05 Estruturas Vagonadas Em Aco Concepcao Dimensionamento e Aplicacoes

Contribuição Técnica

Estruturas Vagonadas em Aço:

Concepção, Dimensionamento e

Aplicações

MPhil. Sandro V. S. Cabral;

Eng. Bernar H. G. Braga;

Eng. Paulo H. A. Lima;

Arq. Tamires O. Cabral

1. Introdução:

fonte :www.midcontinent.org

Estruturas em vagões de trem Viga vagonada

Fragmento do Gauntless viaduct

fonte: Delony, 1996

Ponte Paraíba do Sul

fonte: BELLEI e PINHO, 2007

1. Introdução:

1. Introdução:

Ponte Royal Albert

fonte: www.structurae.de

1. Introdução:

La Villete City for Science and Industry

fonte: Brown, 2001

1. Introdução:

Ponte Metro West

fonte: www.dezeen.com

2. Concepção:

2.1 Classificação Tipológica/Estrutural:

2.1.1 Quanto ao número de montantes

a) Triangular ou um montante;

Colonial Veículos

fonte: Arquivo Projectaço

2. Concepção:

2.1 Classificação Tipológica/Estrutural:

2.1.1 Quanto ao número de montantes

b) Trapezoidal ou dois montantes;

Escola Waidhausenstraße

fonte: Charleson, 2005

2. Concepção:

2.1 Classificação Tipológica/Estrutural:

2.1.1 Quanto ao número de montantes

c) Parabólica ou três ou mais montantes;

2. Concepção:

2.1 Classificação Tipológica/Estrutural:

2.1.1 Quanto ao número de montantes

c) Parabólica ou três ou mais montantes;

Fase I Paddington Station Renovation

fonte: http://grimshaw-architects.com

2. Concepção:

2.1.2 Quanto à direção do elemento principal

a) Unidirecional;

Escola Waidhausenstraße

fonte: Charleson, 2005

Fachada Estação Waterloo, Londres

fonte: grimshaw-architects.com

2. Concepção:

2.1.2 Quanto à direção do elemento principal

a) Bidirecional;

2. Concepção:

2.1.2 Quanto à direção do elemento principal

b) Bidirecional;

Academia de Ciências da Califórnia

fonte: www.rpbw.com

2. Concepção:

2.1.2 Quanto à direção do elemento principal

c) Multidirecional;

Shopping Leblon

fonte: arquivo Projectaço

2. Concepção:

2.1.3 Quanto à direção e sentido dos montantes

a) Uma direção;

BCP Alphaville

fonte: Revista Finestra, 2012

2. Concepção:

2.1.3 Quanto à direção e sentido dos montantes

b) Duas direções;

Pista de gelo Oxford

fonte: grimshaw-architects.com

2. Concepção:

2.1.4 Quanto ao tipo de elemento principal

a) Viga de alma cheia;

Centro de distribuição da Renault

fonte: Macdonald, 2001

2. Concepção:

2.1.4 Quanto ao tipo de elemento principal

b) Treliça;

Ponte Paraíba do Sul

fonte: BELLEI e PINHO, 2007

2. Concepção:

2.1.4 Quanto ao tipo de elemento principal

c) Pilar;

d) Outros elementos: lonas tensionadas e vigas vierendeel

Pista de gelo Oxford

fonte: grimshaw-architects.com

2. Concepção:

2.2 Pré-dimensionamento:

2. Concepção:

2.3 Metodologia de escolha dos parâmetros:

Funcionamento de uma estrutura vagonada

2.3.1 Tipo de vagonamento:

a) Número de montantes: carga e vão

b) Direção do elementos principal: vãos e geometria geral

c) Direção e sentido dos montantes: direção e sentido

das cargas ou excentricidade;

d) Tipo de elemento principal: vão, esforço e cargas.

2.3.2 Geometria dos elementos:

a)Tipo de seção transversal: esforços envolvidos

b) Pré-dimensionamento.

Tração

Compressão

Compressão

3. Análise e Dimensionamento:

Análise estrutural e Hipóteses de Cálculo:

NBR8800/2008 e Análise de elementos finitos;

Dimensionamento dos perfis:

NBR8800/2008 (laminados) e NBR14762/2010 (formados à frio);

Análise Elástica levando em consideração a não-linearidade

da estrutura;

KL/r ≤ 200;

3. Análise e Dimensionamento:

3.1 Análise Estrutural

Força Nocional: força horizontal equivalente a 0,3% das

cargas gravitacionais aplicada nos elementos submetidos a

cargas verticais de estruturas com pequena ou média

deslocabilidades.

Deslocabilidade é a relação entre o deslocamento lateral

obtido na análise de 2ª ordem

a) pequena deslocabilidade se a relação for menor ou igual a 1,1;

b) média deslocabilidade se a relação for maior que 1,1

e menor ou igual a 1,4;

c) grande deslocabilidade se a relação for superior a 1,4.

3. Análise e Dimensionamento:

3.2 Dimensionamento à tração

Elementos submetidos à tração em estruturas vagonadas

são barras de seção cheia, devendo então ser dimensionados

através da NBR8800/2008

3. Análise e Dimensionamento:

3.3 Dimensionamento à compressão

3.3.1 Para os perfis retângulares formados á frio

(duplo U e duplo U enrijecido), o dimensionamento é feito através

da NBR14762/2010.

A força axial de compressão resistente deve ser o menor

dos valores para flambagem global, local e distorcional.

Flambagem global: Flambagem local: Flambagem distorcional:

3. Análise e Dimensionamento:

3.3 Dimensionamento à compressão

3.3.2 Para perfis retangulares ou circulares tubulares

laminados (perfis circulares, barras de seção sólida e perfis

fechados o dimensionamento é através da NBR8800/2008.

3. Análise e Dimensionamento:

3.4 Dimensionamento à flexão

Para assegurar a validade da análise elástica o momento fletor

resistente de dimensionamento não pode ser tomado maior que

(NBR8800/2008)

3.4.1 Para perfis retangulares formados à frio (duplo U e

duplo U enrijecido):

Flambagem global: Flambagem local: Flambagem distorcional:

3. Análise e Dimensionamento:

3.4 Dimensionamento à flexão

3.4.2 Para perfis retangulares ou circulares tubulares

laminados (perfis circulares, barras de seção sólida e perfis

Fechados) o dimensionamento é através do Anexo G da

NBR8800/2008.

Tubos circulares: D/t deve ser menor ou igual a 0,45E/fy

(depende dos parâmetros: E, D, t, fy)

Tubos retangulares: através dos parâmetros Mpl, Mcr, fy.

3. Análise e Dimensionamento:

3.5 Dimensionamento à flexo-compressão

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

Análise e dimensionamento de uma coberta em aço para

uma área aproximada de 18.7x13.05m.

4.1.1 Concepção

Terrasse Jardim antes da montagem

da coberta (Fonte: arquivo Projectaço)

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.1 Concepção

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.1 Concepção

Corte na coberta Terrasse Jardim (Fonte: arquivo Projectaço)

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.2 Descrição da estrutura e das cargas

Montantes: 2U75x37.5 ch3mm

Tirantes: Barra ø3/4’’

Vigas principais: 2U150x50x30 ch3mm

Cargas:

Sobrecarga: 0,25kN/m²

Peso do policarbonato: 0,008kN/m²

Densidade do aço ASTM A36 utilizado: 78,5kN/m³

(fy=250MPa e fu=400MPa)

A viga principal é travada a cada 67cm por terças

U50x25 ch2.65mm

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

Planta baixa da coberta Terrasse Jardim com indicação do local de aplicação da

carga nocional (Fonte: arquivo Projectaço)

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

Perspectiva esquemática da coberta terrasse jardim (Fonte: arquivo Projectaço)

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

Terrasse Jardim durante a montagem da coberta

(Fonte: arquivo Projectaço)

Detalhe da ligação entre o

montante e o tirante

(fonte: arquivo rojectaço))

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

Coberta Terrasse Jardim

(Fonte: arquivo Projectaço)

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.3 Combinações de carregamento

De acordo com a NBR8800 para combinações últimas normais

Gu = 1,25 x peso próprio da estrutura + 1,5 x sobrecarga

+ 1,4 x peso da telha

O valor de Gu é utilizado para o dimensionamento último da

estrutura e para a avaliação da carga nocional e da

deslocabilidade da estrutura

E para combinações quase permanentes :

Gq = peso próprio da estrutura + 0,6 x sobrecarga

+ peso da telha

E o valor de Gq é usado para análise dos deslocamentos

da estrutura

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.4 Cálculo da carga nocional e classificação da estrutura

quanto à deslocabilidade

Gu = 250,38kN, resultando em uma carga nocional de 0,75kN.

Caso A: deslocamento na extremidade superior do montante

da viga vagonada 3;

Caso B: deslocamento na extremidade esquerda da viga

vagonada 3.

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.4 Cálculo da carga nocional e classificação da estrutura

quanto à deslocabilidade

De acordo com os parâmetros mostrados nas tabelas abaixo:

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.4 Cálculo da carga nocional e classificação da estrutura

quanto à deslocabilidade:

Relação entre os deslocamentos:

Caso A: 1.08

Caso B: 1.08

Estrutura de pequena deslocabilidade.

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.6 Análise e dimensionamento de elementos comprimidos

Diagrama de esforço axial de

compressão no montante

Diagrama de esforço axial

de compressão na viga principal

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.7 Análise e dimensionamento de elementos tracionados

Diagrama de esforço axial

de tração nos tirantes

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.8 Análise e dimensionamento de elementos flexionados

Diagrama de momento fletor

da viga principal

Diagrama de momento fletor

do montante

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.9 Dimensionamento dos elementos à flexo-compressão

4. Aplicações

4.1 Coberta Terrasse Jardim

4.1.10 Avaliação dos deslocamentos

Deslocamento máximo:

L/250=0,05m

Deslocamentos obtidos:

Caso A: 0.040m

Caso B: 0.044m

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

Análise e dimensionamento de uma coberta em aço para uma

área aproximada de 21.5x15.4m.

4.1.1 Concepção

La Tertulia antes da montagem

da coberta (Fonte: arquivo Projectaço)

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.1.1 Concepção

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.1.1 Concepção

Corte na coberta La Tertulia (Fonte: arquivo Projectaço)

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.2.2 Descrição da estrutura e das cargas

Montantes: Tubos ø76 ch2.65mm (rotulados às viga principal)

Tirantes: Barra ø5/8’’ (maior vão) e ø3/4’’ (menor vão)

Vigas principais: 2U100x50x25 ch4.8mm (menor vão)

e 2U100x50x25 ch2.65mm (maior)

Cargas:

Sobrecarga: 0,25kN/m²

Peso da telha: 0,095kN/m²

Densidade do aço ASTM A36 utilizado: 78,5kN/m³

(fy=250MPa e fu=400MPa)

As vigas principais são mutualmente travadas a cada 154cm.

Vários tirantes foram introduzidos para conter o efeito de

sucção do vento.

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

Planta baixa da coberta La Tertulia com indicação do local de aplicação das

Cargas nocionais (Fonte: arquivo Projectaço)

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

Perspectiva esquemática da coberta La Tertulia (Fonte: arquivo Projectaço)

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

Coberta La Tertulia (Fonte: arquivo Projectaço)

Detalhe da ligação entre o

montante e o tirante

(fonte: arquivo rojectaço))

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

Coberta La Tertulia

(Fonte: arquivo Projectaço)

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.2.4 Cálculo da carga nocional e classificação da estrutura

quanto à deslocabilidade

Gu = 280,86kN, resultando em uma carga nocional de 0,85kN.

Aplicação da carga nocional nas duas direções (Nx e Ny)

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.2.4 Cálculo da carga nocional e classificação da estrutura

quanto à deslocabilidade

De acordo com os parâmetros mostrados nas tabelas abaixo:

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.2.4 Cálculo da carga nocional e classificação da estrutura

quanto à deslocabilidade

Relação entre os deslocamentos:

Direção Nx: 1.38

Direção Ny: 1.06

Estrutura de média deslocabilidade

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.2.6 Análise e dimensionamento de elementos comprimidos

Diagrama de esforço de compressão no montante

Diagrama de esforço de compressão na viga principal (x)

Diagrama de esforço de compressão na viga principal (y)

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.2.7 Análise e dimensionamento de elementos tracionados

Diagrama de esforço de tração na direção x (ø5/8’’)

Diagrama de esforço de tração na direção y (ø3/4’’)

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.2.8 Análise e dimensionamento de elementos fletidos

Diagrama de momento fletor da viga principal (x)

Diagrama de momento fletor da viga principal (y)

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.2.9 Dimensionamento de elementos à flexo-compressão

4. Aplicações

4.2 Coberta La Tertúlia

4.2.10 Avaliação dos deslocamentos

Deslocamento máximo:

L/250=0,05m

Deslocamento máximo obtido:

d=0,004m

5. Conclusões

A partir do histórico, análise, descrição,

concepção, dimensionamento e aplicaçõesde estruturas

vagonadas sumarizado neste trabalho conclui-se que

estes são sistemas estruturais bastante versáteis e com

várias vantagens quando aplicadosem obras de

arquitetura e engenharia, como viabilidade econômica,

apelo estéticoe possibilidade de vencer maiores vãos

comparando com estruturas convencionais.De modo

específico conclui-se que o método de dimensionamento

das NBR 8800/2008 e NBR14762/2010 conduzem a

resultados satisfatórios e dentro das expectativas de

concepção através do pré-dimensionamento empírico

apresentado.