Maringá, Junho de 2011. UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Discente: Glauco Brentan da Silva Ra: 47762 Docente: Prof. Dr. Carlos Humberto Martins. PROJETO DE UM MEZANINO METÁLICO
Maringá, Junho de 2011.
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Discente: Glauco Brentan da Silva Ra: 47762
Docente: Prof. Dr. Carlos Humberto Martins.
PROJETO DE UM MEZANINO
METÁLICO
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Sumário 1. OBJETIVO .............................................................................................................................. 3
2. APRESENTAÇÃO DO PROJETO ......................................................................................... 3
3. CONSIDERAÇÕES DE PROJETO ........................................................................................ 4
4. DIMENSIONAMETO DAS VIGAS V2 E V3 ....................................................................... 5
4.1 Carga distribuída ............................................................................................................... 5
4.2 Momento fletor ................................................................................................................. 5
4.3 Esforço cortante ................................................................................................................ 5
4.4 Pré-dimensionamento da seção transversal das vigas ...................................................... 5
4.5 Escolha do perfil ............................................................................................................... 6
4.6 Determinação da força cortante resistente de cálculo ....................................................... 6
4.7 Verificação de flambagem local – FLM e FLA ................................................................ 7
4.8 Determinação do momento fletor resistente de dimensionamento ................................... 7
4.9 Verificação do Estado Limite de Serviço – E.L.S ............................................................ 7
5. DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS V1 E V4 .................................................................... 8
5.1 Carga distribuída ........................................................................................................... 8
5.2 Momento fletor ............................................................................................................. 8
5.3 Esforço cortante ............................................................................................................ 9
5.4 Pré-dimensionamento da seção transversal das vigas ................................................... 9
5.5 Escolha do perfil ........................................................................................................... 9
5.6 Determinação da força cortante resistente de cálculo ................................................... 9
5.7 Verificação da flambagem local – FLM e FLA .......................................................... 10
5.8 Determinação do momento fletor resistente de dimensionamento ............................. 10
5.9 Verificação do Estado Limite de Serviço – E.L.S ...................................................... 10
6. DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS V5 E V6 .................................................................. 11
7. DIMENSIONAMENTO DOS PILARES - (P1 = P2 = P3 = P4) .......................................... 15
8. RESUMO DOS PERFIS ....................................................................................................... 19
9. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................... 19
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1. OBJETIVO
O presente trabalho tem como objetivo principal o dimensionamento das vigas e
pilares metálicos do mezanino, localizado em um espaço interno de vendas de um Shopping
Center.
2. APRESENTAÇÃO DO PROJETO
O mezanino a ser calculado é representado pela figura 1, em que suas dimensões estão
representadas em metros e sua perspectiva na figura 2.
Figura 1: Dimensões do Mezanino.
4
Figura 2: Perspectiva do Mezanino, com seus devidos contraventamentos.
3. CONSIDERAÇÕES DE PROJETO
Para o dimensionamento, foram considerados os seguintes parâmetros de projeto:
Uso como casa de Máquinas, implicando em uma carga acidental de 7,5 KN/m²;
Peso do revestimento igual a 1,5 KN/m²;
Estimativa do peso próprio da estrutura igual a 0,45 KN/m²;
Peso da laje pré-moldada igual a 2,0 KN/m²
Aço Estrutural ASTM A36 para perfis;
Perfis laminados da Gerdau Açominas;
5
4. DIMENSIONAMETO DAS VIGAS V2 E V3
Para o cálculo dos carregamentos das vigas, foram utilizados os seguintes coeficientes
de ponderação das ações:
γg1 = 1,25 (relacionado com o peso próprio da estrutura);
γg2 = 1,35 (relacionado a estruturas moldadas no local e elementos industrializados);
γq = 1,5 (relacionado a ações variáveis, incluindo as decorrentes do uso e ocupação).
4.1 Carga distribuída
Qsd = [ Σ(γg1 x Fg) + (γg2 x Fq1) + Σ(γq x q0 x Fq) ] x Área de influência
Qsd = [ 1,25 x 0,45 + 1,35 x (2,0 + 1,5) + 1,5 x 7,5 ] x 2,5
Qsd = 41,34 KN/m
4.2 Momento fletor
Para a determinação do momento fletor, serão consideradas como vigas bi-apoiadas,
assim o momento é dado por:
Msd = q
8 =
Msd = 218,33 KN/m
4.3 Esforço cortante
Vsd =
=
Vsd = 134,36 KN
4.4 Pré-dimensionamento da seção transversal das vigas
Supondo seção compacta e utilizando a expressão que define o momento resistente de
cálculo, temos:
MRd =
onde:{
6
(Zx)mim =
(Zx)mim =
(Zx)mim = 960,65 cm³
4.5 Escolha do perfil
A escolha do perfil será feita com base na tabela de perfis laminados da Gerdau
Açominas, comparando a resistência plástica mínima exigida com a fornecida pelo
fabricante.
Portanto, o perfil escolhido será o W 360 x 57,8, cuja as características da seção
transversal são:
d = 35,8 cm Ix = 16143 cm4
bf = 17,2 cm Wx = 901,8 cm³
tw = 0,79 cm Zx = 1014,8 cm³
tf = 1,31 cm h = 33,2 cm
A = 72,5 cm² Aw = 27,44 cm²
4.6 Determinação da força cortante resistente de cálculo
Vsd ≤ VRd
=
= 42,03 ≤ 1,10 x √
= 69,57
Então, a expressão que define a força cortante resistente de cálculo é dada por:
VRd =
=
VRd = 374,2 KN
Como a força resistente do perfil escolhido é superior (VRd ≥ Vsd) a força solicitante, o
perfil atende os requisitos quanto ao esforço cortante.
7
4.7 Verificação de flambagem local – FLM e FLA
- Para as mesas – FLM
l ≤ lP
l =
=
= 6,56 ≤ 0,38 √
= 10,7 → Portanto OK!
- Para a alma – FLA
l =
=
= 42,03 ≤ 3,76 √
= 106,3 → Portanto OK!
Então, a seção realmente é compacta.
4.8 Determinação do momento fletor resistente de dimensionamento
MRd =
=
MRd = 230,63 KN.m
Como o momento resistente pelo perfil é superior (MRd ≥ Msd) ao momento
solicitante, o perfil atende os requisitos quanto ao momento fletor.
4.9 Verificação do Estado Limite de Serviço – E.L.S
Segundo a NBR 8800, item 4.7.7.3.2, devido a carga permanente atuar em toda vida
da estrutura, podemos retirar os coeficientes de majoração das cargas permanentes e minorar
(coef. Y2) as ações variáveis, para a verificação do estado limite de serviço.
Assim, o carregamento da viga V2 e V3 é dado a seguir:
Pserviço = [ Σ( Fg) + Σ(Y2 x Fq) ] x Área de influência
Pserviço = [ (0,45 + 2,0 + 1,5) + 0.6 x 7,5 ] x 2,5
Pserviço = 21,125 KN/m
O deslocamento no meio do vão pode ser calculado pela expressão definida abaixo:
8
δatuante =
=
δatuante = 1,52 cm
De acordo com a NBR 8800, tabela c.1, o deslocamento limite para uma viga de piso
é L/350, então:
δLimite =
δLimite = 1,86 cm
Como o deslocamento atuante é menor que o limite (δAtuante ≤ δLimite), o perfil atende o
requisito quanto ao deslocamento limite preconizado pela norma.
Por conseguinte, o perfil escolhido pode ser utilizado sem problemas, pois atende à
todos os pré-requisitos de dimensionamento.
5. DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS V1 E V4
Para a determinação dos carregamentos atuantes, foram utilizados os mesmos
coeficientes de ponderação citados acima.
5.1 Carga distribuída
Qsd = [ Σ(γg1 x Fg) + (γg2 x Fq1) + Σ(γq x q0 x Fq) ] x Área de influência
Qsd = [ 1,25 x 0,45 + 1,35 x (2,0 + 1,5) + 1,5 x 7,5 ] x 1,25
Qsd = 20,67 KN/m
5.2 Momento fletor
Msd = q
8 =
Msd = 109,17 KN/m
9
5.3 Esforço cortante
Vsd =
=
Vsd = 65,68 KN
5.4 Pré-dimensionamento da seção transversal das vigas
MRd =
onde:{
(Zx)mim =
(Zx)mim =
(Zx)mim = 480,35 cm³
5.5 Escolha do perfil
O perfil escolhido será o W 360 x 32,9, cuja as características da seção transversal
são:
d = 34,9 cm Ix = 8358 cm4
bf = 12,7 cm Wx = 479 cm³
tw = 0,58 cm Zx = 547,6 cm³
tf = 0,85 cm h = 33,2 cm
A = 42,1 cm² Aw = 20,51 cm²
5.6 Determinação da força cortante resistente de cálculo
Vsd ≤ VRd
=
= 57,2 ≤ 1,10 x √
= 69,57
Então, a expressão que define a força cortante resistente de cálculo é dada por:
VRd =
=
10
VRd = 279,68 KN
Como a força resistente do perfil escolhido é superior (VRd ≥ Vsd) a força solicitante, o
perfil atende os requisitos quanto ao esforço cortante.
5.7 Verificação da flambagem local – FLM e FLA
- Para as mesas – FLM
l ≤ lP
l =
=
= 7,47 ≤ 0,38 √
= 10,7 → Portanto OK!
- Para a alma – FLA
l =
=
= 57,24 ≤ 3,76 √
= 106,3 → Portanto OK!
Então, a seção realmente é compacta.
5.8 Determinação do momento fletor resistente de dimensionamento
MRd =
=
MRd = 124,45 KN.m
Como o momento resistente pelo perfil é superior (MRd ≥ Msd) ao momento
solicitante, o perfil atende os requisitos quanto ao momento fletor.
5.9 Verificação do Estado Limite de Serviço – E.L.S
O novo carregamento para a verificação do deslocamento será:
Pserviço = [ Σ( Fg) + Σ(Y2 x Fq) ] x Área de influência
Pserviço = [ (0,45 + 2,0 + 1,5) + 0.6 x 7,5 ] x 1,25
Pserviço = 10,56 KN/m
O deslocamento no meio do vão pode ser calculado pela expressão definida
anteriormente ou também pode ser obtida com grande precisão através do programa Ftool.
11
Assim, o deslocamento atuante obtido pelo Ftool é de 1,43 cm.
De acordo com a NBR 8800, tabela c.1, o deslocamento limite para uma viga de piso
é L/350, então:
δLimite =
δLimite = 1,86 cm
Como o deslocamento atuante é menor que o limite (δAtuante ≤ δLimite), o perfil atende o
requisito quanto ao deslocamento limite preconizado pela norma.
Por conseguinte, o perfil escolhido pode ser utilizado sem problemas, pois atende à
todos os pré-requisitos de dimensionamento.
6. DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS V5 E V6
Os carregamentos destas vigas podem ser obtidos pelas forças de reações das vigas
V1, V2, V3 e V4, como mostra a figura 3.
Figura 3: Vigas V5 e V6.
As reações de apoio das vigas são determinadas pelo equilíbrio das forças, em que
seus resultados são mostrados abaixo.
Rv1 = 67,2 KN Rv3 = 134,4 KN
Rv2 = 134,4 KN Rv4 = 67,2 KN
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Com a ajuda do software Ftool, obtemos os diagramas de momento fletor e esforço
cortante atuante, (Figura 4 e 5).
Figura 4: Diagrama de momento fletor.
Figura 5: Diagrama de esforço cortante.
Portanto, o momento fletor utilizado para o cálculo da viga será 336 KN.m, e para o
cálculo do cisalhamento será utilizado o esforço cortante de 134,4 KN.
6.1 Pré- dimensionamento da seção transversal das vigas
MRd =
onde:{
13
(Zx)mim =
(Zx)mim =
(Zx)mim = 1478,4 cm³
6.2 Escolha do perfil
O perfil escolhido será o W 410 x 75, cuja as características da seção transversal são:
d = 41,3 cm Ix = 27616 cm4
bf = 18,0 cm Wx = 1337,3 cm³
tw = 0,97 cm Zx = 1518,6 cm³
tf = 1,6 cm h = 38,1 cm
A = 95,8 cm² Aw = 38,2 cm²
6.3 Determinação da força cortante resistente de cálculo
Vsd ≤ VRd
=
= 39,28 ≤ 1,10 x √
= 69,57
Então, a expressão que define a força cortante resistente de cálculo é dada por:
VRd =
=
VRd = 520,91 KN
Como a força resistente do perfil escolhido é superior (VRd ≥ Vsd) a força solicitante, o
perfil atende os requisitos quanto ao esforço cortante.
6.4 Verificação da flambagem local – FLM e FLA
- Para as mesas – FLM
l ≤ lP
l =
=
= 5,63 ≤ 0,38 √
= 10,7 → Portanto OK!
14
- Para a alma – FLA
l =
=
= 39,3 ≤ 3,76 √
= 106,3 → Portanto OK!
Então, a seção realmente é compacta.
6.5 Determinação do momento fletor resistente de dimensionamento
MRd =
=
MRd = 345,14 KN.m
Como o momento resistente pelo perfil é superior (MRd ≥ Msd) ao momento
solicitante, o perfil atende os requisitos quanto ao momento fletor.
6.6 Verificação do Estado Limite de Serviço – E.L.S
O novo carregamento para a verificação do deslocamento limite das vigas V5 e V6, é
obtido pelas reações de apoio das vigas V1, V2, V3, V4 com os carregamentos reduzidos
utilizados na verificação do E.L.S.
Portanto, a nova configuração do carregamento é mostrado na figura 6.
Figura 6: Carregamento para verificação do E.L.S.
Assim, com o auxilio do software Ftool, obtemos um deslocamento no meio do vão
de 1,82 cm.
De acordo com a NBR 8800, tabela c.1, o deslocamento limite para uma viga de piso
é L/350, então:
15
δLimite =
δLimite = 2,14 cm
Como o deslocamento atuante é menor que o limite (δAtuante ≤ δLimite), o perfil atende o
requisito quanto ao deslocamento limite preconizado pela norma.
Por conseguinte, o perfil escolhido pode ser utilizado sem problemas, pois atende à
todos os pré-requisitos de dimensionamento.
7. DIMENSIONAMENTO DOS PILARES - (P1 = P2 = P3 = P4)
A carga atuante nos pilares pode ser obtida a partir das reações das vigas V5 e V6
mostradas anteriormente. Todos os pilares possuem uma carga de compressão idênticas, por
isso o cálculo será resumido em apenas do pilar P1.
7.1 Carga no pilar P1
A carga no pilar, bem como sua altura é mostrado na figura 7.
Figura 7: Carga no pilar.
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7.2 Escolha do perfil
Normalmente, nos casos de peças comprimidas escolhe-se uma seção e verifica-se a
sua estabilidade. Neste caso será escolhido o perfil W 150 x 13 (1ª Alma), cuja as
características são mostradas abaixo:
d = 14,8 cm Ix = 635 cm4
bf = 10,0 cm Iy = 82 cm4
tw = 0,43 cm h = 13,8 cm
tf = 0,49 cm Ag = 16,6 cm²
7.3 Cálculo da força resistente de cálculo
- Verificação da flambagem local da alma – FLA
- Elementos AA – Possuem duas bordas longitudinais vinculadas
(
)
=
(
)
= 32,09
(
)
= 1,49 x √
= 1,49 x √
(
)
= 42,1
(
)
≤ (
)
→ Não haverá problema de flambagem local da alma, portanto
Qa = 1,0.
- Verificação local das mesas – FLM
-Elementos AL – Possuem um borda longitudinal vinculada
17
=
=10,2
(
)
= 0,56 x √
= 0,56 x √
(
)
= 15,8
≤ (
)
→ Não haverá problema de flambagem local da mesa, portanto
Qs = 1,0.
Assim, a alma e a mesa possuem relação largura/espessura dentro dos limites, ou seja
Q = Qa x Qs = 1,0.
7.4 Condições dos vínculos
Para o dimensionamento do pilar, será considerado sua base engastada e o topo
rotulado, como mostra a figura 8.
Figura 8: Vinculação do pilar P1.
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7.5 Cálculo da carga crítica de Euler
Contribuindo com a segurança, será utilizado o menor momento de inercia do perfil,
que no caso é de 82 cm4.
l0 =
=
NRC = 366,7 KN
7.6 Cálculo do coeficiente de redução l o
l0 =√
= √
l0 = 1,06
Com o va or de redução anterior, podemos encontrar o va or “χ”, oca izado na tabe a
4 da NBR 8800/2008, com valor de 0,625.
Cálculo da resistência à compressão do pilar
NcRd =
=
NcRd = 235,8 KN
7.7 Coeficiente de segurança
N =
=
N ≈ 1,2
O perfil, mesmo sendo considerado leve (1ª Alma) tem resistência bem superior à
solicitante. Mas usaremos este perfil, pois foi o menor encontrado na tabela Gerdau
Açominas.
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8. RESUMO DOS PERFIS
Elemento Perfil laminado
Viga 1 (V1) W 360 x 32,9
Viga 2 (V2) W 360 x 57,8
Viga 3 (V3) W 360 x 57,8
Viga 4 (V4) W 360 x 32,9
Viga 5 (V5) W 410 x 75
Viga 6 (V6) W 410 x 75
Pilar 1 (P1) W 150 x 13
Pilar 2 (P2) W 150 x 14
Pilar 3 (P3) W 150 x 15
Pilar 4 (P4) W 150 x 16
9. BIBLIOGRAFIA
______. ABNT NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e
concreto de edifícios. Rio de Janeiro, 2008.
______. ABNT NBR 6120: Cargas para cálculo de estruturas de edificações. Rio de Janeiro,
1980.
MARTINS, C. H. M. Material de apoio. Oferecido pelo Prof. Dr. Carlos Humberto Martins,
para o curso de Engenharia civil da Universidade Estadual de Maringá.
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