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Estruturas em aço

histórico

    A construção com estrutura metálica, com o uso do ferro em escala industrial, ganhou impulso em meados do século XIX, associada ao processo de industrialização dos países participantes da Revolução Industrial. 

    Ao mesmo tempo, as ferrovias disseminavam as estruturas metálicas. Desenvolveram-se as teorias de cálculo estrutural, pesquisas de materiais, ensaios, detalhes de ligações, técnicas de montagem. Em 1851, iniciou-se a era dos grandes edifícios metálicos.

    Avanços tecnológicos como o elevador permitiram a existência de edifícios de andares múltiplos. Nas décadas seguintes ergueram-se na Europa e nos EUA construções de edifícios de andares múltiplos em aço, com novas expressões arquitetônicas e novos materiais, desenvolvidos para a indústria de equipamentos.

    A produção interna de aço só tomou impulso na década de 40, com a criação da CSN. Na década de 50, a siderurgia brasileira teve novos estímulos. Nessa época, de elevadas taxas de industrialização e da política de substituição de importações de bens de consumo duráveis e de bens de capital. 

    Várias siderúrgicas foram instaladas no Brasil mas para atender a demanda exclusiva de indústrias. Por isso, desde a década de 30 no século passado, a construção civil no país privilegiou o concreto e a alvenaria. Assim, as estruturas metálicas só passaram a ser difundidas no Brasil por volta dos anos 1970.

normas

ABNT NBR 8800 - Projeto de revisão: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. 

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Vantagens e Desvantagens

Dentre as principais vantagens da utilização do aço estrutural, podemos citar: 

 

a) alta resistência do material nos diversos estados de solicitação, tração, compressão e flexão, o que permite aos elementos estruturais suportarem grandes esforços apesar das dimensões relativamente pequenas dos perfis que os compõem;

 

b) apesar da alta massa específica do aço, na ordem de 78,50 KN/m3 , as estruturas metálicas são mais leves do que, por exemplo, as estruturas de concreto armado, proporcionado, assim, fundações menos onerosas;

 

c) as propriedades dos materiais oferecem grande margem de segurança, em vista do seu processo de fabricação que proporciona material único e homogêneo, com limites de escoamento, ruptura e módulo de elasticidade bem definidos;

 

d) as dimensões dos elementos estruturais oferecem grande margem de segurança, pois por terem sido fabricados suas dimensões são padronizadas, o que facilita sua montagem, permitindo prazos mais curtos de execução de obras;

 

e) possibilita de desmontagem da estrutura e seu posterior reaproveitamento em outro local, gerando baixa quantidade de rejeitos;

 

f) facilidade substituição de perfis componentes da estrutura, o que permite a realização de eventuais reforços de ordem estrutural, caso se necessite estruturas com maior capacidade de suporte de cargas;

 

g) possui maior reaproveitamento de material em estoque, ou mesmo, sobras de obra, permitindo emendas devidamente dimensionadas, que diminuem as perdas de materiais, em geral corrente em obras. 

 

Como principais desvantagens da utilização do aço estrutural, temos: 

 

a) limitação de fabricação em função do transporte até o local da montagem final, assim como custo desse mesmo transporte, em geral bastante alto;

 

b) necessidade de tratamento superficial das peças estruturais contra oxidação devido ao contato com o ar, sendo que esse ponto tem sido minorado através da utilização de perfis de alta resistência à corrosão atmosférica, cuja capacidade está na ordem de quatro vezes superior aos perfis de aço carbono convencionais;

 

c) necessidade de mão-de-obra e equipamentos especializados para a fabricação e montagem;

 

d) limitação, em algumas ocasiões, na disponibilidade de perfis estruturais, sendo sempre aconselhável antes do início de projetos estruturais, verificar junto ao mercado fornecedor, os perfis que possam estar em falta nesse mercado. 


Perfis da Estrutura Metálica

    As usinas produzem aços para utilização estrutural sob diversas formas: chapas, barras, perfis laminados, fios trefilados, cordoalhas e cabos. As propriedades geométricas dos perfis comerciais podem ser encontradas em livros ou são fornecidas em tabelas pelos fabricantes. Os produtos comumente utilizados são:

 

Perfil Soldado

 

    Os perfis soldados são obtidos através do corte, composição e soldagem de produtos laminados planos (chapas), sendo amplamente utilizados nas construções em face da grande variedade de dimensões possíveis.    

Perfis Laminados

 

   Os perfis laminados são obtidos diretamente por laminação a quente em aço de alta resistência mecânica, podendo ser de abas inclinadas, conforme padrão americano (com faces internas das abas não paralelas às faces externas), ou de abas paralelas, conforme padrão europeu.

O Brasil possui diversos edifícios construídos com estruturas metálicas que são ricas referências projetuais.

 

O Estúdio Gaia separou uma lista com incríveis referências brasileiras para inspiração nesse API VIII.

Instituto Moreira Salles - São Paulo /SP

Inaugurado em 2017, o edifício sede do Instituto Moreira Salles se destaca pela transparência da fachada. O visual do entorno da Avenida Paulista, é claro, dá um charme a mais ao empreendimento. O edifício foi construído em estrutura metálica, que consumiu 400 toneladas de aço. 

Edifício da Casa do Comércio - Salvador/BA

Com 58 metros de altura, o edifício em aço, vidro e concreto foi inaugurado em 1988 - representando um marco para a construção civil da época. O empreendimento é sede da Associação do Aço do Rio Grande do Sul (AARS) e foi projetado visando reduzir o consumo do sistema de climatização e promover o aproveitamento da iluminação natural. A estrutura do prédio é totalmente em aço.

Pátio da Marítima - Porto Maravilha/RJ

O edifício veio para modernizar ainda mais a região do Porto Maravilha, no Rio de Janeiro - que passou por um grande processo de revitalização. O Pátio da Marítima possui pilares inclinados de aço, possibilitando um designer bastante arrojado.

A estrutura, nada convencional, se caracteriza por diferenças entre os pavimentos sucessivos e pilares inclinados, que provocam excentricidades de até 21 metros em relação à base. 

Perfis Dobrados

 

    Os perfis dobrados são obtidos através de conformação a frio de chapas ou tiras provenientes de fardos ou bobinas, seja por dobragem em dobradeiras hidráulicas ou por perfilagem em perfiladeiras. Possuem grande liberdade dimensional, sendo empregados em estruturas leves.

Perfis Tubulares

 

    Os tubos com costura são obtidos pela prensagem ou pela calandragem das chapas, com soldagem por arco submerso, e pela conformação conformação contínua, com soldagem por eletrofusão. Os tubos sem costura são obtidos através do processo de laminação

Pré-dimensionamento 

    O pré-dimensionamento em etapa de concepção arquitetônica é importante para garantir que não exista perda posterior de altura útil ou área de piso devido a acréscimo da seção transversal dos elementos. Ademais, assegura que o conceito visual seja implantado como planejado.

Para instrução do pré-dimensionamento de estruturas metálicas o Estúdio Gaia deixará disponível a apostila do professor doutor e engenheiro civil Jesiel Cunha.

Tipos de Ligações

    A união entre as partes construtivas estruturais do aço com as partes externas a ela são rígidas ou flexíveis. Como meios de ligação são utilizados, principalmente, soldas, parafusos e barras roscadas, como os chumbadores. 

Os elementos de ligação são todos os componentes incluídos no conjunto para permitir ou facilitar a transmissão dos esforços: 

• enrijecedores; 

• placa de base; 

• cantoneiras; 

• chapas de gusset; 

• talas de alma e de mesa;

• parte das peças ligadas envolvidas localmente na ligação. 

    De acordo com a NBR 8800, os elementos de ligação e os meios de ligação deverão ser dimensionados de forma que as suas resistências de cálculo, correspondentes aos estados limites em consideração, sejam maiores que as solicitações de cálculo. 

    A ligação rígida é aquela que ângulo entre os elementos estruturais que se interceptam permanece essencialmente o mesmo após o carregamento da estrutura, com uma restrição à rotação da ordem de 90 por cento ou mais daquela teórica necessária à ocorrência de nenhuma rotação. A consideração estrutural dessa ligação é o engaste.

A ligação flexível é aquela que se a rotação relativa entre as partes, após o carregamento, atingir 80 por cento ou mais daquela teoricamente esperada caso a conexão fosse totalmente livre de girar. A consideração estrutural desta ligação é a rótula.

A rigor as ligações não são totalmente rígidas (engastadas) ou totalmente flexíveis (articuladas). As ligações são em geral semi-rígidas, ou seja, apresentam um certo grau de flexibilidade. Esta consideração leva a um cálculo mais preciso do comportamento das peças individualmente e da estrutura globalmente. A figura a seguir ilustra a influência do comportamento das ligações no cálculo dos esforços e deslocamentos em um pórtico.

Perfis

Os perfis metálicos são escolhidos e definidos de acordo com o tipo de solicitação que a peça está submetida. Com isso, o Estúdio Gaia separou os perfis utilizados de acordo com os elementos construtivos

pilares

Os pilares são as peças comprimidas, que estão sujeitas à flambagem. Os perfis mais comumente utilizados para pilares de aço são os seguintes:

Já os perfis disponibilizados pelo Catálogo da Gerdau são os seguintes:

Para conferir perfis e suas características acesse o Catálogo Gerdau:


<https://www.gerdau.com/br/pt/productsservices/products/Document%20Gallery/catalogo-barras-e-perfis.pdf>

vigas

As vigas são peças sob flexão. Geralmente, a altura das vigas metálicas está entre 1/15 e 1/20 do vão. Os perfis mais usados para vigas de aço são os seguintes:

Os perfis disponibilizados pela Gerdau são:

lajes

    De acordo com o catálogo Metform tem-se dois modelos de laje em steel deck:

MF 75: largura útil de 820mm (recomendado para empreendimentos industriais e lajes com necessidade de resistência a cargas elevadas). Suas dimensões são as seguintes:

MF 50: largura útil de 915mm (adotado em edificações urbanas tipo hotéis, hospitais, escritórios, edifícios,garagens, etc) . As dimensões desse modelo são:

Acesso ao catálogo Metform:

VÃOS

    De acordo com Vitruvius, a engenharia de estruturas enfrenta vários desafios ao compatibilizar sistemas seguros e viáveis economicamente ao estabilizar grandes vãos em projetos na arquitetura moderna. A maior aplicação encontra-se nas estruturas de pontes e edificações como teatros, auditório ou ginásios a qual associam tecnologias de materiais e técnicas de execução. 

    Segundo Dias, é uma nova tendência a busca por espaços mais limpos com maior flexibilidade, possibilitando espaços com o mínimo de pilares possíveis e estabelecendo a relação com sistemas suficientemente rígidos a flexão, seja com aço ou concreto protendido, visando leveza afim de evitar as deformações. Dias aponta a importância de conhecer o projeto e suas conformações estruturais, visto que quanto maior o vão maior terá que ser o pé direito afim de determinar a altura útil do pavimento, visto que as vigas que suportarão o carregamento do vão serão maiores.

    O aço tem alta resistência, tanto a compressão quanto a tração. As estruturas metálicas possuem um ar despojado e moderno quando bem projetadas e executadas. A viga metálica tem alta resistência e é leve, favorecendo sua utilização em construções que necessitem vencer grandes vãos. Os pilares de aço ocupam menor espaço em relação ao concreto, portanto tem-se uma redução do número de pilares. 

    Vitruvius diz que os perfis utilizados na construção civil são do tipo laminados, conformados a frio podendo ser tubulares e soldados. Os perfis soldados são obtidos através do corte de chapas de aço e modelados conforme projeto específico, são perfis usados em grandes estruturas que suportam vãos de 15 metros a 20 metros dependendo do carregamento. 

MODULAÇÃO

    Determina a menor medida comum adotada para regular as proporções de todas as partes e elementos constituintes da edificação. É necessá ir a para permitir que todos os elementos do conjunto de elementos padronizados possam ser combinados entre si.

    A modulação mais usual das estruturas metálicas tem dimensões básicas de 5m.

TRELIÇAS

    As treliças planas normalmente desempenham a função de viga principal na cobertura da edificação, recebendo as cargas das terças e de eventuais cargas suspensas. Elas podem ter diversas formas, devido as diferentes inclinações do telhado, do tipo de telha e do vão a ser vencido. As mais utilizadas são:

    A altura h das treliças planas pode ser estimada aproximadamente com valores entre 8% e 12% para treliças de contorno retangular, e de 8% a 20% do vão para contornos triangulares.

   Tem-se também as treliças espaciais que são compostas de malhas planas ou curvas, tridimensionais, interligadas por barras e conectadas por dispositivos especiais, chamados nós. Na maioria dos casos, são constituídas por duas malhas, uma inferior (banzo inferior), outra superior (banzo superior), interligadas em seus nós por diagonais, formando um conjunto de tetraedros ou pirâmides, regulares ou não.

A figura abaixo representa um caso típico, onde os banzos inferior e superior tem distribuição quadrada/retangular das barras

A quantidade e o posicionamento dos apoios exercem grande influência no comportamento estrutural das treliças espaciais, pois definem os vãos livres. O melhor posicionamento dos apoios é aquele que procura manter os vãos na mesma ordem de grandeza nas duas direções. Alguns sistemas típicos de apoio são mostrados na figura a seguir.

Algumas das principais aplicações das treliças espaciais são:

• Pavilhões de exposições;

• Centros de convenções;

• Terminais rodoviários e aeroportuários;

• Ginásios de esportes;

• Shopping centers;

• Hipermercados;

• Centros de distribuição;

• Indústrias;

• Hangares.

De acordo com Cunha, o pré-dimensionamento das treliças se dá da seguinte maneira: as dimensões dos módulos (a, b e h) da treliça espacial são determinadas em função das particularidades de cada projeto. Os principais fatores que influenciam estas dimensões são: vãos livres entre apoios; materiais do revestimento (telhas, vidros, policarbonatos etc); sobrecargas de utilização e composição arquitetônica.

A altura da treliça (h) pode ser estimada entre L/15 a L/30, onde L é a distância entre apoios da estrutura (maior vão). A escolha da altura depende também da rigidez do sistema utilizado (barra-nó), da malha retangular ou diagonal e se os apoios são discretos ou contínuos

O comprimento usual dos módulos (a e b) varia de 1 a 1,5 m para vãos de 30 a 40 m. Para vãos superiores a 50 m este comprimento pode superar os 3 m. Cunha (2018) recomenda utilizar módulos com comprimentos variando entre h e 2h, onde h é a altura da treliça.

A inclinação das diagonais em relação ao plano horizontal deve estar entre 30º e 60°. Para inclinações inferiores a 30o os esforços e o comprimento das diagonais tornam-se

elevados, e para inclinações superiores a 60o a densidade de barras é muito elevada

PÓRTICOS

Os pórticos metálicos consideram vãos entre 15 e 45m, com altura entre 6 a 12m com equidistância entre os pórticos de 6 a 12m. As dimensões padrões são as seguintes:

Para acessar o catálogo de Flávio D’Alambert sobre pórticos metálicos clique aqui:

Pórtico estrutural de alma cheia

FONTE: <https://galpaometalico.com.br/tipos-de-galpoes-metalicos/>

Pórtico metálico com tirantes
FONTE: <https://galpaometalico.com.br/tipos-de-galpoes-metalicos/>

Pórtico metálico com pilares centrais
FONTE: <https://galpaometalico.com.br/tipos-de-galpoes-metalicos/>

CONTRAVENTAMENTO

Contraventamentos são estruturas entre pilares (contraventamento vertical) ou vigas (contraventamento horizontal) com dimensões reduzidas para combater deslocamentos indesejados, podem ser cabos ou barras. Os núcleos rígidos são pilares, vigas e lajes de grande inércia das caixas de escadas e ou elevadores, geralmente colocados no centro do edifício (mas não necessariamente) para evitar deslocamentos laterais.

Podem ser usados sistemas de contraventamento vertical com barras rígidas apenas e sistemas com barras e cabos (tirantes). Neste último caso, as barras devem ser colocadas nas extremidades da edificação e em posições intermediárias (NBR 7190:1997)

PREÇOS

A estrutura metálica precificada pelo m² é uma das alternativas mais em conta do mercado. O preço por m² está relacionada ao projeto arquitetônico que será desenvolvido: a dimensão da obra e o peso do material são características que influenciam na precificação, em conjunto com as vantagens da estrutura metálica.

É importante que cada detalhe do projeto feito com estrutura metálica precificado por m² seja discriminado e calculado. Dessa forma, é possível definir a metragem da construção, a quantidade de material necessário, as ferramentas e itens que serão utilizados e, por fim, a definição do valor desembolsado para a realização da obra, com qualidade.

A média do preço no mercado atual é de R$67,00 por m² do projeto arquitetônico a ser construído. 

REFERÊNCIAS

http://www.forumdaconstrucao.com.br/conteudo.php?a=19&Cod=2025 - vantagens e desvantagens

 

http://www.forumdaconstrucao.com.br/conteudo.php?a=19&Cod=1958 - utilização do aço na construção civil

 

http://www.forumdaconstrucao.com.br/conteudo.php?a=19&Cod=1515 - construções híbridas

 

https://www.passeidireto.com/arquivo/4342214/tipos-de-acos-estruturais - tipos de aço

 

http://www.forumdaconstrucao.com.br/conteudo.php?a=19&Cod=933 - futuro sustentável com aço

 

http://www.forumdaconstrucao.com.br/conteudo.php?a=19&Cod=621 - casas de aço - 

 

http://www.cbca-acobrasil.org.br/site/blog-cbca/veja-a-selecao-do-cbca-de-predios-em-aco-no-brasil - referências de edifícios em aço

 

MARIANE, Aline. Estrutura metálica x estrutura de concreto. Disponível em: < http://migre.me/vlS06 >. Acesso em 27 ago 2019. 

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