Estruturas Metálicas Módulo IV Colunas
COLUNAS Definição São elementos estruturais cuja finalidade é levar às fundações as cargas originais das outras partes. Sob o ponto de vista estrutural, as colunas podem ser divididas em: principais, que suportam a maior parcela das cargas, e secundárias, que suportam menor parcela da carga (colunas de tapamento). Basicamente, cada coluna é composta de três partes principais: fuste, que é o elemento portante básico da coluna; ponto de ligação, que serve de apoio para as outras partes da estrutura e a base, que tem por finalidade distribuir as cargas nas fundações, além de fixá-la. Com relação à fixação das bases, as colunas se subdividem em rotuladas e engastadas, ver detalhe abaixo: 1
As colunas podem estar sujeitas a esforços de compressão; compressão com flexão; tração com flexão (caso de pendurais e o caso de algumas colunas, quando solicitadas a peso próprio mais vento). Nas colunas sujeitas a cargas de compressão, podemos dividi-las em compressão centrada, em que as cargas estão aplicadas diretamente no centro da seção da coluna (Fig. a) ou de forma simétrica em relação ao eixo do fuste (Fig. b,c) e compressão excêntrica, em que as cargas estão aplicadas descentradas em relação ao eixo do fuste (Fig. d,e). Nos dois casos também pode ocorrer à flexão simultânea, típica de colunas de galpões industriais. 2
Colunas de alma cheia O tipo de fuste de uma coluna de alma cheia e altura constante são formados por um ou vários perfis laminados ou soldados, ligados por solda ou parafusos. Uma série de composições para formação do fuste é mostrada na figura abaixo: Arranjos de Vigas de Alma Cheia e Coluna Tubular 3
Obs.: Para haver uma boa economia é importante um bom equilíbrio de rigidez nos dois sentidos. O perfil tubular Fig.(a) é o mais racional sob o ponto de vista de trabalho, mas de pouco uso em edifícios industriais, pela escassez de tubos, maior custo e dificuldade de ligações. A seção básica para uso em edifícios é o tipo I, Fig.(b) ou H Fig.(c), laminado ou soldado. O perfil laminado é pouco usado, devido ao seu baixo raio de giro no sentido da menor inércia( ou seja no sentido do eixo Y ). É utilizado em edifícios pequenos sem pontes rolantes ou em colunas de tapamento de pouca altura. O perfil laminado H é ideal, por possuir os raios de giro muito próximos, tem grande aplicação até 400 mm a 450 mm de altura. Acima dessas medidas, é mais econômico usar perfis soldados compostos por três chapas (Fig. c). Nas Fig. (d) e (e) são usadas alternativas para composição com perfis laminados. Esses perfis são poucos usados, sendo mais econômico o uso de perfis soldados. A alternativa apresentada na Fig.g é muito usada em edifícios com pontes rolantes com H de aproximadamente 1m a 1,2 metros. As soldas de ligação entre alma e mesa e a de composição podem ser intermitentes, exceto perto de locais de ligação com outras partes da estrutura e próximo da base em que as soldas devem ser contínuas. Ao se usar solda intermitente, deve-se ter o cuidado de verificar se as colunas não estão em zonas agressivas ou sem proteção às intempéries. Nestes casos, pode haver corrosão de dentro para fora, sendo mais vantajoso fazer a solda contínua, como é o caso dos fabricantes que possuem equipamentos de solda automática ou semi-automática. Para a composição dos perfis soldados, a rigor pode-se usar qualquer espessura de material, desde que atenda às relações largura/espessura especificadas nas normas. A prática tem nos indicado o seguinte: tf espessura da mesa de 8 mm a 50 mm tw espessura da alma de 6 mm a 25 mm 4
Podemos estabelecer para pré-dimensionamento de colunas as seguintes relações: Para colunas de galpões sem ponte rolante com altura constante e vigas de alma cheia, pode ser utilizado como referencia as relações de altura de coluna em função do comprimento, H = L/20 a L/30 Ver Figura abaixo: H/L 1/20 a 1/30 Ex. Dimensionar previamente a altura do perfil da coluna abaixo: 5
Fazendo a divisão: 6000/30=200mm a H=6000/20=300mm. Colunas Treliçadas O fuste de uma coluna treliçada ou travejada é composto de um ou vários perfis laminados, ligados por chapa ou cantoneiras situadas nos planos das mesas. A vantagem básica das colunas treliçadas é a possibilidade de ser obtida resistência equivalente às de alma cheia, embora se tenha um pequeno acréscimo de mão-de-obra na fabricação. Ver arranjo de perfis conforme as figuras abaixo: A seção do fuste é normalmente formada por dois Us laminados com abas orientadas para dentro (Fig.a). A solução indicada na Fig.b, com os Us tendo as abas orientadas para fora, é menos vantajosa que a anterior, pois se gasta mais material para se obter a mesma inércia. Esta solução era adotada para ligações rebitadas, o que facilitava a cravação dos rebites. 6
A seção em duplo I (Fig.c) é utilizada para grandes cargas quando não é possível utilizar o duplo U. Uma seção muito utilizada é a composta por quatro cantoneiras (Fig. d) para colunas de grandes dimensões, como mastro lança de guindastes, etc. É uma seção muito econômica em material, mas bastante trabalhosa na fabricação. Existe uma série de maneiras de fazer a interligação dos perfis que vão compor a seção desejada. Podem ser utilizadas as treliças Warren (Fig. a), treliças tipo Pratt (Fig. b), treliças com diagonais cruzadas (Fig. c); ou apenas talas para união (Fig. d) este modelo não é previsto em norma NBR 8800, portanto deve ser evitado. Outro sistema usado é a interligação dos perfis por meio de chapas vazadas, formando um caixão (Fig. e) em que a chapa é unida ao perfil por meio de solda intermitente. 7
Colunas-suporte de vigas de rolamento As colunas-suporte de vigas de rolamento (ponte rolante) podem ser de inércia constante ou variável, estando ambas submetidas a esforços de compressão com flexão. Distinguimos, de acordo com o esquema do fuste, três tipos de coluna nos galpões industriais. Colunas de seção constante As colunas deste tipo são utilizadas nos prédios com pontes rolantes com capacidade de carga de 10 tf a 15 tf, que transfiram uma reação de no máximo 25 tf,ver colunas com console figura A. 8
Colunas de seção variável (escalonadas) de alma cheia ou treliçadas As colunas deste tipo são mais usadas em prédios industriais e servem para quase todas as cargas ver figuras B, C, e D. A parte inferior da coluna, com inércia maior, está situada abaixo da viga de rolamento, e a parte superior, com inércia menor, acima. Nas colunas laterais devemos distinguir o perfil que suporta diretamente a carga da ponte e o perfil externo. Os perfis que compõem a parte inferior das colunas podem ser ligados por meio de chapas formando colunas maciças (Fig. C) ou por meio de cantoneiras, formando colunas treliçadas (Fig. D). A parte superior normalmente é feita em perfil soldado isolado e, em alguns casos, laminados ou treliçados. 9
Emendas de colunas As colunas com comprimento maior que 12 m (padrão máximo de chapas perfis) devem ser emendadas na oficina ou no campo durante o processo de montagem. A distância da obra e o sistema de transporte é que determinam se a emenda será executada na oficina ou no campo e o tipo de ligação, soldada ou parafusada. A junta mais simples e, por isso, a mais recomendável, é a junta direta topo a topo, com penetração total. Outro tipo muito empregado é a emenda com talas de junção; nesse caso, as talas devem ter a mesma área da parte a ligar (podendo ser soldadas ou parafusadas) e comprimento suficiente para transmitir as cargas. As juntas feitas com parafusos são mais trabalhosas e mais caras, pois não se pode descuidar da perda de área por causa dos furos. Se há predominância de carga vertical à compressão, e se a junta for por contato direto, pode-se fazer a seguinte suposição: transmissão por contato igual a 50% do esforço vertical e o restante 50% por meio das talas de ligação. 10
Esbeltez Limite As principais normas recomendam que a esbeltez limite das colunas (λ ) não deve ultrapassar 200. A prática indica que as colunas que suportam pontes rolantes devem ter um índice de esbeltez limitado em 120. O índice de esbeltez é calculado como mostrado no exemplo abaixo: Comprimento de flambagem Denomina-se comprimento de flambagem e a distância entre os pontos de inflexão da seção deformada do pilar, cujas posições dependem das condições de apoio. Os casos mais usuais estão indicados na figura abaixo: = altura do pilar = comprimento de flambagem que está relacionado ao tipo de fixação da coluna ÍNDICE DE ESBELTEZ O índice de esbeltez de um pilar é dado por: = 11
Pode-se dizer que, quanto maior a esbeltez, maior a possibilidade de o elemento comprimido flambar. A convenção adotada para a determinação do índice de esbeltez, neste trabalho, está mostrada na figura abaixo, onde é apresentado um exemplo para a determinação do índice de esbeltez de uma seção retangular com relação à direção x. Sendo assim, é a esbeltez relacionada à possibilidade do pilar flambar e se deslocar na direção x. Resumindo: o índice x representa a direção na qual o pilar vai se deslocar em decorrência da flambagem. Exemplo de calculo do índice de esbeltez. Para o perfil da coluna acima,considerando a situação 2 onde Le=1XL e utilizando os dados da tabela abaixo temos: Raio de giração no eixo X=6,18cm Raio de giração no eixo Y=2,22 cm Altura da coluna = 500 cm Le=1X500=500 12
Portanto, λ(x)=500/6,18=80,9 e, λ(y)=500/ 2,22=225,2 A coluna apresenta o índice de esbeltez no eixo X (80,9), dentro da especificação da norma ou seja menor que 200, porem no eixo Y (225,2), esta com o índice maior que 200, sendo assim esta coluna não passa. Bases das colunas. 13
Introdução As bases de coluna têm por objetivos básicos: (a) distribuir a pressão concentrada do fuste da coluna sobre uma determinada área da fundação; e (b) garantir a vinculação da extremidade inferior do fuste da coluna de fundação, de acordo com o sistema estrutural adotado. De uma forma muito genérica, a metodologia para o cálculo de placas de base admitidas nas normas atuais segue um raciocínio simples. No caso de carga centrada, primeiro se estabelece a superfície mínima necessária que permita transmitir a carga vertical de maneira que a tensão última do concreto não seja ultrapassada. A partir daí, o raciocínio se inverte e tudo passa a ser tratado como uma placa com determinadas condições de contorno, carregada de baixo para cima. Em muitos casos, se a placa tiver uma área maior, por questões construtivas quaisquer, a tensão produzida no concreto logicamente será menor. Ainda assim, é comum tomar a tensão última do concreto para carregar a placa. Com isso tem-se o carregamento da placa definido. O outro ponto para o dimensionamento é a condição de contorno, que irá variar de acordo com cada caso de projeto. A melhor alternativa em termos construtivos é quando se dimensiona uma placa simples, sem a necessidade de enrijecedores. Por outro lado, se a placa ficar muito espessa, pode-se optar pela utilização de enrijecedores. Os enrijecedores alteram as condições de contorno da placa, modificando completamente seu comportamento. Nesse caso o dimensionamento deve ser feito com base nos esforços solicitantes obtidos pelas expressões tradicionais da Teoria de Placas e Cascas. A carga imposta é considerada uniformemente distribuída sob a placa de base, que é dimensionada admitindo critérios de plastificação do aço da placa. Outra situação possível é quando ocorre um momento fletor associado à carga axial da compressão. Nesse caso, tem-se a tradicional flexo-compressão reta. Ou seja, a linha neutra se desloca mas não rotaciona. Neste caso, o que está tracionado terá que ser absorvido pelos chumbadores e o que está comprimido, com a distribuição de tensões que ocorrer, deverá ser absorvido pela placa de base em contato com o bloco de concreto, com os mesmos princípios citados anteriormente. Suponha-se ainda uma situação na qual exista uma carga axial de compressão e momentos fletores em relação aos dois eixos de dimetria da placa. Nesse caso tem-se flexão oblíqua composta. Isso significa que a situação de equilíbrio real envolveria uma translação e uma rotação da linha neutra. Isso significaria buscar uma posição tal que a área comprimida (em forma de um trapézio ou um triângulo de acordo com a magnitude dos carregamentos) estaria em equilíbrio com os chumbadores que ficaram na área tracionada, cada um com a tensão proporcional à deformação imposta. Ou seja, um 14
caso típico de flexão composta, como em pilares ou em sapatas, só que considerando chumbadores equilibrando. Em grande parte dos galpões não é comum se considerar momentos transmitidos nas duas direções porque isso significa economizar na estrutura e aumentar o problema nas fundações. Como boa parte dos terrenos onde são edificados galpões é de má qualidade, é usual não engastar nada. Dessa forma admite-se que as colunas são rotuladas na base, o que redunda em colunas mais robustas e menos esforços nas fundações. Opta-se pelo engastamento com o objetivo de minimizar o peso da estrutura metálica, as fundações podem ter seu custo severamente aumentado em função dos esforços de flexão que aparecem nas bases das colunas. Ademais, é questionável se um bloco de fundação, por maior que seja, pode garantir a condição de engaste perfeito. Por outro lado, os limites para os deslocamentos horizontais das estruturas correspondem a rotações tão pequenas nas bases que não justifica, na maioria dos casos, responsabilizarem a fundação por absorver essa rotação. Em casos de galpões com colunas treliçadas, que têm um espaçamento necessário entre os perfis, a transmissão do momento é quase uma condição, a não ser que se utilizem duas placas independentes, o que são se justificaria para grandes distâncias. Nesse caso, o dimensionamento funciona como flexocompressor reto. Na outra direção não tem momento. Considerando o exposto, será apresentada neste capítulo apenas a metologia para o cálculo de bases de colunas sujeitas à compressão simples e à flexo-compressão reta. Dimensões mínimas para bases de colunas Deve-se obedecer a algumas limitações com relação aos espaçamentos entre os chumbadores e o perfil da coluna, visando assegurar espaço suficiente para a colocação das porcas e a utilização das ferramentas de montagem. Também devem ser atendidas condições de espaçamento mínimo entre o chumbador e a borda da placa de base, para garantir o bom funcionamento da placa. Recomenda-se deixar um mínimo de 10 mm entre a borda da placa de base e qualquer ponto da Coluna 15
Comprimento de ancoragem dos chumbadores O comprimento de ancoragem dos chumbadores é determinado com base na hipótese da ruptura do concreto do bloco de fundação, na forma de um cone de arrancamento, como se observa nos ensaios. O quadro 2 abaixo apresenta o comprimento de ancoragem para chumbadores como gancho reto, determinado com base na resistência do cone de arrancamento para um concreto com ( 180 kgf./cm²). Considerou-se a resistência dos cones de arrancamento reduzida de 50% para compensar as perdas de áreas nas extremidades das fundações. Quadro 2 Comprimento de ancoragem dos chumbadores de gancho reto Quadro 3 Dimensões para bases de colunas com chumbadores com rosca e porca O Quadro 3 apresenta o comprimento de ancoragem para chumbadores com rosca e porca. Os parâmetros constantes desta tabela foram estabelecidos a partir de uma análise de modelos de blocos, 16
utilizando o Método dos Elementos Finitos, considerando a sobreposição dos cones de pressão no concreto para (180 kgf/cm²). Placas de Base Abaixo, tabela pratica de chapas e chumbadores em função das cargas de do perfil de alma cheia da coluna. Perfil Ø A B C D E Peso da Placa de base P máximo na placa de base H máximo no chumbador mm mm mm Mm mm mm mm kg t t I 152 16 200 240 140 16 6,0 10 3,6 I 203 16 200 240 140 16 7,5 15 3,6 I 254 16 240 300 140 19 10,7 26 3,6 I 305 22 240 350 140 19 12,5 33 7 VS 400 22 250 450 140 22 19,4 37 7 VS 450 22 250 500 140 22 150 21,5 42 14 VS 500 22 300 550 160 25 200 33,3 46 14 VS 550 22 300 600 160 25 250 35,3 48 14 17
Argamassas de assentamento de chapas metálicas As argamassas de assentamento de chapas metálicas, a colocar entre as fundações e as bases de pilar, serão de caráter hidráulico, com base num cimento com prioridades não retrateis. A resistência será especificada nos elementos do Projeto, com um mínimo de resistência característica à compressão de 250 kgf/cm². Argamassa de regularização e selagem sob placa de base de pilar Sapatas É a parte inferior do alicerce, portanto a mais larga; pode ser uma peça de madeira, metal ou concreto (betão) colocada sob o pilar que suporta o peso da construção ou uma peça em aço colocada sobre a estaca para facilitar a cravação. A sapata é um bloco de concreto armado construído diretamente sobre o solo dentro de uma escavação. A sapata mais comum é de seis ferros ou oito ferros, dependendo da resistência requerida, 18
sendo solução mais barata do que uso de estacas. Ela distribui o peso da obra por uma área maior e sustenta a coluna com base na pressão distribuída sobre uma maior superfície para conferir estabilidade à obra. O principio da estaca, por sua vez, é baseada no atrito que a estaca exerce pelas laterais sobre o solo onde está inserido. Ela pode ser isolada (só onde existem colunas) ou contínua (por toda a extensão da construção). B = largura da placa de base L = comprimento da placa de base = largura do bloco = comprimento do bloco = altura do bloco L x L + 2 (b a) L + 2 grout B x B + 2 (b a) B + 2 grout d + 100 mm Fundação Superficial Também chamada de fundação rasa ou direta, transmite a carga do edifício ao terreno através das pressões distribuídas sob a base da fundação. As fundações superficiais estão assentadas a uma profundidade de até duas vezes a sua menor dimensão em planta. Os principais tipos de fundação superficial são: 19
Bloco é o elemento de fundação de concreto simples, dimensionado de maneira que as tensões de tração nele produzidas possam ser resistidas pelo concreto, sem necessidade de armadura. Sapata é um elemento de fundação de concreto armado, de altura menor que o bloco, utilizando armadura para resistir a esforços de tração. Viga de fundação é um elemento que recebe pilares alinhados, geralmente de concreto armado, pode ter seção transversal tipo bloco, sem armadura transversal, sendo chamada de baldrame. Grelha elemento de fundação constituído por um conjunto de vigas que se cruzam nos pilares. Radier elemento de fundação que recebe todos os pilares da obra. 20