principios de arquitetura em aço

principios de arquitetura em aço

(Parte 1 de 3)

USO DO AÇO

2ª Edição 2004

Heloisa Martins Maringoni

Coordenação Técnica: Christiane Mirian Haddad

Colaboração: Djaniro Álvaro de Souza Fábio Domingos Pannoni Fernando Ottoboni Pinho Rosângela C. Bastos Martins

Coordenação Gráfica: Andréa Vicentin

Este volume 4 da Coletânea do Uso do Aço, sobre os princípios da arquitetura que utiliza a estrutura metálica como sistema estrutural, começa com um resumo cronológico contendo a descrição de alguns materiais e a evolução científica e tecnológica das descobertas estruturais nos últimos séculos, com a data e a identificação do autor, o que é uma novidade em publicações de engenharia.

Coloca a seguir, de forma questionadora, que para conceber a arquitetura como espaço construído será necessário precisar com a maior clareza possível, no atendimento às necessidades funcionais, quais os componentes estruturais a serem utilizados e como eles deverão ser articulados, de modo a garantir a estabilidade da forma - propriedade integrante e inseparável da mesma.

Esta preocupação fenomenológica e qualitativa, própria da forma de pensar de Heloísa, revela o seu potencial criador, aspecto pouco comum na engenharia de estruturas e que muito auxilia o arquiteto ao conceber um projeto onde a estrutura nasce junto com a definição do partido formal - não apenas como opção aleatória do material a ser utilizado - passando a constituir uma parte importante e definidora do todo.

O capítulo 3 trata da especificidade do projeto em aço e descreve seu processo de produção, sua sustentabilidade, suas variadas tipologias, conceitos e vantagens, sua condição de produto industrializado e sua racionalidade na composição entre si e com os demais componentes da construção. Descreve a tipologia estrutural de elementos básicos nós, barras e lâminas cuja combinação gera sistemas e exemplifica os principais: quadros, treliças, arcos, pórticos, estruturas estaiadas e sistemas de planos malhas, grelhas, treliças associadas a malhas, sistemas celulares, membranas. Termina esta série com sistemas tridimensionais como as geodésicas e as estruturas espaciais.

A autora continua a abordagem do projeto estrutural tratando dos esforços solicitantes e resistentes: axiais, de flexão, cisalhamento, torção e deformações. Encerra falando sobre o dimensionamento, as ligações, o detalhamento, a fabricação, o transporte, a montagem e a manutenção.

Este trabalho surge oportunamente, como mais uma contribuição para a formação de estudantes, arquitetos e engenheiros cujo interesse nas estruturas metálicas vem crescendo, e que reclamam o conhecimento nesta área, dificultado pelo número reduzido de publicações especializadas. Esta edição vem, assim, preencher uma lacuna no entendimento do aço estrutural em edificações, ajudando a romper a resistência ao seu uso fenômeno que ocorre só no Brasil, visto que nos principais países da Europa, América e Ásia sua utilização ocorre em grande escala, há várias décadas.

Arq. Siegbert Zanettini Prof. Titular da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo

1 Introdução7
1.1 - Cronologia10
2 O Ante-Projeto1
2.1 - O que Você Quer?13
2.1.1 Satisfazer as necessidades e possibilidades do cliente14
2.1.2 Espaços14
2.1.3 Volumes14
2.1.4 Estética14
2.2 - O que Você Precisa?15
2.2.1 Vãos16
2.2.2 Cargas16
2.3 - O que Você Pode?19
2.3.1 Normas e limitações20
2.3.2 Materiais20
2.3.3 Custos21
2.3.4 Execução21
3 O Projeto em Aço23
3.1 - O Aço25
3.1.1 Descrição do material25
3.1.2 Sustentabilidade26
3.2 - O Projeto32
3.2.1 O nascimento do projeto32
3.2.2 Vantagens do uso do aço32
3.2.3 Construção industrializada3
3.2.4 Fechamentos3
3.2.5 Coberturas34
3.2.6 Corrosão35
3.1.3 Perfis de aço27
3.1.4 Soluções especiais30
3.2.7 Tratamento de superfície e revestimentos35
3.2.8 Estruturas mistas35

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 3.2.9 Outros ................................................................................................38

3.3 - Projeto Estrutural40
3.3.1 Tipologia estrutural40
3.3.2 Sistemas estruturais43
3.3.3 Esforços solicitantes e resistentes5
3.3.4 Formas das seções58
3.3.5 Aspectos conceituais60
3.3.6 Pré-Dimensionamento60
3.3.7 Dimensionamento61
3.3.8 Ligações62
3.3.9 Detalhamento63
3.3.10 Fabricação64
3.3.1 Transporte64
3.3.12 Montagem64
3.3.13 Manutenção65
3.4 - Detalhes de Obras6

INTRODUÇÃO 1

Aço é sinônimo de arquitetura moderna.

No século X, este material inspirou arquitetos e engenheiros, combinando resistência e eficiência com oportunidades de expressão escultural.

Hoje, na era do pluralismo arquitetônico e da inovação da engenharia, o aço está presente nos mais sofisticados e modernos edifícios. Parte disso se deve à evolução a passos largos da metalurgia, análise estrutural, fabricação, montagem e desenvolvimento de componentes construtivos que complementam e fecham a estrutura.

Os limites do aço são cada vez mais explorados, técnica e expressivamente gerando soluções estéticas ricas, criativas e variadas.

Os Perfis Gerdau Açominas vieram reforçar a tendência da racionalização e da utilização da construção industrializada.

Os arranjos das ligações podem ser padronizados e transformam-se em elementos arquitetônicos importantes.

Este Manual fornece uma visão geral de conceitos construtivos e estruturais em que a maioria das edificações se baseiam.

INTRODUÇÃO

9 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

1.1 - CRONOLOGIA

M a t e r i a i s

C i ê ncia e Tec n o l o g i a

O b r a s

A n o

M a t e mática (India)

N u merais, álgebra e geo metria (Arábia)

Cúpula da Rocha - Jerusalen (Islâ m i c a )

Grande Mesquita de Córdoba

Catedral de Cartres - Arquitetura G ó t i c a

Arquitetura Islâ mica é difundida na India

C o m p o r t a mento das treliças (

Da Vinci)

Cúpula de Santa Maria del Fiore

T i j o l o

Resistência dos materiais ( G a l i l e u )

Coordenadas cartesianas -

O Método (

René D e s c a r t e s )

T e r minada a construção do Taj

M a h a l

Robert Hooke - Teoria da Elasticidade

Leibnitz - Cálculo diferencial e integral

Principia (

N e w t o n )

A b r a h a m Darby descobre o croque para produção do ferro guza

Ferro fundido e batido

P r i meira ponte de ferro e m arco - Rio Severn (Inglaterra)

Motor elétrico (Faraday-Ingaterra)

Exposição mundial Londres

Palácio de Metal - Joseph Praxton (Inglaterra)

Elisha Graves

Otis - Elevador

C i mento

& concreto

Joseph Louis La mbot - Arga massa reforçada co m ferro

A ç o Processo Bressener (aço)

Henri Laboustre - uso de vigas, arcos e pilares

Bibliotheque de Sainte- G e n e v i e v e

1º Metrô (Londes)

1º Ferrovia transcontinental (E U A )

1º Hidrelétrica (E

1º Ponte Pensil Brooklyn (E U A )

Torre Eiffel ( G u s t a v e E i f f e l - F r a n ç a )

Urbanização

Moderna (

H o w a r d )

Teoria da relatividade (Einstein-Ale m a n h a )

P l á s t i c o

Robert Maillart - Laje cogu m e l o

Bauhaus (Ale m a n h a )

A l u m í n i o

Hardy Cross - Processo para deter minação de esforços -

Estruturas H i p e r e s t á t i c a s

E mpire State Building 381 m (E U A )

P r i meiro co mputador (E

C o mputadores eletrônicos (E

Torre da Sears, Chicago 443 m (E U A )

C o mputadores pessoais (E

Torre do Banco da China-

Hong Kong - 315 m

G u g g e n h e i m - Bilbao

COLETÂNEA DO USO DO AÇO 10

O ANTE-PROJETO 2

2.1 - O que Você Quer?

Santiago Calatrava Tenerife Concert Hall Santa Cruz de Tenerife - Ilhas Canárias - Espanha - 1991

13 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

2.1.1 - Satisfazer as necessidades e possibilidades do cliente

2.1.2 - Espaços

2.1.3 - Volume 2.1.4 - Estética

É imprescindível atender as expectativas do cliente, definindo formas, utilização e custos dentro dessas possibilidades.

Definir um partido. Atender a um programa, na disposição lógica de espaços funcionais, observando condições de conforto e estética.

Limite entre o aberto e o contido. O que protege. O que se mostra. Embalagem.

A separação e a união dos espaços e volumes determinam a forma. A estrutura a conforma através de um conjunto de elementos, inter-relacionados, caracterizando a sincronia e a satisfação dos sentidos.

14 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

2.2 - O que Você Precisa?

Walter Gropius, Adolf Meyer e Eduard Werner

Fábrica de formas de calçados Fagus

15 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

2.2.1 - Vãos

2.2.2 - Cargas

O atendimento a um programa muitas vezes pede vãos especiais: para uma linha de montagem, prática de esportes, passagem de veículos ou equipamentos, salas de espetáculos.

A relação entre vãos e custos não é linear. Vãos pequenos podem estar desprezando as potencialidades do material. Vãos grandes podem ser deformáveis e antieconômicos.

A avaliação de cargas sobre uma estrutura é um item de grande importância. Dela depende não só o dimensionamento de cada elemento do conjunto, mas também o sistema estrutural a ser adotado.

Há uma série de cargas que atuam numa estrutura, sobre algumas temos a liberdade de escolha. Avaliá-las de acordo com as necessidades do projeto é um meio de otimizar custos.

Cargas permanentes

Sua avaliação é função dos materiais escolhidos: • Peso próprio da estrutura - aço, concreto, madeira, etc.

• Vedações - alvenarias, painéis e caixilhos

• Acabamentos - pisos, enchimentos, forros e impermeabilizações

• Paisagismo - jardins sobre lajes

• Implantação - arrimos e contenções

• Coberturas - telhas e isolamentos

• Instalações - hidráulica, elétrica, acústica, equipamentos, etc.

Custos Vão

16 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

Cargas de utilização

São estipuladas por normas para cada fim de uso. Podem ser cargas de pessoas, móveis, veículos, equipamentos, material armazenado, etc.

A Norma NBR 6120 engloba Sobrecargas e Cargas de Utilização num mesmo item denominado Cargas Acidentais.

Tipo

Dormitórios, sala, copa, cozinha, banheiro Dispensa, área de serviço e lavanderia

Com acesso ao público Sem acesso ao público

Com acesso ao público Sem acesso ao público

Salas de uso geral e banheiros

Galeria de lojas Lojas com mezaninos

Veículos de passageiros

Sem acesso à pessoas

Salas de aula, corredor Outras salas

Salas de leitura Depósito de livros

Edifícios Residenciais

Escadas

Escritórios Lojas

Restaurantes

Garagens e Estacionamentos

Escolas

Bibliotecas

Terraços Forros

Local Valores Mínimos

2kgf / m

Cargas Acidentais conforme NBR 6120

17 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

R e s i d ê ncias

m21 pessoas em 10 m150 kg/m42 pessoas em 10 m300 kg/m57 pessoas em 10 m400 kg/m28 pessoas em 10 m200 kg/m

Escritórios

Lojas e resta u r a ntes

Teatros e lojas

Sobrecargas

São aquelas que podem ou não agir sobre a estrutura, independente de nossa determinação.

Assim serão as cargas de vento, variação de temperatura, recalques, e uma reserva de carga para atender eventuais manutenções, acúmulos de resíduos, etc.

Cargas de recalque e temperatura dependem da condição local, e devem ser avaliadas com bases em dados e observações.

Para a ação dos ventos as cargas são determinadas em função da localização da obra, altura e forma do edifício, utilização e aberturas, conforme NBR 6123.

Cargas dinâmicas

Dependem do uso e do tipo de estrutura. No caso de equipamentos, devem ser obtidas junto ao fornecedor. Para o caso de fluxo de veículos ou vibração, podem ser consideradas através de coeficientes de majoração sobre as cargas de utilização. Estruturas muito esbeltas, sujeitas à ação do vento, devem ser verificadas sob análise dinâmica. Ex.: áreas industriais com prensas, galpões com pontes-rolantes, pontes ferroviárias e rodoviárias, passarelas, etc.

18 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

19 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

2.3 - O que Você Pode?

Foster Associates (arq.) e Ove Arup and Partners (eng.)

Sede de vendas da Renault Swindon-Wiltshire - Inglaterra

20 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

2.3.1 - Normas e limitações

2.3.2 - Materiais

A arquitetura ao definir a forma, cria o objeto, o limite entre o natural e o artificial. Esta criação interfere no urbano, torna-se um ato social, e como tal tem que atender regras de sociabilidade, limites. A estrutura também os tem. Só que seus limites são os da segurança e do conforto, resultados de experiências, estudos e observações que ao longo da história das construções se consolidaram como regras.

A matéria prima disso tudo, também tem suas limitações. Limites de resistência, de deformações, de trabalhabilidade, de confiabilidade.

A tecnologia se desenvolve em função dos materiais disponíveis em cada localidade.

Os materiais têm características especiais e distintas referentes à resistência, confiabilidade, elasticidade, etc.

Os materiais naturais, como a madeira tem pouca resistência a agressões climáticas, boa trabalhabilidade e bom conforto térmico, mas tem grandes incertezas quanto à homogeneidade das características mecânicas, que podem se alterar ao longo de uma mesma peça conforme o sentido das fibras. Serão necessários verificações e dimensionamentos especiais nas ligações e vínculos e o uso de um coeficiente de segurança maior sobre as tensões a que as peças estarão submetidas.

O concreto armado é um material composto por cimento, areia, pedra, água e aço, usualmente moldado “in loco”. Deve haver controle na mistura, execução e cura para garantir que sua resistência nominal fique próxima a de trabalho. Têm uma boa confiabilidade, com coeficientes de segurança menores que os da madeira. Não é reciclável.

O aço é um material desenvolvido a partir de ligas produzidas industrialmente sob rígido controle. Têm ótimas condições mecânicas, alta resistência, boa trabalhabilidade, homogeneidade e menores graus de incerteza no seu comportamento. Em decorrência disso, os coeficientes de segurança são bem baixos o que garante otimização no uso do material. É 100% reciclável.

21 COLETÂNEA DO USO DO AÇO

2.3.3 - Custos

2.3.4 - Execução

Uma solução pode ser tecnicamente adequada, mas apresentar alto custo de execução. Os custos dependem do mercado dos materiais e da oferta de mão de obra. As soluções mais econômicas podem variar dependendo do local e do momento econômico.

Assim, para a escolha de uma boa alternativa estrutural, é necessário balancear estes parâmetros. Uma estrutura mais leve (menor quantidade de material) pode levar a um alto custo de mão de obra. O custo de mão de obra sobre peças industrializadas tem sensível redução em função da repetitividade.

Soluções padronizadas, equalização de vãos e dimensões de peças, detalhes de ligação, trazem, além de economia, facilidade no transporte e na montagem.

Avaliar o empreendimento como um todo, considerando os fatores mencionados, mostra o panorama real da obra. A substituição de parte do orçamento pode trazer surpresas na totalização dos custos.

Detalhes especiais são como poesia, fundamentais desde que essenciais.

Definir a metodologia, dimensionar o tamanho e as especialidades dos profissionais envolvidos numa equipe para execução de uma obra, é algo que depende do local, orçamento e tempo disponíveis.

Isto tanto pode ser resultado quanto condicionante do partido estrutural e materiais adotados.

Características Concreto Aço Aço Inox Alumínio

Resistência a agressões climáticas

Confiabilidade do material

Disponibilidade Rapidez de execução Densidade Resistência

Módulo de elasticidade

Coeficiente de dilatação kg/m³ kgf/cm² kgf/cm²

Madeira média ruim média boa

600 a 1.200 130 boa boa ótima média média ótima ótima ótima média ótima boa ótima 7.920 ótima ótima boa ótima 2.770

3.1 - O Aço

3.1.1 - Descrição do material

O ferro existe abundantemente na natureza geralmente na forma de óxidos.

O minério de ferro, o coque e os fundentes são as matérias primas deste processo que envolve a redução do óxido de ferro a ferro gusa no alto forno. Seu refino acontece na aciaria, onde há a adição de Cobre, Níquel e Cromo entre outros.

O controle do teor de carbono e de sua composição química permite a obtenção de inúmeros tipos de aço, diferentes quanto à dureza, resistência mecânica, ductilidade e resistência à corrosão.

O resultado é um dos materiais de maior resistência e menor deformabilidade entre os materiais de uso estrutural.

O aço-carbono é aquele no qual a resistência se deve basicamente ao teor de carbono e manganês. Ex.: ASTM A 36.

O aço de baixa liga e alta resistência é aquele em que a adição de elementos químicos como Nióbio, Vanádio, Titânio e outros promovem grandes ganhos de propriedades mecânicas. Ex.: ASTM A 572.

A adição de Cobre, Níquel, Cromo e outros elementos químicos a este aço acabam criando um grupo conhecido como patinável, que tem maior resistência frente à corrosão atmosférica, em condições específicas, quando fica aparente e desenvolve a pátina. Ex.: ASTM A 588.

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