Dimensionamento de Estruturas de aço: Comparações entre o Eurocódigo 3 e a Norma Brasileira NBR 8800

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1 Dimensionamento de Estruturas de aço: Comparações entre o Eurocódigo 3 e a Norma Brasileira NBR 8800

2 UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Reitor Ricardo Vieiralves de Castro Vice-reitor Paulo Roberto Volpato Dias EDITORA DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Conselho Editorial Bernardo Esteves Erick Felinto Glaucio Marafon Italo Moriconi (presidente) Jane Russo Maria Aparecida Ferreira de Andrade Salgueiro Ivo Barbieri (membro honorário) Lucia Bastos (membro honorário)

3 Luís Simões da Silva Rui Simões Helena Gervásio Pedro C. G. da Silva Vellasco Luciano R. O. de Lima Dimensionamento de Estruturas de aço: Comparações entre o Eurocódigo 3 e a Norma Brasileira NBR 8800 Tradução: Pedro C. G. da Silva Vellasco Rio de Janeiro 2015

4 Copyright 2015, dos autores. Todos os direitos desta edição reservados à Editora da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, ou de parte do mesmo, em quaisquer meios, sem autorização expressa da editora. EdUERJ Editora da UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Rua São Francisco Xavier, 524 Maracanã CEP Rio de Janeiro RJ Brasil Tel./Fax.: 55 (21) / eduerj@uerj.br Editor Executivo Coordenadora Administrativa Apoio Administrativo Coordenadora Editorial Assistente Editorial Coordenadora de Produção Assistente de Produção Supervisor de Revisão Revisão Capa Diagramação Italo Moriconi Elisete Cantuária Roberto Levi Silvia Nóbrega Thiago Braz Rosania Rolins Mauro Siqueira Elmar Aquino Elmar Aquino Júlio Nogueira Emilio Biscardi

5 Dimensionamento de Estruturas de Aço: Comparação entre o Eurocódigo 3 e a Norma Brasileira NBR ª Edição, 2015 Do original: Design of Steel Structures Copyright 2010, 2013 by ECCS European Convention for Constructional Steelwork Edição: EDUERJ Editora da Universidade do Estado do Rio de Janeiro eduerj@uerj.br Todos os direitos desta edição reservados à Editora da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. É proíbida a duplicação ou reprodução deste volume, ou parte do mesmo, em quaisquer meios, sem a autorização expressa da editor. Copyright 2015 EDUERJ Editora da Universidade do Estado do Rio de Janeiro ISBN (EDUERJ): ISBN (ECCS): ISBN (CMM): Dep. Legal: Impressão:

6 Sumário Prólogo xv Prefácio xvii Capítulo 1 Introdução Observações gerais Recomendações de boa prática e normalização Introdução Eurocódigo Outras normas Introdução à Norma Brasileira NBR Outras Normas Brasileiras relacionadas com a norma NBR Fundamentos de projeto Conceitos básicos Gestão da confiabilidade Variáveis básicas Introdução Ações e influências ambientais Propriedades dos materiais Dados geométricos Estados limites últimos Estados limites de utilização Durabilidade Sustentabilidade Norma Brasileira NBR

7 Conceitos básicos Variáveis básicas Ações e influências ambientais Propriedades dos materiais Estados limites últimos Estados limites de utilização Durabilidade Materiais Especificação dos materiais Propriedades mecânicas Tenacidade e propriedades no sentido da espessura Propriedades associadas à fadiga do material Resistência à corrosão Norma Brasileira NBR Características geométricas e tolerância Norma Brasileira NBR Tolerâncias dimensionais 55 Capítulo 2 Análise estrutural Introdução Modelagem estrutural Introdução Escolha do eixo do elemento Influência de excentricidades e dos apoios Elementos não prismáticos e elementos com eixo curvo Influência das ligações Uso de elementos de viga com elementos bi e tridimensionais Exemplos de aplicação Análise global de estruturas de aço Introdução 107

8 Estabilidade estrutural de pórticos Introdução Carga crítica elástica Análise de 2 a ordem Imperfeições Exemplo de Aplicação Análise global de estruturas segundo a NBR Estabilidade estrutural de pórticos segundo a NBR Classificação das estruturas quanto à sensibilidade a deslocamentos laterais segundo a NBR Considerações para dimensionamento segundo a NBR Determinação dos esforços solicitantes para estados limites últimos segundo a NBR Análise estrutural de vigas contínuas e semicontínuas segundo a NBR Método da amplificação dos esforços solicitantes segundo a NBR Repetição do exemplo de A pela NBR Classificação da seção transversal Classificação da seção transversal segundo a NBR Síntese comparativa: EC3-1-1 e NBR Capítulo 3 Dimensionamento de elementos estruturais 201

9 3.1. Introdução Generalidades Os coeficientes de ponderação das resistências da NBR Resistência da seção transversal Critérios Gerais Propriedades da seção Resistência à flambagem de elementos estruturais Resistência da seção transversal segundo a NBR Propriedades da seção Flambagem local de placas sob compressão axial com a NBR Flambagem local de placas sob flexo compressão com a NBR Resistência à flambagem de elementos estruturais segundo a NBR Tração Comportamento em tração Dimensionamento para forças de tração Exemplos de aplicação Dimensionamento à tração axial segundo a NBR Exemplos de aplicação Vigas contraventadas lateralmente Introdução Dimensionamento à flexão Resistência a flexão nos regimes elástico e plástico Dimensionamento ao esforço cortante 246

10 Dimensionamento a flexão e ao cortante combinados Exemplos de aplicação Vigas contraventadas lateralmente segundo a NBR Dimensionamento à flexão segundo a NBR Dimensionamento ao esforço cortante segundo a NBR Dimensionamento a flexão biaxial e a interação com o esforço cortante combinados segundo a NBR Exemplos de aplicação Torção Fundamentação Teórica Introdução Torção uniforme Torção Não uniforme Resistência da seção transversal à torção Dimensionamento a torção Exemplos de aplicação Dimensionamento a torção segundo a NBR Exemplos de aplicação (NBR 8800) Compressão Fundamentação Teórica Introdução Carga crítica elástica Efeito das imperfeições e da plasticidade Dimensionamento a compressão Exemplos de aplicação Dimensionamento a compressão segundo a NBR

11 Exemplos de aplicação Vigas não contraventadas lateralmente Introdução Flambagem lateral com torção Introdução Momento crítico elástico Efeitos das imperfeições e da plasticidade Resistência a flambagem lateral com torção Exemplos de aplicação Resistência a flambagem lateral a torção segundo a NBR Exemplos de aplicação Vigas-colunas Introdução Resistência da seção transversal Fundamentação teórica Resistência de dimensionamento Resistência a flambagem Fundamentação Teórica Resistência de dimensionamento Exemplos de aplicação Resistência de vigas colunas segundo a NBR Exemplos de aplicação Síntese comparativa: EC3-1-1 E NBR Capítulo 4 Dimensionamento elástico de estruturas de aço Introdução Métodos de análise simplificados Introdução 504

12 Método da amplificação do momento-deslocabilidade Método do comprimento de flambagem deslocável Exemplo de aplicação Métodos de análise simplificados segundo a NBR Exemplo de aplicação Estabilidade de elementos não prismáticos e componentes Introdução Elementos não prismáticos Elementos com contraventamentos laterais intermediários Método geral Exemplos de aplicação Estabilidade de elementos não prismáticas e componentes segundo a NBR Exemplo de aplicação Exemplo de dimensionamento 1: dimensionamento elástico de um pórtico de aço contraventado de uma edificação Introdução Descrição da estrutura Critérios gerais de segurança, ações e combinações de ações Critérios gerais de segurança Ações permanentes Sobrecargas Cargas de vento Resumo das ações fundamentais Imperfeições do pórtico Combinações de ações Arranjos das cargas Análise estrutural 595

13 Modelo estrutural Análise linear elástica Suscetibilidade a efeitos de 2 nd ordem: cargas críticas elásticas Análise elástica de 2 a ordem Verificações de dimensionamento Considerações gerais Resistência da seção transversal Resistência à flambagem das vigas Resistência a flambagem de colunas e vigas-colunas Exemplo de dimensionamento 2: dimensionamento elástico de um pórtico de aço contraventado de uma edificação pela NBR Verificações de dimensionamento Considerações gerais Resistência da seção transversal viga-coluna E1 pavimento Resistência a flambagem global viga-coluna E1 pavimento Resistência a flambagem lateral com torção FLT viga-coluna E1 pavimento Verificação da atuação simultânea de força axial de compressão e de momento fletor Resistência da seção transversal viga E1-E4 vão de 9,0 m Resistência a flambagem global viga E1-E4 vão de 9,0 m Resistência a flambagem lateral com torção - FLT - viga E1- E4 vão de 9,0 m 614

14 4.6. Síntese comparativa: EC3-1-1 e NBR Capítulo 5 Dimensionamento plástico de estruturas de aço Princípios gerais de dimensionamento plástico Introdução Análise limite plástica: método dos mecanismos Requisitos de norma para análises plásticas Métodos de análise Introdução Métodos aproximados de pré-dimensionamento Análises computacionais Efeitos de 2 a ordem Introdução Carga crítica elástica Análises computacionais de 2 a ordem Métodos simplificados de análise Exemplo de aplicação Estabilidade do elemento e resistência à flambagem Introdução Critérios gerais para a verificação da estabilidade de elementos com rótulas plásticas Contraventamentos Verificação da estabilidade de elementos com rótulas plásticas Introdução Elementos prismáticos constituídos por perfis com seção transversal I laminada ou equivalente soldada 677

15 Elementos com inércia variável formados por perfis com seção transversal I laminada ou equivalente soldada Coeficientes de modificação para considerar a presença de gradientes de momento em elementos contraventados lateralmente ao longo da mesa tracionada Exemplos de aplicação Exemplo de dimensionamento: dimensionamento plástico de um edifício industrial pelo EC Introdução Descrição geral Quantificação das ações, combinações de carga e critérios gerais de segurança Critérios gerais Ações permanentes Sobrecargas Cargas de neve Cargas de vento Resumo das ações fundamentais Imperfeições Combinações de carga Pré-dimensionamento Análise estrutural Análise linear elástica Efeitos de 2 a Ordem Análise elasto-plástica Verificações normativas Considerações gerais Resistência da seção transversal Resistência à flambagem das vigas 733

16 Resistência das vigas-colunas Resumo Exemplo de dimensionamento: dimensionamento plástico de um edifício industrial segundo a NBR Introdução Descrição geral Verificações de Norma NBR Considerações Gerais Resistência da seção transversal Resistência à flambagem das vigas misuladas Resistência das vigas-colunas Síntese comparativa: EC3-1-1 e NBR Referências 757

17 Prólogo O plano estratégico do ECCS (European Convention for Constructional Steelwork) para desenvolvimento de manuais para dimensionamento representa uma importante iniciativa e linha de ação na Europa para a indústria da construção em aço e para a Engenharia Estrutural de forma global. Concebido pelo Comitê de Atividades Técnicas do ECCS, sob a liderança do seu gestor prof. Luis Simões da Silva, os manuais estão sendo desenvolvidos tendo como base as últimas versões do Eurocódigo 3 e seus respectivos anexos nacionais. O escopo associado a este esforço de desenvolvimento é vasto e reflete um empreendimento único em nível global. A publicação do primeiro dos manuais, Dimensionamento de Estruturas de Aço, é um sinal de realização que representa, com sucesso, o término da etapa relacionada com o processo de dimensionamento do Eurocódigo 3 como forma de disponibilizá-lo de forma simples para os engenheiros estruturais que, efetivamente, o utilizam na prática. Desta forma, o livro é mais do que um manual é um livro de referência que detalha os conceitos fundamentais do Eurocódigo 3, assim como sua aplicação à prática do dimensionamento estrutural. Desta forma torna-se uma publicação única para um amplo mercado de construção. xv Após uma discussão dos fundamentos de dimensionamento presentes no Eurocódigo 3, incluindo princípios de gerenciamento de confiabilidade estrutural e os princípios do método dos estados limites, são apresentadas e detalhadas as normas associadas ao aço estrutural, assim como sua utilização com o foco no Eurocódigo 3. Princípios de análise e modelagem estrutural são apresentados em um capítulo que irá auxiliar os engenheiros estruturais nas primeiras etapas de um projeto estrutural. Isto se segue de um capítulo fundamental que fornece os critérios de dimensionamento, assim como as metodologias mais adequadas para diversos elementos

18 estruturais. As teorias relacionadas com o comportamento e a resistência são diretamente relacionadas com os procedimentos de dimensionamento presentes no Eurocódigo 3, fazendo, desta forma, uma transição da teoria para a prática. Os capítulos subsequentes expandem os princípios e aplicações do dimensionamento elástico e plástico e estruturas de aço. Os diversos exemplos de dimensionamento que são, sucessivamente, apresentados no livro representam uma parte significativa deste manual. Estes exemplos serão, em especial, bem recebidos pelos engenheiros estruturais. Sem dúvida, os exemplos irão facilitar a aceitação do Eurocódigo 3 e servirão para permitir uma transição gradual dos códigos de dimensionamento nacionais para o Eurocódigo. Reidar Bjorhovde Membro do Comitê Editorial do ECCS xvi

19 Prefácio As regras de dimensionamento gerais e as regras de dimensionamento para edificações, presentes na parte 1.1 do Eurocódigo 3, constituem o núcleo dos procedimentos de dimensionamento de estruturas de aço. Este procedimento contém as diretrizes básicas para modelagem e análise de estruturas de aço aporticadas, assim como as regras para avaliação da resistência de elementos estruturais e componentes, sujeitas a diferentes condições de carregamento. De acordo com os objetivos dos manuais de dimensionamento do ECCS, este livro tem como finalidade fornecer uma mescla entre uma fundamentação teórica "simples", e uma descrição dos procedimentos de dimensionamento e exemplos de dimensionamento detalhados. Consequentemente, este livro é mais do que um manual: ele é uma fonte única para apresentação dos conceitos teóricos que fundamentam o Eurocódigo 3, assim como exemplos de dimensionamento que tentam representar situações reais de dimensionamento ao invés dos exemplos simplificados usualmente encontrados na maioria dos livros texto de dimensionamento estrutural. A edição em português deste livro também contempla uma apresentação dos procedimentos de projeto presentes na norma brasileira para projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios, NBR Como contribuição adicional, todos os exemplos previamente resolvidos com base no Eurocódigo 3 são refeitos com base na norma NBR 8800 de forma a possibilitar uma análise crítica destes dois importantes códigos para dimensionamento estrutural em aço. xvii Este livro foi concebido com base em experiências de ensino de estruturas de aço de acordo com o ENV e a NBR 8800 desde Ele também se beneficiou da participação em comitês técnicos TC8 e TC10 do ECCS onde a base teórica assim como a aplicabilidade das varias cláusulas do EN foram continuamente questionadas. Este livro cobre, exclusivamente, a parte 1-1 do Eurocódigo 3, assim como sua respectiva alternativa presente

20 na NBR 8800, devido ao nível de detalhamento requerido para sua melhor compreensão. Volumes subsequentes discutirão e aplicarão a maioria das partes adicionais do Eurocódigo 3 usando um formato consistente. xviii O capítulo 1 introduz aspectos gerais, tais como os fundamentos gerais de dimensionamento, propriedades dos materiais, características geométricas e tolerâncias, correspondendo aos capítulos 1 a 4 e o capítulo 7 do EN e capítulos 1 a 4 e o capítulo 11 da NBR O capítulo 1 enfatiza os tópicos mais significativos para o dimensionamento de estruturas de aço. A análise estrutural é discutida no capítulo 2, incluindo modelagem estrutural, análise global e classificação de seções transversais, cobrindo o capítulo 5 do EN e os itens 4.9 e 5.1 dos capítulos 4 e 5 da NBR O dimensionamento de elementos estruturais em aço sujeitos a vários tipos de esforços internos (tração, flexão e cisalhamento, compressão e torção) assim como suas combinações são descritos no capítulo 3, correspondendo ao capítulo 6 do EN e o restante do capítulo 5 da NBR O capítulo 4 apresenta o dimensionamento de estruturas de aço a partir de uma análise elástica tridimensional tendo como referência um caso de projeto baseado em uma edificação real. Por fim, o capítulo 5 apresenta o dimensionamento estrutural no regime plástico a partir do exemplo de um galpão industrial com duas águas para exemplificar os seus aspectos mais relevantes. Adicionalmente, os exemplos de dimensionamento contidos neste livro foram escolhidos a partir de casos de projeto reais. Dois exemplos são apresentados: i) uma edificação em aço com pórticos múltiplos contraventados; e ii) um galpão industrial com duas águas. A metodologia de projeto escolhida tenta reproduzir, na medida do possível, a prática usual de projeto ao invés de utilizar meios mais acadêmicos que, geralmente, só envolvem partes do processo de dimensionamento estrutural. Isto significa que os exemplos de dimensionamento se iniciam pela avaliação das ações estruturais. O processo continua com um detalhamento passo a passo da análise global e do dimensionamento de cada elemento estrutural envolvido.

21 As ferramentas de dimensionamento, hoje disponíveis e adotadas na maioria dos escritórios de projeto estrutural, são baseadas em programas de análise estrutural tridimensionais. Consequentemente, o exemplo que envolve uma edificação em aço com pórticos múltiplos contraventados é analisado como uma estrutura tridimensional; todas as verificações subsequentes são consistentes com esta estratégia de projeto. Isto gera, uma implementação não trivial, desde que, a maioria das verificações de estabilidade global foram somente desenvolvidas e validadas para estruturas bidimensionais. Os autores agradecem ao prof. Reidar Bjorhovde por sua minuciosa revisão do texto e por seus valiosos comentários e sugestões; ao prof. David Anderson por sua revisão adicional do livro, garantindo que o texto em inglês estivesse dentro dos padrões recomendáveis; a Liliana Marques e José Alexandre Henriques, alunos de doutorado da Universidade de Coimbra, por sua ajuda com os exemplos de dimensionamento do capítulo 4; ao Prof. Tiago Abecasis por detectar inúmeros erros no manuscrito original, a Filipe Dias e toda equipe do CMM e do ECCS por todo trabalho editorial e de digitação que tornaram possível o fechamento dos dois anos de trabalho que foram necessários para completar este projeto. xix Luís Simões da Silva Rui Simões Helena Gervásio Pedro Vellasco Luciano Lima