CONCEPÇÕES MODULARES DE ARCOS ESPACIAIS EM
AÇO INOXIDÁVEL UTILIZADO EM COBERTURAS*
Luis Cláudio Cândido (1)
Ernani Carlos de Araújo (2)
Laila Nuić (3)
Resumo
Muitos materiais novos estão surgindo no mercado internacional. No entanto, ainda são poucos os
utilizados no mercado da construção civil em nosso país. Estruturalmente, materiais como o alumínio,
o aço inoxidável e o cobre ainda têm um extenso campo de pesquisa, assim como os materiais
poliméricos. As excelentes propriedades mecânicas, a alta resistência à corrosão, a estética singular
e a baixa exigência de manutenção, são características do aço inoxidável que podem torná-lo
competitivo quando comparado com outros materiais em aplicações estruturais na arquitetura.
Pesquisa-se a viabilidade de utilização deste material como elemento estrutural para coberturas. Tirase partido das concepções modulares de arcos espaciais. À medida que os módulos são agrupados a
estrutura vai formando elementos cruzados dando maior rigidez e estabilidade ao conjunto. Estes
elementos cruzados dão origem à ligação central do módulo, onde o encontro dos elementos
estruturais se dá em uma mesma superfície. Tendo como condição básica a possibilidade de
montagem e desmontagem da estrutura, para aproveitamento da mesma em outros locais, as
ligações são todas parafusadas. Verificou-se que houve uma eliminação de grande quantidade de
elementos complementares de estruturas de estabilização, detalhes e sistemas de ligações.
Simplificaram-se as rotinas de cálculos e detalhamentos dos projetos. Quando comparados com os
sistemas estruturais convencionais verifica-se que as etapas de fabricação e montagem dos
elementos estruturais reduzem drasticamente. Isto reflete em ganhos de tempo e custos.
Palavras-chave: aço inoxidável, sistemas estruturais, construção industrializada, arco espacial,
coberturas.
Abstract
Many new materials are appearing in the international market. However, the ones used in the market
of civil construction still are few in our country. Structurally, materials like the aluminium, the stainless
steel and the copper has had still one big field of research, as well as the polymeric materials. The
excellent mechanical properties, the high resistance to corrosion, the simple aesthetics, and the little
necessity of maintenance are characteristics of stainless steel that might become it competitive when
it is compared with other materials in structural applications in the architecture. It is researched the
viability of using of this material like structural element to coverings. We use like example the modular
conceptions of spatial arcs. While the modules are reunited, the structure creates crossed elements
offering one bigger stiffness and stability to the set. These crossed elements have originated to the
central connection of the module, where the meeting of the structural elements is made in one same
surface. Having like basical condition the possibility of setting and unsetting of the structure, to the use
of it in other places, all the connections are screwed. It was verified that there was one elimination of
big volume of complementary elements of structures of stabilisation, details and connections systems.
The routines of design and detailments of projects were simplified. When compared with the
conventional structural systems it was verified that the steps of the making and setting of the structural
elements are reduced drastically. This has reflected in gainings of time and costs.
Key-words: stainless steel, structural systems, industrialized construction, space arc, roofs.
*VII Seminário Brasileiro do Aço Inoxidável, 23 a 25 de novembro de 2004, São Paulo - SP.
(1) Professor D. Sc., Escola de Minas, UFOP, Ouro Preto/MG.
(2) Professor D. Sc., Escola de Minas, UFOP, Ouro Preto/MG.
(3) Arquiteta M. Sc., Doutoranda, Escola de Minas, UFOP, Ouro Preto/MG.
“As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores”.
1. INTRODUÇÃO
O aço inoxidável é hoje um produto competitivo e representa efetiva solução para
muitos problemas específicos na arquitetura. Suas características técnicas o
colocam como material adequado para áreas inacessíveis e ao mesmo tempo
expostas a intempéries ou sujeitas ao ataque de agentes corrosivos. Como benefício
adicional tem-se a diversidade dos tipos de acabamento superficial oferecendo
grande efeito estético. Sendo um material versátil o aço inoxidável possibilita
inúmeras aplicações na arquitetura, incluindo revestimento de fachadas e
coberturas, fabricação de janelas, portas e móveis, e decoração de ambientes. Além
disso, o aço inoxidável requer apenas um mínimo de manutenção em qualquer de
suas aplicações. Algumas aplicações do aço inoxidável na arquitetura são
exemplificadas a seguir, através de edificações construídas em todo o mundo
(Figuras 1 e 2), (Nickel Development Institute, 2002).
Figura 1 – Edifício Chrysler,
Nova Iorque.
Figura 2 – Pittsburg Civic Arena,Pensilvânia.
O aço inoxidável oferece benefícios quando utilizado em projetos arquitetônicos. Aos
seus atributos técnicos associam-se características econômicas e estéticas (Núcleo
Inox, 2001), tais como: a) Valor a longo prazo. Considerando todos os custos ao
longo do ciclo de vida, o aço inoxidável é freqüentemente a opção de material mais
econômica; b) Baixo custo de manutenção. O aço inoxidável normalmente requer
apenas limpeza periódica com soluções diluídas de sabão neutro em água; c)
Usinabilidade. Com a utilização de equipamentos adequados, o aço inox pode ser
cortado, soldado e conformado com a mesma facilidade do aço comum e outros
materiais; d) Resistência à corrosão. Os tipos de aço inoxidável com menores
teores de liga resistem à corrosão em atmosferas normais e em presença de água
potável, enquanto os tipos com maiores teores de liga podem resistir à corrosão em
soluções ácidas e alcalinas e em ambientes com presença de cloretos; e)
Resistência mecânica. As propriedades mecânicas do aço inoxidável permitem a
utilização de espessuras mais finas, se comparado com outros materiais, com a
conseqüente redução de peso, sem comprometer a resistência. Substanciais
reduções de custo podem ser obtidas aumentando a competitividade do aço
inoxidável em relação a outros materiais utilizados na arquitetura e construção civil;
f) Higiene. O aço inoxidável é reconhecido internacionalmente como a superfície
mais higiênica para o preparo de alimentos. A superfície única do aço inoxidável não
possui poros ou frestas que possam acumular detritos, fuligem ou bactérias. A
facilidade de limpeza da superfície do aço inoxidável o torna a opção preferencial
quando são exigidas condições de extrema higiene, como em hospitais, cozinhas
comerciais, frigoríficos e outras unidades de processamento de alimentos; g)
Aparência estética. A superfície brilhante e de fácil limpeza do aço inoxidável
proporciona aparência atrativa e contemporânea, ideal para um número crescente
de aplicações na arquitetura.
O AÇO INOXIDÁVEL COMO ELEMENTO ESTRUTURAL
O aço inoxidável também pode ser utilizado como elemento estrutural. Um exemplo
deste tipo de uso é a estrutura do conjunto de elevadores construído no Grande
Arco em Paris (Figura 3).
2. MATERIAIS E MÉTODOS
A pesquisa desenvolve-se a partir do estudo do tipo de aço inoxidável mais
adequado para a utilização em elementos estruturais. Em seguida será montado um
modelo em aço inoxidável que será avaliado estruturalmente e comparado com
resultados obtidos em modelos estruturais de aço carbono. Estarão sendo avaliados
tanto os perfis tubulares quanto as ligações.
2.1- Materiais:
Aço inoxidável e aço carbono.
2.2- Métodos numéricos:
As análises propostas exigirão simulações numéricas através da utilização de
softwares disponíveis na UFOP. Usar-se-á programas de análise estrutural através
de elementos de barras e elementos finitos. São softwares científicos e comerciais
disponíveis nos laboratórios de computação do Departamento de Engenharia Civil
da Escola de Minas da UFOP, tais como: Programa GTStrudl; Programa Ansys.
Para o desenho gráfico dos modelos estruturais será utilizado o software de
desenho de precisão, também disponível no mesmo departamento – Programa
AutoCad Drawing.
Para a seleção de materiais e processos será utilizado o programa CES 4.0 –
Cambrigde Engineering Selector.
Figura 3 – Grande Arco, La Defénse, Paris.
2.3- Métodos experimentais:
-
-
Máquina de ensaio à tração – máquina digital computadorizada usada para
caracterização mecânica dos vários materiais;
Pirômetro de infravermelho – equipamento que permite medição remota de
temperatura nos pontos de interesse;
Utilização de mapeamento através de fotografia em infravermelho;
Sistema de aquisição de dados (SAD) – equipamento digital computadorizado
que permite medir as deformações específicas e deslocamentos pontuais em
posições de esforços máximos e mínimos;
Extensômetros eletrônicos – dispositivos elétricos colados aos elementos
estruturais e que fornecem informações de deformações ao SAD;
LVDT – dispositivos elétricos posicionados em determinados pontos dos
elementos estruturais e que permitem fornecer informações de
deslocamentos ao SAD.
2.4- Espaços utilizados para montagem e análise dos modelos:
-
Protótipo em aço com perfis metálicos tubulares, em tamanho natural ⇒
terreno natural cedido no Campus Universitário da UFOP;
Modelo em pórtico espacial em aço inoxidável ⇒ terreno natural cedido no
Campus Universitário da UFOP.
2.5- Modelo estrutural para efeito comparativo
Estudou-se um modelo estrutural para galpões que teve como objetivo pesquisar
módulos estruturais, com utilização de perfis metálicos tubulares, que atendessem a
uma modulação e a uma adequação de uso destinado a oficinas e armazenamento
(Figura 4). Algumas questões foram consideradas, tais como: flexibilidade interna
dos ambientes; espaços amplos; iluminação e ventilação naturais. Os fatores que
levaram à escolha deste tipo de modulação foram: a) o aproveitamento das
potencialidades do perfil tubular; b) partido estético dos perfis, deixando-os
aparentes em toda a edificação; c) esquema estrutural o mais simples possível, para
facilidade de execução e montagem; d) espaços internos livres, viabilizando o
máximo de flexibilidade interna.
Figura 4 – Perspectiva da edificação.
A partir de um mesmo modelo estrutural foi possível trabalhar com dois conjuntos
modulares, a forma trapezoidal ou os elementos cruzados. Estes modelos estão
apresentados com mais detalhes na Figura 5. Cada módulo possui 8m de altura no
seu eixo central e 16m de largura (seção transversal da edificação), cobrindo uma
área de 160 m2. Não foram considerados para efeito deste estudo galpões com
utilização de pontes rolantes. Para a execução deste tipo de módulo e seus vários
agrupamentos são necessários apenas dois tipos de ligações: a) ligações na base
do perfil; b) ligações no topo da estrutura. Tendo como condição básica a
possibilidade de montagem e desmontagem da estrutura, para aproveitamento da
mesma em outros locais, as ligações são todas parafusadas. As ligações de base
utilizadas neste projeto são todas padronizadas, bem como as ligações de topo. A
ligação central é formada por quatro chapas dobradas, soldadas nos tubos e
parafusadas entre si. A ligação de base é formada por uma chapa de base soldada
no tubo. A curvatura do elemento estrutural não é simétrica em relação ao eixo
central, desenvolvendo-se com raios diferentes. Para efeito de cálculo e facilidade
de execução, foram aplicados apenas dois valores de raios. De um lado a curvatura
possui um raio menor, gerando um pé-direito maior possibilitando, assim, um melhor
aproveitamento do espaço interno.
1
2
3
4
5
Figura 5 – Modelo estrutural com desenvolvimento da edificação através do
agrupamento dos módulos. (1) Módulo-base com cobertura – modelo trapezoidal. (2)
Módulo-base sem cobertura – modelo trapezoidal. (3) Modelo cruzado.
(4) Cruzamento da estrutura formado pelo agrupamento do módulo-base.
(5) Possibilidades de cobertura.
3. RESULTADOS
3.1- Resultados preliminares
A verificação do sistema estrutural foi feita através de duas etapas de avaliação. A
análise teve como objetivo avaliar a eficiência do sistema estrutural tanto pelo
aspecto diferenciado do cruzamento dos seus elementos quanto pela utilização da
curvatura. Esta verificação foi feita comparando-se o modelo estrutural proposto com
soluções estruturais já conhecidas. O efeito do cruzamento da estrutura foi avaliado
comparando-se o pórtico em arco espacial com pórticos planos contraventados. A
eficiência da curvatura, por sua vez, foi analisada comparando-se os resultados
obtidos com o modelo de raios diferenciados (ARD) e os resultados de outras
curvaturas como a semicircunferência e a parábola. A análise estrutural foi realizada
a partir de variações no modelo proposto, no número de módulos repetidos, como
também, no tipo de pórtico adotado.
Além destes, também foram elaborados mais 10 modelos de estrutura em pórtico
espacial, variando-se os modelos básicos, o número de módulos agrupados e os
espaçamentos entre eixos nas direções transversal e longitudinal. Um dos objetivos
foi comparar as áreas de projeção de cada modelo com o peso da estrutura de cada
um, bem como as vantagens e desvantagens resultantes destas variações para a
edificação. A análise estrutural dos modelos foi feita observando-se as variações no
comportamento da estrutura com relação aos deslocamentos e aos esforços
atuantes.
A Tabela 1 apresenta os resultados dos deslocamentos considerando-se os modelos
analisados, comparando-se os maiores deslocamentos ocorridos nos modelos com
os três tipos de arcos.
Os maiores valores encontrados para os deslocamentos foram devidos ao
carregamento 5 em todos os três modelos, pórtico espacial, pórtico plano e pórtico
plano contraventado, com utilização do arco ARD. Os gráficos contendo os valores
dos resultados dos deslocamentos devidos ao carregamento 5, tanto na direção “x”
quanto na direção “z”, para os três modelos estão representados nas Figuras 6 e 7,
respectivamente.
pontosdefixaçãodasterças
deslocamentos (m)
0,000
-0,002
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
-0,004
-0,006
-0,008
-0,010
-0,012
-0,014
espacial
plano
planocontraventado
Figura 6 – Deslocamentos na direção “x” para os três pórticos. Carregamento 5.
deslocamentos (m)
0,012
0,010
0,008
0,006
0,004
0,002
0,000
-0,002
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
pontosdefixaçãodasterças
-0,004
espacial
plano
planocontraventado
Figura 7 – Deslocamentos na direção “z” para os três pórticos. Carregamento 5.
Tabela 1 – Resultados dos deslocamentos. Comparativo entre os três tipos de arco.
Pórtico espacial
Pórtico plano
Pórtico
plano
contraventado
Direções
“x”
“z”
“x”
“z”
“x”
“z”
Carregamento 5 – V3 Carregamento 5 – V3 Carregamento 5 – V3
Arco
ARD
Carregnto.
6 – V4
Carregnto.
1 - CP
Carregnto.
6 – V4
Carregnto. 1
- CP
Semicircunferência
Carregamento 6 – V4
Carregamento 7 – V5 Carregamento 7 – V5 Carregamento 7 – V5
Parábola
Observações
-utilização de um mesmo perfil para o cálculo de todos os modelos;
-a cor verde corresponde à forma deformada;
-os carregamentos apresentados foram os que evidenciaram os maiores
valores para os deslocamentos.
Considerando-se o pórtico espacial, tem-se nos gráficos a seguir (Figuras 8 e 9) os
valores dos deslocamentos na direção “x” e na direção “z” levando-se em
consideração os maiores valores obtidos para os deslocamentos. As condições de
carregamento onde se evidenciaram os maiores deslocamentos são:
a) Arco ARD – carregamento 5;
b) Semicircunferência – carregamento 6;
c) Parábola – carregamento 7.
0,020
arco 1
deslocamentos (m)
0,015
arco 2
0,010
0,005
0,000
-0,005
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
-0,010
-0,015
pontos de fixação das terças
-0,020
arco
semicircunferência
parábola
Figura 8 – Deslocamentos na direção “x” para o pórtico espacial.
arco 1
deslocamentos (m)
0,010
arco 2
0,005
0,000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
-0,005
-0,010
arco
pontos de fixação das terças
semicircunferência
parábola
Figura 9 – Deslocamentos na direção “z” para o pórtico espacial.
Com relação aos resultados dos esforços, analisou-se a força normal, a força
cortante, o momento fletor e o momento torçor. Os desenhos apresentados na
Figura 10 correspondem aos resultados obtidos para os modelos que constam de
um módulo – arco ARD, sendo que todos estes esforços são resultantes da
combinação de cargas 1 (NBR 8800).
Além dos aspectos estruturais positivos apresentados pelo modelo estrutural
proposto (arco ARD em pórtico espacial), este também possui características
geométricas que contribuem para a utilização interna do ambiente, bem como
benefícios estéticos para o conjunto arquitetônico.
força cortante – plano x-z
força cortante – plano y-z
força normal
momento fletor – plano x-z
momento fletor – plano y-z
momento torçor
Figura 10 – Esforços atuantes em estrutura de um módulo com pórtico espacial.
Arco ARD.
3.2- Resultados esperados
Pretende-se com esta pesquisa avaliar a utilização do aço inoxidável como elemento
estrutural, procurando-se identificar os tipos mais apropriados para o uso em
estruturas.
4. DISCUSSÃO
DESLOCAMENTOS
⇒ Verificou-se que o ângulo interno entre os arcos, adotado na estrutura,
condiciona a sua melhor eficiência.
⇒ Os resultados dos deslocamentos na direção “y” foram bastante pequenos. Este
resultado traduz a eficiência do tipo de contraventamento adotado no sistema
estrutural – pórtico espacial, modelo cruzado. Sendo autoportantes, os módulos
trabalham quase que isoladamente, já que as cargas sobre a estrutura, para efeito
de cálculo, foram lançadas sobre os arcos.
Para os três tipos de pórticos
⇒
Os carregamentos 5 e 6 (vento 3 e vento 4) provocam os maiores
deslocamentos na estrutura. Em contraposição, os carregamentos 3 e 4 (vento 1 e
vento 2) ocasionam deformações bem inferiores. Sendo assim, a curvatura
proporciona um melhor aproveitamento da estrutura quando se posiciona o lado com
maior raio para o sentido da direção dos ventos predominantes. Com relação aos
deslocamentos, os três sistemas construtivos (pórtico espacial, plano e plano
contraventado) apresentaram pouca diferença nos valores dos resultados, sendo
que o pórtico espacial apresentou valores intermediários, podendo este ser utilizado
sem restrições.
⇒ Com relação aos valores máximos encontrados para os deslocamentos entre os
seis modelos, o modelo 3 obteve a melhor situação, apresentando, dentre os valores
máximos, os menores valores tanto para os deslocamentos na direção “x” quanto na
direção “z”. Isto se deve ao ângulo de cruzamento adotado para este modelo.
Para os três tipos de curvatura
⇒ Para o arco ARD, nos três tipos de pórticos, os maiores deslocamentos ocorrem
quando é aplicado o carregamento 5 na estrutura, tanto na direção “x” quanto na
direção “z”.
⇒ Arco em semicircunferência: Analisando-se o pórtico espacial, este obteve uma
maior deformação quando aplicado o carregamento 6 na estrutura. Este resultado foi
obtido para deformações na direção “x” e também na direção “z”. Com relação ao
pórtico plano, os maiores deslocamentos ocorreram quando aplicados os
carregamentos 1 e 6. Para o pórtico plano contraventado as maiores deformações
ocorreram com os carregamentos 1 e 6.
⇒ Arco em parábola: os resultados dos deslocamentos em seus valores máximos,
foram devido à aplicação do carregamento 7 na estrutura. Este resultado ocorreu
para os três tipos de pórtico – espacial, plano e plano contraventado – tanto na
direção “x” quanto na direção “z”.
⇒ Para os três tipos de arco verificou-se que o arco em semicircunferência obteve
valores menores que o arco ARD e o arco em parábola.
ESFORÇOS ATUANTES
Para os três tipos de pórticos
⇒ Comparando-se os três sistemas estruturais com um módulo, os valores
nominais apresentaram-se com poucas alterações entre si. Para os três casos –
pórtico espacial, pórtico plano e pórtico plano contraventado – obteve-se um
resultado bastante próximo, tendo porém, o pórtico plano contraventado, alcançado
valores um pouco menores.
Para os três tipos de curvatura
⇒ Comparando-se os três tipos de curvatura, o arco em semicircunferência obteve
valores menores que os demais.
FORMATO GEOMÉTRICO
Arco ARD – Semicircunferência - Parábola
⇒ Um fator importante e que define a utilização de cada tipo de curvatura são as
necessidades de projeto, principalmente com relação ao pé-direito. Sobrepondo-se
as curvaturas e comparando-se separadamente o arco ARD com a
semicircunferência e com a parábola observa-se esta diferença. A
semicircunferência sendo simétrica na sua curvatura possui a mesma situação de
altura nos dois lados. Já o arco ARD apresenta, de um lado, a alternativa de melhor
aproveitamento do pé-direito se o projeto assim o exigir. A parábola, também com
simetria na sua curvatura, apresenta características diferentes. Com um pé-direito
bem maior que os outros dois modelos, o arco em parábola é capaz de atender às
outras necessidades de projeto. Comparando-se a parábola com o arco ARD, no
lado em que a curvatura possui um raio menor, existe de fato, um aproveitamento
bem melhor do pé-direito utilizando-se a curvatura proposta.
Arco ARD
Semicircunferência
Arco ARD
Parábola
5. CONCLUSÕES
As análises dos resultados possibilitaram concluir que os sistemas modulares de
arcos espaciais em aço inoxidável propostos para utilizações em coberturas,
apresentam características importantes que podem ser traduzidas em; ganho de
espaço interno (maior espaço útil); eficiência na estabilidade estrutural; facilidade de
execução (Fabricação e Montagem); simplicidade estrutural; redução no número de
ligações; variedade de arranjos do módulo proposto; formato geométrico favorável à
distribuição das ações do vento quando a direção predominante do mesmo coincide
com o eixo transversal da edificação; indicação de aplicações em obras onde se
exige rapidez de execução e alta resistência à corrosão (ambientes marítimos,
indústrias químicas, coberturas de piscinas, etc). E ainda, onde se deseja atender as
exigências de arquitetura na exploração plástica do material.
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NICKEL DEVELOPMENT INSTITUTE. Timeless Stainless Architecture. Série
no.11023. 2002.
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NICKEL DEVELOPMENT INSTITUTE. Answers for Architects Who Design for
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