Dimensionamento pelo EC3 de Estruturas de Aço Leve

Na construção metálica são utilizados três tipos de elementos estruturais de aço, perfis laminados a quente, perfis de chapa soldada e perfis de chapa fina enformados a frio. Este último tipo de elementos estruturais metálicos, com uma crescente utilização na indústria da construção, é obtido a partir de chapas de pequena espessura, através da dobragem destas por meios mecânicos  (quinagem e laminagem a frio) obtendo-se assim a forma desejada, tipicamente definida por dobras principais que definem almas e banzos, e dobras intermédias ou de extremidade que definem reforços que  aumentam a rigidez das suas paredes.

As principais vantagens da utilização de perfis de aço enformados a frio são:
- Elevada eficiência estrutural, expressa pela óptima relação entre a elevada resistência mecânica e o reduzido peso;
- Os elementos estruturais de aço enformados a frio podem ser fabricados para suportarem cargas reduzidas e, desta forma, optimizar o material empregue. Pelo contrário, os elementos de aço laminados a quente têm geometrias mínimas (limite) pré-definidas, o que obriga muitas vezes ao sobredimensionamento das peças para cargas reduzidas;
- Grande versatilidade de fabrico, traduzida pela possibilidade de produzir economicamente elementos com uma gama variadíssima de geometrias e dimensões;
- Algumas secções são produzidas com a possibilidade de encaixarem sucessivamente umas nas outras, permitindo uma maior economia no seu armazenamento e transporte;
- Possibilidade de pré-fabricação em larga escala;
- Elevada rapidez de montagem;
- Grande facilidade de manutenção;
- Inexistência de retracção e/ou fluência à temperatura ambiente;
- Inexistência de susceptibilidade ao ataque de fungos, xilófagos e térmitas;
- Apresentação de uma qualidade uniforme;
- Constituição de um material (aço) totalmente reciclável e, por isso, exibindo uma elevadíssima sustentabilidade.

As principais desvantagens da utilização de perfis de aço enformados a frio são:
- Comportamento estrutural que envolve vários fenómenos de instabilidade, alguns inexistentes ou pouco relevantes nos perfis de aço laminados a quente;
- Cálculo de resistência de secções e barras mais complexo que noutros tipos de elementos estruturais de aço;
- As relações geométricas cobertas por ensaios associadas incluem secções relativamente tipificadas e limitadas.

O desenvolvimento de tecnologias que permitiram a enformagem a frio deve-se, em primeiro lugar, às indústrias automóvel e aeronáutica. Na indústria da construção, a sua utilização remonta à primeira metade do século XX mas apenas a partir de 1940 ocorre a sua aplicação em edifícios com um carácter mais sistemático. Este facto coincide com a publicação em 1946 pelo AISI (American Iron and Steel Insitute) das primeiras disposições regulamentares relativas ao comportamento estrutural deste tipo de elementos, que tiveram como base o trabalho de investigação desenvolvido pelo Prof. George Winter na Universidade de Cornell, desde 1939.

Nas últimas décadas, a construção com estrutura de aço leve tem sido uma séria competidora da construção mais tradicional em países como os Estados Unidos da América, Canadá, Austrália e em vários países da Europa. Em Portugal, este tipo de estruturas tem sido utilizada essencialmente em substituição de perfis laminados a quente correntemente utilizados como madres de sistemas de suporte de coberturas ou fachadas. No entanto, a sua aplicação na construção de moradias residenciais unifamiliares tem aumentado substancialmente nos últimos anos. A sua procura por parte dos projectistas produziu um efeito colateral traduzido no aumento do número de fabricantes e empreiteiros especializados na construção em aço leve.

Por outro lado, a aplicação de elementos estruturais de aço enformados a frio em remodelação e reabilitação de estruturas antigas tornou-se bastante interessante e competitiva relativamente a outras soluções tradicionais. Tal facto é devido à sua baixa relação peso/resistência e por não sofrer das patologias tipicamente associadas às estruturas de madeira (aumento da deformação ao longo do tempo por efeito da fluência; ataque de fungos e xilófagos; apodrecimento, etc.).

No que diz respeito à produção de elementos estruturais de aço enformados a frio, existem essencialmente duas tecnologias de fabrico: a laminagem a frio (“Cold Rolling”) e a quinagem (“Press braking”).

A laminagem a frio é o processo de fabrico mais correntemente utilizado, pois conduz a uma produção sistematizada, normalizada e extremamente eficiente. Utiliza-se sempre que se pretendem atingir grandes quantidades de produção e perfis com elevada complexidade.

Por outro lado, a quinagem é um processo menos industrializado e por isso essencialmente utilizado para a realização de secções relativamente simples e associado a pequenas quantidades de produção.

Como se referiu anteriormente, o comportamento estrutural dos perfis de aço enformados a frio é bastante complexo e susceptível a um certo número de fenómenos, os quais se citam em seguida:

a) Instabilidades de natureza local e/ou global, as quais são devidas à elevada esbelteza das chapas (paredes) que constituem as paredes deste tipo de perfis e, no caso das secções de parede fina aberta, à baixa rigidez de torção, ocorrem diversos de tipos de instabilidade.

b) Elevada deformabilidade à torção, devido à baixa rigidez de torção mencionada no ponto anterior, e ao facto de, para diversos tipos de secções, o centro de corte não coincidir com o centro de gravidade.

c) Empenamento, que afecta diversos tipos de secção de parede fina aberta quando sujeitas a torção. O tipo de condições de fronteira de uma barra relativamente a este modo de deformação, tem grande influência na sua resistência mecânica.

d) Existência de Reforços (de extremidade e/ou intermédios), os quais permitem melhorar o comportamento estrutural das secções limitando a sua susceptibilidade à deformação local. Estes asseguram pontos de apoio elástico das paredes da secção, diminuindo o comprimento livre para as mesmas flectirem e aumentando o valor da tensão crítica de instabilidade local.

e) Endurecimento do aço junto dos bordos longitudinais na zona de dobragem da chapa, facto que se traduz por um aumento da tensão de cedência e diminuição da ductilidade do aço nesses bordos.

f) Colapso da alma (“web crippling”) nas secções onde estão aplicadas forças concentradas ou nas zonas dos apoios, fenómeno que se deve à elevada esbelteza das paredes que constituem as almas. Este comportamento pode ser evitado pela aplicação de reforços nessas zonas. No processo construtivo aplicado a edifícios de pequeno porte é corrente aplicar chapas na zona dos apoios que servem simultaneamente para conferir rigidez à torção e aumentar a resistência da alma para cargas concentradas.

Autor: Hugo Alexandre Gonçalves Veríssimo
Excerto Adaptado
Imagens Adicionais: Johns Hopkins University, CFS Plus

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