EDIFCIOS DE PEQUENO PORTE CONTRAVENTADOS COM PERFIS DE CHAPA

FINA DE AO

Cleber Jos Pereira Junior

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAO DOS

PROGRAMAS DE PS-GRADUAO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS

PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIAS EM ENGENHARIA

CIVIL.

Aprovada por:

Prof. Eduardo de Miranda Batista, D. Sc.

Profa. Michle Schubert Pfeil, D. Sc.

Prof. Francisco Carlos Rodrigues, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL

JUNHO DE 2004

PEREIRA JUNIOR, CLEBER JOS

Edifcios de pequeno porte

contraventados com perfis de chapa fina

de ao [Rio de Janeiro] 2004

VII, 141p. 29,7cm (COPPE/UFRJ,

M.Sc., Engenharia Civil, 2004)

Tese Universidade Federal do Rio de

Janeiro, COPPE

1. Estruturas de ao

2. Perfis de chapa dobrada

3. Sistema construtivo

I. COPPE/UFRJ II. Ttulo (srie)

ii

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais e irmos, pelo suporte emocional e incentivo durante o tempo de

elaborao da tese.

A Aline pela fora na realizao deste trabalho, bem como pelos momentos de

compreenso durante o curso de mestrado.

Ao Prof. Eduardo de Miranda Batista, por sua orientao, incentivo e amizade durante

o curso de mestrado e a elaborao da tese.

Aos meus amigos do curso de mestrado Daniel, Emerson, Tiago, Adcleides, Walber e

George, pela grande ajuda prestada, principalmente nos momentos finais da

realizao deste trabalho e pela companhia e amizade durante o curso de mestrado.

iii

Resumo da Tese apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessrios

para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M. Sc.)

EDIFCIOS DE PEQUENO PORTE CONTRAVENTADOS COM PERFIS DE CHAPA

FINA DE AO

Cleber Jos Pereira Junior

Junho/2004

Orientador: Eduardo de Miranda Batista

Programa: Engenharia Civil

Esse trabalho apresenta um estudo de caso para a anlise de pequenas edificaes

em ao, contraventadas por paredes estruturais constitudas em perfis de chapa fina

formados a frio. Para a realizao do estudo so aplicados modelos em elementos

finitos de barras, utilizando um programa de clculo estrutural comercial. Foram

estudadas no presente trabalho, uma soluo estrutural j estabelecida e uma soluo

alternativa, para posterior comparao do desempenho estrutural.

O sistema estrutural original amplamente utilizado em projetos habitacionais pelo

governo do Estado de So Paulo. Essa edificao de apartamentos residenciais em

cinco pavimentos, estruturada em ao com um sistema de contraventamento em

diagonais em uma direo e um sistema de prticos rgidos na outra. Nesse sistema

construtivo so utilizadas paredes de alvenaria como elementos de vedao e

separao dos ambientes.

A proposta do trabalho consiste em substituir as paredes de alvenaria por paredes

estruturais do tipo Steel-Frame, que alm de funcionarem como elementos de

vedao e separao dos ambientes, so igualmente incorporadas como parte

integrante da estrutura principal, trabalhando como um sistema de paredes

diafragmas, com a funo de contraventar a estrutura principal.

iv

Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M. Sc.)

SMALL BUILDINGS BRACED BY COLD-FORMED STEEL FRAME

Cleber Jos Pereira Junior

June/2004

Advisor: Eduardo de Miranda Batista

Department: Civil Engineering

This work presents a study for analysis of small building in steel, braced by cold-formed

profile. For the development of the study it was applied finite bars elements, using a

comercial structural analysis program. It was developed in this work, a structural

established solution and an alternative one, for later confront of structural behavior.

The established structure is widely used in government housing projects in the state of

So Paulo. This five stories residencial building is steel structured with diagonals

bracing in a direction and rigid frames in the other direction. In this construction system

it is used masonry walls as enclosure and divisory elements.

The purpose of this work is to replace the mansory walls by framed walls (Steel-

Frame). These walls, in spite of working as enclosure and divisory elements, are

incorporated to the main structure working as a diaphragm wall system, with the

bracing function of the main structure.

v

NNDDIICCEE

CAPTULO 1: INTRODUO.........................................................................................1

1.1. Consideraes Gerais..................................................................................1

1.2. Revestimentos..............................................................................................7

1.3. Conforto Acstico........................................................................................11

1.4. Conforto Trmico........................................................................................16

1.5. Painis Diafragmas Estruturados em Steel-Frame..................................19

1.6. Objetivos.....................................................................................................21

CAPTULO 2: PERFIS FORMADOS A FRIO...............................................................24

2.1. Consideraes Gerais................................................................................24

2.2. Materiais e Fabricao................................................................................26

2.3. Proteo Contra a Corroso.......................................................................31

2.4. Consideraes de Projeto...........................................................................35

2.5. Estado da Arte............................................................................................38

CAPTULO 3. MODELAGEM ESTRUTURAL..............................................................45

3.1. Consideraes Gerais................................................................................45

3.2. Sistema Estrutural Original.........................................................................45

3.3. Sistema Estrutural Proposto.......................................................................52

vi

3.4. Paredes Steel-Frame...............................................................................56

3.5. Modelagem das Vigas................................................................................63

3.6. Modelagem das Lajes.................................................................................69

3.7. Anlise dos Carregamentos........................................................................70

CAPTULO 4: ANLISE ESTRUTURAL......................................................................78

4.1. Consideraes Gerais................................................................................78

4.2. Cargas nas Fundaes...............................................................................80

4.3. Verificao dos Estados Limites ltimos....................................................81

4.4. Verificao dos Estados Limites de Servio...............................................97

4.5. Comparao entre Modelos......................................................................100

4.6. Anlise da Retirada de Painis.................................................................101

CAPTULO 5: CONCLUSES....................................................................................105

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS...........................................................................110

ANEXO A: PARAFUSOS AUTOBROCANTES E FIXADORES A PLVORA..........117

ANEXO B: PROTEO CONTRA FOGO..................................................................131

vii

CCAAPPTTUULLOO 11

IINNTTRROODDUUOO

1.1. CONSIDERAES GERAIS

O sistema construtivo Steel-Frame tem sido muito utilizado em diversos pases.

Todavia, seu maior desenvolvimento e conseqente volume de aplicao tem se dado,

principalmente, nos Estados Unidos e na Inglaterra.

Por sculos os norte-americanos utilizaram a madeira como principal material de

construo para as edificaes residenciais. No entanto, o grande aumento dos

preos, devido escassez desse material na natureza, levaram esses construtores a

buscarem alternativas de produtos que substitussem a madeira.

Nesse contexto, os perfis formados a frio de paredes finas ganharam grande

aplicabilidade, substituindo a madeira nas construes residenciais principalmente

devido aos seguintes fatores: baixos preos, qualidade homognea, similaridades com

o sistema de Wood-Frame, alta performance estrutural, baixo peso, produo em

massa, facilidade de pr-fabricao, entre outros. A figura 1.1 ilustra uma edificao

residencial sendo construda utilizando o sistema Steel-Frame.

1

Figura 1.1: Construo de uma edificao residencial em Steel-Frame

As caractersticas dos materiais utilizados na fabricao dos perfis que compem o

sistema construtivo, assim como os mtodos de fabricao e outras propriedades

desses elementos, sero vistas com mais profundidade no captulo 2. Inicialmente,

pretende-se apresentar ao leitor apenas uma viso geral de como esses elementos

so aplicados no sistema, bem como alguns detalhes construtivos das ligaes entre

esses perfis.

Pode-se dizer que o sistema Steel-Frame composto basicamente por trs tipos de

sub-estruturas: os pisos estruturais, as paredes estruturais e o sistema de cobertura.

Na figura 1.2 apresenta-se uma ilustrao bsica, de cada uma dessas sub-estruturas

componentes do sistema, j detalhando alguns de seus elementos.

As sub-estruturas de piso so basicamente compostas por vigas apoiadas sobre as

paredes estruturais, vencendo os vos entre elas. As cargas aplicadas sobre essas

vigas so os carregamentos permanentes e acidentais de pisos, e os modelos

estruturais geralmente utilizados para o dimensionamento desses elementos, so os

de viga bi-apoiada ou viga contnua. A figura 1.3 ilustra o apoio dessas vigas sobre

paredes centrais, enquanto a figura 1.4 mostra em detalhe como as vigas se apiam

em paredes laterais.

2

Figura 1.2: Elementos estruturais do sistema Steel-Frame [1.1]

Figura 1.3: Apoio das vigas em paredes Steel-Frame centrais [1.1]

3

Figura 1.4: Apoio das vigas em paredes Steel-Frame laterais [1.1]

Outra sub-estrutura do sistema construtivo Steel-Frame so as paredes estruturais.

Essas paredes so basicamente compostas por montantes, que suportam as vigas de

piso. No entanto, os detalhes construtivos para esses elementos so inmeros,

sempre ligados arquitetura das edificaes contendo aberturas de janela, portas,

ventilao, etc. Os carregamentos atuantes so oriundos do apoio das vigas de piso.

Os montantes das paredes externas tambm esto sujeitos ao carregamento de vento,

que atua diretamente sobre as paredes. Logo, esses elementos estruturais so

dimensionados como se fossem colunas sujeitas a carregamentos de compresso e

flexo. As figuras 1.5, 1.6 e 1.7 ilustram respectivamente detalhes da conexo desses

elementos estruturais com as fundaes, com os revestimentos e entre duas paredes.

Figura 1.5 Detalhe da ligao entre as paredes estruturais e a fundao [1.1]

4

Figura 1.6: Detalhe da ligao entre as paredes estruturais e os revestimentos [1.1]

Figura 1.7: Detalhe da ligao entre duas paredes estruturais [1.1]

5

As paredes estruturais Steel-Frame tambm podem trabalhar como se fossem

paredes diafragmas, contraventando os carregamentos paralelos aos seus planos que

atuam sobre a estrutura. Esse assunto consiste no tema central desse estudo e ser

abordado mais adiante.

Por ltimo, tem-se a sub-estrutura de cobertura. Basicamente, essas sub-estruturas

so compostas de trelias e/ou caibros vencendo os vos de telhado como mostra a

figura 1.8.

Figura 1.8: Sistema estrutural das coberturas [1.1]

Os carregamentos para o dimensionamento desses elementos estruturais so os

carregamentos permanentes devido ao peso-prprio dos materiais, o carregamento de

vento e o carregamento acidental de pessoas na execuo da montagem e de

reformas das coberturas.

6

1.2. REVESTIMENTOS

Atualmente, para as estruturas Steel-Frame vistas no item anterior, existem

basicamente trs tipos de revestimentos, utilizados para o fechamento dos painis

estruturados em perfis formados a frio. So eles: o gesso acartonado, as placas

cimentcias e os painis de madeira denominados no mercado de OSB.

O gesso acartonado fabricado a partir do minrio de gesso ou Gipsita, em duas

fases. Na primeira fase feita a moagem e a calcinao da Gipsita, enquanto que a

segunda etapa consiste na fabricao dos painis propriamente ditos, como mostra a

figura 1.9.

Figura 1.9: Processo de fabricao do gesso [1.2]

J as placas cimentcias so placas delgadas de concreto, fabricadas a partir de

argamassas especiais contendo aditivos e uma elevada porcentagem de cimento.

Geralmente so confeccionadas a partir de moldes metlicos, utilizando a mesma

tecnologia do concreto pr-moldado.

Os painis OSB (Oriented Strand Board), so fabricados utilizando tiras de madeira

orientadas perpendicularmente em diversas camadas, o que aumenta a sua

resistncia mecnica e rigidez. Essas tiras so unidas com resinas aplicadas sob altas

temperaturas e presso, e predominantemente oriundas de madeira reflorestada.

7

A concepo bsica para esse sistema de revestimento a de uma estrutura em perfis

formados a frio, sobre os quais essas placas so fixadas em uma ou mais camadas,

gerando uma superfcie pronta para receber o acabamento final, seja ele de pintura,

papel parede, cermica, laminados plsticos, etc.

As chapas de gesso acartonado normalmente utilizadas possuem dimenses nominais

de 1,20m de largura e entre 2,60 a 3,00m de comprimento. As espessuras comumente

empregadas so de 12,5mm, 15,0mm e de 18,0mm, sendo que, no Brasil, a chapa de

12,5mm a mais difundida. Basicamente, existem trs tipos de chapas: as normais,

para as paredes sem exigncias especficas; as hidrfugas (ou placas verdes), para as

paredes empregadas em ambientes sujeitos ao da umidade, tais como banheiros,

cozinhas e reas de servio; e ainda, as resistentes ao fogo, para as paredes que

possuem exigncias de resistncia ao fogo.

As placas cimentcias possuem dimenses padres de fabricao que variam entre

comprimentos de 2,40m at 3,00m com largura de 1,20m. Por serem mais resistentes,

existe uma gama maior de espessuras disponveis de 4, 6, 8 e 10mm. So

incombustveis e inertes a ao da gua. Algumas dessas placas podem at ser

fabricadas com aditivos que repelem insetos, fungos e roedores.

Os painis OSB, por sua vez, so fabricados com espessuras variando entre 6 e

40mm e devido ampla variedade de usos construtivos, podem ser fabricados em

placas com inmeras dimenses.

A fixao das placas de gesso, das placas cimentcias e dos painis OSB sobre a

estrutura base em perfis relativamente simples, porm alguns cuidados devem ser

tomados. Os parafusos comumente utilizados para conectar as placas aos perfis so

os parafusos autobrocantes, cujas caractersticas so abordadas pelo anexo A. A

figura 1.10 apresenta as dimenses do espaamento desses parafusos para a fixao,

tanto das placas de gesso como das placas cimentcias e painis OSB. importante

ressaltar a disposio das placas como mostra a figura 1.10, quebrando a

continuidade das juntas e criando dessa forma um painel mais homogneo.

8

Figura 1.10: Fixao das placas de revestimento [1.2]

Para o tratamento das reas molhadas a utilizao de placas de gesso acartonado

especiais, de placas cimentcias e/ou painis OSB tratados, no exime a necessidade

da impermeabilizao, pois o sistema de montagem gera pontos vulnerveis

passagem de gua. Logo, a garantia de desempenho dos fechamentos internos no

sistema Steel-Frame est diretamente relacionada ateno dada aos tratamentos

especficos executados nesses detalhes de montagem.

As placas de gesso especiais, ou seja, as placas verdes definidas anteriormente,

recebem tratamento base de silicone na superfcie e no miolo de gesso. Este

tratamento atribui placa a resistncia umidade e vapores, porm no oferece

resistncia gua. Portanto, as placas de gesso no so indicadas para usos

externos. Logo, para as reas externas so utilizadas as placas cimentcias ou os

painis OSB revestidos com argamassa projetada, pois esses revestimentos so

resistentes ao da chuva. O cuidado fundamental a ser observado o perfeito

rejuntamento entre as peas, de forma a garantir que a umidade no penetre por entre

as juntas.

Os tratamentos impermeabilizantes devem ento ser aplicados em todos os pontos

vulnerveis do sistema. Para o caso de elementos fixados diretamente nas paredes,

como registros, torneiras e demais pontos de hidrulica, deve-se usar o tratamento de

calafetao, ou seja, a aplicao de mastiques flexveis na interface entre o ponto e a

placa, a base de produtos como silicone de cura neutra, poliuretanos, asfaltos

elastomricos, etc. J para a impermeabilizao dos rodaps os sistemas mais

recomendados so:

9

Asfalto elastomrico: sistema impermeabilizante elstico, moldado in loco, base de asfalto modificado com poliuretano disperso em meio solvente, aplicado a frio e

estruturado com uma tela industrial de polister;

Argamassa polimrica: sistema impermeabilizante semi-flexvel, moldado in loco, base de disperso acrlica mais cimentos especiais e aditivos minerais, aplicado a frio,

tambm podendo ser estruturado com uma tela industrial de polister;

Mantas asflticas: sistema impermeabilizante elstico, pr-fabricado, base de asfalto modificado com elastmeros, estruturado com uma armadura no tecida de

filamentos contnuos de polister.

importante ressaltar que, para a aplicao desses sistemas, necessria a

preparao das superfcies, de acordo com as especificaes da cada fabricante.

As instalaes prediais eltricas, hidrulicas, de gs e outras, tambm devem ser

facilmente assimiladas pelo sistema construtivo Steel-Frame, atendendo todas as

normas tcnicas vigentes, pois essas normas so aplicveis a todas instalaes

prediais, independentemente do sistema construtivo adotado.

Para a elaborao dos projetos de instalaes prediais da uma edificao estruturada

no sistema Steel-Frame, devem ser observadas as dimenses dos perfis estruturais

e as suas geometrias, de forma a prever a locao dos dutos, tubos, conduites, etc. A

figura 1.11 ilustra alguns exemplos dessas instalaes em paredes Steel-Frame.

Maiores detalhes dessas interfaces podem ser procurados na bibliografia

especializada.

Figura 1.11: Instalaes eltricas e hidrulicas em paredes Steel-Frame [1.2]

10

1.3. CONFORTO ACSTICO

A preocupao com o conforto acstico est cada vez maior e o cliente final cada vez

mais exigente. Portanto, necessrio que os novos sistemas construtivos apresentem

solues prticas, de baixo custo, atendendo as exigncias mnimas das normas

vigentes. Por esse motivo, as tcnicas de acstica arquitetnica tm como objetivo

proporcionar boa audibilidade de sons desejveis e isolar os sons inadequados, ou

seja, os rudos.

Pode-se definir som, como qualquer variao de presso no ar, gua ou outro meio,

que o ouvido humano possa detectar. O nmero de variaes por segundo chamado

de freqncia do som e medido em Hertz (Hz). O som, para ser captado pelo ouvido

humano, deve estar em uma freqncia entre 20 e 2000 Hz. Os sons graves possuem

freqncias de at 200Hz, enquanto que os sons mdios compreendem-se na faixa de

200 a 2000Hz, os sons agudos por sua vez possuem freqncias acima de 2000Hz.

O rudo a sensao psicolgica do som, considerado indesejvel ou inadequado, e

que pode ser considerado nocivo sade humana. O rudo perturba o ritmo biolgico

do indivduo e as pessoas expostas a certos tipos de rudo, acabam adquirindo

diversas anomalias, como surdez, o stress, a perda do poder de concentrao e da

criatividade. Esses rudos podem levar as pessoas a cometerem erros com riscos

potenciais e prejuzos na produo, com altos custos para a sociedade.

Existem basicamente quatro tipos de rudos: (a) os rudos industriais, so aqueles

provocados pelo deslocamento e/ou funcionamento de equipamentos em fbricas e

galpes industriais; (b) os rudos em edifcios comerciais e de escritrio, embora

raramente sejam comparados aos industriais dificultam a comunicao com

conseqente perda de conforto e produtividade; (c) os rudos em edifcios residenciais,

que esto praticamente ligados perda de privacidade, um problema crescente nos

grandes centros urbanos, particularmente nas habitaes multifamiliares e, por ltimo,

(d) os rudos provocados pelo trnsito das grandes cidades, devido principalmente aos

motores a combusto dos automveis. Inclu-se nesse ltimo tipo os rudos oriundos

do pouso e decolagem de avies nos aeroportos.

11

Os problemas causados pelos rudos so de particular interesse da sociedade

brasileira, que, de acordo com a tabela 1.1, estabeleceu critrios para a exposio

mxima das pessoas ao rudo.

Tabela 1.1: Exposio mxima de uma pessoa por dia a rudos [1.2]

dB Mximo

Horas de exposio por dia (h)

Acima de 110 0 At 110 0,25 At 100 1 At 90 4 At 85 8

A tabela acima apresentada na unidade de medida da intensidade de um som

denominada de decibel (dB). Uma mudana de 1dB pode ser detectada pelo ouvido

humano, e se, um nvel sonoro aumentado ou diminudo em 10dB, o ouvido humano

interpreta como se o nvel sonoro tivesse dobrado ou cado pela metade,

respectivamente.

A tabela 1.2 apresenta uma escala de nveis sonoros em funo dos ambientes de

rotina normal das pessoas, enquanto que a tabela 1.3 apresenta uma escala

comparada com as sensaes humanas.

Tabela 1.2: Escala de nveis sonoros comparados a rotina do dia a dia [1.2]

Nvel sonoro (dB) Ambiente

0 10 Laboratrio acstico a prova de rudos 10 20 Estdios de rdio muito isolados 20 30 Interior de uma grande igreja 30 40 Conversa em voz moderada 40 50 Escritrio comum 50 60 Lojas e ruas residenciais 60 70 Rua de trfego mdio e fbrica de mdio porte 70 80 Orquestra sinfnica 80 90 Rua muito barulhenta

90 110 Passagem de um trem subterrneo 110 120 Trovo muito forte / Turbina de avio a 100m

130 Turbina de avio a 25m / Limiar da dor

12

Tabela 1.3: Escala de nveis sonoros comparados as sensaes humanas [1.2]

Nvel sonoro (dB) Sensao humana

0 10 Silncio anormal 10 30 Muito quieto 30 50 Calmo 50 70 Msica e rudos comuns 70 90 Barulhento

90 110 Desagradvel, penoso 110 - 130 Insuportvel

Para a soluo dos problemas causados pelos rudos, existem diversos tratamentos

acsticos adequados, tais como: (a) tratamento da fonte de rudo, atravs de aes

mecnicas corretivas como a aplicao de material absorvente acstico ou at mesmo

enclausurando a fonte sonora; (b) tratamento acstico do caminho percorrido pelo

rudo, desde a fonte sonora at o receptor; (c) proteo do receptor atravs da

construo de estruturas acusticamente eficientes, que reduzam o nvel do rudo no

local; ou at mesmo, (d) uma combinao desses trs tipos de tratamento.

Para o caso de edifcios residenciais, o qual abordado no presente trabalho, aplica-

se uma soluo baseada no isolamento acstico. Para compreender melhor,

isolamento acstico refere-se capacidade de certos materiais formarem uma

barreira, impedindo que a onda sonora (ou rudo) passe de um recinto para o outro.

Nestes casos se deseja impedir que o rudo alcance o homem. importante saber que

o som no atravessa as paredes e sim as faz vibrar. A energia mecnica de vibrao

da parede transmite movimento ao ar, gerando regies de depresso e compresso,

denominadas ondas sonoras, que se movimentam na velocidade do som.

Essa soluo pode ainda ser melhorada pelo princpio da absoro acstica, quando

insere-se materiais especiais nos vazios dessas paredes. A absoro acstica, o

fenmeno que minimiza a reflexo das ondas sonoras num mesmo ambiente, ou seja,

diminui ou elimina o nvel de reverberao do som no ambiente. Nestes casos se

deseja, alm de diminuir os nveis de presso sonora do recinto, melhorar o nvel de

conforto acstico da edificao.

13

Pelo princpio da absoro acstica, a energia sonora absorvida e transformada em

calor sempre que encontra um material de estrutura porosa, que pode absorver de 30

a 100% da energia incidente, dependendo da espessura e da freqncia. Os materiais

para absoro acstica possuem ento baixa e mdia densidade, so fibrosos e de

poros abertos.

Com as consideraes feitas acima, conclui-se que paredes leves no so

recomendadas para impedir a transmisso do som, pois ao vibrar, essas paredes se

tornam fontes secundrias de som. Recomenda-se, portanto, que as paredes sejam

suficientemente pesadas, pois quanto mais massa tiver a parede, maior dificuldade o

som ter para faze-la vibrar. Por essa propriedade, pode-se dizer que as paredes de

alvenaria amplamente utilizadas nas construes brasileiras, so excelentes sistemas

de isolamento acstico, enquanto que as paredes do sistema Steel-Frame, sempre

muito leves, no possuem o mesmo comportamento.

O isolamento acstico est diretamente ligado ao peso especfico de cada material.

Desta maneira, quanto mais pesado o material maior ser sua isolao. Porm, como

soluo para o isolamento acstico das paredes Steel-Frame, utiliza-se um eficiente

sistema denominado massa-mola-massa, cujo resultado desta descontinuidade de

meios proporciona resultados, por vezes, superiores a sistemas pesados com um

nico tipo de material.

Este fator observado e comprovado quando compara-se paredes de alvenaria

convencional, ou at mesmo de concreto, com paredes de gesso acartonado. As

paredes de gesso acartonado formam o sistema massa (gesso) + mola (ar) + massa

(gesso). Esse sistema aumenta ainda mais a sua isolao quando acrescenta-se l

mineral em seu interior, pois a l como um excelente absorvente acstico, fortalece a

funo mola.

Logo, para a soluo do projeto aplica-se os ndices adotados internacionalmente de

isolao de paredes de gesso acartonado [1.2], com e sem absorvente acstico, de

acordo com a tabela 1.4.

14

Tabela 1.4: ndice de absoro de rudos [1.2]

Configurao da parede (mm)

Intensidade do rudo absorvido

(dB)

43

33

45

39

49

43

52

46

15

Portanto, de acordo com as configuraes apresentadas na tabela 1.4, o sistema de

paredes de gesso acartonado possui como ponto forte isolao acstica, pois

permite flexibilidade para atender os mais variados ndices de conforto acstico

exigidos, com extrema leveza. Esta caracterstica se sobressai em relao s paredes

de alvenaria convencionais, pois estas tm um determinado ndice de isolao e, para

aprimor-lo no to simples como no sistema de paredes secas.

1.4. CONFORTO TRMICO

Todos os edifcios, sejam eles comerciais, industriais e/ou residenciais, so sistemas

que tm como finalidade criar barreiras climticas de modo que no interior dos

mesmos possam existir condies diferentes do exterior, proporcionando conforto

trmico. Deve-se encarar ento o isolamento trmico dos elementos de revestimento,

tais como paredes, agindo de forma a controlar as condies trmicas de um ambiente

ocupado por pessoas, garantindo dessa forma um conforto trmico adequado.

No caso de algumas construes, a ineficincia do tratamento trmico acaba gerando

desconforto e, para que seja compensada essa situao, so empregados

equipamentos de ar condicionado e/ou calefao, que normalmente so super

dimensionados, gerando custos adicionais como o consumo de energia exagerado e

custos operacionais na obra.

Existem trs tipos de transmisso de calor: (a) por conduo, que a transmisso de

molcula a molcula sem perda aparente de matria, ocorrendo nos materiais slidos;

(b) por radiao, que a transmisso por ondas eletromagnticas entre corpos de

diferentes temperaturas e com variaes em funo da geometria e da superfcie do

corpo e, finalmente, (c) a transmisso por conveco, que ocorre a partir de uma

superfcie para um fluido em movimento, dependendo do tipo de escoamento, da

forma e das condies da superfcie.

A capacidade que um determinado material possui de retardar o fluxo de calor

denominada de resistncia trmica. A resistncia trmica de um material pode ser

calculada pela seguinte equao:

16

keR = (eq 1.1)

Onde

e = espessura do material em metros;

k = coeficiente de condutividade trmica.

O coeficiente de condutividade trmica uma caracterstica particular de cada

material, medido em laboratrio, com dimenso de W/mC. Quanto menor o valor de k,

mais isolante o material.

Logo, a resistncia trmica dada pelo dimensional m2C/W e quanto maior o seu

valor, melhor o desempenho de isolamento trmico do material. A tabela 1.5

apresenta os valores dos coeficientes de condutividade trmica de alguns materiais de

construo.

Tabela 1.5: Coeficientes de condutividade trmica

Material k (W/mC) Ao 53,33

Concreto 1,40 Argamassa de revestimento 1,40

Ar 0,027 Gesso 0,20

Tijolo cermico furado 0,88

De posse desses valores pode-se calcular a resistncia trmica de paredes de gesso

acartonado e de paredes de alvenaria comum, com as espessuras arquitetnicas

geralmente aplicadas em edifcios residenciais. A figura 1.12 ilustra as dimenses

geomtricas de duas paredes, cujas resistncias trmicas so calculadas pelas

equaes 1.2 e 1.3.

17

Figura 1.12: Dimenses geomtricas de paredes para o clculo da resistncia trmica

W/Cm16,0Cm/W88,0

m12,0Cm/W40,1

m015,02R 2a =+= (eq 1.2)

W/Cm85,3Cm/W20,0

m025,0Cm/W027,0

m10,0Cm/W40,1

m025,0R 2b =++= (eq 1.3)

Onde

Ra = resistncia trmica da parede de alvenaria da figura 1.12a;

Rb = resistncia trmica da parede Steel-Frame da figura 1.12b.

Adotando para o valor do coeficiente de condutividade trmica da placa cimentcia, o

valor dado pela tabela 1.5 para argamassa de revestimento, pode-se concluir com os

resultados das equaes 1.2. e 1.3, que uma parede Steel-Frame com as mesmas

dimenses geomtricas de uma tpica parede de alvenaria, possui um desempenho

trmico muito superior. Em adio a essa concluso, resultados experimentais [1.3]

comprovam que o sistema de paredes Steel-Frame proporciona conforto trmico

adequado, para a aplicao em residncias.

18

1.5. PAINIS DIAFRAGMAS ESTRUTURADOS EM STEEL-FRAME

No projeto das edificaes, comum a prtica de se atribuir um sistema de

travamento horizontal capaz de resistir aos carregamentos de vento e, para o caso de

pases como Japo e Estados Unidos, aos carregamentos devidos a terremotos.

Atualmente, os sistemas de pisos Steel-Frame e de paredes estruturais tambm

esto sendo utilizados para desempenhar essa funo nas estruturas. Desde que,

adequadamente conectados estrutura principal, tornando-se capazes de resistir a

tais esforos. O uso desses componentes estruturais, pode eliminar a necessidade do

dimensionamento de sistemas de contraventamento independentes para as estruturas,

reduzindo dessa forma os custos da construo.

Desde 1947 [1.4] que inmeros ensaios tem sido realizados com painis diafragmas

estruturados em Steel-Frame. NILSON [1.5-1.6] resume em seu trabalho os

resultados obtidos para esses ensaios realizados at 1960, que posteriormente

originaram as recomendaes para o dimensionamento e a realizao de ensaios para

esses tipos de painis, publicadas primeiramente em 1967 pelo AISI Design of Light

Gage Steel Diaphragms [1.7], sendo sempre atualizadas at a sua atual verso de

1996.

Durante as ltimas dcadas, o desenvolvimento de novos produtos e novas tcnicas

de construo tem crescido rapidamente para as aplicaes de paredes de

cisalhamento e painis diafragmas de pisos, utilizando perfis formados a frio, ou como

se est denominando nesse trabalho, sistemas estruturais Steel-Frame.

Em adio a essa aplicao, os painis estruturais utilizados nas paredes e nos pisos,

tambm podem contribuir para prevenir a flambagem lateral das vigas, no caso dos

painis de pisos, e prevenir a flambagem global das colunas, para o caso dos painis

de paredes. Mesmo painis relativamente flexveis, ou seja, no muito rgidos, podem

aumentar em muito a capacidade de carga das colunas e oferecer um suporte

horizontal suficiente para prevenir a flambagem lateral das vigas. A figura 1.13 ilustra a

aplicao desses painis.

19

Figura 1.13: Painis de paredes e pisos Steel-Frame atuando como diafragmas

O desempenho estrutural desses diafragmas de ao depende diretamente da

configurao dos painis, do tipo das conexes, da resistncia e da espessura do

material utilizado, do comprimento dos vos entre vigas, das alturas das paredes, etc.

Logo, devido a esse grande nmero de parmetros que a anlise desses diafragmas

se torna complexa. Atualmente, o comportamento desses painis tem sido

determinado com a realizao de ensaios ou com o auxilio de programas de

modelagem estrutural em elementos finitos.

Como esse estudo est voltado para os painis diafragmas de cisalhamento verticais,

ou seja, as paredes de cisalhamento, apresenta-se abaixo as caractersticas que

usualmente afetam esse comportamento.

Na configurao dos painis a dimenso que exerce maior influncia sobre o

comportamento estrutural a altura [1.4]. Quanto mais alto os painis, maiores so os

efeitos de distoro prximos s bordas. importante ressaltar que as chapas de

contraventamento horizontal, tm uma enorme importncia para a resistncia final do

painel de cisalhamento.

A largura dessas paredes tambm exerce algum tipo de influncia [1.4], ou seja,

painis com larguras pequenas geralmente possuem uma resistncia ao cisalhamento

maior que a dos painis de larguras maiores, como era de se esperar de acordo com a

mesma proporcionalidade da altura.

20

Outras caractersticas que contribuem para o comportamento estrutural, so a

espessura das chapas e a resistncia do ao utilizado. As perfuraes dos perfis para

a passagem das instalaes eltricas e hidrulicas tambm causam um pequeno

aumento nos deslocamentos, quando comparados com painis construdos a partir de

perfis sem furos.

Como a proposta desse trabalho um estudo de caso para o sistema Steel-Frame

atuando como painis diafragmas de contraventamento, esse breve resumo teve o

objetivo de introduzir o leitor nas discusses que sero abordadas nos captulos

subseqentes.

1.6. OBJETIVOS

O presente trabalho sugere um novo sistema construtivo com aplicao em

edificaes verticais de pequeno porte, ou seja, prdios residenciais e/ou comerciais

de at 5 pavimentos. Esse limite adotado pelo fato dessas edificaes no

precisarem de sistemas de elevadores, o que aumentaria muito os custos da

construo.

A motivao para tal estudo veio do grande nmero de empreendimentos residenciais

que os governos dos estados brasileiros vem financiando para a populao de baixa

renda nas periferias das grandes cidades. Esses empreendimentos visam substituir os

grandes complexos de favelas existentes hoje, por conjuntos habitacionais contendo

toda infraestrutura bsica, para garantir o mnimo de dignidade a populao mais

carente da sociedade brasileira.

Para o sucesso desses empreendimentos, velocidade e baixo custo associados so

fundamentais. Para atingir tal objetivo, a indstria da construo civil brasileira vem

passando por uma srie de mudanas, onde o imperativo a execuo de

construes de qualidade assegurada e em larga escala.

Dentro desse contexto de construo, a estrutura metlica vem ganhando fora e

espao no mercado. Aliado a esses fatores, as usinas siderrgicas brasileiras

21

produzem hoje aos para a construo civil, em espessuras adequadas, com alta

resistncia corroso atmosfrica, como os aos zincados, permitindo dessa forma

maior durabilidade das edificaes.

Sistemas construtivos estruturados em ao e com alto grau de industrializao, esto

sendo cada vez mais introduzidos no mercado brasileiro. Atualmente, j existem no

Brasil projetos de edificaes habitacionais de at 7 pavimentos estruturadas em ao.

Porm, essas estruturas so executadas usando como sistema de vedao paredes

de alvenaria, ainda nos moldes dos edifcios de concreto armado.

O sistema construtivo proposto, lana mo de uma estrutura principal com vigas e

colunas formadas por perfis formados a frio, combinada com paredes Steel-Frame,

que alm de servirem como sistema de vedao, funcionam como contraventamento

da edificao. A figura 1.14 apresenta um dos prticos do sistema estrutural proposto.

Figura 1.14: Prtico da estrutura constituda por paredes Steel-Frame (m)

O objetivo principal do presente trabalho comprovar a eficcia estrutural do sistema,

bem como sugerir um sistema totalmente industrializado para a execuo de projetos

habitacionais, partindo do princpio de que todos os elementos, como os painis

22

Steel-Frame, j venham pr-montados de fbrica. Os resultados obtidos para o

sistema estrutural proposto, tambm sero comparados com os resultados de um

sistema estrutural j aplicado para esse tipo de edificao, como ser visto no captulo

3, referente a modelagem estrutural.

23

CCAAPPTTUULLOO 22

PPEERRFFIISS FFOORRMMAADDOOSS AA FFRRIIOO

2.1. CONSIDERAES GERAIS

Na construo em ao, existem duas grandes famlias de elementos estruturais: uma

a famlia dos perfis laminados a quente, juntamente com os perfis soldados de chapas

grossas; a outra, a famlia dos perfis formados a frio, ou seja, os perfis dobrados de

chapa.

A utilizao dos perfis formados a frio na construo civil, em muitos casos representa

uma soluo econmica e elegante, isto devido ao fato desses perfis possurem maior

esbeltez que os perfis laminados, conduzindo dessa forma a estruturas mais leves.

O uso dos perfis formados a frio como elementos estruturais na construo civil,

comeou aproximadamente em 1850, quase que simultaneamente nos Estados

Unidos e na Inglaterra. Todavia, tais perfis s passaram a ser largamente utilizados a

partir de 1940. Dessa data em diante, a aplicao desses perfis tem crescido bastante,

impulsionada pela publicao de normas tanto na Amrica do Norte como na Europa.

No entanto, essa tecnologia s desembarcou por aqui em meados dos anos noventa e

a sua utilizao ainda est muito pouco difundida, devido a inmeros fatores

econmicos e culturais.

Em geral, a utilizao de perfis formados a frio como elementos estruturais na

construo de edificaes, possui as seguintes vantagens:

Ao contrrio da famlia de perfis laminados e soldados, os perfis formados a frio podem ser dimensionados para carregamentos mais leves e para menores vos;

Inmeras sees podem ser fabricadas pelas operaes de dobramento a frio, obtendo-se dessa forma timas relaes de resistncia x peso;

24

Painis estruturais de paredes e pisos podem facilmente ser executados com tais perfis, facilitando a passagem de dutos de eletricidade e encanamentos das

instalaes hidrulicas, alm de resistirem a carregamentos;

Esses painis alm de suportarem os carregamentos normais, tambm atuam estruturalmente como painis diafragmas, resistindo a esforos de cisalhamento em

seus prprios planos.

Comparados a outros tipos de materiais como a madeira e o concreto, as estruturas

de perfis formados a frio, principalmente as estruturas residenciais, ou estruturas

Steel-Frame, possuem muitas vantagens a saber:

Menor peso e conseqente alvio das fundaes;

Alta resistncia;

Produo em escala e pr-fabricao, diminuindo os custos;

Velocidade de montagem na obra;

Economia no manuseio e no transporte;

Qualidade uniforme das peas;

Material totalmente reciclvel.

Logo, a combinao de todas essas vantagens resulta em um sistema construtivo

limpo, econmico e de alta tecnologia empregada.

Para os perfis formados a frio, existe uma grande quantidade de tipos de sees

transversais. Porm, pode-se dividir essas sees em dois grandes grupos: o dos

perfis estruturais individuais e o dos perfis de chapas corrugadas.

Embora o dobramento a frio permita para o grupo dos perfis estruturais individuais

uma larga gama de sees transversais, os tipos de sees mais freqentemente

encontradas no mercado, so as sees cantoneiras (tambm denominadas como L),

C, C enrijecido, Z, Z enrijecido e cartola.

25

Figura 2.1: Sees transversais dos perfis formados a frio

J para o grupo dos perfis classificados como chapas corrugadas, as sees mais

comuns so as de telhas, utilizadas geralmente como tapamentos laterais e coberturas

de edificaes industrias e comerciais, e as sees de Steel-Deck, que so utilizadas

para a fabricao de lajes mistas, atuando como forma para a concretagem em uma

primeira fase, e como a armadura positiva das lajes na fase seguinte.

Figura 2.2: Sees transversais dos perfis formados a frio de chapas corrugadas

2.2. MATERIAIS E FABRICAO

Os perfis formados a frio so normalmente fabricados a partir de bobinas de chapas

finas laminadas a frio ou a quente. A figura 2.3 ilustra o processo de fabricao dessas

bobinas.

26

Figura 2.3: Processo de fabricao das chapas metlicas [2.1; 2.2 e 2.3]

Geralmente as espessuras dessas chapas variam entre 0,32mm e 6,40mm, no

entanto, as espessuras mais utilizadas so aquelas padronizadas pelas usinas. A

figura 2.4 mostra a foto de uma bobina laminada a frio revestida com zinco e a tabela

2.1 apresenta as dimenses padres das bobinas e chapas fabricadas pela CSN

Companhia Siderrgica Nacional.

Figura 2.4: Foto de uma bobina zincada [2.3]

27

Tabela 2.1: Dimenses das bobinas e chapas CSN para aplicaes na construo civil

[2.4]

Ao Estrutural Ao Zincado Espessura

Padro (mm)

Massa (kg/m2)

Largura Padro (mm)

Comp. Padro (mm)

Espessura Padro (mm)

Massa (kg/m2)

Largura Padro (mm)

Comp. Padro (mm)

2,00 15,70 0,30 2,36

2,25 17,66 0,35 2,75

2,65 20,80 0,43 3,38

3,00 23,55 0,50 3,93

3,35 26,30 0,65 5,10

3,75 29,44 0,80 6,28

4,25 33,36 0,95 7,46

4,50 35,33 1,11 8,71

4,75 37,29 1,25 9,81

5,00 39,25 1,55 12,17

6,30 49,46 1,95 15,31

8,00 62,80 2,30 18,06

9,50 74,58 2,70 21,20

12,50 98,13

1000 1100 1200 1500

2000 3000 6000

1000 1100 1200 1300 1400 1500

2000 2500 3000 4000

Para garantir a qualidade do ao que usado na fabricao dos perfis Steel-Frame,

algumas propriedades so levadas em considerao, tais como:

Tenso de escoamento e de ruptura;

Mdulo de elasticidade;

Ductilidade;

Soldabilidade;

Revestimento da camada de zinco.

A tabela 2.2 apresenta as propriedades dos aos estruturais fabricados pela CSN para

aplicao na construo civil.

28

Tabela 2.2: Propriedades dos aos para a construo civil fabricados pela CSN [2.4]

Ao Estrutural (Patinvel) Composio Qumica

(% mxima) Propriedades Mecnicas Norma Tcnica Grau

C P S Limite de

Escoamento (MPa)

Limite de Resistncia

(MPa) COR 420 0,17 0,025 0,025 300 420

CSN COR COR 500 0,17 0,025 0,025 380 500

Ao Zincado (Qualidade Estrutural) Composio Qumica

(% mxima) Propriedades Mecnicas Norma Tcnica Grau

C P S Limite de

Escoamento (MPa)

Limite de Resistncia

(MPa) ZAR 230 0,20 0,04 0,04 230 310

ZAR 250 0,20 0,10 0,04 250 360

ZAR 280 0,20 0,10 0,04 280 380

ZAR 345 0,20 0,10 0,04 345 430

NBR 10735

ZAR 550 0,20 0,10 0,04 550 570

A resistncia dos perfis Steel-Frame, depende diretamente das tenses de

escoamento e ruptura do ao, assim como, o valor do mdulo de elasticidade

importante para a anlise dos deslocamentos. A NBR 14762 [2.5] e o AISI [2.6]

impem limites mnimos para a tenso de escoamento que deve ser adotada nos

projetos, quando o ao utilizado para a fabricao dos perfis, no possui qualidade

estrutural.

As outras propriedades como a ductilidade e a soldabilidade, tambm so importantes

para as estruturas de perfis formados a frio. A ductilidade influencia nos processos de

conformao, enquanto que a soldabilidade dos aos utilizados influencia diretamente

na fabricao e montagem da estrutura. A espessura de zinco utilizada como

revestimento, tem um papel importante de proteo contra a corroso desses perfis de

pequenas espessuras, e ser vista mais adiante em detalhes.

Quanto fabricao, pode-se dizer que os perfis formados a frio so basicamente

fabricados de duas formas:

Fabricao contnua em mesa de conformao por roletes;

29

Fabricao descontnua em dobradeira vertical.

Na fabricao contnua, o perfil conformado gradualmente por roletes que tm a

funo de dar forma da seo transversal desejada. Esse processo compreende as

seguintes etapas, desde o recebimento da bobina, at o perfil pronto:

a) Corte da bobina em rolos da largura necessria;

b) Planagem na chapa, para entrada na mesa de conformao;

c) Conformao do perfil na mesa de roletes;

d) Corte do perfil no comprimento desejado.

A figura 2.5 ilustra a foto de uma perfiladeira, nome geralmente adotado para as

mesas de conformao por roletes.

Figura 2.5: Perfiladeira [2.7]

A fabricao descontnua, se d atravs da utilizao de dobradeiras, como so

normalmente chamados esses equipamentos, acionadas por motores eltricos ou por

sistemas hidrulicos. Os comprimentos dos perfis fabricados por esse processo,

geralmente esto limitados a 4 metros, que o comprimento mximo dessas

mquinas. A figura 2.6 apresenta a foto de uma dobradeira comumente utilizada. Este

30

processo de fabricao se presta muito bem a pequenos volumes de produo e a

perfis de sees especiais, fora dos padres usuais dos fabricantes.

Figura 2.6: Dobradeira [2.7]

2.3. PROTEO CONTRA A CORROSO

A corroso pode ser definida como o processo de oxidao do ao resultante de

reaes qumicas ou eletroqumicas quando submetido ao climtica. Esse

processo promove a destruio ou deteriorao do material (ao).

Existem diversos processos de corroso [2.8], porm, para o estudo dos perfis

estruturais e em particular para os perfis formados a frio, os processos de corroso

mais importantes so trs:

Ataque uniforme: o mais comum ataque corrosivo, age sobre a superfcie do material e causado pela exposio da pea na atmosfera;

Corroso galvnica: ocorre entre dois metais diferentes quando imersos num meio condutor. Nessas circunstncias surge uma corrente eltrica contnua corroendo o

material anodo, ou seja, o material que cede eltrons;

31

Corroso em fendas: ocorre por acmulo de ambiente corrosivo em depsitos tais como juntas de superposio (telas), furos, depsito em superfcie, etc.

Esses processos so importantes, pois esto relacionados com o ambiente em que a

estrutura erguida e com as ligaes entre os elementos. O ambiente, ou seja, a

atmosfera em que a estrutura colocada, basicamente composto de oxignio,

nitrognio e vapor dgua, alm de outros constituintes, como gases e partculas, que

surgem em funo de atividades humanas e/ou fenmenos naturais e so chamados

poluentes atmosfricos. Dessa forma pode-se classificar a atmosfera em cinco

diferentes tipos, a saber [2.4]:

Atmosfera rural: possui baixas concentraes de poluentes, como silcio e o CO2;

Atmosfera urbana: existe a presena de diversos gases, como SO2 e CO2;

Atmosfera industrial: presena de alta concentrao de diversos compostos, sendo os principais os sulfetos (SO2, H2S), cloretos, amnias, CO2, etc. A concentrao

desses componentes depende das indstrias localizadas na regio;

Atmosfera marinha: presena de cloretos que variam em concentrao, em funo da proximidade do mar;

Atmosfera mista: geralmente onde se misturam os formadores de agentes contaminantes, tais como o industrial-urbana, marinha-urbana, etc.

Como a corroso um processo espontneo, causado principalmente pelo tipo de

ambiente em que a estrutura est exposta, ela deve ser minimizada ou inibida sob o

risco de deteriorao dos materiais. Para isso existem diversos tipos de proteo. Os

principais mtodos utilizados atualmente so listados abaixo [2.4]:

Adio de elementos de liga ao material metlico: alguns metais, e particularmente o ao, tornam-se mais resistentes corroso pela adio de determinados elementos de

liga. Este o caso dos aos aclimveis ou patinveis;

Revestimentos metlicos: isolam a superfcie do metal do meio corrosivo, por meio de revestimento com metais mais resistentes corroso. Como exemplo deste

processo tem-se o estanhamento e a zincagem;

32

Revestimentos orgnicos: situao semelhante anterior, onde o revestimento realizado por meio de aplicao de tinta ou outra substncia metlica. o mtodo

mais utilizado;

Revestimentos inorgnicos: neste caso o revestimento realizado por meio da aplicao de uma pelcula no metlica inorgnica sobre a superfcie do ao. Como

exemplos pode-se citar a cromatizao e a fosfatizao;

Modificao do meio corrosivo: visam modificar a agressividade do meio corrosivo, por meio de alterao nas suas caractersticas fsicas ou qumicas, ou por meio de

adio ao meio de determinados compostos. Dentre estes mtodos, pode-se citar a

diminuio da umidade relativa, controle de pH e reduo da temperatura;

Prticas de projeto: consistem na utilizao de prticas, reconhecidas como eficazes, na proteo anticorrosiva de equipamentos e instalaes industriais. Como exemplo,

pode-se citar: evitar cantos vivos, prever fcil acesso s reas suscetveis corroso e

prever soldas bem acabadas.

No cotidiano dos escritrios de clculo, todos esses mtodos so aplicados e

especificados nos projetos. Porm, como o captulo se prope a dar informaes

sobre os perfis formados a frio, o texto apresenta dentre os mtodos citados, dois

comumente usados, principalmente como especificaes dos aos de fabricao

desses perfis.

Um tipo particular de ao estrutural utilizado para a fabricao desses perfis que pode

dispensar a proteo corroso atmosfrica (como a pintura), o chamado ao

patinvel. Esse ao estrutural de alta resistncia a corroso, pois trata-se de um ao

de baixa liga que recebe em sua composio qumica pequenas quantidades de

cobre, cromo, nquel e fsforo.

Na medida em que o ao patinvel exposto ao ambiente, vai se formando a ptina. A

ptina uma camada de xido que se forma sobre a superfcie do ao, que tem

caractersticas diferentes de uma oxidao comum. Dessa forma aps se estabilizar, a

ptina ir impedir que os elementos causadores da corroso atmosfrica atinjam o ao

que est no interior (ao base), garantindo a resistncia da pea de ao. Geralmente a

ptina se apresenta com uma colorao vermelho escura, com pequenas variaes de

33

tons, dependendo da agressividade do ambiente. Em condies normais, o processo

de formao da ptina pode levar de 1 a 3 anos.

Apesar dos aos patinveis serem amplamente utilizados para a construo civil, para

o sistema construtivo Steel-Frame, onde os perfis so bem mais esbeltos em funo

das espessuras, a aplicao dos aos zincados representa a melhor soluo.

A zincagem um dos processos mais efetivos e econmicos empregados para

proteger o ao da corroso atmosfrica. O efeito da corroso ocorre por meio da

barreira mecnica exercida pelo revestimento e tambm pelo efeito sacrificial (perda

de massa) do zinco em relao ao ao base (proteo catdica ou galvnica). Dessa

forma, o ao continua protegido, mesmo com o corte das chapas ou riscos no

revestimento de zinco, que sempre ocorrem na montagem das estruturas.

Junta-se a isso, a capacidade das chapas zincadas poderem ser submetidas aos

mesmos processos de conformao das chapas no revestidas, e apresentam

condies adequadas para a pintura e soldagem. Enquanto a camada de zinco estiver

intacta, esta garante a resistncia corroso atmosfrica da pea de ao, e caso a

camada de zinco sofra pequenos danos, entra em ao a proteo catdica do zinco,

garantindo a integridade da regio exposta.

Este processo largamente utilizado, garantindo uma grande durabilidade contra a

corroso, mesmo nas condies mais severas, como a atmosfera marinha, permitindo

que se trabalhe com espessuras de ao bem mais finas. No entanto, o processo no

garante 100% de proteo, pois mesmos os aos zincados degradam sob condies

muito agressivas.

Os processos de ligao mais utilizados nas montagens e confeco das estruturas

Steel-Frame, utilizando perfis de chapas zincadas, envolvem principalmente o uso de

parafusos, rebites e cravaes a frio (Anexo A). Quando a soldagem de elementos

indispensvel, deve-se ter o cuidado de utilizar processos de soldagem adequados.

Recomenda-se nesses casos, a reconstituio das regies onde o revestimento foi

afetado, utilizando-se para isso tintas ricas em zinco.

34

Existem diversos tipos de revestimento de zinco relacionados diretamente com a

massa de zinco depositada sobre a superfcie do ao. A tabela 2.3 apresenta os tipos

de revestimentos de zinco fornecidos pela CSN.

Tabela 2.3: Tipos de revestimentos de zinco [2.3]

Tipo Massa mnima de zinco por

face (g/m2)

Espessura da camada

(m) X 24 10 Z 34 14 A 64 24 B 100 36 C 126 47 D 156 58 E 180 65 F 204 74 G 232 86

Para os perfis Steel-Frame, o revestimento mnimo permitido o do tipo B, ou seja, o

equivalente a uma espessura de 36m ou 0,036mm para a camada de zinco aplicada sobre o ao base.

2.4. CONSIDERAES DE PROJETO

do conhecimento de todos, que na natureza no existe carregamento perfeitamente

centrado, material perfeitamente homogneo ou um eixo perfeitamente reto, o que

significa na prtica a inexistncia de um perfil industrial de ao sem imperfeies.

Essas imperfeies so tais, que contribuem diretamente para os fenmenos de

instabilidade estrutural. Para os perfis formados a frio, existem basicamente trs tipos

de imperfeies que os afetam, a saber:

Imperfeies geomtricas;

Tenses residuais;

35

Variao das caractersticas mecnicas do ao.

As imperfeies geomtricas longitudinais apresentadas por esses perfis so dadas

pelas suas flechas iniciais. No entanto, os mtodos de fabricao apresentados

anteriormente, conduzem a resultados muito satisfatrios, ou seja, a obteno de

peas praticamente retas. A norma adotada na Sucia para perfis formados a frio

[2.9], fornece indicaes bem completas a respeito das imperfeies geomtricas

globais e locais, que devem ser respeitadas.

Um outro tipo de imperfeio comumente encontrada nos perfis formados a frio, so

as tenses residuais. Para o caso da famlia dos perfis laminados, sabe-se que essas

tenses se desenvolvem na direo longitudinal do perfil, e que so ocasionadas em

grande parte pelo processo de resfriamento sofrido. Ou seja, como o resfriamento das

regies superficiais se d mais rapidamente do que nas regies internas, o gradiente

de tenso assim criado, conduz ao aparecimento das tenses residuais.

J para o caso dos perfis formados a frio, a induo das tenses residuais acontece

em duas fases: primeiramente na fabricao da chapa bobinada, e posteriormente no

processo de dobramento a frio para a fabricao do perfil. No caso das chapas finas

fabricadas a quente, o aspecto da distribuio das tenses residuais pode ser

representado pela parbola indicada na figura 2.7. Naturalmente, a resultante das

tenses residuais deve ser nula, o que implica nas reas dos diagramas de tenses de

trao ( > 0) e de compresso ( < 0) serem iguais. J as tenses residuais induzidas no processo de conformao a frio, so distintas para cada um dos

processos listados anteriormente.

Figura 2.7: Distribuio de tenses residuais em chapas

36

O processo de conformao em dobradeiras induz o aparecimento de tenses

residuais importantes nas faces das paredes do perfil, originadas pela sua flexo. J

no processo de conformao em mesa de roletes, essas tenses so insignificantes.

No entanto, em ambos os processos de fabricao as tenses residuais mximas

ocorrem nos cantos arredondados.

Finalmente, considera-se a imperfeio no perfil de chapa dobrada causada pela

variao nas caractersticas mecnicas do ao. O trabalho de conformao a frio

encrua o ao e modifica suas caractersticas mecnicas. Esse encruamento do ao, ou

seja, a plastificao a frio, ocasiona uma elevao do limite elstico do material assim

como de sua tenso ltima [2.10]. O grfico da figura 2.8 ilustra esse efeito

qualitativamente.

Figura 2.8: Grfico de encruamento

Resumidamente, pode-se afirmar que as imperfeies podem contribuir

favoravelmente ao comportamento estrutural dos perfis formados a frio, como o caso

do encruamento, assim como contribuem desfavoravelmente, como o caso das

imperfeies de origem geomtricas e as tenses residuais.

37

2.5. ESTADO DA ARTE

Nesse item apresenta-se uma reviso bibliogrfica a respeito dos mais recentes

estudos que esto sendo desenvolvidos, sobre os perfis formados a frio de paredes

com pequena espessura. Nos ltimos anos, a fabricao de materiais de alta

resistncia e as inmeras aplicaes estruturais utilizando tais perfis, bem como o

desenvolvimento de um maior nmero de tipos de sees transversais, tm promovido

um significante crescimento das pesquisas voltadas para os perfis formados a frio.

Pode-se dividir em tpicos esses estudos que foram, ou ainda esto sendo

desenvolvidos atualmente, a respeito do assunto, visto que, o comportamento

estrutural dos perfis formados a frio bastante complexo, envolvendo novos conceitos

de dimensionamento estrutural.

Colunas formadas por perfis formados a frio sujeitas a carregamentos de compresso

tem sido pesquisadas principalmente para trs tipos de sees: as sees tipo C (e C

enrijecido), as sees L ou sees cantoneiras e as sees perfuradas, amplamente

utilizadas nos sistemas Steel-Frame pela necessidade de furos para a passagem das

instalaes eltricas e hidrulicas.

Os efeitos da flambagem local e do comportamento dos perfis tipo C submetidos

compresso com diversas condies de borda, foram estudados por YOUNG e

RAMUSSEN [2.11], incluindo anlises sobre cargas excntricas [2.12] e sobre os

modos de bifurcao [2.13].

Ensaios de compresso em perfis cantoneiras tem sido realizados por POPOVIC

[2.14] para estudar a flambagem global em relao ao eixo de menor inrcia desses

perfis, sujeitos a cargas excntricas. Posteriormente POPOVIC [2.15] publicou sua

pesquisa a respeito de carregamentos excntricos que causam momentos paralelos a

uma das abas dos perfis cantoneiras. Em ambos trabalhos POPOVIC fez

recomendaes que esto sendo incorporadas ao novo cdigo americano de

dimensionamento (AISI, 2001).

As sees perfuradas tm sido amplamente estudadas por DHANALAKSHMI e

SHANMUGAM [2.16], utilizando ensaios experimentais e modelos em elementos

38

finitos para desenvolver mtodos de dimensionamento simples para determinao das

cargas ltimas desses perfis.

Outros trs fenmenos que tambm tm sido foco de recentes estudos so a

flambagem distorcional, a flambagem por flexo toro e a flambagem local dos

elementos de placa constituintes dos perfis formados a frio, principalmente para as

sees tipo C enrijecido. Como definido na norma Australiana e Nova Zelandesa [2.17]

, flambagem local o modo que envolve a flexo de placas isoladas, sem que ocorra a

deformao das linhas, ou seja, das bordas de intersees dessas placas. Por sua

vez, a flambagem distorcional o modo de flambagem que envolve mudanas na

configurao geomtrica da seo transversal do perfil sem a ocorrncia de

flambagem local. J a flambagem por flexo toro o modo de flambagem, onde os

elementos sujeitos a compresso podem fletir e torcer simultaneamente sem que

ocorra mudana geomtrica da seo transversal do perfil. A figura 2.9 apresenta um

grfico contento os trs modos bsicos de flambagem dos perfis formados frio do tipo

C enrijecido sujeitos a compresso.

Figura 2.9: Modos de flambagem para sees tipo C enrijecidas sujeitas a compresso

[2.18]

KESTI e DAVIES [2.19] tm investigado a flambagem local e distorcional em colunas

curtas formadas por perfis tipo C enrijecido, comparando com seus resultados

experimentais, os resultados obtidos com os atuais mtodos de dimensionamento. J

39

SCHAFER e PEKOZ [2.20], tm estudado perfis sujeitos a flexo travados

lateralmente com a ocorrncia da flambagem distorcional da seo enrijecida. Novos

procedimentos de dimensionamento propostos comparados com os resultados

experimentais, tm gerado resultados mais prximos da realidade do comportamento

estrutural desses perfis, do que os resultados obtidos com os atuais mtodos

existentes nas normas vigentes. A figura 2.10 apresenta tambm em grfico os modos

de flambagem dos perfis formados a frio do tipo C enrijecido sujeitos a esforos de

momento fletor.

Figura 2.10: Modos de flambagem para sees tipo C enrijecidas sujeitas a flexo

[2.18]

Como mostrado anteriormente as sees tipo C enrijecido so as que demandam

maior nmero de estudos por serem mais largamente utilizadas nos sistemas

construtivos atuais. Todavia, as sees tipo Z e Z enrijecido tambm so aplicadas em

diversas situaes, principalmente submetidas a solicitaes de flexo e compresso,

quando trabalham como suporte de pisos e de paredes Steel-Frame

respectivamente. LAINE e TUOMALA [2.21] estudaram os perfis Z, Z enrijecido, C e C

enrijecido determinando experimentalmente a influncia das placas de revestimento

que so fixadas nos flanges desses perfis, prevenindo dessa forma a flambagem por

toro lateral. Os resultados demonstraram que as contribuies desses elementos de

revestimento devem ser levadas em considerao para a determinao da capacidade

de carga desses perfis.

40

As sees abertas de perfis formados a frio esto sujeitas a deformaes torcionais,

devido principalmente as baixas resistncias a toro dessas sees, em funo das

pequenas espessuras das paredes, bem como em funo de estarem sujeitas a

carregamentos excntricos aos seus centros de toro na maioria das aplicaes,

como mostra a figura 2.11.

Figura 2.11: Seo sujeita a carregamento excntrico ao centro de cisalhamento [2.22]

Com o intuito de estudar esse comportamento, GOTLURU, SCHAFER e PEKOZ [2.23]

realizaram anlises geomtricas no-lineares utilizando o mtodo dos elementos

finitos, comparando os resultados tericos com resultados experimentais. Como

resultado dos estudos sobre os efeitos desse tipo de carregamento, equaes

interativas foram desenvolvidas para o dimensionamento dos perfis sujeitos a essas

solicitaes.

No campo das conexes dos perfis formados a frio, os estudos tm-se concentrado

em basicamente trs frentes. ROGERS e HANCOCK [2.24-2.26], tm investigado as

conexes sujeitas ao cisalhamento para diferentes tipos de aos estruturais, com o

objetivo principal de aprimorar os atuais mtodos de dimensionamento. MATTEIS e

LANDOLFO [2.27] tm estudado o comportamento dessas conexes em painis

sujeitos a carregamentos cclicos e MAKELAINEN e KESTI [2.28] com estudos

41

voltados para novos tipos de conectores em painis de chapas corrugadas, como

telhas metlicas de cobertura.

Nesse ponto importante citar os recentes estudos a respeito do Mtodo de

Resistncia Direta. Os mtodos adotados pelas diversas normas e especificaes

atualmente, para o dimensionamento dos perfis formados a frio, so todos baseados

no conceito de largura efetiva para elementos enrijecidos e no-enrijecidos. O mtodo

das larguras efetivas um mtodo elementar, desde que, considere-se os elementos

que formam a seo transversal dos perfis como sendo elementos isolados. Isto foi

proposto inicialmente por VON KARMAN [2.29] e calibrado para os elementos

formados a frio por WINTER [2.30]. Basicamente a aplicao do mtodo das larguras

efetivas se resume no dimensionamento dos perfis formados a frio, usando para as

larguras das paredes que formam a seo transversal, larguras efetivas solicitadas por

uma tenso de projeto.

Como as sees se tornaram mais complexas, com um maior nmero de

enrijecedores de borda e intermedirios, o dimensionamento utilizando o mtodo das

larguras efetivas tambm se tornou mais complexo. As interaes que ocorrem entre

os elementos, tambm contribuem para uma menor acurcia desse mtodo, que como

dito anteriormente, estuda os elementos isoladamente. Para solucionar esses

problemas, um novo mtodo de dimensionamento tem sido desenvolvido por

SCHAFER e PEKOZ [2.31], denominado de Mtodo de Resistncia Direta. Esse

mtodo utiliza solues em flambagem elstica para a seo transversal do perfil

como um todo, ao invs de considerar elementos individuais, e de curvas de

resistncia para o elemento inteiro.

O mtodo tem sua origem no Mtodo de Dimensionamento para a Flambagem

Distorcional de Perfis de Sees de Paredes Finas, desenvolvido por HANCOCK,

KWON e BERNARD [2.32], cujos resultados tm sido muito satisfatrios para prever a

resistncia a flambagem distorcional de elementos sujeitos a flexo e a compresso.

Todavia, o Mtodo de Resistncia Direta d um passo adiante, pois assume que o

comportamento de flambagem local pode ser previsto, utilizando a tenso elstica de

flambagem local para toda a seo, combinada com uma curva de dimensionamento

apropriada para a instabilidade local. A grande vantagem do mtodo tornar os

clculos para sees complexas bem mais simples.

42

Outro mtodo que vem sendo largamente utilizado para identificar os possveis modos

de flambagem dos perfis formados a frio, o Mtodo das Faixas Finitas. Esse

mtodo, assim como o Mtodo dos Elementos Finitos, pode ser utilizado como uma

poderosa ferramenta computacional, baseado na soluo do problema de autovalor.

LAU e HANCOCK [2.33], aplicaram o MFF para resolver problemas de flambagem e

identificar os modos de flambagem local e distorcional, para perfis tipo rack e perfis

tipo C enrijecido.

Mais tarde, PROLA e CAMOTIM [2.34] desenvolveram um programa baseado no MFF,

para anlise linear e no-linear de perfis formados a frio. Vrios tipos de sees

transversais de perfis formados a frio foram estudadas e os resultados tericos

comparados com resultados experimentais.

Outra teoria, que tambm vem sendo largamente aplicada para a anlise linear dos

perfis formados a frio Teoria Geral dos Elementos. Essa teoria, permite identificar a

contribuio de cada modo de flambagem no comportamento estrutural. Originalmente

desenvolvida por SCHARDT [2.35], tem sido aplicada principalmente por DAVIS [2.36],

CAMOTIM e SILVESTRE [2.37], no desenvolvimento de diversas solues analticas,

para a aplicao prtica dos perfis formados a frio.

A instabilidade de perfis formados a frio pelo acoplamento de modos de flambagem,

levando-se em considerao principalmente os fenmenos de flambagem local e

comportamento a toro dos perfis, tem sido amplamente estudada por BATISTA

[2.38]. Nesse estudo so aplicadas solues numricas de anlise linear e no-linear,

acrescidos de resultados experimentais, para obter uma maior compreenso desses

problemas.

A desempenho estrutural dos perfis formados a frio em situaes de incndio, tem sido

estudada principalmente por WANG, FENG e DAVIES [2.39-2.41]. Os estudos tm se

concentrado em sistemas planos de paredes estruturais formadas por montantes e

revestidas com placas de gesso (paredes Steel-Frame), sujeitas ao do fogo por

apenas um dos lados, tanto experimentalmente como tambm numericamente. Os

estudos experimentais foram conduzidos para uma srie de painis com diferentes

tipos de sees de perfis, bem como para diferentes tipos de revestimentos, ou seja,

diferentes nmeros de camadas de proteo e diferentes tipos de placas de gesso. O

43

estudo numrico foi feito com o auxilio do programa comercial para a anlise em

elementos finitos, ABAQUS.

Finalmente cita-se os trabalhos de PRES [2.42], onde so apresentados resultados

de estudos tericos e experimentais realizados no Laboratrio de Estruturas do

Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ, com o objetivo de descrever e

caracterizar os fenmenos relacionados com a toro no uniforme e a flambagem

distorcional, e o estudo desenvolvido por NAGAHAMA [2.43], utilizando modelagens

computacionais pelo Mtodo dos Elementos Finitos (MEF), para anlises linear e

no-linear de perfis de ao formados a frio. Esse estudo tambm apresenta aspectos e

procedimentos relativos a implementao computacional do Mtodo das Faixas

Finitas (MFF), para anlise linear de problemas de instabilidade.

44

CCAAPPTTUULLOO 33

MMOODDEELLAAGGEEMM EESSTTRRUUTTUURRAALL

3.1. CONSIDERAES GERAIS

Nesse captulo faz-se uma descrio geomtrica das estruturas modeladas, bem como

o lanamento das hipteses bsicas das condies de contorno adotadas para os

sistemas estruturais original e proposto.

Aps a descrio geomtrica das estruturas, determina-se os carregamentos que

sero aplicados. Considera-se trs tipos de carregamentos atuantes nos sistemas

estruturais em estudo: carregamentos permanentes, carregamentos variveis ou

acidentais e o carregamento de vento.

A estrutura da edificao original composta por colunas e vigas metlicas, e um

sistema de contraventamento. MOREIRA [3.1], em seu trabalho a respeito da anlise

dinmica de edifcios com estruturas esbeltas, prope um modelo simplificado para

simular o mecanismo promovido pelas paredes de alvenaria, confinadas em quadros

viga-coluna, considerando esses painis no aumento da rigidez da estrutura. No

entanto, para a anlise estrutural do sistema original esse efeito desconsiderado.

O presente trabalho prope a substituio das paredes de alvenaria por paredes

Steel-Frame, que, de acordo com a modelagem feita, podero ser levadas em

considerao para o contraventamento da edificao.

3.2. SISTEMA ESTRUTURAL ORIGINAL

3.2.1. Geometria

45

A figura 3.1 ilustra a planta de um pavimento tipo com as dimenses geomtricas da

arquitetura do sistema estrutural original, largamente utilizada atualmente pela CDHU

(Companhia de Desenvolvimento Habitacional e Urbano do Estado de So Paulo).

Figura 3.1: Dimenses geomtricas da planta da edificao (mm)

De acordo com a figura 3.1 a estrutura possui prticos nas direes x e y. As

dimenses dos prticos na direo y so mostradas na figura 3.2 e as dimenses dos

prticos na direo x so apresentadas na figura 3.3. Os prticos na direo y so de

dois tipos: os laterais formados por apenas pilares do tipo 1 e os centrais formados por

pilares dos tipos 1 e 2. Os prticos na direo x, tambm podem ser de dois tipos, a

saber: os contravendados localizados nas fachadas externas e formados por apenas

pilares do tipo 1, e os simples, sem contraventos formados por pilares dos tipos 1 e 2.

Os dados geomtricos das figuras 3.1, 3.2 e 3.3, so utilizados para modelar a

geometria da estrutura em elementos finitos de barra.

46

Figura 3.2: Dimenses geomtricas dos prticos na direo y (mm)

Figura 3.3: Dimenses geomtricas dos prticos na direo x (mm)

47

3.2.2. Elementos Estruturais

Os elementos estruturais constituintes da edificao so os pilares, as vigas e os

contraventamentos. Os pilares, como dito anteriormente, podem ser de dois tipos: do

tipo 1 ou do tipo 2, que diferem entre si apenas pela espessura do perfil formado a frio,

como mostra a figura 3.4.

Figura 3.4: Dimenses geomtricas dos pilares (mm)

J os perfis metlicos da viga e do contraventamento so formados por perfil duplo Ce

e por perfil C simples, respectivamente, como mostra a figura 3.5 com as seguintes

dimenses geomtricas dadas abaixo.

Figura 3.5: Dimenses geomtricas das vigas e dos contraventamentos (mm)

48

Com as informaes dos elementos estruturais, a geometria para a anlise estrutural

do sistema original fica definida, faltando apenas as consideraes sobre as condies

de contorno que so dadas pelos tipos de ligaes adotadas, como ser visto no

prximo item. importante ressaltar que algumas dimenses geomtricas do sistema

original j se modificaram para as aplicaes mais recentes da CDHU. No entanto,

para o presente trabalho manteve-se as dimenses do projeto obtido para consulta.

3.2.3. Ligaes

Os tipos de ligaes adotadas para os sistemas estruturais so fundamentais para a

modelagem em elementos finitos de barra. So as ligaes entre os elementos que

definem as condies de extremidade para cada elemento do modelo.

Por esse motivo, todas as ligaes so descritas da forma que sero executadas com

a finalidade de fornecer embasamento para as condies de extremidade adotadas na

modelagem computacional.

Dependendo da espessura da placa e de outros fatores, a ligao dos pilares com as

placas de base pode ser considerada perfeitamente rgida. Para a modelagem

estrutural, adota-se essa hiptese, sendo essa ligao feita por meio de solda em toda

a volta, como mostra a figura 3.6a. A placa de base, ento fixada na fundao de

concreto por chumbadores. A figura 3.6b ilustra a condio de contorno adotada para

a ligao.

Figura 3.6: Ligao dos pilares com as placas de base (mm)

49

A ligao das vigas com os pilares dos prticos na direo y ilustrada na figura 3.7.

Nessa direo todas as ligaes viga-pilar so consideradas perfeitamente rgidas, em

funo da solda em toda volta do perfil.

Figura 3.7: Ligao das vigas com os pilares na direo y (mm)

Na direo x os prticos das fachadas laterais so contraventados. Nessa direo

adota-se ligaes rotuladas entre os pilares e as vigas. Essa hiptese adotada, pois

s so soldadas as almas do perfil da viga, como mostra a figura 3.8.

Figura 3.8: Ligao das vigas com os pilares na direo x (mm)

50

A ligao dos contraventamentos na estrutura tambm considerada rotulada, sendo

a alma do perfil soldado na estrutura conforme a figura 3.9.

Figura 3.9: Ligao dos contraventamentos na estrutura (mm)

Dessa forma, tem-se todas as condies de contorno para a modelagem dos prticos.

A figura 3.10a ilustra os prticos rgidos da estrutura (direo y), assim como os

prticos contraventados (direo x) so mostrados na figura 3.10b.

a) b)

Figura 3.10: Prticos modelados no programa

51

3.3. SISTEMA ESTRUTURAL PROPOSTO

3.3.1. Geometria

As dimenses geomtricas para o sistema estrutural proposto com as paredes Steel-

Frame so iguais s dimenses do sistema estrutural original. No entanto, para a

modelagem dessas paredes foram adotados alguns parmetros arquitetnicos

utilizados para esse tipo de projeto habitacional. A tabela 3.1 lista os parmetros para

a modelagem dos prticos Steel-Frame ilustrados nas figuras 3.11 e 3.12.

Tabela 3.1: Parmetros arquitetnicos

Parmetro Dimenses (mm) Abertura de porta 2000 x 1200 Abertura de janela 1100 x 1200

Ventilao de banheiro 600 x 600 Altura da janela ao piso 800

Altura da ventilao ao piso 1300

Figura 3.11: Modelo de prtico proposto na direo y (mm)

52

Figura 3.12: Modelos de prticos propostos na direo x (mm)

3.3.2. Elementos Estruturais

Os elementos estruturais para o sistema proposto so formados por dois grupos: o

primeiro o grupo dos elementos estruturais propriamente ditos, colunas e vigas, pois

os contraventamentos no so utilizados; o segundo grupo formado pelos elementos

estruturais das paredes Steel-Frame, ou seja, os montantes, guias, chapas de

ligao e contraventamento.

Para o primeiro grupo de elementos, o sistema estrutural proposto difere apenas na

seo transversal dos pilares do tipo 1 e do tipo 2. Os pilares so formados por perfil

duplo C enrijecido como mostra a figura 3.13. O perfil das vigas o mesmo do sistema

original. A mudana de geometria para os perfis dos pilares necessria por motivos

arquitetnicos e para a realizao das prprias ligaes estruturais entre os pilares e

as paredes Steel-Frame. Estruturalmente pode-se dizer que as rigidezes dos pilares

do sistema estrutural proposto na direo y sero 30% menores que as do sistema

original. No entanto, na direo x essas rigidezes sero em mdia 90% superiores.

53

Figura 3.13: Dimenses geomtricas dos pilares do sistema proposto (mm)

As sees transversais para os elementos estruturais do segundo grupo so ilustradas

na figura 3.14 abaixo.

Figura 3.14: Dimenses geomtricas dos elementos Steel-Frame (mm)

54

3.3.3. Ligaes

Assim como para o sistema estrutural original, a ligao dos pilares do sistema

proposto com a placa de base, tambm considerada perfeitamente rgida, como

mostra a figura 3.15.

Figura 3.15: Ligao dos pilares do sistema proposto com as placas de base (mm)

Seguindo o mesmo raciocnio, as ligaes dos prticos tanto no sentido x, quanto no

sentido y, seguem os mesmos conceitos adotados para os prticos do sistema

original. Logo, tm-se ligaes perfeitamente rgidas nos prticos do sentido y,

enquanto que na direo x, ligaes rotuladas, de acordo com as figuras 3.16 e 3.17.

Figura 3.16: Ligao das vigas com os pilares do sistema proposto na direo y (mm)

55

Figura 3.17: Ligao das vigas com os pilares do modelo proposto na direo x (mm)

3.4. PAREDES STEEL-FRAME

Nesse item, apresenta-se a geometria das paredes Steel-Frame, as ligaes tpicas

entre os elementos estruturais componentes desses painis e as ligaes entre as

paredes e os elementos estruturais principais, que so as vigas e os pilares.

Para essas paredes adota-se algumas recomendaes feitas para as estruturas

Steel-Frame [3.2] utilizadas na execuo de edificaes com at dois pavimentos.

Isso se deve ao fato das solues para as ligaes entre os elementos estruturais das

paredes j estarem bem consolidadas pelas aplicaes atuais.

A figura 3.18 ilustra a geometria de uma parede do sistema estrutural proposto. A

denominao da parede dada como: Parede YZ1 Tipo A, isto significa que a parede

em questo pertence ao prtico 1 do plano YZ e do tipo A.

56

Figura 3.18: Parede YZ1 Tipo A (mm)

3.4.1. Ligao Montante-Guia

Pode-se dizer que a ligao dos montantes s guias uma das mais simples

possveis para a execuo. A figura 3.19a ilustra esse tipo de ligao, e a figura 3.19b

mostra o tipo de vnculo adotado para a modelagem computacional. A nomenclatura

adotada para os conectores, definida de acordo com o Anexo A. A simplificao

adotada para o vnculo se justifica pelo fato dos parafusos autobrocantes impedirem

os deslocamentos em relao aos eixos x e y, e no permitirem a transmisso dos

esforos de momento fletor. Da mesma forma tem-se a ligao dos montantes duplos,

que so colocados sempre ao lado das aberturas, conforme a figura 3.20.

57

Figura 3.19: Ligao montante-guia (mm)

Figura 3.20: Ligao montante duplo-guia (mm)

58

3.4.2. Ligao Montante-Travamento Horizontal

Esse tipo de ligao encontrado em todas as paredes Steel-Frame. Sua principal

finalidade estrutural evitar a rotao dos montantes quando sujeitos a carregamentos

normais de compresso. Outra importante funo desse sistema de travamento

horizontal para o sistema estrutural proposto, diminuir o comprimento de flambagem

dos montantes e dos pilares. A figura 3.21 mostra com detalhes como feita essa

ligao.

Figura 3.21: Ligao montante-travamento lateral (mm)

Para dar maior rigidez a essas barras de contraventamento horizontal, so sempre

colocados perfis a cada trs espaamentos entre os montantes principais e nas

extremidades da parede, como mostra a figura 3.22. Apesar da presena desses perfis

entre alguns espaamentos de montantes e nas extremidades, desconsidera-se a

resistncia a esforos de compresso para a anlise estrutural, logo, no modelo os

elementos de barras so rotuladas aos montantes, podendo somente resistir a

esforos de trao.

59

Figura 3.22: Barra de rigidez para os contraventamentos horizontais [3.2]

De acordo com a considerao feita no pargrafo anterior, para as paredes com

abertura de porta (ver figura 3.12), apenas as chapas de travamento lateral e os perfis

de rigidez mostrados na figura 3.22, no so suficientes para garantir a reduo do

comprimento de flambagem dos montantes. Nesse caso so adicionadas diagonais

inclinadas para garantir a reduo do comprimento de flambagem como mostra a

figura 3.23.

Figura 3.23: Diagonais inclinadas em paredes com abertura de porta

60

3.4.3. Ligao Guia-Laje e Guia-Viga

Os montantes so conectados s guias e estas por sua vez so conectadas na parte

de baixo das paredes diretamente s lajes, como mostrado na figura 3.24, e na parte

superior, as guias so conectas as vigas metlicas que suportam os pisos, essa

ligao mostrada na figura 3.25.

Logo, de acordo com o tipo de ligao guia-laje e guia-viga, pode-se considerar que as

guias so parte integrante das vigas mistas, pois esto rigidamente conectadas, tanto

na parte superior das paredes, quanto na parte inferior. Na modelagem estrutural

desconsidera-se essa contribuio das guias, assumindo que esses elementos

funcionam apenas como peas de ligao entre os montantes e as vigas mistas.

Figura 3.24: Ligao guia-laje (mm)

61

Figura 3.25: Ligao guia-viga (mm)

3.4.4. Ligao Contraventamento-Estrutura

As chapas de contraventamento das paredes sem abertura de janelas ou portas,

executam uma funo parecida com as barras de contraventamento dos prticos do

sistema estrutural original. No entanto, a transmisso de esforos dessas chapas para

os elementos principais da estrutura se d de uma forma diferente, pois elas esto

conectadas a chapas de ligaes, que por sua vez esto conectadas aos elementos

das paredes Steel-Frame, e esses sim, so ligados a estrutura principal atravs de

conectores a plvora ou parafusos autobrocantes, como mostra a figura 3.26.

Como ser visto mais adiante, os pilares so fabricados com ao laminado a frio e os

perfis Steel-Frame em ao zincado, logo de acordo com os conceitos de corroso

dados no captulo 2, necessria a aplicao de um isolamento entre os diferentes

tipos de ao para evitar a corroso galvnica. Geralmente esse isolamento feito por

meio de tintas especiais anticorrosivas.

62

Figura 3.26: Ligao das paredes contraventadas com chapas inclinadas (mm)

Tambm considera-se que as chapas de contraventamento so rotuladas na estrutura

principal, admitindo-se que esse tipo de ligao no capaz de transferir esforos de

momento fletor para os pilares ou vigas. Por essa hiptese, esses elementos so

capazes de resistir a esforos axiais de trao, sendo liberadas as solicitaes de

compresso, da mesma forma que as chapas de travamento horizontal.

3.5. MODELAGEM DAS VIGAS

3.5.1. Consideraes Gerais

As vigas de ambos os sistemas estruturais do estudo de caso so modeladas como

vigas mistas, pois possuem conectores de cisalhamento para garantir o

comportamento misto. Essa considerao no foi escolhida ao acaso, de acordo com

63

diversos estudos [3.3] as vigas mistas tem sido consideradas o sistema estrutural mais

eficiente para suportar cargas gravitacionais de pisos de edifcios.

No limite, o sistema atingir o ponto mximo de eficincia, quando a linha neutra

estiver localizada em uma posio tal que permita que as tenses de compresso na

flexo sejam totalmen