esforços são as forças desenvolvidas internamente no corpo e que tendem a resistir às cargas. Deformações são as mudanças das dimensões geométricas e da forma do corpo solicitado pelos esforços. 3.1 Cargas Atuantes Essas cargas ou ações atuantes sobre as estruturas, definidas por Normas específicas e podem ser classificadas em: Permanentes CP ou G: Peso próprio dos elementos constituintes da estrutura.

2 Para determinação das cargas permanentes, podemos usar informações fornecidas por fabricantes ou permanentes podem ser determinadas a partir dos pesos reais dos materiais mais usuais e indicados abaixo: Acidentais ou Variáveis CA ou Q: peso das pessoas. peso de objetos e materiais estocados. cargas de equipamentos específicos ar condicionado, elevadores. Sobrecargas provenientes de empuxos de terra e de água e de variação de temperatura. As cargas acidentais são definidas em função de valores estatísticos estabelecidos pelas normas pertinentes, seus valores são geralmente considerados como uniformemente distribuídos, e podem ser adotadas conforme se segue, nos casos especificados:

3 Vento CV: As cargas provenientes da ação dos ventos nas estruturas são das mais importantes e, suas considerações e aplicações, estão contidas em norma específica NBR Forças Devidas ao Vento em Edificações. Outras cargas ou Excepcionais - CE: cargas provenientes de pontes rolantes, vibrações, em especial,nos pisos. 3.2 Esforços Atuantes a) Força Normal (N) é a componente perpendicular à seção transversal das peças, que podem ser de tração (+) se é dirigida para fora da peça ou de compressão (-) se é dirigida para dentro da peça. Essa força será equilibrada por esforços internos (esforços resistentes) e se manifestam sob a forma de tensões normais, que serão de tração ou compressão segundo a força N seja de tração ou de compressão. b) Força Cortante (Q) é a componente que tende a fazer deslizar uma porção da peça em relação à outra e por isso mesmo provocar corte. Essa força será equilibrada por esforços internos e é denominada tensão de cizalhamento. c) Momento Fletor (Mf ou M) é a componente que tende a curvar o eixo longitudinal da peça e será equilibrada por esforços internos que são tensões normais. d) Momento Torsor (Mt) é a componente que tende a fazer girar a seção da peça em torno do seu eixo longitudinal e será equilibrada por esforços internos denominadas tensões de cizalhamento. Na figura representativa abaixo, estão mostrados esforços solicitantes e esforços resistentes em peças estruturais. 3.3 Deslocamentos Uma vez sujeita às cargas atuantes, as peças estruturais respondem, como vimos, através de esforços resistentes. Mas, também sobre o influxo das cargas ou esforços atuantes, surge deslocamentos em torno dos eixos transversais da seção da peça. Como também já se estabeleceu, as peças estruturais devem ter capacidade de se manter em condições estáveis plásticas em relação a estas deformações e, por conseguinte, existem valores pré-determinados que estipulam limitações para essas deformações. De uma maneira geral, os valores máximos recomendados para as deformações ou deslocamentos das estruturas são:

4 Peças sujeitas a cargas uniformemente distribuídas ou mesmo pontuais sofrem como conseqüência dessas cargas, deformações em torno do eixo solicitado. Dessa maneira, é sempre necessário verificar-se as deformações ocasionadas nessas peças estruturais, de forma que elas não ultrapassem valores anteriormente anotados ver tabela de deformações permissíveis. Nas peças tradicionais sujeitas a esses tipos de carregamentos, podemos adotar os modelos seguintes, como os mais tradicionais: Onde: M max = Momento Fletor máximo aplicado V max = Reação de apoio ou esforço cortante E = Módulo de deformação I = Momento de Inércia da peça no sentido da aplicação da carga FONTE: Estruturas Metálicas I Prof. Augusto Cantusio Neto

5 Exercício a) Dado o perfil VS 750 x 108 em aço ASTM A36, simplesmente apoiado sob a forma de viga com vão livre de 11,00 m, verificar a deformação máxima desse perfil sujeito a: 1 Carga uniformemente distribuída de 16,5 kn / ml ou 0,165 kn / cm 2 Carga pontual P = 125 kn Dados: Ix = cm4 3.4 Método de dimensionamento O método a ser adotado neste trabalho será o Método das Tensões Admissíveis. Quando o dimensionamento se efetua com base no Método das Tensões Admissíveis, considera-se que a estrutura, submetida às cargas previstas em normas, funcione nas condições normais de projeto. Uma estrutura tem a resistência necessária se as tensões causadas em seus elementos pelas cargas estabelecidas (por normas) não ultrapassam as tensões admissíveis estabelecidas, que são iguais a uma determinada parte da tensão limite do material, que é considerada como sendo igual ao limite de escoamento, no caso do aço (Fy). A relação entre a tensão de escoamento e a tensão admissível chama-se fator de segurança ou coeficiente de ponderação. Esse fator de segurança tem por objetivo absorver: Aproximação e incertezas no método das análises Qualidade de fabricação Presença de tensões residuais e concentração de tensões Alteração do para menor nas propriedades do material Alteração para menor na seção transversal das peças estruturais Incerteza dos carregamentos O fator de segurança ou coeficiente de ponderação não implica maior segurança para cargas maiores e sim para fatores diversos envolvidos e, em geral, o fator de segurança FS é definido por: As limitações desse método estão em se utilizar um único coeficiente de segurança para todas as incertezas de obra, conforme enumeradas acima, e as combinações de cargas podem ser efetuadas da seguinte maneira, para obras em geral: 1ª. Combinação CP + CA 2ª. Combinação (CP + CV) x 0,80 3ª. Combinação (CP + CA + CE) 4ª. Combinação (CP + CA + CE + CV) x 0,80 Onde: CP (C. Permanente), CA (C. Acidental), CV (C. Vento) e CE (C. Excepcional )PA Carga Admissívelde Trabalho

6 3.5 Concepção Estrutural: Os sistemas estruturais principais, assim como os secundários, devem ter disposição ou concepção estrutural tal que se possa garantir que essas barras em geral vigas e pilares absorvam os esforços a que forem dimensionados sustentando a estrutura que se pretenda projetar. Nos sistemas estruturais comuns que dão sustentação a edifícios de uma maneira geral, deve-se observar os fatores que venham a proporcionar uma estabilidade adequada entre os diversos elementos componentes da estrutura, tais como a prevenção contra flambagem das peças, tanto local quanto global. As cargas verticais dos edifícios metálicos, à semelhança dos edifícios em concreto armado. No caso das cargas horizontais, provenientes da ação do vento nas estruturas, essas também devem ser transferidas ao sistema principal de contraventamento da estrutura ou aos núcleos ou paredes de cisalhamento dos edifícios. A fim de suportar os efeitos horizontais das ações do vento, as estruturas metálicas podem ser concebidas de variadas maneiras a fim de se estabelecer o sistema de contraventamento vertical: sistema contraventado, sistema rígido, sistema misto e sistema com núcleo rígido. Sistema contraventado - considera-se nas duas direções do edifício, quadros que possam absorver as cargas horizontais tendo como modelo, treliças verticais, formadas pelos pilares e vigas do sistema principal associados a peças diagonais dispostas de maneira tal possam a vir a absorver os efeitos das cargas horizontais. Sistema rígido - considera-se nas duas direções do edifício, estruturas que absorvam os esforços horizontais através da concepção aporticada, ou seja, as peças estruturais absorvem os esforços aplicados através da rigidez de um pórtico. Sistema misto - considera-se que as estruturas podem ter em uma direção um sistema contraventado e na outra direção um sistema rígido.

7 Sistema de núcleo rígido, quando adota-se a execução de uma área central ao prédio, em geral em concreto armado nas áreas correspondentes às caixas de escada e elevadores, capaz de absorver os esforços horizontal. Bibliografia: Pfeil,W;Pfeil,M Estruturas de aço Yopanan C P Rebello Estruturas de aço Prof. Augusto Cantusio Neto; Notas de aula- Estruturas Metálicas PUC