aula 01 - introdução estruturas de aço

Estruturas de Aço e Madeira

ESTRUTURAS DE AÇO - INTRODUÇÃO

2015

HISTÓRICO: PRECURSORES DA

CONSTRUÇÃO EM AÇO

• As evidências da primeira obtenção do ferro indicam que tal fato se deu aproximadamente 6 mil a.C, em civilizações como as do Egito, Babilônia e Índia. O ferro era, então, um material considerado nobre, devido à sua raridade, como sua utilização se limitando a fins militares ou como elemento de adorno nas construções. • com o advento das ferrovias tornou-se necessária a construção de pontes com vãos maiores e sujeitas à ações de maior intensidade. Nesta época já contava-se com o início da engenharia estrutural, que começou com Hooke, passando por Navier e Euler e atingindo em 1821 a formulação da primeira teoria geral da elasticidade. • conhecidas as possibilidades do material, abre-se um novo campo de aplicações, que são os edifícios residenciais e comerciais. • A utilização do ferro em escala industrial só teve lugar de destaque muito tempo depois, em meados do século XIX, devido ao processo de industrialização que experimentavam os países mais desenvolvidos pela revolução industrial, tais como Inglaterra, França e Alemanha.



• A primeira obra importante construída em ferro foi a Ponte sobre o Rio Severn em Coalbrookdale, Inglaterra, em 1779. Essa ponte, com vão simples de 30,5 m é formada por um arco de elementos de ferro fundido e existe até hoje.



• em 1851 inicia-se a era dos grandes edifícios metálicos, como o Palácio de Cristal, em Londres. Mas o primeiro edifício de andares múltiplos realmente projetado como deve ser um edifício com estrutura metálica foi a fábrica de chocolates de Noisiel-Sur-Name, perto de Paris.



• em 1885 a Carnegie Steel Company, começou a laminar vigas de aço que substituíram as vigas de ferro forjado e as colunas de ferro fundido. Dessa forma foi possível mais liberdade na arquitetura das construções com seções curvas.

• no período compreendido entre as duas guerras mundiais observou-se um crescimento maior na área de pontes e edifícios comerciais.

• em 1963 há a construção do primeiro edifício em seção tubular. • em 1970 construção do World Trade Center, NY, com 411 m de altura e 110 andares • em 1974 construção do Sears Building, NY, com 109 andares e 445 m de altura.



World Trade Center 1970 Sears Building 1974

CONSTRUÇÕES EM AÇO NO BRASIL

• não só a fabricação do ferro fundido mas também outras atividades floresceram no Brasil após a vinda de D. João VI • com a presença da Corte no Rio de Janeiro, tornou-se necessária, a abertura de portos, a qualificação da mão-de-obra local, para adaptar a cidade do Rio de Janeiro aos padrões europeus da época. • houve grande expansão das construções em geral e principalmente das ferrovias. • o advento da Primeira Guerra Mundial produziu profundas alterações no panorama da construção em geral, refletindo-se no Brasil pela dificuldade de se conseguir material importado. • Foi na década de 20 que o Brasil começou realmente a desenvolver sua incipiente indústria siderúrgica, como a criação da Companhia Siderúrgica Belgo Mineira. • 1940 foi fundada a Companhia Siderúrgica Nacional, CSN, na cidade de Volta Redonda-RJ. Ela foi instituída através da Comissão Executiva do Plano Siderúrgico Nacional e entrou em funcionamento em 12 de outubro de 1945, com a finalidade de produzir chapas, trilhos e perfis nas bitolas americanas.

CONSTRUÇÕES EM AÇO NO BRASIL

•1953 foi fundada a Fábrica de Estruturas Metálicas -FEM da CSN, que iniciou o ciclo completo de detalhamento, fabricação e montagem de estruturas de aço. A FEM foi desativada em 1998. A FEM iniciou a formação de mão-de-obra especializada, bem como do ciclo completo de produção de estruturas metálicas. • entre 1950 e 1960, a FEM, pioneira no Brasil em edifícios de andares múltiplos, fabricou e montou muitas estruturas, a maioria delas calculadas pelo engenheiro Paulo Fragoso. • Para consolidar o mercado, entraram em operação na década de 60 as usinas USIMINAS E COSIPA, para a produção de chapas, e mais recentemente a entrada da GERDAU AÇOMINAS para a produção de perfis laminados de abas paralelas. • a partir daí grandes expansões foram realizadas no setor siderúrgico, produzindo o Brasil atualmente mais de 30 milhões de toneladas de aço. O Brasil, que até a década de 70 ainda importava aço, passou a exportar, devido ao baixo consumo interno.

OS ARRANHA-CÉUS NOS

ESTADOS UNIDOS

• no século XX, a posição de liderança na construção em edifícios altos foi assumida por Nova York, não somente em número de edifícios construídos, mas também em recordes de altura e mérito arquitetônico. • Em 1913 foi construído o Woolworth Tower, com 234 metros de altura e 55 andares, considerado até 1930 o edifício mais alto do mundo. • Em 1929 foi construído o Chrysler Building, com 320 metros de altura e 75 andares, e em 1931 o Empire State Building, com 380 metros de altura e 102 andares, que durante 40 anos que se seguiram não encontrou rival no mundo. • Antes mesmo que World Trade Center (1966-1971) tivesse sido totalmente ocupado, um terceiro arranha-céu já estava se aproximando do final da sua construção em Chigago : era o Sears Tower (1972-1974), com 109 andares e 445 metros de altura.

OS ARRANHA-CÉUS NOS

ESTADOS UNIDOS

WoolWorth Tower Chrysler Building Empire State Building 1931 102 andares, 380 m

OBRAS DE DESTAQUE

Torre Eiffel Paris, França 1889 1700 toneladas de aço 18000 peças

OBRAS DE DESTAQUE

Petronas Twin Towers Kuala Lampur, Malásia 452 metros 88 andares

OBRAS DE DESTAQUE

Aeroporto de Stuttgart

OBRAS DE DESTAQUE

Taipei 101 Taiwan - China

OBRAS DE DESTAQUE

OBRAS DE DESTAQUE

O Taipei 101 é um arranha-céu de 101 andares, localizado em Taipei, Taiwan. O edifício foi o arranha-céu mais alto mundo superando as Petronas Towers, na Malásia, em 2003, e sendo superado pelo Burj Khalifa, nos Emirados Árabes Unidos, em 2010. O Taipei 101 recebeu o prêmio Emporis Skyscraper em 2004. Foi considerado uma das Novas Sete Maravilhas do Mundo Moderno (revista Newsweek, 2006) e uma das Sete Maravilhas de Engenharia (Discovery Channel, 2005). O edifício fica como um ícone de Taipei, e de Taiwan como um todo. Seu estilo combina a tradição e modernidade da cultura asiática e internacional num único projeto. Suas características de segurança permitem-lhe suportar tufões e terremotos. O Taipei 101 pode suportar terremotos de 7 graus na escala Richter e ventos de mais de 450 km/h. Durante a construção do Taipei 101, um terremoto de 6,8 graus na escala Richter atingiu a região de Taipei, em 2002. O prédio ficou inteiro, mas dois guindastes caíram do 56º andar e 5 pessoas morreram. O edifício também possui um dos elevadores mais velozes do mundo que foram fabricados no Japão. Ambos sobem 380 metros (do térreo até o 89.º) em 43 segundos, atingindo 60 km/h. Já a descida é ligeiramente demorada, são 52 segundos, atingindo 36 km/h. Esse elevador também possui um sistema de selamento hermético similar ao de um avião, que protege os ouvidos das pessoas. No topo da torre existe uma bola de 660 toneladas e 5,5 metros, sustentada por 16 cabos de aço de 42 metros cada. Isso reduz em 60% o balanço do edifício.

O EDIFÍCIO MAIS ALTO ATUALMENTE

Burj Khalifa Dubai – Emirados Árabes

Inauguração: 04/01/2010


Foto durante a construção onde o edifício tinha 801 m e era utilizado cerca de 25 % do número de gruas existentes no mundo


Trabalhadores que operaram nas gruas mais alta, podiam ver a “rotação da terra” No canto superior direito da foto é possível observar a curvatura da terra.


Burj Khalifa - Curiosidades

O Burj Khalifa Bin Zayid, anteriormente conhecido como Burj Dubai, é um arranha-céu localizado em Dubai, nos Emirados Árabes Unidos, sendo a maior estrutura e, consequentemente, o maior arranha-céu construído pelo homem, com 828 metros de altura. Possui 162 andares habitáveis, 44 andares par armazenamento de água e equipamentos de manutenção, custo estimado de U$$ 1,5 bilhão, 3 mil vagas de garagem, 57 elevadores com velocidade de 64 km/h e 24.348 janelas. Sua construção começou em 21 de Setembro de 2005 e foi inaugurado no dia 4 de janeiro de 2010. Foi rebatizada devido ao empréstimo feito por Khalifa bin Zayed Al Nahyan, xeique do Emirado de Abu Dhabi, depois que este emprestou US$ 10 bilhões para evitar que Dubai desse um calote em investidores de uma de suas principais companhias, a Dubai World.



• O Burj Khalifa tem o peso equivalente a 100 000 elefantes • A fundação possui 192 estacas de concreto de 1,5 m de diâmetro, a uma profundidade de 50 m • Cada estaca suporta 3 mil toneladas • Na fundação do edifício foram necessários 45 mil m3 de concreto • A estrutura da edificação até o 156º andar é de concreto armado, e até o 160º andar é de aço • Na estrutura foram utilizados 230 mil m3 de concreto



• 1º ao 8º andar : Hotel Armani • 76º andar : Piscina • 122º andar : Restaurante Panorâmico • 124º andar : Mirante ( a 442 metros de altura) • 143º andar : Discoteca • 158º andar : Mesquita O Burj Khalifa necessita de 1 000 000 litros de água por dia. A antena do Burj Khalifa pode ser vista a cerca de 100 km de distância. Possui um dos dois hotéis de 7 estrelas do Mundo(o outro é o Burj al Arab, também em Dubai), o Accor Ar'Kalifb nos andares 75 a 88. Visto de cima, o Burj Khalifa forma uma rosa.

COMPARAÇÃO DO BURJ KHALIFA COM

OUTRAS ESTRUTURAS

Burj Khalifa, Dubai, 828 m – Taipei 101, Taiwan, 508 m – Shangai World Financial Center, China, 492 m – Commerce Center Hong Kong, China, 484 m – Petronas Tower, Malásia, 452 m – Nanjing Greenland Financial, China, 450 m – Sears Tower, E.U.A., 442 m – Guangzhou Financial Center, China, 438 m – Trump International Hotel, E.U.A., 423 m – Jim Mao Tower, China, 420 m – Two Finance Center, China, 412 m – CITIC Plaza, China, 391 m.

A SIDERURGIA NO BRASIL

1921 Companhia Siderúrgica Belgo Mineira

1941 Companhia Siderúrgica Nacional – CSN (Em plena 2ª Guerra Mundial)

Fábrica de Estruturas Metálicas (FEM) 1953

PRIMEIRAS OBRAS EM AÇO NO BRASIL

1901- É concluída a Estação da Luz, em São Paulo. Estruturas metálicas na cobertura e das passarelas foram trazidas da Inglaterra.

PRIMEIRAS OBRAS EM AÇO NO BRASIL

1990 – O Light Steel Frame chegou ao Brasil no inicio da década, aplicado na construção residencial. Dez anos depois, com a tecnologia já estabelecida no País, são publicadas as normas NBR 14762(2001) – Dimensionamento de Estruturas de Aço Construídas por Perfis Formados a Frio e NBR 6355 (2003) – Perfis Estruturais de Aço Formados a Frio.

PRODUÇÃO – MERCADO MUNDIAL

A produção mundial de AÇO BRUTO superou 1,606 bilhões de toneladas no ano de 2013, pouco acima da produção atingida em 2012 - 1,559 bilhões de toneladas, recorde na história do Setor. Nesta produção recorde, destaque para a participação da CHINA, maior produtor, com cerca de 779 milhões de toneladas, contribuindo com 48% do total mundial. A evolução da produção chinesa de aço bruto alterou a geografia da produção mundial neste século:

Fonte: WorldSteel Association


O consumo aparente mundial de laminados de aço (produtos acabados) é estimado em 92% da produção de aço bruto, ou seja, em 2013 foram consumidas 1.481 MMt, para uma população mundial de 7 bilhões de habitantes, em média um consumo de laminados de aço de 211,6 kg/habitante/ano. Para países selecionados, segue quadro com o nível de consumo atingido a partir de 2007:



• A produção brasileira de aço bruto, em 2013, praticamente repetiu o desempenho recorde de 2012, ao nível de 34,2 MMt/ano. A capacidade instalada de produção de aço, segundo o INSTITUTO AÇO BRASIL (ex-IBS), atingia, ao final de 2013, a 48,4 MMt/ano, o que indica um índice de utilização de 71% naquele ano. • O consumo interno de aço bruto equivalente somou 26,4 MMt em 2013, 77% do total produzido. • O consumo brasileiro de aço laminado - produtos acabados - atingiu a 20,6 MMt em 2013.


O parque produtor de aço no Brasil compreendia, em meados de 2013, 29 usinas processando gusa e sucata ferrosa adquirida no mercado. Estas 26 usinas são administradas por 13 empresas, pertencentes a 11 Grupos empresariais:

ARCELORMITTAL 4 usinas (ex-belgo), ex-CST (ES), ex-ACESITA (MG) e ex-VEJA

USIMINAS Usinas em Ipatinga - MG e Cubatão - SP

CSN Usina em Volta Redonda

GERDAU 12 usinas, inclusive a ex-aços Villares e a nova em SP

VOTORANTIM Usina Barra Mansa - RJ

V&M Usina Belo Horizonte - MG

VILLARES METALS Usina Sumaré - SP

SINOBRÁS Usina em Marabá - PA

VALLOUREC Usina em Belo Horizonte - MG

APERAM Usina em Timóteo - MG

THYSSENKRUPP Usina em Santa Cruz - RJ

PRODUÇÃO SIDERÚRGICA BRASILEIRA

PREÇOS DO AÇO NO BRASIL

Exemplo Simplificado * Esse perfil tem massa linear de 22,5 kg/m. Uma viga de 10 m desse perfil tem massa total de 225 kg. Dessa forma somente o perfil custaria aproximadamente R$ 796,50 * Sem custos de transporte, montagem, etc.

VANTAGENS DA CONSTRUÇÃO

METÁLICA

• ALTA RESISTÊNCIA DO AÇO EM COMPARAÇÃO COM OUTROS MATERIAIS • ALÍVIO DAS FUNDAÇÕES, pois devido a alta resistência do material nos diversos estados de tensão (tração, compressão, flexão), permite aos elementos suportarem grandes esforços apesar da área relativamente pequena de suas dimensões. • GARANTIAS DAS DIMENSÕES E PROPRIEDADES DO MATERIAL, pois o aço é um material homogêneo de produção controlada. • GRANDE MARGEM DE SEGURANÇA NO TRABALHO, o que se deve ao fato de o material ser único e homogêneo, com limite de escoamento, ruptura e módulo de elasticidade bem definidos. • GANHO DE ÁREA ÚTIL – perfis com seções transversais menores devido a alta resistência do material. • FACILIDADES NO CANTEIRO DE OBRAS, pois os elementos de aço podem ser desmontados e substituídos com facilidade, o que permite reforçar ou substituir facilmente diversos elementos da estrutura. • O AÇO É RECICLÁVEL ( 84 % DA CONSTRUÇÃO EM AÇO É RECICLÁVEL), pois há possibilidade de reaproveitamento do material que não seja mais necessário à construção.

VANTAGENS DA CONSTRUÇÃO

METÁLICA

• AUMENTO DA PRODUTIVIDADE, aumento na produtividade americana é de aproximadamente 12 a 15 hh/m² enquanto que na brasileira é de 50 a 80 hh/m²

• O CUSTO COM A MÃO DE OBRA É O DE MAIOR VALOR INCIDENTE NO FINAL DO CUSTO DA OBRA • Administrativos 10% • Maq. E equipamentos 5% • Materiais 40% • Mão de Obra 45%

FATORES QUE INFLUENCIAM O CUSTO

DA ESTRUTURA METÁLICA

Tradicionalmente o aço tem sido vendido por tonelada e, consequentemente, discutindo-se o custo de uma estrutura de aço, impõe-se a formulação de seus custos por tonelada de uma estrutura acabada. Só que se ignora o fato de grande número de fatores ter influência significativa no custo final, por tonelada, de uma peça acabada. Os seguinte fatores influencia o custo de uma estrutura metálica : • seleção do sistema estrutural ( se a estrutura será aporticada ou contraventada, se a coluna será engastada ou rotulada etc.) • projeto dos elementos estruturais ( viga de perfil de alma cheia, viga mista, treliça, etc.) • se haverá ou não sistema de proteção à corrosão • projeto e detalhe das ligações ( se parafusadas ou soldadas)

“DESVANTAGENS” DA CONSTRUÇÃO

METÁLICA

• Dependendo do planejamento da obra, pode custar mais caro que uma estrutura de concreto equivalente • Exige mão-de-obra altamente especializada • Em algumas regiões, as vezes é difícil encontrar determinados aços e perfis • Muitas regiões do Brasil não têm tradição em utilizar estruturas em aço • È viável somente para elementos lineares, para as lajes deve ser associado ao concreto

PRECONCEITOS SOBRE ESTRUTURAS

DE AÇO

ESTRUTURA METÁLICA NÃO TEM DURABILIDADE POIS O AÇO “ENFERRUJA” Não existe material “bom” ou “ruim”, existe material “bem” ou “mal” especificado. A durabilidade de uma edificação depende: • Correta especificação do material • Projeto • Execução da obra • Uso compatível com o projeto • Manutenção adequada

LEMBREM-SE: PONTE DE FERRO EM COALBROOKDALE, SOBRE O RIO SEVERN, NA INGLATERRA COM 30,5 M DE VÃO, DE 1779 ( CERCA DE 230 ANOS !!!) É USADA ATÉ HOJE.


DE AÇO

AÇO “AMOLECE” EM CASO DE INCÊNDIO

• tanto o aço como o concreto perdem resistência sob altas temperaturas; • a diferença é que o concreto possui maior inércia térmica que o aço; • a norma brasileira da ABNT, NBR 14323 (2003) - Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio – Procedimento é pouco aplicada.


DE AÇO

AÇO “AMOLECE” EM CASO DE INCÊNDIO


DE AÇO

O AÇO É “CARO”

• Não comparar apenas o material aço com o material concreto • Considerar o empreendimento como todo • A estrutura metálica pode ser reaproveitada • O aço tem valor até como sucata • Cuidado ao comprar soluções com diferentes materiais

NÃO SE PODE COMPARAR APENAS O MATERIAL ESTRUTURAL E

SIM TODO O SISTEMA CONSTRUTIVO

APLICAÇÕES DE ESTRUTURAS

METÁLICAS

• Edifícios Industriais • Edifícios Comerciais • Pontes, Viadutos e Passarelas • Silos e Reservatórios • Torres • Residências • Habitações populares • Aeroportos, Hangares e grandes coberturas • Plataformas Marítimas


METÁLICAS – Edificios Industriais


METÁLICAS – Edificios Torres


METÁLICAS – Silos


METÁLICAS – Painéis, Escadas,

Passarelas


METÁLICAS – Edifícios Comerciais


METÁLICAS – Grandes Coberturas


METÁLICAS – Aeroportos

Aeroporto Recife - PE


METÁLICAS – Pontes

EXIGÊNCIAS NORMATIVAS – NORMAS ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS

( WWW.ABNT.ORG.BR) As normas são o resumo do resultado da experiência acumulada em cada área de conhecimento e devem estar em contínuo aperfeiçoamento, com base nas últimas pesquisas e testes. O emprego correto das normas garante ao projetista um projeto seguro e econômico. Podemos empregar normais nacionais e/ou estrangeiras, devendo-se entretanto tomar o cuidado ao se misturar recomendações de diferentes normas. Exemplos : Há normas estrangeiras baseadas no Método das Tensões Admissíveis. As normas brasileiras são baseadas no Método dos Estados Limites.

EXIGÊNCIAS NORMATIVAS – NORMAS ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS

• NBR 8800 (2008) - Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. Em vigor desde 25/09/2008, com 237 páginas. • NBR 6123 (1988) - Forças devidas ao vento em edificações • NBR 6120 (1980) – Cargas para o cálculo de estruturas de edifícios • NBR 8681 (2003) - Ações e segurança nas estruturas – Procedimento • NBR 14323 (1999) - Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio – Procedimento • NBR 14762 (2010) - Dimensionamento de perfis formados a frio

EXIGÊNCIAS NORMATIVAS – NORMAS

Nos Estados Unidos são muito utilizadas as seguintes normas : AISC : American Institute of Steel Construction AWS : American Welding Society ( Sociedade Americana de Soldagem) ASTM : American Society for Testing and Materials AISI : American Iron and Steel Institute ( Instituto americano de ferro e aço) AISE : American of Iron and Steel Engineers Na Alemanha usa-se : Norma DIN : Deutsch Industrie Normen

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