apostila - sistemas construtivos em aco
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Curso de Especialização – Pós-Graduação Lato Sensu
GESTÃO E TECNOLOGIA DE SISTEMAS CONSTRUTIVOS DE EDIFICAÇÕES
Apostila da Disciplina
Tecnologia dos Sistemas Construtivos em Estruturas Metálicas
Prof. Dr. Alex Sander Clemente de Souza
2006 – São Carlos - SP
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Índice
1 Introdução ___________________________________________________________________ 2
2 Propriedades do aço e produtos siderúrgicos ________________________________________ 5
2.1 Processo de fabricação do aço _______________________________________________________ 5
2.2 Propriedades mecânicas ____________________________________________________________ 7
2.3 produtos siderúrgicos ______________________________________________________________ 9 2.3.1 Aços planos _________________________________________________________________________ 10 2.3.2 Perfis ______________________________________________________________________________ 10
3 Sistemas estruturais ___________________________________________________________ 12
3.1 Introdução ______________________________________________________________________ 12
3.2 Coberturas ______________________________________________________________________ 12 3.2.1 Classificação ________________________________________________________________________ 12 3.2.2 Coberturas em shed ___________________________________________________________________ 13 3.2.3 Coberturas em arco ___________________________________________________________________ 14 3.2.4 Coberturas planas _____________________________________________________________________ 15 3.2.5 Sistema estrutural: componentes e comportamento ___________________________________________ 15 3.2.6. Sistema de vedação ___________________________________________________________________ 18
3.3 Edifícios ________________________________________________________________________ 18 3.3.1 Concepção estrutural __________________________________________________________________ 19 3.3.2 Subsistemas horizontais ________________________________________________________________ 21 3.3.3 Subsistemas verticais __________________________________________________________________ 21 3.3.3 Sistemas estruturais tridimensionais ______________________________________________________ 23 3.3.4 Sistema steel-frame ___________________________________________________________________ 23 3.3.5 Sistemas complementares - vedações______________________________________________________ 24
4 Estruturas mistas aço-concreto __________________________________________________ 26
4.1 Considerações gerais ______________________________________________________________ 26
4.2 Trabalho conjunto aço-concreto ____________________________________________________ 28
4.3 Elementos mistos _________________________________________________________________ 30 4.3.1Vigas mistas _________________________________________________________________________ 30 4.3.2 Laje mista___________________________________________________________________________ 32 4.3.3 Pilares mistos ________________________________________________________________________ 36 4.3.4 Pavimento misto______________________________________________________________________ 37
Bibliografia ___________________________________________________________________ 41
2
1 Introdução
A realidade da construção civil brasileira indica uma forte tendência em aumentar o nível
de industrialização da construção civil buscando aliar qualidade e durabilidade com
redução de custos e tempo de execução.
A construção metálica é, sem dúvida, um dos processos construtivos com maior vocação
para a industrialização e uma promessa de solução racional e viável para as
necessidades da construção civil no Brasil. A viabilidade das estruturas metálicas, bem
como sua contribuição para a industrialização da construção, estão diretamente
relacionadas ao sucesso da associação entre a estrutura e os sistemas complementares
de vedação, de piso e das diferentes formas de associação do aço com outros materiais.
Portanto, é necessária uma abordagem sistêmica englobando a concepção arquitetônica,
o processo construtivo, a modelagem, a análise, o dimensionamento e o detalhamento da
estrutura.
A tecnologia da construção metálica é anterior a tecnologia do concreto. No entanto, no
Brasil a sua implantação foi tardia e lenta por motivos técnicos, econômicos, sociais e
políticos. A realidade atual é um pouco diferente, o aço aparece freqüentemente como
alternativa viável para diversos tipos de empreendimentos. Deixou de ser o material
empregado predominantemente em edifícios industriais e grandes coberturas passando a
ser utilizado em edifícios comerciais, shopping center, edifícios residências, pontes,
viadutos, passarelas e várias outras aplicações. Esse incremento no uso do aço foi
possível devido ao entendimento das características deste material que interferem de
forma positiva em várias etapas da construção, conforme discutido a seguir:
• Custos
Comparação entre sistemas construtivos baseadas somente no custo da estrutura pode
conduzir a conclusões erradas; deve se comparar os custos globais pois o sistema
estrutural influencia no custo e na qualidade de outras etapas da obra. Uma estrutura de
concreto armando representa em média (para edifícios convencionais) 20% do total da
obra enquanto uma estrutura de aço pode representar cerca de 30%. No entanto, na
estrutura de aço há menos desperdícios, re-trabalhos, menor consumo de material de
enchimento e economia das instalações diversas. Além disso, a estrutura de aço é mais
leve permitindo economia nas fundações. Um aspecto importante é que devido à
velocidade construtiva nas estruturas de aço é necessário um desembolso financeiro
inicial maior; em contrapartida o retorno do capital investido é antecipado. Com relação ao
3
custo, pesa contra o aço o sistema de tributação. Sobre estruturas de concreto moldadas
no local incide ISS (imposto sobre serviço) enquanto que nas estruturas de aço incide
ICMS (imposto sobre circulação de mercadorias e serviços) que é sensivelmente maior.
Além disso, como o preço do aço tem cotação internacional, desequilíbrios na economia
mundial podem elevar o preço deste material inviabilizando, mesmo que por determinado
período, algumas aplicações.
• Canteiro-de-obra
Inegavelmente problemas relativos a canteiro-de-obra são mais facilmente solucionados
quando se utiliza estrutura de aço. Neste caso necessitam-se de menos espaços para
estocagem de material, diversas atividades como execução de formas e armaduras são
reduzidas ao extremo ou eliminadas. A rapidez na construção em aço possibilita menor
tempo de interdição em caso de obras em vias publicas.
As estruturas em concreto pré-moldado apresentam características semelhantes, no
entanto, o peso próprio dos elementos exige equipamentos de maior capacidade e
maiores áreas para movimentação durante a montagem.
• Tempo de execução
Sem dúvida os sistemas estruturais pré-fabricados são mais rápidos e neste quesito os
sistemas estruturais em aço levam vantagens em relação os demais. As peças são pré-
montadas na fábrica o que evita problemas durante a montagem. A precisão de
fabricação e montagem reduz a necessidade de ajustes posteriores para compatibilização
da estrutura com os sistemas complementares. Para melhor aproveitamento da rapidez
dos sistemas estruturais em aço é necessário que as demais etapas ou subsistemas
sejam compatíveis. Por exemplo, o uso de painéis de fechamento e divisórias pré-
fabricados é mais adequado e compatível com as estruturas de aço. Com o uso de
estruturas de aço pode se sobrepor etapas no cronograma da obra, por exemplo
enquanto executam-se as fundações ou núcleos em concreto a estrutura está sendo
fabricada.
• Flexibilidade e adaptabilidade
Dentre os sistemas estruturais usuais as estruturas de aço são as mais flexíveis para
reformas ou mudanças de utilização. A estrutura inteira pode ser desmontada e montada
novamente em outro local. Exemplo bastante ilustrativo é um edifício térreo que foi
transformado em um edifício de dois pisos aproveitando-se totalmente a estrutura de aço
4
existente. Em resumo o que se fez foi desmontar a estrutura existente, construir dois
pavimentos novos e sobre estes remontar a estrutura antiga - Figura 1.
Figura 1 – Ampliação de edifício em aço com reaproveitamento da estrutura existente
• Mão-de-obra
Exige-se um maior grau de especialização da mão de obra para construção em aço por
tratar-se de um sistema industrializado com etapas de produção e montagem bem
específicas. Isso torna a mão-de-obra mais cara, no entanto, há um ganho de qualidade.
No que diz respeito a projeto de arquitetura e engenharia, a maioria das escolas não tem
tradição na formação de profissionais para atuar na construção metálica. Este fato está
mudando, mas é causa de uma certa letargia no desenvolvimento e utilização da
construção metálica.
• Preservação ambiental
A produção do aço , assim como outros processos industriais, despendem uma enorme
quantidade de energia, pode causar poluição e a extração da matéria-prima pode
degradar o meio ambiente; no entanto, o aço e a estrutura podem ser totalmente
reciclados, reduzindo esses impactos. Além disso, na construção metálica a produção de
resíduos é sensivelmente menor. Dados conhecidos apontam desperdícios da ordem de
25% em obras convencionais o que é um custo social e ambiental muito sério. Esse
desperdício pode ser reduzido com a utilização de estruturas com maior nível de
industrialização.
Todas essas características contribuem na obtenção de um produto com maior nível de
qualidade e um sistema estrutural com as vantagens resumidas a seguir:
1. Alívio nas fundações e ganho de área útil na edificação;
2. Maior facilidade na implantação do canteiro de obras;
3. Maior rapidez na execução;
5
4. Maior flexibilidade e adaptabilidade;
5. Grande precisão de montagem e compatibilidade com sistemas complementares
industrializados;
6. Redução de desperdícios e re-trabalhos;
7. Redução global de custos.
As dificuldades técnico-econômicas e até um certo preconceito em relação às estruturas
metálicas têm sido superadas ou minimizadas, incrementando cada vez mais o uso do
aço devido as características deste material que podem contribuir favoravelmente em
vários aspetos e etapas do empreendimento.
2 Propriedades do aço e produtos siderúrgicos
O aço é uma liga metálica composta basicamente de ferro e de pequenas quantidades de
carbono responsável por sua resistência. Na composição do aço também podem ser
adicionados outros elementos para melhorar suas propriedades mecânicas, ou para fazê-
lo adquirir propriedades especiais como, por exemplo, resistência a corrosão e a altas
temperaturas.
Aumentando o teor de carbono aumenta-se a resistência do aço, porém o torna menos
dúctil e reduz-se sua soldabilidade. Os aços empregados na construção civil apresentam
teor de carbono da ordem de 0,18 a 0,25%, pois, apenas até um teor de 0,3% os aços
podem ser soldados sem necessidade de cuidados especiais.
Em função da composição química, ou seja, do teor de carbono e dos demais elementos
originam-se diferentes tipos de aço com propriedades especificas e para aplicações
diversas.
Os principais produtos siderúrgicos para a construção metálica são os aços planos
(chapas) e perfis, que podem ser produzidos por laminação a quente ou laminação a frio.
2.1 Processo de fabricação do aço
O aço é produzido a partir do minério de ferro e o carvão mineral. As etapas principais do
processo de fabricação dos aços planos são descritas sucintamente na Figura 2.
6
(a) (b) (c) (d) (e) (f)
Figura 2 - Etapas do processo de fabricação do aço plano (Fonte: DIAS (2002))
Etapa a - Extração e armazenamento das matérias-primas.
Etapa b - Beneficiamento da matéria-prima realizado na coqueria e na sinterização. Na
coqueria é feita a eliminação das impurezas do carvão mineral. O produto resultante
desse processo é chamado de coque metalúrgico. Na sinterização é feito o preparo do
minério de ferro, sendo o produto desse processo chamado de sinter. O preparo do
minério de ferro consiste na aglutinação dos finos de minério, que são prejudiciais ao
processo, por meio de fundentes apropriados, como o calcário, por exemplo.
Etapa c - O sinter e o coque, são fundidos a temperaturas superiores a 1500oC. Com o
aquecimento e as reações que se processam, o ferro torna-se líquido e deposita-se no
fundo, ficando sobre ele a escória, um subproduto do processo siderúrgico que pode ser
empregado na fabricação de cimento e em base para pavimentação. O produto obtido
nesta etapa é denominado ferro gusa, que já é um aço, porém, com bastante impurezas.
Etapa d – Na aciaria o ferro gusa é refinado, corrigido o teor de cabotino, eliminada as
impurezas, principalmente o enxofre, e adicionados elementos de liga. Transforma-se
então o ferro gusa em aço.
Etapa e - Com a composição química ajustada para o tipo de aço a ser produzido tem
início
a fase de lingotamento, que consiste no resfriamento do veio metálico em forma de bloco
ou esboço de placa, e na preparação inicial para a fase de conformação mecânica, ou
laminação.
Etapa e - Durante a fase de laminação o aço solidificado passa por sucessivas etapas de
conformação mecânica, o que é feito com o auxílio de equipamentos chamados
laminadores que vão comprimindo gradativamente determinadas partes do bloco
metálico até que se obtenha no final da corrida de laminação o aço com a forma
7
desejada, que pode ser chapas ou perfis. O aço pode necessitar de reaquecimento para
facilitar o processo de laminação, é a denominada laminação a quente.
2.2 Propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas do aço são fortemente influenciadas pela composição
química, a Tabela 1 apresenta os principais elementos que compõem o aço e sua
influência nas propriedades mais relevantes.
Tabela 1 – Elementos de liga e sua influência nas propriedades do aço
Elemento Resistência Mecânica
Ductilidade Tenacidade Soldabilidade Resistência à Corrosão
Cobre + - - - -
Manganês + - -
Silício + - +
Enxofre - - - - +
Fósforo + - -
Cobre - - -
Titânio +
Cromo + - -
Nióbio + - +
As principais características ou constantes físicas são independentes do tipo ou da
composição do aço, sendo essa mais uma vantagem do aço em relação a outros
materiais porosos e heterogêneos. A Tabela 2 apresenta as constantes físicas de
interesse do aço.
Do ponto de vista de projeto de elementos em aço é importante conhecer o diagrama
tensão x deformação obtido por meio de ensaio de tração em corpos-de-prova
padronizados. O Diagrama tensão x deformação típico de um aço plano é o apresentado
na Figura 2.
8
Tabela 2 – Constantes físicas do aço
Propriedade Simbologia / Valor
Módulo de Elasticidade Longitudinal E = 205.000 MPa = 20.500 kN/cm2
Módulo de Elasticidade Transversal G = 78.900 MPa = 7.890 kN/cm2
Coeficiente de Poisson ν = 0,30
Coeficiente de Dilatação Térmica β = 12 x 10-6/0C
Peso Específico γ = 7.850 kgf/m3 = 77 kN/m3
.
encruamento
escoamento
pf
TEN
SÃO
u
fy
f
DEFORMAÇÃO
Figura 3 – Diagrama tensão x deformação com patamar de escoamento
Se o aço passar por algum tratamento a frio, com o objetivo de aumentar sua resistência
ou simplesmente para a fabricação de algum componente, o diagrama tensão x
deformação sofre sensíveis alteração. Os tratamentos a frio (encruamento) aumentam a
resistência e diminui a ductilidade, isso se reflete na perda do patamar de escoamento no
diagrama tensão x deformação (Figura 4). Podem surgir também tensões residuais nos
perfis em conseqüência do processo de fabricação (laminação, conformação, soldagem),
estas tensões reduzem o trecho elástico linear do diagrama tensão x deformação que
passa a ser limitado pela tensão de proporcionalidade.
9
DEFORMAÇÃO
f
0,2%
p
TEN
SÃO
yffu
Figura 4 - diagrama tensão x deformação sem patamar de escoamento
2.3 produtos siderúrgicos
Os principais produtos siderúrgicos para a construção metálica são as chapas planas,
perfis e as barras para fabricação de parafusos. Esses produtos podem ser encontrados
em diferentes tipos de aço, classificados de acordo com normas ABNT, normas
americanas ASTM (classificação e nomenclatura mais usual no Brasil) e por nomes
comerciais. Na Tabela 3 estão as propriedades mecânicas dos aços mais comumente
empregados em estruturas metálicas, segundo a nomenclatura da ASTM.
Tabela 3 – Propriedades mecânicas dos aços ASTM
10
Obviamente existem correspondências entre aos aços ASTM, os aços ABNT e os aços
com nomenclaturas comerciais.
2.3.1 Aços planos
As chapas podem ser laminadas a frio ou a quente, e estão disponíveis nas dimensões
constantes da Tabela 4.
Tabela 4 – Dimensões de chapas
As chapas finas podem ser fornecidas em rolo, esta forma de embalagem pode ser
vantajosa para grandes quantidades ou para fabricação de componentes como telhas e
perfis formados a frio.
2.3.2 Perfis
Os perfis estruturais podem ser classificados em três grupos em função do processo de
obtenção. São os perfis formados a frio, os perfis laminados (padrão americano e padrão
europeu ou de abas paralelas) e os perfis soldados. A Figura 5 apresenta as principais
seções de cada grupo.
Perfis formados a frio
11
Perfis laminados padrão americano
Perfis laminados de abas planas
Figura 5 – Perfis de aço para construção metálica
Os perfis formados a frio são obtidos por dobragem (conformação) de chapas planas;
Apresentam grande relação inércia/peso produzindo estruturas leves, além disso
oferecem grande liberdade de forma e dimensões. No entanto, por serem fabricados com
chapas de pequena espessura (de 1,5mm a 6,3mm) são mas sensíveis a flambagem local
e perda de seção por corrosão. São aplicados em estruturas de pequeno porte ou
elementos secundários.
Os perfis laminados padrão americano apresentam baixa relação inércia/peso e pouca
variedade de forma e dimensões, além disso, espessuras de elementos variáveis
dificultam as ligações entre barras. Nos perfis laminados de abas planas esses problemas
são resolvidos, no entanto, a oferta desses perfis no Brasil ainda é muito restrita.
Os perfis soldados são obtidos pela soldagem de chapas planas, principalmente em
seção tipo I. O uso desses perfis no Brasil ocorreu em função da baixa oferta de perfis
laminados de abas planas no mercado, sobretudo para edifícios.
12
3 Sistemas estruturais
3.1 Introdução
O aço pode ter as aplicações mais diversas na construção civil, no entanto, para tirar o
maior proveito do material o sistema estrutural dever ser muito bem pensado desde da
fase do projeto arquitetônico.
Uma característica marcante dos sistemas estruturais em aço são as ligações
naturalmente flexíveis necessitando de sistemas adequadas de contraventamento ou
meios para torná-las rígidas garantindo a estabilidade lateral da edificação. A execução
de ligações rígidas é mais onerosa e trabalhosa.
3.2 Coberturas
As coberturas metálicas são bastante utilizadas em construções industriais que,
geralmente, possuem um pavimento e tem a finalidade de cobrir grandes áreas
destinadas a fins diversos como fábricas, oficinas, depósitos, hangares, instalações
comerciais, esportivas e etc. A função principal das construções há pouco citadas é
proteger e dar condições de utilização a certos espaços físicos.
Os principais componentes das coberturas metálicas são: sistema estrutural e sistema de
vedação. O sistema estrutural é subdividido em: seção longitudinal, seção transversal
(estrutura principal) e suporte das vedações (terças e longarinas). As coberturas metálicas
podem ser associadas a elementos estruturais de outros materiais como pilares em
concreto armado por exemplo.
3.2.1 Classificação
Em função do tratamento diferenciado que cada tipo de cobertura exige, é comum
agrupá-las visando facilitar a análise e a exposição didática. Sendo assim, são
classificadas quanto à forma e quanto ao sistema portante principal.
Quanto à forma:
♦ Planas: as coberturas planas podem ser horizontais ou inclinadas em uma ou múltiplas águas;
♦ Curvas: podem ser projetadas em arco apoiado em colunas ou em arco vencendo todo o vão, sem colunas. No primeiro caso, podem ser de vão único ou múltiplo. Coberturas em arco são aplicadas para vencer grandes vãos como em ginásios esportivos, estações ou espaços para exposições;
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♦ Em shed (denteadas): cobertura formada por uma face de iluminação (normalmente vertical) e outra de cobertura, inclinada. Proporcionam boas condições de iluminação natural.
Cada um destes tipos de cobertura tem características especificas e limites de vão a partir
dos quais passam a ser soluções não recomendadas ou anti-econômicas.
Quanto ao sistema portante principal classificam em:
♦ Pórtico simples: empregados quando é necessário apenas um vão, por razões econômicas ou exigências de projeto. Pórticos múltiplos: para grandes áreas.
♦ Estaiadas: grande apelo estético.
♦ Estruturas em cabos: grande apelo estético, estrutura leve e para grandes vãos.
♦ Estruturas espaciais: para grandes vãos com baixo peso próprio e esteticamente agradável. Aplicação em coberturas de ginásios, hangares, recintos para exposições e feiras. Comportamento estrutural otimizado pois todo carregamento aplicado é repartido e resistido axialmente pelos vários elementos da malha espacial. Figura 6
pórtico simples pórticos múltiplos
estaiada treliça espacial estrutura em cabo
Figura 6 – Classificação das coberturas quanto ao sistema portante
3.2.2 Coberturas em shed
Por serem compostas de uma face de iluminação e outra de inclinação, tem como grande
vantagem a iluminação e ventilação natural. Permite vencer grandes vãos e são bastante
utilizadas em instalações industriais. São utilizadas em construções relativamente baixas.
Os sheds podem ser em treliça, viga armada, treliça de banzos paralelos e de alma cheia.
A estrutura principal é formada por uma serie de pórticos transversais com treliças de
banzos paralelos e por uma série de barras inclinadas (em alma cheia ou treliçadas) que
ligam os banzos alternados de dois pórticos consecutivos, gerando o formato de dentes
de serra.
Os principais componentes do sistema estrutural em shed são apresentados na Figura 7,
e descritos a seguir.
♦ Viga mestra: viga dos pórticos transversais que pode ser de alma cheia, treliçada, armada, vierendeel, etc. Em geral, a viga mestra é engastada no topo das colunas
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e as bases destas podem ser rotuladas. Recebem as cargas das traves e se apóiam nos pilares.
♦ Trave: são as barras inclinadas, que podem ser de alma cheia ou treliçadas. Apóiam-se nas vigas mestras. Proporcionam engaste ao topo das colunas permitindo que as bases sejam rotuladas.
♦ Terças: apóiam-se nas traves e servem de suporte as telhas
♦ Pilares: podem ser em aço (perfis de alma cheia ou treliçados), em concreto armado moldado in loco ou concreto pré-moldado.
Viga mestra
Trave
Terças
Viga de vento
Contraventamento vertical
Viga mestra
Trave
Terças
Viga de vento
Contraventamento vertical
Figura 7 – Compenetes da cobertura tipo Shed
A estabilidade global se completa com a colocação dos contraventamentos da cobertura.
Se as barras inclinadas (traves) são em perfil de alma cheia basta contraventamento no
plano das terças. Para traves treliçadas, a utilização de dois contraventamentos, um em
cada plano definido pelos banzos opostos deve ser estudada. A necessidade de
contraventamento do banzo inferior está ligada a esbeltez das barras e menos a
estabilidade da construção.
3.2.3 Coberturas em arco
A resistência das coberturas em arco deve-se a sua forma, que permite vencer grandes
vãos com baixo consumo de material. Para as mesmas condições de vão e
carregamento, a economia de material do arco em relação a vigas e treliças deve-se aos
baixos esforços de flexão naqueles. Os arcos podem ser vantajosos, em relação as
treliças planas, para vão superiores a 30m.
Quanto à forma os arcos podem ser circulares ou parabólicos. Os arcos circulares são os
mais utilizados devido a maior facilidade executiva. A seção transversal mais comum é a
treliçada, no entanto, também pode ser utilizado arco com seção de alma cheia.
Os arcos podem ser apoiados em pilares metálicos formando um pórtico, pode ser usar
um arco completo solo a solo, ou apóia-los sobre pilares de concreto. Em qualquer um
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dos casos deve ser ter cuidado com os empuxos laterais que podem comprometer ou
inviabilizar os pilares. Para minimizar o efeito do empuxo lateral é usual projetar arcos
com um dos apoios móveis e utilizar tirantes. No caso da utilização de tirantes há de se
ter me mente que o mesmo não vai trabalhar para ação de vento sucção pois resulta
comprimido. A Figura 8 apresenta exemplos de coberturas em arco.
pórtico em arco pórtico em arco atirantado
Figura 8 – Exemplos de coberturas em arcos
3.2.4 Coberturas planas
As coberturas planas são as mais utilizadas e podem ser em uma ou duas águas. As
coberturas de uma água são empregadas para pequenos vãos ou para coberturas
secundárias como marquises. Esse sistema estrutural se mostra econômico para vão até
30m. O sistema portante principal pode ser em alma cheia, ou em treliças com diferentes
arranjos.
3.2.5 Sistema estrutural: componentes e comportamento
Uma cobertura plana será utilizada para discutir o comportamento estrutural dos principais
elementos que formam uma cobertura de aço.
Sistema estrutural é a associação de um conjunto de elementos estruturais vinculados
adequadamente, com a finalidade de absorver e transmitir todas as ações externas
atuantes na edificação até as fundações.
Independente da classificação da cobertura, o sistema estrutural deve ser concebido de
forma a ser capaz de resistir com estabilidade às ações verticais e horizontais.
Para a cobertura plana da Figura 9, analisa-se os componentes principais do sistema
estrutural.
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basespilares
Treliçapórtico
terças
Contraventamentohorizontal
Contraventamentovertical
Longarinasfechamento
correntes
basespilares
Treliçapórtico
terças
Contraventamentohorizontal
Contraventamentovertical
Longarinasfechamento
correntes
Figura 9 – Componentes de um sistema estrutural para coberturas
Pilares: podem ser em perfis de alma cheia ou treliçados ambos em aço, ou em concreto
armado. Podem ser rotulados ou engastados na base. Bases engastadas resultam em
estruturas mais leves, no entanto, podem onerar as fundações.
Vigas: podem ser de alma cheia (pequenos vãos até 15m), treliçadas ou em arco. As
treliçadas podem ser de banzos paralelos, tesouras ou arcos. Seções em alma cheia são
executadas normalmente com perfis I soldados e/ou laminados.
As vigas ou treliças juntamente com os pilares, formam o subsistema vertical principal,
responsável pela transmissão das ações verticais provenientes das terças de cobertura.
Este subsistema deve ser estável também para as ações horizontais transversais. Neste
caso, entra em cena a vinculação entre a viga principal e os pilares e entre estes e a
base. O mais comum é adotar um sistema com ligações rígidas para evitar
contraventamentos na fachada, onde nem sempre é possível utilizá-los.
Para conter lateralmente as treliças são utilizados contraventamentos no plano da
cobertura (contraventamento horizontal). Também pode ser necessário utilizar
contraventamento no banzo inferior da treliça visando reduzir o comprimento de
flambagem destes elementos. Neste caso pode ser utilizada a mão francesa quando a
altura da treliça permitir.
Contraventamento vertical: Garante a estabilidade da estrutura para as ações
horizontais na direção longitudinal. É possível trabalhar apenas com as barras
tracionadas, para isso deve se garantir que a flambagem das barras comprimidas ocorra
em regime elástico. Na Figura 10 apresenta-se o esquema de funcionamento dos
contraventamento vertical.
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ventoEscora de beiral
Reações para ação do ventoContraventamento em X
ventoEscora de beiral
Reações para ação do ventoContraventamento em X
ventoEscora de beiral
Reações para ação do ventoContraventamento em X
Flambagem Elástica
T
T
Flambagem Elástica
T
T
T
T
Figura 10 – Contraventamento vertical
Contraventamento horizontal: Garante a estabilidade da estrutura para as ações
horizontais no plano da cobertura, fazendo com que essas ações cheguem nas
extremidades dos pilares com contraventamento vertical e finalmente nas bases da
estrutura - Figura 11.
Plano do telhadoPlano do telhado
vento
Contraventamento horizontalbarra redonda - cantoneiras
Reações da ação do vento
Plano do telhadoPlano do telhado
vento
Contraventamento horizontalbarra redonda - cantoneiras
Reações da ação do vento
Plano do telhadoPlano do telhado
vento
Contraventamento horizontalbarra redonda - cantoneiras
Reações da ação do vento
Figura 11 – Contraventamento do plano da cobertura
A Figura 12 apresenta um esquema tridimensional de uma cobertura duas águas
mostrando os contraventamentos horizontais e verticais.
Figura 12 – Contaventamentos horizontais e verticais
Terças: Servem de apoio para as telhas e contribuem para a estabilidade da cobertura. O
espaçamento entre elas depende do tipo de telha e do vão. De modo geral adota-se
espaçamento entre 1,5m a 2,5m. São elementos submetidos à flexão composta devido a
inclinação do telhado. Pode se utilizar perfis em alma cheia ou terças treliçadas para vãos
maiores.
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Linhas de corrente: Auxilia na montagem das terças, reduz comprimento destravado da
mesma, e ainda reduzem o vão para a flexão composta - Figura 13.
Tirante flexívelbarras redonda
Tirante rígidocantoneiras
α F Fx
Fy
Tirante flexívelbarras redonda
Tirante rígidocantoneiras
αα F Fx
Fy
F Fx
FyFy
Figura 13 – Linhas de corrente ou tirantes
3.2.6. Sistema de vedação
As telhas são classificadas em função da geometria em: ondulada, trapezoidal e
calha/canal. Quanto ao material, podem ser de aço, alumínio, fibrocimento,
pvc/policarbonato (translucidas). O mercado oferece diversas opções de tipos com
acabamentos variados, pré-pintadas, tipos sanduíche com proteção térmo-acústica,
translúcidas, com proteção contra a corrosão (zincadas e galvanizadas). É importante
seguir as recomendações técnicas dos fabricantes quanto ao número de apoios, vão
máximos, transporte e montagem das telhas.
3.3 Edifícios
No Brasil a construção de edifícios em aço só teve inicio na década de 1950, porém ainda
com tecnologia estrangeira. Enquanto isso, em outros paises a tradiação do uso do aço já
se consolidava com a construção de grandes e emblemáticos edifícios como o Empire
State (1931) e Chrysler Building (1929).
Foi marcante para a construção metálica no Brasil a construção de Brasília, onde em
função dos prazos toda a esplanada dos ministérios e as torres anexas ao congresso
nacional foram executadas em aço.
Atualmente ainda impera em nosso país a cultura dos edifícios em concreto armado, no
entanto, tem crescido a participação do aço neste segmento. O aço hoje é colocado como
alternativa viável e econômica para a construção de grandes edifícios comerciais.
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A aplicação das estruturas de aço não é vantajosa somente em grandes edifícios mas
também em construções de pequeno porte como conjuntos habitacionais, experiências de
sucesso neste sentido têm sido realizadas nos últimos anos.
Em todo caso para se aproveitar da melhor forma possível as vantagens que o aço pode
oferecer, na construção de edifícios, é necessário conhecer o comportamento, eficiência e
aplicabilidade dos diversos arranjos estruturais possíveis.
3.3.1 Concepção estrutural
Um edifício em aço deve nascer em aço desde a arquitetura e todas as etapas
complementares devem ser pensadas segundo uma filosofia adequada à construção
metálica.
A estrutura é um conjunto de elementos que se inter-relacionam. Na estrutura das
edificações, esse conjunto de elementos torna-se o caminho pelo qual as forças que
atuam sobre ela devem transitar até chegar ao seu destino final, o solo.
As forças gravitacionais têm um caminho natural que é o vertical. Se for oferecido um
caminho mais longo, as forças obrigatoriamente terão que percorrê-lo desviando-se de
sua tendência natural e produzindo esforços que solicitarão os elementos presentes neste
caminho.
A melhor solução estrutural tende a ser aquela que procura resolver, da melhor maneira,
os requisitos impostos ao projeto. A melhor estrutura na verdade não existe. Existe sim,
uma boa solução que resolve bem alguns pré-requisitos. Mas não resolve todos os
requisitos com o mesmo grau de eficiência. Então, uma solução poderá ser econômica no
consumo de materiais mas ser feia e de execução demorada. Ou ser bonita, cara e de
difícil execução. Para orientar a escolha da melhor solução estrutural é necessário
estabelecer uma hierarquia de requisitos aos quais a solução deve atender, de maneira
que se estabeleçam graus de importância, de forma que a solução encontrada atenda
bem aos mais importantes e bem aos menos importantes. Nem sempre se pode afirmar
categoricamente qual é a melhor solução mas, sem dúvida, se pode afirmar qual é a pior:
a que apresentar o maior desencontro entre os objetivos do projeto de arquitetura e os do
projeto estrutural.
A concepção estrutural ou arranjo estrutural ou também chamado de lançamento da
estrutura consiste em escolher o sistema estrutural que constitui a parte resistente do
edifício. A maneira mais espontânea de chegar ao delineamento do arranjo estrutural é
através da análise das cargas que o solicitam. A concepção estrutural implica em escolher
20
os elementos a serem utilizados e definir suas posições, visando formar um sistema
estrutural eficiente e capaz de absorver os esforços oriundos das ações atuantes e
transmiti-los ao solo.
A solução estrutural adotada deve atender a requisitos como: capacidade resistente,
desempenho em serviço e durabilidade da estrutura.
A concepção estrutural deve levar em conta a finalidade da edificação e atender, tanto
quanto possível, as condições impostas pela arquitetura. Nesta etapa, o projeto
arquitetônico representa a base para a elaboração do projeto estrutural. O projeto
estrutural deve estar em harmonia com os demais projetos como: o de instalações
elétricas, hidráulicas, telefonia, seguranças, ar-condicionado, etc; de modo a permitir a
coexistência de todos os sistemas com qualidade.
Devido a complexidade da estrutura real, o projetista analisa uma estrutura idealizada.
Define-se assim o modelo mecânico, que engloba todas as idealizações adotadas e é
expresso por um conjunto de relações matemáticas que interligam as variáveis do
fenômeno físico em estudo. O modelo mecânico substitui o modelo real e é composto
pelas partes mostradas na Figura 14.
Modelomecânico
Arranjoestrutural
Idealizaçãomateriais
Idealizaçãoações
Idealizaçãovínculos
Idealizaçãoelementos
ModelomecânicoModelo
mecânico
ArranjoestruturalArranjo
estrutural
Idealizaçãomateriais
Idealizaçãomateriais
Idealizaçãoações
Idealizaçãoações
Idealizaçãovínculos
Idealizaçãovínculos
IdealizaçãoelementosIdealizaçãoelementos
Figura 14 – Modelo mecânico, idealização da estrutura real
O sistema estrutural de um edifício constitui um todo tridimensional cujo comportamento é
extremamente COMPLEXO. Para compreensão faz-se uma decomposição em sucessivos
subsistemas mais simples. Algumas subdivisões são naturais pois há separações físicas
reais que tornam os subsistemas independentes. Outras, são intelectuais e cabem ao
projetista. A divisão do sistema estrutural em subsistemas produz subsistemas planos
horizontais e verticais, descritos a seguir.
21
3.3.2 Subsistemas horizontais
O subsistema horizontal é constituído por elementos como: vigas, lajes e
contraventamento horizontal. Os subsistemas horizontais têm como funções estruturais
básicas:
♦ Coletar forças gravitacionais e transmiti-las aos elementos verticais. O comportamento é predominantemente de flexão;
♦ Distribuir as ações laterais entre os subsistemas verticais resistentes comportando-se como diafragmas.
Quaisquer tipos de laje podem ser utilizados com estrutura metálica tais como: laje em
concreto armado moldada in loco, lajes treliçadas, pré-lajes de concreto, laje mista com
forma incorporada, pavimento misto aço-concreto, painéis de madeira e etc.
Em relação às vigas, podem ser de alma cheia, treliçadas, vigas colméia, vierendeel, ou o
que é mais eficiente as vigas mistas aço-concreto.
É extremamente importante para o comportamento global da edificação que o pavimento
funcione com um diafragma rígido para distribuir as ações horizontais. Para isso em
alguns casos é necessário utilizar contraventamento no plano das vigas.
3.3.3 Subsistemas verticais
Os subsistemas verticais tem como funções estruturais básicas:
♦ Suportar os subsistemas horizontais coletando as ações gravitacionais e transmitindo-as às fundações;
♦ Compor, com os subsistemas horizontais, os painéis resistentes às ações laterais. Dependendo do arranjo dos elementos e do tipo de ligação os subsistemas verticais são
classificados em contaventado, aporticado (ou em quadro rígidos), parede de
cisalhamento e núcleo rígido - Figura 15.
22
Reações de apoio
Ações horizontais
Pórticos Lig. rígidas
Reações de apoio
Ações horizontais
Pórticos Lig. rígidas
Reações de apoio
Ações horizontais
Pórticos Lig. rígidas
Reações de apoio
Ações horizontais
Subsistema vertical
Reações de apoio
Ações horizontais
Subsistema vertical
Reações de apoio
Ações horizontais
Subsistema vertical
Figura 15 – Sistemas verticais ou de contraventamento
O sistema em quadro rígido apresenta ligações rígidas entre vigas e pilares constituindo
pórticos, sendo indicado para edifícios até 30 pavimentos. Como vantagens, não
interferem na arquitetura e garantem maior estabilidade durante a montagem da estrutura.
Em contrapartida, as ligações são mais complexas e caras.
Nos sistemas contraventados as ligações são flexíveis, portanto, mais simples e baratas.
Para garantir a estabilidade lateral são adicionadas barras diagonais de
contraventamento. A estruturas resulta mais econômica, porém o sistema estrutural pode
interferir na arquitetura e dificultar a montagem devido a flexibilidade do conjunto nesta
etapa. Este sistema é indicado para edifícios até 40 pavimentos.
Quando se utiliza parede de cisalhamento para compor o subsistema vertical é necessário
compatibilizar a construção de concreto com a fabricação da estrutura de aço, e atentar
para os detalhes de ligação entre aço e concreto.
Os núcleos rígidos são arranjo tridimensional de folhas ou painéis treliçados que,
geralmente, envolvem as regiões de fluxo humano vertical no edifício (escadas e
elevadores). Concentra a rigidez em uma região e pode ser de concreto armado ou de
aço. A transferência das ações horizontais para o núcleo é feita pela laje, que funciona
como diafragma rígido. É necessário compatibilizar execução do núcleo e a fabricação da
estrutura de aço. Sua localização interfere na resposta global da estrutura. Como o núcleo
23
será responsável pela estabilidade da estruturas todos as demais ligações podem ser
flexíveis.
É possível e até recomendável utilizar mais de um subsistema vertical em uma mesma
edificação.
3.3.3 Sistemas estruturais tridimensionais
Os sistemas tridimensionais são bastante aplicados para edifícios altos. Os sistemas
tridimensionais são aqueles onde não é possível definir subsistemas planos. Os mais
comuns são: estrutura tubular, e os pisos suspensos - Figura 16.
Figura 16 – Sistemas estruturais tridimensionais
No sistema de pisos suspensos o núcleo garante estabilidade lateral e os pisos são
suportados por tirantes. Pode ser usado em edifícios de 10 a 15 pav. (limite: def. nos
tirantes) e exigem-se técnicas especiais de execução do núcleo compatíveis com rapidez
do aço.
No sistema tubular os pilares são dispostos na periferia da edificação, tornando flexível o
layout dos pavimentos. O espaçamento entre pilares é menor que nos sistema
convencionais e a estabilidade lateral é garantida por contraventamentos na fachada ou
pela formação de pórticos. Em ambos os casos o sistema estrutural resistente às ações
horizontais concentra-se na periferia do edifício, daí a denominação estrutura tubular.
3.3.4 Sistema steel-frame
O steel frame é um sistema estrutural que consiste de um conjunto de elementos de
pequenas dimensões, e portanto com espaçamento reduzido entre peças, formando um
pórtico tridimensional. Esse sistema pode ser aplicado com sucesso em edificações
residências e em edifícios comerciais de pequeno porte. O sistema tem como
24
característica principal a racionalidade, sendo constituído por perfis de aço galvanizado
formados a frio na composição de painéis estruturais e não estruturais, vigas, tesouras de
coberturas e demais componentes. Trata-se de um sistema completamente
industrializado, permitido uma construção a seco. A Figura 17 apresenta um esquema
desse sistema em uma aplicação residencial.
Figura 17 - Sistema steel frame
Os painéis estruturais ou paredes portantes são compostos por perfis muito leves,
denominados montantes, com espaçamento entre si variando de 400mm a 600mm.
O fechamento pode ser feito com vários materiais, dando preferência a sistemas de
fechamento industrializados. Normalmente são utilizados placas cimentícias, painéis de
OSB e placas de gesso acartonado (internamente).
3.3.5 Sistemas complementares - vedações
O sucesso de uma estrutura em aço está diretamente relacionado com a interação entre a
estrutura e os sistemas de vedação ou fechamento. Tradicionalmente ainda se utiliza
fechamento em alvenaria de blocos, que não é a melhor solução do ponto de vista de
racionalização.
Existem atualmente alternativas mais eficientes para as vedações e fechamentos em
estruturas metálicas que podem agregar vantagens estruturais, construtivas e
econômicas; e aumentar o nível de industrialização da construção.
Mesmo no caso da alvenaria tradicional é possível racionalizar o processo com blocos
especiais, mais leves, e técnicas construtivas mais eficientes. Além disso, em se tratando
de estruturas de aço detalhes especiais de ligação estrutura-alvenaria devem ser
pensados a fim de se evitar patologias.
25
As vedações são responsáveis pela quase totalidade das superfícies verticais de uma
edificação e tem-se estudado cada vez mais a sua performance nos diversos sistemas
estruturais, sejam elas executadas com blocos, placas ou painéis pré-moldados. A Tabela
5 apresenta um resumo das características dos sistemas de vedações mais comumente
utilizados na construção metálica brasileira.
Tabela 5 – Sistemas de vedação utilizados no Brasil
Sistema de Vedação Características
Alvenaria: é o sistema mais utilizado,
porém o menos racional quando se pensa
na industrialização da estrutura. Podem ser
utilizado blocos cerâmicos comuns ou
blocos de concreto celular autoclavado que
aumenta a produtividade.
Placas ou Painéis pré-moldados de concreto: É um sistema mais racional,
podem ser fabricados na obra ou não.
Diversas tecnologias de produção tem sido
testadas a fim de reduzi o peso dos
painéis; o que constitui sua principal
desvantagem.
Painéis metálicos: No exterior é usual
adotar fechamento com painéis metálicos
em edifícios residenciais e comerciais, no
Brasil a aplicação é restrita a edifícios
industriais. Os painéis são compostos por
lâminas metálicas, isolamento térmico e
revestimento interno, em configuração
sanduíche ou integrada.
26
Painéis de gesso acartonado: utilizado
predominantemente em divisórias internas.
Excelente acabamento, baixo peso e bom
desempenho termo-acústico. É composto
por chapas leves em gesso montado sobre
cartão (acartonado), estruturadas por perfis
metálicos ou de madeira.
Peles de vidro: Muito utilizado para
compor fachadas com arquitetura
requintadas. Apresenta peso próprio
elevado e dificuldades de montagem e
fixação. Ideal para paises frios e com
pouca incidência de luz natural.
4 Estruturas mistas aço-concreto
4.1 Considerações gerais
O meio técnico está familiarizado a utilizar, dimensionar e verificar estruturas de concreto
armado ou estruturas metálicas. Nas estruturas de concreto armado, vigas, pilares e lajes
são constituídas por concreto de qualidade estrutural e barras de armadura
adequadamente dimensionadas e detalhadas, imersas no concreto simples. Nas
estruturas metálicas, vigas e pilares são perfis laminados, dobrados ou soldados,
adequadamente dimensionados e detalhados, cuja junção é feita pelas ligações, que
podem ser soldadas ou parafusadas.
Tanto nas estruturas de concreto armado quanto nas estruturas de aço, a laje costuma
ser executada em concreto armado. Sendo assim, o que diferencia uma estrutura de
concreto armado de uma estrutura de aço, são os materiais utilizados nas vigas e pilares.
Nas três últimas décadas, uma nova forma de associação aço-concreto vem sendo
utilizada nos sistemas estruturais de edificações, entre outras. São as estruturas mistas
aço-concreto, que se diferenciam das estruturas em concreto armado e de aço pela forma
como o aço é apresentado. Uma estrutura mista aço-concreto é composta por elementos
mistos.
27
As estruturas mistas são formadas pela associação de perfis de aço e concreto estrutural
de forma que os materiais trabalhem conjuntamente para resistir aos esforços solicitantes.
Desta forma é possível explorar as melhores características de cada material tanto em
elementos lineares como vigas e pilares como nas lajes e ligações.
A utilização de elementos mistos e, por conseqüência, de sistemas mistos aço-concreto
amplia consideravelmente o conjunto de soluções em concreto armado e em aço. De
maneira geral, a crescente utilização de estruturas mistas é atribuída a fatores como a
necessidade cada vez maior de grandes áreas livres por pavimento, que resulta em
grandes vãos para as vigas, acréscimo de força vertical nos pilares e um maior
espaçamento entre eles.
Neste tipo de situação, os elementos mistos possibilitam a redução das dimensões da
seção transversal, ampliando as áreas livres e reduzindo as forças verticais que chegam
nas fundações. Outro aspecto importante é a necessidade de atender aos prazos de
entrega da edificação, fator que requer o emprego de sistemas estruturais para os quais
seja possível obter rapidez e facilidade de execução, sem grandes acréscimos no custo
final da edificação. Também é importante a localização da edificação que, por vezes,
resulta em espaço reduzido para montagem de canteiro de obras e limitações impostas
pela vizinhança.
Por fim, corroboram para a crescente utilização de estruturas mistas, os avanços
tecnológicos das últimas décadas, que permitiram e permitem obter concretos e aços com
alta resistência. Tais avanços possibilitaram também o surgimento de equipamentos que
facilitam o transporte e posicionamento dos elementos mistos.
Além da variedade de opções e combinações possíveis para as estruturas mistas,
especificamente em relação às estruturas em concreto armado verifica-se a possibilidade
de dispensar fôrmas e escoramentos reduzindo custos com materiais e mão-de-obra, a
redução do peso próprio da estrutura devido à utilização de elementos mistos
estruturalmente mais eficientes e o aumento da precisão dimensional dos elementos. Por
outro lado, em relação às estruturas de aço, as estruturas mistas permitem reduzir o
consumo de aço estrutural e substituir parte do aço necessário para resistir às ações pelo
concreto, que tem menor custo.
O conjunto de todos estes fatores é o grande responsável pelos avanços tecnológicos
verificados nos processos construtivos. É importante frisar que o emprego de elementos
mistos constitui não só uma opção de sistema estrutural, mas também de processo
28
construtivo e, como tal, suas vantagens estendem-se também a estes aspectos desde
que sejam adotadas técnicas construtivas condizentes.
O surgimento dos elementos mistos e sua associação com elementos em concreto
armado e de aço impulsionaram o surgimento das estruturas híbridas. É cada vez mais
comum compor o sistema estrutural de uma edificação com pilares de aço, vigas mistas,
núcleos ou paredes de concreto armado que garantem a estabilidade horizontal.
Os primeiros elementos mistos utilizados foram as vigas, os perfis eram envolvidos com
concreto,não estrutural, a fim de aumentar a resistência ao fogo. Posteriormente esse
concreto passou a ser de melhor qualidade e considerando na resistência da viga.
O dimensionamento de elementos mistos foi inserido inicialmente nas normas técnicas já
existentes para elementos de aço. Isso ocorreu, por exemplo, com a norma americana
AISC-LRFD, com a norma canadense CAN/CSA-S16.1 e com a norma britânica BS 5400.
A norma americana para estruturas de concreto armado, ACI 318, também incluiu o
dimensionamento de pilares mistos em seu texto.
No Brasil, a NBR 8800 de 1986 aborda somente o dimensionamento de vigas mistas. O
dimensionamento de pilares mistos e lajes mistas em temperatura ambiente, que não
eram abordados pela NBR 8800, foram incluídos num dos anexos da NBR 14323:1999
que aborda o dimensionamento de estruturas de aço em situação de incêndio. Atualmente
em elaboração, a nova versão da NBR 8800 contemplará o dimensionamento de lajes
mistas, vigas mistas, pilares mistos e ligações mistas.
A primeira "norma" criada com o objetivo de abordar exclusivamente o dimensionamento
e verificação de elementos mistos foi o código europeu EUROCODE 4, que serviu de
diretriz para a elaboração do texto para revisão da NBR 8800:2003.
4.2 Trabalho conjunto aço-concreto
Numa estrutura mista aço-concreto, o aço é utilizado na forma de perfis laminados,
dobrados ou soldados, que trabalham em conjunto com o concreto simples ou armado.
Existem diversas maneiras de fazer com que o perfil de aço trabalhe em conjunto com o
concreto. Para garantir o comportamento conjunto (misto) deve-se garantir que os
materiais aço e concreto se deformem como um único elemento, (Figura 18). A interação
aço-concreto pode ser mecânica, a partir da utilização de conectores de cisalhamento,
mossas, saliências, etc ou por atrito. Em alguns casos, a aderência e a repartição de
cargas é suficiente para garantir a ação conjunta aço-concreto como, por exemplo, nos
pilares.
29
a) sem ação mista b) com ação mista Figura 18 - Comportamento misto aço-concreto em vigas
Em vigas mistas o comportamento misto é garantido pela conexão entre concreto e perfil
de aço por meio de conectores de cisalhamento, que podem ser flexíveis (pino com
cabeça ou stud bolt) ou rígidos (perfil U). A classificação entre rígidos e flexíveis está
ligada à ductilidade da ligação. Os conectores são dimensionados para o fluxo de
cisalhamento longitudinal entre a seção de momento máximo e momento nulo - Figura 19.
Figura 19 - Conectores de cisalhamento
No caso das lajes mistas, a forma metálica deve ser capaz de transmitir o cisalhamento
na interface aço-concreto garantindo o trabalho solidário dos dois materiais. A aderência
natural entre a forma de aço e o concreto não é suficiente para garantir isto, e a
solidarização entre os dois materiais é conseguida basicamente de duas maneiras
distintas: ligação mecânica por meio de mossas ou ligação por meio do atrito gerado pelo
confinamento do concreto em formas reentrantes (Figura 20).
formas com mossas formas reentrantes Figura 20 – Forma de aço: mecanismo de aderência
30
As mossas são confeccionadas quando da conformação da chapa que gera a forma e
consistem de pequenas saliências que promovem uma ligação mecânica com o concreto
impedindo deslocamentos relativos entre aço e concreto. As formas reentrantes, além de
propiciarem aderência entre os dois materiais por meio do atrito gerado pelo
confinamento, também restringem a tendência de separação entre a forma metálica e o
concreto.
Nos pilares mistos, em geral, não são utilizados conectores de cisalhamento e considera-
se que a aderência natural entre aço e concreto seja suficiente para propiciar a ação
mista. A NBR 8800:2003 recomenda o uso de conectores quando a tensão de
cisalhamento na interface aço-concreto, calculada com base nas propriedades elásticas
da seção não fissurada, exceder determinados valores limites. No entanto, a aderência
entre aço e concreto em pilares mistos ainda é um ponto que merece estudos mais
aprofundados, especialmente quanto ao mecanismo de transferência de esforços,
(SHAKIR-KHALIL,1993, PARSLEY et. al., 2000).
A seguir, são apresentadas diversas combinações entre perfis de aço e concreto
resultando em elementos mistos como vigas, lajes e pilares e os pisos mistos de pequena
altura.
4.3 Elementos mistos
4.3.1Vigas mistas
A viga mista é composta por um perfil I, conectado à laje de concreto por conectores de
cisalhamento. Na Figura 21 é vista a morfologia de uma viga mista em que a laje de
concreto é composta por blocos de concreto pré-moldado que recebem uma capa de
concreto moldada in loco, a qual faz a junção laje-viga. Também são apresentadas duas
configurações típicas de vigas mistas.
Figura 21 - Vigas mistas
A NBR 8800:2005 aplica-se a vigas mistas formadas por perfis simétricos em relação ao
plano de flexão e lajes de concreto armado ou com forma de aço incorporada,
31
posicionada acima da face superior do perfil. As vigas mistas podem ser biapoiadas,
contínuas ou semicontínuas. Vigas mistas contínuas são aquelas em que o perfil de aço e
a armadura da laje têm continuidade total nos apoios internos. Nas vigas mistas
semicontínuas a ligação metálica ou mista é semi-rígida ou de resistência parcial. Os
sistemas contínuos e semicontínuos apresentam as seguintes vantagens em relação ao
sistema biapoiado: menor relação altura/vão, reduções de peso, menor fissuração da laje
de concreto junto aos apoios, são menos susceptíveis a vibrações pois a freqüência
natural é mais elevada. Por outro lado, a continuidade requer o emprego de ligações mais
complexas e onerosas e a análise estrutural torna-se mais trabalhosa, por se tratar de
sistemas estaticamente indeterminados e com rigidez à flexão variável.
O comportamento das vigas mistas varia em função da resistência da ligação aço-
concreto e do processo construtivo. Quando o número de conectores for suficiente para
absorver a totalidade do cisalhamento longitudinal na interface aço-concreto tem-se
interação completa. No entanto, é possível utilizar um número menor de conectores sem
reduções significativas no momento resistente da seção mista; neste caso tem-se
interação parcial.
Em construções escoradas, o elemento estrutural entra em serviço somente após a cura
do concreto (resistência superior a 75% de fck) ou seja, após a retirada do escoramento e
o desenvolvimento da ação mista, quando todas as cargas são suportadas pela seção
mista. Em construções não escoradas, a viga de aço deve ser dimensionada para as
cargas de construção (peso do concreto e sobrecarga construtiva). Admite-se que a viga
de aço seja travada lateralmente para efeito de flambagem lateral desde que a forma
tenha rigidez suficiente para tal.
Na determinação do momento resistente da seção mista pode ser admitida a plastificação
total da seção mista desde que yw fEth /76,3/ ≤ , ou seja, sem flambagem local da
alma. O momento fletor resistente, assim determinado, deve ser reduzido pelo coeficiente
βvm que considera a impossibilidade de plastificação total da seção mista no interior dos
tramos das vigas contínuas e semicontínuas. Para as vigas mistas contínuas, βvm = 0,95 e
para as vigas mistas semicontínuas pode ser 0,85, 0,90 ou 0,95, dependendo da
capacidade de rotação da ligação mista.
A largura de laje que trabalha como parte da viga mista é denominada “largura efetiva” e
tem conceito similar à largura colaborante em vigas T de concreto armado.
32
Tem sido utilizada, nos últimos anos, vigas mistas com seções diferentes daquelas
previstas na NBR 8800:2005. Por exemplo, as vigas denominadas parcialmente
revestidas, revestidas e preenchidas. A viga revestida surge da combinação entre uma
viga I de abas paralelas e desiguais, que após a execução da laje, passa a trabalhar
como uma viga revestida por concreto, como ilustrado na Figura 22.
Figura 22 - Vigas parcialmente revestidas, revestidas e preenchidas
Os exemplos de vigas mistas mostradas na Figura 22 estão inseridos dentro de um
sistema misto mais amplo denominado piso misto de pequena altura, que será abordado
em seguida. Uma alternativa para grandes vãos são as vigas mistas treliçadas (treliças
mistas aço-concreto), cujo dimensionamento também é previsto pelo texto base para
revisão da NBR 8800:2005. As vigas mistas treliçadas são treliças metálicas com o banzo
superior conectado a laje de concreto ou laje mista gerando um comportamento misto
para resistir a esforços de flexão – Figura 23.
Figura 23 – Treliça mista aço-concreto
Treliça mista tem se mostrado uma solução particularmente atrativa para vãos superiores
a 10m e apresentam algumas vantagens em relação às vigas mistas como, por exemplo:
são mais leves que as vigas de alma cheia e possibilitam uma solução fácil para
acomodação das instalações em geral. A forma da treliça, bem como os tipos de perfis
utilizados para compor os banzos e as diagonais são variados e dependem do tipo de
projeto. No entanto, a configuração mais utilizada é a mostrada na Figura 23.
4.3.2 Laje mista
Atualmente a utilização das lajes com forma de aço incorporada é uma alternativa
atraente porque permite a racionalização do processo construtivo e, por isso, são
empregadas com sucesso em edifícios de aço, de concreto armado e em pontes,
33
apresentando vantagens construtivas, estruturais e econômicas. Dentre as vantagens
advindas do uso de lajes com forma de aço incorporada cita-se as mais relevantes:
A forma de aço substitui as armaduras de tração da laje, gerando economia de tempo,
material e mão de obra, pois os serviços de corte, dobramento e montagem das
armaduras são eliminados ou reduzidos;
Elimina a utilização de formas de madeira, que constituem uma parcela significativa do
custo total de uma estrutura de concreto;
Reduz sensivelmente a necessidade de escoramentos tornando o canteiro de obras mais
organizado, reduzindo o tempo gasto com montagem e desmontagem dos escoramentos
e retirada de forma;
A forma de aço pode servir de plataforma de trabalho nos andares superiores e proteção
aos operários em serviço nos andares inferiores;
As formas de aço são leves, de fácil manuseio e instalação;
O uso de formas de aço facilita a execução das diversas instalações e a fixação de forros
falsos.
O somatório das características citadas anteriormente resulta em uma notável economia
na construção, reduzindo prazos, desperdício de materiais e mão de obra e
incrementando a qualidade do produto final.
Nas lajes mistas ou laje composta ou, ainda, laje com forma de aço incorporada a forma
de aço suporta as ações permanentes e sobrecargas construtivas antes da cura do
concreto e, após a cura, o concreto passa a trabalhar estruturalmente em conjunto com a
forma de aço que substitui, total ou parcialmente, a armadura positiva da laje. A
morfologia mais comum para a laje mista é mostrada na Figura 24.
Figura 24 – Laje com forma de aço incorporada
34
A utilização de lajes com forma de aço incorporada teve início no final da década de 30
nos Estados Unidos, no entanto a ação conjunta aço-concreto só passou a ser
considerada em meados da década de 50, a partir de estudos desenvolvidos na
Universidade de Iowa em conjunto com o AISI (American Iron and Steel Institute). Estudos
recentes tem mostrado que é viável a utilização de lajes com forma de aço incorporada
também em estruturas de concreto armado.
4.3.2.1 Materiais e dimensões limites Em geral as formas metálicas são fabricadas em aço galvanizado ASTM A-653 Grau 40
(ZAR 280), com resistência ao escoamento de 280 MPa e espessuras finais variando
entre 0,8mm e 1,25mm. Deve ser utilizado concreto estrutural com resistência a
compressão inferior a 28MPa.
São utilizadas ainda armaduras adicionais para controle da retração e de fissuração por
temperatura. As armaduras adicionais devem ter área de no mínimo 0,1% da área de
concreto acima da face da forma. Em regiões de momento negativo, as armaduras devem
ser dimensionadas segundo a NBR 6118:2005. A Tabela 6 apresenta um resumo das
principais recomendações construtivas e limites de dimensões.
35
Tabela 6 – Limites de dimensões para lajes mistas
Item limite
Largura da forma meia altura (bF) > 50mm
Altura da nervura da forma de aço (hF) ≤ 75mm
Altura do conector acima da nervura da forma
de aço
≥ 40mm
Altura da laje de concreto acima da nervura
da forma
≥ 50mm
Altura de concreto sobre o conector ≥ 10mm
Diâmetro dos conectores tipo pino com
cabeça (dcs)
≤ 19mm
Comprimento do conector após a instalação
(hcs)
≥ 4*dcs
Resistência do concreto da laje (fck) ≤ 28
MPa
Espaçamento máximo entre conectores
(emax)
8* ht
Espaçamento mínimo entre conectores (emin) 4* dcs
>40
>10
hcs hc
hFht
4.3.2.2 Dimensionamento O dimensionamento de lajes mistas compreende a verificação da forma de aço durante a
construção e da laje mista após a cura do concreto. Antes da cura do concreto a forma de
aço deve ser verificada para ações construtivas, ou seja, peso do concreto fresco e
sobrecargas de construção. Por tratar-se de um elemento de aço formado a frio, a forma
metálica deve ser verificada segundo NBR 14762:2001.
Após a cura do concreto passa a haver o comportamento misto; nesta situação, a forma
de aço substitui total ou parcialmente a armadura convencional da laje.
Segundo o projeto de revisão da NBR 8800:2005 para o dimensionamento de lajes
mistas, devem ser verificados os seguintes estados limites últimos: resistência ao
momento fletor, cisalhamento longitudinal, cisalhamento vertical e punção.
36
Para lajes mistas contínuas, a região sobre o apoio pode ser comparada a uma laje de
concreto armado ou seja, a armadura da forma de aço deve ser desprezada e calculadas
armaduras negativas adicionais.
Para estados limites de utilização devem ser verificados: fissuração do concreto segundo
NBR 6118:2003 e deslocamentos verticais. Os deslocamentos verticais não devem ser
superiores a LF/350 considerando apenas o efeito da sobrecarga e LF na direção das
nervuras.
4.3.3 Pilares mistos
O concreto associado ao aço compondo elementos mistos surgiu como uma alternativa
simples e pouco onerosa de proteção contra o fogo e a corrosão e, portanto, sem função
estrutural. A idéia de proteção dos pilares metálicos impulsionou o surgimento dos
primeiros pilares mistos aço-concreto que, desde então, evoluíram e hoje apresentam
variações no arranjo e composição destes materiais.
Existem diversos tipos de pilares mistos, que diferem entre si pela posição que o concreto
ocupa na seção transversal. Em função desta posição, os pilares mistos podem ser
classificados em: parcialmente revestidos, revestidos e preenchidos. Nos pilares
revestidos, o concreto envolve o perfil de aço (Figura 25a). Quando o concreto é utilizado
somente no preenchimento do espaço entre as mesas do perfil I, o pilar misto é
denominado parcialmente revestido (Figura 25b). Um pilar preenchido é formado por um
perfil tubular (retangular ou circular) de aço preenchido com concreto (Figura 25c).
perfil deaço
concreto
tubularperfil
a) b) c) Figura 25: Exemplos de pilares: a) revestidos, b) parcialmente revestidos e c) preenchidos
A crescente utilização dos pilares mistos preenchidos em países europeus, asiáticos e
americanos deve-se ao grande número de qualidades resultantes deste tipo de
associação de materiais. Tais qualidades abrangem aspectos construtivos, econômicos e
de comportamento estrutural tais como: alta resistência, rigidez e capacidade de absorver
energia, dispensa de formas e possibilidade de dispensa de armaduras, economia de
materiais e mão-de-obra.
37
Quanto aos pilares revestidos e parcialmente revestidos, são necessárias formas e barras
de armadura para evitar o fendilhamento do concreto. Os pilares parcialmente revestidos
podem dispensar as formas se a concretagem for executada na horizontal, executando o
preenchimento de um dos lados e, em seguida, o preenchimento do outro lado.
4.3.3.1 Materiais e dimensões mínimas O texto base da NBR 8800:2005 estabelece limites os apresentados na Tabela 7 para
resistência dos materiais. Não se admite instabilidades locais dos elementos das seções
de aço, portanto a relação largura/espessura (esbeltez local) destes elementos deve
obedecer aos limites da Tabela 7.
Tabela 7 – Limites de resistência dos materiais e esbeltez local
Limites de resistência Esbeltez local
Concreto
(MPa)
Aço (MPa) Parcialmente
revestidos
Preenchidos
RETANGULAR
y
s
fE
76,1tb
⋅≤
10 ≤ fck ≤ 50
250 ≤ fy ≤ 450
18,1ff
Y
U ≥
y
s
f
f
fE
4,1tb
⋅≤ CIRCULAR
y
s
fE
1,0tD≤
Não há limitação de esbeltez local para seções revestidas pois o cobrimento de concreto
obedece a limites mínimos que impedem a instabilidade local dos perfis.
4.3.3.2 Dimensionamento a compressão Para dimensionamento de pilares mistos à compressão simples é determinada a força
normal resistente da seção a plastificação (NRd,pl) e sobre este valor é aplicada a
influência da esbeltez do pilar utilizando o coeficiente χ, que é um parâmetro de
instabilidade global. Nos pilares preenchidos de seção circular é levado em conta o efeito
de confinamento, que aumenta a resistência a compressão uniaxial do concreto (fck) e
diminui a parcela de contribuição do aço (fy). A força norma resistente da seção é o
somatório das resistências dos materiais que a compõem, ou seja: perfil de aço (Aafy),
concreto (Acfck) e armaduras (Asfys). imensionamento a flexo-compressão
4.3.4 Pavimento misto
A nomenclatura “pisos mistos de pequena altura” é utilizada para descrever um tipo de
sistema estrutural e construtivo no qual as vigas são embutidas na altura da laje de
38
concreto (Figura 26). Estes pisos mistos são formados por vigas I de abas desiguais e
lajes de concreto ou mistas, embutidas nestas vigas. Ou seja, a aparência compacta, fruto
do embutimento de parte da viga de aço no concreto da laje é a principal característica
deste tipo de piso.
Figura 26: Exemplos de pisos mistos de pequena altura – Malask(2000) e Queiroz(1999)
No piso misto de pequena altura pode ser utilizada uma laje mista ou alveolar, ambas
apoiadas sobre a mesa inferior da viga. No caso da laje alveolar em concreto armado, os
painéis pré-fabricados são posicionados sobre a mesa inferior da viga de aço e,
posteriormente, pode ser executada uma capa de concreto consolidando painéis de
concreto e viga de aço ou somente o preenchimento do espaço existente entre as mesas
do perfil de aço (Figura 26).
O embutimento da viga no piso é um dos princípios que caracterizam os pisos de
pequena altura e há registros de sua utilização no Reino Unido em 1845, quando foi
utilizado um sistema estrutural em que arcos de pedra eram integrados a vigas de ferro.
No final do mesmo século, perfis laminados foram utilizados embutidos nas lajes de
concreto (Paes, 2003).
Com o objetivo de reduzir a altura dos pisos ou pavimentos, a comunidade técnica
começou a estudar e caracterizar, na década de 1970, os pisos de pequena altura. Dentro
deste contexto, pesquisadores do Swedish Institute of Steel Construction desenvolveram
39
um perfil de aço de seção I cuja mesa inferior é mais larga que a superior. Sistemas
construtivos formados por pórticos de aço e pisos de pequena altura foram o sistema mais
utilizado para edifícios nos países nórdicos, na década de 1980 (Paes,2003). O sucesso
deste tipo de pisos impulsionou o surgimento de outros tipos de seções para as vigas e,
na Finlândia, em 1990 foram apresentadas a "Hava beam" e a "Delta beam" (Figura 27).
Figura 27 - Viga tipo "Delta beam"
Com o desenvolvimento das tecnologias de laminação de perfis, em 1997, a British Steel
lança um perfil laminado assimétrico denominado "Asymmetric Slimflor Beam" (ASB) com
mesa inferior mais larga que a superior; na mesa superior foram executadas ranhuras na
face externa para melhorar a aderência com concreto - Figura 28a.
a) b) c) Figura 28 – a) Viga Asymmetric Slimflor Beam, b) Sistema Slimdek", c) Sistema RHSSB
A partir do perfil ASB, a British Steel desenvolveu e apresentou, em 1997, o sistema
patenteado como "Slimdek" (Figura 28b).
A companhia siderúrgica luxemburguesa ARBED, atual grupo Arcelor, desde 1991 tem
empenhado esforços para o desenvolvimento de um sistema de piso de pequena altura. E
este sistema é composto por vigas denominadas "Integrated Floor Beam" (IFB) e painéis
alveolares protendidos de concreto armado e continua sendo comercializado e divulgado
na Europa (Paes, 2003) – Figura 29a.
Visando ampliar a competitividade dos sistemas existentes e criar novos mercados de
consumo na União Européia, desde a década de 1990 os finlandeses vêm desenvolvendo
40
sistemas para pisos de pequena altura. Fruto deste esforço, o sistema "Slim floor" é um
perfil I laminado assimétrico utilizado em conjunto com lajes mistas com forma nervurada
de aço (Makelainen & Ma, 2000) - Figura 29b.
a) b) Figura 29 - Sistemas mistos: a) IFB b) Slim floor desenvolvido na Finlândia
Com o desenvolvimento de diversas formas de seção transversal para as vigas, que
podem ser de aço (por exemplo, DELTA BEAM, ASB, IFB) ou de concreto armado como
as vigotas pré-moldadas, e para as lajes, que podem ser mistas com forma incorporada
ou painéis alveolares pré-moldados, os pisos mistos de pequena altura têm grande
versatilidade. Com a diversidade de materiais e morfologias para vigas e lajes, inúmeras
são as combinações para os sistemas construtivos de pisos mistos de pequena altura.
Existe ainda a possibilidade da utilização de treliças espaciais suportando lajes de
cobertura ou de piso. Uma solução eficiente, neste caso, é conectar a laje de concreto ao
banzo superior da treliça desenvolvendo um sistema de piso misto aço-concreto (El-
Sheikh,1993 e Giuliani & Giuliani,1996). Por exemplo, na Figura 30 é mostrado um
edifício construído na Itália empregando treliça espacial mista para compor os
pavimentos, em substituição às lajes nervuradas. Neste caso, o sistema misto apresentou
20% de aumento na capacidade de carga com acréscimo de 3% no custo.
Figura 30 - Sistema de piso com treliça espacial mista – Fonte: GIULIANI & GIULIANI (1996)
Os elementos mistos surgiram da necessidade de proteção dos perfis de aço contra a
ação do fogo e da busca por maior rigidez destes elementos. Sua utilização, quer seja na
41
forma de vigas mistas, lajes mistas ou pilares mistos, tem apresentado um grande
crescimento nas últimas décadas. Devido à crescente utilização, critérios para
dimensionamento e verificação de elementos mistos foram incorporados a diversas
normas técnicas, sobretudo naquelas que abordam estruturas de aço. Isso ocorreu, por
exemplo, com a NBR 8800 cujo texto base para revisão incorporou o dimensionamento
dos elementos mistos. Apesar disso, alguns aspectos ainda limitam a utilização dos
elementos mistos como, por exemplo, os dispositivos de ligação entre vigas mistas e
pilares mistos, ainda não previstos nas normas existentes.
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