LABORATÓRIO DE ESTRUTURAS METÁLICAS Professor: Msc. Juliano Geraldo Ribeiro Neto Monitor: Ruan Correia da Silva Peres Rev. 00
SUMÁRIO 1 Memorial Descritivo... 5 1.1 Sistema Estrutural... 5 1.2 Paredes... 5 1.3 Cobertura... 5 1.4 Revestimento... 5 1.5 Pisos... 5 1.6 Esquadrias e Ferragens... 5 1.7 Instalações Elétricas e Hidros sanitária... 5 1.8 Pintura... 6 1.9 Dados Preliminares... 6 2 Especificação dos Materiais... 7 3 Normas Adotadas... 7 4 Softwares... 7 5 Informações dos Materiais... 7 5.1 Painel Wall... 7 5.2 Telha... 8 6 Elementos Estruturais... 8 6.1 Treliças... 9 6.2 Telhas... 9 6.3 Terças... 10 6.4 Linha de Corrente... 10 6.5 Contraventamentos... 10 7 Pré-Dimensionamento... 12 7.1 Terças... 12 7.2 Tesouras ou Treliças... 12 7.3 Pilares... 12 7.4 Vigas... 13 8 Ações Atuantes na estrutura... 13 8.1 Ações Permanentes (G):... 13 2
8.2 Ações Variáveis (Q1):... 13 8.3 Ação Variável Devida ao Vento (Q2):... 13 9 Exemplo Calculado com Programa Visual Ventos... 14 10 Pré-Dimensionamento Para o Exemplo... 25 11 Carregamentos... 25 12 Carregamentos e Análise Estrutural... 27 12.1 Terças... 27 12.1.1 Peso Próprio... 28 12.1.2 Carga Permanente... 29 12.1.3 Sobrecarga... 30 12.1.4 Vento 0... 31 12.1.5 Vento 90... 32 12.2 Pórtico... 33 12.2.1 Peso Próprio... 34 12.2.2 Carga Permanente... 35 12.2.3 Sobrecarga... 36 12.2.4 Vento 0... 37 12.2.5 Vento 90... 39 12.3 Viga Secundária do Mezanino... 41 12.3.1 Peso Próprio... 41 12.3.2 Carga Permanente... 42 12.3.3 Sobrecarga... 43 12.4 Viga Principal do Mezanino... 44 12.4.1 Peso próprio... 45 12.4.2 Carga Permanente... 46 12.4.3 Sobrecarga... 47 12.5 Viga de Coroamento... 48 12.5.1 Peso Próprio... 49 12.5.2 Vento 0... 51 13 Combinações... 52 14 Resumo dos Esforços... 57 15 Dimensionamento... 57 15.1 Terças... 58 3
15.2 Banzo Superior e Inferior... 59 15.3 Montantes e Diagonais... 60 15.4 Pilar do Pórtico... 60 15.5 Viga do Mezanino... 61 15.5.1 Viga Secundaria do Mezanino... 61 15.5.2 Viga Principal do Mezanino... 62 15.6 Viga de Coroamento... 62 16 Resumo dos Materiais... 63 17 Referências... 64 4
1 Memorial Descritivo Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas O presente trabalho tem por objetivo a realização de um galpão em estruturas metálicas com mezanino (para escritório), para uso de depósito de armazenamento de materiais, com área de 450 m², localizado na cidade de Goiânia-Go. 1.1 Sistema Estrutural Pórtico com treliça de banzo trapezoidal e colunas de alma cheia, engastados na base e modulados a cada 6 metros vencendo vão de 15 metros. 1.2 Paredes As paredes serão executadas com blocos de concreto e com argamassa de assentamento conforme ABNT NBR 13281:2005. 1.3 Cobertura Para a cobertura de duas águas serão usadas tesouras com perfis metálicos; devidamente espaçados e telhas térmicas EPS, aço- filme. 1.4 Revestimento 1.5 Pisos As paredes serão revestidas com argamassa de cimento, cal e areia. Será executado um contrapiso de concreto com tratamento superficial no térreo e no Mezanino será utilizado painel Wall. 1.6 Esquadrias e Ferragens As esquadrias serão metálicas. Porta frontal (5,0m x 4,0m),3 janelas tipo basculante laterais de cada lado de (3,0m x 1,0m). 1.7 Instalações Elétricas e Hidros sanitária Serão executadas de acordo com as normas da ABNT. 5
1.8 Pintura Massa PVA e tinta à base de água nas paredes internas, nas paredes externas textura, e, óleo na esquadria de ferro. 1.9 Dados Preliminares - Local de Implantação: Goiânia GO. - Utilização: Armazenamento de materiais - Comprimento: 30000 mm - Largura: 15000 mm - Altura: 6000 mm - Espaçamento entre pórticos: 6000 mm - Numero de pavimentos: 1 - Mezanino: sim - Fechamentos frontais: Alvenaria até 3000 mm e o restante em telha metálica termo acústica, aço filme. - Fechamentos laterais: Alvenaria até 3000 mm e o restante em telha metálica termo acústica, aço filme. - Aberturas: Uma porta na fachada frontal de 5000x4000 mm, 3 janelas tipo basculante laterais de cada lado de (3000mmx1000mm). - Cobertura: Duas águas e inclinação de 8%, telha metálica Figura 1 - Esquema geral de um galpão simples (CHAVES,2007). 6
2 Especificação dos Materiais Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas - Colunas e Vigas: ASTM A572 G50 - Tirantes, Contraventamentos e Terças: ASTM A36 - Parafusos: ASTM A325 - Soldas: Eletrodo E-70XX 3 Normas Adotadas - NBR8800/86 Projeto e Execução de Estruturas de Aço de Edifícios - NBR6120/80 Cargas para o cálculo de estruturas de edificações - NBR6123/88 Forças devidas ao vento em edificações 4 Softwares - Ftool Versão educacional 2.12; - Visual Ventos versão 2.0.2; - Visual Metal; - AutoCad 2015; - Programas elaborados no Microsoft Excel versão 2013. 5 Informações dos Materiais 5.1 Painel Wall Figura 2 - Esquema de montagem do mezanino (catálogo Eternit). 7
Espessura: 40 mm Largura: 1,20 metros Comprimento: 2,5 metros Peso Próprio: 96 kg; 32kg/m² Área: 3m² OBS: No manual informa que a instalação do painel Wall requer uma viga secundária a cada 1,25 metros. 5.2 Telha Figura 3 - Telha termo acústica Espessura: 30 mm Peso Próprio aço filme: 6,03 kg/m² Vão máximo aço filme: 1800 metros Inclinação mínima: 8% 6 Elementos Estruturais 8
6.1 Treliças São as armações que correspondem ao sistema de viga estruturais treliçadas, ou seja, estruturas isostáticas ou hiperestáticas executadas com barras situadas num plano ligadas umas às outras em suas extremidades por articulações denominadas nós, em forma de triângulos interligados e constituindo uma cadeia rígida, apoiada nas extremidades. A figura 4 representa um modelo de treliça. Figura 4 - Modelo de treliça 6.2 Telhas As funções da telha a ser utilizada são: isolação térmica, maior estanqueidade, durabilidade. Além da função de qualquer telha como proteção contra chuvas, raios solares, entre outros. Exemplo de telha termo acústica aço filme conforme figura 5. Figura 5 - Telha usual para galpões (Catálogo Isoeste). 9
6.3 Terças A função principal das terças é servir de apoio às telhas de cobertura e de elemento estabilizante das peças em que se apoiam. Às terças, apoiam-se transversalmente nas tesouras e reduzem o comprimento de flambagem das mesmas. A ligação das terças nas tesouras pode ser feita com parafusos ou solda. 6.4 Linha de Corrente Nos casos em que as telhas não garantem a estabilidade lateral das terças, existe a necessidade de utilizar travamentos, denominados linhas de corrente, contendo a terça lateralmente. (Vieira, 2009). A figura 6 demonstra linhas de correntes para estabilização das terças. Figura 6 - Linha de corrente para estabilidade das terças. (Vieira,2009). 6.5 Contraventamentos E um sistema de ligação entre os elementos principais de uma estrutura, cuja função é aumentar a rigidez da edificação, conseguindo assim suportar efeitos do vento e outras cargas horizontais. A figura 7 mostra um exemplo de contraventamentos. 10
Figura 7 - Sistema de contraventamentos. (Vieira,2009). A figura 8 mostra as partes de um galpão simples. Figura 8 - Partes de um galpão simples. (Pravia,2010). 11
7 Pré-Dimensionamento O pré-dimensionamento será realizado com as recomendações do Eng. Ildony Hélio Bellei, lembrando que essas recomendações são para uso diário e não se enquadram em casos especiais. 7.1 Terças Para terças e vigas de tapamentos. L< h <L 60 40 Onde L e o vão da terça e h a altura do perfil. 7.2 Tesouras ou Treliças L< HT <L 15 8 Onde L e o comprimento do vão e HT a altura da treliça. 7.3 Pilares Colunas de Alma cheia sem vigas de rolamento. H< h <H 30 20 Onde H e a altura da coluna e h a altura para o perfil. 12
7.4 Vigas Onde L e o comprimento do vão e h a altura do perfil. L< h <L 30 20 8 Ações Atuantes na estrutura 8.1 Ações Permanentes (G): De acordo com a NBR 8681:2003 as ações permanentes são formadas pelo peso próprio dos elementos da construção, incluindo o peso próprio de todos os elementos construtivos permanentes, peso de equipamentos e instalações. 8.2 Ações Variáveis (Q1): As ações variáveis têm como objetivo contabilizar aquelas ações que passam despercebidas durante o levantamento dos carregamentos como: pessoas executando manutenção no telhado, isolamento térmico e acústico, pequenas peças fixadas a estrutura(ate um limite superior de 5 Kgf/m²), apoio de instalações elétricas e hidráulicas, entre outras.conforme ABNT NBR8800: 2008, item B.5.1, do anexo B, adotamos 0,25 KN/m² em projeção horizontal sobre toda a cobertura. 8.3 Ação Variável Devida ao Vento (Q2): A ação do vento na estrutura deve ser calculada de acordo com a ABNT NBR 6123:1988. Em estruturas não contempladas por tal norma e necessária a realização de ensaios de túnel de vento para a determinação correta das ações. 13
9 Exemplo Calculado com Programa Visual Ventos As áreas destacadas, são as áreas onde se deve entrar com dados no software. Figura 9 Dados iniciais para cálculo de vento utilizando o software visual ventos. 14
Figura 10 Velocidade Vo. De acordo com mapa de isopletas, o usuário deve escolher o valor do vento básico que é definido a partir da região onde será construída a obra, tabela 1 NBR 6123. 15
Figura 11 - Fator topográfico. Fator Topográfico (S1): Este fator leva em consideração as variações da superfície do terreno. 16
Figura 12 - Fator de rugosidade. Fator de Rugosidade (S2): É o fator combinado entre a categoria da rugosidade do terreno, a variação da velocidade do vento com a altura acima do terreno e das dimensões da edificação. 17
Figura 13 - Fator Estatístico. Fator Estatístico (S3): O fator estatístico considera o grau de segurança e a vida útil da edificação, com base em um período de 50 anos. 18
Figura 14 - Coeficiente de pressão externa - paredes. Coeficiente de pressão externa Cpe para parede são especificados na tabela 4 da ABNT NBR 6123. 19
Figura 15 - Coeficientes de pressão externa para cobertura. Os coeficientes de pressão e de forma, externos, são calculados de acordo com a tabela 5 da ABNT NBR 6123, quando o telhado tem inclinações diferentes dos intervalos da tabela pode-se chegar aos valores através de interpolação linear. 20
Figura 16 - Coeficientes de pressão externa Ocálculo dos coeficientes de pressão interna éfeito de acordo com as indicações do item 6.2 da ABNT NBR 6123/88. 21
Figura 17 - Combinação dos coeficientes de pressão. 22
Figura 18 - Esforços resultantes Multiplicando os coeficientespela pressão dinâmica q e pela distância entre os pórticos d. Carga: Coeficiente x q x d = [N/m] 23
Figura 19 - Relatório.. 24
10 Pré-Dimensionamento Para o Exemplo De acordo com as recomendações do item 7, chegou-se aos seguintesperfis. PRÉ-DIMENSIONAMENTO DAS PEÇAS Peça L/60 L/40 Valor escolhido (mm) Perfil Escolhido Terça 100 150 100 Perfil U 4" 8,04 Peça L/15 L/8 Valor escolhido (mm) Perfil Escolhido Treliça 1000 1875 1000 HT = 1500 Peça L/30 L/20 Valor escolhido (mm) Perfil Escolhido Pilares 200 300 200 W 200x15 Peça L/30 L/20 Valor escolhido (mm) Perfil Escolhido Vigas Principais 250 375 250 W 250x17,9 Vigas Secundárias 200 300 200 W 200x15 Tabela 1: Pré-dimensionamento. 11 Carregamentos Considere um galpão típico como o galpão da figura 22. 25
Figura 20 - Galpão típico. (Acervo próprio). Seráconsiderada treliças planas para o dimensionamento. Para lançar os carregamentos será considerado a área de influência de atuação das cargas, transformando os carregamentos distribuídos em cargas pontuais. A figura 23 mostra a área de influência considerada. Figura 21 - Área de influência considerada para os nós da treliça. (Acervo próprio). É fácil perceber que as áreas de influência e a média das áreas entre os nós como demostrado a seguir: 26
b1 2 + b1 2 = b1 e1 2 + e1 2 = e1 Logo pode-se concluir que o produto de e1 x b1 é a área de influência para um nó ou terça. 12 Carregamentos e Análise Estrutural 12.1 Terças Descrição Perfil U 6" 8,04 Largura entre as terças 1,50 m Distância entre os pórticos 6,00 m Peso Próprio 0,08 kn/m Telha 0,06 kn/m² Sobrecarga 0,25 kn/m² Vento 0-2,82 kn/m Vento 90-3,08 kn/m Telha: 0,06 KN/m² x 1,5 m = 0,09 KN/m Sobrecarga: 0,25 KN/m² x 1,5 m = 0,38 KN/m Vento 0: (-2,82 KN/m /6 m) x1,5 m = -0,71 KN/m Vento 90: (-3,08 KN/m /6 m) x 1,5 m = -0,77 KN/m 27
12.1.1 Peso Próprio 12.1.1.1 Esforço Cortante 12.1.1.2 Momento Fletor 28
12.1.2 Carga Permanente Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 12.1.2.1 Esforço Cortante 12.1.2.2 Momento Fletor 29
12.1.3 Sobrecarga 12.1.3.1 Esforço Cortante 12.1.3.2 Momento Fletor 30
12.1.4 Vento 0 12.1.4.1 Esforço Cortante 12.1.4.2 Momento fletor 31
12.1.5 Vento 90 12.1.5.1 Esforço Cortante 12.1.5.2 Momento Fletor 32
12.2 Pórtico Descrição Peso Estimado Largura entre as terças Distância entre os pórticos Pilar W 200 x 15 Terça + Telha Sobrecarga Vento 0 Vento 90 0,20 kn/m² 1,50 m 6,00 m 0,15 kn/m 0,17 kn/m 0,25 kn/m² -2,82 kn/m -3,08 kn/m Carregamentos Laterais Esquerda Direita vento 0-2,82 2,82 kn/m vento 90 3,48 1,97 kn/m Peso Próprio: 0,2 KN/m²x 1,5 m x 6,0 m = 1,8 KN Terça + Telha: 0,17 KN/m² x 6,0 m = 1,03 KN Pilar: 0,15 KN/m² x 6 m = 0,9 KN Sobrecarga: 0,25 KN/m² x 1,5 m x 6,0 m = 2,25 KN/m Vento 0: -2,82 KN/m² x1,5 m = -4,23 KN Vento 90: -3,08 KN/m² x 1,5 m = -4,62 KN Para as cargas na cobertura do pórtico a forma correta e decompor as forças em forças Fx e Fy, porém será simplificado, e será usado somente a força vertical, considerando que as cargas horizontais ( Fx) são muito baixas. 33
12.2.1 Peso Próprio 12.2.1.1 Esforço Normal Os efeitos de cortante e momento fletor são praticamente nulos. 34
12.2.2 Carga Permanente Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 12.2.2.1 Esforço Normal Os efeitos de cortante e momento fletor são praticamente nulos. 35
12.2.3 Sobrecarga 12.2.3.1 Esforço Normal Os efeitos de cortante e momento fletor são praticamente nulos. 36
12.2.4 Vento 0 12.2.4.1 Esforço Normal 37
12.2.4.2 Esforço Cortante Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 12.2.4.3 Momento Fletor 38
12.2.5 Vento 90 12.2.5.1 Esforço Normal 39
12.2.5.2 Esforço Cortante Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 12.2.5.3 Momento Fletor 40
12.3 Viga Secundária do Mezanino Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas Descrição Perfil W 200 x 15 Distância entre as vigas 1,25 m Comprimento das vigas 6,00 m Peso Próprio 0,15 kn/m CP +PS+PW 1,72 kn/m² Sobrecarga de escritório 2,00 kn/m² Peso Próprio: = 0,15 KN/m Carga Permanente: Painel Wall: 37,51 kg/m² Contra piso 4cm: 84 kg/m² Porcelanato: 50,27 kg/m² Total: 171,78 kg/m² Carga Permanente: 171,78 kg/m² x 1,25 m = 2,15 KN/m Sobrecarga: 2 KN/m² x 1,25 m = 2,5 KN/m 12.3.1 Peso Próprio 41
12.3.1.1 Esforço Cortante Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 12.3.1.2 Momento Fletor 12.3.2 Carga Permanente 42
12.3.2.1 Esforço Cortante Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 12.3.2.2 Momento Fletor 12.3.3 Sobrecarga 43
12.3.3.1 Esforço Cortante Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 12.3.3.2 Momento Fletor 12.4 Viga Principal do Mezanino Descrição Perfil W 250x17,9 Distância entre as vigas - m Comprimento das vigas 7,50 m Peso Próprio 0,18 kn/m Sobrecarga de escritório 2,00 kn/m² Peso Próprio: = 0,18 KN/m Carga Permanente: será utilizada as reações que as cargas permanentes e o peso próprio da viga secundária levam para viga principal, essas reações serão cargas pontuais nas vigas principais. 44
Q = PP+CP q = (0,15 + 2,15) = 2,3 KN/m Ma = 0 2,3 x 6 x 3 6 Vb = 0 Vb = 6,9 KN Sobrecarga: será utilizada as reações que a sobrecarga da viga secundária leva para viga principal, essas reações serão cargas pontuais nas vigas principais. Q = SC q = 2,5 KN/m Ma = 0 2,5 x 6 x 3 6 Vb = 0 Vb = 7,5 KN 12.4.1 Peso próprio 45
12.4.1.1 Esforço cortante 12.4.1.2 Momento Fletor 12.4.2 Carga Permanente 46
12.4.2.1 Esforço Cortante Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 12.4.2.2 Momento Fletor 12.4.3 Sobrecarga 47
12.4.3.1 Esforço Cortante Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 12.4.3.2 Momento Fletor 12.5 Viga de Coroamento Será considerado os esforços devido ao peso próprio e ao vento a 0. Carga permanente Carga variável Viga de Coroamento Peso próprio do perfil 0,15 KN/m Vo 35 m/s dist. De influência 7,50 m Vk 27,65 m/s q 468,65 N/m² Carregamentos Laterais Esquerda Direita vento 0 2,46-1,05 kn/m 48
Peso Próprio: = 0,15 KN/m Para incidência do vento 0: Vo = 35 m/s Vk = Vo x S1 x S2 x S3 Vk = 35 x 1 x 0,79 x 1 Vk = 27,65 m/s q = 0,613 x Vk² q = 0,613 x 27,65² q = 468,65 N/m² Coeficientes: + 0,7 e 0,3 Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas Para encontrar a carga provocada pelo vento 0 na seção transversal da edificação: Carga = 0,7 x 468,65 N/m² x 7,5 m = 2,46 KN/m Carga = - 0,3 x 468,65 N/m² x 7,5 m = - 1,05 KN/m 12.5.1 Peso Próprio 49
12.5.1.1 Esforço Normal Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 12.5.1.2 Esforço Cortante 12.5.1.3 Momento Fletor 50
12.5.2 Vento 0 12.5.2.1 Esforço Normal 12.5.2.2 Esforço Cortante 51
12.5.2.3 Momento Fletor Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 13 Combinações De acordo com a NBR 8800 o carregamento para uma estrutura é definido pela combinação de ações que tem uma probabilidade não desprezível de atuar sobre a estrutura, durante o período estabelecido para o projeto. Os coeficientes de ponderação são retirados da ABNT NBR 8800:2008 nas tabelas 1 e 2 conforme as figuras 22 e 23. 52
Figura 22 - Tabela com coeficientes de ponderação da ABNT NBR 8800:2008 53
Figura 233 - Tabela com fatores de combinação da ABNT NBR 8800. De acordo com a NBR 8800 para cada combinação se aplica a seguinte expressão: F d = Σ (γ gi F G k i, ) + γ q1 F + Σ (ψ γ 0j F k Qj, ) onde: 54
FGi,k representa os valores característicos das ações permanentes; FQ1,k é o valor característico da ação variável considerada principal para a combinação; FQj,k representa os valores característicos das ações variáveis que podem atuar concomitantemente com a ação variável principal. Para o nosso exemplo será utilizado as seguintes combinações: 1 1,25 x PP + 1,35 x CP + 1,5 x SC + 1,4 x 0,6 x V0 2 1,25 x PP + 1,35 x CP + 1,5 x SC + 1,4 x 0,6 x V90 3 1,25 x PP + 1,35 x CP + 1,4 x V0 + 1,5 x 0,8 x SC 3 1,25 x PP + 1,35 x CP + 1,4 x V90 + 1,5 x 0,8 x SC 5 PP + CP + 1,4 x V0 6 PP + CP + 1,4 x V90 7 1,25 x PP + 1,35 x CP + 1,5 x SC Para as combinações será utilizada os esforços de maiores valores para cada peça. Gerando os seguintes resultados: Tabela 2: Resultados das combinações para os esforços normais. 55
Tabela 3: Resultados das combinações para os esforços cortante. Tabela 4: Resultados das combinações para os esforços demomento fletor. 56
14 Resumo dos Esforços Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas Abaixo tabela com o resumo dos esforços críticos que serão utilizados para o dimensionamento. Tabela 5: Resumo dos esforços para dimensionamento. 15 Dimensionamento Para o dimensionamento será utilizado o software visual metal. Figura 24 - Interface do software. 57
Figura 25 - Escolha do aço. Clique em aço e escolha o aço desejado. 15.1 Terças Primeiro escolha o perfil desejado para cálculo. 58
Após a entrada de dados, aperte a tecla calcular e verifique a mensagem. 15.2 Banzo Superior e Inferior 59
Para os banzos o ideal e testar o perfil tanto para tração como para compressão, no exemplo será testado somente para compressão, pois os efeitos da compressão tendem a serem mais críticos. 15.3 Montantes e Diagonais Foi escolhido o perfil em dupla cantoneira. 15.4 Pilar do Pórtico Lflx= Kx. Lx Lflx= 0,8. 6 Lflx= 4,8 m Lfly= Ky. Ly Lfly=0,8. 6 Lfly= 4,8 m 60
15.5 Viga do Mezanino 15.5.1 Viga Secundaria do Mezanino 61
15.5.2 Viga Principal do Mezanino 15.6 Viga de Coroamento 62
16 Resumo dos Materiais Apostila: Laboratório de Estruturas Metálicas 63
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