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27 de Outubro de 2006, Feira da Concreta, Porto

LSK Jornada Técnicautilização de produtos em aço enformados a frio na construção

COMPORTAMENTO DE ESTRUTURAS DE AÇO

ENFORMADAS A FRIO E DIMENSIONAMENTO

DE ACORDO COM O EC3-1-3

NUNO SILVESTRE DINAR CAMOTIM

Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura

Instituto Superior Técnico



RESUMO

ESTRUTURAS DE AÇO ENFORMADAS A FRIO

Vantagens na Utilização

Processos de Fabrico

Características dos Aços

COMPORTAMENTO ESTRUTURAL

Fenómenos Condicionantes (Instabilidade)

DIMENSIONAMENTO DE ACORDO COM O EC3-1-3 Secções de Classe 4

Porquê a Secção Efectiva?



CHAPA DOBRADA

A IDEIA FUNDAMENTAL

CHAPA PLANA

EFICIÊNCIA: Efectuar o maior número possível de dobras para

aumentar a resistência

CONTRAPARTIDA: Cada dobra tem um custo associado



COBERTURAS

UTILIZAÇÃO ESTRUTURAL

TRAVESSAS TRELIÇAS

MADRES



COLUNAS

PÓRTICOS PAREDES

VIGAS





Cantoneira Curva Secção em U

Banzos Curvos

Secção em UAlma Curva



ELEMENTOS ESTRUTURAIS

PERFIS

CHAPAS COM ESPESSURA

ENTRE 0.5-5.0 mm

ENORME VARIEDADE DE

FORMAS E DIMENSÕES

PERFIS DE USO CORRENTE

TÊM SECÇÃO U, C, Z, “RACK”

PEÇAS DE EIXO RECTO

E SECÇÃO UNIFORME



PERFIS



ELEMENTOS ESTRUTURAIS

PAINÉIS E CHAPAS PERFILADAS

CHAPAS COM ESPESSURA

ENTRE 0.5-2.0 mm

VARIEDADE DE FORMAS

E DIMENSÕES

PEÇAS LAMINARES DE

FORMA POLIGONAL

ESTRUTURAS DE SUPORTE

DE PAREDES, PAVIMENTOS

E COBERTURAS



PAINÉIS E CHAPAS PERFILADAS



VANTAGENS

• Como o fabrico é processado à temperatura ambiente, os perfis

enformados a frio exibem menores tensões residuais

• Fabrico com dimensões

inferiores às mínimas

padronizadas pelos

laminados a quente

• Em relação ao perfis laminados a quente

• Uma elevadíssima eficiência estrutural:

grande resistência vs. reduzido peso

• Uma significativa optimização estrutural

possibilidade de utilizar qualquer forma de secção



• Elevada economia no armazenamento, transporte e manuseamento

• Algumas formas de secção

(e.g., secção em Z, U, L)

podem “encaixar” e permitir

um aproveitamento óptimo

do espaço de armazenamento

VANTAGENS



• Pré-fabricação em grande escala de sub-estruturas e subsequente

montagem em obra, com grandes vantagens económicas

VANTAGENS



• A utilização de painéis de aço enformados a frio (nervurados) em

lajes de pavimento mistas com betão, tem a grande vantagem

dos painéis assegurarem simultaneamente as funções de

• cofragem perdida

• elemento resistente à tracção

VANTAGENS



• Paredes resistentes (“cassette-wall construction”)

• Elevada resistência às acções

horizontais (vento, sismo)

VANTAGENS



• Vantagens às quais estão associadas elevadas reduções de custos:

• a possibilidade de pré-fabricação em grande escala

• rapidez de montagem e desmontagem

• facilidade de manutenção

• utilização como material reciclável (elevada sustentabilidade)

• Estruturas de armazenamento

VANTAGENS



PROCESSOS DE FABRICO

LAMINAGEM A FRIO



PROCESSOS DE FABRICO

QUINAGEM

Etapas do Processo de Quinagem



CARACTERÍSTICAS DOS AÇOS

• No fabrico de elementos de aço enformados a frio é muito frequente

a utilização de aços galvanizados com:

• Tensões de cedência (fy) na gama 220 a 500 N/mm2.

No entanto, presentemente é possível utilizar aços de

alta resistência, i.e., até fy=700 N/mm2

• Tensões últimas (fu) na gama 300 a 750 N/mm2

• O fabrico de elementos de aço enformados a frio tem um efeito

significativo nas propriedades mecânicas do aço:

• Aumento da tensão de cedência (fy) e última (fu) do aço

• Decréscimo da ductilidade (extensão de rotura) do aço



fy no canto fy após dobragem

fy antes da

dobragem

• Aumento da tensão de cedência (fy) depende de:

- processo de fabrico (k=7 ou k=5)

- nº de dobras na chapa (n)

- espessura da chapa (t)

ENDURECIMENTO DO AÇO

Aumento

de 50%




• Fenómenos de instabilidade local (deformação da secção)




• Deformabilidade local

Elevada esbelteza das

chapas (placas) que

contituem as paredes do perfil




Nº de Reforços (dobras)

Resistência (tensão crítica local)

• Presença de reforços (dobras da chapa)

- a sua inclusão melhora o comportamento estrutural das secções,

aumentando a sua resistência à deformação local

Inclusão de reforços deextremidade

Inclusão de reforços internos



Empenamento

impedido Secção em C


• Deformabilidade à torção e ao empenamento:

- à baixa rigidez das secções de parede fina aberta

- centros de gravidade e de corte das secções não coincidentes

Secção em C

Deslocamentos de

empenamento




• Colapso por esmagamento da alma (forças concentradas)

- à elevada esbelteza dessas mesmas almas

- ser difícil a incorporação de reforços transversais

• Especificidade das ligações (aparafusadas, rebitadas, soldadas)



EC3 – Parte 1 – 3Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio

1 - INTRODUÇÃO

Fornecem-se as referências normativas que lhe servem de base.

Enuncia-se o significado de algumas designações e da simbologia adoptada.

Abordam-se as formas usuais das secções, tipos de reforços e convenção dos eixos.

CONTEÚDO

COLUNAS

VIGAS

EIXOS



2 – FUNDAMENTOS DE DIMENSIONAMENTO

Fornecem-se os factores parciais de segurança para cada tipo de verificação:

- Resistência das Secções: gM0=1.0

- Estabilidade das Barras: gM1=1.0

- Resistência das Ligações: gM2=1.25

Definem-se as diversas classes estruturais.

3 – MATERIAIS

Descrevem-se as características mecânicas (tensões de cedência e última) dos aços.

Fornece-se uma forma de contabilizar o endurecimento do aço (processo de fabrico).

Estabelecem-se os limites da espessura das chapas a utilizar.

A

tnk)ff(ff

2

ybuybya

-




4 – DURABILIDADE

Indicam-se os documentos de base relativos a problemas como a corrosão.


5 – ANÁLISE ESTRUTURAL

Estabelecem-se limites para a modelação dos cantos (arredondados vs. rectos).

r < 5t e r < 0.10bp




Estabelecem-se limites para:

- algumas relações entre as

dimensões da secção e a

espessura da chapa.

- a relação entre a largura

dos reforços e a largura

das paredes a reforçar.




Aborda-se, com especial detalhe, o problema das instabilidades local de placa e

distorcional, bem como a forma de as considerar no dimensionamento.

Modo Local

de Placa

Modo

Distorcional

Modo

Global

Local de

Placa

Distorcional Global

Comprimento da Coluna

Carga Crítica

Coluna Curta Coluna Intermédia Coluna Longa



6 – ESTADOS LIMITES ÚLTIMOS

Aborda-se a forma como devem ser aplicadas as várias regras preconizadas pela

Parte 1-1, relativas à verificação de segurança das secções (resistência) e das

barras (estabilidade), aos elementos estruturais enformados a frio.


7 – ESTADOS LIMITES DE UTILIZAÇÃO

Aborda-se a forma como devem ser aplicadas as várias regras preconizadas pela

Parte 1-1, relativas à verificação de segurança à deformação, aos elementos

estruturais enformados a frio.

8 – DIMENSIONAMENTO DE LIGAÇÕES

Descrevem-se os vários tipos de ligações utilizadas em estruturas de aço

enformadas a frio e abordam-se as suas regras de verificação de segurança

9 – DIMENSIONAMENTO ASSISTIDO POR ENSAIOS EXPERIMENTAIS




10 – CONSIDERAÇÕES ESPECÍFICAS PARA MADRES E PAINÉIS

Aborda-se o dimensionamento de vigas (e.g., madres de cobertura) cuja deformação

é parcialmente restringida pela ligação a painéis de cobertura ou pavimentos.

Indicam-se regras para considerar

o acréscimo de resistência (efeito

de diafragma) que surge da acção

conjunta de colunas, vigas e painéis

(estes têm uma elevada resistência

ao corte).




PROCESSO DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO

Geometria da Estrutura+

Acções de Dimensionamento

DADOS

Esforços de Dimensionamento+

Comprimentos de EncurvaduraANÁLISE

Resistência e Estabilidade(Colunas e Vigas)

+Ligações

VERIFICAÇÃO

DE SEGURANÇA



ENFORMADOS A FRIO vs. LAMINADOS A QUENTE

PRINCIPAL

DIFERENÇA

Laminados a quente – secções de classe 1 e 2

Enformados a frio – secções de classe 4


Mo

me

nto

/ M

om

en

to P

lástico

(M

/Mp)

1.0

Curvatura / Curvatura Plástica (k/kp)

0

0 10

M/My

4 6 8

0.5 Classe 4

Classe 3 Classe 1 Classe 2

2



Verificação de segurança (VS) de resistência e/ou estabilidade

não é efectuada com base nas propriedades (área, inércia)

da secção bruta mas numa secção reduzida (“secção efectiva”)

ENFORMADOS A FRIO – SECÇÕES DE CLASSE 4


SECÇÃO BRUTA SECÇÃO EFECTIVA



PORQUÊ UTILIZAR A SECÇÃO EFECTIVA?

Coluna com

secção em U

Parede da secção

modelada através de

uma grelha

Barras

Verticais

+

Transversais




Antes da encurvadura

Na encurvadura

PORQUÊ UTILIZAR A SECÇÃO EFECTIVA?


Após a

encurvadura

b = largura da placa

t = espessura da placa

fy fy Tensão

bef/2 bef/2

fy fy

zona efectiva

t

Tensão

PLACA

(parede da secção)

VANTAGEM: tirar partido da reserva de resistência

para tensões superiores à tensão crítica




bef/2 bef/2

zona não efectiva

Existe redução

Largura da parede Espessura da parede

Coeficiente de encurvadura

Tensão de cedência do aço

Esbelteza (lp)COMO SE DETERMINA?

0.673

Largura Efectiva (bef)

Largura

bruta (b)

Esbelteza (lp)0

Não há redução

bef = b



O FUTURO

O PRINCÍPIO(a chapa)

1 DOBRA

SECÇÃO U

SECÇÃO C

SECÇÃO

RACK

RACK REF.

A Mesma Chapa com

Várias Dobras!

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