Metálica

Resumo

O presente artigo tem como objetivo divulgar o uso dos perfis soldados de alma senoidal, mostrando suas características e processo de fabricação e faz um estudo comparativo entre o perfil de alma plana e o perfil de alma senoidal para viga de piso,biapoiada, sujeita a flexão simples.

Palavras-Chave: perfil alma corrugada, perfil alma senoidal.

1- Introdução

As estruturas de aço vêm, a cada ano, ganhando espaço na construção civil, sendo muitas vezes a melhor opção para obras de grande porte por alcançarem grandes vãos com materiais mais leves e esbeltos. Quando se analisa o custo benefício de uma construção em estrutura de aço tem-se como vantagem, além da diversidade das dimensões e formatos, a elevada rapidez de execução, baixo desperdício e otimização do canteiro de obras. As estruturas de aço, por serem executadas em fábrica,garantem a qualidade do produto através de modernos testes e inspeções minuciosas.

Os perfis de aço mais utilizados como elementos estruturais são perfis de chapa dobrada “L”e “U” (figura 01), perfis laminados “L”, “U”, “H” e “I” (figura 02)  e perfis soldados “I” (figura 03).

Os perfis laminados “I” e “H” são bastante usados, são chamados perfis “wide flange”, conhecidos como “W”; estes são fabricados em diversas dimensões, tendo altura a partir de 150 mm até no máximo 610 mm.

Perfis laminados são produzidos em usina e são economicamente viáveis para vãos pequenos. À medida que se aumenta as dimensões da seção são requeridas almas muito espessas, o que aumenta relativamente o peso.

Quando a solicitação de cálculo exige perfis mais resistentes é usual adotar perfis “I” soldados, encontrados no mercado tabelados como “CS”, “VS” e “CVS”, mas também podem ser compostos conforme a necessidade, sendo denominados “PS”. São compostos por mesa superior, mesa inferior e alma plana, nas espessuras necessárias para atender a solicitação de cálculo. Perfis “I” soldados de alma plana apresentam seções mais altas e almas mais esbeltas.

Os perfis soldados de alma plana são produzidos visando redução no peso, mas quanto mais aumenta a altura da seção, limita-se o uso devido à instabilidade. Essa instabilidade pode ser atenuada com colocação de enrijecedores, mas issoacaba aumentando o custo final da estrutura.

As obras em estruturas metálicas (aço) são, geralmente, negociadas pelo peso. Como o custo está diretamente relacionado ao peso, busca-se novas tecnologias que garantam estruturas leves sem comprometer a estabilidade das mesmas.

Um novo tipo de perfil surgiu a partir do ano 1966, desenvolvido por uma empresa Sueca especialista em pontes: o perfil de alma corrugada (figura 04). Esse perfil é constituído de mesas em chapas plana e alma em chapa corrugada (trapezoidal ou senoidal). Foi muito usado na construção de pontes na Europa e Japão



Figura 04 - Perfil alma senoidal

Com o desenvolvimento tecnológico na fabricação, através de processos de Controle Numérico por Computador (CNC) e a robótica, esse tipo de perfil começou a ser produzido em grande escala, sendo usado na construção de galpões comerciais e edifícios industriais.

A forma corrugada aumenta a resistência à flambagem da alma, permitindo a utilização de chapas com espessura bastante reduzida, garantindo o aumento da capacidade de carga e redução de peso da estrutura.

O perfil de alma senoidal é bastante usado para galpões, compondo pilares e pórticos.

2- Processo de Fabricação

O processo de fabricação das vigas de alma senoidal é totalmente automatizado

Para se conseguir a conformação senoidal da alma, as chapas são adquiridas em bobinas e passam primeiramente por um desbobinador hidráulico (figura 05).

Figura 05 – Desbobinadorhidráulico

Depois, as chapas da alma são retificadas (figura 06) e cortadas de acordo com as dimensões especificadas em projeto.

Figura 06 – Retificação das chapas

Em seguida a chapa é encaminhada ao corrugador (figura 07).

Figura 07 – Corrugação das chapas

As chapa das mesas são preparadas e juntamente com a chapa da alma (já corrugada) são transportadas para estação de montagem. As mesas são pressionadas contra as laterais da alma corrugada através de garras hidráulicas, que conduzem o perfil para o processo de soldagem (figura 08). A solda é executada automaticamente por robôs, um em cada lado da mesa do perfil.

Figura 08 – Montagem/soldagem das chapas – Formação do perfil

3- Ligação dos Perfis Soldados

A ligação entre a alma e as mesas para perfis de alma plana é feita por solda de filete contínuo em ambos os lados, normalmente executada por arco submerso (SAW), adotando-se filete duplo. O momento (M = P x ε ) produzido na ligação é resistido pelo binário F x δ1 (figura 09). Se utilizarmos filete em apenas um dos lados, o momento “M” gerará tensões elevadas inviabilizando a ligação (figura 10).

Figura 09 – Ligação com solda – Filete duplo

Figura 10 – Ligação com solda – Filete em um dos lados

No caso de perfis com alma corrugada, a ligação entre a alma e as mesas é feita por solda de filete contínuo em apenas um dos lados. O formato corrugado da alma permite o surgimento do binário F x δ2 (figura 11). As tensões produzidas nesta ligação são inferiores às tensões da alma plana, pois o braço da alavanca δ2 é superior ao δ1.

Figura 11 – Ligação com solda – Perfil de alma corrugada

4- Estudo comparativo entre perfis de alma senoidal e alma plana

4.1- Escolha de perfis

Para este trabalho foi escolhido um perfil de alma plana e um perfil de alma senoidal, ambos com altura de 800 mm e largura da mesa de 320 mm e 350 mm, respectivamente. O aço adotado foi USI CIVIL 350 uma vez que os perfis de alma senoidal encontrados no mercado são constituídos de mesas em aço USI CIVIL 350 e alma em aço USI CIVIL 300.

Para o cálculo foi considerada uma viga de pisobiapoiada, com carregamentouniformemente distribuído, com vão livre de 15,00 m, sendo verificada sua resistência à flexão simples.

As abreviaturas utilizadas estão especificadas no apêndice A.

4.1.1- Cálculo de resistência do perfil de alma plana

a) Propriedades geométricas – VS 800 x 129

b) Verificação flambagem local da alma (FLA)

c) Verificação flambagem lateral com torção (FLT)

d) Verificação flambagem local da mesa (FLM)

e) Verificação do momento fletor resistente de cálculo

Analisando-se os três momento de resistência observa-se que o FLA e o FLM estão com valores iguais enquanto que o FLT está com valor muito inferior, isso porque o perfil não possui travamento lateral. Se adotarmos esse perfil sem nenhum travamento o mesmo irá resistira uma carga de 1.252,00 kgf/m.

Pode-se aumentar a eficiência do perfil colocando enrijecedores a cada 3,0 metros, nesse caso será recalculada a viga adotando L_b = 300 cm.

f) Recalculando viga com uso de enrijecedores - FLT

g) Momento fletor resistente de cálculo

Com adição dos enrijecedores temos:

h) Verificando critério de resistência

i) Calculando carregamento da viga

j) Verificação da flecha

Adotando-se o carregamento calculado a viga não passa na verificação da flecha, então será verificado qual o carregamento máximo que o perfil suporta (adotando-se flecha = 4,20 cm):

k) Carregamento máximo da viga

Adotando-se o perfil VS 800x129, soldando enrijecedores em ambos os lados, a cada 3,00 m, a viga biapoiada, sujeita a flexão simples, com vão de 15,00 m, resiste a um carregamento uniformemente distribuído de 2.390,00 kgf/m, conforme desenho abaixo.

4.1.2- Cálculo da resistência do perfil de alma senoidal

a) Propriedades geométricas – PSS 800x350x19/19x3

Para cálculo do perfil de alma senoidal será considerado o método conservador baseado nas especificações da norma AISC. Esse método despreza a contribuição daalma na resistência do perfil à força axial e ao momento fletor.

b) Verificação flambagem lateral com torção (FLT)

c) Verificação flambagem local da mesa (FLM)

d) Momento fletor resistente de cálculo

e) Verificando critério de resistência

f) Calculando carregamento da viga

g) Verificação da flecha

h) Carregamento máximo da viga

Para viga biapoiada, sujeita a flexão simples, com vão de 15,00 m, o perfil de alma senoidal PSS 800x350x19/19x3resiste a um carregamento uniformemente distribuído de 2.420,00 kgf/m.

5- Considerações Finais

A viga em perfil VS 800 x 129 resiste a um carregamento de 2.390,00 kgf/m enquanto que a viga em perfil PSS 800x350x19/19x3 resiste a um carregamento de 2.420,00kgf/m.

Comparando-se o peso das duas vigas temos:para viga em perfil de alma senoidal=125,99 kg/m, P_p = 125,99 x 15,00 = 1.889,85 kg. Para viga em perfil de alma plana=128,60gk/m, P_p = 128,60 x 15,00 = 1.929,00 kg.

Acrescentando-se o peso dos enrijecedores, considerando os mesmos em chapa 8,00 mm de espessura e considerando espaçamento a cada 3,00 metros, sendo colocado em ambos os lados do perfil, resulta em oito enrijecedores, assim tem-se:dimensão do enrijecedor=768 mm x 156 mm; Peso específico do aço=7.850 kg/m³; P_en= 0,768 x 0,156 x 0,008 x 7850 x 8 = 60,19 kg; P_v = 1.929,00 + 60,19 = 1.989,20 kg.

A viga em perfil de alma senoidal tem resistência maior com redução de peso de 5%. Além disso, dispensa o uso de enrijecedores que encarecem bastante a estrutura devido à mão de obra adicional para corte e solda dessas peças, além dos consumíveis e acréscimo de tinta.

Conforme o estudo comparativo conclui-se que o perfil de alma senoidal pode ser usado com eficiência também como viga de piso.

No Brasil existem poucas obras com perfis de alma corrugada (senoidal ou trapezoidal). Provavelmente isso se deva a dois motivos principais: o perfil não é conhecimento pelos profissionais que calculam e projetam estruturas metálicas e falta de normas específicas para o dimensionamento.

Referências Bibliográficas

[1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. “Projeto de Estruturas de aço e de Estruturas Mistas de Aço e Concreto de Edifícios”. NBR8800, Rio de Janeiro,2008.

[2] AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. “Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings”.Chicago, Illinois, 1999.

[3] PINHEIRO, A.C.F.B. Estruturas Metálicas, Cálculos, Detalhes, Exercícios e Projetos. São Paulo. 2001.

[4] PLAIS, W.J. Perfis de Alma Senoidal. Codeme (Versão 1.2 de 09/02/2009).

Fonte:

Neusa Marcon
Carlos E.N Torrescasana
Roberto C.Pavan
UNICHAPECÓ - Universidade Comunitária da Região de Chapecó, Pós-Graduação em Estaruturas Metálicas, Av.Senador Atílio Fontana, 591, Bairro Efapi - Chapecó - SC - Brasil.