Projeto e Dimensionamento Básico
Princípios de Cálculo Estrutural em Aço
1. Introdução
O cálculo estrutural em aço é um campo da engenharia civil dedicado à
análise e dimensionamento de elementos estruturais metálicos, garantindo que
estes possam suportar com segurança as cargas a que estarão sujeitos ao longo
da vida útil da edificação. Baseia-se na aplicação de princípios da mecânica
dos sólidos, resistência dos materiais e normas técnicas, como a ABNT NBR
8800:2008, para assegurar que a estrutura atenda aos requisitos de segurança,
funcionalidade e durabilidade.
Este texto aborda os conceitos fundamentais sobre os esforços solicitantes que atuam sobre os elementos estruturais e os critérios de verificação de segurança e estabilidade aplicáveis ao projeto de estruturas de aço.
2. Noções de
Esforços Solicitantes
Os elementos de uma estrutura estão sujeitos a forças externas e internas que resultam em diferentes tipos de esforços. Os principais esforços solicitantes são: tração, compressão, flexão e cisalhamento. O dimensionamento correto de perfis metálicos deve considerar todos os esforços atuantes, individualmente ou em combinação.
2.1 Tração
A tração é o esforço que tende a alongar um elemento estrutural. Os
elementos tracionados são submetidos a uma força axial que atua ao longo do seu
eixo, promovendo o alongamento da peça. Um exemplo típico são os tirantes ou
barras de treliças metálicas.
A tensão de tração é calculada por meio da fórmula:
σt = Nt / A
Onde:
Para garantir a segurança, essa tensão deve ser menor ou igual à
resistência de cálculo do aço, considerando os coeficientes de segurança
previstos em norma.
2.2 Compressão
A compressão é o esforço oposto à tração, atuando de forma a encurtar o
elemento. Em estruturas metálicas, pilares e montantes são frequentemente
submetidos à compressão. Nestes casos, além da resistência axial, deve-se
considerar o risco de flambagem, que é a instabilidade lateral causada
pela esbeltez do elemento.
A esbeltez é definida como:
λ = L / r
Onde:
A flambagem é uma das principais limitações para elementos comprimidos, e
seu cálculo exige atenção especial à forma de restrição das extremidades, ao
comprimento livre e ao tipo de seção.
2.3 Flexão
A flexão ocorre
flexão ocorre quando uma força transversal é aplicada a um elemento
estrutural, gerando momentos fletores que induzem tensões na seção. As vigas
metálicas estão entre os elementos mais comuns sujeitos à flexão. A tensão
máxima ocorre nas fibras mais afastadas do eixo neutro, sendo calculada por:
σf = M⋅y / I
Onde:
No caso de perfis delgados, também é necessário considerar os efeitos de
instabilidade local, flambagem lateral com torção e escoamento do material.
2.4 Cisalhamento
O cisalhamento é um esforço que atua paralelamente à superfície da seção
transversal, podendo causar o deslizamento entre diferentes partes do material.
É comum em vigas metálicas na região próxima aos apoios.
A tensão de cisalhamento média é dada por:
τ = V / Ac
Onde:
O dimensionamento deve verificar se a resistência ao cisalhamento é suficiente, especialmente em conexões parafusadas ou soldadas.
3. Verificação de
Segurança
O dimensionamento das estruturas metálicas segue o método dos estados
limites, conforme definido na NBR 8800. Este método distingue dois tipos
principais de estados limites:
3.1 Fatores de
Segurança
No método dos estados limites, as cargas são majoradas por coeficientes
de ponderação para representar situações extremas, enquanto as resistências
dos materiais são reduzidas por coeficientes de segurança.
A equação geral de verificação é:
∑γf ⋅ F ≤ R / γr
Onde:
Esses fatores são definidos pelas normas técnicas conforme o tipo de solicitação, importância da estrutura e variabilidade dos materiais.
4. Verificação de
Estabilidade
A estabilidade global da estrutura é um dos pontos mais críticos do
projeto estrutural em aço. Deve-se garantir que a estrutura não sofra
deslocamentos ou rotações excessivas que comprometam sua integridade.
4.1 Flambagem
Global
A flambagem
global ocorre quando um elemento comprimido sofre
deslocamento lateral devido à sua esbeltez. Para evitá-la, utiliza-se o fator
de flambagem (χ), calculado a partir da esbeltez reduzida
(λˉ\bar{\lambda}λˉ) e das curvas de flambagem disponíveis na NBR 8800.
O esforço resistente de cálculo à compressão é dado por:
Nrd = χ ⋅ A ⋅ fy / γ
Onde:
4.2 Estabilidade
Lateral de Vigas
Vigas metálicas longas podem sofrer flambagem lateral com torção, especialmente quando não estão adequadamente travadas lateralmente. O dimensionamento deve prever travamentos a intervalos regulares ou o uso de seções mais estáveis, como perfis caixão ou vigas com enrijecedores.
5. Considerações
Finais
O cálculo estrutural em aço exige um conhecimento técnico rigoroso sobre
os tipos de esforços atuantes e as propriedades do material. A correta análise
das solicitações de tração, compressão, flexão e cisalhamento, aliada à
verificação dos estados limites e das condições de estabilidade, é essencial
para garantir a segurança e funcionalidade da estrutura.
Além das fórmulas fundamentais, o engenheiro deve sempre seguir as diretrizes das normas técnicas, utilizar softwares de cálculo reconhecidos e aplicar critérios de projeto compatíveis com a realidade da obra. O domínio dos princípios de cálculo estrutural é uma etapa indispensável na formação do profissional de estruturas metálicas.
Referências
Bibliográficas
Cargas Atuantes em
Estruturas Metálicas: Permanentes, Variáveis e Acidentais
1. Introdução
O dimensionamento de qualquer estrutura depende fundamentalmente da correta definição e consideração das cargas atuantes que incidirão sobre ela ao longo de sua vida útil. Essas cargas são forças externas que produzem efeitos como deslocamentos, tensões e deformações nos elementos
que incidirão sobre
ela ao longo de sua vida útil. Essas cargas são forças externas que produzem
efeitos como deslocamentos, tensões e deformações nos elementos estruturais,
sendo essenciais para as análises de resistência, estabilidade e desempenho.
Na engenharia estrutural, as cargas são tradicionalmente classificadas em três categorias principais: cargas permanentes, cargas variáveis e cargas acidentais. Essa classificação é utilizada no contexto do método dos estados limites, adotado pela norma brasileira ABNT NBR 8681:2003 – Ações e Combinações de Ações para Estruturas de Edificações, que determina como essas cargas devem ser combinadas para verificação da segurança das estruturas.
2. Cargas
Permanentes
As cargas permanentes (também chamadas de ações permanentes) são
aquelas que atuam continuamente ao longo de toda a vida útil da estrutura e não
sofrem variações significativas com o tempo. Elas estão associadas ao peso
próprio da estrutura e de todos os elementos fixos nela incorporados.
Exemplos típicos
de cargas permanentes incluem:
As cargas permanentes devem ser determinadas com base nas dimensões geométricas do projeto e na densidade dos materiais, conforme indicado em tabelas específicas ou catálogos técnicos. Por serem constantes, sua consideração é relativamente simples, mas exige precisão na definição dos materiais e dos acabamentos previstos.
3. Cargas
Variáveis
As cargas variáveis (ou ações variáveis) são aquelas que não
atuam de forma contínua e podem variar em intensidade, posição e
frequência ao longo do tempo. Elas dependem da utilização da edificação e
dos usos a que o espaço será submetido, sendo, portanto, mais incertas do que
as cargas permanentes.
Exemplos de cargas
variáveis:
As cargas de uso e ocupação são especificadas pela ABNT NBR 6120:2019 – Cargas para o Cálculo de Estruturas de Edificações, que estabelece valores mínimos para diferentes tipos de ambiente:
salas de aula, escritórios,
áreas de circulação, depósitos, entre outros.
O projeto deve prever o pior cenário possível de carregamento,
adotando valores característicos majorados segundo os coeficientes
estabelecidos nas normas técnicas.
As ações do vento, por sua vez, são tratadas na ABNT NBR 6123:1988, e envolvem a consideração de pressões positivas e negativas nas superfícies da edificação, de acordo com sua altura, topografia, forma geométrica e localização geográfica.
4. Cargas
Acidentais
As cargas acidentais (ou ações excepcionais) são aquelas que não
se esperam com regularidade, mas que podem ocorrer de forma eventual e
causar efeitos significativos sobre a estrutura. Embora tenham baixa
probabilidade de ocorrência, são incluídas no projeto por representarem riscos
relevantes à integridade da edificação e à segurança dos usuários.
Exemplos de cargas
acidentais:
A ABNT NBR 15421:2006 – Projeto de Estruturas Resistentes a Sismos
trata das ações sísmicas em estruturas, embora sua aplicação seja mais
frequente em determinadas regiões do Brasil com maior atividade sísmica. Já a ABNT
NBR 14432:2001 trata da determinação da carga de incêndio para edificações
e é fundamental para projetos que envolvem segurança contra fogo.
As ações acidentais geralmente são consideradas em combinações específicas de projeto chamadas de combinações excepcionais, que incluem fatores de redução aplicáveis à probabilidade de ocorrência simultânea com outras cargas.
5. Combinações de
Cargas
As combinações de ações são formas sistemáticas de considerar, em
conjunto, as diferentes categorias de cargas atuantes sobre a estrutura. O
objetivo é garantir que o projeto resista às condições mais desfavoráveis
de carregamento possível.
A ABNT NBR 8681 define dois tipos principais de combinações:
As cargas permanentes recebem fatores de ponderação próximos de 1,4, enquanto as cargas variáveis e acidentais recebem fatores entre 1,2 e 1,5, conforme a
situação de cálculo. Nas combinações para o ELS, os fatores são
iguais ou inferiores a 1,0.
O uso dessas combinações permite que o projeto seja mais racional e econômico, evitando superdimensionamentos e promovendo maior eficiência estrutural.
6. Considerações
Finais
A correta definição das cargas atuantes é um dos fundamentos do
cálculo estrutural e essencial para o desempenho adequado das edificações.
Cargas permanentes representam a base fixa do carregamento, cargas variáveis
refletem o uso cotidiano da edificação e cargas acidentais lidam com eventos raros,
mas potencialmente catastróficos.
O engenheiro projetista deve não apenas dominar os princípios mecânicos envolvidos, mas também conhecer profundamente as normas técnicas aplicáveis, que fornecem os parâmetros numéricos e os métodos de combinação adequados. O equilíbrio entre segurança, funcionalidade e economia depende diretamente da precisão na definição e análise dessas ações.
Referências
Bibliográficas
Conexões Metálicas em
Estruturas de Aço
1. Introdução
As conexões metálicas são componentes fundamentais em estruturas de aço,
pois garantem a continuidade entre os elementos estruturais e permitem que os
esforços solicitantes sejam transferidos adequadamente. Seu desempenho afeta
diretamente a resistência, a estabilidade e a durabilidade da estrutura.
As conexões podem ser projetadas para transmitir diferentes tipos de esforços — como tração, compressão, cisalhamento e momento fletor — e devem ser dimensionadas com base nas normas técnicas, como a ABNT NBR 8800:2008, que trata do projeto de estruturas
metálicas e mistas de aço e concreto. Este texto aborda os principais tipos de conexões metálicas, seus componentes e os cuidados necessários no detalhamento para garantir a integridade da estrutura.
2. Tipos de
Conexões
As conexões metálicas podem ser classificadas, quanto à forma de
execução, em parafusadas, soldadas e rebitadas. Cada tipo
possui características específicas quanto à resistência, montagem e
aplicabilidade.
2.1 Conexões
Parafusadas
As conexões parafusadas são amplamente utilizadas por sua praticidade e
facilidade de montagem em campo. Consistem no uso de parafusos de alta
resistência que atravessam as chapas metálicas a serem unidas. Os parafusos
podem trabalhar por cisalhamento, tração ou ambos, dependendo da
posição e da carga.
Existem dois tipos principais:
As conexões parafusadas permitem desmontagens e ajustes, o que as torna
ideais para estruturas modulares e pré-fabricadas. Porém, exigem furação
precisa e controle de torque adequado para assegurar o desempenho estrutural.
2.2 Conexões
Soldadas
As conexões soldadas são obtidas pela fusão localizada do metal das peças
a serem unidas, com ou sem adição de material. Proporcionam continuidade
estrutural, alta resistência e excelente desempenho frente a esforços
combinados.
Os tipos mais comuns são:
A execução de soldas exige controle rigoroso de qualidade, incluindo
qualificação de procedimentos, ensaios destrutivos e não destrutivos (como
ultrassom e líquidos penetrantes). Também é necessário considerar os efeitos
térmicos, que podem gerar tensões residuais e distorções.
2.3 Conexões
Rebitadas
As conexões rebitadas foram muito utilizadas no passado, antes da
popularização da solda e do parafuso de alta resistência. Consistem na
deformação plástica de um pino metálico (o rebite), que é introduzido a quente
no furo e martelado para formar cabeças em ambas as extremidades.
Embora ainda sejam encontradas em estruturas antigas, os
rebites praticamente deixaram de ser utilizados em projetos modernos, devido à dificuldade de execução, menor controle de qualidade e custo elevado. Seu uso é atualmente limitado a aplicações especiais ou obras de restauração.
3. Componentes das
Ligações
A eficiência de uma conexão metálica depende do correto dimensionamento e
especificação de seus componentes. Entre os principais elementos, destacam-se:
3.1 Chapa de
Ligação
A chapa de ligação é o elemento intermediário que conecta dois ou
mais perfis estruturais. Pode ser plana, angular ou perfilada, conforme a
geometria da ligação. Deve possuir espessura e dimensões adequadas para
resistir às tensões geradas pelas cargas aplicadas.
Chapas muito delgadas podem deformar-se localmente (esmagamento ou
flambagem), comprometendo a transferência de esforços. Já chapas excessivamente
espessas dificultam a soldagem e aumentam o custo e o peso da estrutura.
3.2 Parafusos
Os parafusos estruturais são fabricados com aço de alta
resistência e devem atender a normas técnicas específicas, como a ABNT NBR
5580 ou a ASTM A325/A490. São classificados de acordo com sua classe
de resistência (ex: 8.8, 10.9) e seu modo de funcionamento (tração,
cisalhamento, atrito).
Parafusos com arruelas são recomendados para distribuir melhor a carga e
proteger a superfície da chapa. O número, diâmetro, espaçamento e distância
mínima entre parafusos devem seguir as normas para evitar falhas como
arrancamento, esmagamento ou flambagem local.
3.3 Cordões de
Solda
Os cordões de solda são as regiões fundidas que unem os elementos
metálicos. Sua geometria, comprimento e tipo (filete ou de penetração) devem
ser definidos conforme o tipo de ligação e os esforços envolvidos.
É fundamental que o dimensionamento leve em conta a resistência do metal de base, do eletrodo e da zona afetada pelo calor. A execução deve seguir procedimentos qualificados, garantindo a continuidade e integridade da ligação. Cordões mal executados podem apresentar trincas, porosidades e falta de penetração.
4. Cuidados com o
Detalhamento
O detalhamento das conexões é uma etapa essencial no projeto de
estruturas metálicas. Um bom detalhamento assegura não apenas o desempenho
estrutural adequado, mas também a facilidade de fabricação, transporte e
montagem. Os principais cuidados incluem:
4.1
Compatibilidade com os Esforços
As ligações devem ser compatíveis com os esforços solicitantes calculados. Por exemplo, conexões em regiões sujeitas a momentos fletores
elevados exigem ligações rígidas com continuidade de alma e mesa. Já em trechos
apenas tracionados, conexões simples com chapas planas e parafusos podem ser
suficientes.
4.2 Evitar
Concentrações de Tensão
A geometria das conexões deve ser tal que evite descontinuidades bruscas ou cantos vivos, que concentram tensões e podem gerar falhas por fadiga. O uso de enrijecedores, chapas de transição e chanfros é recomendável para melhorar a distribuição das tensões.
4.3 Acessibilidade
e Montagem
As conexões devem ser pensadas considerando o acesso para ferramentas de
montagem (parafusadeiras, soldadores, etc.). Espaços mínimos entre parafusos e
entre elementos são fundamentais para permitir a instalação correta sem
interferências.
4.4 Controle de
Qualidade
Conexões devem ser inspecionadas visualmente e, quando necessário, com
ensaios específicos. O controle de qualidade deve incluir:
Um erro comum em obras é subestimar a complexidade das ligações, o que pode comprometer a segurança e funcionalidade da estrutura como um todo.
5. Considerações
Finais
As conexões metálicas são tão importantes quanto os elementos estruturais
principais, pois representam os pontos de transmissão de esforços entre
diferentes partes da estrutura. A escolha entre conexões parafusadas, soldadas
ou rebitadas deve considerar critérios técnicos, econômicos e operacionais.
O bom desempenho das ligações depende de um projeto cuidadoso,
detalhamento claro e execução rigorosa, conforme as exigências normativas. A
negligência em qualquer uma dessas etapas pode comprometer seriamente a
integridade da estrutura.
O domínio dos conceitos sobre conexões metálicas é, portanto, essencial para engenheiros, técnicos e projetistas que atuam com estruturas de aço.
Referências
Bibliográficas
Análise e Interpretação
de Projetos de Estrutura Metálica
1. Introdução
A correta leitura e interpretação de projetos de estruturas metálicas é
essencial para garantir que a obra atenda aos requisitos de segurança,
funcionalidade, estética e economia. Esses projetos envolvem uma série de
documentos técnicos — como plantas baixas, cortes, elevações, tabelas de perfis
e memoriais de cálculo — que precisam ser compreendidos com precisão por
engenheiros, arquitetos, projetistas, técnicos e profissionais da execução.
A análise do projeto estrutural permite prever o comportamento da edificação frente às cargas atuantes, selecionar os elementos adequados e planejar a montagem em campo. Além disso, com o auxílio de softwares específicos, é possível realizar modelagens e simulações estruturais que tornam o processo de projeto mais confiável e produtivo.
2. Leitura de
Plantas e Cortes
As plantas e cortes de estruturas metálicas compõem a representação
gráfica do projeto, transmitindo informações sobre a geometria, os elementos
estruturais e as ligações. A leitura correta desses documentos exige
conhecimento de simbologia, escalas, projeções ortogonais e convenções
técnicas.
2.1 Plantas Baixas
As plantas baixas representam a estrutura vista de cima, com
cortes horizontais a uma altura convencional, normalmente de 1,20 m. Nelas são
indicadas:
Cada elemento estrutural é identificado por códigos (ex: V01 para viga,
P02 para pilar), que correspondem a legendas ou tabelas com informações
dimensionais.
2.2 Cortes e
Elevações
Os cortes são vistas seccionadas da estrutura, que mostram a
altura dos elementos e o modo como se relacionam verticalmente. São essenciais
para visualizar:
As elevações apresentam as faces externas da estrutura, permitindo a verificação da modulação e da simetria do projeto. A correta interpretação desses desenhos é fundamental para o alinhamento da estrutura, principalmente em obras
com múltiplos pavimentos ou geometrias complexas.
3. Interpretação
de Tabelas de Perfis e Memoriais de Cálculo
Os projetos de estruturas metálicas são acompanhados de tabelas e memoriais que complementam os desenhos, fornecendo dados fundamentais para o dimensionamento e execução da obra.
3.1 Tabelas de
Perfis
As tabelas de perfis metálicos apresentam os elementos utilizados
na estrutura, normalmente organizados por tipo (vigas, pilares,
contraventamentos), identificador, dimensões, peso por metro e material. Os
perfis podem ser:
Essas tabelas também indicam o comprimento de cada elemento, sua seção
transversal e sua aplicação específica no projeto. A leitura correta permite
verificar se o perfil escolhido atende aos critérios de resistência e rigidez
estabelecidos nas normas técnicas.
3.2 Memoriais de
Cálculo
O memorial de cálculo é um documento técnico que descreve os
critérios adotados no dimensionamento da estrutura. Inclui:
A interpretação correta do memorial permite verificar a conformidade do
projeto com as normas, validar os resultados do dimensionamento e tomar
decisões de reforço ou substituição, se necessário.
4. Softwares de
Apoio
O uso de softwares é indispensável no projeto moderno de estruturas
metálicas, pois permite a simulação precisa do comportamento estrutural,
otimiza o tempo de projeto e reduz erros de cálculo. Entre os programas mais
utilizados, destacam-se:
4.1 Ftool
Desenvolvido pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, o Ftool
é um software gratuito para análise de estruturas planas. Permite modelar
vigas, treliças e pórticos em duas dimensões, aplicando cargas e apoios para
obtenção de diagramas de esforços (momentos fletores, esforços normais,
cortantes).
É ideal para análises preliminares, estudos acadêmicos e verificação de
trechos simples de estruturas.
4.2 TQS
O TQS é um sistema comercial amplamente usado no Brasil para cálculo e detalhamento de estruturas de concreto armado, mas também oferece suporte à
integração com estruturas metálicas. Ele permite a criação de modelos
tridimensionais e análise estrutural segundo os estados limites.
Além de fornecer os dimensionamentos, o TQS gera desenhos detalhados,
listas de materiais e memoriais de cálculo, sendo indicado para escritórios de
engenharia e construtoras.
4.3 CypeCAD
O CypeCAD é um software espanhol de engenharia estrutural com
versão brasileira adaptada às normas da ABNT. Permite o cálculo de estruturas
mistas, metálicas, de concreto armado e pré-moldado.
Oferece recursos como modelagem tridimensional, análise estática e dinâmica, geração automática de ligações metálicas e compatibilização com projetos em BIM. É bastante utilizado em projetos complexos e obras de médio e grande porte.
5. Considerações
Finais
A interpretação adequada de projetos de estruturas metálicas exige mais
do que leitura gráfica: requer compreensão dos critérios de dimensionamento,
dos tipos de perfis utilizados, das condições de carregamento e das ferramentas
computacionais aplicadas.
Profissionais envolvidos com projetos e execução devem desenvolver
habilidades específicas para analisar plantas, cortes, tabelas de perfis e
memoriais técnicos com segurança e critério. O domínio de softwares como Ftool,
TQS e CypeCAD complementa essa formação, permitindo avaliações precisas e
tomadas de decisão mais embasadas ao longo do processo construtivo.
A integração entre projeto estrutural, arquitetura e execução é essencial para garantir qualidade, segurança e desempenho das estruturas metálicas, e a análise criteriosa da documentação técnica é o ponto de partida para esse sucesso.
Referências
Bibliográficas
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