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Avaliação do desempenho de soluções estruturais para galpões industriais leves
Resumo. No projeto de uma estrutura metálica para um galpão industrial existe uma ampla gama de possibilidades que podem ser adotadas para o arranjo estrutural do edifício. A escolha racional dos sistemas estruturais é um fator de grande importância para o desenvolvimento de soluções padronizadas e competitivas. O objetivo deste trabalho é avaliar comparativamente o desempenho de alguns sistemas estruturais usuais para galpões industriais. Para isso desenvolve-se um estudo paramétrico considerando pórticos transversais de diversas tipologias submetidos a carregamentos usuais, com vãos livres variando de 16 a 32 metros, comuns por meio de simulações computacionais. As tipologias estudadas foram: pórtico de alma cheia, pórtico com treliça em arco, pórtico com treliça debanzos paralelos, pórtico com treliça trapezoidal e pórtico com treliça triangular.

Neste estudo optou-se por avaliar, exclusivamente, a influência da tipologia e vão livre no desempenho do pórtico transversal. Como parâmetro da avaliação da eficiência dos sistemas estruturais foram considerados a taxa de consumo de aço e a resposta estrutural dos diverso modelos analisados. Os resultados indicam que os pórticos treliçados apresentam menores taxas de consumo que os pórticos de alma cheia. Os pórticos com treliça em arco e treliça de banzos paralelos apresentam taxa de consumo de aço muito parecidas, enquanto os pórticos com treliça trapezoidal apresentam o melhor resultado sob o ponto de vista da taxa de consumo e resposta estrutural. O estudo desenvolvido gera subsídios que podem auxiliar a arquitetos e engenheiros a definição de sistemas estruturais mais adequados para galpões industriais.
1 - Introdução

Nos últimos anos, o mercado competitivo entre as empresas de engenharia aumentou a preocupação com a redução de custos dos empreendimentos. Atualmente a otimização de estruturas tem se mostrado uma ferramenta muito eficaz para tornar as empresas mais competitivas num mercado globalizado. A otimização pode ser entendida como uma maneira hábil de se identificar a melhor solução dentre as inúmeras disponíveis.

O grande desenvolvimento dos softwares para projeto estrutural e a utilização maciça de computadores nos escritórios de engenharia aumentaram a velocidade e a eficiência da atividade de projeto. A necessidade de redução de custos faz com que seja cada vez mais necessário explorar as diversas ferramentas tecnológicas disponíveis para buscar soluções mais racionais e competitivas dentre as diversas opções estruturais possíveis.

O projeto de uma estrutura é um processo que envolve diversas etapas como a definição do sistema estrutural, a identificação e quantificação de ações, a definição de condições de contorno, a escolha de materiais, a análise estrutural, o dimensionamento de seções transversais, o detalhamento, as especificações, etc. O resultado final representa uma síntese de decisões que são tomadas ao longo do desenvolvimento do projeto, em função de uma série de opções consideradas para cada assunto relacionado ao projeto.

No projeto de uma estrutura metálica para um galpão industrial existe uma ampla gama de possibilidades que podem ser adotadas para o arranjo estrutural do edifício. Normalmente, o engenheiro deve ser capaz de definir a solução mais adequada para o arranjo estrutural dentre as diversas soluções possíveis, mesmo sem realizar inúmeras simulações de projeto. Até algum tempo atrás, isso só era viável com base em uma grande experiência do profissional. O avanço da informática torna possível simular o comportamento de diversos modelos estruturais antes de se tomar uma decisão final sobre a tipologia estrutural a ser adotada.

No caso específico do projeto de galpões industriais nota-se que o conhecimento que permite uma tomada de decisão quanto à tipologia estrutural mais adequada ainda não é um assunto amplamente difundido no meio técnico da engenharia. Os arquitetos se ressentem ainda mais da falta dessas indicações para a concepção de galpões industriais em geral.

Neste trabalho aborda-se uma avaliação de tipologias estruturais usuais aplicáveis aos galpões industriais. A partir do seu desenvolvimento, espera-se contribuir com engenheiros e arquitetos na seleção de sistemas estruturais mais adequados para concepção desses edifícios.

Tendo em vista o grande interesse atual pela industrialização da fabricação de galpões em aço, a escolha racional dos sistemas estruturais é um fator de grande importância para o desenvolvimento de soluções padronizadas competitivas.
2- Bases do Estudo Paramétrico

2.1 Critérios de Parametrização

Para o estudo paramétrico deste trabalho optou-se por avaliar, exclusivamente, a influência das seguintes variáveis:

• tipologia do pórtico transversal;
• vão livre do pórtico transversal.

Para as demais características de projeto adotam-se valores normalmente
encontrados em galpões industriais leves:

• distancia entre pórticos transversais - 6 metros
• inclinação - 10%
• altura da coluna - 6 metros
• comprimento total do galpão - 60 metros
• distancia entre terças - 2 metros

Tendo em vista o objetivo de avaliar a influência da solução estrutural para galpões industriais leves e considerando que a estrutura desses edifícios é marcada pela repetição de pórticos planos transversais, o estudo paramétrico deste trabalho se centra na avaliação estrutural desses pórticos principais.

Uma vez que a distância entre pórticos e a magnitude dos carregamentos é a mesma em todos modelos do estudo, considera-se que os elementos estruturais secundários como terças, travessas, contraventamentos, dentro outros, são os mesmos em todos os casos, não exercendo influência na taxa de consumo de aço para as distintas tipologias.

Para definição das dimensões dos modelos que compõem o estudo paramétrico, toma-se como referência uma inclinação de 10% para as vigas de cobertura, o que é usual para o caso de telhas metálicas.

Para o pórtico de alma cheia (AC), a inclinação de 10% leva a uma flecha no meio do vão equivalente a L/20, sendo “L” o vão livre do pórtico transversal.

Preservando-se a inclinação de 10%, adota-se uma relação de L/10 para a flecha da viga de cobertura dos modelos em treliça de banzos paralelos (BP) e treliça trapezoidal (TP). Com esta medida pretende-se manter próximas as inércias equivalentes das seções transversais no meio do vão dos diferentes tipos de pórticos.

No caso da treliça triangular (TT), preserva-se a relação de L/10 para a flecha do meio do vão, o que leva a uma inclinação de 20% para a cobertura. A manutenção da inclinação de 10% para esse caso levaria ao surgimento de esforços muito elevados nas extremidades da viga de cobertura, devido ao afunilamento produzido pelo arranjo das barras da treliça, além de reduzir significativamente a inércia equivalente da seção transversal no meio do vão.

Para a treliça em arco (TA) toma-se como referência uma relação entre a flecha e o vão livre em torno de 1/6 a 1/5, conforme recomendação de SALES et. al. (1994). Portanto, para esses modelos define-se uma relação de L/5 para a flecha no meio do vão.

2.2 Definição dos Modelos

Tendo em vista os critérios de parametrização dos pórticos transversais apresentados anteriormente, neste item se definem as características geométricas de cada modelo.

2.2.1 Pórticos de Alma Cheia

Na Figura 2.2 apresenta-se um esquema geral de um galpão industrial formado por pórticos de alma cheia. Para esta tipologia admite-se que a ligação entre a coluna e a viga de cobertura em alma cheia é rígida e as colunas estão engastadas na base (Figura 2.3).

Na Figura 2.4 apresenta-se uma sobreposição da tipologia de pórtico transversal e sua respectiva variação adotadas neste estudo paramétrico.

Na Figura 2.5 apresentam-se como exemplo o modelo de pórtico de alma cheia considerado neste estudo paramétrico, cujo vão livre é de 24 metros.
2.2.2 Pórticos com Treliça em Arco

Na Figura 2.6 mostra-se um esquema de galpão industrial formado por pórtico com treliça em arco. Para essa tipologia admite-se que as ligações entre os banzos da viga de cobertura e a coluna são flexíveis e que as colunas estão engastadas na base. Por outro lado, as diagonais e os montantes da treliça são rotulados nas suas extremidades (Figura 2.7).

Segundo SALES et. al. (1994), nos arcos metálicos a relação entre a altura entre banzos e o vão livre entre colunas varia em torno de 1/40 a 1/30. Neste trabalho adota-se uma relação de L/30 para a distância entre banzos.

Na Figura 2.8 apresenta-se uma sobreposição da tipologia de pórtico transversal e sua respectiva variação adotadas neste estudo paramétrico.

Na Figura 2.9 apresentam-se como exemplo o modelo de pórtico com treliça em arco considerado neste estudo paramétrico, cujo vão livre é de 24 metros.


2.2.3 Pórticos com Treliça de Banzos Paralelos

Um esquema típico de um pórtico com treliça de banzos paralelos é indicado na Figura 2.10. Na Figura 2.11 apresenta-se o sistema estrutural para o pórtico com treliça de banzos paralelos. As colunas são engastadas na base e a ligação dos banzos da treliça com a coluna é flexível. Os elementos das diagonais e montantes são rotulados nas suas extremidades.

Nestes modelos admite-se que a distância entre banzos corresponde à metade da altura no meio do vão, ou seja, à metade da flecha da treliça.

Na Figura 2.12 apresenta-se uma sobreposição da tipologia de pórtico transversal e sua respectiva variação adotadas neste estudo paramétrico.

Na Figura 2.13 apresentam-se como exemplo o modelo de pórtico com treliça de banzos paralelos considerado neste estudo paramétrico, cujo vão livre é de 24 metros.

2.2.4 Pórticos com Treliça Trapezoidal

Na Figura 2.14 mostra-se um esquema geral de um galpão industrial formado por pórticos com treliça trapezoidal.

Na Figura 2.15 apresenta-se o sistema estrutural adotado para esses modelos, no qual os critérios de vinculação seguem o mesmo princípio adotado nos modelos em pórtico com treliça em arco e pórtico com treliça de banzos paralelos, ou seja, colunas engastadas na base, ligação flexível entre os banzos da treliça e a coluna e extremidades das diagonais e montantes rotuladas.

Na Figura 2.16 apresenta-se uma sobreposição da tipologia de pórtico transversal e sua respectiva variação adotadas neste estudo paramétrico.

Na Figura 2.17 apresentam-se como exemplo o modelo de pórtico com treliça trapezoidal considerado neste estudo paramétrico, cujo vão livre é de 24 metros.
2.2.5 Pórticos com Treliça Triangular

O último grupo de modelos considerado no estudo paramético é o pórtico com treliça triangular. Na Figura 2.18 apresenta-se um esquema geral de um galpão industrial formado por pórticos com treliça triangular.

O sistema estrutural do pórtico com treliça triangular é apresentado na Figura 2.19. A ligação da viga de cobertura com a coluna é flexível, as barras que compõem a treliça têm suas extremidades rotuladas e as colunas são engastadas na base.

Na Figura 2.20 apresenta-se uma sobreposição da tipologia de pórtico transversal e sua respectiva variação adotadas neste estudo paramétrico.

Na Figura 2.21 apresentam-se como exemplo o modelo de pórtico com treliça triangular considerado neste estudo paramétrico, cujo vão livre é de 24 metros.

3- Análise e Dimensionamento dos Pórticos Transversais

3.1 Bases para Análise e Dimensionamento

A avaliação das ações sobre os pórticos transversais foi feita com base na NBR8800(ABNT,1996) e NBR6123(ABNT,1986). Para determinação das forças devidas ao vento nos galpões estudados foram utilizados os programas computacionais Visualventos (CHIARELLO et al.,2003) e Autoventos (REQUENA et al.,2001).

Para análise estrutural dos modelos propostos utilizou-se o programa computacional SAP2000 - Versão 10 (COMPUTERS AND STRUCTURES, 2005). O SAP2000 é um programa computacional amplamente utilizado no meio acadêmico e profissional para análise linear e não-linear de estruturas em geral, cujos resultados foram contrastados por diversos autores ao longo do tempo.

Para composição dos pórticos de alma cheia foram utilizados perfis eletro-soldados tipo I tanto para as colunas, quanto para a viga de cobertura. Para todas as tipologias de pórticos treliçados foram utilizados perfis eletro-soldados tipo I nas colunas e cantoneiras duplas nas diagonais e montantes. Para composição dos banzos superiores e inferiores das vigas de cobertura treliçadas foram consideradas duas opções: perfis tipo TE eletro-soldado e cantoneiras duplas.

3.2 Ações

As ações atuantes nos modelos foram determinadas de acordo com as recomendações do Anexo B da NBR8800 (ABNT, 1986) e de BELLEI (2005):

a) Ações Permanentes
No caso de galpões industriais leves, as ações permanentes correspondem ao peso próprio dos elementos constituintes da estrutura e dos materiais a ela ligados. O peso próprio dos elementos estruturais do pórtico transversal é determinado diretamente pelo SAP2000, enquanto que as demais cargas são informadas separadamente. Para todos modelos considera-se uma ação permanente de 0,11kN/m² levando-se em conta o peso próprio das telhas, terças e elementos secundários de cobertura.

b) Ações Variáveis
As ações variáveis são aquelas que ocorrem com valores que apresentam variações significativas durante a vida útil da construção. No caso de galpões industriais leves, as ações variáveis a serem consideras são a sobrecarga de cobertura e o vento.

3.2.1 Sobrecarga de Cobertura

Segundo o item B-3.5.1 do Anexo B da NBR8800(ABNT,1986), para coberturas comuns, na ausência de especificação mais rigorosa, deve ser prevista uma sobrecarga nominal mínima de 0,25KN/m2.

Segundo BELLEI (2005), em galpões de porte pequeno e médio, fora de zonas de acúmulo de poeira, deve-se adotar para sobrecargas de cobertura o valor de 0,15KN/m².

Para todos os modelos considerados neste trabalho considera-se uma sobrecarga de cobertura de 0,15KN/m2.

3.2.2 Vento

O estudo de vento para os galpões considerados neste trabalho foi feito de acordo com as prescrições da NBR 6123 (ABNT, 1988). Admitiu-se uma situação de vento comum a todos os galpões, o que implicou em adotar uma mesma velocidade básica de vento para todos os modelos.

Na avaliação das forças devidas ao vento se estabeleceu uma velocidade básica V0=35m/s, o que abrange todo o Norte e Nordeste, parte da região Sudeste e Centro Oeste do Brasil, como pode ser identificado pela parte hachurada da Figura 4.2. Isto torna este estudo representativo para boa parte do território brasileiro.

Admitiu-se também que os galpões serão implantados em terreno plano ou fracamente acidentado, aberto em nível ou aproximadamente em nível, com poucos obstáculos isolados, tais como árvores e edificações baixas (a cota média do topo dos obstáculos é considerada inferior ou igual a 1m). Por último supôs-se também que as aberturas principais do galpão estejam fechadas numa situação crítica de vento, o que permitiu admitir que as quatro faces são igualmente impermeáveis.
Em função da descrição anterior, foram admitidas as seguintes características para o vento:

Velocidade Básica - V0 = 35m/s
Fator Topográfico - S1 = 1,0
Fator de Rugosidade - S2 = 0,92
Fator Estatístico - S3 = 1,0

Para essas condições, a pressão dinâmica (q) admitida é de:
3.2.3 Combinações das Ações

O carregamento que atua numa estrutura é o resultado da combinação das diversas ações que têm probabilidade de ocorrerer simultaneamente num período de tempo determinado.

A NBR8800(ABNT,1986) define os critérios para combinação das ações nos Estados Limites Últimos e de Serviço de uma estrutura de aço, com o objetivo de determinar os efeitos mais desfavoráveis na mesma.

Seguindo as prescrições da NBR8800 (ABNT,1986), foram definidas as seguintes combinações de ações para os modelos estruturais do estudo paramétrico:

• COMB1 – 1,3 * G (peso próprio) + 1,5 * Q (sobrecarga)
• COMB2 – 1,0 * G (peso próprio) + 1,4 * W90° (vento transversal)
• COMB3 – 1,0 * G (peso próprio) + 1,4 * W0° (vento longitudinal)
4- Resultados e Discussão

4.1 Comparativo da Taxa de Consumo de Aço

Neste item apresenta-se a análise comparativa das taxas de consumo de aço para as diversas tipologias consideradas no estudo paramétrico, com vãos livres de 16, 20, 24, 28 e 32 metros. Nos gráficos apresentados utiliza-se a identificação para as cinco tipologias distintas de pórtico transversal conforme:

• AC - Pórtico de alma cheia
• TA - Pórtico com treliça em arco
• BP - Pórtico com treliça de banzos paralelos
• TP - Pórtico com treliça trapezoidal
• TT - Pórtico com treliça triangular

4.2 Variação da Taxa de Consumo de Aço para um Mesmo Vão Livre

Nas Figuras 4.1 a 4.5 apresentam-se as taxas de consumo de aço para os vãos livres de 16, 20, 24, 28 e 32 metros em função das tipologias estudadas. Na Figura 4.6 apresenta-se uma sobreposição dos resultados para os diferentes vãos livres considerados.
Em cada gráfico representam-se os resultados para as duas opções de composição dos banzos superiores e inferiores da treliça (perfis tipo TE eletro-soldado e cantoneira dupla).
Para as vigas de cobertura do pórtico de alma cheia foi avaliada uma única solução em perfil tipo I eletro-soldado. Por este motivo, as duas séries de cada gráfico sempre coincidem no ponto correspondente ao pórtico de alma cheia (AC).
5- Conclusões

As análises demonstraram que os pórticos de alma cheia apresentam taxas de consumo de aço maiores que todas as outras tipologias de pórticos treliçados estudados para todos os vãos livres.

À medida que aumenta o vão livre do pórtico, maior é a influência da tipologia sobre a taxa de consumo de aço, assim como aumenta a vantagem dos pórticos treliçados sobre os pórticos de alma cheia.

O pórtico com treliça triangular é a tipologia treliçada com menor eficiência para todos os vãos livres, visto que apresentou uma taxa de consumo de aço superior aos demais modelos. Para o vão livre de 20 metros, sua taxa de consumo ficou muito próxima à do pórtico em alma cheia.

As curvas de taxa de consumo de aço e deslocamento para o pórtico com treliça de banzos paralelos e com treliça em arco apresentam resultados muito próximos. A resposta estrutural dessas duas tipologias é muito parecida, visto que a forma do arco é muito próxima da forma da treliça de banzos paralelos. As vigas de cobertura das duas tipologias inserem esforços horizontais significativos no topo da coluna quando submetidos a ações verticais, principalmente no sentido da gravidade.

A tipologia que apresentou melhores resultados foi a do pórtico com treliça trapezoidal. A taxa de consumo de aço para todos os vão livres tem valores menores que as demais tipologias.
O banzo inferior da treliça trapezoidal trabalha como um tirante que contribui significativamente para absorver os carregamentos do pórtico. Além disso, a inércia equivalente desta viga de cobertura é superior a das demais tipologias.

As seções transversais dos perfis influenciam fortemente a taxa de consumo de aço dos pórticos treliçados, independentemente da tipologia. A taxa de consumo de aço poderia até ser melhorada se fosse utilizada uma quantidade maior de bitolas numa mesma viga de cobertura, ou seja, se fosse construtivamente viável utilizar uma grande variação de seções transversais numa mesma treliça. Entretanto, isto não é um procedimento usual.

Observou-se que a existência de uma maior quantidade de bitolas seqüenciais do perfil cantoneira dupla foi o fator decisivo para a variação da taxa de consumo de aço nas diversas tipologias de pórticos treliçados. Desta forma, consegue-se ajustar um perfil mais racional para uma determinada situação de carregamento.
Conclui-se, portanto que sobre o ponto de vista estrutural, dentre as tipologias e vãos estudados, os pórticos treliçados são mais eficientes do que os pórticos de alma cheia. Das tipologias de pórticos treliçados, o pórtico com treliça trapezoidal é o mais eficiente, seguido dos pórticos com treliça em arco, com treliça de banzos paralelos e treliça triangular, nesta ordem.

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Autor: Michel Roque Chaves (michel@cofermon.com.br)
Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, MG, Brasil – Prof. Geraldo Donizetti de Paula
Data de publicação: 27/01/2016