SISTEMAS ESTRUTURAIS DE EDIFÍCIOS

Prof. Dr. Júlio Fruchtengarten

CRITÉRIOS DE PROJETO Uma vez escolhido o sistema estrutural e definidos os materiais de piso, cobertura e fechamento, procura-se estabelecer os carregamentos a que a estrutura estará sujeita e os limites de utilização da mesma.

AVALIAÇÃO DAS AÇÕES

a) Carga permanente (g)

A carga permanente inclui o peso próprio da estrutura e de qualquer elemento permanente vinculado a ela, como pisos, coberturas, fechamentos, equipamentos fixos, etc. O peso próprio da estrutura é estimado geralmente por comparação com construções similares, e esta avaliação depende muito da experiência anterior do projetista. Em casos especiais é feito um pré-dimensionamento da estrutura principal .

O peso próprio da estrutura corresponde, normalmente, a uma pequena parcela das cargas verticais, exceto em edifícios de grandes vãos livres. Terminado o projeto, o seu valor é calculado e, caso difira muito do valor inicialmente adotado, a estrutura é recalculada.

O dimensionamento é portanto, um processo iterativo, a menos que a avaliação do projetista seja bastante acurada.

b) Cargas variáveis

Cargas de ocupação A norma NB-5 estabelece as mínimas cargas verticais de ocupação, supostas uniformemente distribuídas, a serem consideradas em vários tipos de edificações. Em edifícios industriais, salvo pocas exceções, estas ações não estão normatizadas, e devem ser definidas para cada tipo de ocupação em função dos requisitos de processo.

Ação do vento A ação do vento na estrutura é determinada com auxílio da norma NB-599, que estabelece a pressão dinámica de vento como função da velocidade básica de vento (fornecida a todo o Brasil num gráfico de isopletas), da topografia do terreno e da altura acima do mesmo, das dimensões das edificações, etc. Na maioria das estruturas o vento pode ser considerado, de forma satisfatória, como um carregamento estático. Em casos especiais, pode ser necessária uma análise dinámica da estrutura.

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Combinação das ações A estrutura deve ser projetada para a combinação mais desfavorável das ações permanentes e acidentais. Para tanto são estabelecidas, nos critérios de projeto, várias combinações possíveis, principalmente em edifícios com pontes rolantes, procurando-se avaliar a possibilidade de ocorrência simultânea de várias ações e evitando-se, assim sobredimensionar a estrutura.

Limites de Utilização São definidos convencionalmente certos limites aceitáveis para a resposta da estrutura, tanto em relação à sua durabilidade quanto em relação ao seu desempenho funcional. Estes limites variam de acordo com a utilização prevista para o edifício. Os mais freqüentes são os seguintes:

Deformações excessivas (elásticas ou não) para a utilização normal da estrutura; Deslocamentos excessivos (sem perda da estabilidade do equilibrio) que redundam em mau aspecto, trincas nos materiais de acabamento, etc. È o caso de flechas em vigas, deslocamento horizontal do edifício, etc.

Vibrações excessivas resultantes de ações dinâmicas, que provoquem desconforto aos usuários ou prejudiquem o funcionamento de equipamentos. Conhecida a frequencia de vibração da fonte excitadora, são impostas restrições à frequencia natural da estrutura, de modo a limitar deslocamentos a valores toleráveis.

Danos indesejáveis por oxidação, corrosão eletrolítica, abrasão, etc. Neste caso, são estabelecidas espessuras mínimas de chapas e perfís, escolhidas proteções superficiais adequadas (pintura, galvanização, etc.) e, às vezes adotados aços-liga especiais, com alta resistência à corrosão.

Projeto executivo (detalhado) do Sistema Estrutural. Escolhido o sistema estrutural e definidos os critérios de projeto, o projeto entra na sua fase final, da qual resultam as dimensões de todas as partes da estrutura. As alterações finais e o refinamento do sistema são feitos nesta fase, visando-se otimizar a estrutura no que diz respeito à segurança e à economia. Tendo em vista que a grande maioria dos sistemas estruturais é estaticamente indeterminada, o primeiro passo para se iniciar a análise é o pré-dimensionamento dos elementos, ao menso no que diz respeito à rigidez relativa das peças. Em seguida são calculados os esforços solicitantes e dimensionados os perfis. A escolha dos perfis deve ser feita de modo a simplificar as conexões e facilitar a montagem. A padronização dos tipos de perfis e conexões resulta, geralmente num pequeno acrécimo de peso da estrutura, mas pode proporcionar grande economia na fabricação da mesma. Em seguida, faz-se uma verificação das hipóteses admitidas, que se resumem geralmente ao valor do peso próprio da estrutura e à rigidez relativa das peças. O dimensionamento final dos perfis é um processo iterativo, e apenas a experiência do projetista pode reduzir o número de iterações que, as vezes, pode chegar a apresentar apenas um passo.

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O projeto é apresentado sob formas de desenho unifilares, contendo as dimensões dos perfis, os esforços solicitantes e as conexões e detalhes principais. Em geral, cabe ao fabricante da estrutura estudar os detalhes construtivos e os métodos e a sequência de fabricação e montagem. Estas informações são apresentadas através de desenhos detalhados para fabricação e montagem, que são submetidos à aprovação do projetista. Cabe ao projetista também supervisionar a obra, para assegurar-se de que a mesma está sendo executada de acordo com os desenhos e as especificações.

Sistemas estruturais de Galpões Industriais.

Introdução É apresentado neste item, um roteiro para projeto de construções de um só pavimento, destinadas a cobrir e fechar grandes áreas e eventualmente, suportar equipamentos e utilidades ligadas ao uso das mesmas. Por simplicidade de apresentação, a estrutura é subdividida em vários sistemas básicos (cobertura, fechamento, caminhos de rolamento, etc.) e cada um deles é apresentado mostrando-se os vários esquemas normalmente utilizados em edifícios industriais e os parâmetros que condicionam sua escolha.

Cobertura A escolha entre vários esquemas de cobertura é função principalmente do custo relativo dos mesmos, embora possa ser condicionada, às vezes, por requisitos estéticos de iluminação, ventilação e drenagem.

Figura 1 a

Nas estruturas de pequenos e médios vãos transversais L1, (até aproximadamente 40 metros) e de pequenos vãos longitudinais L2 (até aproximadamente 8 metros), utilizam-se, normalmente coberturas planas constituídas por vigas transversais principais (tesouras) apoiadas ou engastadas nos pilares, e por terças apoiadas sobre as tesouras.

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A inclinação da cobertura para permitir a drenagem de águas pluviais pode ser obtida de várias formas:

Com o uso de vigas de cobertura com declividade na face superior (Figuras 1b e 1c).

Com vigas de cobertura horizontais, variando-se o tamanho das terças ou suas elevações, o que exige diversos tipos de conexão das terças nas tesouras (Figura 1d).

Com vigas de cobertura em arco (Figura 1e).

Figura 1 b

Figura 1 c

Figura 1 d

Figura 1 e

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Figura 2

Embora menos freqüente ainda é utilizada no Brasil a cobertura denteada (shed), constituída de vigas mestras transversais, apoiadas ou engastadas nos pilares, e de tesouras apoiadas sobre as vigas mestras. As terçãs são apoiadas sobre as tesouras (Figura 2).

Figura 3

Se o vão longitudinal (L2) entre pilares cresce, o esquema apresentado anteriormente pode se tornar antieconómico.

No caso de coberturas planas,

acrescentam-se vigas transversais secundárias entre as vigas principais, apoiadas sobre vigas mestras longitudinais (que por sua vez se apoiam em pilares) de modo a reduzir a distancia entre apoios das terças para um vão máximo em torno de 6 metros. A economia obtida nas terças geralmente compensa o custo adicional das tesouras secundárias e vigas mestras (Figura 3).

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Figura 4

Nas coberturas em “Shed” acrescentam-se vigas transversais secundárias apoiadas sobre vigas longitudinais, de modo a reduzir a distancia entre apoios das tesouras (Figura 4).

Em edifícios com grandes vãos longitudinais e transversais, podem ser utilizadas vigas de cobertura contínuas, em forma de grelha, ou estruturas espaciais (tridimensionais) ou atirantadas. Estas estruturas são muito mais complexas que as anteriores, tanto do ponto de vista do projeto quanto de detalhes de fabricação, o que resulta num custo unitário da estrutura (por tonelada) bastante superior. Esta fato deve ser considerado e discutido com o fabricante e com o montador da estrutura, para verificar se a economia em peso de aço compensa o custo adicional de fabricação.

VIGAS DE COBERTURA

Vigas de Alma Cheia As principais vantagens das vigas de alma cheia residem em seu aspecto estético

agradável, com pequeno número de peças de travamento facilidade e baixo custo de limpeza e pintura, quando comparadas com as vigas treliçadas, facilidade de fabricação e transporte, rapidez de montagem e simplicidade. A pequena altura das vigas de alma cheia permite, ainda, certa redução na altura total do edifício, o que resulta em uma economia de material de fechamento. Este conjunto de vantagens torna-as muitas vezes economicamente competitivas com as estruturas treliçadas, principalmente para vãos de até, aproximadamente 20 metros.

Uma viga de alma cheia pode ser de perfil laminado ou soldado, sendo, este último

utilizado para maiores vãos. Quando se utiliza perfil soldado, as soluções mais leves são obtidas com perfis de seção variável, como indicado na Figura 5.

Figura 5 a Figura 5 b

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Podem ser construídas vigas de seção variável ou de alma vazada a partir de perfis laminados, como indicado na Figura 6. No entanto, a menos que os perfis sejam repetitivos a ponto de se justificar a produção em massa (automatizada), a economia de material não compensa o custo adicional. Para os perfis I “standard” (padrão americano) atualmente em uso no Brasil, esta solução jamais é vantajosa, devido ao peso elevado e às limitações de altura dos perfis aqui fabricados.

Figura 6 a Figura 6 b

Pode-se, também obter uma estrutura econômica com o emprego de tirantes, como indicado na Figura 7a para cobertura de duas águas, e na Figura 7 b para um “shed”.

No entanto, para coberturas leves, deve-se levar em conta a possibilidade de a sucção do vento suplantar o peso próprio da estrutura e da cobertura, pois os tirantes não resistem a esforços de compressão.

Figura 7a Figura 7b

Vigas Treliçadas As treliças são os elementos mais utilizados como vigas de cobertura devido à economia de peso, obtida principalmente em edifícios de grandes vãos e pequenas cargas verticais, onde são necessárias peças de grande altura para resistir à flexão e reduzir as flechas, nas quais a redução de material na alma passa a ser significativa. Alem disso, deve-se considerar a possibilidade de se utilizarem os vazios do espaço ocupado por elas para passagem de utilidades (tubulações, dutos), equipamentos mecânicos, etc. Na Figura 8 estão representados os tipos mais comuns de vigas treliçadas de cobertura. A forma da treliça e a disposição das peças são escolhidas em função de

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requisitos estruturais, funcionais, estéticos e econômicos, mas dependem muito da capacidade de julgamento do projetista, pois não há apenas um determinado tipo de treliça mais adequado para cada condição específica.

a

g

n

b

h

o

c

i

p

d

j

q

e

l

f

m

Figura 8

Em vigas mestras de cobertura e em terças treliçadas de grandes vãos, os banzos superior e inferior são geralmente horizontais em vigas de cobertura, os requisitos de drenagem, ventilação e iluminação são os mais importantes para definir a inclinação do banzo inferior.

A altura da treliça é função principalmente do vão e das condições de vínculo nas extremidades, embora, às vezes, possa ser condicionada por aspectos funcionais ou estéticos e por problemas de transporte. Em treliças de banzos paralelos, o menor peso é geralmente é obtido para uma relação altura de treliça-vão de 1/5 a 1/10. A mesma recomendação pode ser feita para altura máxima de treliças trapezoidais (Figuras 8b, 8e,

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8h). Em treliças triangulares (Figuras 8c, 8f, 8i, 8l) o menor peso é obtido para uma relação de altura máxima de treliça para o vão de 1/4 a 1/6.

Quando são empregadas treliças de banzos paralelos ou treliças trapezoidais, pode-se obter a continuidade para momentos fletores entre a treliça e o pilar ou outras treliças através de conexões de extremidades adequadas (Figura 9a); em treliças triangulares a continuidade só pode ser obtida com o acréscimo de uma peça capaz de resistir a esforços normais (Figuras 9b, 9c).

Figura 9 a Figura 9 b

Figura 9 c

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O sistema de diagonais e montantes principais e secundários é elaborado normalmente de modo que as cargas transmitidas pelas terças e por dispositivos de apoio de equipamentos e utilidades estejam aplicadas apenas nos nós das treliças e que, assim, todas as peças sejam submetidas apenas a esforços normais (entende-se por peças secundárias de treliças aquelas que recebem apenas esforços localizados nas suas proximidades ou as que servem de travamento de outras peças).

O sistema “Pratt”, indicado nas Figuras 8a, 8b, 8c, é um dos mais eficientes sob o ponto de vista de economia das diagonais e montantes, pois para um carregamento simétrico e com cargas de gravidade, as diagonais, que são os elementos mais longos e mais carregados do treliçado, são submetidos à tração, ao passo que no sistema “Howe” indicado nas Figuras 8 d, 8f, as diagonais estão submetidas à compressão. No entanto, o máximo esforço de compressão no banzo superior das treliças “Pratt” é maior do que das treliças “Howe”. Note-se que a inclinação das diagonais nas treliças “Pratt” triangulares é oposta à da treliça de banzos paralelos para que as mesmas estejam submetidas à tração.

Deve-se observar, também que nem sempre é possível obter apenas esforços de tração nas diagonais das treliças “Pratt”. A sucção devida ao vento ou um carregamento assimétrico podem acarretar esforços de compressão em algumas diagonais.

O sistema “Warren”, indicado nas Figuras 17 g, 17 h, apresenta diagonais à tração e à compressão, mas dispensa o uso de montantes; quando utilizados, os montantes são considerados peças secundárias, pois servem apenas de travamento de banzos ou para resistir a esforços localizados.

O sistema “Fink”, indicado na Figura 8i, é constituído por três triângulos e tem como características o fato de que as diagonais internas podem ser encaradas como secundárias, já que não recebem esforços quando o banzo superior da treliça é carregado.

As treliças formadas por qualquer sistema podem ter seus painéis subdivididos por diagonais e montantes secundários, com o objetivo de resisitir a esforços oriundos de terças localizadas fora dos nós principais (Figura 8j, 8L) ou de equipamentos ou utilidades suportadas pelo banzo inferior (Figura 8 L, 8m) e ainda, visando reduzir o comprimento de flambagem das diagonais e dos banzos.

Nas treliças em arco (Figura 17 n), o banzo superior tem a forma de um arco de circunferência ou de parábola, e o treliçado pode ter qualquer distribuição, já que os esforços solicitantes no mesmo são geralmente baixos. Em particular, para a treliça com banzo em forma de parábola e submetida a um carregamento uniformemente distribuído, os esforços no treliçado valem zero e os banzos superior e inferior estão submetidos respectivamente, apenas à compressão e à tração.

Este tipo de treliça tem, para carregamento uniformemente distribuído, um comportamento semelhante ao do arco atirantado da Figura 8q; para outros carregamentos, o arco deve resistir por flexão à parcela do carregamento suportada pela alma da treliça. No entanto os dois esquemas são utilizados com pouca freqüência e só são econômicos para grandes vãos (acima de 40 m), dado o elevado custo de fabricação.

Para treliças de grande altura, podem ser utilizadas treliçãs em “x” com montante (Figura 8 o) ou as treliçãs em “k” (Figura 8 p), que reduzem o comprimento de flambagem das diagonais e dos montantes. As treliçãs em “x”são mais empregadas quando pode ocorrer inversão no sentido das ações (por exemplo, sucção devida ao vento), pois é

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sempre possível escolher um esquema estaticamente determinado considerando-se apenas as diagonais tracionadas.

Cálculo Estático As treliçãs da cobertura são usualmente calculadas considerando-se que todas as barras são bi-articuladas e que o carregamento é aplicado apenas nos nós. Nestas condições, as peças da treliça estão submetidas apenas a esforços normais. Na realidade, é usual fabricas os banzos com peças de grande comprimento, compreendendo vários painéis da treliça. Este fato, aliado á rigidez natural das conexões, faz com que a treliça se comporte como uma estrutura contínua, sendo introduzidos, portanto, momentos secundários nas barras. Este fato geralmente é desprezado no cálculo das treliças, pois as peças são muitos esbeltas e, com a formação de rótulas plásticas, ocorre redistribuição dos esforços, limitando os momentos a valores bastante inferiores aos obtidos na análise pela teoria elástica. Freqüentemente, as treliçãs são submetidas a carregamentos fora dos nós. Isto ocorre, por exemplo, quando a distância entre terças é muito pequena, de modo que a formação de painéis com nós sob as terças torna a treliça anti-econômica, ou quando existem equipamentos ou passadiços apoiados no banzo inferior (Figura 10).

Figura 10

Nestes casos, admite-se que os banzos sejam vigas apoiadas nos nós (contínuas, se as barras tiverem continuidade nos nós); as reações de apoio são aplicadas aos nós da treliça e o cálculo dos esforços normais é efetuado como usualmente. Para efeito de dimensionamento, os banzos devem ser dimensionados à flexão composta.

A determinação dos esforços pode ser feita manualmente, por método gráfico (Cremona) ou analítico (Ritter), embora atualmente seja de uso corrente o cálculo por computador.

Nas treliças em “x”, o cálculo dos esforços é feito considerando-se apenas as diagonais tracionadas, como no caso de contraventamentos em “x”.

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Nos sistemas estaticamente indeterminados, são utilizados métodos de cálculo manual baseados nos “Teoremas de Energia” ou, o que é mais freqüente, cálculo por computador.

O Dimensionamento das Peças O dimensionamento das barras da treliça só pode ser efetuado após a determinação do comprimento de flambegem das mesmas. Tome-se como exemplo a treliça da Figura 11.

Figura 11

O comprimento da flambagem das barras comprimidas e o comprimento não travado das barras tracionadas pode ser tomado, para efeito de cálculo do índice de esbeltez para deslocamentos no plano da treliça, igual à distância entre nós. O índice de esbeltez das diagonais, montantes e barras secundárias da alma da treliça para deslocamentos na direção normal à mesma é calculado com o comprimento real da peça. Assim, para as peças AG, GH, BF, BE, CF, torna-se como comprimento efetivo a distáncia entre os nós, ao passo que para a peça DGB, o comprimento efetívo é DB. O índice de esbeltez dos banzos para deslocamentos na direção normal à treliça depende da distância entre travamentos nesta direção. A seção mais utilizada para constituir as peças da treliça é a dupla cantoneira de abas iguais ou desiguais (Figura 12 a, 12b, 12 c). A escolha da posição e do tipo de cantoneira deve ser feita de modo a tornar próximos os valores do índice de esbeltez para deslocamentos no plano da treliça e na direção normal a ela. No entanto, deve-se ter em conta que a variedade de perfis de abas iguais realmente fabricados pelas usinas siderúrgicas é bastante superior à dos perfis de abas desiguais, o que por vezes limita o uso deste últimos.

Figura 12 a

Figura 12 b

Figura 12 c

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Figura 12 d Figura 12 e Figura 12 f Figura 12 g

Figura 12 h

Figura 12 i

Figura 12 j

Figura 12 L

Os nós são formados por chapas de ligação (Gussets), às quais as peças são conectadas (Figura 13).

Figura 13

Outros tipos de seção são utilizados com menor freqüência e, apenas, quando há requisitos especiais no projeto. Assim, por exemplo, as seções das Figuras 12e, 12f, 12g, 12h, só são utilizadas quando as peças são submetidas tanto a esforço axial quanto à flexão. A seção da Figura 12 d, é utilizada nos montantes da treliça quando é necessário conectar outras peças num plano normal à mesma, dada a facilidade de ligar chapas em planos ortogonais. As seções das Figuras 12 i, 12 j, 12 L, assim como os perfis de chapa dobrada, são utilizados apenas em treliças de pequenos vãos, com esforços reduzidos. Uma vez determinados os esforços solicitantes e o comprimento efetivo das peças e escolhido o tipo de seção, passa-se ao dimensionamento.

Detalhes Construtivos Algumas regras práticas para o projeto e o detalhamento de treliças são apresentadas a seguir: • Os banzos devem ser fabricados com peças de grande comprimento, envolvendo vários

painéis da treliça e com o mínimo de emendas. O desperdício de material em alguns painéis, decorrente do dimensionamento da peça para um esforço que só ocorre em um painel, é largamente compensado pela economia que se obtém no custo de fabricação, além do aspecto estético melhor.

• As treliças de mais de 15m de vão devem ter contra-flecha, isto é, devem ser fabricadas

com uma pequena curvatura, para acima, que compense as flechas resultantes do peso próprio.

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• Deve-se procurar, sempre concentrar ao máximo o trabalho de fabricação e de montagem na oficina; as conexões executadas na oficina devem ser executadas através de solda, prevendo-se ligações parafusadas apenas para as conexões de obra. Este procedimento resulta numa grande economia de peso nas chapas de ligação e uma redução significativa no tempo de montagem.

• As treliças de grande altura são inconvenientes sob este aspecto, pois quando

ultrapassam as dimensões admissíveis para transporte torna-se necessário fabricá-las em peças separadas, e uní-las na obra através parafusos. O manuseio destas treliças é mais trabalhoso, dada a sua pequena rigidez lateral.

• O plano de emendas deve ser escolhido, na fase de projeto detalhado, em função das

condições de transporte. Tome-se como exemplo a treliça da Figura 14. O esquema da Figura 14 b exige um número maior de emendas do que o da Figura 14a, mas permite que a parte principal da treliça tenha uma altura de transporte (H2) menor, quando apoiada sobre o banzo superior.

Figura 14 a Figura 14 b

• O ângulo de inclinação entre as diagonais e o banzo inferior mais vantajoso, sob o ponto

de vista de economia de chapas de ligação, está entre 40o e 45o. Ângulos muito agudos exigem chapas de ligação muito grandes o que além de anti-econômico, torna-se mais rígida, afastando-se do modelo de cálculo de articulação (Figura 15).

Figura 15 a Figura 15 b

• As seções compostas ( , , etc. ) devem ter seus perfis ligados entre si por

presilhas, de modo a reduzir o comprimento de flambagem de cada um dos elementos constituintes da peça isoladamente. As presilhas devem ser posicionadas com intervalos tais que o índice de esbeltez de cada perfil isolado não exceda o índice de esbeltez do perfil composto (Figura 16).

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Figura 16

• Os eixos das barras que passam pelo centro de gravidade das seções transversais

devem concorrer um mesmo ponto (o nó da treliça), considerado uma articulação. No entanto, se as barras são costituídas de cantoneiras, a furação não pode ser feita ao longo do eixo que passa pelo centro de gravidade, pois a porca e a arruela interferem com a curva de concordância das abas da cantoneira. Neste caso os furos são executados ao longo da linha de gabarito da cantoneira (linha de furação) e, para simplicidade de detalhamento da treliça, as linhas de furação são concorrentes nos nós. Os momentos secundários e os esforços nos parafusos resultantes desta excentricidade são desprezados para efeito de dimensionamento das barras e das conexões (Figura 17).

Figura 17

• A diagonal de extremidade pode ser localizada de modo a coincidir no apoio com o banzo

inferior (Figura 18a) ou com o superior (Figura 18b). A posição da Figura 18b é mais conveniente sob o ponto de vista de montagem, pois o ponto de suspensão está locado acima do eixo baricêntrico da treliça, além de resultar numa pequena economia de peso da diagonal, que está submetida à tração para as cargas de gravidade. No entanto, a posição da Figura 18a é mais freqüente na prática, principalmente em treliças engastadas no pilar, pois não há simultaneidade dos esforços cortantes e de tração na mesma conexão.

Figura 18 a Figura 18 b

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• A Figura 19 apresenta detalhes típicos de nós em treliças parafusadas e soldadas.

Figura 19 a Figura 19 b

• As diagonais e os montantes são cortados geralmente em ângulo reto em relação aos

seus eixos, deixando-se uma folga a> ou = 20mm entre suas extremidades e o banzo (Figura 19). A configuração da chapa de ligação depende basicamente do número de parafusos ou do comprimento de solda necessário para a conexão das peças, e deve ser a mais simples possível, de modo a minimizar o trabalho de fabricação e evitar perdas de chapas.

• O ângulo α deve ser tal que os esforços possam ser transmitidos pela solda ou pêlos

parafusos para a chapa sem grande concentração de tensões na mesma. Recomenda-se na prática um ângulo de aproximadamente 30o .

• As chapas de ligação (gussets) soldadas devem ser conectadas a ambos os lados do

banzo (Figura 19a). Se por razões de projeto (por exemplo fixação de terças ao banzo superior), a chapa não puder ser estendida além do banzo, o gusset deve ser colocado 5mm abaixo do topo do banzo, e o espaço deve resultante deve ser preenchido com solda (Figura 19b).

• A espessura do gusset depende do esforço máximo nas diagonais e montantes, e

geralmente é uniforme em toda a treliça. Recomendam-se as seguintes espessuras mínimas:

Esforço na Diagonal (KN) Até 200 200 a 450 457 a 750 750 a 1650Espessura do gusset (mm) 8,0 9,5 12,5 16,0

• As emendas dos banzos da treliça podem ser feitas tanto no nó (neste caso o gusset é utilizado como parte da chapa de emenda) quanto num ponto intermediário entre dois nós. Alguns exemplos são apresentados na Figura 20.

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Figura 20 a

Figura 20 b

Figura 20 c

TERÇAS DE COBERTURA As terças são elementos submetidos predominantemente à flexão e que Têm como função principal servir têm como função principal servir de apoio às telhas e às utilidades (calhas, dutos, etc.) e atuar como elemento de travamento das peças em que se apoiam (vigas de cobertura). Seu espaçãmento é função do vão livre permitido pelo material de cobertura, e deve ser escolhido de modo que as telhas, quando fornecidas em tamanhos padronizados, não sofram recortes que aumentem o custo e o tempo de montagem.

Os materiais utilizados normalmente em cobertura são:

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• Telhas de Fibrocimento

As telhas de fibrocimento possuem seção transversal de diversas formas e dimensões, com alturas de onda variando aproximadamente entre 50mm e 240mm, e vãos livres máximos entre terças respectivamente de 2,0 a 7,0m. Embora sejam peças relativamente baratas, são mais pesadas que os demais materiais de cobertura (170 a 250 N/m2 ), o que torna o custo da estrutura mais elevado, em especial, em terças e tesouras. • Telhas de Chapa de Alumínio As telhas de chapa de alumínio têm geralmente forma trapezoidal e, devido a seu baixo peso (30 N/m2 ), são de fácil manuseio e montagem. Tem como desvantagem o fato de ser um material mais caro e de exigir um maior número de terças, devido aos pequenos vãos livres admissíveis (até 2,5m), embora não onerem o restante da estrutura. Exigem cuidados especiais de montagem para evitar a corrosão eletrolítica que ocorre se há contato direto entre as telhas de aluminio e a estrutura de aço. • Telhas de Chapas de Aço As telhas de chapas de aço têm geralmente forma trapezoidal e podem ser galvanizadas, pintadas, plastificadas, etc., sendo fornecidas em aço comum ou aços resistentes à corrosão. São leves (aproximadamente 100 N/m2 ) e vencem grandes vãos (até 7,5m), mas o custo do material é elevado. A Figura 21 apresenta um esquema típico de cobertura plana de duas águas.

Figura 21

As terças são constituídas normalmente por perfis laminados C ou I, ou perfis de chapa dobrada. Para grandes vãos, podem ser usadas, ainda, as terças treliçadas que, embora leves, têm um custo de fabricação e montagem elevado. Como são montadas sobre o banzo superior e com a mesma inclinação deste, o carregamento vertical não coincide com a direção de maior inércia do perfil, e a terça fica submetida à flexão obliqua. Os perfis empregados como terças têm diferença substancial de rigidez segundo as duas direções. Por isso, é comum o emprego de tirantes com extremidades rosqueadas para travar as terças na direção de menor inércia (Figura 22), no meio ou a cada terça parte do vão, dependendo da distância entre apoios. Estes tirantes (complementados às vezes por barras rígidas) transferem para a cumeeira das tesouras a componente tangencial da carga absorvida nas terças.

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Figura 22a

Figura 22 b Figura 22 c

A fixação do tirante à terça é feita no terço superior do perfil, de modo a restringir a torção devida à não conicidência da linha de ação do carregamento com o centro de torção (Figura 23).

Figura 23

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Na Figura 24 são ilustrados alguns tipos de ligação de terças ao topo da viga de cobertura.

Figura 24

O momento fletor das terças na direção de menor inércia é calculado para a componente qy = q sen α do carregamento, considerando-se que a terça é bi-apioada na direção de menor inércia e que o vão livre Ly é igual à máxima distância entre pontos travados (ver Figuras 22 e 23) . Assim: My = qy Ly / 8 = q sen α Ly

2 / 8 (1)

O momento fletor na direção de maior inércia é calculado para a componente qz = cos α do carregamento e depende do esquema estrutural adotado. Embora os perfis laminados tenham comprimento comercial em torno de 12m, as dificuldades de manuseio e de montagem de peças muito esbeltas conduzem via de regra, ao projeto das terças como vigas bi-apoiadas entre tesouras. Neste caso, o momento máximo no meio do vão vale: Mz = qz Lz

2 / 8 = q cos α Lz2 / 8 (2)

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Figura 25

A distância entre as tesouras não permite, em geral, que seja utilizada uma só peça em mais de dois vãos. Neste caso, o uso de terças contínuas resulta apenas numa diminuição das flechas, já que o momento máximo que ocorre no apoio é dado também pela expressão (2). Este problema pode ser contornado projetando-se as terças como vigas Gerber, locando-se as articulações em pontos convenientes do vão livre das peças (Figura 26). Neste caso, deve-se evitar o uso das terças como peças comprimidas do sistema de travamento horizontal, a menos que as mesmas sejam adequadamente travadas lateralmente nas proximidades da articulação.

Figura 26

A Figura 37 apresenta alguns detalhes típicos de articulação das terças projetadas como vigas Gerber.

Figura 27

Em casos excepcionais, são utilizadas terças com mãos francesas. Este esquema é particularmente vantajoso para peças de grandes vãos quando se deseja simultaneamente travar o banzo (ou aba) inferior da tesoura (Figura 28).

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Figura 28

A Figura 29 mostra o sistema estático de cálculo de terças apoiadas sobre mãos francesas. Note-se que no vão extremo não é colocada a mão francesa, a menos que seja possível resistir ao esforço horizontal que seria aplicado ao banzo inferior.

Figura 29

SISTEMA DE TRAVAMENTO DA COBERTURA A estabilidade e a rigidez da estrutura principal de cobertura são obtidas com o uso de travamentos horizontais no plano dos banzos superior e inferior e de travamentos verticais entre as treliças e entre os pilares. As funções principais destes travamentos são: • Garantir adequada rigidez à estrutura, tanto em serviço quanto na fase de montagem. • Resistir a e distribuir esforços horizontais na cobertura provenientes do vento, pontes

rolantes, etc. • Assegurar a estabilidade das peças comprimidas. • Reduzir a esbeltez das peças tracionadas aos limites recomendados pelas normas. Em geral, mesmo em estruturas simples, o sistema tem um alto grau de indeterminação. No entanto, o cálculo teórico exato não se justifica, em vista dos esforços nas barras serem bastante baixos. O procedimento usual é projetar peças muito esbeltas, dimensionadas apenas por requisitos de rigidez ou de durabilidade, de modo que as mesmas sejam incapazes de resistir a esforços consideráveis de compressão. Isto reduz a

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hiperestaticidade do sistema, pois consideram-se como efetivas apenas as peças tracionadas. Como se verá a seguir, há diversos arranjos do tratamento pêlos quais as funções acima descritas podem ser cumpridas. Isto torna o projeto do sistema muito difícil, pois depende em grande parte do julgamento do engenheiro, o que gera muitas vezes um exagero no número de peças de travamento. Embora o peso dos travamentos seja uma pequena parcela do peso total da estrutura, este exagero aumenta muito o custo de fabricação. Podem também, aumentar as interferências com as utilidades do edifício, como as descidas de águas pluviais, além de prejudicar seu aspecto estético. Dada a dificuldade de se descrever de forma completa os sitemas de travamento dos vários tipos de estruturas de cobertura, a análise que se segue considera apenas o caso da cobertura plana da duas águas, embora as conclusões apresentadas sejam válidas para qualquer sistema. A Figura 30 apresenta um esquema típico da estrutura principal para a cobertura em questão.

Figura 30

a) Travamento no plano do banzo inferior das treliças. A Figura 41 apresenta um esquema típico de travamento no plano do banzo inferior das treliças para a estrutura da Figura 30 (vermelho).

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Figura 31

Uma das funções do travamento horizontal longitudinal, colocado de cada lado do edifício ao longo da linha de pilares, é evitar deslocamentos desiguais dos vários pórticos, devido à ação de cargas localizadas (como as devidas a pontes rolantes) e à distribuição desuniforme do vento ao longo da fachada lateral. Estas treliçãs horizontais distribuem os esforços por vários pórticos, aumentando a rigidez do edifício e reduzindo sua deformabilidade.

Figura 32

Os esforços de vento atuantes nas fachadas frintais são absorvidos pelos pilares de fechamento, que os transmitem para a fundação e para o nível do banzo inferior das treliças. Esta última parcela, por sua vez, é resistida pelo travamento horizontal transversal, colocado junto às fachadas frontais, através do qual se encaminha para os pilares contraventados e daí para a fundação. O esquema estrutural e a distribuição dos esforços, desprezadas as diagonais comprimidas, se reduzem ao indicado na Figura 33. Deve-se observar que os montantes das treliças de travamento horizontais devem ser dimensionadas à compressão, enquanto que os banzos inferiores das tesouras servem de banzos das treliças de travamento.

Figura 33

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Em edifícios longos procura-se evitar grande restrição à contração e expansão longitudinal do edifício devidas a variações de temperatura. Nestes casos, torna-se inconveniente adotar contraventamentos verticais nos vãos extremos, como indicado na Figura 31 b, sendo por, isso, localizados a uma distância não superior a 50/60m. Embora não seja imprescindível que os contraventamentos horizontais da cobertura estejam no mesmo vão que os contraventamentos verticais dos pilares, é prática usual que isto ocorra. Em edifícios com grandes esforços horizontais, são utilizados dois vãos contraventados (Figura 44), aos quais correspondem os contraventamentos horizontais de cobertura.

Figura 34

Na Figura 34b são utilizados contraventamentos horizontais de fachada, que absorvem os esforços de vento e os transmitem às linhas de pilares, ao passo que na Figura 34a os esforços de vento são transmitidos por compressão dos montantes horizontais até a treliça transversal. Em edifícios com pequenos esforços horizontais, pode-se contraventar apenas um vão, geralmente no centro ou próximo ao centro do edifício (Figura 35).

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Figura 35

Deve-se observar que, mesmo que não haja esforços de vento longitudinais no edifício (por exemplo, num trecho do edifício entre juntas de dilatação), devem ser colocados contraventamentos transversais, com a função de auxiliar o alinhamento da estrutura durante a montagem e dar maior rigidez ao edifício. Outra função destes travamentos horizontais é reduzir o índice de esbeltez do banzo inferior das tesouras. Embora as treliças transversais travem apenas as tesouras contíguas a seu vão, são acrescentadas peças ligando as treliças horizontais (para o exemplo da Figura 31, os montantes no centro do vão) que travam o restante das tesouras. No exemplo de Figura 31, as peças são soicitadas apenas à tração pois, independentemente do sentido em que haja tendência ao movimento de uma determinada tesoura, existe sempre uma linha de montantes solicitados à tração que pode conduzir os esforços para uma das treliças transversais. É claro que, para maiores vãos, podem ser acrescentados mais linhas de travamento, de modo a se reduzir o íondice de esbeltez a valores adequados. Em pórticos em que há continuidade entre a tesoura de cobertura e os pilares, o banzo inferior das tesouras fica sujeito a esforços elevados de compressão nas vizinhanças dos pilares (Figura 36), mas o travamento horizontal reduz o comprimento da flambagem na direção normal ao plano da tesoura (Figura 37).

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Figura 36

Figura 37

b) Travamento no plano do banzo superior das treliças.]

Considere-se a estrutura apresentada na Figura 30. Caso não sejam axecutados

travamentos adicionais ao nível do banzo superior, a estabilidade do banzo depende unicamente de sua rigidez à flexão pois as terças, embora sejam conectadas a todas as tesouras, apenas garantem que a flambagem do conjunto ocorra como indicado na Figura 38, isto é, o comprimento de flambagem do banzo é igual ao vão da tesoura.

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Figura 38

Para se reduzir o comprimento de flambagem na direção normal ao plano das

tesouras, são acrescentadas diagonais de travamento que, juntamente com as terças, formam o sistema de travamento do banzo superior. Estes travamentos são localizados geralmente nos painéis extremos para que possam resistir aos esforços de vento no trecho superior da fachada, e nos painéis em que existem travamentos horizontais no banzo inferior.

c) Travamento vertical das treliças (“Sway-Frames) Os travamentos verticais entre treliças são colocados geralmente ao menos entre os pilares e no centro do vão, embora seja usual, para vãos acima de 20m, acrescentar travamentos a cada 90ry do banzo superior. Em estruturas com tesouras intermediárias, as vigas mestras são utilizadas como travamentos verticais, ao passo que para estruturas sem tesouras intermediárias, como a da Figura 30, são acrescentadas vigas de beiral com esta função. Os travamentos verticais são colocados nos painéis correspondentes aos contraventamentos horizontais (Figura 39) e, juntamente com as treliças horizontais dos banzos superior e inferior e com as próprias tesouras, constituem estruturas espaciais que garantem a rigidez do conjunto.

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Figura 39

Em alguns casos especiais, em que trechos do banzo inferior junto aos apoios são comprimidos e em que não são colocados travamentos longitudinais, os travamentos verticais podem ter também a função de reduzir o comprimento de flambagem do banzo inferior na direção normal ao plano da tesoura. É o que ocorre na estrutura de cobertura da Figura 40, em que as tesouras dos vãos vizinhos têm continuidade no pilar (e portanto o banzo inferior é comprimido) e existem travamentos longitudinais apenas no contorno. Os travamentos verticais são solicitados apenas à tração e trabalham alternadamente de acordo com o sentido em que há tendência para o deslocamento.

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Figura 40 Uma utilização dos travamentos verticais semelhante a esta ocorre em estruturas de cobertura constituídas por vigas de alma cheia. Neste tipo de estrutura, só existe travamento ao nível da aba superior; a aba inferior (comprimida) das vigas é travada lateralmente por peças verticais ligadas às terças (Figura 41).

Figura 41

d) Detalhes Construtivos As diagonais e os momentos tracionados do sistema de travamento horizontal devem ser muito esbeltos (λ >200), de modo que se possa considerar que praticamente não resistem à compressão. Por esta razão, são projetados em cantoneira simples ou em barra redonda. As barras redondas são utilizadas com maior freqüência no travamento do banzo superior das tesouras, onde os esforços devidos ao vento são bastante reduzidos, e no

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travamento do banzo inferior em edifícios que não possuem pontes rolantes. Cantoneiras são utilizadas nas demais diagonais e montantes. Nos montantes comprimidos utilizam-se, geralmente, perfis em dupla cantoneira. A Figura 42 apresenta alguns detalhes típicos de ligação das peças de travamento.

Figura 42

Fechamento Lateral Os materiais mais empregados no fechamento lateral de edifícios industriais são:

• alvenaria • blocos de concreto

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• placas pré-moldadas de concreto • telhas e painéis metálicos (aço, alumínio) • telhas de fibrocimento • telhas de PVC

Os fechamentos em alvenaria, blocos de concreto e placas pré-moldadas são apoiados normalmente em estruturas de concreto e não transmitem seu peso próprio à estrutura, metálica, embora possam exigir a colocação de peças vinculadas à estrutura como apoio horizontal. As telhas ou painéis metálicos, de fibrocimento ou de PVC são suportadas por longarinas metálicas, cujo espaçamento assim como as terças, é função do tipo de material empregado no fechamento. A Figura 43 apresenta um esquema típico de estrutura de fechamento para fixação de telhas metálicas utilizando longarinas em perfil [.

Figura 43 As longarinas de fechamento resistem tanto aos esforços de vento no plano horizontal quanto ao peso do fechamento do plano vertical, estando, portanto, submetidas à flexão obliqua. Os perfis são montados com a direção de maior inércia no plano horizontal, correspondente ao maio vão livre da longarina (distância entre pilares), enquanto que na direção de menor inércia, no plano vertical, são acrescentados tantos tirantes quantos sejam necessários para que o perfil resista à flexão devida ao peso próprio da estrutura de fechamento e das telhas. Os esforços nos tirantes são transferidos para vigas de grande rigidez na direção vertical, ou diretamente para os pilares (Figura 43a). Neste caso, a longarina mais elevada se apoia nos tirantes através de uma barra rígida, geralmente em perfil cantoneira.

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Figura 44 a Figura 44 b

Um detalhe típico de fixação das telhas nas longarinas é apresentado na Figura 44a. Pode-se observar que, devido à posição das telhas, as longarinas são submetidas à torção. Quando se utilizam fechamentos leves (por exemplo alumínio), esta torção não é significativa, mas pode vir a ser em fechamentos mais pesados (por exemplo cimento amianto). Neste caso são utilizados os perfis caixão, com boa rigidez à torção (Figura 44b). Quando o material de fechamento é pesado e quando a longarina de fechamento deve vencer grandes vãos entre pilares, são utilizadas as longarinas treliçadas, como indicado na Figura 46. Neste caso, os esforços horizontais são resistidos pela treliça; as cargas verticais são absorvidas pelo banzo externo, constituido por um perfil [ colocado na direção de maior inércia (e eventualmente atirantado) e os montantes da treliça, rigidamente ligados ao banzo externo, restringem a torção do mesmo.

Figura 45

Quando o vão do edifício é muito grande, pode-se, também acrescentar pilares de fechamento na fachada frontal, como indicado na Figura 43. Estes pilares são submetidos predominantemente à flexão devido aos esforços de vento, e transmitem os esforços resultantes em parte para a fundação e em parte para o banzo inferior das treliças. A ligação dos pilares de fechamento no banzo inferior da tesoura está indicada na Figura 46. Pode-se

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observar que , com a utilização de furos alongados, as cargas verticais são integralmente transferidas para a fundação, sem restrição aos deslocamentos verticais da tesoura.

Figura 46

PISOS E PLATAFORMAS Os edifícios industriais são geralmente dotados de pisos, vinculados ou não à estrutura principal do edifício, que se destinam a sanitários, escritórios, laboratórios, refeitórios, plataformas de manutenção ou de operação, etc.

O projeto de estes edifícios é função do arranjo mecânico e do projeto arquitetônico, sendo necessárias para sua definição, informações quanto à locação e dimensões dos equipamentos a serem instalados e das aberturas no piso, carregamentos, áreas de circulação, exigências funcionais, etc. Os pisos de edifícios industriais são executados geralmente com:

• Laje de concreto convencional solidárias às vigas metálicas para compor um sistema misto aço-concreto (Figura 59b), ou formas de aço preenchidas com concreto colaborante (Figura 59b). Esta solução é utilizada principalmente em escritórios, refeitórios, sanitários, etc. ou em plataformas de operação em que há necessidade de estanqueidade do piso. • Placas pré-moldadas de concreto. • Grelhas metálicas e chapa xadrez. Vigamento é constituído por perfis I ou [ laminado ou, para maiores vãos e

carregamentos, por perfis tipo VS. Quando o piso não é rigidamente ligado às vigas (é o caso de placas pré-moldadas, de grelhas metálicas e de chapas xadrez), são acrescentados travamentos horizontais, geralmente em cantoneira, para dar maior rigidez à estrutura e para travar as vigas para flambagem lateral.

DECOMPOSIÇÃO DA ESTRUTURA PARA ANÁLISE A estrutura principal de um edifício industrial é representada normalmente por uma série de pórticos planos nas duas direções, longitudinal e transversal. No entanto, mesmo

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que a estrutura principal possa ser decomposta em subestruturas analisáveis em duas dimensões, deve-se ter sempre em mente que o edifício como um todo é uma estrutura tridimensional, em que ocorre redistribuição dos esforços graças, principalmente, aos travamentos de cobertura. Os esforços obtidos no cálculo simplificado das subestruturas planas são apenas uma indicação dos valores reais, embora estejam geralmente a favor da segurança. A consideração do comportamento espacial da estrutura é praticamente importante em galpões com um arranjo de pilares não repetitivo, como o da Figura 47.

Figura 47

A prática usual de se considerar cada pórtico absorvendo os esforços correspondentes à sua área de influência torna os pórticos com um número menor de pilares antieconómico, pois o contraventamento horizontal de cobertura garante a redistribuição dos esforços para os pórticos completos, na proporção de sua rigidez relativa. Além disso, os esforços solicitantes neste últimos são subavaliados, em vista desta redistribuição.

PÓRTICO TRANSVERAL Os pórticos transversais são formados pêlos pilares e pelas vigas de cobertura. O comportamento estrutural destes pórticos, definido pela escolha do tipo de nós da estrutura, é função das dimensões do edifício, do tipo de terreno, do valor do carregamento e da deslocabilidade horizontal aceitável para o edifício. Se o solo tem baixa resist6encia, caso em que a transmissão de momentos elevados nas bases dos pilares pode tornar a estrutura de fundação antieconômica, utilizam-se placas de base que não restringem a rotação dos pilares. A hipostaticidade do pórtico pode ser evitada de diversas maneiras:

• Engastando-se as vigas de cobertura nos pilares (Figura 48a, 48b). • Engastando-se apenas um dos nós viga de cobertura-pilar (Figura 48c). • Engastando-se as vigas de cobertura nos pilares e articulando-se um ponto

intermediário das mesmas (Figura 48c).

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Articulando-se os nós das vigas de cobertura nos pilares, mas transmitindo-se os esforços horizontais, através de treliças horizontais de cobertura, para as fachadas frontais (Figura 49). Os esforços são levados à fundação pêlos contraventamentos verticais de fachada.

Figura 48

Figura 49

O sistema mais utilizado é o das Figuras 48a, 48b, principalmente para galpões de

apenas uma nave. Os esforços horizontais são distribuídos, neste caso, para ambos os pilares.

Em edifícios de várias naves, pode ser economicamente vantajoso, engastar apenas

um dos pilares às vigas de cobertura. Neste caso, o esforço horizontal é absorvido apenas por um pilar, enquanto que os demais ficam submetidos apenas à compressão (Figura 48c).

A estrutura de Figura 48d é utilizada em edifícios de pequenos vãos, quando são

previstos recalques diferenciais ou rotações elevadas nas fundações. Em edifícios de pequeno comprimento e em que as fachadas frontais não tenham

aberturas que impeçam o uso de travamentos, pode ser utilizado o esquema da Figura 48.

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Esta solução é muito econômica, pois reduz os momentos fletores nos pilares, mas dificulta ampliações posteriores da estrutura.

Se o solo apresenta boas condições de fundação, os pilares podem ser engastados

na base com o uso de placas de base adequadas, o que conduz a um melhor aproveitamento do material e maior facilidade de montagem. Os pilares podem ser engastados ou articulados às vigas de cobertura, como indicado na Figura 50.

Figura 50

Quando se adotam tesouras em vigas de alma cheia, obtêm-se grande economia na estrutura com a utilização de tirantes, em especial em edifícios de grandes vãos (Figura 51).

Figura 51

Em estruturas em que a distancia entre os pórticos principais é muito grande, pode

ser conveniente intercalar entre os mesmos quadros intermediários totalmente articulados e adequadamente travados no plano da cobertura, de modo que se apoiem lateralmente nos quadros principais (Figura 52). Este procedimento permite certa economia nas terças e travamentos horizontais.

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Figura 52

Os pórticos transversais com alto grau de hiperestaticidade são menos deformáveis e permitem o emprego de pilares mais econômicos, devido à redução dos momentos fletores nos mesmos quando da ação dos esforços horizontais. Esta economia pode não ocorrer na cobertura, principalmente se são utilizados vigas treliçadas, devido ao maior custo das conexões e à necessidade de se dimensionar o banzo inferior para esforços consideráveis de compressão quando, devido à ação das cargas verticais, está geralmente submetido à tração (Figura 53).

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Figura 53

A Figura 54 apresenta detalhes típicos de tesouras treliçadas articuladas nos apoios. O detalhe da Figura 54b é utilizado nos pilares intermediários de galpões de várias

naves, quando se deseja um banzo inferior retilíneo. A excentricidade do parafuso de fixação do banzo superior em relação à linha de ação dos esforços permite a rotação da chapa de ligação sem transmitir esforços para o prolongamento do pilar.

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Figura 54 a

Figura 54 b

A continuidade entre as tesouras resultaria, neste caso, em esforços de compressão

elevados no banzo inferior, além de onerar a conexão do banzo superior, submetido à tração.

A Figura 55a apresenta um detalhe típico de uma tesoura treliçada engastada no

apoio. A diagonal é dirigida para baixo (comprimida) e portanto, é conectada ao pilar juntamente com o banzo inferior, também comprimido. Este acréscimo de contato (compressão) entre a chapa de ligação e a aba do pilar é favorável à ligação, ao contrário do que ocorre na Figura 55b, onde o efeito de alavanca na conexão do banzo superio onera a conexão. Este problema pode ser contornado com a adoção do detalhe indicado na Figura 56.

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Figura 55 a Figura 55 b

Figura 56

PÓRTICO LONGITUDINAL O pórtico longitudinal é formado pelos pilares e pelas vigas longitudinais que os unem (vigas de beiral, vigas de travamento do caminho de rolamento, etc.). É destinado a absorver os esforços horizontais na direção longitudinal, tais como o vento incidente nas fachadas frontais e os esforços decorrentes da movimentação rolante. Os pilares de galpões industriais são colocados de modo que a direção em que t6em maior resist6encia à flexão seja a dos pórticos transversais. Como a rigidez na direção longitudinal é significativamente menor, é usual contraventar os quadros longitudinais, reduzindo-se, assim, o comprimento de flambagem e os esforços de flexão nos pilares, assim como a deformabilidade do edifício. A Figura 57 apresenta alguns esquemas de contraventamento longitudinal.

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Figura 57

Os contraventamentos em x (Figura 57a) são os mais freqüentes e geralmente os mais econômicos, pois são projetados com peças muito esbeltas com baixa resistência à compressão e, portanto, podem ser dimensionados apenas à tração. É conveniente que as peças sejam realmente muito esbeltas (λ > 200), para assegurar que flambem elasticamente e possam resistir à tração quanto há inversão no sentido dos esforços externos. Se as peças são pouco esbeltas, não há diferença significativa de comportamento entre a barra tracionada e a comprimida, e ambas devem ser considerados como colaborantes, sendo dimensionadas à tração e a compressão. O travamento em x pode ser inadequado quando há necessidade de aberturas nas fachadas, sendo substituído, neste caso, por um dos demais travamentos indicados na Figura 57. O travamento em K da Figura 57b pode ser dimensionado de duas maneiras: se a rigidez a flexão da viga horizontal é desprezível, as diagonais devem ser dimensionadas à tração e à compressão (Figura 58a). No entanto, se esta rigidez não é desprezível, as diagonais podem ser projetadas muito esbeltas, de modo que só se considere como colaborante a diagonal tracionada (Figura 58b).

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Figura 58

Os travamentos das Figuras 57c, 57d, 57e, são adequados para edifícios com grandes aberturas: o da Figura 57c tem um comportamento semelhante ao do travamento em x, enquanto que o da Figura 57d tem um comportamento semelhante ao do travamento em K. O esquema da Figura 57e exige que a viga resista à flexão, podendo ser dimensionado de acordo com os modelos das Figuras 58c, 58d. O número de travamentos verticais e seu espaçamento depende do tipo de estrutura e da intensidade do esforço horizontal a ser transmitido para a fundação. É preciso que haja, pelo menos, um travamento entre juntas de expansão, localizado, se possível, próximo ao centro do edifício. Quando os esforços horizontais são elevados ou os contraventamentos não podem ser localizados no centro do edifício, são colocados dois travamentos a uma distância não superior a 50 ou 60m, para se evitar grande restrição às deformações térmicas.

IDEIAS GERAIS SOBRE AS ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS ELEVADOS

INTRODUÇÃO São chamados de edifícios elevados ou edifícios de andares múltiplos as construções em que a altura é preponderante em relação à largura ou comprimento e em que o arranjo do piso é repetitivo em vários níveis ou andares. O esqueleto estrutural é representado por uma série de estruturas planas horizontais compostas de lajes, vigamento principal e vigamento secundário, que constituim os andares, apoiados sobre um sistema de pilares que, juntamente com as vigas principais de piso e os contraventamentos, constituem os pórticos verticais.

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SISTEMAS ESTRUTURAIS DE PISO A estrutura de piso, composta da laje e do vigamento, tem como função principal:

• Conduzir as cargas verticais para os pilares • Transmitir as cargas horizontais de vento atuantes nas paredes externas para os

pórticos verticais. • Enrijecer a estrutura, atuando como diafragma horizontal.

Os pisos podem, dentre outros materiais, ser executados com:

a) Laje de concreto convencional (Figura 59a). É uma solução simples e que garante grande rigidez ao conjunto, com a desvantagem de ter peso próprio elevado. Por isso, é utilizada apenas em edifícios de pouca altura. A laje de concreto e a viga metálica resistem solidariamente ao carregamento, formando um sistema misto aço-concreto.

b) Formas de aço preenchidas com concreto colaborante (Figura 59b)

O piso funciona como laje mista, da qual a forma metálica constitui a armação. É um sistema leve, que permite grande rapidez de montagem e grandes vãos.

c) Laje celular de aço (Figura 59c) A forma de aço, que é o elemento resistente, é apenas revestida com concreto não colaborante, resultando num sistema bastante leve. As utilidades são colocadas dentro dos vazios da forma. O que traz uma redução na altura do piso.

d) Chapas xadrez Esta é a solução usual em edifícios industriais. Quando as chapas possuem grandes orifícios e/ou não soldadas às vigas, são acrescentados travamentos horizontais que garantem a rigidez do conjunto.

e) Placas pré-moldadas de concreto.

Esta solução é usada, também em edifícios industriais. Como as placas não são rigidamente ligadas às vigas, é preciso acrescentar travamentos horizontais entre as mesmas.

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Figura 59

O vigamento é definido juntamente com a laje, em função do carregamento, dos

vãos e da necessidade de passagem dos dutos de utilidades. A altura do vigamento influi na altura total do edifício, devendo-se avaliar seu efeito no custo de fechamentos, revestimentos, elevadores e pilares. É preciso fazer um estudo econômico para definir a melhor solução, geralmente entre as seguintes:

• Vigas de pequena altura (e portanto de maior peso) com as utilidades por

baixo. • Vigas de grande altura com as utilidades passando pela alma das mesmas. • Vigas de diferentes niveis.

A passagem dos dutos através das vigas é uma solução usual quando se trata de grandes vãos, em que as vigas t6em naturalmente uma altura maior. As vigas podem ser de alma cheia, com furos reforçados na alma (Figura 60a), do tipo colmeia (Figura 60b), ou treliçadas em uma ou em ambas direções (Figura 60c, 60d). As vigas secundárias são geralmente feitas com menor altura, permitindo-se, assim, a passagem dos dutos paralelamente as vigas principais.

Figura 60 a

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Figura 60 b

Figura 60 c

Figura 60 d

A Figura com vigas em diferentes níveis permite a passagem dos dutos entre as mesmas, mas resulta em maior altura total do vigamento, perda do apoio direto do piso sobre as vigas principais e um travamento lateral das vigas principais pela laje menos eficiente (Figura 61).

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Figura 61

A ligação entre as vigas secundárias e as principais geralmente é feita articulada, enquanto que as das vigas principais nos pilares vai depender do esquema estrutural adotado para o pórtico. SISTEMAS ESTRUTURAIS DOS PÓRTICOS VERTICAIS Os principais tipos de sistemas estruturais de edifícios elevados são os seguintes: a) Estruturas em quadro rígido (Figura 62).

Figura 62

As estruturas em quadro rígido são compostas por pilares e vigas de pisos ligados rigidamente, de modo que tanto os pilares quanto as vigas sejam solicitadas à flexão quando da ação dos esforços horizontais. O sistema é empregado apenas em edifícios de pequena altura (até 20, 30 andares), pois é bastante deformável e onera os pilares e as conexões das vigas principais pela introdução de momentos fletores elevados nos nós. Têm como principal vantagem o fato de não obstruir o espaço útil, mas só são econômicas em edifícios com grande número de pilares. A direção de maior inércia dos pilares é colocada paralela à dimensão menor do edifício, pois é a que corresponde a maiores momentos fletores nos pilares. Em edifícios em

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que os momentos fletores são altos nas duas direções, são utilizados perfis caixão, duplo I ou perfis como os da Figura 63.

Figura 63

Os pilares são fabricados com comprimentos tais que possam ser utilizados em 2 a 3 andares sem emendas. As conexões de emenda são locadas a 50 cm acima dos pisos, de modo a não interferir com as conexões das vigas. b) Estruturas em quadro contraventado (Figura 64). Uma solução econômica para edifícios de até 60 andares pode ser obtida com a introdução de treliças de travamento certicais. Estas treliças resistem aos esforços horizontais e aumentam a rigidez da estrutura, permitindo, ao mesmo tempo, a execução de conexões articuladas entre as vigas e os pilares, mais econômicas que as conexões a momento. Os travamentos em k são mais eficientes que os em x, pois reduzem à metade o vão das vigas de piso correspondentes e dão maior liberdade de uso do espaço interno. Embora sejam dimensionados à compressão, podem ser mais econômicos que os travamentos em x pois, além da redução de peso das vigas, têm comprimento total menor, já que não possuem uma barra não colaborante. Os travamentos verticais são localizados em paredes externas ou em paredes permanentes, de modo a não interferir coma utilização do edifício. Uma desvantagem do sistema é que concentra a resistência ao esforço horizontal em apenas alguns pilares, ao invés de distribuí-la por todo o edifício. A eficiência do sistema pode ser melhorada adicionando-se treliças entre alguns andares (Figura 64b), que solicitem os pilares não pertencentes a treliça vertical à tração e a compressão, reduzindo, portanto, os esforços axiais nos pilares da treliça. Deve-se observar que, mesmo com a utilização de treliças entre alguns andares, os esforços horizontais são transmitidos apenas aos pilares que compões a treliça vertical. Este problema pode ser contornado adicionando-se travamentos verticais nos andares inferiores (Figura 64c).

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Figura 64

Em edifícios de pequena altura, podem ser obtidas estruturas econômicas contraventando-se, apenas, dois planos verticais em cada direção (em casos excepcionais , um plano apenas pode ser suficiente): os esforços horizontais são conduzidos para estas treliças verticais através das lajes de piso. Em edifícios de maior altura ou de grande comprimento, podem ser necessários vários planos de contraventamento. c) Estrutura com núcleo de concreto (Figura 65). As caixas de escada e de elevadores estendem-se, na mesma posição em planta, por todos os andares e, embora não constituam núcleos fechados por exigirem aberturas para sua utilização, têm rigidez suficiente para atuar como elementos resistentes aos esforços horizontais em edifícios de até cerca de 60 andares. O sistema estrutural pode ser constituído, entre outros, por:

• Núcleo de concreto com pilares metálicos apoiados na fundação, Figura 65a. • Núcleo de concreto com vigas em balanço (Figura 65b). • Pilares metálicos apoiados em balanços do núcleo de concreto (Figura 65c). • Pisos suspensos em tirantes apoiados em vigas em balanço do núcleo (Figura

65d).

Especial atenção deve ser dada à distribuição dos esforços de vento para as paredes de travamento em função de sua distribuição em planta, levando-se em conta a excentricidade entre a linha de ação da resultante dos esforços e o centro de torção do sistema de travamento.

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Quando se utilizam pisos suspensos, o número de andares é limitado pela deformabilidade dos tirantes, sendo necessário acrescentar vigas em balanço de grande rigidez em andares intermediários, ligadas ao núcleo.

Figura 65

d) Estruturas com treliças entre pisos. (Figura 66).

Figura 66

Neste sistema, os pórticos verticais são constituídos por pilares rigidamente ligados a treliças com a altura de um andar, de modo que as vigas de piso são os banzos superior e inferior da treliça. As treliças são colocadas onde existem divisórias permanentes ou fachadas, evitando-se, assim, o emprego de contraventamentos adicionais. Este sistema reduz as flechas e permite grande economia nas vigas de piso, mas não deve ser usado em edifícios de grande altura, devido aos momentos fletores elevados que solicitam os pilares.

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e) Estruturas tubulares (Figura 67). O sistema convencional de pórticos verticais ou paredes de concreto nas direções transversal e longitudinal não é suficiente em edifíciosmuito altos (acima de 60 andares). Nestes prédios são utilizadas estruturas tubulares, que unem os pilares externos ou internos e as vigas principais nas duas direções, criando um tubo vertical em balanço, engastado na fundação. Quando o tubo é constituído apenas pelas paredes externas, o sistema estrutural dos mesmos pode ser Vierendeel ou treliçado; em ambos, os pilares internos resistem, apenas, às cargas verticais.

Figura 67

O tubo Vierendeel (Figura 67a) é composto de pilares pouco espaçados em toda a periferia, ligados a vigas de piso de grande rigidez, formando-se uma malha ortogonal de vigas e pilares. Devido à flexibilidade das malhas de fachada em seu próprio plano, assimiláveis às distorções por cisalhamento (“shear lag”) em estruturas contínuas, há uma concentração de esforços normais nos pilares de canto, que torna o sistema antieconômico para edifícios muito altos. Este efeito pode ser atenuado com a utilização de tubos treliçados (Figura 67b, 67c, em que se acrescentam diagonais na fachada ou se substituem os pilares por diagonais. Embora a concentração de tensões seja menor neste sistema, devido à maior rigidez das paredes, as conexões ficam oneradas. O sistema estrutural pode ser constituído também por tubos enrijecidos por travamentos verticais internos (pilares contraventados ou paredes de concreto), tubo dentro de tubo o sistema celular. Neste último o tubo externo é enrijecido por diafragmas verticais internos em ambas as direções, de modo que cada célula isolada possa resistir como tubo isolado, sendo, portanto, simplificada a execução de edifícios com alturas variáveis. (Figura 68).

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Figura 68