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1- Introdução: 1.1 Enquadramento e actuais conceitos de análise e dimensionamento
Caso Português: Regulamento de estruturas de aço para edifícios (REAE) – 1986,
com adaptações do anterior regulamento, sobretudo para ir de encontro ao RSA Documento tecnicamente desactualizado Limitado relativamente ao dimensionamento plástico, fenómenos de instabilidade e de ligações de estruturas metálicas Regulamento de segurança e acções em estruturas de edifícios e pontes (RSA) – documento actual, conceito de coeficientes parciais de
segurança Prática anterior (em particular nas estruturas metálicas) -. Coeficientes globais de segurança, com tensões admissíveis. Prática de utilização de estruturas metálicas em Portugal foi, até há poucos anos, limitada, sendo relevante em pontes e estruturas ferroviárias. Começa-se a assistir a um desenvolvimento da construção metálica e mista, em novas estruturas São usadas com alguma frequência em reabilitação e reforço estrutural, dadas as vantagens que incorporam relativamente a outras soluções. 0
Nível Europeu: Uniformizar regras de cálculo e dimensionamento para os diversos tipos de estruturas (desde 1975). Com esse objectivo foi criada em 1990 no seio do Comité Europeu de Normalização, a Comissão Técnica CEN/TC 250. Foram então introduzidos os 1.2 Eurocódigos estruturais:
EN 1990 Eurocódigo: Bases de projecto
EN 1991 Eurocódigo 1: Acções em estruturas
EN 1992 Eurocódigo 2: Projecto de estruturas de betão
EN 1993 Eurocódigo 3: Projecto de estruturas metálicas
EN 1994 Eurocódigo 4: Projecto de estruturas mistas aço- betão
EN 1995 Eurocódigo 5: Projecto de estruturas de madeira
EN 1996 Eurocódigo 6: Projecto de estruturas de alvenaria
EN 1997 Eurocódigo 7: Projecto geotécnico
EN 1998 Eurocódigo 8: Disposições para estruturas resistentes aos sismos
EN 1999 Eurocódigo 9: Projecto de estruturas de alumínio
Estes documentos serão ainda complementados com Anexos Nacionais, que poderão incluir disposições específicas aplicáveis a cada País aderente. Numa primeira fase os EC’s apresentaram-se sob a forma de pré normas (ENV), tendo sido recentemente aprovadas as normas definitivas que substituirão os regulamentos nacionais.
O Eurocódigo 3 (EC3) encontra-se dividido nas seguintes partes:
EN 1993-1
Regras gerais e regras para edifícios
EN 1993-2
EN 1993-3
Torres, mastros e chaminés
EN 1993-4
Depósitos, silos e oleodutos
EN 1993-5
EN 1993-6
Pontes
Estacas Estruturas de aparelhos de elevação
A parte fundamental do Eurocódigo 3 (EN1993-1) é ainda subdividida:
EN 1993-1-1 Regras gerais e regras para edifícios (EC3-1-1)
EN 1993-1-2 Resistência ao fogo
EN 1993-1-3 Elementos e chapas finas enformados a frio
EN 1993-1-4 Aço inoxidável
EN 1993-1-5 Elementos laminares
EN 1993-1-6 Resistência e estabilidade de cascas
EN 1993-1-7 Resistência e estabilidade de elementos planos carregados transversalmente
EN 1993-1-8 Ligações metálicas (EC3-1-8)
EN 1993-1-9 Fadiga
EN 1993-1-10 Fractura
EN 1993-1-11 Dimensionamento de elementos traccionados
EN 1993-1-12 Aços de alta resistência
O Eurocódigo 4 (EN 1994) – Projecto de Estruturas Mistas Aço-Betão
está dividido em 3 partes:
Parte 1-1 Regras gerais e regras para edifícios
Parte 1-2 Resistência ao fogo
Parte 1-3 Pontes
1.3 Filosofias de dimensionamento
Relativamente às bases de projecto, o Eurocódigo 0 apresenta:
Princípios gerais comuns aos EC’s (ex. princípios e regras de aplicação, simbologias, referências normativas, etc)
(
2
Requisitos, como noções de segurança, fiabilidade, horizonte de vida das estruturas (ex. edifício corrente 50 anos)
Princípios de dimensionamento de acordo com os estados limites
o
Estados limites últimos
o
Estados limites de utilização
Variáveis de base o
Classificação de acções (G, P, Q, A)
o
Noção de valor característico
o
Outros valores (de combinação, frequente, etc)
o
Outras acções (dinâmicas, ambientais, etc)
o
Materiais, valores característicos das propriedades
o
Dados geométricos (dimensões, imperfeições, tolerãncias)
Princípios genéricos de análise estrutural e dimensionamento suportado em ensaios
o
Classificação de acções (G, P, Q, A)
Verificação da segurança através do método dos coeficientes parciais de segurança
:
C
D
Estados limites últimos
G
Estados limites últimos: combinações de acções
H
Anexo 1 do EC 0: aplicação a edifícios
0
Estados limites de utilização:
Em estruturas metálicas consideram-se geralmente E. L. de: i) deformação; ii) vibração.
Os valores limites para os estados limites de utilização, de acordo com o EC3-1-1, capítulo 7 e com a EN 1990 - Bases de projecto, são objecto de acordo entre o dono de obra e os projectistas; os Anexos Nacionais poderão vir a estabelecer estes limites.
Para a verificação do estado limite de deformação em estruturas metálicas correntes, são apresentados a seguir alguns limites, apenas com valor indicativo.
Deformações verticais em vigas (R. Simões, 2005) w c
= contra-flecha; w 1 = flecha devida às acções permanentes, logo após a sua aplicação; w 2 = flecha devida aos efeitos diferidas das acções permanentes; w 3 = flecha da viga devida às acções variáveis; w tot = flecha total igual à soma w 1 + w 2 + w 3; w máx = flecha máxima em relação ao eixo recto entre apoios.
Valores limites para os deslocamentos verticais (R. Simões, 2005)
Condições Coberturas em geral Coberturas utilizadas frequentemente por pessoas Pavimentos em geral Pavimentos e coberturas que suportem rebocos ou outros acabamentos frágeis ou divisórias não flexíveis Vigas em consola (L = 2 Lconsola ) ∆
w máx L /200 L /250 L /250 L /250
Limites anteriores
δ
≤ (00
∆≤
:00
Valores limites para os deslocamentos horizontais em pórticos (R. Simões, 2005)
Estados limites de utilização: combinações de acções (EC 0)
(
2
1.4 Perspectiva geral das acções relevantes (de exploração e excepcionais), num contexto de reabilitação estrutural.
Relativamente às acções a considerar no dimensionamento de estruturas novas, reforços de estruturas ou na reabilitação e reconversão de estruturas existentes, o Eurocódigo 1 está dividido em 2 partes:
EN 1991-1: parte mais geral, cobre acções em edifícios e acções de diversos tipos em estruturas em geral (7 partes): EN 1991-1-1: acções gerais, densidades, pesos próprios, acções em edifícios
o
o
EN 1991-1-2: acção do fogo
o
EN 1991-1-3: acção da neve
o
EN 1991-1-4: acção do vento
o
EN 1991-1-5: acção térmica
o
EN 1991-1-6: acções durante a execução
o
EN 1991-1-7: acções acidentais na sequência de impactos ou explosões
EN 1991-2: acções em pontes e sua modelação.
A parte 1.1do Eurocódigo 1 apresenta:
Princípios gerais comuns aos EC’s
Classificação das acções (PP e acções impostas)
Situações de dimensionamento (generalidades sobre situações de carregamento de estruturas) :
Densidades de materiais de construção e armazenados – complementado com o Anexo A: tabelas, exemplo:
Exemplo de tabela do anexo A do EC1 1-1
Pesos próprios – considerações
Acções impostas em edifícios o
Edifícios residenciais, comerciais e administrativos (exemplo)
o
Armazéns e actividades industriais
o
Garagens e zonas utilizadas por veículos (excl. Pontes)
Coberturas
o
o
Acções específicas em guardas C
D
1.5. Algumas propriedades dos materiais
Os aços laminados a quente (aços macios correntes), caracterizados por percentagens de carbono baixas (da ordem dos 0.2 %), apresentam as seguintes tensões características (EC3): Valores nominais da tensão de cedência f y e da tensão de rotura à tracção f u dos aços macios correntes (EN 10025-2) – R. Simões, 2005
Espessura t (mm) Tipo de aço
t 40 mm
40 mm t 80 mm
2 f y (N/mm )
2 f u (N/mm )
2 f y (N/mm )
2 f u (N/mm )
S 235 S 275
235 275
360 430
215 255
360 410
S 355 S 450
355 440
510 550
335 410
470 550
e as seguintes propriedades complementares:
Módulo de elasticidade
E = 210 000 N/mm2;
Módulo de distorção
G = E / [2(1+ν )] N/mm2;
Coeficiente de Poisson
ν = 0.3;
Coeficiente de dilatação térmica linear α = 12x10-6 /ºC;
Massa volúmica
ρ = 7850 kg/m3.
Em geral os aços macios correntes verificam as seguintes condições de ductilidade, necessárias para a adopção de métodos plásticos de análise global das estruturas ou dos seus elementos (EC3):
f u / f y ≥ 1.1;
G
Extensão após rotura de um provete com um comprimento inicial de 5.65√A0 (sendo A0 a área da secção transversal) não inferior a 15%;
ε u ≥ 15 ε y .
Os aços dos perfis enformados a frio em geral apresentam tensões limite de elasticidade superiores às do aço de base (Parte 1.3 do EC3). Os aços dos elementos de ligação (parafusos, porcas, anilhas, soldaduras, etc.) possuem características mais específicas (Parte 1.8 do EC3). Nas soldaduras, independentemente do processo de execução, o metal de adição deve apresentar propriedades idênticas às do metal base.
H
2- PATOLOGIAS: 2.1 Corrosão
A corrosão apresenta-se como um campo de investigação de grande interesse. A título ilustrativo refira-se que nos Estados Unidos da América, cerca de 40% das pontes são construídas em aço. Em alguns estados, como no Michigan, o número ultrapassa os 60%. Existe a necessidade de estabelecer critérios racionais que possam ser usados de forma a determinar o estado de tensão actual dos membros afectados, e consequentemente avaliar a segurança dessas estruturas sujeitas a corrosão Por isso, foram surgindo ao longo dos tempos alguns modelos de deterioração para a análise de pontes metálicas com problemas de corrosão. A primeira causa de corrosão é a acumulação de água e sais. As fontes principais da acumulação desta mistura são as escorrências da plataforma ou a condensação. A proveniência desta mistura determina, a maioria das vezes, o tipo de corrosão na estrutura. As consequências provocadas por corrosão dependerão contaminação da mistura e da temperatura ambiente.
da
2.1.1 Corrosão como processo electroquímico e tipos de corrosão
Os metais mais comuns existem na natureza como compostos de minério, nomeadamente óxidos. O processo de extracção de um metal é basicamente: Composto → Metal (0
Os metais reagem espontaneamente com líquidos ou gases, através de reacções químicas, e obtém-se um produto de corrosão semelhante ao composto químico que deu origem ao metal, isto é, basicamente o inverso do processo de extracção. Ferrugem = Oxido de ferro com água ligada quimicamente. Os produtos de corrosão podem também funcionar como protecção, quando os metais se corroem ao ar ( corrosão seca). Na maioria dos casos, a corrosão dá-se num ambiente húmido (HR sup a 60%), sendo os produtos da corrosão solúveis. A destruição pode ser concentrada em áreas adjacentes a um metal mais nobre, ou em pontos onde há menos oxigénio Esta corrosão é electroquímica: o metal imerso num líquido condutor tem áreas de maior resistência eléctrica que outras (célula de corrosão):
(
Uma corrente eléctrica forma-se do pólo negativo (ânodo) para o positivo (cátodo), dissolvendo ou corroendo o pólo negativo. Existe ainda um tipo de corrosão denominado por corrosão galvânica, que consiste na destruição do metal menos nobre da série galvânica, e na protecção do mais nobre, quando ligados directamente, na presença de um electrólito. Série galvânica, do metal mais activo (anódicos), para o menos activo
(catódicos): 1. Alumínio – usado para proteger o aço 2. Zinco – usado para proteger o aço 3. Ferro 4. Aço 5. Aço inoxidável – substitui eficazmente o aço relativamente à corrosão 6. Chumbo 7. Cobre 8. Prata 9. Ouro 10. Platina O potencial de corrosão galvânica aumenta com o aumento da diferença de potencial entra os dois metais.
(
A corrosão electroquímica pode ser muito localizada, algumas das razões são:
O aço, em virtude do processo de fabrico, tem uma camada de óxido, que é catódica, e o aço anódico
Não é uma camada contínua, e por isso não é uma barreira protectora, e nas descontinuidades formam-se células de corrosão
Pequenas partes de aço sem essa barreira no meio de grandes áreas com barreira dão origem à corrosão por picadas:
ilustração da corrosão por picadas ((
Enformagem a frio, soldaduras, etc produzem zonas de concentração de tensões com formação de cátodos e ânodos:
As zonas menos oxigenadas comportam-se como células de corrosão:
As imperfeições de superfície do aço enformado a frio também potenciam a corrosão:
(2
2.1.2 Protecção contra a corrosão
Efeitos das condições da superfície e ambientais: A corrosão é mais provável quando existe:
Humidade elevada
Poluição (para fornecer impurezas, como sulfidos e cloridos)
Presença da camada de óxido com descontinuidades
Decisão de proteger os aços tem que passar pela resposta às questões: a) de quê? Qual o ambiente? b) Esse ambiente mudará no futuro? c) Existem factores ambientais que representem um risco acrescido, como por exemplo a poluição? d) A protecção contra a corrosão deverá ser igual em toda a obra? e) O sistema de protecção escolhido é económico sob os pontos de vista da aplicação e da manutenção? Sistemas de protecção: aplicar uma camada suplementar no aço, por forma a funcionar como um ânodo, como uma barreira, ou das duas formas. Os processos mais comuns são a pintura, galvanização, protecção de zinco ou alumínio, ou suas combinações
(:
Protecção catódica
Uso de ânodos sacrificáveis para num processo electrolítico envolver o aço de forma gradual e natural por uma camada protectora:
Alguns sistemas recorrem à indução de corrente eléctrica. Devem ser especificados com rigor, não esquecendo que os ânodos, porque se corroem, têm que ser inspeccionados e substituídos.
(C
2.1.3 Tipos especiais de aços Aço inoxidável
Este material tem um efeito decorativo e é sobretudo usado como revestimento de fachadas, corrimãos, guardas, equipamento, etc. A sua resistência à corrosão advém essencialmente da presença, na sua composição, de crómio, que ajuda a formas uma fina camada protectora de óxido, também esteticamente interessante. Custa cerca de 10 vezes mais do que o aço carbono. “Weathering Steels”
Este aço tem adições na liga de 1 a 2% de metais como cobre, crómio, níquel, etc. São mais resistentes à corrosão do que os aços não ligados, já que se forma uma película protectora, na presença de um ambiente com ciclos de secagem e molhagem com oxigénio. Não são por isso adequados a ambientes submersos ou enterrados. 2.1.4 Detalhamento de estruturas metálicas com vista à minoração da susceptibilidade à corrosão
O dimensionamento de uma estrutura metálica com vista à minoração da susceptibilidade à corrosão deverá ter em conta: O método de protecção mais adequado, sua aplicação e manutenção, nomeadamente no que respeita à acessibilidade dos detalhes
(D
(G
Os detalhes construtivos escolhidos devem ter em conta diversos aspectos: o
Eliminar bolsas e cantos onde se possam acumular sujidades e água:
(H
20
2
2
o
Eliminação de cantos e arestas vivos.
2(
o
Providenciar acesso fácil para pintura, nomeadamente o uso de trincha ou pistola:
Áreas inacessíveis devem ser protegidas através de um sistema protector dimensionado para durar o tempo de vida da estrutura.
o
o
Há secções mais adequadas à aplicação de um determinado sistema protector do que outras (por exemplo secções tubulares
22
o
No caso de ser previsível a corrosão galvânica, devem ser tomadas medidas especiais de protecção:
2:
2.1.5 Protecção das superfícies: aspectos tecnológicos. Preparação da superfície:
É muito importante e faz parte do processo de protecção da corrosão. É nomeadamente necessário remover a camada de óxido, e os métodos normalmente usados para esse fim são:
“Weathering”
Consiste em deixar “ao ar” os elementos de aço. O tempo necessário para que 90 % dessa camada seja removida de chapas de aço de 9mm de espessura varia entre 9 meses (atmosferas industriais) e 5 anos
Processos mecânicos de lixagem ou escovagem
Pouco eficazes
Pistolas pneumáticas
Mais eficazes, funcionam por contacto mecânico de peças metálicas contra a peça de aço, porém o processo é lento
Uso de chama
A dilatação diferencial causa o descolamento da camada de óxido. Mas só funciona para elementos de aço de espessura superior a 5 mm.
Uso de ácidos
Consiste num banho de uma solução ácida em fábrica que remove a camada de óxido, normalmente seguido de um outro banho mais diluído que funciona como uma protecção temporária à oxidação.
2C
Projecção de elementos abrasivos
É um método eficaz, próprio para ser usado em fábrica, e deixa o aço preparado para os revestimentos protectores. Retirar gorduras e lixos :
Faz parte do processo de protecção da corrosão. Normalmente consegue-se à custa da aplicação de emulsões de limpeza Rugosidade da superfície:
Nomeadamente em consequência da projecção de elementos abrasivos para limpeza, há que controlar o nível de rugosidade resultante (ISO 8503-1-1988). Controle é visual, através de um padrão de controle.
2D
Revestimentos das superfícies:
Os revestimentos mais usados são, como referido, pintura, galvanização, pulverização de alumínio ou zinco, ou combinações destes métodos. De uma forma sumária, pode-se descrever cada um destes processos:
2G
Sistemas de pintura
As tintas têm 3 componentes: um componente resinoso que faz a ligação, pigmentos que dão a cor e protecção, e solventes que permitem controlar a aplicação, secagem, etc. Os diversos tipos de tintas, normalmente influenciados pela natureza da primeira componente, caem fora do âmbito deste curso. Habitualmente, um sistema de pintura é constituído por 3 componentes: o
o
Primários, cuja função é promover a aderência e proteger da corrosão. A espessura desta componente é importante, pelo que normalmente é especificada em mais do que uma camada Base, que fornece a cor de base ideal para receber a tinta, e constitui uma protecção adicional (esp. entre 25 e 100 µm)
o
Acabamento, fornece a cor desejada, e resiste ao ataque dos elementos ambientais, abrasão, etc (esp. entre 25 e 100 µm).
Aplicação de materiais de envolvimento metálicos o
Galvanização a quente, onde se deposita uma camada de zinco de cerca de 85 µm de espessura (valor usual)
o
Aplicação de camadas de zinco ou zinco+alumínio mais finas mediante sistemas especiais, normalmente aplicados a chapas.
2H
Pulverização de metais
É um processo que envolve um controle de qualidade exigente e deve ser feito por pessoal especializado, para ser eficaz. Pode ser levado a cabo em fábrica ou em obra.
Combinação de métodos
Envolve algumas particularidades, nomeadamente na escolha da segunda camada (nomeadamente as tintas), que deverá ser apropriada à camada anterior 2.1.6 Manutenção das estruturas metálicas no contexto da corrosão
As camadas de protecção requerem manutenção. A visibilidade da corrosão pode acontecer já acompanhada de patologias que devem ser evitadas, com diminuição do nível de segurança das estruturas. Corrosão não visível pode levar ao colapso de elementos estruturais ou de estruturas). O método desejável para determinar a manutenção é através da intervenção planeada a intervalos regulares, e manutenção de um registo das patologias observadas com o objectivo de adequar os intervalos de manutenção. Este plano de manutenção deve ser uma peça de um projecto de estrutura metálica, permitindo que esta cumpra os objectivos para que foi projectada em boas condições de segurança e estéticas durante o período de vida útil.
:0
A facilidade de manutenção depende do revestimento inicial:
Tintas à base derivados do petróleo ou tintas com composições químicas particulares: são facilmente cobertas por camadas similares, desde que a superfície seja previamente limpa.
Aço galvanizado: só são revestidos de forma segura (com tinta por exemplo) desde que removida toda a oxidação aparente. Existem primários específicos para melhorar a adesão da tinta à camada de zinco.
Elementos revestidos com metais pulverizados: normalmente a manutenção através de pintura não é adequada, sendo muitas vezes de equacionar uma reaplicação completa da protecção.
2.1.7 Aspectos práticos da protecção da corrosão em edifícios metálicos Ligações
Os parafusos, porcas e outros elementos devem ser revestidos com o mesmo cuidado que os elementos estruturais. Deve ser tomado especial cuidado para não danificar elementos prérevestidos durante a montagem Quando são especificados no projecto protecções contra a corrosão de elevada performance, deve ser considerada a utilização de parafusos especiais – aço inoxidável, por exemplo. As soldaduras e sua vizinhança devem ser tratadas superficialmente antes de revestidas com o material de protecção.
:
Ambiente exterior e zonas em contacto com o exterior
O aspecto chave é o detalhamento, como oportunamente indicado, e a especificação de sistemas de drenagem eficazes e adequados. Zonas no interior de edifícios
Para além de aspectos particulares de ambientes agressivos (por exemplo fábricas), normalmente não é necessário recorrer a disposições especiais, podendo mesmo dispensar-se protecção.
:
Zonas das fachadas de edifícios
Se os elementos metálicos não estiverem protegidos contra a corrosão, devem ser adoptadas disposições construtivas específicas, com o objectivo de assegurar a drenagem e a manutenção da estrutura seca, e assim impedir a corrosão:
quando existe contacto com o paramento exterior, é prudente, para além de assegurar uma boa drenagem, usar galvanização (85 µm) ou pintura epoxy (400-500µm). :(
Casos especiais
Aço no betão armado: a abordar oportunamente
Perfis tubulares: raramente se recorre à protecção da parte
interior destes perfis. Se a secção está selada não há corrosão, se o ar circula, a corrosão é diminuta. É prudente providenciar orifícios nas zonas baixas para assegurar a drenagem de águas.
Elementos laminares de revestimento: são muito usadas chapas
de aço ou alumínio enformadas, eventualmente com protecção térmica e acústica incorporada. As chapas de aço têm normalmente protecção de zinco ou alumínio. Se forem usadas chapas de alumínio há que ter em conta o isolamento dos elementos estruturais de aço. 2.1.8 Aspectos práticos da protecção da corrosão em pontes metálicas
As pontes metálicas têm uma duração de vida elevada (por exemplo 100 anos) e estão submetidas a ambientes agressivos, sendo a solução mais económica uma protecção eficaz contra a corrosão. A escolha recai habitualmente em pintura ou “weathering steel” para os elementos estruturais principais e para detalhes elementos galvanizados a quente ou aço inoxidável. É discutível a utilização de elementos de secção fechada não protegidos interiormente. Condições de exposição
Para além das condições climáticas específicas de cada ponte, existem factores específicos que afectam a corrosão:
:2
A parte inferior do tabuleiro, onde há quase permanência de condensações
A presença de recantos que retêm águas e lixos
A susceptibilidade dos diversos elementos para a corrosão não é igual (figura)
Áreas não lavadas pela chuva
Poluição atmosférica ou ventos dominantes
Espalhamento de sais em climas frios
Poluição dos veículos
::
A humidade relativa do ar influencia fortemente a corrosão, sendo mais preponderante a partir de 75%.
Sistemas habituais de protecção
A protecção de zinco é eficaz, sobretudo em zonas não poluídas. Em atmosferas ácidas, como é o caso de zonas urbanas degradase rapidamente, sendo preferível protecção de alumínio o
Galvanização a quente: consegue-se uma protecção entre 10 a 12 anos com espessura entre 60 e 100 microns
o
Pulverização de zinco ou ligas P)Q# G:Q: 0 microns
o
Alumínio: 150 microns
A associação com tintas faz aumentar a efectividade da protecção para cerca de 15 anos :C
Aço inoxidável
Um exemplo é o tipo austenítico com D$GR D$HR . Começa a corroer se a camada exterior se dissolver em água ligeiramente ácida. Existem composições químicas mais resistentes a essa corrosão, como o tipo austenítico com 17% Cr, 11%Ni e 2-3% Mo. É uma liga adequada a ambientes costeiros e industriais. Weathering steel
Usado há mais de 30 anos com resultados mistos. Uma pesquisa efectuada nos EUA identificou que a principal causa para a falta de sucesso é o uso de sais de degelo. Por isso este material deve ser evitado onde se usam estes sais. Por outro lado, para que se forme a camada protectora, é necessário que o material sofra ciclos de secagem e molhagem, não tão facilmente ocorrentes em superfícies horizontais, que podem reter água devido a imperfeições Secções fechadas
Uma secção em caixão metálica não deve ser considerada como uma secção fechada (não susceptível de corrosão). Devem por isso ser pintadas no interior Protecção dos diferentes componentes
Elementos do tabuleiro: pintura, galvanização, pulverização, sistemas combinados ou weathering steel
Cabos e outros dispositivos, e elementos secundários: pintura, galvanização, aço inoxidável :D
2.1.9 Exemplos (Lourenço 2005)
Corrosão em painéis de alma
Corrosão nos apoios
Corrosão por drenagem insuficiente :G
Uniões metálicas
Ligação inferior de viga
:H
2.2 Fadiga 2.2.1 Introdução
A verificação da fadiga toma especial importância no caso de estruturas submetidas a um grande número de aplicações de carga, como é o caso das pontes. A rotura pode acontecer ao fim de um determinado número de aplicações de carga de valor inferior à carga de rotura estática. A fadiga resulta da propagação lenta de fissuras micro ou macroscópicas, o que só acontece em presença da flutuação da carga. A rotura dá-se quando essas fissuras atingem a dimensão crítica. Geralmente acontece em regiões de concentração de tensões, como na vizinhança de soldaduras.
C0
Distribuição típica de tensões junto à soldadura Estudo de mecanismos de fractura: a taxa de crescimento de uma fissura é proporcional à raiz quadrada do seu comprimento, para a mesma flutuação de tensão e mesmo grau de concentração de tensões. Propagação muito lenta – problemas de detecção em inspecção rotineira
Historial típico de aumento da dimensão da fenda
rotura frágil de um elemento pela ligação C
2.2.2 Definição da resistência à fadiga e vida útil da estrutura
Resistência à fadiga de um componente soldado: gama de tensão ( R) que, flutuando com amplitude constante, causa a ruína dessa componente após um número especificado de ciclos (N) - endurance
2.2.3 Principais factores que afectam a endurance à fadiga
Gama de tensão R
A resistência à fadiga do detalhe específico, definido através do parâmetro a.
A resistência à fadiga, N, pode ser calculada por: S Q∆σ% +
ou #. S #. $ + #. ∆σ% /3
m é uma constante. Normalmente m=3.
C
2.2.4 Curvas S-N
A expressão na forma logarítmica materializa-se em rectas, denominadas curvas S-N. Exemplo:
2.2.5 Classificação dos detalhes
Os detalhes mais correntemente usados são agrupados por classes, de acordo com evidência experimental – curvas S-N de dimensionamento
C(
2.2.6 Tipos de detalhes
Em cada classe existem diversos tipos de detalhe, de acordo com a forma do elemento, a localização provável da 1ª fenda, as suas dimensões, as exigências de fabrico e de inspecção - (EN 1993-1-9). São tidas em conta as garantias de execução dos detalhes. Exemplo:
C2
2.3 Degradação das propriedades dos materiais 2.3.1 Rotura frágil (EN 1993-1-10)
A rotura frágil é um tipo de rotura que se produz bruscamente sem o desenvolvimento de deformações apreciáveis que avisem do colapso iminente. Na origem deste fenómeno pode estar a propagação repentina de uma fissura (Cruz e Alvarez, 2000). Para que uma rotura frágil possa ocorrer, é necessário que ocorram três condições:
falta de propriedades adequadas do aço (tenacidade);
estado de tensão;
descida acentuada de temperatura.
A resistência à rotura depende, principalmente, das propriedades dos materiais e da capacidade de redistribuição de cargas para outros componentes estruturais. Estão descritos na literatura alguns casos de colapso súbito estruturas (ponte de Rudersdorf-1938, ponte de Sully-surLoire-1985) 2.3.2 Arrancamento lamelar ou folheação (EN 1993-1-10)
Acontece em estruturas laminadas, e na sua origem estão inclusões, borbulhas de ar, impurezas, etc. Ao passar pelos trens de laminagem estes defeitos assumem uma forma alongada que tende a separar o material em folhas quando este for solicitado na direcção perpendicular ao plano desses defeitos, como é o caso de placas de topo em vigas ou placas de base de colunas.
C:
2.4 Acções 2.4.1 Assentamentos excessivos
Os assentamentos excessivos ou os assentamentos diferenciais estão frequentemente associados a problemas geotécnicos. Só provocam esforços em estruturas hiperestáticas. Podem também estar relacionados com problemas dos aparelhos de apoio. A correcção pode requerer o levantamento da estrutura para permitir o reposicionamento ou substituição dos apoios. Todos os outros componentes devem ser analisados devido aos assentamentos. Essencialmente, deve ser cuidadosamente revista a estabilidade do elemento da infra-estrutura. Em edifícios industriais deformações excessivas podem comprometer o funcionamento de equipamentos como pontes rolantes. 2.4.2 Acções durante a construção
Durante a construção das estruturas podem ser aplicadas acções não previstas, como por exemplo em consequência de armazenagem de materiais. Se no caso das estruturas de betão armado essas acções podem acontecer para idades dos betões onde a resistência não é suficiente, com consequências ao nível da fendilhação e da deformação, nas estruturas metálicas e mistas essas consequências podem ser mais gravosas. De facto, podem ocorrer quando não estão ainda instalados sistemas de contraventamento e acontecerem colapsos por instabilidade.
CC
2.4.3 Acções em serviço
Podem ser observadas patologias em elementos estruturais resultantes de acções de serviço não previstas no projecto, como em casos de reconversão de edifícios, alterações aos projectos das especialidades (colocação de condutas, equipamentos, maquinaria). Normalmente estão associadas a deformações excessivas, e é conveniente, nestes casos, proceder a uma cuidadosa avaliação das acções suplementares. 2.4.4 Acções acidentais 2.4.4.1 Impactos
No transporte e montagem de uma estrutura metálica devem ser adoptadas as protecções e as medidas necessárias para evitar, ou minimizar, os danos de eventuais impactos: desde simples riscos do sistema de protecção até à deformação acentuada de elementos. Em pontes, o banzo inferior de vigas metálicas sofre frequentemente danos de impacto. Os banzos inferiores, os reforços transversais e as almas são os elementos que mais evidenciam os danos por impacto.
Também em parques de estacionamento ou instalações industriais com pilares metálicos é necessário proceder à protecção dos pilares através de grelhas metálicas, revestimento de betão, etc.
CD
2.4.4.2 Fogo
Aço estrutural – fraco desempenho em altas temperaturas
Elevada condutividade térmica – rápida propagação temperatura
Rápida degradação propriedades mecânicas: a partir dos 500-600º o módulo de elasticidade do aço baixa drasticamente, pelo que haverá deformações muito acentuadas, mesmo para esforços reduzidos.
Fundamental: avaliar resistência das estruturas metálicas sob a acção de incêndios. Resistência ao fogo: estabilidade durante um período de tempo suficiente para o combate às chamas e evacuação. Dimensionamento:
Baseado em ensaios normalizados de resistência ao fogo em fornalhas (curva de aquecimento ISO 834). A verificação é provar que o elemento tem uma resistência ao fogo superior à exigida regulamentarmente. A avaliação da temperatura do aço é o objectivo último desta análise;
Avaliação do desempenho das estruturas ou dos elementos estruturais quando sujeitos a cenários de incêndio: via do cálculo. São tidos em conta factores como a temperatura, tipo de incêndio, consequências da exposição ao fogo, condições de carregamento, etc – metodologia dos Eurocódigos. Permite maior economia na protecção contra incêndio.
CG
Consequências de incêndios em estruturas metálicas (Vila Real 2003) Estudos recentes têm vindo a permitir desenvolver regras de dimensionamento. É exemplo o conjunto de ensaios à escala real de edifícios de 8 pisos em Cardington – Reino Unido (Vila Real 2003):
CH
D0
Portugal: regulamentação com um conjunto de disposições que visam garantir em caso de incêndio:
Limitação dos fumos no interior
Propagação do incêndio a construções vizinhas
Evacuar os ocupantes
Garantir a segurança das equipas de intervenção
Garantir a capacidade resistente durante um determinado período de tempo.- classes de resistência ao fogo.
Capacidade resistente: divisão dos edifícios em classes de resistência em função:
Tipo de edifício
Altura
Risco de incêndio
Por outro lado, os materiais estruturais ou de compartimentação são igualmente classificados de acordo com o tempo desde o início de uma acção de incêndio normalizada até ao instante em que deixa de cumprir as suas funções.
Exigência de estabilidade (elementos apenas estruturais), estáveis ao fogo – EF. Por ex. estável ao fogo 60 min: EF60.
Exigência de compartimentação (estanquidade) ou pára-chamas PC
Exigências de estanquidade e isolamento térmico – corta fogo CF
D
Qualificação Exigência
EF
PC
CF
Estabilidade
Sim
Sim
Sim
Estanquidade chamas e gases
Não
Sim
Sim
Isolamento térmico
Não
Não
Sim
Cálculo estrutural de acordo com a parte 1.2 do EC3:
Utilização de tabelas obtidas de ensaios experimentais
Métodos simplificados de cálculo, com fórmulas analíticas para elementos isolados
Métodos avançados de cálculo, aplicados à globalidade da estrutura, a sub-estruturas ou a elementos isolados.
Estrutura metálica não protegida: resistência ao fogo típica: 30 min.
D
Medidas de aumento da resistência - reduzir a taxa de aquecimento:
aumento da massa de aço dos elementos
utilização de materiais de protecção térmica (mais económica) e utilizável e reconversões ou reforço de edifícios. Resistência até 4 horas, conforme a natureza e espessura dos materiais usados.
Os diversos métodos de protecção podem ser agrupados em: 1. Protecção envolvendo o elemento 2. Protecção com resguardos ou ecrãs 3. Irrigação do aço Materiais e sistemas de protecção (Vila Real 2003):
Materiais de protecção
1. Betão normal: material pesado, logo com grande capacidade térmica 2. Betão celular, leve e de baixa condutividade térmica. Vantagem de aumentar a durabilidade (ambientes agressivos)
D(
3
Gesso: sulfato de cálcio com cerca de 20 % de água. Grande capacidade de absorção de calor, com vaporização de água. Obriga à utilização de suporte adequado: ex. rede metálica
Protecção de gesso 4
Tintas intumescentes: derivados celulósicos com adição de agentes orgânicos especiais e agentes dilatadores, que aumentam de volume a temperaturas elevadas, com aumento de espessura de várias dezenas de vezes. Capacidade de retardar até cerca de 2 horas a temperatura crítica. Permitem um excelente acabamento, e são a solução ideal quando se pretende manter a estrutura à vista. Aplicação: decapagem do aço, aplicação de primário anti-corrosão, aplicação da tinta, seguida de eventual acabamento final. D2
). J4
%). 9, <O),, ) ,,) 4, T /++3 (0 +),
C0 +),
H0 +),
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210 $ :10
210 $ 10
C10 $ C1:
C10 $ C1:
(Exemplos típicos - ESDEP)
D:
5
Vermiculite e Perlite: agregados minerais que se expandem sob a acção do calor, podendo servir para a fabricação de painéis protectores, ou para entrar na composição de argamassas leves. Podem também ser projectadas.
6
Fibras minerais, como a fibra ou lã de rocha ou vidro. Podem entrar na composição de rebocos projectados.
7
Argila expandida ou betão leve; a aplicar a granel, em torno do elemento, como agregado de betão leve, em blocos pré fabricados
DC
Sistemas de protecção:
1. Envolvimento total, total, parcial ou enchimento
DD
2. Protecção do contorno, normalmente projectada, com um dos materiais anteriormente referidos
3. Protecção em caixão: aplicação de placas rígidas pré fabricadas de betão celular, vermiculite, gesso, etc 4. Protecção com mantas de fibra cerâmica, lã de rocha, etc. Constituem uma boa alternativa em edifícios já em funcionamento, pois são de aplicação limpa, mas devem ser usados em zonas ocultas (fraco efeito estético); DG
5. Protecção com resguardos ou ecrãs: podem constituir tectos falsos, com função igualmente acústica ou estética, sendo por isso uma alternativa económica
DH
6. Estruturas irrigadas: perfis tubulares cheios de água, criando-se correntes naturais pela acção do incêndio. Existem depósitos no topo dos edifícios, para evitar sobrepressões. Outra possibilidade é a utilização de sprinklers.
G0
2.4.4.3 Sismo
Uma das acções com carácter de excepção que maiores danos pode causar a uma estrutura é o sismo. Desde os sismos de Northridge (1994) e de Kobe (1995), que um grande número de investigações experimentais e teóricas têm sido desenvolvidas no Japão, nos EUA e na Europa, sobre o comportamento sísmico de estruturas metálicas. A palavra chave que deve caracterizar as estruturas metálicas e mistas com vista à sua sobrevivência a um sismo intenso é
DUCTILIDADE A ocorrência de um elevado número de roturas frágeis tornou evidente a necessidade de melhorar o comportamento das estruturas, com especial ênfase nas ligações.
Danos nas estruturas metálicas no sismo de Kobe (Gioncu e Mazzolani 2002) G
Os tipos de ductilidade presentes numa estrutura são indicados na figura seguinte:
G
Exemplo de danos muito severos – Complexo. Pino Suarez – Sismo Michoacan – México 1985
G(
Exemplo de danos em ligações no mesmo sismo
G2
Fracturas típicas em ligações de estruturas metálicas observadas no sismo de Kobe:
As ligações (elemento fundamental), podem ser divididas em componentes, e a caracterização do comportamento da ligação depende do comportamento dessas componentes: G:
GC
Como consequência, o comportamento das ligações será igualmente muito dúctil, dúctil ou frágil.
O grau de sobreresistência das ligações normalmente preconizado pelos regulamentos pode não ser suficiente com vista ao impedimento da formação de rótulas nesses elementos. O reforço sísmico de um edifício existente pode passar por uma intervenção nas suas ligações, por forma a conferir-lhes ductilidade ou o seu reforço, por forma a afastar a rótula plástica da zona da ligação. Outra forma de afastar a rótula plástica da ligação, consiste em criar uma zona mais fraca do que a ligação no elemento estrutural, funcionando como “fusível”. Esta técnica pode ser aplicada a edifícios existentes, desde que a capacidade resistente dos elementos (vigas) tenha uma margem de segurança suficiente.
GD
GG
GH
Avaliação de perdas e danos resultantes de sismos
Nos EUA, a Federal Emergency Management Agency (FEMA) indica custos de reparação de elementos estruturais e não estruturais danificados em função do custo do edifício e da aceleração basal. No caso presente a comparação é feita com o sismo de Northridge.
H0
2.5 Erros de concepção ou projecto
Os problemas de projecto podem estar relacionados com graves problemas de segurança (no limite o colapso, c.f. instabilidade) ou como mais frequentemente acontece, com um mau desempenho das estruturas, problemas de durabilidade, dificuldade de execução, etc. 2.5.1 Modelação estrutural
Um dos primeiros erros encontra-se na modelação estrutural. O facto dos softwares actuais fornecerem grandes quantidades de informação não significa que o utilizador obtenha os resultados pretendidos. Um apoio mal colocado, uma propriedade física indevidamente atribuída, ou um simples parâmetro de entrada a que não foi dada a devida atenção pode conduzir a resultados indesejados e inadequados. Um erro frequente tem que ver com a utilização de modelos que não tenham capacidade de reproduzir fielmente a realidade, quer pela utilização de elementos finitos desajustados (por exemplo, utilização de elementos de placa sem deformabilidade axial em elementos laminares com fortes esforços axiais), ou uma discretização desadequada. Outro problema pode ter que ver com a incorrecta modelação de apoios ou elementos que funcionem apenas para alguns esforços (por exemplo aparelhos de apoio de neoprene ou cabos), não sendo detectado que o sinal do esforço correspondente está na direcção contrária ao possível funcionamento do elemento. 2.5.2 Avaliação de acções
Outro erro relativamente comum é o da omissão ou sub-avaliação de cargas. Em muitos projectos, para além da deficiente quantificação das H
acções da neve e/ou do vento, são frequentemente omitidas as cargas devidas à acumulação de água e às imperfeições. Mesmo previstas durante o dimensionamento, a actuação de uma carga equivalente à acumulação de água pluvial (por exemplo), usualmente apresenta-se com um valor inferior à realidade se não se proceder a uma inspecção da plataforma e dispositivos de drenagem que garantam um eficaz funcionamento dos mecanismos de evacuação. 2.5.3 Contraventamentos
Nas estruturas metálicas os contraventamentos podem ter duas funções:
contraventar globalmente a estrutura com vista a assegurar a sua estabilidade global, a resistência a acções horizontais ou simplesmente limitar os deslocamentos horizontais;
contraventar elementos estruturais, reduzindo assim a sua esbelteza. São casos os travamentos de pilares ou de vigas ou mesmo os reforços em elementos laminares.
A ausência destes elementos, o seu incorrecto posicionamento, ou a deficiente ligação aos elementos a contraventar podem ocasionar o colapso de elementos ou da estrutura.
H
Pode ser particularmente crítica a ausência de contraventamentos durante a fase construtiva de elementos que serão contraventados na fase de exploração – caso das vigas mistas, por exemplo. 2.5.4 Ligações
As ligações entre elementos estruturais são partes fundamentais das estruturas. É também nas ligações que existem grandes concentrações de esforços. Deficientes concepções, modelações ou pormenorizações das ligações podem conduzir a patologias diversas. H(
A concepção das ligações tem que ser adequada aos esforços a que estas venham a transmitir. As propriedades fundamentais que caracterizam uma ligação são:
A resistência
A rigidez
A capacidade de rotação
Em ligações mais simples a rigidez não tem um papel relevante. Um dos princípios fundamentais a que a concepção de uma ligação deve obedecer é a de ter uma boa ductilidade, ou seja, esgotada a sua capacidade resistente, esta deve poder suportar deformações consideráveis por forma a poder permitir redistribuições de esforços entre secções ou proporcionar à estrutura uma ruína dúctil. exemplos de colapso de ligações sob acção da sucção do vento:
H2
2.6 Durabilidade
A ausência de preocupações de durabilidade na fase de projecto têm consequências económicas na exploração da estrutura, aumentando os seus custos de exploração. A falta de meios para uma manutenção adequada pode levar a casos de deterioração extrema.
Perda de estanquicidade
Penetração da humidade
Falta de acessibilidade: corrosão
2.7 Defeitos de fabricação e montagem
Excentricidade das ligações: Esta é uma patologia comum observada em estruturas metálicas. A título de exemplo, refira-se a excentricidade de bases de colunas, com efeitos sobre a verticalidade dos pilares, ou o desajuste em obra de ligações aparafusadas com furação feita em fábrica.
Erros de corte: erros de corte, com arestas vivas e entalhes sem o devido tratamento geométrico provocam, para além de inconvenientes estéticos, pontos de concentração de tensões favoráveis ao surgimento de rotura por fadiga
H:
Soldadura: O controle de soldaduras é essencial ao seu bom desempenho. Existem diversas técnicas de conseguir uma soldadura de qualidade, mas é mais fácil atingir essa qualidade em fábrica do que em obra. Por esse motivo devem-se privilegiar as ligações aparafusadas em obra, deixando para o estaleiro, tanto quanto possível, ligações aparafusadas. A título de exemplo, veja-se a comparação de percentagem de fracturas em ligações soldadas em fábrica e em estaleiro, resultante do sismo de Kobe (Gioncu e Mazzolanni 2002):
HC
Protecção: os defeitos de protecção, podem dar origem a patologias, quer resultantes de impactos, de fogo, ou, na situação mais comum, resultantes de deficiente protecção contra a corrosão. Estes aspectos foram abordados nos parágrafos correspondentes. Porém, importa apenas referir que uma protecção mal especificada ou uma deficiente inspecção durante a realização dos trabalhos ou periodicamente durante a vida da estrutura, podem trazer consequências para a sua segurança, ou, pelo menos, custos acrescidos de manutenção.
HD
6- Utilização de estruturas metálicas (reabilitação e reforço) 6.1 Introdução
A tendência actual é de preservação da herança arquitectónica, o que está intimamente ligado com as seguintes intervenções em edifícios antigos, normalmente ligadas à sua danificação ou alteração de utilização: Reforço
Reutilização
Modernização
Actualmente uma preocupação de projecto (estrutural e não estrutural) deve ser a possibilidade de intervenção futura neste domínio. As intervenções são naturalmente realizadas ou em edifícios comuns ou em edifícios de interesse arquitectónico. Em ambos os casos o aço, através de estruturas metálicas é um material de eleição, pois:
É estruturalmente eficiente
É arquitectonicamente interessante
Facilmente pré-fabricado em componentes
Montagem simples e rápida (ligações), e minimização de equipamento
Minimização da privação de uso, quer pela montagem, quer pela imediata resistência
HG
6.2 Níveis de reconstrução
Do ponto de vista estrutural, os trabalhos com estruturas metálicas podem ser classificados como:
Assegurar segurança
Reparação
Reforço
Reestruturação
A salvaguarda de um determinado nível de segurança pode ser uma intervenção na sequência de uma acção acidental, tal como sismo ou impacto, ou uma deterioração não monitorada, como no caso da corrosão. Pode ser necessário recorrer a estruturas provisórias. Após a salvaguarda de segurança, segue-se então a reparação e/ou o reforço A reparação significa devolver ao edifício a sua segurança pré-existente. O reforço significa aumentar o seu nível de segurança, quer por deficiências de projecto ou execução, quer pela necessidade de reconversão. As intervenções de reforço podem ser: Alterações a elementos estruturais individuais, sem alterar significativamente o seu desempenho global
Alterações profundas e globais
A reestruturação por seu lado envolve alterações profundas, como no caso de extensão horizontal ou vertical, ou na formação de espaços livres. HH
6.3 Estruturas temporarias
Pela sua eficiência, facilidade de execução e montagem, e também de desmontagem, as estruturas metálicas são das mais adequadas a esta utilização particular. Referem-se algumas aplicações concretas: 6.3.1 Suportes verticais provisórios
É exemplo o escoramento com perfis laminados de colunas de pedra
Palazzo Carigliano, Turin, Italy
A execução de aberturas em paredes de pedra ou alvenaria necessitam de apoios temporários, até à instalação da estrutura definitiva. Caso sejam usadas vigas metálicas é necessário verificar a sua segurança relativamente a:
Capacidade resistente das secções à flexão e esforço transverso
00
Encurvadura lateral
Ligações (se aplicável)
Needles and props used for temporary vertical support to wall during reconstruction work.(ESDEP) 6.3.2 Estabilização de elementos verticais
A estabilização de elementos verticais, frequentemente fachadas, pode ser realizada através de estruturas metálicas de diversos tipos, colocadas:
Exteriormente, que praticamente não interferem com os trabalhos no interior, sendo apenas de realizar previamente os trabalhos de remoção de portas e janelas. Tem no entanto os inconvenientes relacionados com a ocupação da via pública em meios urbanos
Interiormente, não tendo os inconvenientes atrás citados, mas que pode interferir seriamente com os trabalhos ou mesmo com a
0
definição da estrutura. Porém, a estrutura temporária pode em todo ou em parte ser aproveitada para estrutura definitiva.
Facade retention systems (ESDEP)
escoramento de fachada
0
Uma metodologia aplicável pode ser o escoramento mútuo de fachadas opostas, o que pode ser executado antes da demolição total do edifício interiormente.
Flying shore system
The old Moller Theatre in Darmstadt, Germany
Uma das preocupações fundamentais consiste na colisão destes sistemas com a estrutura a colocar.
0(
É fundamental o contraventamento da estrutura face às acções horizontais, e para não ocupar a via pública nem restringir demasiado o espaço interior, a incorporação de tirantes poderá ter que ser a solução:
Temporary steel ties to prevent spread across façade (ESDEP)
Execução de caves:
Construction of a new basement - to achieve the maximum lettable floor area - as part of a refurbishment contract in the centre of London (ESDEP)
02
6.4 Soluções construtivas metálicas (reabilitação e reforço)
O dimensionamento deste elementos passa, normalmente:
Pela avaliação das acções
Pela avaliação da resistência dos elementos existentes
Pela decisão do nível de reforço (interacção reforço-estrutura)
Avaliação dos esforços nos elementos de reforço
Dimensionamento dos elementos de reforço: chapas traccionadas, ao corte, à compressão, elementos de ligação como parafusos ou soldaduras
Avaliação dos esforços de conexão aço dimensionamento.
betão e
seu
Deve ser incorporada protecção contra o fogo (se aplicável, por exemplo em estruturas de betão armado) e corrosão. Faz-se aqui uma ilustração da utilização de estruturas metálicas no reforço de estruturas de diferentes materiais. 6.4.1 Reforço de estruturas de alvenaria
Para fazer face às acções verticais ou horizontais, como no caso de assentamentos de fundações, ou acções sísmicas. No caso do reforço face a acções verticais, pode usar-se:
Ladear os pilares de pedra por pilares metálicos
Inserir pilares metálicos ao longo da fachada e a ela ligados pontualmente 0:
Inserir estruturas metálicas na bordadura de aberturas
Post Office, Leeds, UK
No caso de reforço face a acções horizontais, pode recorrer-se:
Criação de anéis horizontais ligados entre si
Estabilização dos cantos dos edifícios através de perfis com triangulações ou pórticos acoplados
Introdução de contraventamentos de estruturas metálicas por ligação adicional entre elementos existentes
Introdução de contraventamentos de estruturas metálicas por estruturas trianguladas
0C
travamentos de fachada
Exemplo de reforço de arcos de alvenaria
0D
6.4.2 Reforço de estruturas de madeira
Os tradicionais pavimentos de madeira podem ser facilmente reforçados usando estruturas metálicas.
Reforço de vigas de Madeira por introdução de perfis metálicos paralelos
Reforço de vigas de Madeira por introdução de perfis metálicos paralelos
0G
Podem ser introduzidas variantes, como a utilização de cantoneiras, chapas pregadas ou coladas na parte inferior ou lateral das vigas, ou reforço pela parte superior do pavimento, com posterior betonagem de betão leve (eventual cofragem colaborante) 6.4.3 Reforço de estruturas de betão armado
A solução mais comum passa pela colocação de perfis metálicos ou de chapas metálicas convenientemente ligadas ao betão armado (conectores, resinas, etc). Estas chapas são normalmente ligadas às faces superiores e inferiores para aumentar a resistência à flexão ou às partes laterais para reforçar ao esforço transverso.
0H
Reforço de lajes de betão usando perfis metálicos
Em lajes com capitéis o procedimento torna-se menos prático e mais dispendioso.
laje fungiformes com capitéis salientes Uma forma muito eficaz de reforço sísmico é a colocação de estruturas metálicas de contraventamento
0
diferentes contraventamentos
Exemplo de contraventamento
6.4.4 Reforço de estruturas de aço ou ferro
Para reforçar estruturas metálicas existentes podem ser usadas diversas técnicas (atenção às propriedades do material original). São exemplos a soldadura de chapas de banzo ou de cantoneiras. Um exemplo a assinalar é a mobilização da acção mista aço-betão, introduzindo conectores. A ligação entre os 2 elementos deve ser analisada cuidadosamente. Se aparafusado deve ser analisada a perda de resistência provocada pela furação na fase de montagem. Por outro lado deve ser avaliada a soldabilidade do material existente. Por exemplo o ferro forjado não pode
ser soldado. Estruturas metálicas das décadas de 1910 a 1930 normalmente são constituídas já por aço carbono, podem ser soldadas com eléctrodos apropriados mas requerem normalmente préaquecimento para diminuir a taxa de arrefecimento.
exemplos de reforço
Devem ser realizados ensaios para avaliar o aço existente, pois existe a possibilidade de ter havido reutilização de materiais. Alguns aspectos tecnológicos:
Preferir soldadura por cordão a soldaduras de topo
Especificar soldaduras de fácil acesso (qualidade)
Orientar os cordões preferencialmente na direcção das tensões
As secções mais espessas necessitam provavelmente de um preaquecimento, para que no processo de arrefecimento não haja tensões residuais muito significativas
Controle de qualidade da soldadura real, através de ensaios representativos.
(
6.5 Modificações de estruturas de edifícios
Os níveis de intervenção já referidos podem resultar em:
inserção de partes da estrutura
extensão da estrutura
substituição de elementos estruturais ou não estruturais existentes por materiais mais leves
substituição integral da estrutura - apenas mantendo fachadas (s).
exemplo de pavimento mais leve
Nestes trabalhos deve ser realizada cuidadosamente a avaliação estrutural antes da intervenção, durante, e após, tendo em conta as alterações de distribuição de acções. Muitas vezes a substituição completa de uma cobertura em madeira pode ser aproveitada para incorporar uma estrutura metálica que tenha simultaneamente funções de diafragma sismo-resistente. Quanto aos aspectos económicos e político-sociais, importa realçar que embora a substituição integral de uma estrutura mantendo a fachada
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seja normalmente mais cara do que a execução de um edifício de raíz, aquele procedimento pode permitir uma maior área de construção do que um novo edifício, resultando numa relação final custo-benefício mais favorável para o cliente. São frequentemente também soluções impostas pelas entidades licenciadoras, como no caso da manutenção de fachadas em zonas históricas. Os princípios gerais a que uma reestruturação deve obedecer são basicamente os mesmos de uma nova estrutura, com os aspectos adicionais de compatibilização com os elementos existentes, como as fachadas e ligação a esses elementos. O processo construtivo com as etapas de construção são também condicionantes importantes. Um aspecto relevante é a deformação suportada pelos elementos não estruturais pré-existentes (por exemplo fachadas), que podem condicionar o dimensionamento de toda a nova estrutura (deformabilidade horizontal, por exemplo). O processo típico de reconstrução com estrutura metálica envolve as seguintes etapas:
Fase de projecto: o
o
escolha global da solução, com os elementos a manter e os elementos a demolir; a solução pode ser ditada pelo tipo de edifício (edifício onde se pretende estrutura de madeira, por exemplo);
escolha da solução para as lajes de piso, muitas vezes condicionadas pela ponderação entre os vãos a vencer, as aberturas existentes nas fachadas (a manter), as instalações
o
:
especiais a incorporar, eventual existência de tectos falsos, etc); esta ponderação levará à escolha do tipo de material estrutural e ao funcionamento das lajes (1D ou 2D);
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o
o
o
o
uma grelha de vigas justapostas justapostas podem permitir a passagem de condutas pararelamente às vigas secundárias. (quando existe grande folga para o pé-direito); vigas tipo IFB podem ajudar a reduzir reduzir a altura estrutural e facilitar a passagem de instalações, mantendo as vantagens de uma solução mista aço-betão; vigas metálicas com aberturas nas nas almas (tipo encastelado por exemplo) podem ser a melhor solução para vãos apreciáveis; se as condições locais locais permitirem, permitirem, o recurso a pré-lajes pré-lajes de betão armado pode ser uma solução económica, pois minimiza as cofragens. A melhor solução passa pela incorporação de conectores aço-betão: acção mista;
a cofragem de chapa metálica colaborante é uma boa solução, pois além de eliminar a tradicional cofragem é de simples manuseamento e montagem, e revela-se económica no dimensionamento estrutural. A protecção ao fogo pode ser conseguida através dos revestimentos adequados ou da incorporação de armaduras secundárias. Tem a grande vantagem de ser facilmente cortada em obra e por isso acomodável às irregularidades dos elementos existentes.
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Fase de execução: o
o
o
estrutura metálica metálica provisória de estabilização das fachadas (se necessário); demolição da estrutura interior existente; execução da estrutura estrutura metálica. Neste aspecto deve ter-se em conta, e logo desde a fase de projecto, à dimensão dos elementos especificados, pois como referido a facilidade de manuseamento reflecte-se numa redução de custos de execução;
preparação para a ligação da nova estrutura à fachada existente. Esta solução depende se se pretende apenas estabilizar a fachada ou se há transmissão de acções verticais. Uma solução tradicional consiste em inserir elementos metálicos (parafusos longos na alvenaria convenientemente chumbados), ou furação completa da parede com apoios do lado oposto. Atenção aos aspectos relacionados com a corrosão, pode ser conveniente em alguns casos usar elementos de ligação em aço inox.
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o
o
Em virtude da possibilidade de movimentos diferenciais das fundações, uma solução conveniente pode passar pela incorporação de elementos flexíveis na direcção vertical execução dos dos restantes restantes elementos elementos estruturais estruturais (betão armado armado por exemplo).
D
Ligação através de chapas – flexibilidade vertical.
Ligação através de cantoneiras aos pilares.
G
Uma solução muitas vezes posta em prática é a execução da estrutura metálica definitiva antes da demolição (total ou parcial, apenas na vizinhança das fachadas), usando-a ao mesmo tempo para estabilizar a fachada, poupando a estrutura provisória. Este processo tem maior viabilidade no caso de interiores em madeira. As vigas podem ser incorporadas por baixo ou por cima da estrutura a demolir.
Execução prévia da estutura com travamentos provisórios.
Fase de demolição com estrutura pré-executada.
H
Fase de construção da restante estrutura.
6.6 Alguns exemplos (case studies ) 6.6.1 : Office Building, Sea Containers Limited, London, Great Britain
Foi construída a estrutura de um edifício com 12 pisos destinado um hotel, mas o projecto foi abandonado. Na estrutura inicial, nos pisos superiores a transmissão de acções era realizada através de paredes espaçadas de 3,6 m (dimensão padrão dos quartos), e nos pisos inferiores toda a estrutura descarregava em pilares fundados por estacas, com vãos de 7,2m. O edifício foi comprado por uma empresa que pretendia transformar o edifício em escritórios, com espaços amplos. Era então necessário substituir o as paredes por uma estrutura porticada metálica que suportasse as lajes. Para facilitar a execução, a demolição das paredes não se concretizou até às fachadas, deixando troços junto as estes elementos que
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passaram a funcionar como os pilares de fachada em conjunto com a nova estrutura. Os perfis metálicos usados foram do tipo U colocados de cada lado das paredes a demolir, e ligados às lajes superiores.
6.6.2 : Conversão de fábrica em ginásio (Como-Itália)
A estrutura original era uma estrutura de betão armado com 2 pisos e pilares no interior. A estrutura metálica foi construída suportando
completamente o piso de cobertura, e demolindo os pilares, vigas e laje intermédia.
6.6.3 : Rue De L'ourcq, Paris, France
Trata-se de uma reestruturação completa de um edifício parisience onde o pátio interior foi ocupado em parte por estrutura metálica aparente. O resto da estrutura existente era metálica
6.6.4 : Abadia de Val de Saint Lambert, Seraing, Bélgica
Trata-se de uma reestruturação da cobertura da abadia do séc. XIII completamente realizada pelo interior, em estrutura tubular curva.
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6.6.5 : Palácio da Justiça – Ancona, Itália
Trata-se de uma reestruturação completa de um edifício renascentista onde era imperioso manter as fachadas, com todas as suas aberturas. Foi assim imaginada uma estrutura com 4 torres de betão armado (9*9m) servindo de comunicações verticais e contraventando o edifício face às acções horizontais, e servindo de suporte vertical ao telhado e a 5 pisos suspensos na estrutura da cobertura. Com esta solução conseguiram-se espaços amplos no piso térreo, sem pilares.
A estrutura metálica de suspensão é relativamente simples, pois consiste em 4 pares de treliças principais suportadas pelas 4 torres, dispostas no perímetro do edifício. Cada par de treliças forma um caixão com 1,8 m de largura e 4 m de altura. Todos os elementos da treliça eram constituídos por perfis I, ligados através de chapas de gusset.
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A modelação foi portanto bastante simples, bem como o dimensionamento. Em virtude de haver duas treliças dispostas paralelamente e ligadas entre si, os problemas de instabilidade lateral de cada treliça foram facilmente ultrapassados. O vão intermédio é de cerca de 21,5 m. As lajes são mistas aço-betão, estando suportadas por vigas suspensas das treliças.
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6.6.6 : Edifício de pequeno porte em Coimbra
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7- Reabilitação e reforço de pontes 7.1 Introdução
Muitas pontes (neste contexto referimo-nos em particular a pontes metálicas) foram projectadas e construídas para volumes de tréfego muito inferiores aos actuais, para veículos menos pesados, ou para larguras de tabuleiros agora insuficientes. Para além destes factores, muitas pontes metálicas encontram-se degradadas pelos fenómenos oportunamente descritos. O reforço destas estruturas pode ser uma alternativa economicamente viável comparativamente com a sua substituição. O aumento da capacidade resistente de uma ponte face a sobrecargas pode ser conseguido através de:
adição de elementos estruturais
adição de apoios
redução das acções permanentes
dar continuidade entre vãos adjacentes
tornar partido do funcionamento misto aço-betão
aplicação de pré-esforço exterior
aumento das secções dos elementos estruturais
modificação da distribuição das acções
outros reforços
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7.2 Tabuleiros de peso reduzido
Uma das possíveis abordagens para aumentar a capacidade das pontes em suportar acções variáveis mais elevadas é a redução do peso próprio. Isso consegue-se substituindo o tabuleiro existente mais pesado por um tabuleiro mais leve. Este procedimento é normalmente adequado quando o tabuleiro existente se encontra deteriorado. A técnica pode obviamente ser usada em conjunto com outras abordagens, em particular a consideração da resistência de secções mistas aço-betão. Podem ser tabuleiros abertos, ou preenchidos com betão. Neste caso o aumento mais significativo da capacidade resistente virá do funcionamento misto aço-betão.
Tabuleiros metálicos sem ou com betão incorporado
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Tipo de tabuleiro pré-fabricado (vãos até 5m entre vigas)
Outros exemplos de tabuleiros de peso reduzido são os tabuleiros de madeira, betão leve ou de alumínio (menos frequentes). 7.3 Funcionamento misto aço-betão
Este sistema não apenas aumenta a capacidade resistente como também reduz flechas e vibrações. Uma solução eficaz pode passar pela incorporação tabuleiros constituídos por elementos pré-fabricados, fornecidos com orifícios capazes de acomodar os conectores e posterior betonagem com betão apropriado.
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tensões no banzo superior da viga metálica ou mista
lajes pré fabricadas com orifícios incorporados para conectores
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Caso o estado do tabuleiro aponte para o seu aproveitamento, nesse caso os conectores deverão ser colocados carotando o tabuleiro, e preenchendo os orifícios com uma argamassa de retracção reduzida. Os conectores mais usados actualmente são os shear studs, embora haja muitos outros exemplos dispostos em soluções de reforço:
Tipos mais usuais de conectores usados em pontes
Conector aparafusado, em orifícios ajustados
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7.4
Aumento
da
resistência
de
alguns
elementos
estruturais
Um dos processos mais correntes é a adição de chapas de banzo ou de alma, cantoneiras ou outros elementos, preferencialmente com o uso de macacos durante o processo para fazer funcionar a estrutura reforçada também para acções permanentes. A incorporação de elementos soldados tem que ter em consideração a soldabilidade dos diversos materiais, e os problemas de fadiga junto às soldaduras.
Reforço de vigas por incorporação de cantoneiras
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Reforço de vigas por incorporação de perfis tipo T
7.5 Pós-tensão
O pré esforço pode ser usado com sucesso para aumentar a capacidade resistente de estruturas e para reduzir as flechas. Podem ser pré esforçados elementos individuais, como é o caso de elementos de treliças, ou de uma forma mais global. Tem vantagens construtivas importantes, já que em alguns casos a ponte não necessita de interrupções significativas no tráfego. Em alguns casos, como na figura seguinte (c), são incorporados elementos funcionando à compressão, impedindo assim que sejam
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induzidas tensões indesejáveis de compressão associadas ao préesforço, como acontece com o esquema (b). O esquema (a) é mais eficiente usado apenas na parte central do vão.
Reforço de vigas por pós-tensão
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Há algumas precauções a tomar na adopção de um sistema de préesforço, em virtude da possibilidade de indução de tensões prejudiciais (necessidade de uma análise cuidada da estrutura), e no caso de as vigas não serem pré-esforçadas de igual forma, surgirem esforços resultantes da diferença de solicitação longitudinal dessas vigas. Há que ter também atenção á protecção dos elementos de pré-esforço, quer relativamente aos agentes agressivos (corrosão), como a acções de acidente relacionadas com impactos ou fogo em resultado de acidente.
Reforço de vigas por pós-tensão
C
Reforço de treliças por pós-tensão
C
7.6 Dar continuidade entre vãos adjacentes
Uma forma de tomar partido da continuidade é a adição de apoios intermédios, uma solução muitas vezes cara e não exequível por razões de funcionalidade. As circunstâncias onde este conceito mais frequentemente se aplica é no estabelecimento de continuidade entre vãos cujo funcionamento prévio era de simplesmente apoiados. O procedimento tradicional está ilustrado na figura seguinte, mostrando alguns aspectos construtivos:
Estabelecer continuidade entre vãos através de processos tradicionais
Como nota refira-se que o estabelecimento de continuidade faz aumentar a reacção no apoio intermédio e portanto há que fazer as verificações relacionadas com esse aumento (pilares e fundações).
C(
