DIMENSIONAMENTO DE PAVILHÕES METÁLICOS EM SOLUÇÕES TRELIÇADAS, Teses (TCC) de Engenharia Civil

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DIMENSIONAMENTO DE PAVILHÕES

METÁLICOS EM SOLUÇÕES TRELIÇADAS

CARLOS MIGUEL VIEIRA TEIXEIRA

novembro de 2017

DIMENSIONAMENTO DE PAVILHÕES METÁLICOS EM

SOLUÇÕES TRELIÇADAS

Carlos Miguel Vieira Teixeira 1110383

2017 Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Mecânica

DIMENSIONAMENTO DE PAVILHÕES METÁLICOS EM

SOLUÇÕES TRELIÇADAS

Carlos Miguel Vieira Teixeira 1110383

Dissertação apresentada ao Instituto Superior de Engenharia do Porto para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob a orientação do Doutor Raul Duarte Salgueiral Gomes Campilho e a coorientação do Engenheiro Luís Augusto Ferreira Rodrigues de Macedo. 2017 Instituto Superior de Engenharia do Porto Departamento de Engenharia Mecânica

Dimensionamento de Pavilhões Metálicos em Soluções Treliçadas CARLOS MIGUEL VIEIRA TEIXEIRA

AGRADECIMENTOS

Ao Engenheiro Luís Augusto Ferreira Rodrigues de Macedo e ao Doutor Raul Duarte Salgueiral Gomes Campilho, orientadores deste projeto, deixo o meu enorme agradecimento por toda a disponibilidade e transmissão de conhecimento, que se revelaram fundamentais à realização da presente dissertação.

Um agradecimento aos meus amigos em geral, por todo o apoio ao longo do curso, sem dúvida que recordarei para sempre os bons momentos de estudo e convívio partilhados ao longo destes anos.

Como os últimos são sempre os primeiros, deixo aqui um grande agradecimento à minha família. Não vale a pena dizer muito pois nunca vou conseguir descrever o quão grato estou para convosco.

RESUMO IX

Dimensionamento de Pavilhões Metálicos em Soluções Treliçadas CARLOS MIGUEL VIEIRA TEIXEIRA

PALAVRAS CHAVE

Eurocódigos; Dimensionamento de estruturas metálicas; Treliças; Análise de custos; Autodesk Robot Structural Analysis Professional.

RESUMO

A adoção de estruturas metálicas tem crescido consideravelmente nos últimos anos, principalmente na construção de edifícios industriais, comerciais e cobertura de grandes espaços.

Este tipo de estruturas aliam as boas características mecânicas do aço e o seu baixo peso específico à facilidade/rapidez do processo de fabrico, pelo que os elementos da estrutura são normalmente pré-fabricados em ambiente industrial e posteriormente montados em obra.

O principal objetivo desta dissertação é estudar a aplicação de soluções em treliça a coberturas de grandes vãos em unidades industriais, com especial enfase para a tipologia e tipo de secção a utilizar. Todas as treliças foram dimensionadas cumprindo os requisitos de segurança impostos pelo Eurocódigo 1 (EC1) e Eurocódigo 3 (EC3).

Concluiu-se que na execução de pavilhões metálicos a utilização de soluções de treliça de tipo Waren é mais vantajosa pois permite uma redução significativa do peso/custo. Foi ainda possível concluir que a utilização de perfis tubulares permite a obtenção de soluções globalmente mais económicas. Relativamento ao número de travamentos a utilizar, foi evidente que o aumento de peso/custo associado à diminuição do número de travamentos não é significativo quando comparado com o valor associado à execução e peso de um número elevado de elementos de travamento.

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS XIII

Dimensionamento de Pavilhões Metálicos em Soluções Treliçadas CARLOS MIGUEL VIEIRA TEIXEIRA

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

Lista de Abreviaturas

EC Eurocódigo/Eurocódigos EC0 Eurocódigo 0 EC1 Eurocódigo 1 EC3 Eurocódigo 3 EC3-1-1 Eurocódigo 3 - Parte 1- MEF Método dos elementos finitos

Lista de Símbolos

A Área total da secção transversal

A eff Área efetiva de uma secção transversal de classe 4

A net Área útil da secção transversal na zona dos furos

C e Coeficiente de exposição

C t Coeficiente térmico

C (^) d Valor limite nas verificações de estados limites de utilização

C i Coeficientes dependentes da forma do diagrama de momentos fletores e das condições de apoio

C z Coeficiente baseado no zonamento do território nacional

c (^) pe Coeficiente de pressão para a pressão exterior c (^) pi Coeficiente de pressão para a pressão interior

E Módulo de elasticidade longitudinal

𝐸𝐸𝐸𝐸 Valor de cálculo do efeito das ações F Força F (^) x Força segundo o eixo xx F (^) y Força segundo o eixo yy

f u Tensão última

f y Tensão de cedência do aço G Módulo de elasticidade transversal 𝐺𝐺𝐺𝐺 ,𝑗𝑗 Valor característico da ação permanente j H Altura I z Momento de inércia da secção em relação ao eixo zz

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS XV

Dimensionamento de Pavilhões Metálicos em Soluções Treliçadas CARLOS MIGUEL VIEIRA TEIXEIRA

σ (^) x,Ed Valor de cálculo da tensão longitudinal σ z,Ed Valor de cálculo da tensão transversal

τ Ed Valor de cálculo da tensão tangencial

χ Fator de redução para a encurvadura χ LT Coeficiente de redução devido à encurvadura lateral φ Imperfeição geométrica equivalente λ Coeficiente de esbelteza normalizada μ i Coeficiente de forma

ÍNDICE DE FIGURAS XVIII

ÍNDICE DE FIGURAS XIX

• FIGURA 1 – DIFERENTES TIPOS DE ESTRUTURAS EM AÇO (ADAPTADO, [6-9]) ÍNDICE DE FIGURAS
• FIGURA 2 – AÇO LAMINADO A QUENTE [10]
• FIGURA 3 – AÇO ENFORMADO A FRIO[11]
• FIGURA 4 – PRINCIPAIS ELEMENTOS DE UM PAVILHÃO METÁLICO[12]
• FIGURA 5 – PÓRTICO DE VIGAS SIMPLESMENTE APOIADAS [13]
• FIGURA 6 – CONSTITUIÇÃO DE UM PORTAL FRAME (ADAPTADO [14])
• FIGURA 7 – GEOMETRIA MAIS VULGAR NA UTILIZAÇÃO DE UM PORTAL FRAME [15]..............................
• FIGURA 8 – DIFERENTES GEOMETRIAS E APLICAÇÃO DE TRELIÇAS (ADAPTADO [13, 16])
• FIGURA 9 – PÓRTICOS DE VIGAS SUPORTADOS POR CABOS (ADAPTADO [13])
• FIGURA 10 – PÓRTICOS EM ARCO [13]
• FIGURA 11 – APLICAÇÃO DE PÓRTICOS EM ARCO [17]
• FIGURA 12 – UNIÃO ENTRE DIVERSOS ELEMENTOS DE UMA ESTRUTURA [19].........................................
• FIGURA 13 – TIPOS DE LIGAÇÕES NORMALMENTE UTILIZADAS (ADAPTADO [19-22])
• FIGURA 14 – CONSTITUIÇÃO DE UMA TRELIÇA [23]
• FIGURA 15 – PONTE COM ESTRUTURA TRELIÇADA[24]
• FIGURA 16 – DIFERENTES TIPOS DE GEOMETRIA DE TRELIÇAS [23]..........................................................
• FIGURA 17 – TRELIÇA SIMPLES [23]
• FIGURA 18 – TRELIÇAS COMPOSTAS [23]
• FIGURA 19 – TRELIÇA COMPLEXA [23]
• FIGURA 20 – EXEMPLO DE ESFORÇOS DE TRAÇÃO E COMPRESSÃO NUMA TRELIÇA [25]
• FIGURA 21 – CARGAS IMPOSTAS NOS NÓS DE UMA PONTE TRELIÇADA [26]
• FIGURA 22 – EXEMPLO DO NÓ DE UMA TRELIÇA E FORÇAS APLICADAS [23]
• FIGURA 23 – EXEMPLO DE CORTE DE UMA SECÇÃO COM O MÉTODO DE RITTER [23]
• FIGURA 24 – VALORES DE CÁLCULO DAS AÇÕES [1]
• FIGURA 25 – DESLOCAMENTOS VERTICAIS [5]
• FIGURA 26 – DESLOCAMENTOS HORIZONTAIS [5]
• FIGURA 27 – GALVANIZAÇÃO [28]..............................................................................................................
• FIGURA 28 – COMPORTAMENTO À FLEXÃO PARA AS DIVERSAS CLASSES DE SECÇÕES [27]
• FIGURA 29 – FATORES PARA O CÁLCULO DO MOMENTO CRÍTICO [27]
• FIGURA 30 – COEFICIENTE C1 E C3 PARA VIGAS COM MOMENTOS DE EXTREMIDADE [27]
• FIGURA 31 – COEFICIENTES C1, C2 E C3 PARA VIGAS COM CARGAS TRANSVERSAIS [27]
• FIGURA 32 – EXEMPLO DE MALHA DE ELEMENTOS FINITOS [29]
• FIGURA 33 – MALHA DE ELEMENTOS FINITOS APLICADA A UMA ESTRUTURA TRELIÇADA.......................
• FIGURA 34 – ELEMENTOS DE BARRA
• FIGURA 35 – ELEMENTOS DE VIGA
• FIGURA 36 – ELEMENTOS DE ESTRUTURA [30, 31]
• FIGURA 37 – CASO DE APLICAÇÃO DO AUTODESK ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS PROFESSIONAL [32]
• FIGURA 38 – ALTITUDE E LOCALIZAÇÃO DO PAVILHÃO INDUSTRIAL [33]
• FIGURA 39 –DIMENSÕES GERAIS DO PAVILHÃO INDUSTRIAL
• FIGURA 40 –DISTÂNCIA ENTRE TRAVAMENTOS NA TRELIÇA Dimensionamento de Pavilhões Metálicos em Soluções Treliçadas CARLOS MIGUEL VIEIRA TEIXEIRA
• FIGURA 41 – ZONAMENTO DO TERRITÓRIO NACIONAL PARA AS AÇÕES DA NEVE [3]..............................
• FIGURA 42 – COEFICIENTE DE FORMA [3]
• FIGURA 43 – DISPOSIÇÃO DA CARGA DA NEVE EM COBERTURAS DE DUAS VERTENTES [3]
• FIGURA 44 – VALORES DA CARGA DE NEVE A APLICAR À ESTRUTURA [KN/M 2 ]
• FIGURA 45 – COEFICIENTES DE PRESSÃO EXTERIOR LOCAIS E GLOBAIS [4]
• FIGURA 46 – ZONAS DE ATUAÇÃO DO VENTO PARA PAREDES VERTICAIS DE EDIFÍCIOS [4]
• FIGURA 47 – COEFICIENTES DE PRESSÃO EXTERIOR PARA PAREDES COM VENTO TRANSVERSAL
• FIGURA 48 – COEFICIENTES DE PRESSÃO EXTERIOR PARA PAREDES COM VENTO LONGITUDINAL
• FIGURA 49 – COEFICIENTES DE PRESSÃO INTERIOR [34]
• FIGURA 50 – ESQUEMA DE ÁREAS PARA COBERTURAS COM VENTO TRANSVERSAL [4]
• FIGURA 51 – CASOS DE DISTRIBUIÇÃO DE COEFICIENTES DE PRESSÃO EXTERIOR
• FIGURA 52 – COMBINAÇÕES RESULTANTES PARA O VENTO TRANSVERSAL NA COBERTURA
• FIGURA 53 – ESQUEMA DE ÁREAS PARA COBERTURAS COM VENTO LONGITUDINAL [4]
• FIGURA 54 – COMBINAÇÕES RESULTANTES PARA O VENTO LONGITUDINAL NA COBERTURA
• FIGURA 55 – TABELA DE COMBINAÇÃO DE AÇÕES
• FIGURA 56 – MODELO DE CÁLCULO UTILIZADO COM CLADDINGS
• FIGURA 57 – AÇÃO DA NEVE NA COBERTURA DO PAVILHÃO INDUSTRIAL
• FIGURA 58 – AÇÃO DO VENTO LONGITUDINAL NO PAVILHÃO INDUSTRIAL..............................................
• FIGURA 59 – EXEMPLO DE TABELA DE RESULTADOS DADA PELO PROGRAMA DE SIMULAÇÃO
• FIGURA 60 – LAYOUT DA FOLHA DE CÁLCULO DAS VERIFICAÇÕES DE SEGURANÇA
• FIGURA 61 – PRINCIPAIS ELEMENTOS ESTRUTURAIS DO PAVILHÃO INDUSTRIAL
• FIGURA 62 – DESIGNAÇÃO DAS TRELIÇAS DO PAVILHÃO INDUSTRIAL
• FIGURA 63 – DESIGNAÇÃO DOS ELEMENTOS DA TRELIÇA E
• FIGURA 64 – SECÇÕES UTILIZADAS APÓS A VERIFICAÇÃO DE SEGURANÇA
• FIGURA 65 – ELEMENTOS DA TRELIÇA A CALCULAR
• FIGURA 66 – DIAGRAMA DE ESFORÇO AXIAL DE TRAÇÃO PARA O ELEMENTO
• FIGURA 67 – DIAGRAMA DE ESFORÇO AXIAL DE COMPRESSÃO PARA O ELEMENTO
• FIGURA 68 – DIAGRAMA DE ESFORÇO AXIAL DE TRAÇÃO PARA O ELEMENTO
• FIGURA 69 – DIAGRAMA DE ESFORÇO AXIAL DE COMPRESSÃO PARA O ELEMENTO
• FIGURA 70 – DIAGRAMA DE ESFORÇO AXIAL DE TRAÇÃO PARA O ELEMENTO
• FIGURA 71 – DIAGRAMA DE ESFORÇO AXIAL DE COMPRESSÃO PARA O ELEMENTO
• FIGURA 72 – DIAGRAMA DE ESFORÇO AXIAL DE TRAÇÃO PARA O ELEMENTO
• FIGURA 73 – DIAGRAMA DE ESFORÇO AXIAL DE COMPRESSÃO PARA O ELEMENTO
• FIGURA 74 – SECÇÃO Z UTILIZADA PARA AS MADRES
• FIGURA 75 – DIAGRAMA DE ESFORÇO AXIAL DE TRAÇÃO PARA O ELEMENTO
• FIGURA 76 – DIAGRAMA DE ESFORÇO AXIAL DE COMPRESSÃO PARA O ELEMENTO
• FIGURA 77 – DESLOCAMENTO HORIZONTAL MÁXIMO DA ESTRUTURA
• FIGURA 78 – DESLOCAMENTO VERTICAL MÁXIMO DA ESTRUTURA..........................................................
• FIGURA 79 – EXEMPLO DE DESLOCAMENTOS VERTICAIS E HORIZONTAIS IMPOSTOS À ESTRUTURA.......
• FIGURA 80 – ESQUEMA COM AS SOLUÇÕES CONSTRUTIVAS ESTUDADAS PARA AS TRELIÇAS
• FIGURA 81 – SECÇÕES UTILIZADAS NA SOLUÇÃO 1 EM PERFIS SHS
• FIGURA 82 – SECÇÕES UTILIZADAS NA SOLUÇÃO 1 EM PERFIS HEA
• FIGURA 83 – SECÇÕES UTILIZADAS NA SOLUÇÃO 2 EM PERFIS SHS Dimensionamento de Pavilhões Metálicos em Soluções Treliçadas CARLOS MIGUEL VIEIRA TEIXEIRA
• FIGURA 84 – SECÇÕES UTILIZADAS NA SOLUÇÃO 2 EM PERFIS HEA
• FIGURA 85 – TRAVAMENTO 1 PARA A SOLUÇÃO
• FIGURA 86 – TRAVAMENTO 1 PARA A SOLUÇÃO
• FIGURA 87 – TRAVAMENTO 2 PARA A SOLUÇÃO
• FIGURA 88 – TRAVAMENTO 2 PARA A SOLUÇÃO
• FIGURA 89 – TRAVAMENTO 3 PARA A SOLUÇÃO
• FIGURA 90 – TRAVAMENTO 3 PARA A SOLUÇÃO
• FIGURA 91 – SOLUÇÃO DE TRAVAMENTO POR TIRANTES
• FIGURA 92 – SOLUÇÃO DE TRAVAMENTO POR TRELIÇAS [35]...................................................................
• FIGURA 93 – PESO E CUSTOS PARA AS DIFERENTES SOLUÇÕES CONSTRUTIVAS
• FIGURA 94 – PESO EM FUNÇÃO DA SOLUÇÃO CONSTRUTIVA E DO TRAVAMENTO UTILIZADO
• FIGURA 95 – PESO EM FUNÇÃO DO TRAVAMENTO E DA SECÇÃO UTILIZADA
• FIGURA 96 – PREÇO EM FUNÇÃO DA SOLUÇÃO CONSTRUTIVA E DO TRAVAMENTO UTILIZADO
• FIGURA 97 – PREÇO EM FUNÇÃO DO TRAVAMENTO E DA SECÇÃO UTILIZADA
• FIGURA 98 – RELAÇÃO €/KG PARA SOLUÇÕES EM PERFIS SHS E PERFIS HEA
• FIGURA 99 – ANÁLISE PARAMÉTRICA E ECONÓMICA GLOBAL