Como o Design de Secções Compostas Beneficia a Construção de Estruturas de Aço e Concreto Armado

O uso de seções compostas, que combinam aço e concreto armado, visa aproveitar as vantagens de ambos os materiais. O concreto, além de fornecer resistência à corrosão do aço, ajuda a reduzir as dimensões das peças compostas, o que é particularmente vantajoso em edifícios de grande altura. O aço, por sua vez, proporciona a resistência necessária para suportar cargas elevadas com dimensões mais enxutas. Estudos demonstraram que a espessura total da laje, incluindo as nervuras, pode ser utilizada para determinar a largura efetiva da laje, conforme estabelecido por Grant et al. (1977) e Fisher (1970). No presente capítulo, discutiremos a concepção das seções compostas, com um foco especial no uso das normas EC4, que detalham esse processo. Além disso, a compatibilidade com as normas BS 5950‑4 para o projeto de aço, adaptada ao EC 1994‑1‑1 e AISC360‑22, será abordada, incluindo a incorporação de códigos para o design de estruturas de concreto armado.

Para o design de lajes compostas, um passo crucial é realizar cálculos tanto para a fase de construção quanto para a fase composta, que representa a configuração final da estrutura. Durante a fase de construção, os cálculos devem considerar ações permanentes, como o peso da laje e a malha de aço, e ações variáveis, como a carga do concreto úmido. A fase composta, por sua vez, envolve ações permanentes como o concreto seco, acabamentos, serviços e outras cargas, como o peso da estrutura e os movimentos de ocupação. Esses cálculos são fundamentais para determinar a distribuição de cargas e a integridade estrutural.

Em muitos projetos, a laje de concreto será apoiada diretamente na viga de aço, o que exige um cuidado especial com as tensões de cisalhamento. Em casos de altas tensões, o uso de garras, como mostrado em diagramas da literatura, ajuda a reforçar a estrutura. Essa conexão deve ser feita através de conectores de cisalhamento, sendo o mais comum o pino de ancoragem (ou "stud"). Esse conector, que é fixado na flange superior da viga de aço e embutido no concreto, serve para transmitir o cisalhamento longitudinal e evitar deslizamentos entre o concreto e o aço.

Existem diferentes tipos de conectores de cisalhamento, incluindo o pino de ancoragem, uma série de parafusos soldados à viga de aço, ou uma seção de aço angular. A disposição desses conectores ao longo da viga varia conforme a intensidade do cisalhamento. É importante garantir que o número total de conectores seja suficiente para desenvolver o cisalhamento em ambos os lados do ponto de momento máximo. A resistência ao cisalhamento dos conectores de pino, conforme definido por McGarraugh e Baldwin (1971) e Ollgaard et al. (1971), ainda é usada em normas como o AISC 360‑22 para garantir a segurança e a estabilidade da estrutura.

Ademais, a resistência ao cisalhamento dos conectores deve ser calculada com base nas características do concreto, como a sua resistência à compressão e o módulo de elasticidade, fatores que influenciam diretamente a capacidade de transferência de carga entre os dois materiais. Os valores para a resistência dos conectores variam conforme o tipo de ancoragem e o comportamento do concreto sob diferentes condições de carga.

No que se refere ao design segundo a norma EN1994, a resistência de cisalhamento dos pinos de ancoragem deve ser determinada conforme as especificações da EN 14555, que padroniza os processos de soldagem e a análise da resistência estrutural em condições reais de carga.

Ao projetar uma seção composta, o engenheiro estrutural deve prestar atenção à distribuição de cargas durante todas as fases da construção, garantindo a integração correta entre o aço e o concreto, que atuam como uma única unidade. A escolha adequada de conectores de cisalhamento, juntamente com um cálculo preciso das ações permanentes e variáveis, garante a eficiência e a segurança da estrutura. Dessa forma, as seções compostas oferecem uma solução eficiente, econômica e segura para a construção de grandes edifícios e outras infraestruturas de alta demanda.

Qual a Importância das Relações de Largura/Espaessura nas Seções Compostas sob Flexão?

A tabela de valores limites de λ, apresentada no design de estruturas de aço, define essas relações para diferentes tipos de seção. Para flanges de HSS retangulares e seções tubulares, a relação de largura/espessura deve respeitar o limite de 2,26 (E/fy)^0,5, onde E é o módulo de elasticidade e fy é o limite de escoamento do aço. Já para as almas dessas seções, o limite é um pouco mais alto, em torno de 3,0 (E/fy)^0,5. Quando se trata de seções tubulares circulares, as relações de largura/espessura para a flange são mais restritas, sendo o valor de λ limitado a 0,9E/fy, refletindo as particularidades dessas formas geométricas.

Essas relações são críticas para determinar o momento fletor máximo que a seção pode suportar sem falhar. Para as seções finas (slender), a resistência à flexão deve ser calculada levando-se em conta a primeira yielding, que ocorre quando a tensão no flange de tração alcança o limite de escoamento. Para garantir a integridade estrutural, a tensão no flange de compressão é limitada ao valor crítico de flambagem, que pode ser determinado utilizando-se equações específicas para cada tipo de seção.

Além disso, as seções compostas, como colunas preenchidas com concreto ou envolvidas em concreto, são uma solução muito utilizada em projetos modernos, principalmente quando se busca aumentar a rigidez estrutural. Nesse contexto, o projeto de colunas compostas envolve tipos de seções que podem ser: uma viga encamisada (onde o aço é inserido dentro do concreto), uma seção retangular preenchida com concreto ou ainda uma seção tubular circular preenchida com concreto. Cada um desses tipos apresenta requisitos específicos de espessura mínima da parede do aço para evitar a flambagem local, com valores determinados por fórmulas envolvendo as propriedades do aço e do concreto.

Quando se trata de colunas compostas de concreto preenchido, é importante entender a contribuição adicional que o confinamento do concreto exerce, o que pode aumentar significativamente a resistência da coluna. No entanto, este efeito só pode ser aproveitado se a relação de esbeltez for adequada, ou seja, o valor de λ deve ser inferior a 0,5.

No contexto das seções compostas, o cálculo das tensões de escoamento modificadas é essencial para garantir que o aço e o concreto trabalhem de forma integrada, sem ultrapassar os limites de resistência. As equações fornecem uma maneira precisa de determinar a resistência de compressão e a rigidez das colunas compostas, seja para colunas encamisadas, preenchidas com concreto ou tubos de aço preenchidos.

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Qualidade das Conexões em Estruturas de Aço: Tipos, Métodos e Inspeção

No contexto das estruturas metálicas, o desempenho das conexões é um dos principais pontos críticos que impacta diretamente na estabilidade e segurança das construções. A qualidade das conexões, sejam elas parafusadas ou soldadas, é um reflexo tanto do projeto quanto da execução. Em muitos casos, mais de 50% dos problemas que surgem durante a operação estão diretamente relacionados ao projeto de conexões, construção inadequada ou falhas no processo de manutenção. A análise das duas formas principais de conexões, a parafusada e a soldada, revela uma série de vantagens e desvantagens que devem ser cuidadosamente avaliadas.

As conexões parafusadas são predominantes em projetos de estruturas metálicas, exceto em estruturas offshore, onde sua utilização é menos comum. A principal vantagem do parafusamento é a rapidez do processo em comparação com a soldagem, sendo uma alternativa eficiente em termos de tempo. Além disso, a conexão por parafusos não apresenta as restrições impostas pelas condições climáticas, que podem afetar negativamente a soldagem. Mudanças inesperadas no tempo podem, de fato, atrasar significativamente as operações de soldagem, o que não ocorre com a fixação por parafusos. No entanto, quando se trata de estruturas de grande porte, a escolha do tipo de parafuso, como os de alta resistência (HSB), deve ser feita com atenção às propriedades mecânicas e ao torque necessário, conforme os valores apresentados nas tabelas específicas.

A soldagem pode ser realizada por diversos processos, sendo o SMAW (Soldagem por Eletrodo Revestido) o mais utilizado em estruturas de aço. Este método, conhecido como soldagem com eletrodo revestido, cria um arco elétrico entre o eletrodo e a peça de aço, produzindo calor suficiente para fundir o metal base e permitir a formação da solda. A qualidade da solda pode ser comprometida por diversas falhas, como porosidade, inclusões de escória e penetração inadequada da junta. A inspeção e controle da qualidade durante o processo de soldagem são essenciais para garantir que essas falhas não comprometam a integridade da estrutura. É fundamental que o inspetor de soldagem esteja atento a esses aspectos, rejeitando qualquer solda que não atenda aos requisitos do código de qualidade.

Outro processo comum, embora mais restrito a oficinas, é o GMAW (Soldagem por Arco de Metal Gaseificado), também conhecido como MIG. Este método, que utiliza uma combinação de gás e ar para proteger a solda, tem limitações em condições de vento ou ambientes contaminados. Além disso, seu equipamento é mais complexo e exige consumíveis especializados. As principais falhas associadas ao GMAW são semelhantes às do SMAW, incluindo porosidade e penetração incompleta.

Além dos métodos de soldagem, a escolha entre solda de filete e solda de topo tem um impacto significativo na resistência e durabilidade da conexão. A solda de filete é caracterizada por um ângulo entre as peças soldadas e pode ser convexa ou côncava, com a precisão na execução da solda sendo crucial para alcançar os resultados esperados. Já a solda de topo é composta por várias partes, incluindo a raiz, o reforço da face e do fundo, e a zona afetada pelo calor (ZAC), todas com funções específicas para garantir a resistência estrutural da solda.

Em termos de controle de qualidade, tanto as conexões parafusadas quanto as soldadas exigem uma abordagem rigorosa para garantir que todas as especificações sejam atendidas. O uso de ensaios não destrutivos, como a ultrassonografia ou a radiografia, é recomendado para detectar falhas ocultas e garantir a integridade das soldas. Além disso, a certificação dos soldadores, a conformidade com os códigos de soldagem como o AWS D1.1, e a verificação das condições de execução são aspectos essenciais para garantir a qualidade da construção.

Como a Variabilidade das Ações e Propriedades dos Materiais Afetam o Projeto de Estruturas de Aço

O projeto estrutural, especialmente no contexto das construções de aço, exige uma compreensão profunda da variabilidade das ações aplicadas e das propriedades dos materiais. Tais variabilidades são fatores essenciais que influenciam a segurança, a confiabilidade e a performance da estrutura ao longo de sua vida útil.

No entanto, quando diversas ações são consideradas simultaneamente, o Eurocódigo sugere que fatores parciais menores podem ser aplicados. Isso ocorre devido à menor probabilidade de ocorrência simultânea das ações máximas de diferentes tipos. Além disso, se uma carga tiver um efeito benéfico, pode-se aplicar um fator de segurança reduzido, o que ajuda a simplificar o processo de análise, sem comprometer a segurança do projeto. Embora seja possível ter uma infinidade de combinações de ações, a prática de engenharia permite identificar e considerar apenas os casos mais críticos, otimizando os cálculos.

A variabilidade das propriedades dos materiais é outro aspecto essencial a ser considerado no design das estruturas de aço. O aço, como material estrutural, possui uma ampla gama de propriedades, sendo a resistência à fluência (yield strength) um dos parâmetros mais importantes. A resistência característica do aço é tipicamente definida como o valor abaixo do qual uma pequena proporção dos valores medidos cairá. Para fins práticos, usa-se um valor nominal de resistência, que geralmente corresponde ao mínimo especificado para o aço em questão. Este valor nominal é então ajustado por fatores parciais de segurança nos materiais, refletindo a incerteza nas propriedades do material.

A confiabilidade do projeto estrutural também está intimamente ligada à compreensão da variabilidade das propriedades materiais. O aço deve ser considerado de forma abrangente, levando em conta o seu comportamento sob diferentes condições de carga e os efeitos de outros fatores ambientais, como temperaturas extremas. O Eurocódigo 3, por exemplo, fornece valores nominais de resistência à fluência e à resistência última para diferentes classes de aço, levando em consideração a espessura do material e sua aplicação em diferentes contextos. Esses dados são fundamentais para que os engenheiros possam realizar cálculos precisos e garantir a segurança e a durabilidade das estruturas de aço.

Outro fator importante são as propriedades materiais menos variáveis, como o módulo de elasticidade, o módulo de cisalhamento, o coeficiente de Poisson e o coeficiente de expansão térmica linear. Embora esses parâmetros sejam menos afetados pela variabilidade do que a resistência do material, ainda assim são essenciais para os cálculos estruturais. A maioria desses valores é tratada de maneira determinística, ou seja, com valores fixos para o cálculo estrutural, sem a aplicação de fatores de segurança adicionais.

É fundamental para os projetistas entenderem como essas variabilidades interagem entre si. A aplicação criteriosa dos fatores de segurança e a escolha dos parâmetros adequados garantem que a estrutura seja segura, eficiente e economicamente viável. O uso de códigos de segurança, como os apresentados no Eurocódigo, não só ajuda a definir os parâmetros de projeto, mas também orienta os engenheiros em suas decisões, garantindo que todas as variabilidades sejam adequadamente tratadas. O design eficaz de uma estrutura de aço exige não apenas a compreensão da variabilidade das ações e das propriedades dos materiais, mas também a habilidade de aplicar as normas de segurança de maneira estratégica, permitindo que se minimizem os riscos sem comprometer a funcionalidade e a economia do projeto.