Ec3 parte 1 by Sergio Patinha

Estruturas Metálicas EC3 – Parte 1.1 / Volume I

Série ESTRUTURAS

João Guerra Martins

7.ª edição / 2011

Prefácio

Este texto resulta do trabalho de aplicação realizado pelos alunos de sucessivos cursos de Engenharia Civil da Universidade Fernando Pessoa, vindo a ser gradualmente melhorado e actualizado. Apresenta-se, deste modo, aquilo que se poderá designar de um texto bastante compacto, completo e claro, entendido não só como suficiente para a aprendizagem elementar do aluno de Engenharia Civil. Certo é ainda que pretende o seu teor evoluir permanentemente, no sentido de responder quer à especificidade dos cursos da UFP, como contrair-se ao que se julga pertinente e alargar-se ao que se pensa omitido. Para tanto conta-se não só com uma crítica atenta, como com todos os contributos técnicos que possam ser endereçados. Ambos se aceitam e agradecem. De notar que este texto tem apenas fins pedagógicos, sem nenhum interesse comercial e de acesso gratuito e livre. Por outro lado, a consulta e estudo da bibliografia que ajudou a criar este texto é indispensável para a consolidação dos conhecimentos aqui contidos, não podendo este documentos de apoio, de qualquer forma, substituir-se à mesma.

João Guerra Martins

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO

2. BASES PARA DIMENSIONAMENTO

2.1. Requisitos Fundamentais

2.2. Definições e Classificações

2.2.1. Estados Limites e situações de projecto

2.2.1.1. Estados Limites

2.2.1.2. Situações de projecto

2.2.2. Acções

2.2.2.1. Definições e classificações fundamentais

2.2.2.2. Valores característicos das acções - critérios quantificadores

2.2.2.3. Valores representativos das acções variáveis

2.2.2.4. Valores de cálculo das acções

2.2.2.5. Valores de cálculo dos efeitos das acções

2.2.3. Propriedades dos materiais

2.2.3.1. Valores característicos

2.2.3.2. Valores de cálculo

2.2.4. Dados Geométricos

2.2.5. Carregamentos e casos de carga

2.3. Regras de Dimensionamento

2.3.1. Generalidades

2.3.2. Estados Limites Últimos

2.3.3. Projecto de Estruturas Reticuladas

2.3.3.1. Elementos Traccionados

2.3.3.2. Elementos Comprimidos

2.3.3.3. Vigas

2.3.3.4. Elementos Sujeitos a Flexão Composta

2.3.3.5. Nós e Ligações

2.3.4. Fadiga

2.3.5. Combinação de acções

2.3.5.1. Valores de cálculo das acções permanentes

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 3

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

2.3.5.3. Coeficientes parciais de Segurança para os Estados Limites Últimos

2.4. Durabilidade e Controlo de Qualidade

2.5. Resistência ao Fogo

2.5.1. Generalidades

2.5.2 Requisitos de desempenho

3. MATERIAIS

3.1. Generalidades

3.1.1. Fabricação / Produtos dos Aços

3.1.2. Laminação do Aço

3.1.3. Produtos do Aço

3.2. Aço em Elementos Estruturais

3.2.1. Campo de aplicação

3.2.2. Propriedades mecânicas dos aços laminados a quente

3.2.2.1. Valores nominais

3.2.2.2. Tenacidade

3.2.3. Propriedades mecânicas dos aços enformados a frio

3.2.4. Dimensões, massa e tolerância

3.2.5. Valores das propriedades dos materiais

3.3. Elementos de Ligação

3.3.1. Generalidades

3.3.2. Parafusos, porcas e anilhas

3.3.2.1. Generalidades

3.3.3.2. Parafusos pré-esforçados

3.3.3. Soldadura

4. ESTADOS LIMITES DE UTILIZAÇÃO

4.1. Bases

4.2.1. Requisitos

4.2.2. Valores Limites

4.2.2.1. Deslocamentos Verticais

4.2.2.1. Deslocamentos Horizonatais

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 4

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

4.2.3. Acumulação de águas pluviais

4.3. Efeitos Dinâmicos

4.3.1. Requisitos

4.3.2. Estruturas acessíveis ao público

4.3.3. Oscilações produzidas pelo Vento

4.3.4. Oscilações produzidas pelos Sismos

5. BIBLIOGRAFIA

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 5

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

1. INTRODUÇÃO O presente documento (constituído por 4 volumes) tem por objectivo a exposição de algumas noções básicas necessárias à concepção estrutural em construção metálica. O programa relativo aos Eurocódigos Estruturais inclui as seguintes normas (cada uma das quais é constituída por diversas partes): 1. EN 1990 Eurocódigo: Bases para o projecto de estruturas 2. EN 1991 Eurocódigo 1: Acções em estruturas 3. EN 1992 Eurocódigo 2: Projecto de estruturas de betão 4. EN 1993 Eurocódigo 3: Projecto de estruturas de aço 5. EN 1994 Eurocódigo 4: Projecto de estruturas mistas aço-betão 6. EN 1995 Eurocódigo 5: Projecto de estruturas de madeira 7. EN 1996 Eurocódigo 6: Projecto de estruturas de alvenaria 8. EN 1997 Eurocódigo 7: Projecto geotécnico 9. EN 1998 Eurocódigo 8: Projecto de estruturas para resistência aos sismos 10. EN 1999 Eurocódigo 9: Projecto de estruturas de alumínio Neste momento, início de 2011, a situação, em termos de publicações do Eurocódigo EC3, referente às estruturas metálicas, é aproximadamente a seguinte: Partes em que o Eurocódigo 3 está subdividido: •

EN 1993-1 Design of steel structures – General rules and rules for buildings

•

EN 1993-2 Design of steel structures – Steel bridges

•

EN 1993-3 Design of steel structures – Towers, masts and chimneys

•

EN 1993-4 Design of steel structures – Silos, tanks and pipelines

•

EN 1993-5 Design of steel structures – Piling

•

EN 1993-6 Design of steel structures – Crane supporting structures

A parte principal, “EN 1993-1 Design of steel structures – General rules and rules for buildings”, subdivide-se nas seguintes: 1. EN 1993-1-1 Design of steel structures – General rules and rules for buildings 2. EN 1993-1-2*) Design of steel structures – Structural fire design 3. EN 1993-1-3 Design of steel structures – Cold-formed members and sheeting 4. EN 1993-1-4 Design of steel structures – Stainless steels 5. EN 1993-1-5 Design of steel structures – Plated structural elements 6. EN 1993-1-6 Design of steel structures – Strength and stability of shell structures EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 6

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

7. EN 1993-1-7 Design of steel structures – Strength and stability of planar plated structures transversely loaded 8. EN 1993-1-8*) Design of steel structures – Design of joints 9. EN 1993-1-9*) Design of steel structures – Fatigue strength of steel structures 10. EN 1993-1-10*) Design of steel structures – Selection of steel for fracture toughness and through thickness properties 11. EN 1993-1-11 Design of steel structures – Design of structures with tension components made of steel 12. EN 1993-1-12 Design of steel structures – Supplementary rules for high strength steel *) No

Anexo Nacional NA são indicadas as normas portuguesas equivalentes (nota nacional).

De notar que o EC3 se destina a ser utilizado em conjunto com: ⇒

EN 1990 Basis of structural design;

⇒

EN 1991 Actions on structures;

⇒

ENs, ETAGs e ETAs relativas aos produtos de construção relevantes para as estruturas de aço;

⇒

EN 1090 Execution of steel structures – Technical requirements;

⇒

EN 1992 a EN 1999 quando se faz referência a estruturas ou a componentes de aço.

De realçar ainda que a parte “EN 1993-1-1 Design of steel structures – General rules and rules for buildings”, a que este texto respeita, interessa apenas para o projecto de estruturas de aço com componentes de espessura t ³ 3 mm. A adopção dos Eurocódigos estruturais estava prevista ser de observação obrigatória em toda a EU a partir de 2010, contudo a data foi adiada para 2012 (aparentemente). De referir que este texto foi originalmente elaborado segundo a versão de 1993 do EC3 (a inicial), tendo sofrido este regulamento uma significativa revisão em 2004/2005 e vindo agora a ser lançada a versão portuguesa do EC3 (2010). No sentido de efectuar a sua actualização, foi já realizada a sua revisão, podendo, muito embora, ainda existirem partes a ser futuramente corrigidas. No que concerne à utilização dos Eurocódigos, e mais precisamente o EC3 (Projecto de Estruturas de Aço), pressupõe-se a aplicação de um conjunto de requisitos fundamentais, de que se destacam: •

A definição do esquema estrutural, o respectivo cálculo e dimensionamento, assim como a execução e fiscalização da obra, deverão ser efectuados por técnicos qualificados e com experiência comprovada;

•

A realização de estruturas metálicas deverá ser efectuada com recurso a materiais devidamente padronizados, certificados e homologados;

•

Ao longo do seu tempo de vida, a estrutura deverá ser alvo de cuidados de manutenção, cuja finalidade será a preservação das suas condições de segurança e funcionalidade.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 7

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

2. BASES PARA DIMENSIONAMENTO

2.1. Requisitos Fundamentais As estruturas metálicas devem ser dimensionadas e executadas de modo a que, duma forma fiável e económica possam manter-se aptas para o uso que lhes é destinado, bem como devem suportar as solicitações e influências que durante a sua execução e tempo de vida as possam afectar, nomeadamente acções acidentais (explosões, impactos ou consequências de erros humanos pós-fabrico). Para que os potenciais danos causados por tais acções não sejam desproporcionados em relação às causas que os originaram, na sua concepção estrutural, dever-se-á adoptar uma ou várias das seguintes medidas: •

Elaboração de uma solução estrutural suficientemente resistente para que de uma forma objectiva seja pouco sensível aos riscos e actuações considerados;

•

Evitar esquemas estruturais com possibilidade de colapso, sem aviso prévio (dutilidade);

•

Projectar na estrutura, esquemas de contraventamento adequado;

•

Adopção de uma solução estrutural e de um método de cálculo que garantam a adequada sustentação da estrutura, na eventualidade de remoção acidental de algum elemento isolado (anti-económico e de difícil aplicação prática, sendo um conceito que pode ser absorvido pela capacidade plástica e redundante da estrutura – bem como suficiente robustez e tenacidade, evitando roturas frágeis).

As medidas a tomar no projecto, para que sejam satisfeitos os requisitos mencionados, devem ter em conta a selecção dos materiais, dimensionamento, pormenorização, definição dos processos do controlo de produção, construção e utilização. 2.2. Definições e Classificações

2.2.1. Estados Limites e situações de projecto

2.2.1.1. Estados Limites A verificação da segurança das estruturas deve ser efectuada em relação a determinados estados limites, comparando-os com aqueles a que a estrutura é conduzida pela actuação das acções a que está sujeita, quantificadas e combinadas de acordo com determinadas regras. No que concerne ao dimensionamento, é fundamental que os estados limites nunca sejam excedidos, utilizando modelos de comportamento adequado para os locais e zonas, onde se pretende projectar e executar a estrutura metálica.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 8

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Entende-se por estado limite, um estado a partir do qual se considera que a estrutura fica prejudicada, total ou parcialmente, na sua capacidade para desempenhar as funções para que foi projectada.

Os estados limites classificam-se em: •

Estados limites últimos, em que os efeitos das acções de cálculo não devem exceder as resistências de cálculo da estrutura, dado que se tal suceder poderá ocasionar o colapso ou outras formas de rotura estrutural, pondo em perigo a sua estabilidade e a segurança das pessoas. Como exemplos de estados limites últimos poderemos referir: a rotura ou deformação excessiva, a instabilidade de elementos isolados ou da estrutura na sua globalidade e a possível transformação da estrutura em mecanismo. Em geral, consideram-se estados limites de resistência, de estabilidade e de perda de equilíbrio.

•

Estados limites de utilização, em que os efeitos das acções de cálculo não devem exceder critérios de bom desempenho, e de cuja ocorrência resultam prejuízos pouco severos. Duma forma simplificada são exemplos de estados limites de utilização as deformações, deslocamentos estruturais e situações de fadiga do próprio material, causando danos em revestimentos ou em elementos não estruturais. Em estruturas metálicas consideram-se geralmente estados limites de deformação e de vibração.

2.2.1.2. Situações de projecto No cálculo de estruturas metálicas, as situações de projecto são classificadas conforme Quadro 2.1. Quadro 2.1 – Classificação das situações de projecto CATEGORIAS PERSISTENTES TRANSITÓRIAS ACIDENTAIS SÍSMICAS

DEFINIÇÃO Condições Normais de utilização Condições Temporárias Condições Excepcionais Carácter Excepcional

EXEMPLO Construção ou Manutenção Incêndio, explosão, choque

2.2.2. Acções

2.2.2.1. Definições e classificações fundamentais Uma acção é um efeito (ex: uma carga) designada genericamente por F, é denominada de DIRECTA ou INDIRECTA, consoante a sua actuação física na estrutura, a saber: Quadro 2.2 – Definição das acções ACÇÃO DIRECTA EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

TIPO Força

EXEMPLO Carga Axial Parte I / 9

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

INDIRECTA

Deformação

Var.Temperatura, Assentamento Apoios

De acordo com a variação do tempo, podemos igualmente classificar as acções conforme se segue. Quadro 2.3 – Classificação das acções em função do tempo DESIGNAÇÃO PERMANENTES VARIÁVEIS ACIDENTAIS •

SIMBOLOGIA G Q A

EXEMPLO Peso Próprio, Equip. Fixo Sobrecargas, Vento, Neve Fogo, Explosões, impactos

Acções Permanentes ( G ) - são acções em que a sua intensidade se mantém constante ao longo da vida da estrutura, ou com poucas variações. De entre as acções permanentes, podemos enumerar entre outras, o peso próprio da mesma, o equipamento fixo de qualquer natureza, revestimentos ou mesmo o assentamento diferencial dos apoios.

•

Acções Variáveis ( Q ) - são acções em que a sua intensidade varia frequentemente e de forma importante no tempo e espaço. De entre as acções variáveis que se poderão assinalar, é de referir forças de travagem, força centrifuga e os efeitos naturais, como sejam: neve, vento, variações de temperatura, etc.

•

Acções de Acidente ( A ) - provenientes de fenómenos que se produzem muito raramente e que só com muita fraca probabilidade assumem valores significativos durante a vida da estrutura e cuja quantificação só é possível estabelecer por valores fixos, criteriosamente atribuídos. De acordo com a variação no espaço, podemos igualmente classificar as acções de: Quadro 2.4 – Classificação de acções em função do espaço DESIGNAÇÃO

Fixas Livres

EXEMPLO Peso Próprio Vento, Neve

2.2.2.2. Valores característicos das acções - critérios quantificadores As acções são na sua globalidade quantificadas por valores característicos, sendo estes designados duma forma corrente por Fk.. A sua qualificação é especificada designadamente pela EN 1991 – EC1 ou pelos intervenientes directos no projecto, designadamente o Dono de Obra ou o Projectista, desde que sejam observadas as disposições aplicáveis. O valor característico das acções tem fundamentos diferentes em função da sua classificação e tempo de actuação. Assim:

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 10

Série Estruturas •

Estruturas Metálicas

Acções Permanentes (Gk) – para as referidas acções, cujo coeficiente de variação é elevado ou que seja possível variar durante o período de vida da estrutura ( ex: cargas permanentes adicionais ), são indicados dois valores característicos, um superior (Gk,sup) e um inferior (Gk,inf )

•

Acções Variáveis (Qk) – para as referidas acções, o valor característico corresponde: a)

A um valor superior, com uma determinada probabilidade de não ser excedido, ou a um valor inferior, com uma certa possibilidade de não ser alcançado, durante um determinado tempo, tendo em atenção o período de vida programado da estrutura ou a previsão para a execução do projecto;

b) •

A um valor pré-definido.

Acções Acidente ( Ak ) – para as referidas acções, o valor característico corresponde de uma maneira geral a um valor pré-definido.

2.2.2.3. Valores representativos das acções variáveis Duma forma geral, o valor representativo principal de uma acção variável é o seu valor característico QK,, muito embora outros valores representativos se possam considerar, sendo que a sua quantificação será sempre obtida a partir do valor QK,, afectado de coeficientes ψ. A quantificação dos factores ψ, ou seja (ψ0, ψ1 e ψ2) à semelhança da definição de Valor Característico poderá ser especificada pelo Projectista com conhecimento e acordado pelo Dono de Obra, baseando-se em regulamentação e documentação aplicável. 2.2.2.4. Valores de cálculo das acções O valor de cálculo de uma acção, designado consensualmente por Fd, é expresso da seguinte forma;

em que γF é o denominado coeficiente parcial da acção considerada, tendo em ponderação a possibilidade de haver variações desfavoráveis das acções ou de insuficientes modelizações,

dificuldades e incertezas na

quantificação e avaliação dos efeitos das mesmas, bem como as dúvidas quanto à definição do estado limite considerado. O coeficiente ( γF ) assume a forma de γG, γQ, ou γA, consoante algumas situações especificas que se indicam;

G Q A

G ou

γ ψ Q Q

(se Ad não for directamente especificado)

γQ - Coeficiente de segurança relativo às acções variáveis; γA - Coeficiente de segurança relativo às acções de acidente;

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 11

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

γG - Coeficiente de segurança relativo às acções permanente. 2.2.2.5. Valores de cálculo dos efeitos das acções Os efeitos das acções, vulgarmente designado por (E), são respostas da estrutura às solicitações de carga. Conhecidos que são os dados geométricos e propriedades dos materiais da estrutura, é perfeitamente possível determinar o valor de cálculo dos efeitos das acções, (Ed)

= E

, ...)

Nestes efeitos incluem-se os esforços resistentes.

2.2.3. Propriedades dos materiais

2.2.3.1. Valores característicos Genericamente uma dada propriedade de um material é referenciada por um valor característico Xk a que se atribui uma determinada percentagem da distribuição estatística admitida para a propriedade em causa, definida por normas obtidas a partir de ensaios normalizados. A propriedade de um material pode ter dois valores característicos, um valor superior e um valor inferior. Frequente e normalmente só é necessário tomar em consideração o valor inferior. 2.2.3.2. Valores de cálculo Os valores de cálculo da propriedade de um material é de uma forma geral, representado da seguinte forma:

X γ k

Em que: ⇒ Rk - valor característico da resistência considerada, determinado através dos valores característicos ou nominais das propriedades dos materiais e das dimensões; ⇒ gM - coeficiente parcial de segurança global relativo à resistência considerada. Nota: Para a definição de η1Xk1, ηiXki e ad ver EN 1990 (EC1). Em certos casos usam-se os valores nominais como valores característicos. Nas estruturas de aço as propriedades dos materiais são geralmente representadas por valores nominais usados como valores característicos. EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 12

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

2.2.4. Dados Geométricos Os dados geométricos de uma estrutura metálica, ou de um elemento isolado, são geralmente representados pelos seus valores ditos nominais, ou seja;

nom

No entanto, em certos casos, os valores de cálculo dos dados geométricos são definidos por:

nom

+ Δa

Sendo Δa uma tolerância para ter em conta vários factores, como as imperfeições de fabrico (falta de rectilinearidade, de verticalidade, imperfeições geométricas, entre outras). 2.2.5. Carregamentos e casos de carga Duas noções essenciais dever-se-ão fixar neste contexto: •

Carregamento que identifica a localização, intensidade e direcção de uma acção dita livre;

•

Caso de carga, que identifica disposições de carregamento compatíveis, conjuntos de deformações e imperfeições a considerar para uma determinada verificação.

2.3. Regras de Dimensionamento

2.3.1. Generalidades Numa abordagem convenientemente esquematizada de dimensionamento é fundamental que nenhum estado limite seja ultrapassado. Para tal, é necessário que os cálculos a efectuar utilizem modelos de comportamento adequados, auxiliados eventualmente com ensaios, de forma a serem os mais abrangentes possíveis, considerando as variáveis relevantes. Nesta abordagem é essencial que todas as situações de projecto e hipóteses credíveis de carga sejam consideradas, bem como os desvios possíveis em relação às direcções ou posições admitidas para as acções. 2.3.2. Estados Limites Últimos Referem-se à segurança, verifica-se a resistência às cargas e ao equilíbrio da estrutura, quando a estrutura alcança um nível no qual é substancialmente insegura para a função que se pretende. O projectista comprova que a resistência máxima de uma estrutura (ou elemento da mesma) seja adequada para suportar as acções máximas (cargas ou deformações) a que esta estará submetida com uma margem razoável de segurança. As estruturas de aço devem ser dimensionadas de forma a satisfazer os requisitos básicos de dimensionamento para o estado limite último. Como atrás referido, os estados limites últimos são estados associados ao colapso da estrutura, ou outras formas de rotura estrutural que ponham em perigo a segurança das pessoas.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 13

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Os estados que precedem o colapso estrutural e que, por simplificação, são considerados em vez do colapso propriamente dito, também são classificados e tratados como estados limites últimos. Em geral consideram-se estados limites de resistência, de estabilidade e de perda de equilíbrio. A resistência das secções transversais depende da sua classe. A verificação da segurança pode ser efectuada com base na resistência elástica para todas as classes de secções (embora com base numa secção efectiva reduzida em secções de classe 4). No entanto, sempre que possível (em secções de classe 1 ou 2) deve ser considerada a resistência plástica, pois conduz a soluções mais económicas. Os valores recomendados no EC3-1-1 para os coeficientes parciais de segurança (coeficientes γMi) são os seguintes: •

Resistência das secções transversais das classes 1, 2 ou 3:

γM0 = 1,00

•

Resistência das secções transversais da classe 4:

γM0 = 1,00

•

Resistência dos elementos à encurvadura:

γM1 = 1,00

•

Resistência das secções úteis nas zonas dos furos dos parafusos: γM2 = 1,25

(nos anexos nacionais dos diversos países aderentes poderão vir a ser adoptados outros valores para estes coeficientes) • 1)

Resistência das ligações:

Ver EC3-1-8

Estados Limites Últimos de Resistência ou de deformação excessiva – correspondendo ao início de

rotura ou deformação excessiva de uma secção de um elemento ou de uma ligação (excluindo a fadiga). Os valores limites estabelecidos para os estados limites de utilização de acordo com o EC3-1-1, Capítulo 7 [1] e com a EN 1990 – Bases de projecto [7], são objecto de acordo entre o dono de obra e os projectistas (os anexos nacionais do EC3-1-1 poderão vir a estabelecer estes limites). Para a verificação da segurança em relação ao estado limite último de resistência, deve ser satisfeita a condição: Sd ≤ Rd Onde (atribuindo-se a todas as propriedades estruturais os respectivos valores de cálculo): Sd = valor de cálculo do esforço actuante Rd = valor de cálculo do esforço resistente Os valores de cálculo do esforço actuante Sd devem ser determinados de acordo com os critérios estabelecidos no Capítulo 2 do EC3 e considerando as combinações de acções e o factor parcial de segurança γf especificado no EC1 para o estado limite último, não incluindo perda de equilíbrio ou fadiga. O método é apresentado relativamente a diferentes tipos de forças ou momentos flectores aplicados nas secções transversais e também aos valores das propriedades mecânicas definidas no Capítulo 6 do EC3.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 14

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

2) Estados limites últimos de transformação da estrutura num mecanismo – corresponde à ocorrência de deformação plástica numa determinada secção e transformação da estrutura, ou parte desta, num mecanismo através da formação de rótulas plásticas. Quando se considera um estado limite de transformação da estrutura num mecanismo, deve verificar-se que o mecanismo não ocorre a não ser quando as acções excedem os seus valores de cálculo, tomando em consideração os valores de todas as propriedades estruturais. A análise plástica da transformação das estruturas em mecanismos deve ser determinada de acordo com a teoria estabelecida na ENV1993-1-1. 3) Estados Limites Últimos de Encurvadura – correspondendo à instabilidade de elementos estruturais ou suas ligações. Quando se considera um estado limite de encurvadura devido a efeitos de segunda ordem, deve verificar-se que a instabilidade não ocorre a não ser quando as acções excedem os seus valores de cálculo, tomando em consideração os valores de cálculo de todas as propriedades estruturais. Além disso, as secções devem ser verificadas de acordo com: Sd ≤ Rd A resistência de elementos à encurvadura deve ser determinada de acordo com o Capítulo 5 do EC3 para diferentes tipos de resistência à encurvadura. 4) Estados Limites Últimos de Perda de Equilíbrio – correspondendo à rotação ou deslocamentos da estrutura como um corpo rígido.

Quando se considera um estado limite de perda de equilíbrio estático ou de grandes deslocamentos ou deformações da estrutura, deve verificar-se que: Ed,dst ≤ Ed,stb Onde:

Ed,dst = efeito de acções desestabilizantes de cálculo Ed,stb = efeito de acções estabilizantes de cálculo

5) Estados Limites Últimos de Rotura por Fadiga – quando são aplicadas à estrutura cargas repetidas, em ciclos idênticos ou não, de periodicidade curta mas prolongados no tempo (a fadiga está associada a um elevado número de repetições de um determinado esforço, eventualmente com variação de sinal, ao longo de um determinado tempo de vida da estrutura). EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 15

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Quando se considera um estado limite por fadiga, deve verificar-se que Dd ≤ 1, em que Dd é o valor de cálculo do indicador de dano. No que respeita às estruturas de edifícios não se exige uma verificação de fadiga, a não ser nos seguintes casos: -

Elementos que suportem equipamento de elevação ou cargas móveis;

Elementos que suportem vibrações produzidas por máquinas;

Elementos sujeitos a oscilações provocadas pelo vento;

Elementos sujeitos a oscilações provocadas por multidões.

2.3.3. Projecto de Estruturas Reticuladas

Nas estruturas reticuladas devem ser verificados os seguintes itens, de acordo com EC3-1-1: ⇒ Regras contidas na EN 1990 (EC0), com as secções 1 e 2 do EC3-1-1 a conter preceitos adicionais às ai estabelecidas; ⇒ Propriedades dos materiais de produtos fabricados com aços estruturais de baixa liga, conforme secção 3 do EC3-1-1; ⇒ Preceitos de durabilidade, de acordo com a secção 4 do EC3-1-1; ⇒ Análise estrutural (secção 5 do EC3-1-1) - análise de estruturas cujo comportamento global pode ser determinado, com precisão suficiente, modelando os elementos como peças lineares; ⇒ Estados limites últimos (secção 6 do EC3-1-1) - estabelece regras pormenorizadas para a verificação da segurança de secções e elementos; ⇒ Estados limites de utilização (secção 7 do EC3-1-1) - estabelece regras relativas aos estados limites de utilização. Ao verificar a resistência das secções transversais e dos elementos de uma estrutura reticulada, pode considerarse cada elemento isolado da estrutura, sendo as forças e os elementos de extremidade os determinados a partir da análise da estrutura reticulada. As condições de apoio em cada extremidade deverão ser determinadas considerando a peça como parte da estrutura, devendo ainda ser consistentes com o tipo de análise: 1. Global elástica no cálculo de esforços e deslocamento de qualquer estrutura (isostática ou hiperestática); 2. Global plástica (aplicável apenas a estruturas hiperestáticas) com secções aptas a absorver momentos plásticos e com capacidade de rotação suficiente, sem perda de estabilidade. 2.3.3.1. Elementos Traccionados Nos elementos traccionados deve ser verificada: •

A resistência das secções transversais.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 16

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

2.3.3.2. Elementos Comprimidos Nos elementos comprimidos devem ser verificados os seguintes itens: •

Resistência das secções transversais;

•

Resistência à encurvadura.

2.3.3.3. Vigas Nos elementos sujeitos a flexão devem ser verificados os seguintes itens: •

Resistência das secções transversais;

•

Resistência à encurvadura lateral;

•

Resistência à encurvadura por corte;

•

Resistência à encurvadura do banzo no plano da alma;

•

Resistência ao enrugamento da alma.

2.3.3.4. Elementos Sujeitos a Flexão Composta Nos elementos sujeitos a flexão composta devem ser verificados os seguintes itens: •

Resistência das secções transversais a combinações de efeitos;

•

Resistência dos elementos a combinações de efeitos;

•

Todos os critérios indicados em 1.1.5. aplicados às vigas;

•

Todos os critérios indicados em 1.1.3. ou 1.1.4. aplicados aos elementos traccionados ou comprimidos, conforme apropriado.

2.3.3.5. Nós e Ligações Os nós e as ligações devem satisfazer os requisitos definidos na parte “EN 1993-1-8, Design of steel structures – Design of joints”. 2.3.4. Fadiga Nos casos em que se apliquem a uma estrutura acções repetidas com valor variável no tempo, deve verificar-se a resistência da estrutura à fadiga. Nas estruturas em que a fadiga seja predominante, não devem ser utilizadas peças de aço enformadas a frio (devido aos seus pontos de concentrações de tensões), a não ser que existam informações adicionais que garantam uma resistência suficiente à fadiga. As regras de cálculo indicadas no EC3 – parte 1.3 (Cold-formed members and sheeting) abrangem apenas as estruturas sujeitas predominantemente a acções estáticas.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 17

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Em estruturas de edifícios normalmente não é verificada a fadiga à excepção dos seguintes casos:

Elementos que suportem equipamento de elevação ou cargas móveis;

Elementos que suportem vibrações produzidas por máquinas;

Elementos sujeitos a oscilações provocadas pelo vento ou por multidões.

2.3.5. Combinação de acções As combinações de acções definem o modo provável como estas vão ocorrer conjuntamente numa situação normal, baseando-se em estudos estatísticos e probabilísticos. Estas acções são introduzidas nas combinações, com diferentes valores de cálculo, correspondendo a diferentes probabilidades de ocorrência. Além disso, quando se consideram os efeitos das acções, há que verificar se o valor de cálculo da capacidade resistente aos efeitos particulares das acções consideradas, é superior ao valor de cálculo desses mesmos efeitos associados, a saber: Ed ≤ Cd ). Para cada caso de carga, os valores de cálculo Ed dos efeitos das acções devem ser obtidos com base em regras de combinação, envolvendo os valores de cálculo das acções, tal como se indica no quadro 2.5. Quadro 2.5 – Valores de cálculo das acções Acções Variáveis Qd

Ac. Perm.

Ac.Acidentais

Situação de Projecto

(Gd)

Ac. Var. (de base)

Ac.Var. acompanhantes

( Ad )

Persistente e Transitória

γ GG k

γ QQ k

Ψ0γQQk

___

Acidental

γGAGk

Ψ1Qk

Ψ2Qk

γAAk (*)

(*)

Não havendo outra especificação para (Ad) Os valores de cálculo do quadro anterior devem ser combinados de acordo com as seguintes expressões:

•

Para situações de projecto persistentes e transitórias em verificações que não se relacionem com a fadiga (caso de combinações fundamentais), a expressão será:

∑γ •

G, j

k, j

Q ,1

k ,1

∑γ

i 〉 1

Q ,i

0 ,i

[EC3, pág. 41, (2.9)]

k ,i

Para situações de projecto acidentais, caso não sejam especificadas de forma diferente noutro local, a expressão será:

•

∑γ

GA, j

k, j

1,1

k ,1

∑ψ

i 〉 1

2 ,i

k ,i

[EC3, pág. 41, (2.10)]

Em que:

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 18

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Gk,j

são os valores característicos das acções ditas permanentes

Qk,1

valor característico de uma das acções variáveis

QK,i

são os valores característicos das outras acções variáveis

é o valor de cálculo (valor especificado) da acção dita acidental

γG,j

são os coeficientes parciais de segurança para as acções permanentes Gk,j

γGAj

tem o significado de γG,j, mas aplica-se a situações de projecto acidentais

γQ,i

são os coeficientes parciais de segurança p/ as acções ditas variáveis QK,i

ψ0, ψ1,1 e ψ2

são os coeficientes definidos em 2.2.2.3.

Estas expressões estão de acordo com o Eurocódigo 1, no que respeita às combinações das acções (ver em ENV 1991, Eurocódigo 1). 2.3.5.1. Valores de cálculo das acções permanentes Várias premissas se colocam em situações de dimensionamento de estruturas, quando nas várias combinações possíveis a intervenção das acções permanentes têm papel fundamental: (1) De acordo com as situações de projecto nas várias combinações possíveis, as acções permanentes que aumentem o efeito das acções variáveis (ou seja, que por sua vez produzam efeitos desfavoráveis), serão representadas pelos seus valores de cálculo superiores. Aquelas que reduzam o efeito das acções variáveis (ou seja, que originem efeitos favoráveis) serão representadas pelos seus valores de cálculo inferiores; (2) Quando os resultados de uma verificação forem muito sensíveis a variações da intensidade de uma acção permanente entre zonas da estrutura, as componentes desfavoráveis e favoráveis desta acção devem ser consideradas separadamente. A presente disposição tem aplicação fundamentalmente, e em particular, à verificação do equilíbrio estático. (3) No caso em que uma única acção permanente seja tratada como sendo constituída por parcelas desfavoráveis separadas, a relação entre estas parcelas poderá ser tomada em consideração adoptando valores de cálculo especiais. (4) Com excepção dos casos mencionados em (2), a totalidade de cada acção permanente deverá ser representado na estrutura pelo seu valor de cálculo, inferior ou superior, que proporcione o efeito mais desfavorável. (5) Em vigas contínuas e pórticos, o mesmo valor de cálculo de peso próprio poderá ser aplicado a todos os vãos, com excepção dos casos envolvendo o equilíbrio de consolas. 2.3.5.2. Verificação do equilíbrio estático Diversas são as considerações para as quais o projectista terá que atender para elaboração de um projecto, no que concerne à verificação do equilíbrio estático de uma estrutura. Salientamos entre outras aquelas que nos parecem mais pertinentes e de maior importância:

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 19

Série Estruturas •

Estruturas Metálicas

Para verificação do equilíbrio estático, as acções desfavoráveis e instabilizantes na estrutura serão representadas por valores de cálculo superiores e as acções favoráveis e estabilizantes por valores de cálculo inferiores;

•

Para os efeitos estabilizantes só as acções relativamente às quais se possa admitir serem de confiança estarão presentes na situação em causa, sendo consideradas na combinação e proporção apropriada.

•

As acções permanentes serão representadas por valores de cálculo apropriados, consoante os efeitos instabilizantes e estabilizantes resultarem: a)

Das parcelas desfavoráveis e favoráveis de uma única acção permanente;

De acções permanentes diferentes.

2.3.5.3. Coeficientes parciais de Segurança para os Estados Limites Últimos Nas situações de projecto acidentais às quais se aplica a expressão 2, os coeficientes parciais de segurança para as acções variáveis são tomados como iguais a 1,0. Quando de acordo com o mencionado no ponto 2.3.2.3 (alínea b), as parcelas favorável e desfavorável de uma acção permanente tiverem que ser consideradas como acções separadas, pode, em alternativa, multiplicar-se a parcela favorável por;

G ,inf

= 1,1

e a parcela desfavorável por:

G ,sup

= 1,35

desde que a aplicação de γ G, inf = 1,0 a ambas as parcelas, favorável e desfavorável, não produza um efeito mais desfavorável. Quadro 2.6 – Coeficientes parciais de segurança (Relativos a acções em estruturas de edifícios – casos de situações de projecto persistentes e transitórias)

Acções Permanentes

Acções Variáveis (γQ)

EFEITOS

Efeito Favorável (γF,inf) Efeito desfavorável (γF,sup) *)

(γG)

Acção Variável de base

Acções variáveis acompanhantes

1,00 * )

** )

1,35 * )

1,50

Nota 1 – Ver também 2.3.3.1

** ) Nota 2 – Ver Eurocódigo 1; nos casos correntes de estruturas de edifícios ( γ Q,inf )

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 20

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Nas situações de projecto acidentais às quais se aplica à expressão do EC3, os coeficientes parciais de segurança para as acções variáveis são tomados como iguais a 1,0. Quando de acordo com o mencionado no ponto 2.3.2.3 (2), as parcelas favorável e desfavorável de uma acção permanente tiverem que ser consideradas como acções separadas, pode, em alternativa, multiplicar-se a parcela favorável por;

G ,inf

= 1,1

E a parcela desfavorável por:

G ,sup

= 1,35

Desde que a aplicação de γ G, inf = 1,0 a ambas as parcelas, favorável e desfavorável, não produza um efeito mais desfavorável.

2.4. Durabilidade e Controlo de Qualidade Na construção metálica, para que se possa assegurar uma adequada durabilidade das estruturas, são variados os factores contribuintes para os quais o projectista terá que atender na fase de elaboração de projecto, não subestimando o factor económico, como é evidente. Para tal, há que atender aos seguintes factores contribuintes: •

Os fins a que se destina a estrutura, assim como a sua previsível futura utilização,

•

Os critérios de desempenho exigidos;

•

As influências e contributos climatéricos previsíveis;

•

Os materiais preconizados e potencialmente utilizáveis;

•

O sistema estrutural escolhido;

•

A forma e pormenorização dos elementos;

•

As medidas de protecção preconizadas;

•

Os cuidados de manutenção.

O controlo de qualidade de uma estrutura deverá ser realizado de forma apropriada, de modo que a mesma corresponda aos requisitos e hipóteses de cálculo, devendo compreender: •

Definição de requisitos de fiabilidade;

•

Medidas de organização e controlo aos níveis de dimensionamento, execução, uso e manutenção.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 21

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

2.5. Resistência ao Fogo

2.5.1. Generalidades Nas estruturas metálicas, à semelhança das estruturas de betão armado e mistas, quando solicitadas por acção do fogo sofrem diminuição das suas propriedades mecânicas. Se a duração e a intensidade da acção forem suficientemente elevadas, a capacidade resistente baixará de tal forma que o eventual colapso da estrutura poderse-á verificar, entrando numa situação de estado limite último. O contributo da estrutura no seu conjunto, poderá ser maior ao encontrar uma combinação adequada entre as características da própria estrutura, no que respeita à sua resistência a esta acção e o conjunto da construção, com adequada organização dos espaços, concorrendo assim para o melhoramento do seu funcionamento global. A classificação de classes resistentes ao fogo está definida no Regulamento de Segurança Contra Incêndios, dependendo da altura e do tipo de utilização do edifício. Basicamente existem quatro modos de obter resistência ao fogo:

•

Estruturas desprotegidas – tendo em consideração a elevada resistência do material quando sujeito a temperaturas elevadas, não sendo assim necessário isolamento;

•

Isolamento através de material de protecção contra o fogo – utilizando as propriedades do material a temperaturas normais e isolando os elementos de forma a manter a temperatura da estrutura suficientemente baixa.

Os elementos estruturais principais deverão sempre cumprir o primeiro critério (resistência elevada a altas temperaturas), para se garantir a manutenção da estabilidade da estrutura. O cumprimento dos critérios de resistência ao fogo está fixado em normas, que definem o comportamento e o tempo que os diferentes materiais resistem, a temperaturas elevadas, sendo essas qualidades, normalmente, traduzidas em minutos. O colapso da estrutura produz-se quando a resistência estrutural se reduz até ao valor das acções. O período de resistência pode ser pequeno, se a temperatura aumentar de forma rápida, pois os elementos de aço apresentam um comportamento muito desfavorável nestas situações, pela sua alta condutibilidade térmica. Por contraste, os elementos mistos têm melhor comportamento, dado à sua grande inércia térmica, garantida essencialmente pela protecção (baixa condutividade térmica), que o betão pode oferecer à estrutura resistente.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 22

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

2.5.2 Requisitos de desempenho Para que seja possível implementar resistência mecânica ao aço sob acção do fogo, as estruturas metálicas deverão ser concebidas e construída de modo a que mantenham a sua capacidade de suporte de carga durante a exposição ao fogo. O uso da construção e a sua forma, determinam o nível de medidas de protecção a implementar e consequentemente a dimensão do modelo de segurança a considerar, que deverá ser tido em conta, desde o início do projecto O EC3 remete para a parte 1.2 da EN 1993-1-2 a análise de resistência ao fogo.

3. MATERIAIS

3.1. Generalidades

3.1.1. Fabricação / Produtos dos Aços Os aços são ligas de ferro que contêm, para melhorar as suas propriedades, elementos como o carbono, manganês, silício, cromo e também impurezas não metálicas como combinações de fósforo e enxofre. Conforme a composição resultam propriedades diferentes, sendo o teor de carbono que desempenha papel principal. A resistência aumenta com o teor de carbono na sua composição ou mesmo a adição de outros elementos formando ligas. O mesmo efeito pode ser obtido por meio de tratamento posterior, térmico ou mecânico. Os aços classificam-se em aços de dureza natural e aços deformados a frio, dependendo do seu processo de fabrico. •

AÇOS DE DUREZA NATURAL: são obtidos por laminação a quente, apresentam geralmente um limite de escoamento bem definido e as suas propriedades dependem unicamente da sua composição química.

•

AÇOS DEFORMADOS A FRIO: são obtidos por deformação a frio após a laminação. Através de um trabalho mecânico (estriamento, torção, trefilação) executado a frio num aço de dureza natural consegue-se aumentar a sua resistência. No entanto, quando aquecido a altas temperaturas, o aço deformado a frio perde essa resistência e retorna à condição de aço de dureza natural (daí que a soldadura possa destemperar um aço tratado).

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 23

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

3.1.2. Laminação do Aço A laminação consiste em modificar a secção de uma barra de metal pela passagem entre dois cilindros, deixando entre eles uma distância menor que a espessura inicial da barra. Isto ocorre através do arrastamento dos produtos pelo cilindro sob efeito de forças de atrito, que se originam na superfície de contacto dos cilindros e do metal laminado. Durante a passagem pelos cilindros do laminador o material é estendido no sentido longitudinal, o que se traduz por um forte alongamento do produto laminado (placa ou lingote). Paralelamente, produz-se um deslocamento da matéria de um lado e do outro do eixo do produto, no sentido da largura, provocando um certo alargamento do mesmo. Assim, o processo de laminação a quente produz, em toda a secção, tensões de compressão, resultando disso um efeito de homogeneização física do produto. Portanto observa-se que durante o processo, devido a acção dos esforços de compressão, pode-se obter a eliminação de defeitos locais. No processo de laminação a quente, o produto de partida é um lingote ou uma placa, isto é, simplesmente um bloco de metal, solidificado que será mais tarde deformado por conformação para produzir a chapa. Durante o processo mecânico a forma é permanentemente modificada. Portanto, as tensões aplicadas devem estar acima do limite de escoamento e, por isso, o processamento sobre o lingote é feito a altas temperaturas, onde o material é tipicamente mais macio e mais dúctil. A laminação a quente faz-se acima da temperatura de recristalização do metal. Cada passe do laminador reduz o tamanho do grão, o qual cresce novamente, assim que a pressão é retirada. O tamanho de grão final é determinado pela temperatura e pela percentagem de redução do último passe. Durante o processo os cilindros são componentes de destaque inegável na elaboração dos laminados, visto que mantêm contacto directo com o produto acabado, sendo responsáveis pela sua forma e aspecto. Por isso devem possuir todos os requisitos necessários para um bom acabamento, pois estão sujeitos à acção do desgaste e ao efeito das tensões de compressão (sofrendo achatamento local). A composição dos cilindros pode variar devido à sua utilização, como ferro fundido, aço e alto cromo. O processo de laminação pode ser, de uma forma resumida, descrito da seguinte forma: •

Primeiramente, a placa a ser laminada é levada a um forno especial, onde é aquecida. A temperatura de aquecimento varia de acordo com o material a ser laminado.

•

Depois de ser aquecida, a placa segue para o quebrador de carepa primário (QCP). Carepa é uma camada de ferro, oxidada no interior dos fornos de laminação devido a combustão. Na realidade, ela forma-se pelo excesso de ar em que se trabalha na combustão, portanto dessa forma sobrando

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 24

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

oxigénio livre do volume de combustão, este reage com um metal (aço da placa) e forma essa camada superficial. Essa camada é removida com jactos de água a 120 Kgf/cm2. •

Em seguida, a placa será conduzida para os laminadores esboçadores reversíveis. Para garantir que durante esse trajecto não haja perda de calor da placa para o meio, há a existência de uma tampa térmica isolante, visando que a temperatura da placa fique mais homogénea ao longo de todo o seu comprimento.

•

Este processo ocorre repetidamente até que a placa atinja a espessura desejada. Depois esta é encaminhada para a tesoura volante, onde será eliminado o rabo do peixe, que é um empenamento que ocorre na extremidade da placa, após o que passa para o quebrador de carepas secundários (QCS).

•

O processo de laminação a quente pode ocorrer de diversas formas como: laminação de barras, laminação de tubos, laminação de perfilados, laminação de tiras a quente, laminação de chapas grossas.

3.1.3. Produtos do Aço Os principais produtos do aço usados são: pregos, parafusos, rebites, aço para betão, aços para betão préesforçado e perfilados. Destes para o trabalho em causa os de maior interesse são os perfilados. Da abordagem feita sobre a laminagem do aço constatou-se que este podia tomar a forma desejada com a abertura de concavidades nos cilindros que provocam a laminagem. Essas formas dão origem aos perfilados em aço laminado, tais como: varão (redondo), vergalhão (quadrado), barras rectangulares, cantoneira, barra T, barra meia–cana, perfil I, perfil H, perfil U, etc. 3.2. Aço em Elementos Estruturais

3.2.1. Campo de aplicação O Eurocódigo 3 aplica-se ao projecto de edifícios e de obras de engenharia civil em aço. Aqui apenas se trata dos requisitos de resistência, utilização e durabilidade das estruturas. A execução dos trabalhos apenas é abordada na medida necessária à definição da qualidade dos materiais e dos produtos de construção a utilizar, assim como, à definição da qualidade da execução em obra que é necessário exigir para estar de acordo com as hipóteses de dimensionamento. O Eurocódigo 3 não abrange os requisitos especiais do projecto relativo à acção dos sismos, os quais são definidos noutro Eurocódigo (EC8).

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 25

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Os valores numéricos das acções a ter em conta no projecto de edifícios e de obras de engenharia civil não são indicados no Eurocódigo 3. Tais valores são fixados na ENV, 1991 Eurocódigo 1, “Bases e Acções em Estruturas”, a qual se aplica a todos os tipos de construção. 3.2.2. Propriedades mecânicas dos aços laminados a quente

3.2.2.1. Valores nominais As propriedades dos aços no que diz respeito às suas características gerais são valores nominais a adoptar para efeitos de cálculo. As características dos diferentes tipos de aços devem basear-se na informação relativa às suas propriedades mecânicas (determinadas a partir de ensaios de tracção, ensaios de choque e, ocasionalmente, ensaios de dobragem) e à sua composição química. As características dos perfis e chapas de aço usadas em elementos estruturais, devem estar de acordo com as seguintes normas: EN10025 – Produtos laminados a quente de aços de construção não ligados; EN10113 – Produtos laminados a quente de aços de construção soldáveis de grão fino. Os quadros A e B, que a seguir se apresentam, são para projectos de aços de construção não ligados. Relativamente aos aços de elevada resistência deve ser consultada a Norma EN10113. Nos referidos quadros também se apresentam os valores nominais da tensão de cedência fy e da tensão de rotura à tracção fu para diferentes tipos de aços, os quais podem ser adoptados nos cálculos como valores característicos. Em alternativa, os valores especificados na norma EN10025 podem ser utilizados para uma gama superior de espessuras. A classificação dos aços, apresentados nos quadros A e B, é, ainda, designada pelas letras JR, JO, J2 e K2, que representam o nível de qualidade do aço no que diz respeito à soldabilidade e aos valores especificados do ensaio de choque. A qualidade aumenta para cada designação de JR a K2.

Para uma descrição mais detalhada da qualidade dos aços deve-se consultar a norma EN10025-2.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 26

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Quadro 3.1 – Valores nominais da tensão de cedência fy e da tensão de rotura fu, para aços de acordo com a EN 10025-2. Tensão de cedência fy e tensão de rotura fu em N/mm2 (1) Designação

S235

S275

S355

Qualidade

Espessura nominal em mm t<=40 40<t<=80 fy fu fy fu

JR JO J2 JR JO J2 JR JO J2 K2

S450

Alongamento mínimo em % (2) (L0=5.65/S0)

Energia absorvida mínima no ensaio de choque (J) (3)

Espessura nominal em mm

3<t≤40

40<t≤63

63<t≤100

235

360

215

360

275

430

255

410

355

510

335

470

440

550

410

550

Temperatura ºC

10<t≤15

20 0 -20 20 0 -20 20 0 -20 -20

27 27 27 27 27 27 27 27 27 40

Nota: (1) Os valores apresentados neste quadro são valores de referência. Para detalhes consultar a norma EN10025 (2) Os valores apresentados neste quadro são aplicáveis a provetes longitudinais para o ensaio de tracção. Para chapas, chapas largas e produtos longos de largura maior ou igual a 600 mm utilizam-se provetes transversais e o alongamento mínimo deve ser inferior a 2% (3) Para espessuras inferiores a 10 mm a energia mínima absorvida no ensaio de choque deve deduzir-se da figura 1 da norma EN10025

Quadro 3.2 – Valores para a qualidade dos aços. C em % máx. Para Designação

S235

S275

S355

Qualidade

espessuras nominais t em mm

Máx. CEV para Mn%Máx.

Si%Máx.

P%máx.

S%Máx.

t≤16

16<t≤40

t>40

0.17

0.20

0.17

1.40

0.045

0.17

1.40

0.040

0.17

1.40

0.21

0.22

1.50

0.18

0.24

N%máx.

espessuras nominais em mm t≤40

40<t≤150

0.007

0.35

0.38

0.040

0.009

0.35

0.38

0.035

0.35

0.38

0.045

0.009

0.40

0.42

1.50

0.040

0.009

0.40

0.42

0.18

1.50

0.035

0.40

0.42

0.24

1.60

0.55

0.045

0.009

0.45

0.47

0.20

0.22

1.60

0.55

0.040

0.009

0.45

0.47

0.20

0.22

1.60

0.55

0.035

0.45

0.47

0.20

0.22

1.60

0.55

0.035

0.45

0.47

Nota: Os valores apresentados neste quadro são valores de referência. Para maiores detalhes consultar a norma EN10025

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 27

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Quadro 3.3 – Valores nominais da tensão de cedência fy e da tensão última à tracção “fu” para aços laminados a quente

Quadro 3.4 – Valores nominais da tensão de cedência fy e da tensão última à tracção “fu” para secções tubulares

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 28

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

3.2.2.2. Tenacidade

A tenacidade é uma propriedade dos materiais medida em termos de energia necessária para fracturar um corpo de prova, através de um ensaio de impacto.

Considerando que a tenacidade é influenciada por variações em parâmetros de cada etapa pela qual o aço microligado passou para chegar a ser produto final, alguns aspectos da composição química, tamanho de grão, laminação e resfriamento, devem ser citados.

Mudanças na composição química podem trazer diferenças superiores a 40º C na temperatura de transição dos aços doces. O carbono e o manganês são os principais responsáveis por variações na temperatura de transição.

As propriedades mecânicas e a microestrutura dos aços microligados dependem directamente do tratamento termomecânico. Este tratamento acontece seguindo uma programação que leva em conta faixas específicas de temperatura. São definidas as temperaturas de início e fim de cada faixa em função da recristalização e transformação de fase.

3.2.3. Propriedades mecânicas dos aços enformados a frio

As propriedades mecânicas e composição química dos aços devem estar de acordo com os requisitos dos quadros A e B apresentados no ponto 3.2.2.1. Os valores apresentados no quadro 3.2 são determinados por análise de vazamento.

Para análise de produto de aços deve ser consultada a norma EN10025.

Podem ser utilizados aços estruturais além daqueles apresentados desde que existam informações adequadas, tais como propriedades mecânicas e composição química, que justifiquem a aplicação das regras de projecto e fabrico desses aços.

Os métodos de ensaio e análise de resultados devem ser efectuados de acordo com as seguintes normas: •

EN10002 – Materiais metálicos. Ensaio de tracção;

•

EN10045 – Materiais metálicos. Ensaio de choque em provete entalhado Charpy;

•

EN100036 – Análise química de materiais metálicos.

3.2.4. Dimensões, massa e tolerância Do EC3-1-1: EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 29

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

(1) As tolerâncias dimensionais e de massa das secções laminadas a quente, das secções tubulares e das chapas deverão estar em conformidade com a norma do produto, ETAG ou ETA relevante, excepto se forem especificadas tolerâncias mais exigentes. (2) No caso de componentes soldados deverão aplicar-se as tolerâncias indicadas na EN 1090. (3) Na análise e na verificação de segurança estrutural deverão utilizar-se os valores nominais das dimensões. Ainda, as dimensões e massas dos perfis laminados a quente, chapas e perfis tubulares, e respectivas tolerâncias, devem estar de acordo com as seguintes normas: EN10024, EN10029,EN10034, EN10055, EN10056, EN10210, conforme o produto.

3.2.5. Valores das propriedades dos materiais

Os valores de referência e massas dos perfis laminados a quente, chapas tubulares, e respectivas tolerâncias, devem estar de acordo com as seguintes normas: EN10024, EN10029, EN10034, EN10055, EN10056, EN10210-2, conforme o produto.

Módulo de Elasticidade___________________ E = 210.000 N/mm2; Módulo de distorção _____________________ G = E/2 (1+υ) N/mm2; Coeficiente de Poisson ___________________ υ = 0,3; Coeficiente de dilatação térmica linear ______ α = 12x10-6 (ºC) -1 Massa Volúmica ________________________ ρ = 7.850 kg/m3. 3.3. Elementos de Ligação

3.3.1. Generalidades

Todas as ligações devem ter uma resistência de cálculo que permita à estrutura permanecer funcional e satisfazer as exigências fundamentais de dimensionamento.

O coeficiente parcial de segurança γM deverá tomar os seguintes valores: •

Resistência de ligações aparafusadas____________ γMb = 1,25;

•

Resistência de ligações soldadas________________ γMw = 1,25.

Resistência ao escorregamento em ligações aparafusadas pré-esforçadas: •

Parafusos em furos com folga normalizada e em furos ovalizados na direcção normal do esforço: - Para o estado limite último........................ γM.ult = 1,25: - Para o estado limite de utilização.............. γMs.ser = 1,10.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 30

Série Estruturas •

Estruturas Metálicas

Parafusos em furos de grande folga e em furos ovalizados na direcção paralela à direcção do esforço................................................. γMs.ult = 1,40.

3.3.2. Parafusos, porcas e anilhas

3.3.2.1. Generalidades

Os parafusos, porcas e anilhas devem satisfazer as condições estabelecidas nas seguintes normas: •

Parafusos não pré-esforçados (parafusos ordinários): Parafusos – ISO 4014, 4016, 4017, 4018, ISO 7411, 7412; Porcas – ISO 4032, 4034, ISO 7413, 7414, 4775; Anilhas – ISO 7089, 7091, ISO 7415, 7416.

•

Parafusos pré-esforçados (parafusos de alta resistência): Parafusos – ISO 7411; Porcas – ISO 4775; Anilhas – ISO 7415, 7416.

Identificação de parafusos, suas partes e folgas admissíveis:

Os valores nominais de tensão de cedência fyb e da tensão de rotura à tracção fub para parafusos, são apresentados no abaixo.

Para outras propriedades mecânicas dever-se-á ter como referência a norma ISO898. EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 31

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Valores nominais de tensão de cedência e da tensão de rotura à tracção Classe de parafuso

4.6

4.8

5.6

5.8

6.8

8.8

10.9

fyb (N/mm2)

240

320

300

400

480

640

900

fub (N/mm2)

400

500

600

800

1000

Os parafusos de classe inferior a 4.6 ou superior a 10.9 não devem ser utilizados a não ser que se disponha de resultados que provem a sua aceitabilidade para determinada aplicação.

3.3.3.2. Parafusos pré-esforçados

Os parafusos pré-esforçados (de aço de elevada resistência e qualidade) são utilizados em ligações do tipo fricção. São apertados de modo a introduzir uma força de aperto conhecida (carga de prova) de modo a apertar duas chapas, gerando uma força de atrito entre as mesmas.

As ligações aparafusadas são classificadas em: ligações ao corte e ligações traccionadas.

O dimensionamento das ligações aparafusadas sujeitas ao corte deve ser feito de acordo com a sua classificação em uma das seguintes categorias: categoria A e B. Quanto a uma ligação aparafusada sujeita a tracção o seu dimensionamento deve ser feito tendo em conta as categorias D e E.

No que diz respeito aos parafusos pré-esforçados estamos perante as classificações B (ligações resistentes ao escorregamento no estado de utilização) e E (ligações com parafusos de alta resistência pré-esforçados). Nas ligações destas categorias utilizam-se parafusos de alta resistência pré-esforçados com aperto controlado. Este pré-esforço melhora a resistência à fadiga, no entanto, essa melhoria dependerá da pormenorização e das tolerâncias adoptadas.

3.3.3. Soldadura

A soldadura como processo de união de chapas de aço é muito usado em estaleiro, serralharias e metalomecânicas, contudo de evitar em obra, onde a aparafusagem é preferível.

Todos os consumíveis de soldadura devem satisfazer as condições estabelecidas nas normas aplicáveis, sendo sempre o material de depósito de nobreza e resistência igual ou superior ao metal base a soldar (no caso da soldadura não ser por única fusão do metal base). Assim, os valores de tensão de cedência, tensão de rotura à tracção, extensão na rotura e valor mínimo de energia obtido no ensaio de choque Charpy de provete entalhado, EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 32

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

especificados para o metal de adição, devem ser iguais ou superiores aos correspondentes valores especificados para o tipo de aço a ser soldado.

As formas mais usuais de soldar são por deposição de metal em cordão de ângulo e de topo, sendo a espessura e o cumprimento os parâmetros de dimensionamento.

Devem ser executados testes de verificação (tais como ensaios de tracção e de flexão) nos consumíveis para soldaduras diferentes dos referidos nas normas atrás mencionadas a que se verifique que estes satisfazem as exigências do projecto.

4. ESTADOS LIMITES DE UTILIZAÇÃO

4.1. Bases Como é sabido no projecto de estruturas (metálicas ou outras) são estabelecidas condições a respeitar, tanto em termos de segurança como em termos de funcionalidade, classificam-se esses requisitos em estados limites últimos e estados limites de serviço, respectivamente. Dentro de cada uma destas classificações pode ser necessário comprovar vários aspectos do comportamento da estrutura metálica. Os estados limites últimos referem-se à segurança, enquanto resistência às cargas e equilíbrio, quando a estrutura alcança um ponto no qual é substancialmente insegura para a função que se pretende. O projectista comprova que a resistência máxima de uma estrutura (ou elemento da mesma) seja adequada para suportar as acções máximas (cargas ou deformações) a que esta estará submetida com uma margem razoável de segurança, como limitando as deformações, deslocamentos e vibrações. Para o cálculo de estruturas metálicas, os aspectos que se devem verificar são, especialmente, a resistência (incluindo a fluência, a encurvadura e a transformação num mecanismo) e a estabilidade contra o derrube. Nalguns casos pode também ser necessário considerar-se outras modalidades possíveis de rotura, como a rotura devida à fadiga do material e a rotura frágil.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 33

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Os estados limites de serviço referem-se àqueles estados nos quais uma estrutura, se bem que não entre em rotura, começa a comportar-se de uma forma insatisfatória devido, por exemplo, a deformações ou vibrações incompatíveis com a sua funcionalidade, durabilidade e conforto dos utentes. É pois assim que o projectista comprovará que a estrutura cumpre satisfatoriamente a sua função ao ser submetida às cargas de trabalho ou serviço. Pode ser necessário comprovar estes aspectos do comportamento em condições diferentes, por exemplo, o Eurocódigo define três situações hipotéticas que correspondem ao uso normal da estrutura, situações transitórias (por exemplo, durante a construção ou reparação e situações acidentais). Na verdade, o RSA já estabelece três tipos de combinações: -

Quase permanentes, a que corresponde o uso normal da estrutura;

Frequentes, que se equiparam às transitórias;

Raras, que se revêem nas de acidente (como os sismos).

Pode também ser necessário considerar acções diferentes, ou seja, várias combinações de cargas e outros efeitos como a temperatura ou o assentamento. Apesar do aparente grande número de casos que se devem considerar, em muitos deles será suficiente projectar sobre a base da resistência e da estabilidade, e, seguidamente, comprovar que não se vai ultrapassar o limite de deformação (por exemplo e nomeadamente, o admissível valor da flecha). Outros estados limites não serão aplicáveis, ou poderão determinar-se mediante um cálculo bastante sensato, que não afectem o projecto, claramente. No seu nível mais básico, o cálculo assente em estados limites proporciona simplesmente um marco dentro do qual se submete à consideração, explícita e independente, vários requisitos de rendimento diferentes. Isso não implica necessariamente o uso automático de conceitos estatísticos e probabilísticos, coeficientes de segurança parciais, etc..., nem cálculo plástico, cálculo da carga máxima, etc. Na prática o estado limite de utilização ou serviço está geralmente relacionado com o facto de se assegurar que as flechas, e outros deslocamentos em geral, não sejam excessivos para condições normais de utilização. Nalguns casos, também pode ser necessário assegurar, que a estrutura não está sujeita a vibrações excessivas. Isto é particularmente importante nas estruturas sujeitas a forças dinâmicas consideráveis, ou nas que acomodam equipamentos delicados. Tanto a flecha como a vibração estão mais associadas à rigidez do que à resistência da estrutura. Quando, no estado limite último, se utiliza uma análise plástica global, deve estudar-se a possibilidade da redistribuição plástica de esforços, também ocorrer nos estados limites de utilização. Esta redistribuição só deve ser permitida nos casos em que se possa provar que não se repetirá e também deve ser tida em conta no cálculo de deformações.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 34

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Os estados limites de utilização devem considerar, em geral, o seguinte. 1) Deformações ou deslocamentos (flechas) que afectem desfavoravelmente o aspecto ou a utilização efectiva da estrutura (incluindo o funcionamento adequado de máquinas ou instalações); 2) Vibrações, oscilações ou deslocamentos laterais que causem desconforto aos ocupantes de um edifício ou que danifiquem o seu conteúdo; 3) Deformações, deslocamentos (flechas), vibrações, oscilações ou deslocamentos laterais que causem danos nos acabamentos ou elementos não estruturais.

Para evitar que estes limites sejam excedidos é necessário limitar as deformações, deslocamentos e vibrações.

De acordo com o R.S.A., a verificação de segurança em relação aos estados limites de utilização deve considerar os estados limites de muito curta, curta e de longa duração. Estes tipos de estados limites correspondem, respectivamente, aos seguintes tipos de combinações: •

Combinação rara;

•

Combinação frequente;

•

Combinação quase permanente.

Cada regulamento estabelece para a análise de cada situação qual a combinação a verificar (exemplos: abertura de fendas; deformação; etc).

De acordo com o R.S.A., para estados limites de utilização, o coeficiente de segurança γf, relativamente às propriedades dos materiais, devem tomar o valor de 1. Para as combinações de acções, tanto as que intervém como os coeficientes de que são afectadas dependem do tipo de condição que se pretende estudar.

4.2. Deslocamentos (flechas) 4.2.1. Requisitos Nos estados limites de utilização a flecha de cálculo de uma barra ou estrutura é raramente significativa por si só, já que os pressupostos teóricos raramente se verificam, por exemplo: -

A carga real (aplicada) tem poucas probabilidades de ser a carga hipotética prevista;

As vigas raramente estão simplesmente apoiadas ou encastradas e, na realidade, uma viga encontra-se geralmente num estado intermédio;

Pode verificar-se uma acção conjunta.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 35

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

A flecha de cálculo é, apesar de tudo, importante como índice da rigidez de uma barra ou estrutura, ou seja, para avaliar se os deslocamentos são excessivos ou se o dano local está controlado (como fissuras m paredes). Para estes efeitos os métodos analíticos sofisticados raramente se justificam. Quaisquer que sejam os métodos adoptados para avaliar a resistência e a estabilidade de uma barra ou estrutura, os cálculos de flechas devem estar relacionados com a estrutura no estado elástico. Assim, quando a análise para comprovar a conformidade com o limite de resistência se baseia em conceitos rígido-plásticos ou elasto-plásticos (análise plástica), deve também considerar-se o comportamento da estrutura na fase elástica. Na verdade as combinações de acções para E. L. de Utilização não devem conduzir a peça estrutural para além do limite elástico, recomendavelmente. E qualquer modo isso será difícil de suceder, dado que os valores de cálculo para estas combinações é significativamente inferior às dos E. L. Últimos. As flechas de cálculo devem comparar-se com os valores máximos especificados, que dependerão das circunstâncias. Por exemplo, no Eurocódigo 3 tabelam-se os valores limites para as flechas verticais para vigas de sete categorias, tal como se indica no Quadro 4.1. Ao calcular-se a flecha pode ser necessário, caso a caso, considerar-se os efeitos da contra-flecha, das acções permanentes e das acções variáveis em separado. Em projecto devem também considerar-se as implicações dos valores de cálculo da flecha. Para as coberturas, por exemplo, independentemente dos limites especificados nas regras de cálculo, existe uma clara necessidade de manter uma inclinação mínima para o escoamento da água. Por isso, pode ser necessário considerar-se limites mais restritos para estruturas de coberturas quase planas. 4.2.2. Valores Limites

4.2.2.1. Deslocamentos Verticais Os valores limites para os deslocamentos verticais a seguir indicados no Quadro 4.1 são ilustrados tomando como referência a viga simplesmente apoiada da Fig. 4.1. Quadro 4.1 - Valores limites recomendados para deslocamentos verticais

Limites

Condições 1.Coberturas em geral 2. Coberturas utilizadas frequentemente por pessoas 3. Pavimentos em geral 4. Pavimentos e coberturas que suportem rebocos ou outros acabamentos frágeis ou divisórias não flexíveis 5. Pavimentos que suportem pilares 6. Vigas em consola ( L= 2Lconsola ) 7. Quando w possa afectar o aspecto do edifício

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

wtot L/200 L/250 L/250

w2 L/250 L/300 L/300

L/250

L/350

L/400 Limites anteriores L/250

L/500 Limites anteriores --

Parte I / 36

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Fig. 4.1 – Valores limites recomendados para deslocamentos verticais

Em que: wc = contra-flecha w1 = flecha devida às acções permanentes imediatamente após a sua aplicação w2 = flecha devida aos efeitos diferidos das acções permanentes w3 = flecha da viga devida às acções variáveis wtot = flecha total igual à soma wmáx = flecha máxima em relação ao eixo recto entre apoios L - No caso geral, L representa o vão da viga. No caso de vigas em consola, L representa duas vezes o vão real da consola. Como já referido, a flecha de uma estrutura tem muito mais a ver com a rigidez do que com a resistência. Se bem que as flechas de cálculo não proporcionam, necessariamente, uma previsão precisa dos valores, a verificar-se dão uma ideia da rigidez da estrutura, como já foi salientado. Por isso, constituem um guia razoável das prestações da estrutura a este respeito. Com a tendência para vãos maiores e materiais de maior resistência, nos últimos anos o projecto baseado na flecha adquiriu mais importância.

Em muitos casos esta consideração dita mais a magnitude dos elementos estruturais do que a sua resistência, sendo isto particularmente verdade no caso de estruturas metálicas, dada a sua grande esbelteza (grosso modo, a relação entre secção e eixo longitudinal da peça). Constatando-se, muitas vezes, que são os E. L. de Utilização que condicionam a dimensão da secção. O que, no extremo, isto significa é que poderá não adiantar a troca simples da classe de resistência do aço de uma peça, pois que o mesmo não é rentabilizado para estes efeitos (verificação das condições de serviço).

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 37

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Os limites recomendados para os deslocamentos verticais em edifícios são indicados no Quadro 4.1, no qual L representa o vão da viga. Para vigas em consola, L representa duas vezes o balanço da consola. Em vigas carrinhos de rolamento e vigas de suporte de equipamentos móveis, os deslocamentos horizontais e verticais devem ser limitados de acordo com a utilização e o tipo de equipamento. Para tanto basta analisar a fórmula da flecha elástica instantânea de uma barra simplesmente apoiada e com carga uniformemente distribuída: f = (5/385).[q.L4/(E.I)] Como se pode apreciar o seu valor varia linearmente com a carga, o módulo de elasticidade e a inércia, bem como a quarta potência do vão. Ora nenhum destes factores se relaciona com a classe da resistência do aço, dado que para todas se aceita igual módulo. O único valor que, sempre de modo indirecto, poderá variar é a carga, já que para uma mesma secção a resistência varia em função da classe do aço e logo a carga admissível nessa peça. Uma flecha excessiva pode provocar vários efeitos indesejáveis. Estes incluem danos nos acabamentos (em particular quando se utilizam materiais frágeis como o vidro ou o estuque), acumulações de água em coberturas planas (que pode provocar fugas e inclusive o colapso em casos extremos), alarme visual aos utilizadores e, em casos extremos, mudanças no comportamento estrutural suficientes para provocar o colapso. O exemplo mais frequente dos efeitos da flecha dá-se nas colunas, que se projectam principalmente para cargas de compressão mas que podem ver-se submetidas a efeitos de encurvadura importantes quando a coluna se deforma num plano horizontal, o chamado efeito P-Delta (que à frente estudaremos com bastante detalhe). A preocupação normal no projecto consiste em comprovar que as flechas calculadas não superam os níveis admissíveis, que dependem do tipo de estrutura e dos acabamentos empregues. Por exemplo, os limites da flecha de estruturas de coberturas normalmente não são tão rígidos como os das estruturas dos pavimentos (não negligenciando a eventual acumulação de águas pluviais). Ao efectuar estas verificações é importante reconhecer que a flecha total, wmáx , é formada por vários componentes, como se mostra na Fig. 4.1. Ao controlar as flechas é necessário considerar tanto wmáx . como w2 , aplicando-se os limites mais severos no segundo caso. Se bem que as flechas de cálculo não proporcionam, necessariamente, uma previsão precisa dos valores a verificar-se, dão uma ideia da rigidez da estrutura, como já foi salientado. Por isso, constituem um guia razoável das prestações da estrutura a este respeito. Com a tendência para vãos maiores e materiais de maior resistência, nos últimos anos o projecto baseado na flecha adquiriu mais importância. EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 38

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

Em muitos casos esta consideração dita mais a magnitude dos elementos estruturais do que a sua resistência, sendo isto particularmente verdade no caso de estruturas metálicas, dada a sua grande esbelteza (grosso modo, a relação entre secção e eixo longitudinal da peça), constatando-se, muitas vezes, que são os E. L. de Utilização que condicionam a dimensão da secção. O que, no limite, isto significa é que poderá não adiantar a troca simples da classe de resistência do aço de uma peça, pois que o mesmo não é rentabilizado para estes efeitos (verificação das condições de serviço).

No caso de certas estruturas o controle da flecha tem uma importância máxima. Exemplos disso são as estruturas que suportam gruas altas e as que alojam equipamentos sensíveis. O projecto baseado na flecha é provavelmente a condição crítica em tais casos. Os limites recomendados para os deslocamentos verticais em edifícios são indicados no Quadro 4.1, no qual L representa o vão da viga. Para vigas em consola, L representa duas vezes o balanço da consola.

4.2.2.1. Deslocamentos Horizontais

Os deslocamentos devem ser calculados tendo em conta os efeitos de segunda ordem e a rigidez rotacional de qualquer deformação plástica no estado limite de utilização.

Nos edifícios, os limites recomendados para os deslocamentos horizontais nos topos dos pilares são os seguintes: -

Pórticos sem aparelhos de elevação: h/150

Outros edifícios de um só piso: h/300

Em edifícios de vários pisos: •

Em cada piso: h/300

•

Na estrutura globalmente: h0/500

Em que: h = altura do pilar ou do piso h0 = altura total da estrutura Quadro 9. Valores limites recomendados para deslocamentos horizontais

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 39

Série Estruturas

Estruturas Metálicas 1.

Piso único

Condições

Limites (δ)

Pórticos sem aparelhos de elevação

h / 150

Outros edifícios de piso único

h / 300

a 1 2

h2 ha h1

2. Vários pisos Condições

Limites

Em cada piso (δ1, δ2)

h1 / 300, h2 / 300

Estrutura como um todo (δa)

Ha / 500

4.2.3. Acumulação de águas pluviais

De modo a garantir a correcta descarga de águas pluviais numa cobertura plana ou quase plana, o cálculo de coberturas com um declive inferior a 5% deve ser executado de modo a garantir que não exista acumulação de águas pluviais. Este cálculo deve tomar em conta possíveis imprecisões de construção, o assentamento das fundações, as deformações de elementos estruturais e os efeitos das contraflechas. Isto também é aplicável a pavimentos de parqueamento de veículos automóveis e a outras estruturas abertas lateralmente.

Prevendo uma localização eficaz para os pontos de escoamento das águas pluviais é possível, através da criação de contra-flechas nas vigas, diminuir a possibilidade da sua acumulação.

Quando o declive da cobertura é inferior a 3% devem ser executados cálculos adicionais de modo a prevenir o colapso da cobertura devido ao peso da água:

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 40

Série Estruturas -

Estruturas Metálicas

Acumulada em poças que se podem formar devido ao deslocamento dos elementos estruturais ou do material da cobertura;

Ou retida pela neve.

4.3. Efeitos Dinâmicos

4.3.1. Requisitos Os efeitos dinâmicos que devem ser considerados nos estados limite de utilização são as vibrações causadas por máquinas e as vibrações auto-induzidas, por exemplo, desabamentos por turbilhões. A ressonância pode evitar-se garantindo que as frequências próprias da estrutura (ou de partes da mesma) diferem suficientemente das da fonte de excitação. 4.3.2. Estruturas acessíveis ao público A oscilação e vibração de estruturas acessíveis ao público devem ser limitadas de modo a se evitar desconfortos aos utentes. Em geral, esta situação pode-se verificar realizando uma análise dinâmica e limitando a menor frequência natural do pavimento que se pode associar à sensação de insegurança (vibração excessiva durante a passagem de pessoas). O Eurocódigo 3 recomenda um limite inferior de três ciclos por segundo para pavimentos em que as pessoas circulem com frequência, e um limite mais restrito de cinco ciclos por segundo para os pavimentos usados para dançar ou saltar, como é o caso de ginásios ou salões de baile. Um método alternativo consiste em assegurar uma rigidez adequada limitando as flechas a valores apropriados. Do mesmo modo que o comportamento da flecha, as características de vibração de uma estrutura também dependem mais da rigidez do que da resistência. O princípio do projecto consiste em adoptar uma solução para a qual a frequência da vibração seja suficientemente diferente da de qualquer fonte de excitação (por exemplo de uma máquina), para evitar a ressonância.

A maior amplitude dos vãos, as estruturas mais leves e uma redução da massa e da rigidez das paredes divisórias e revestimentos, contribuíram para reduzir de forma generalizada as frequências naturais para as estruturas dos edifícios (as estruturas mais flexíveis tem genericamente, e por regra, uma frequência fundamental mais baixa que as mais rígidas).

Tendo-se registado casos de desconforto humano, o Eurocódigo 3 especifica uma frequência natural mínima de: a)

Para os pavimentos de uso normal, tráfego regular, 3 ciclos por segundo (f≥3Hz), ou de forma indirecta wmáx = w1+w2 ≤ 28mm, para combinações frequentes de acções;

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 41

Série Estruturas b)

Estruturas Metálicas

Para os pavimentos de pistas de dança, ginásios ou outros locais onde as pessoas se possam deslocar de forma cadenciada e 5 ciclos por segundo (f≥5Hz), ou de forma indirecta wmáx = w1+w2 ≤ 10mm, para combinações frequentes de acções.

A oscilação e vibração das estruturas sobre as quais o público pode passar devem ser limitados de forma a evitar desconforto aos utentes. Caso a frequência e deformações apresentadas no Quadro 10 não sejam excedidas, considera-se que as condições de conforto foram satisfeitas. 4.3.3. Oscilações/vibrações produzidas pelo vento e outras solicitações Assim, para ser dispensada a verificação das acelerações verticais máximas de uma estrutura é necessário que as suas frequências próprias, associadas a modos verticais, sejam superiores a 3 Hz, em estruturas de edifícios de escritórios, habitação e instalações similares ou a 5 Hz, em estruturas de ginásios ou edifícios com funções semelhantes (EC3, 2010, Anexo Nacional). No caso de ser efectuada uma análise dinâmica, as acelerações verticais máximas devem ser limitadas aos valores indicados no Quadro 10 (Quadro NA.II. do Anexo nacional). Quadro 10. Valores de níveis máximos de acelerações aceitáveis (EC3, 2010, Anexo Nacional)

O cálculo de frequências próprias ou a análise dinâmica podem ser dispensados sempre que as flechas, devidas às cargas permanentes e à parcela frequente das sobrecargas, sejam inferiores a 28 mm, em edifícios correntes, ou a 10 mm, em estruturas de ginásios ou edifícios com funções semelhantes (Quadro 11 e EC3, 2010, Anexo Nacional). Quadro 11. Valores limite recomendados para vibrações do pavimento

1. Pavimentos sobre os quais pessoas caminham com regularidade 2. Pavimentos onde ocorrem saltos ou incidência de movimentos rítmicos

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Frequência natural mínima (ou

Limite da deformação total

fundamental) fe [Hz]

δmáx= δ1+δ2 [mm]

Parte I / 42

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

fe =

1 α EI ⋅ 2⋅ 2π L m

[Hz]

E = módulo de elasticidade I = segundo momento da área L = comprimento do vão m = massa por unidade de comprimento α = coeficiente de frequência do modo básico de vibração Valores de α

= 2 2 ,3 7

= 9 ,8 6 9

= 3 ,5 1 6

= 1 5 ,4 1 8

Pode ser necessário considerar as oscilações excitadas pelo vento em estruturas raramente flexíveis como as de edifícios muito esbeltos e altos, pontes, grandes coberturas de estruturas raramente flexíveis como tirantes leves. Nestas estruturas flexíveis devem estudar-se, com cargas de vento dinâmicas, as vibrações no plano da direcção do vento e perpendicularmente a esse plano, assim como as vibrações induzidas pelas fendas e turbilhões. As características dinâmicas da estrutura podem ser o critério principal do projecto em tais casos. A força do vento é variável mas para muitas estruturas o seu efeito dinâmico é pequeno e a acção do vento pode tratar-se usando métodos estatísticos vulgares. Tais estruturas definem-se como “rígidas” e o Eurocódigo1 proporciona orientação sobre esta classificação. Em estruturas esbeltas o efeito dinâmico pode ser considerável. Essas estruturas classificam-se como estruturas flexíveis e deve ter-se em conta o seu comportamento dinâmico. O parâmetro mais importante para a quantificação das acções do vento é a sua velocidade. A base para o projecto é a velocidade máxima do vento prevista para a vida útil da estrutura. Os factores que influenciam na sua importância são: •

Localização geográfica: as velocidades do vento são estatisticamente maiores numas regiões do que noutras. Para muitas regiões dispõe-se de dados estatísticos consideráveis e as velocidades básicas do vento expressam-se nos mapas em forma de linhas formadas pela união de pontos com velocidades básicas do vento iguais. No Eurocódigo1 a velocidade básica do vento denomina-se velocidade de referência do vento e corresponde à velocidade média, a uma altitude de 10 m acima de um terreno plano, mantida constante por um período de 10 minutos com um período de retorno de 50 anos.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 43

Série Estruturas •

Estruturas Metálicas

Localização física: em lugares expostos como a orla costeira, o vento alcança maiores velocidades do que em lugares mais abrigados, como as cidades, devido ao facto de as irregularidades da superfície reduzirem a velocidade do vento ao nível do solo.

•

Topografia: as características de um lugar em relação a colinas ou taludes têm em conta mediante a utilização de um coeficiente topográfico.

•

Dimensões do edifício: a altura tem uma particular importância devido ao facto de a velocidade do vento aumentar com a altura acima do nível do solo. A velocidade média do vento determina-se com a velocidade do vento de referência ponderada para ter em conta a altura do edifício, a irregularidade do terreno e a topografia. A pressão do vento é proporcional ao quadrado da velocidade média do vento. Além do mais, os seguintes parâmetros são importantes:

•

Forma da estrutura: é importante reconhecer que as acções do vento não são simplesmente uma pressão frontal aplicada a uma estrutura, mas são o resultado de uma distribuição complexa da pressão em todas as frentes devido ao movimento do ar por toda a estrutura. A distribuição complica-se mais no entanto devido às estruturas adjacentes e às obstruções ou variações naturais como as colinas, vales e bosques que podem influenciar nos “modelos” do movimento do ar e a distribuição da pressão associada.

•

Altura do telhado: este parâmetro é realmente um aspecto especial da forma estrutural. Importa assinalar que as coberturas com altura muito pequena podem estar sujeitas a elevação ou sucção, enquanto que as coberturas de maior inclinação, digamos aproximadamente superior a 20°, é provável que estejam sujeitas a uma sucção ou pressão descendente. Contudo, e necessariamente, só tabelas de coeficiente de pressão podem dar resposta rigorosa a cada caso.

•

Direcção do vento: as distribuições da pressão mudarão segundo as diferentes direcções do vento.

•

Coeficiente de resposta de rajadas: este coeficiente utiliza-se para ter em conta a redução da média espacial da pressão do vento com uma área crescente, devido à não coincidência das pressões locais máximas que actuam sobre a superfície externa da estrutura. Assim, partes pequenas do edifício, como unidades de revestimento e as suas fixações, podem projectar-se para pressões de vento mais altas do que a estrutura no seu conjunto. O coeficiente de resposta de rajadas relaciona-se com uma altura equivalente que corresponde aproximadamente ao centro de gravidade da força pura do vento sobre a estrutura.

Os procedimentos tabelados permitem ter em conta os citados parâmetros, em primeiro lugar no cálculo da velocidade hipotética do vento e, em segundo lugar, na conversão desta velocidade do vento num sistema de

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 44

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

forças sobre a estrutura. Estas forças estáticas equivalentes podem, então, utilizar-se no cálculo e na hipótese de resistência da estrutura num conjunto.

Apesar disso, devem também ter-se em conta certas características adicionais:

•

As pressões locais, particularmente em esquinas e em volta de obstruções de uma superfície demasiado lisa, podem ser notavelmente maiores do que a nível geral. As pressões locais altas afectam especialmente os detalhes de revestimento e fixações, mas também podem ser uma consideração para os elementos estruturais nessas áreas.

•

As estruturas acessíveis devem receber um tratamento mais sofisticado. Pode incluir ensaios em túnel de vento e contemplar a influência dos edifícios confinantes. As estruturas que podem requerer este tratamento são os edifícios altos, as pontes largas ou esbeltas, os mastros e as torres.

•

A instabilidade aerodinâmica pode ser uma consideração em certos tipos de estrutura ou componente, por exemplo nas chaminés e nos mastros. O efeito dos turbilhões normalmente pode evitar-se mediante o uso de cintas. As oscilações de flexão alterna podem ser um problema nos cabos.

Note-se, em acréscimo, que enquanto os coeficientes de forma são únicos e aplicáveis em todo o mundo (só se relacionam coma geometria da construção e são estudados em túnel de vento, normalmente), as velocidades do vento dependem da localização geográfica da obra (sendo função de estudos efectuados localmente e tratados estatisticamente).

A temática dos efeitos do vento e sua quantificação é tratada em sebenta independente da matéria relativa ao EC3. 4.3.4. Oscilações produzidas pelos Sismos Os sismos podem também desempenhar um papel decisivo no comportamento da estrutura, embora seja necessário a presença de uma massa com algum significado para que a aceleração sísmica possa ter prevalência sobre outras acções (como o mencionado vento). Este assunto é também examinado em sebenta independente da matéria relativa ao EC3.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 45

Série Estruturas

Estruturas Metálicas

5. BIBLIOGRAFIA (1)

EC3 “Projecto de Estruturas de Aço – Parte 1-1: Regras Gerais para Edifícios”; EN-1993-1-1 (2010).

(2)

ITEA - Versão espanhola do ESDEP.

(3)

Sebentas de Estruturas Metálicas, FCTUC, Coimbra.

(4)

Comunicações dos Congressos de Construções Metálicas e Mistas.

(5)

Publicações do CMM (Associação Portuguesa de Construção Metálica e Mista).

(6)

Simões, Rui A. D – Manual de dimensionamento de estruturas metálicas, CMM – Associação Portuguesa de Construção Metálica e Mista, Coimbra, 2005.

EC3 - Cap. 2, 3, 4 e 5

Parte I / 46