5_Sistemas_Estruturais

1

Prof. Dr. Alex Sander Clemente de Souza

Construções metálicas I

Sistemas estruturais

coberturas e Edifícios


Sistemas estruturaisSistemas estruturaisProjeto de estruturas

metálicas

Arquitetura

Projeto de estrutura

metálica

Manter a forma e

as funções

arquitetônicas

Projeto básicoDetalhamento

p/fabricaçãoMontagem

Escritório de

cálculo estrutural

Empresas fabricantes e

montadoras

2


Sistemas estruturaisSistemas estruturaisProjeto de estruturas

metálicas

Projeto BásicoArquiteturaProjeto de

Instalações

Definição do

sistema estrutural

Pré-dimensionamento

Análise da

estrutura

Dimensionamento

Desenhos de

projeto

Memória de cálculo

Lista de materiais


Sistemas estruturaisSistemas estruturaisCoberturas e Galpões

• Classificação quanto a forma

•Coberturas planas – (horizontais/inclinadas)

•Coberturas curvas

•Coberturas em shed

3



• Classificação quanto ao sistema portantePórtico simples Pórticos múltiplos



• Classificação quanto ao sistema portante

Pórticos principais e anexos

4



• Classificação quanto ao sistema portanteEstaiadas

Estruturas espaciais

Estruturas em cabos



• Seções transversais usuais

5



• Cobertura em Shed

AA

Corte A-A



• Cobertura em Shed

Shed com face vertical Shed com faces inclinadas Shed com face curva

Corte A-A

Corte B-B

B

B

A A

6



• Cobertura em Shed – Viga mestra

Viga Treliçada Viga Vierendeel

Viga Armada



• Cobertura em Shed – trave

7



• Cobertura em Shed – trave



• Cobertura em arco

CaracterísticasVencem Grandes Vãos

Baixo consumo de material

Esforços AxiaisEsforços de Flexão

Aproveitamento Máximo

da Seção

8



• Cobertura em arco


Sistemas estruturaisSistemas estruturaisCoberturas e galpões:

Componentes

basespilares

terças

Contraventamento

horizontal

Contraventamento

vertical

Longarinas

fechamento

correntes

9



componentes

•Pilares

SeçãoAlma Cheia

Treliçada

Seção

Constante

Seção Variável

Concreto

Rotulado

engastado

Esquema

estático



componentes

•Pilares

Alma Cheia

Treliçados

2030

Hpilard

Hpilar≤≤

1020

Hpilarb

Hpilar≤≤

10


Sistemas estruturaisSistemas estruturais

•Viga principal

Em Alma Cheia Treliçada

Treliças

L > 15m

Mais Leves

Alma Cheia

Menor custo de

fabricação

Manutenção mais fácil

Coletar as ações das terças e transmitir aos pilares, com os pilares formar o

sistema vertical principal (pórticos principais)

Coberturas e galpões:

componentes



•Viga principal

Flexível/Rotulado

Rígido /engastado

Vínculo com

pilar


componentes

11



mmHE 20000 ≤≤

•Viga principal em treliça


componentes

HT

HE

815

VãoH

VãoT ≤≤

Ângulo de inclinação: de 5º a 15º





componentes

Banzos Paralelos

12





componentes

Tesouras





componentes

Parabólicas

13



•Viga principal em alma cheia


componentes

7050

Vãoh

Vão≤≤

hÂngulo de inclinação: de 5º a 15º



componentes

•Pórtico principal

Distância entre pórticos (DL): 5 a 12m (dire5 a 12m (direçção longitudinal)ão longitudinal)

Distância usuais (DL): 5 a 7m (com ter5 a 7m (com terçças em alma cheia)as em alma cheia)

DL

14



componentes

• Terças

Servir de apoio as telhas / contribuir na estabilidade

Elementos submetidos a flexão composta



componentes

• Terças

αF Fx

Fy

Comportamento estruturalComportamento estrutural

Flexão compostaFlexão composta

Para a < 10o PodePode--se admitir flexão simplesse admitir flexão simples

(sem decompor o carregamento)(sem decompor o carregamento)

Esquema estático

Biapoiada Biapoiada ( mais usual)( mais usual)

contcontíínua nua

com mão francesacom mão francesa

15



componentes

Esquema estEsquema estááticotico

llllllll llllllll

mãos francesas

Espaçamento entre terças

Depende do tipo de telha e vão

Valores usuais: 1500 mm a 2500mm1500 mm a 2500mm

�As mãos francesas podem ser utilizadas para travar

o banzo inferior da treliça

• Terças



componentes

Espaçamento entre terças

Depende do tipo de telha e vão

Valores usuais: 1500 mm a 2500mm1500 mm a 2500mm

• Terças

16



componentes

Tipos de terças:

Alma cheia: para vãos atpara vãos atéé 8m8m

Treliçadas: para vão superiores a 8mpara vão superiores a 8m

Seções I , Z , U e U enrijecido

Pré-dimensionamento: h =h = llllllll/40 @ /40 @ llllllll /60/60

Pré-dimensionamento: h=h= llllllll/10 @ /10 @ llllllll /15/15



componentes

Linhas de corrente:Auxilia na montagemAuxilia na montagem

Reduz comprimento para FLTReduz comprimento para FLT

redureduçção de vão flexão compostaão de vão flexão composta

Tirante flexível

barras redonda

Tirante rígido

cantoneiras

α F Fx

Fy

17



componentes

Linhas de corrente:

Pórtico

Terça

Linha de Correntes

Barra Rígida



componentes

TR1 TR2 TR3 TR4

Terças

Típico

Linhas de corrente:

18



componentes

Longarinas / Travessas

Fechamento lateral e frontalFechamento lateral e frontal

Elementos submetidos a flexão compostaElementos submetidos a flexão composta

Mesmas recomendaMesmas recomendaçções para terões para terççasas

Ações gravitacionais (pp e sc)

Ações devidas ao ve n

to



componentes

Longarinas / Travessas

19



componentes

Esquema Estático

Pilares de fechamento



componentes

• Contraventamento

Contraventamentovertical

ContraventamentoHorizontal

Ações horizontais

Funções:Garantir a estabilidade da estrutura para as ações horizontais

É preferível trabalhar apenas com contraventamentos tracionado

Seções: Cantoneiras, barras redondas, perfis tipo U e perfis tipo I

20



componentes

• Contraventamento – comportamento

Horizontal Vertical



componentes


Horizontal Vertical

21



componentes


Horizontal Vertical



componentes

• Contraventamento – HorizontalContraventamento no plano das terças

vento

Contraventamento horizontal

barra redonda - cantoneiras

Reações da ação do vento

Inserir contraventamento: 1 a cada 5 tramos

22



componentes

• Contraventamento – HorizontalContraventamento no plano das terças

Treliça Contraventamento Treliça do

Contravamentamento



componentes

• Contraventamento – Vertical

T

T

T

T

vento

Escora de beiral

Reações para ação do ventoContraventamento em X

Dimensionamento somente a tração – barras com elevada esbeltez

23



componentes

• Contraventamento – Vertical



componentes

• Travamento no banzo inferior

No Plano

Fora do Plano

24



componentes




componentes


25


LEGENDA

M-1


M-2

26


Estruturas metálicas em perfis soldados e laminados

Projeto e dimensionamento

Sistemas estruturais edifícios


1 Concepção estrutural1 Concepção estruturalHierarquia dos sub-sistemas

Estrutura – sistema 3D – trajetórias para as cargas

Subsistemas planos Divisão intelectual para facilitar a compreensão

e análise de estruturas complexas

Vertical e horizontal

Coletar e distribuir carregamentos

horizontais e verticais

Destino final: fundações

27


2 Trajetórias para as cargas 2 Trajetórias para as cargas

plantaElevação lateral

Elevação frontal

2.1 Ações verticais

Subsistema horizontal

Lajes e vigamentos

Ações verticaisVinculação com pilares –

comportamento do subsistema

vertical


Todas os eixos com ligações rotuladas

Subsistema VERTICAL

Contraventado

2 Trajetórias para as cargas 2 Trajetórias para as cargas 2.2 Ações Horizontais

28


planta

Ações atuantes divididas proporcionalmente a rigidez de cada pórtico

Todos os eixos com ligações rígidas formando pórticos

Admiti-se deslocamento de corpo rígido no plano de cada pavimento

Seção

transversal

Laje como diafragma rígido

contraventamento no plano das vigas



Não é necessário nem conveniente criar pórticos em todo os eixos

Pórticos nas

extremidades

Pórticos nas

extremidades

Ligações rígidas

Mais caras

Maior dificuldade de execução

Vigas mistas continuas ou semicontinuas

Subsistema vertical

Ações horizontais

Sistema aporticado

Ou quadro rígido


29


Todas a ligações rotuladas

Subsistema vertical – outras opções

Subsistema VERTICAL

Núcleo rígido

Criar núcleo de rigidez



Todas a ligações rotuladas

Subsistema vertical – outras opções

Subsistema VERTICAL

Parede de cisalhamento

Criar núcleo de rigidez


30


Ações Horizontais

Fundações

Estabilidade lateral

Rigidez para

deslocamentos

horizontais

Sistema de

contraventamento

Reações de apoio

Ações

horizontais

Subsistem

a vertical

3 Subsistema vertical 3 Subsistema vertical 3.1 Função


1 Sistema aporticado

2 Sistema contraventado

3 Parede de contraventamento

4 Núcleo rígido

5 Sistemas mistos

3 Subsistema vertical 3 Subsistema vertical 3.2 Tipos

31


1 Sistema aporticado

Reações de apoio

Ações

horizontais

Pórticos

Lig. rígidas



1 Sistema aporticado: Características

� Ligações mais complexas e caras� Não interfere na arquitetura� Melhor estabilidade na montagem

Até 30 pavimentos


32


2 Sistema contraventado

Reações de apoio

Ações

horizontais

Subsistema

vertical



2 Sistema contraventado: Características

� Ligações mais simples� Estruturas mais econômicas � Pode interferir na arquitetura

Até 40 pavimentos


33


3 Parede de contraventamento (cisalhamento)

� Ligações aço-concreto� Compatibilizar construção de concreto com a fabricação da estrutura de aço � Pode interferir na arquitetura



4 Núcleo rígido

De 20 a 40

pavimentos


34


4 Núcleo rígido: Características � Concentra a rigidez em um região pequena� Pode ser utilizado regiões de escada e elevadores �Compatibilizar execução do núcleo e fabricação da estrutura de aço�Núcleo rígido de concreto ou de aço � A transferência das ações horizontais até o núcleo éfeita pela laje�Ligações mais simples nos demais elementos� A localização do núcleo rígido interfere na resposta global da estrutura



4 Núcleo rígido: Características


35


Escolha do sistema de contraventamento

Pode-se adotar mais de um tipo de sistema de

contraventamento em uma mesma estrutura.

A escolha deve ser baseada em:

1 – Tipo e altura da edificação

2 – Possibilidade de interferência com a arquitetura

3 – Magnitude das ações horizontais

4 – facilitar as ligações (fabricação e montagem)



Estabilidade global

NBR 8800:1986 – omissa

NBR 8800:2007

• Considerar os efeitos de 2a ordem sempre (exato ou simplificado)• Considerar imperfeições iniciais por meio de força nocionais proporcionais aos deslocamentos de 1a ordem

Na prática – edifícios de pequeno porte (até 5 pavimentos)

Limitar os deslocamentos no topo da edificação.

3 Subsistema vertical 3 Subsistema vertical 3.3 Análise

36


Tipos de análise

Linear – com base na geometria indeformada (primeira ordem)

Não Linear – com base na geometria deformada (segunda ordem)

• Quando os deslocamentos afetam significativamente os esforços internos• Equilíbrio da estrutura na posição deformada• Métodos exatos, simplificados e modificações dos resultados da análise de 1ªordem

Efeitos de 2ª ordem

Globais – decorrentes dos deslocamentos horizontais da estrutura (P-∆)

Locais – decorrentes de imperfeições nas barras (não retilinidade) - (P-δ)



Classificação das estruturas quanto a deslocabilidade

Relação entre os deslocamentos obtidos, respectivamente, em teorias de 2ª

ordem (δδδδ2ª ) e de 1ª ordem (δδδδ1ª ) em todos os andares

1a1

a2 ≤δ

δ

5,11,1a1

a2 ≤δ

δ>

5,1a1

a2 >δ

δ

Pequena deslocabilidade

Média deslocabilidade

Grande deslocabilidade

2a1

a2 B=δ

δ

∑∑∆

−

=

sd

sdh1

m

2

H

N

hR

11

1B


37



Parâmetro classificador

∑∑∆

−

=

sd

sdh1

m

2

H

N

hR

11

1B

=∑ sdN

=∑ sdH

somatório da ações verticais em cada pavimento

Somatório das forças horizontais no andar considerado

=∆ h1 Deslocamento horizontal relativo do andar considerado

h=altura do pavimento

Rm=0,85 para pórticos e 1 para as demais estruturas




Parâmetro γγγγz

∑∑ ∆

−

=γ

isd,h

isd,vz

hF

F1

1

dtot

dtotz

M

M

,,1

,1

1

∆−

=γ

M1,tot,d = Momento de tombamento. Somatório dos momentos de todas as forças horizontais de cálculo em relação à base.

∆Mtot,d = Soma do produto das ações verticais de cálculo da combinação considerada pelos deslocamentos horizontais, dos seus respectivos pontos de aplicação, obtidos em análise de 1ª ordem.

∑∑∆

−

=

sd

sdh1

m

2

H

N

hR1

1

1B

Pode ser utilizado para classificar a estrutura


38


Imperfeições geométricas - desaprumos

Em estruturas de pequena deslocabilidade

Em estruturas de média e grande deslocabilidade

1. Modelar a estruturas com deslocamentos inicias entre pavimentos de h/500.

2. Aplicação em cada andar de forças horizontais equivalentes a 0,2% das ações verticais de cálculo

3. Imperfeições do material podem ser desprezadas na análise

1. Modelar a estruturas com deslocamentos inicias entre pavimentos de h/333

2. Aplicação em cada andar de forças horizontais equivalentes a 0,3% das ações verticais de cálculo

3. Imperfeições do material devem ser levados em conta reduzindo a rigidez das barras para 80% do seu valor original.



Tipos de análise a ser utilizada

1ª Ordem

2ª ordem

1. Em estruturas de pequena deslocabilidade2. Imperfeições iniciais forem levadas em conta3. Efeitos locais de 2ª ordem considerados 4. Força axial de cálculo das barras que participam do contraventamento

inferiores a 50% da força de escoamento da seção


1. Imperfeições iniciais devem ser levadas em conta2. Efeitos das imperfeições do material podem ser desconsiderado


1. Imperfeições iniciais devem ser levadas em conta2. Efeitos das imperfeições devem ser considerados


39


Análise de 2ª ordem – Não linearidade geométrica

Análise exata – atualização da matriz de rigidez da estrutura

Análise Simplificada - P∆∆∆∆

Análise aproximada – coeficientes de amplificação dos esforços

de 1ª ordem

ltntr

ltntr

PBPP

MBMBM

2

21

+=

+=

Mnt – Momento de 1ª ordem devido às combinações de ações adequadas, com os deslocamentos horizontais na estrutura impedidos por apoios fictícios.

Mlt – Momento de primeira ordem causado pelas reações dos apoios fictícios utilizados para o cálculo de Mnt.





de 1ª ordem

lt2nt1r MBMBM += lt2ntr PBPP +=


40




de 1ª ordem

lt2nt1r MBMBM += lt2ntr PBPP +=

0,1

NN

1

CB

e

sd

m1 ≥

−

=

Ne = força normal de flambagem elástica com K=1Nsd1 = Força normal solicitante de cálculo na barra em análise de 1ª ordemCm = coeficiente de equivalência de momentos

2

1m M

M4,06,0C −= Momentos nas extremidades

das barras consideradas em análise de 1ª ordem

1Cm = Em barras com forças transversais



Coletar ações verticais

Distribuir para os pilares e

deste para as fundações

Distribuir ações horizontais para

os subsistemas verticais

Diafragma rígido

4 Subsistema Horizontal 4 Subsistema Horizontal 4.1 Função

41


4 Subsistema Horizontal 4 Subsistema Horizontal 4.2 caminhamento das

ações


Partes constituintes

� Laje

� Vigas

� Contraventamento horizontal

4 Subsistema Horizontal 4 Subsistema Horizontal 4.3 Componentes

42


� Laje convencional moldada in loco

� Lajes treliçadas

� Pré-laje

� Lajes pré-fabricadas

� Lajes com forma de aço incorporada

� Pavimentos mistos aço-concreto

� Painéis de madeira

4 Subsistema Horizontal 4 Subsistema Horizontal 4.4 Tipos de lajes


Tipos de lajes


43




� Vigas de alma cheia

� Vigas treliçadas

� Vigas colméia

� Vigas vierendeel

� Vigas mistas aço-concreto

4 Subsistema Horizontal 4 Subsistema Horizontal 4.5 Tipos de vigas

44


Alma cheia

Viga colméia



Viga treliçadaViga vierendeel


45


Vigas mistas aço-concreto



Vigas mistas aço-concreto


46


Arranjos comuns de pavimento

v1 v1

v1 v1

v1 v1

v1 v1

v1 v1

v2

v2

v2

v2

v1

v1

Viga V2 mais carregada Viga V2 menos carregada

4 Subsistema Horizontal 4 Subsistema Horizontal 4.6 Arranjos


� Deve se garantir que a laje tenha rigidez

suficiente para trabalhar como diafragma rígido

Contraventamento no plano das vigas caso a

laje não seja (ou não possa ser) considerada

diafragma rígido

4 Subsistema Horizontal 4 Subsistema Horizontal 4.6 Efeito diafragma

47


Estrutura tubular

5 Outros sistemas estruturais 5 Outros sistemas estruturais 5.1 Tubular

• Tubo Oco Vierendeel

• Tubo Oco Treliçado

• Tubo Celular


Tubo Oco Vierendeel

Paredes Externas

Malha de Vigas e Pilares

Ligações Rígidas

Indicado até 50 Pavimentos

Pilares Internos

Ações Gravitacionais


48


Tubo Oco Treliçado

Paredes Externas

Malha Densa de Diagonais

Melhor Efeito de Tubo

Desvantagens

Grande número de ligações

Difícil fixação das vigas



Tubo Oco Treliçado

Melhoria dos Sistemas Anteriores

Redução do Número de Ligações

Bom Efeito de Tubo


49


Tubo Celular

Princípio Básico

Inserção de Diafragmas

Formação de Células

Alma de viga em balanço



• Núcleo garante estabilidade lateral

• Pisos suportados por tirantes

•Fundação única sob o núcleo

•Usados em edifícios de 10 a 15 pav.

(limite: def. nos tirantes)

•Técnicas especiais de execução do

núcleo compatíveis com rapidez do aço

5 Outros sistemas estruturais 5 Outros sistemas estruturais 5.2 Pisos suspensos

50


Quadrado RetangularEm CruzDuplo

Trapézio

5 Outros sistemas estruturais 5 Outros sistemas estruturais 5.2 Pisos suspensos


5 Outros sistemas estruturais 5 Outros sistemas estruturais

•Treliças da altura do pé direito

•Pilares na periferia

•Planejamento circulação interna

5.3 Treliça inter pavimento

51


6 Pré-dimensionamento6 Pré-dimensionamento6.1 Vigas alma cheia

Pré-dimensionamento de vigas

Pré-dimensionamento das vigas relação altura vão: h=L/15 a L/20

VS 300x43 – vãos > 6,0m

VS 300x33 – demais vãos

Pré-dimensionamento das vigas estimando o momento fletor (W):

Pré-dimensionamento das vigas estimando a flecha (I):

Estima-se o momento fletor de cálculo (de forma simplificada se adotar um carregamento de 8kN/m2 a 10kN/m2 no pavimento) Msd e determina-se o módulo elástico W da seção considerando um tensão de trabalho de 0,6fy

Estima-se o o carregamento de serviço, considera o limite de flecha de L/300 e determina-se o momento de inércia mínimo da seção


6 Pré-dimensionamento6 Pré-dimensionamento6.2 Pilares

Pré-dimensionamento de pilares

1. Estima-se o esforço de compressão por meio de áreas de influência2. Pode se considerar um carregamento de 8kN/m2 a 10kN/m2 por

pavimento.3. No caso de flexo-compressão considera uma redução da resistência

a compressão da ordem de 25%. 4. Considera-s coficiente de flambagem global da ordem de 0,6 e local

igual a 15. Determina-s, finalmente, a área requerida para a seção da seção

52


6 Pré-dimensionamento6 Pré-dimensionamento6.2 Pilares

Pré-dimensionamento de pilares

P1

P1

P1

P1

P2

P2

P3

P3

L5

L6

L6

L5

L5

L6

L6

L5

P1

P1

P1

P1

P2

P2

P3

P3

V10

V11

V10

V11

V12 V12

V11 V11

V10V10

V13

V14

V13

V1

5

V1

5

V1

5

V1

5

V1

6

V1

7

V1

5

V1

5

V1

5

V1

5

V1

7V1

8

V1

8

V1

6

Ap1

Ap2

Ap3

Documents

5_Sistemas_Estruturais