aÇÕes do vento em edificaÇÕes
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UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PELOTAS - UCPEL
ENGENHARIA CIVIL - CENTRO POLITÉCNICO
ESTRUTURASDE AÇO E MADEIRA
Profº HENRIQUE OTTO COELHO
AÇÃO DO VENTO EM
EDIFICAÇÕES E ESTRUTURAS DE
AÇO E MADEIRA
Acadêmicas
Vanra
Karen
Tássia
Valéria
Pelotas, outubro de 2011.
AÇÕES DO VENTO EM EDÍFICIOS
Observe estas imagens:
Na sua opinião, qual destas construções, a romana ou a atual deve sofrer maior ação dos ventos?
Histórico
Os estudos iniciais da ação dinâmica do vento em edificações são do final do século XIX, quando
Kernot e Mann (1891 a 1894) desenvolveram uma série de pesquisas experimentais em túnel de vento
sobre pequenos modelos de cubo, pirâmides, cones, cilindros, etc.
Eiffel fez seus primeiros ensaios no final do século XIX na Torre
Eiffel. Deixava seus modelos caírem em queda livre, com um
cabo-guia, de uma altura de cerca de 116 m. A partir da chamada
“velocidade final” calculava a força de arrasto no modelo.
Mas foi o caso clássico do colapso da Ponte de Tacoma Narrows
em 1940 um dos mais importantes acontecimentos que serviu de estímulo para o desenvolvimento
desse campo de pesquisa para a engenharia civil.
E HOJE??
Cada vez mais, o assunto Edifícios Altos tem ganhado destaque no âmbito da EngenhariaCivil, uma
vez que otimizam espaços e são uma solução para a explosão demográfica nas grandescidades. Ano
após ano, edifícios cada vez maiores têm sido construídos, incorporando tecnologiasavançadas e
técnicas modernas de construção e de projeto.Na esteira dessa evolução, muitos problemas foram
surgindo e sendo solucionados, namedida em que se tornavam impeditivos ao avanço para o alto.
Os primeiros edifícios do século XIX eram construídos em alvenaria, com paredes grossas, sendo
extremamente rígidos. Na medida em que subiam, foram impondo a necessidade de paredes cada vez
mais robustas, de maneira que os andares inferiores acabavam por ter suas áreas úteis prejudicadas.
O aço, o concreto armado e o concreto de alto desempenho – matérias alternativos na época – foram,
então, sendo incorporados ao contexto construtivo.
Com o passar dos anos, outros
materiais surgiram, levando a uma
redução cada vez mais fachadas leves
atuando apenas como tapamento sem
contribuição para a resistência e
rigidez do conjunto, levaram a
edificações mais esbeltas, flexíveis e
leves, com amortecimento reduzido. A
maior confiança nos métodos de cálculo e nos materiais utilizados contribuiu, ainda, para a redução
dos altos coeficientes de segurança utilizados, que camuflavam os efeitos dinâmicos.
Com estas mudanças nos conceitos estruturais, os efeitos dinâmicos do vento começaram a ser
sentidos. Sendo assim, um número crescente de casos em que as respostas induzidas pelo vento
tornavam-se importantes foi aparecendo.
Até meados dos anos 60, as considerações no projeto estrutural das forças devidas ao vento
estáticos, desconsiderando totalmente as características mecânicas e estruturais das edificações,
como sua rigidez, seu fator de amortecimento e sua distribuição de massas.
Atualmente, muitas normas de projeto já contemplam procedimentos para a previsão das respostas
dinâmicas. Podem-se citar como exemplos a NBR-6123/88 no Brasil, o NBCC/85 no Canadá e o
AS1170.2-1989 na Austrália, que estipulam, entre outras coisas, que estruturas com freqüência natural
de 1 Hz ou menos devem ser projetadas através de análise dinâmica.
Métodos analíticos alternativos aos procedimentos normalizados têm sido elaborados por diversos
pesquisadores, bem como programas computacionais que incorporam alguns deles, a exemplo do
SkyDyFe, desenvolvido por van Oosterhout (1996). Porém, a perfeita modelagem analítica das
interações vento-estrutura é matematicamente impraticável e, desta forma, aproximações acabam
sendo feitas.
Em geral, os métodos analíticos, normalizados ou não, superestimam o valor da resposta,
favorecendo a segurança; em contrapartida prejudicam as incorporações, na medida em qu imprimem
custos maiores de construção.
Cada vez mais, as estimativas das
respostas dinâmicas de edifícios altos
frente à ação dos ventos têm sido
obtidas com o auxílio de ensaios em
túneis de vento, em detrimento dos
processos analíticos. Desta forma é
possível que se obtenha uma previsão
mais apurada dos carregamentos,
resultando numa racionalização da estrutura, com conseqüente redução nos custos de produção.
Um dos primeiros ensaios em túnel de vento aplicados à engenharia civil data de meados da década
de 60, em decorrência do projeto do World Trade Center, em Nova Iorque (1972), sendo considerado
um divisor de águas. Desde então, diversos edifícios altos vêm sendo projetados com o seu auxílio,
tais como o Sears Towers em Chigaco (1974) e as duas torres gêmeas Petronas em Kuala Lumpur
(1998). Porém, estudos teóricos e experimentais aerodinâmicos têm sido conduzidos desde o início do
século XIX, ganhando força maior por volta de 1930, época na qual a construção dos arranha-céus
deu um salto considerável.
Estas técnicas têm evoluído de maneira veloz e consistente nos últimos anos, após os estudos
pioneiros de alguns pesquisadores, citando-se Davenport como exemplo. Destaque à Modelagem
Aeroelástica tem sido dado de maneira intensa e diversos dispositivos têm sido desenvolvidos e
utilizados em estudos de edifícios altos. Entretanto, ainda há muito espaço para pesquisa e
desenvolvimento, num campo de extrema importância para a manutenção da segurança e bem–estar
dos usuários de um dos mais desafiadores frutos da Engenharia Civil, os edifício altos.
O Projeto
Uma das principais inovações introduzidas pela ABNT NBR 6118:2003 diz respeito às exigências para
garantir que, independentemente da estrutura projetada, seja alcançada a vida útil prevista, para o
ambiente existente, com a manutenção preventiva especificada, dentro das condições de
carregamento impostas. Essas exigências devem ser adotadas de comum acordo e referendadas pelo
Proprietário ou por Preposto por ele indicado.
É muito importante identificar o grau de agressividade do ambiente, onde a estrutura será implantada ,
a fim de fixarmos a qualidade do concreto de cobrimento que deverá ser utilizado e também os
cobrimentos mínimos a serem adotados para garantir o perfeita proteção das armaduras ao longo do
tempo.
Vento
Mapa de Isopletas do Brasil - Curvas de vento de mesma velocidade
O vento é a principal carga incidental que age sobre as construções. Portanto, seu efeito em edifícios
deve ser sempre considerado, devendo o mesmo ser avaliado desde o início da concepção da
estrutura.
Para a velocidade básica (Vo) devem ser adotados valores iguais ou superiores aos das velocidades
de estabelecidas no gráfico de isopletas no Brasil que consta na norma ABNT NBR 6123:1988 –
“Forças devido ao vento em edificações – Procedimento”. Devem ser cuidadosamente determinados:
- O fator topográfico;
- O fator de rugosidade, dimensões da edificação e altura do terreno;
- O fator estatístico;
- Os coeficientes de arrasto em vento de baixa ou alta turbulência.
Como a norma salienta, nos casos de dúvida e em obras de excepcional importância, o projetista da
estrutura deve fazer um estudo específico de velocidade e obtenção dos coeficientes de força.
O vento não é um problema em construções baixas e pesadas com paredes grossas, porém
em estruturas esbeltas passa a ser uma das ações mais importantes a determinar no projeto de
estruturas. As considerações para determinação das forças devidas ao vento são regidas e calculadas
de acordo com a NBR 6123/1988 “Forças devidas ao vento em edificações”.
A maioria dos acidentes ocorre em construções leves, principalmente de grandes vãos livres,
tais como hangares, pavilhões de feiras e de exposições, pavilhões industriais, coberturas de
estádios, ginásios cobertos. Ensaios em túneis de vento mostram que o máximo de sução média
aparece em coberturas com inclinação entre 80 e 120, para certas proporções da construção,
exatamente as inclinações de uso corrente na arquitetura em um grande número de construções.
As principais causas dos acidentes devidos ao vento são:
a) falta de ancoragem de terças;
b) contraventamento insuficiente de estruturas de cobertura;
c) fundações inadequadas;
d) paredes inadequadas;
e) deformabilidade excessiva da edificação
Muitos casos não são considerados dentro da NBR 6123, porém quando a edificação, seja
por suas dimensões e ou forma, provoque perturbações importantes no escoamento ou por
obstáculos na sua vizinhança, deve-se recorrer a ensaios em túnel de vento, onde possam ser
simuladas as características do vento natural.
É importante definir alguns dos aspectos que regem as forças devidas ao vento, antes de
passar a seu cálculo. O vento é produzido por diferenças de temperatura de massas de ar na
atmosfera, o caso mais fácil de identificar é quando uma frente fria chega na área e choca-se com o ar
quente produzindo vento, esse tipo de fenômeno pode ser observado antes do início de uma chuva.
Define-se o termo barlavento com sendo a região de onde sopra o vento (em relação a edificação), e
sotavento a região oposta àquela de onde sopra o vento Quando o vento sopra sobre uma superfície
existe uma sobrepressão (sinal positivo), porem em alguns casos pode acontecer o contrário, ou seja
existir sucção (sinal negativo) sobre a superfície. O vento sempre atua perpendicularmente a
superfície que obstrói sua passagem.
O efeito do vento em edifícios deve ser sempre considerado, devendo o mesmo ser avaliado desde o
inicio da concepção da estrutura.
Para a velocidade básica (Vo) devem ser adotadas valores iguais ou superiores aos das velocidades
estabelecidas no gráfico de isopletas no Brasil que consta na NBR 6123:1988.
Devem ser cuidadosamente determinados os fatores S1, S2 e S3 que iram compor a Velocidade
característica, bem como, os fatores de forma, que vão indicar no final qual a pressão do vento na
estrutura.
Como a norma salienta, nos casos de dúvida e em obras de excepcional importância, o projetista da
estrutura deve fazer um estudo especifico de velocidade e obtenção de coeficientes de força.
Da mesma forma, para edificações de formas, dimensões e localização fora de sua abrangência,
deve-se recorrer a ensaios específicos em túnel de vento.
Para estruturas esbeltas o projetista estrutural deve verificar a necessidade de determinação dos
efeitos dinâmicos devidos à turbulência do vento, conforme Capitulo 9 da NBR 6123:1988.
Como se “medem”as velocidades de vento?
Equipamentos e procedimentos normalizados
Anemômetros em terrenos planos sem obstrução posicionados a 10 m de altura
Informações de várias estações metereológicas (a maioria em
aeroportos)
O efeito do vento em edifícios deve ser sempre considerado, devendo o mesmo ser avaliado desde o
inicio da concepção da estrutura.
Para a velocidade básica (Vo) devem ser adotadas valores iguais ou superiores aos das velocidades
estabelecidas no gráfico de isopletas no Brasil que consta na NBR 6123:1988.
Devem ser cuidadosamente determinados os fatores S1, S2 e S3 que iram compor a Velocidade
característica, bem como, os fatores de forma, que vão indicar no final qual a pressão do vento na
estrutura.
Como a norma salienta, nos casos de dúvida e em obras de excepcional importância, o projetista da
estrutura deve fazer um estudo especifico de velocidade e obtenção de coeficientes de força.
Da mesma forma, para edificações de formas, dimensões e localização fora de sua abrangência,
deve-se recorrer a ensaios específicos em túnel de vento.
Para estruturas esbeltas o projetista estrutural deve verificar a necessidade de determinação dos
efeitos dinâmicos devidos à turbulência do vento, conforme Capitulo 9 da NBR 6123:1988.
COMO AGE SOBRE A EDIFICAÇÃO?
1 - VENTO A BARLAVENTO
PRODUZ UM ESFORÇO DE PRESSÃO SOBRE O COMPONENTE,
EMPURRANDO-O NA DIREÇÃO E SENTIDO DO VENTO
2 - VENTO PARALELO
PRODUZ UM ESFORÇO DE SUCÇÃO VERTICAL SOBRE O
COMPONENTE, PUXANDO-O NA DIREÇÃO PERPENDICULAR AO
DO VENTO
3 - VENTO A SOTA-VENTO
PRODUZ UM ESFORÇO DE SUCÇÃO SOBRE O COMPONENTE,
PUXANDO-O NA DIREÇÃO E SENTIDO DO VENTO
4 - VENTO COM PRESSÃO INTERNA
PRODUZ UM ESFORÇO DE PRESSÃO SOBRE O COMPONENTE,
EMPURRANDO-O NA DIREÇÃO E SENTIDO DO VENTO E NA
DIREÇÃO PERPENDICULAR AO DO VENTO
5 - VENTO COM SUCÇÃO INTERNA
PRODUZ UM ESFORÇO DE SUCÇÃO SOBRE O COMPONENTE,
PUXANDO-O NA DIREÇÃO E SENTIDO DO VENTO E NA DIREÇÃO
PERPENDICULAR AO DO VENTO
Os valores mínimos das cargas acidentais, produzidas pelo vento, que devem ser considerados no
cálculo das estruturas de edifícios estão fixadas na Norma Brasileira NBR-6120 - (antiga NB-5) –
Cargas para o Cálculo de Estruturas de Edifícios.
AÇÃO DO VENTO EM TELHADOS
O VENTO PARALELO produz um esforço de sucção vertical puxando o telhado para cida, como se
tentasse arrancar o telhado e as telhas:
Você pode fazer uma experiência prática para comprovar este fato - Coloque uma folha de papel
sobre a mesa e assopre na direção paralela à mesa. Você verá que o papel tende a subir.
Durante um vendaval, podemos identificar os seguintes esforços que estão atuando no telhado:
1 - Ação do Vento que tende a levantar o telhado e as telhas para cima. O valor acima de 30
kgf/m2 foi determinado para um telhado baixo com baixa inclinação e situado a mais de 6
metros de altura do chão;
2 - O peso próprio das telhas é um esforço que age para baixo;
3 - O peso próprio da estrutura que sustenta as telhas é outro esforço que age para baixo.
O peso próprio das telhas depende do tipo de telha utilizada:
Telha cerâmica
(colonial ou
francesa)
Telha de
fibro-cimento
de 8 mm
Telha de
chapa de aço
zincada
Telha de fibro-
cimento de 6 mm
Telha de
alumínio
Peso próprio
das telhas
[kgf/m2]
120 23 25 16 15
1 - O peso das telhas cerâmicas devem ser consideradas quando molhadas. Já encontrei situações
em que o projetista tinha considerado o peso das telhas secas. Na primeira chuva o telhado
afundou.
2 - As telhas onduladas de fibro-cimento de 8 milímetros estão com sobreposição de 20
centíimetros.
3 - As telhas onduladas de fibro-cimento de 6 milímetros estão com sobreposição de 14
centíimetros;
4 - As telhas cerâmicas são mais pesadas do que o esforço do vento. Então, este tipo de telha não
precisa ser "amarrada" na estrutura de sustentação;
5 - As demais telhas pesam menos do que o esforço de arrancamento do vento. Por causa disso,
estas telhas precisam ficar "amarradas" ou presas na estrutura de sustentação;
O peso próprio da estrutura de sustentação depende do tipo de material empregado:
Madeira de Lei Aço Alumínio
Peso próprio médio
da estrutura [kgf/m2] 40 25 15
Considerações
1 - O peso de uma estrutura de sustenção depende muito do tipo da estrutura, podendo ser com
tesouras, arco atirantado, arco sem tirantes, shed, etc. Cada um desses tipos vai resultar em
um peso diferente. Então os dados acima são meramente ilustrativos, isto é, servem para se
ter uma idéia..
2 - Os dados acima não podem ser utilizados para o cálculo ou dimensionamento de estruturas
de telhados.
3 - Um telhado com estrutura de sustentação de alumínio coberta com telhas de alumínio vai
pesar em torno de 30 kgf/m2 que é exatamente igual ao esforço da ação do vento. Neste caso,
além das telhas terem que ficar firmemente presas à estrutura de sustentação, a própria
estrutura de sustentação vai ter que ficar firmemente presa à estrutura de apoio (pilares ou
paredes).
4 - Nos casos em que a estrutura de sustentação não está presa na estrutura de apoio é muito
comum, durante um vendaval, o vento carregar o telhado inteiro.
TIPOS DE TELHADOS
Assim, os telhados possuem as seguintes características quando comparadas às lajes de concreto
impermeabilizadas:
- menor peso;
- melhor estanqueidade;
- maior durabilidade;
- menor participação estrutural;
- menos suscetibilidade às movimentações do edifício;
- necessidade de forro.
Caracteriza-se aqui o telhado como sendo um revestimento descontínuo constituído de
materiais capazes de prover estanqueidade à água de chuva, repousados ou fixados sobre uma
estruturação leve.
COMPONENTES DE UM TELHADO
As partes constituintes das coberturas em telhados e suas funções principais são assim:
a) telhamento: constituído por telhas de diversos materiais (cerâmica, fibrocimento, concreto, metálica
e outros) e dimensões, tendo a função de vedação;
b) trama: constituída geralmente por terças, caibros e ripas, tendo como função a sustentação das
telhas;
c) estrutura de apoio: constituída geralmente por tesouras, oitões, pontaletes ou vigas, tendo a função
de receber e distribuir adequadamente as cargas verticais ao restante do edifício;
d) sistemas de captação de águas pluviais: constituídos geralmente por rufos, calhas, condutores
verticais e acessórios, tendo como função a drenagem das águas pluviais.
CARACTERÍSTICAS
PESO : Os materiais de revestimento utilizados são leves (telhas) e os vãos são vencidos geralmente
por treliças, resultando em estruturas leves.
ESTANQUEIDADE : É garantida pelo detalhe de justaposição das telhas (encaixe, comprimento de tal
sobreposição, etc.) e pela inclinação; a inclinação é fundamental, de forma a garantir uma velocidade
de escoamento das águas que evite a penetração pelas juntas, através do efeito do vento, ou através
das próprias peças constituintes, quando o material não é suficientemente impermeável.
PARTICIPAÇÃO ESTRUTURAL E FRENTE PARA MOVIMENTAÇÕES DO EDIFICIO : As coberturas
em telhados apenas se apoiam sobre o suporte, não tendo participação estrutural significativa no
conjunto da edificação. E, ainda, a movimentação devida a mudanças de temperatura ou a outros
motivos (até um certo limite) não compromete sua estanqueidade, por estarem as telhas soltas e
sobrepostas.
TIPOS DE ESTRUTURAS EM MADEIRA E MÉTODOS DE CÁLCULO
(TESOURAS , TRELIÇAS )
TIPOS DE MADEIRA
Veja os tipos de madeiras que serão empregadas no telhado:
RIPA
1 X 5
SARRAFO
3 X 5
CAIBRO
5 X 6
5 X 7
BARROTE
5 X 9
VIGA
6 X 12
6 X 16
6 X 19
Projeto de estruturas de madeira para coberturas
A elaboração de um projeto estrutural demanda um tempo inicial importante para criação do sistema
estrutural. Esta é uma etapa importante que deve ser tratada com bastante cuidado.
Vale lembrar que o raciocínio aqui apresentado refere-se às estruturas planas, onde estas são
responsáveis pelas ações atuantes numa determinada faixa de influência. Ainda hoje, a definição
estrutural em termos de planos é a mais comum, porém sempre as estruturas trabalharão de forma
espacial, nas três dimensões. Esta concepção exige a caracterização de estruturas secundárias que
fazem o travamento no plano perpendicular à estrutura, garantindo a estabilidade do conjunto.
A princípio, uma estrutura espacial deve ter um melhor aproveitamento dos seus elementos, uma vez
que todos os componentes da estrutura têm função estrutural e de travamento, e sempre funcionam
como elementos principais (não existe o elemento secundário). Além disto, haverá uma distribuição
mais uniforme
Definição da geometria da estrutura
A primeira etapa de um projeto de uma estrutura de cobertura corresponde à definição dos eixos das
barras que compõem os elementos estruturais. Um arranjo de barras eficientemente elaborado
influenciará significativamente no desempenho, na segurança, enfim no comportamento global da
estrutura.
Inicialmente é necessário o conhecimento das características gerais da edificação, especialmente
suas dimensões em planta e as suas condições de utilização. Por exemplo, se a estrutura
corresponde à cobertura de uma residência, ou de uma igreja, ou de um galpão industrial, etc, esta
terá conformação diferenciada, em geral associada à questão arquitetônica.
No entanto, é também comum, especialmente no caso de coberturas industriais ou de
armazenamento, ter-se liberdade de escolha, ficando, a cargo do engenheiro projetista a definição do
contorno e da distribuição de barras. Quando isto ocorre, obviamente, o engenheiro deverá
desenvolver um projeto que busque uma concepção estrutural otimizada, isto é, mais econômica,
segura e eficiente.
A definição destas formas nem sempre é uma tarefa fácil, pois dependerá da experiência do projetista.
Para auxiliar a definição destes parâmetros os capítulos 18 e 19 apresentam algumas informações
relativas às estruturas de madeira do tipo treliçado, como auxílio para definição do contorno da
estrutura, bem como, de prováveis seções transversais necessárias para absorver os esforços
atuantes. Logicamente, não existe uma regra única, pois cada projeto tem sua própria característica.
De qualquer forma, é necessário ter-se um ponto
de partida (anteprojeto), que pode estar embasado nestas informações.
Em função destas características define-se o tipo de estrutura a ser usada: tesoura tipo duas águas,
com ou sem balanço, tipo shed, arco, ou outro tipo.
Feita a escolha do tipo de estrutura deve-se iniciar a definição das posições das barras. Inicialmente
define-se o contorno da estrutura, adotando-se uma relação entre altura /vão.
O desenvolvimento de um projeto deve ser algo iterativo, ou seja, a partir de uma configuração
adotada, esta deve ser verificada e depois todos os cálculos repetidos para uma nova configuração
melhorada. Nem sempre isto é seguido, ou seja, se a variação de peso da
Cálculo de cargas
As cargas sobre uma treliça são consideradas como atuantes sobre os nós superiores da estrutura.
Usa-se o critério da faixa de influência, conforme ilustrado na Figura 24, para se obter a carga atuante
sobre cada nó.
A faixa de influência é tomada como sendo a soma das duas metades das distâncias entre os dois nós
vizinhos. Sobre cada um destes nós atuam todas as cargas provenientes do material existente na
faixa de influência: madeira (barras + terças), telhas, vento, contraventamentos, ferragens, peças
especiais e sobrecargas. Basta conhecer com exatidão todos os elementos envolvidos em cada faixa
considerada.
As forças devidas ao vento são calculadas de acordo com a norma específica (NBR 7123).
Obviamente que as ações de vento não dependem do tipo de material, mas dependem principalmente
do tipo de contorno da estrutura.
Portanto, conforme anteriormente comentado, as cargas serão consideradas como concentradas
sobre os nós do banzo superior.
As forças devidas aos contraventamentos mais ferragens podem ser consideradas iguais a 0,07
kN/m2, distribuídas sobre a cobertura (área projetada). Estas sugestões não representam restrições,
lembrando que a NBR 7190/97 diz que o peso próprio das peças metálicas de união pode ser
estimado em 3% do peso próprio da madeira. De outro lado, a mesma norma não faz menção a outras
cargas permanentes ou variáveis. Assim, cada projetista terá seus critérios a serem adotados. Vale
lembrar que a NBR 6120 define como sobrecarga em coberturas o valor de 0,50 kN/m2. Apesar disto,
é comum ser adotado o valor de 0,25 kN/m2, como acontece no caso de estruturas metálicas.
Para o dimensionamento das terças pode-se considerar a existência de uma carga concentrada
aplicada no meio do vão igual a 1 kN, carga equivalente a um homem trabalhando mais ferramentas.
Contudo, caso seja adotada a sobrecarga anteriormente sugerida, esta força concentrada não será
usada.
Para toda estrutura deverá ser calculada a flecha no ponto onde é máxima. Permite-se considerar que
a linha elástica seja uma parábola, ao longo do vão. O cálculo das flechas pode ser feito através do
Princípio dos Trabalhos Virtuais. No caso de treliças as contribuições dos deslocamentos provêm
apenas das forças normais em cada barra.
Os esforços em estruturas do tipo treliçado
O conceito de treliça de madeira é, logicamente, idêntico ao de treliças de qualquer material.
As diferenças básicas referem-se somente à concepção estrutural, devido às propriedades específicas
do material madeira: anatomia, dimensões das peças, relação peso/resistência, etc.
Como exemplo, pode ser citada a diferenciação de resistência mecânica da madeira para esforços de
tração e compressão. Sendo maior a resistência à tração (fc = 0,77 ft ) há grande conveniência de se
trabalhar com apenas barras tracionadas, eliminando-se também o problema de flambagem, comum a
qualquer material.
Ocorre, porém, que apesar desta vantagem, as barras comprimidas são inevitáveis numa treliça e, em
contrapartida, as barras comprimidas são favoráveis para se executar ligações através de dentes
(encaixes).
As treliças são interessantes por sua maleabilidade quanto à forma e à disposição de barras, ou seja,
consegue-se conceber estruturas com distribuição de barras e contorno externo apropriados para
minorar os esforços nas barras. A distribuição das barras e a conformação externa são ajustadas às
solicitações provenientes do carregamento.
Em termos de cálculo de esforços, considera-se que a análise de distribuição de barras seja
semelhante para outros tipos de concepção estrutural.
Apesar da inconveniência do elevado número de ligações nas treliças, estas apresentam uma
melhor distribuição de tensões ao longo das barras. Por prevalecer forças normais nas barras
(simplificadamente só apresentam forças normais), as tensões são constantes ao longo de cada seção
transversal e ao longo da barra - o mesmo ocorre nos arcos. Portanto, inexiste material "ocioso" com
tensões nulas ou baixas, como acontece em barras fletidas,
As treliças de madeira são empregadas como estruturas de pontes, torres, coberturas, etc. O uso mais
frequente é como estrutura de cobertura.
É sugerida a ordem de grandeza das peças empregadas em tais estruturas como informação para
ante-projeto, considerando coberturas com telhas de fibro-cimento, distância entre tesouras variando
de 3,5 m a 6,0 m. Considerou-se madeira Dicotiledônea da classe C30.
Tabela de Espaçamentos
Tesouras – de 3 a 5 mts
Terças – de 0,80 a 1,50 mts
Caibros – de 0,4 a 1,0 mts
Ripas - aprox. 0,30 mts
TIPOS DE ESTRUTURAS EM AÇO E MÉTODOS DE CÁLCULO
(TESOURAS, TRELIÇAS)
Concepção Estrutural e Anteprojeto
Ressalta-se que estas orientações foram elaboradas considerando-se que o profissional atuante na
Engenharia Estrutural tem pleno conhecimento das normas técnicas brasileiras vigentes e pertinentes
à atividade de projeto.
A seguir é apresentada uma relação das normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas "
ABNT, ressaltando-se que todo projeto estrutural deverá atender integralmente ao disposto nas
mesmas.
*NBR 8800:2007: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios -
Procedimento.
*NBR 6118:2003: Projeto de estruturas de concreto - Procedimento.
*NBR 6120:1980: Cargas para cálculo de estruturas de edificações - Procedimento.
*NBR 6123:1988: Força devido ao vento em edificações - Procedimento.
*NBR 5000:1981: Chapas grossas de aço de baixa liga e alta resistência mecânica
*NBR 5004:1981: Chapas finas de aço de baixa liga e alta resistência mecânica.
*NBR 5008:1997: Chapas grossas e bobinas grossas, de aço de baixa liga, resistentes à corrosão
atmosférica, para uso estrutural.
*NBR 5884:2005: Perfil I estrutural de aço soldado por arco elétrico - Requisitos gerais.
*NBR 5920:1997: Chapas finas a frio e bobinas finas a frio, de aço de baixa liga, resistente à corrosão
atmosférica, para uso estrutural - Requisitos.
*NBR 5921:1997: Chapas finas a quente e bobinas finas a quente, de aço de baixa liga, resistentes à
corrosão atmosférica, para uso estrutural - Requisitos.
*NBR 6648 :1984: Chapas grossas de aço-carbono para uso estrutural.
*NBR 6649:1986: Chapas fina a frio de aço- carbono para uso estrutural.
*NBR 6650:1986: Chapas finas a quente de aço-carbono para uso estrutural.
*NBR 7007:2002: Aços-carbono e microligados para uso estrutural.
*NBR 8261:1983: Perfil tubular, de aço-carbono, formado a frio, com e sem costura, de seção circular,
quadrada ou retangular para uso estrutural.
*NBR 8681:2003: Ações de segurança nas estruturas - Procedimento.
*NBR 14323:1999: Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio-
Procedimento.
*NBR 14432:2001: Exigências de resistência ao fogo de Elementos construtivos de edificações -
Procedimento.
*NBR 15279:2005: Perfil I estrutural de aço eletrosoldado - Requisitos gerais.
Na concepção do projeto, uma das principais preocupações do projetista estrutural deverá ser a
interação com as demais disciplinas, em especial com a arquitetura, ação essa que irá direcionar
grande parte das decisões de projeto.
Os anteprojetos deverão apresentar a definição estrutural de todos os pavimentos, já devendo ter sido
contemplados:
- o dimensionamento dos diversos elementos estruturais quanto aos seus respectivos estados
limites;
- as verificações necessárias para garantir a estabilidade global da estrutura;
- o respeito aos estados limites em serviço: deformações verticais, horizontais e vibrações.
O desenvolvimento do projeto estrutural deverá
Obedecer às prescrições da NBR 8800:2007, devendo nesta fase contemplar os itens a seguir:
Qualidade e Durabilidade
Uma das principais inovações introduzidas pela NBR 8800:2007 diz respeito às exigências para
garantir que, independente da estrutura projetada, seja alcançada a vida útil prevista, para o ambiente
existente, com a manutenção preventiva especificada, dentro das condições de carregamento
impostas. Essas exigências devem ser adotadas de comum acordo e referendadas pelo Proprietário
ou preposto por ele indicado.
É muito importante identificar o grau de agressividade do ambiente, onde a estrutura será implantada,
afim de se definir o sistema de proteção á corrosão do aço, principalmente caso as mesmas vão ficar
aparente, afim de garantir uma durabilidade de longo tempo.
Para atender a essas exigências de norma, o projeto estrutural deverá prever:
- escolha correta do tipo de ambiente e seu grau de agressividade ( Anexo U da NBR 8800:2007);
- intenção de vida útil da estrutura projetada;
- escolha do tipo de proteção mais adequado.
Materiais
O projeto deverá ter indicações explicitas dos materiais adotados:
- Tipos de aço com seus limites de escoamento e
de ruptura mínimos;
- Tipos de parafusos;
- Tipos de eletrodo para solda.
- Tipos de laje
- Tipos de conectores
Esses e outros parâmetros que se julgar necessário, formarão a especificação necessária para a
contratação do fornecimento e montagem das estruturas.
Ações Externas
Devem ser definidas as ações a serem aplicadas na estrutura, seus coeficientes de segurança e as
combinações de carga que serão analisados.
Os carregamentos verticais deverão prever a atuação de cargas acidentais em função da utilização de
cada ambiente, de acordo com o especificado na NBR 6120:1980.
O projeto deverá conter indicações explicitas das cargas admitidas nas diversas fases da execução e
utilização da estrutura, em especial, com relação aos valores previstos para:
- permanentes (lajes, revestimentos, forros, material de proteção passiva se houver,etc);
- acidentais de utilização.
Além dos carregamentos verticais, deverão ser previstos outros carregamentos externos, em função
das características de cada edificação.
Vento
O efeito do vento em edifícios deve ser sempre considerado, devendo o mesmo ser avaliado desde o
inicio da concepção da estrutura.
Para a velocidade básica (Vo) devem ser adotadas valores iguais ou superiores aos das velocidades
estabelecidas no gráfico de isopletas no Brasil que consta na NBR 6123:1988.
Devem ser cuidadosamente determinados os fatores S1, S2 e S3 que iram compor a Velocidade
característica, bem como, os fatores de forma, que vão indicar no final qual a pressão do vento na
estrutura.
Como a norma salienta, nos casos de dúvida e em obras de excepcional importância, o projetista da
estrutura deve fazer um estudo especifico de velocidade e obtenção de coeficientes de força.
Da mesma forma, para edificações de formas, dimensões e localização fora de sua abrangência,
deve-se recorrer a ensaios específicos em túnel de vento.
Para estruturas esbeltas o projetista estrutural deve verificar a necessidade de determinação dos
efeitos dinâmicos devidos à turbulência do vento, conforme Capitulo 9 da NBR 6123:1988.
Imperfeições Globais
Na análise global de estruturas, sejam elas contraventadas ou não, deve ser considerado um
desaprumo dos elementos verticais (pilares e paredes) conforme Anexo C e item 4.7.7.3 da NBR
8800:2007
O desaprumo global não deve necessariamente ser superposto ao correspondente carregamento de
vento, sendo que, entre desaprumo e vento, precisa ser considerado apenas o carregamento mais
desfavorável à estrutura.
Empuxos Diferenciais
É de grande importância a verificação dos esforços devidos a empuxos desequilibrados, que podem
chegar a valores significativos e precisam de uma estrutura rígida para sua absorção, como é o caso
de algumas localizadas nos sub-solos.
Todas as possibilidades de atuação de empuxos desequilibrados deverão ser levadas em
consideração no projeto e no dimensionamento dos elementos estruturais.
Carregamentos Especiais
Deve-se verificar a necessidade de consideração de cargas especiais nos pavimentos de acordo com
as exigências de cada obra.
Cargas dinâmicas que requeiram verificações especiais devem ser identificadas e consideradas nas
análises.
C oncepção Estrutural
O projeto deve ter uma concepção estrutural clara, oferecendo o perfeito entendimento de como a
estrutura funciona, para que se possa validar os resultados obtidos, qualquer que seja o processo de
cálculo utilizado.
A concepção deverá considerar os seguintes itens:
- limitações impostas pelo projeto arquitetônico;
- adequação do sistema estrutural escolhido para cada pavimento;
- análise da interface entre a estrutura e projetos hidráulicos, elétricos e de ar condicionado;
- adequação da interface da vedação interna e externa com a estrutura;
- facilidade de fabricação e montagem.
A definição da estrutura, muitas vezes, implica em métodos executivos especiais, tais como:
- soldas no local;
- sistema de inspeção;
- energia no local;
- estruturas atirantadas, que precisam ser escoradas durante o processo de montagem, etc.
Todos estes pontos devem ser destacados nesta fase, pois, fazem parte da definição da estrutura e
devem ser contemplados no detalhamento e na execução.
O sistema de montagem pode ocasionar uma verificação adicional, na verificação da estabilidade da
estrutura parcialmente montada, ou montada mas não solidarizada.
Dimensões Limites dos Elementos Estruturais
O projetista estrutural deve respeitar as dimensões mínimas para os diversos elementos, prescritos na
NBR 8800:2007, bem como as dimensões a serem respeitadas para o transporte das peças.
Especialmente atenção deve ser dada às espessuras mínimas de lajes, que devem atender ao item
13.2.4 da NBR 6118:2003, principalmente em lajes maciças.
Análise Estrutural
É extremamente importante que, desde a primeira etapa, sejam verificadas a estabilidade global da
estrutura, as deformações verticais e horizontais, e a estabilidade local nos pilares.
Qualquer ponto de analise que seja relevante deve ser verificado, evitando-se alterações posteriores
na geometria, comprometendo os demais projetos e muitas vezes as estimativas de custo do
empreendimento, sem perder o foco da segurança total da estrutura.
Deve-se dar atenção especial às regiões com excessiva concentração de esforços, verificando-se
adequação do modelo.
Na análise da estrutura em serviço, deverão ser obedecidas as prescrições de norma, considerando-
se efeitos a longo prazo para as deformações e variações térmicas.
Quando as cargas variáveis forem significativas, deve-se verificar a estrutura para situações de
alternância de carga.
Para estruturas muito esbeltas ou de vãos elevados, é importante que seja feita uma adequada
avaliação da possibilidade de vibração da estrutura.
Deformações
As deformações verticais dos pavimentos, bem como as horizontais do edifício e entre pavimentos,
devem estar de acordo com o Anexo C, Tabela C1 da NBR 8800:2007.
Avaliação de Esforços Internos Adicionais
De acordo com a concepção estrutural adotada, esforços adicionais poderão se desenvolver
internamente aos elementos estruturais, em especial aos de 2a ordem que requerem uma verificação
adicional.
De acordo com a extensão da edificação deverá ser previsto juntas de dilatação, para evitar-se
maiores problemas de deformação em paredes e pisos.
Esforços transmitidos para as fundações oriunda do quadro de cargas, deverá ser analisada por um
especialista em projeto de fundações, pois dependendo do tipo de solo, poderá haver mudança na
interface pilar de aço com a mesma.
Dados Técnicos de Projeto
Deve ser apresentado um documento com citações das especificações e critérios adotados no projeto,
tais como:
- tipos de aço;
- tipos de parafusos;
- tipos de solda;
- classe de agressividade ambiental;
- cargas adotadas;
- deslocamentos previstos;
- carga nas fundações com o tipo de fixação
(rotulada ou engastada);
- definição dos tipos de ligações entre vigas e
vigas pilares, etc.
Projeto Executivo
O projeto executivo deve observar todas as orientações já destacadas na 1a fase. Deve-se confirmar
com os projetistas das demais especialidades se foram adotadas outras soluções que garantam a
durabilidade da estrutura, tais como drenagem, proteção contra fogo se for o caso, proteção a
corrosão, etc.
As lajes devem ser verificadas em todas as fases, no caso de lajes pré-moldadas.
O projeto executivo deve conter todos os detalhes e indicações de métodos construtivos que permitam
a sua perfeita compreensão e execução. Entre essas preocupações principais, pode-se citar:
- facilidade de interpretação dos desenhos;
- posição das juntas, conforme modelo estrutural
adotado;
- filas e eixos de locação da obra posicionadas
claramente;
- indicações claras de pontos especiais da estrutura,
tais como:
rebaixos de vigas e lajes;
furos em vigas para passagem de dutos;
contra flechas, etc.
- especificação dos materiais
- indicação dos carregamentos adotados.
- tipos de ligações adotados.
Acidentes
O vento não é um problema em construções baixas e pesadas com paredes grossas, porém, em
estruturas esbeltas, passa a ser uma das ações mais importantes a determinar no projeto de
estruturas. As considerações para determinação das forças devidas ao vento são regidas e calculadas
de acordo com a NBR 6123/1988 “Forças devidas ao vento em edificações”. A maioria dos acidentes
ocorre em construções leves, principalmente de grandes vãos livres, tais como hangares, pavilhões de
feiras e de exposições, pavilhões industriais, coberturas de estádios, ginásios cobertos. Ensaios em
túneis de vento mostram que o máximo de sução média aparece em coberturas com inclinação entre
8º e 12º, para certas proporções da construção, exatamente as inclinações de uso corrente na
arquitetura em um grande número de construções.
As principais causas dos acidentes devidos ao vento são:
a) falta de ancoragem de terças;
b) contraventamento insuficiente de estruturas de cobertura;
c) fundações inadequadas;
d) paredes inadequadas;
e) deformabilidade excessiva da edificação
Casos Famosos
Takoma Bridge
A ponte pênsil com 1600 m Tacoma Narrows, em Tacoma, Washington, colapsou em 7 de novembro
de 1940, alguns meses depois de ser inaugurada. O colapso ocorreu após um vento de 65 km/s fazê-
la vibrar e entrar em ressonância.
Inicialmente, a ponte começou a vibrar em modos longitudinais, isto é, ao longo de seu comprimento.
Mas, logo apareceram os chamados “modos torsionais”, nos quais a ponte balançava para os lados,
se torcendo toda. Na ressonância, a amplitude desses modos torsionais aumentou de tal forma que a
ponte desabou.
Pavilhão de São Cristóvão
O Pavilhão de São Cristovão foi projetado
pelo Arquiteto Sérgio Bernardes, um, um dos
projetos que muitos dos admiradores deste
ousado arquiteto talvez considerem à beira da
genialidade. Após concluído, o pavilhão
abrigou muitos eventos ao longo dos anos.
À sua época, o pavilhão tinha quase 160.000
metros quadrados, tendo sido uma das
maiores áreas cobertas do mundo sem vigas
ou pilares. O sistema estrutural da cobertura foi pensado como uma superfície ou uma espécie de
“rede” suspensa, como a do projeto de Matthew Nowicki, terminado em 1952.
Para tal, centenas de cabos de aço foram fixados nas extremidades da estrutura de concreto armado
que circundava o pavilhão, com formas coerentes com a superfície à ser formada. Sobre os cabos de
aço existia uma cobertura de material plástico.
Entretanto, um vendaval que não estava nos planos do Arquiteto e certamente não estava também
nos planos e planilhas de cálculo dos Engenheiros Calculistas que viabilizaram a estrutura,
impiedosamente destruiu a cobertura de plástico.
Posteriormente foram usadas chapas metálicas para a cobertura, e provavellmente esta substituição
deve ter alterado para menos as potencialidades de climatização do edifício. Tempos depois,
novamente tudo indicou que a cobertura era instável em relação aos ventos.
Até por volta de 1988, o pavilhão ainda era coberto. Mas um novo vendaval resolveu demonstrar que,
se os efeitos dos ventos não forem bem considerados, principalmente quanto às formas que podem
produzir diferentes tipos de pressão em função dos fluxos de ar em relação às estas formas, o
resultado pode ser desastroso. E certamente o vento resolveu novamente desafiar as ideias
inovadoras e os cálculos. A cobertura foi novamente arrancada pelo vento.
Após esta data, a cobertura foi então removida, e o pavilhão ficou por muito tempo sem uso, até que
em 2003 passou a abrigar a Feira de São Cristóvão, conferindo à mesma um ambiente arquitetônico
interessante, curioso e com algumas histórias pregressas. Mas desta vez sem a cobertura.
Ponte Rio-Niterói
Quando os ventos do sentido norte-
sul ou sul-norte da baía alcançam os
52 km/h, atingem a freqüência
natural da ponte, que começa a
oscilar, induzida pelas formações de
vórtices (turbilhões), no escoamento
do ar que passa pela estrutura. O
movimento chega a 300 mm de
amplitude, mas acontece só na vertical, porque a própria estrutura da ponte impede a movimentação
na horizontal
Projeto de Atenuadores Dinâmicos Sincronizados (ADS),
desenvolvido e patenteado pelo professor Ronaldo Battista, do
Programa de Engenharia Civil da COPPE. Agora, as oscilações
que ocorrem no vão central da ponte, provocadas pelo vento, terão
uma redução de mais de 80%, dando mais segurança e
tranqüilidade aos motoristas. Ao todo, estão sendo instalados 32
Atenuadores dentro das vigas do vão central da Ponte, com duas toneladas, cada. O ADS tem
características únicas, comparado aos poucos instalados no mundo. Trata-se de caixas de aço presas
por molas a uma estrutura metálica. Quando a Ponte começar a balançar devido a ação do vento
sobre a estrutura, o ADS entrará de imediato em operação, produzindo forças de inércia (de controle)
que irão contrabalançar as forças produzidas pela estrutura. A maior oscilação registrada na Ponte
Rio-Niterói, como explica Ronaldo Battista, teve deslocamento pico-a-pico de 1,20 metros, o
equivalente a 60 cm de oscilação para cima e para baixo em relação ao seu estado normal. Com a
ação do ADS, a redução dessas oscilações será superior a 80%, resultando em valores estimados de
10 cm pico-a-pico. Uma amplitude baixa como essa, associada a um período de oscilação de cerca de
3 segundos, não causam desconforto aos usuários que trafegam sobre a ponte.
BIBLIOGRAFIA
Modelagem Dinâmica Equivalente deEdifícios Altos Submetidos à Ação do Vento – Cristiano
Augusto Trein
http://www.ufsm.br/decc/ECC1008/Downloads/Aula_Horizontais.pdf
http://www.tqs.com.br/index.php/suporte-e-servicos/biblioteca-digital-tqs/83-alvenaria-estrutural/60-
efeitos-do-vento-sobre-edificios-de-alvenaria-struturalhttp://www.abece.com.br/recomendacoes.pdf
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE CONSTRUTORES DE ESTRUTURAS METÁLICAS.
Construção Metálica, nº 06, p. 25-27, 1992.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. – procedimento – NBR 8039. Rio de
Janeiro, 1983.
BORGES, A. C. 7a edição revisada e ampliada. São Paulo, Edgard Blucher. pp. 100-120 (capítulo
11).
DEL CONTI, C. . Dissertação (Mestrado). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São
Paulo, 1994.
GUIA TÉGULA (Manual Técnico do fornecedor, 1999).
MANUAL HIRONVILLE (Manual Técnico do fornecedor, 1999).
http://www.metalica.com.br/artigos-tecnicos/recomendac-es-para-elaborac-o-de-projetos-
estruturais-de-edificios-em-aco/