Dimensionamento de Estrutura Metálica para Galpão, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Mecânica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

ANDRESSA MARTINS STORTE

PATRÍCIA BARBOSA SOARES

CÁLCULO ESTRUTURAL E PROJETO

DE UM GALPÃO METÁLICO

UBERLÂNDIA

ANDRESSA MARTINS STORTE

PATRÍCIA BARBOSA SOARES

CÁLCULO ESTRUTURAL E PROJETO

DE UM GALPÃO METÁLICO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia como requisito à obtenção do título de bacharelado de Engenheiro Mecânico. Professor orientador: Hércio Cândido de Queiroz

UBERLÂNDIA

AGRADECIMENTOS

Agradecemos, primeiramente, aos nossos pais, por toda força e sacrifícios feitos para que nós pudéssemos estar aqui. Sem vocês nada disso seria possível, então o nosso grande carinho e gratidão por todos esses anos de incentivo e apoio imensuráveis.

Aos nossos amigos da 88ª turma de Engenharia Mecânica, os quais nos acompanharam durante todo o curso, apoiando, ajudando e auxiliando em todas as etapas dessa graduação.

Ao Professor Hercio, sinceros agradecimentos por todo o apoio, suporte, orientação e conselhos não só na elaboração deste trabalho, mas sim em toda nossa jornada na Faculdade de Engenharia Mecânica.

RESUMO

Este trabalho apresenta o projeto de um galpão, localizado em setor industrial na cidade de Uberlândia. É exposta a concepção do mesmo, bem como seu propósito e a maneira como foi desenvolvido. O dimensionamento da estrutura é feito com base tanto nas cargas usuais quanto acidentais que a mesma deve vir a suportar, de modo que sua integridade não seja afetada.

Figura 32 - Distribuição de cargas no cenário carga acidental + sobrecarga Figura 33 - Cargas e reações Figura 34 - Partes de uma treliça Figura 35 - Momento fletor composto Figura 36 - Perfil C Figura 37 - Momentos fletores provocados pela carga permanente e acidental respectivamente Figura 38 - Cantoneiras formando perfil T Figura 39 - Chapa de união entre as cantoneiras Figura 40 - Chapa de união do banzo superior Figura 41 - Chapa de união do banzo inferior Figura 42 - Pilar com seção I Figura 43 - Detalhamento da composição do pilar Figura 44 - Carregamento para condição de carga permanente+sobrecarga Figura 45 – Carregamento para condição de carga permanente+acidental Figura 46 - Forças atuando no pilar Figura 47 - Esforço atuando sobre o pilar Figura 48 - Contraventamento no pilar Figura 49 - Detalhamento do contraventamento Figura 50 - Fundação escolhida para o projeto Figura 51 - Chumbador do tipo anzol

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Categorias de terreno de acordo com norma NBR 6123 Tabela 2 - Classes de terreno de acordo com norma NBR 6123 Tabela 3 - Determinação do fator S Tabela 4 - Valores mínimos do fator estatístico S Tabela 5 - Coeficientes de pressão e de forma, externos, para telhados com duas águas, simétricos, em edificações de planta retangular Tabela 6- Coeficientes de pressão e de forma, externos, para paredes de edificações de planta retangular Tabela 7 - Esforços no banzo superior Tabela 8 - Esforços na diagonal Tabela 9 - Esforços no montante Tabela 10 - Esforços no banzo inferior Tabela 11 - Relação de cantoneiras selecionadas para a cobertura

1. INTRODUÇÃO

Os galpões são comumente utilizados para armazenagem de objetos, sejam eles produtos acabados ou apenas matéria-prima, de acordo com a necessidade da empresa. Geralmente são alugados e seu uso é de grande vantagem, já que permitem expansão e flexibilização das operações, além de se localizarem próximos aos grandes centros industriais. Podem ser construídos de diferentes maneiras, podendo ser feitos de madeira, concreto, metal, alvenaria, dentre outros. Neste trabalho é exposto o dimensionamento de um galpão composto por estruturas metálicas, construído para fins comerciais/industriais. As estruturas metálicas são amplamente utilizadas em países desenvolvidos e subdesenvolvidos, pois possuem menor custo, menor tempo de execução e viabilizam construções fácies e rápidas. Apresentam também montagem simples, com possibilidade de construção de espaços grandes para armazenamento e obras de infraestruturas como aeroportos e estações de metrô.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 EQUILIBRIO E ANALISE DE FORÇAS

Ao se projetar um membro estrutural, é primordial a análise das forças que atuam no mesmo. Para que um corpo permaneça em equilíbrio existem duas condições: o somatório das forças deve ser nulo para não haja translação e o somatório dos momentos deve ser zero para que não haja rotação. Se tratando de um corpo, a partir das forças externas é possível determinar as reações, sejam elas de apoio ou por contato entre os corpos. O diagrama de corpo livre é uma ferramenta um tanto quanto útil para esse estudo. Nele são especificados todos os esforços e é feita a decomposição dos mesmos de acordo com o eixo de coordenadas adotado.

Figura 1 - Diagrama de corpo livre em uma viga

Fonte: https://engenheiraco.blogspot.com/2016/03/estaticadasestruturas.html (2016) Para cada tipo de apoio presente, são determinadas as forças de apoio. Se for uma articulação móvel, o movimento na direção perpendicular à reta da vinculação fica impedido, ou seja, há apenas um esforço de reação. Já na fixa, o impedimento vale para todas as direções, sendo as reações tanto na vertical quanto horizontal. No caso do engaste, ficam impossibilitados tanto o movimento de translação quanto de rotação, provocando geração de duas forças de apoio (vertical e horizontal) e um momento. Na figura abaixo é mostrado cada um deles:

Figura 4 - Cisalhamento de uma estrutura

Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA3ToAD/ensaio-cisalhamento (2015) Força normal: Como o próprio nome indica, é um esforço ortogonal à seção. Se for de tração, tem valor positivo. Por outro lado, quando de compressão possui valor negativo.

Figura 5 - Forças normal de tração e compressão

Momento torçor: Se caracteriza por fazer parte do corpo girar em relação ao seu eixo. Esse giro provoca deformação que é definida pelo ângulo de torção.

Figura 6 - Exemplo de torção

2.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

Uma das propriedades mais importantes de um material é a sua capacidade de suportar o carregamento sobre ele aplicado. Para se quantificar esse parâmetro normalmente são realizados ensaios de tração ou compressão, a partir dos quais se obtém os limites de carga que antecedem a ruptura do corpo. Fazendo uso dos dados registrados são determinadas a tensão nominal e deformação nominal. A primeira é calculada pela razão entre a carga aplicada e a área original da seção transversal do corpo de prova:

𝜎 = (^) 𝐴𝑃 𝑜 Já para calcular a segunda, basta dividir a variação do comprimento do corpo de prova pelo comprimento de referência original do mesmo:

𝜀 = (^) 𝐿𝛿𝑜

De posse dos números encontrados nesses testes, é possível demonstrar o comportamento do material de forma gráfica, tal como num diagrama tensão- deformação. Através da curva obtida pode-se de certa forma prever como o mesmo vai se comportar conforme a intensidade do esforço colocado sobre ele.

Figura 7 - Diagrama tensão-deformação convencional para um material dúctil

Fonte: http://www.engbrasil.eng.br/pp/res/aula4.pdf (2018)

Lei de Hooke

Como dito anteriormente, num diagrama tensão-deformação de um material dúctil, na região elástica a tensão aplicada possui relação de proporcionalidade com a deformação sofrida pelo corpo de prova. Esse fato foi descrito matematicamente por Robert Hooke através da fórmula: 𝜎 = 𝐸𝜀 Onde: E: módulo de elasticidade ou módulo de Young (GPa) Para o aço é considerada a seguinte faixa de valores: 200000 ≤ 𝐸 ≤ 210000 (𝑀𝑃𝑎). Substituindo as equações de cálculo de tensão em deformação na Lei de Hooke, é possível obter a relação:

𝛿 = 𝐸 ∙ 𝐴𝑃 ∙ 𝐿

Com base nela pode-se inferir que o alongamento de um corpo dependerá do material do qual ele é feito (módulo de elasticidade) e de sua área. O produto desses dois fatores é denominado rigidez. Quanto maior for seu valor, menor será a variação de forma verificada, ou seja, são grandezas inversamente proporcionais.

2.4 AÇO E SEU COMPORTAMENTO

Aço é uma liga formada basicamente por ferro e carbono, sendo que este último componente tem concentração variável entre 0,008% até 2,11%. Possui ainda elementos residuais, os quais, se estiverem com teor acima do normal, influenciam de forma considerável as propriedades mecânicas do material (aços-liga). O aço pode ser classificado de acordo com o teor de carbono. De acordo com Vicente Chiaverini, a classificação mais comum é:  Aços doces: com carbono entre 0,15% e 0,25%;  Aços meio-duros: com carbono entre 0,25 e 0,50%;  Aços duros: com carbono entre 0,50 e 1,4%. A quantidade presente deste elemento possui caráter determinante no comportamento do aço. Quanto maior for, melhores serão a dureza, limites de

escoamento e de resistência à tração. Por outro lado, piores serão sua ductilidade e tenacidade, ou seja, menor é a sua capacidade de absorver impactos.

Figura 917 - Efeitos da concentração de carbono no aço

Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgaN0AG/ferros-acos-10 (2018)

Dependendo da aplicação a que se destina, o aço deve ser submetido ainda a tratamentos térmicos, tais como recozimento ou normalização. Já a introdução de elementos de liga permite melhorar diversos aspectos, tais como: aumentar dureza e resistência mecânica, diminuir peso, conferir resistência à corrosão, elevar a resistência ao calor e ao desgaste, dentre outros. Por aliar baixo custo com fácil manejo e disponibilidade, o aço é amplamente utilizado na indústria. No que diz respeito à engenharia estrutural, é aplicado tanto em elementos fixos (pontes, edifícios) como móveis (carros, navios, aviões). Para servir a este propósito, uma das características primordiais que ele deve apresentar é boa ductilidade. São também requeridas homogeneidade, soldabilidade e resistência razoável à corrosão. De modo a melhorar as condições de projeto, podem também sofrer adição de componentes, passando a receber o nome de aço de alta resistência e baixo teor em liga. No que diz respeito à construção civil, o interesse maior recai sobre os aços de média e alta resistência, já que possuem melhores tenacidade e tensão de escoamento. Por outro lado é fundamental que também se leve em conta fatores como: localização da obra, disponibilidade do material, condições climáticas no local e os custos envolvidos.

Figura 10 - Comprimento de flambagem para diferentes tipos de apoio

Fonte: http://www.labciv.eng.uerj.br/rm4/cap_1.pdf (2018)

Nesse contexto, surge ainda o termo raio de giração, que é uma relação entre a inércia do membro e sua área de seção transversal:

𝑖 = √ 𝐴𝐼

Substituindo essa igualdade na equação anterior: 𝑃𝑐𝑟 = 𝜋

𝐿^2 𝑒^ =

𝜋^2 𝐸𝐴

(𝐿 𝑖𝑒 )^2

A partir disso, surge o conceito de índice de esbeltez, que é a relação entre o comprimento efetivo e o raio de giração:

𝜆 = 𝐿 𝑖𝑒 Assim sendo, a tensão crítica pode ser encontrada por: 𝜎𝑐𝑟 = 𝑃 𝐴 𝑐𝑟= 𝜋

𝜆^2

É válido mencionar que uma estrutura é considerada esbelta sempre que seu comprimento for grande em relação à sua área de seção transversal. Além disso, quanto maior for o índice de esbeltez, maiores as chances da peça flambar. Assim sendo, pode-se perceber que, a ocorrência ou não da flambagem, depende principalmente das características geométricas do membro em questão e

do material do qual ele é feito. Considerando um projeto que prioriza a segurança, utiliza-se a relação:

𝜎̅̅𝑐𝑟̅̅ = 𝜎 𝛾𝑐𝑟 Onde: 𝜎̅̅𝑐𝑟̅̅ – tensão admissível; 𝛾 – coeficiente de segurança. A norma brasileira para estruturas metálicas (NB 14/68 até 1986) possui as seguintes especificações quando o componente é ferro fundido: Para 𝜆 ≤ 105 ∶ 𝜎̅̅𝑐𝑟̅̅ = 1200 − 0,023𝜆^2 (kgf/cm²) Para𝜆 > 105 ∶ 𝜎̅̅𝑐𝑟̅̅ = (^10363000) 𝜆 2 (kgf/cm²) Muitos estudos já foram realizados acerca deste assunto, mas o fato é que para colunas esbeltas é válido fazer uso da equação de Euler. Como pode se observar na imagem abaixo, nessa faixa do gráfico os resultados obtidos pelo método de Euler se aproximam dos valores encontrados experimentalmente. Para casos diferentes é preciso procurar outras formulações empíricas. Figura 11 - Resultados obtidos experimentalmente x curva de Euler (ideal)

_Fonte:https://iesb.blackboard.com/bbcswebdav/institution/Ead/disciplinas/EADG272/nova/aula12.html

2.6 SOLDAGEM

Soldagem é o processo de unir materiais (principalmente os metais), similares ou não, de forma permanente, assegurando na junta a continuidade de suas