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O que é uma estrutura porticada e como projetá-la

Tudo o que você precisa saber sobre estruturas porticada: materiais utilizados, tipos de comportamento estático, técnicas de projeto

A estrutura na construção, por definição composta por vigas e pilares, representa um elemento fundamental no projeto de edifícios e desempenha um papel crucial na estabilidade e durabilidade de uma estrutura.

Neste artigo, veremos os aspectos mais importantes relacionados às estruturas porticada, identificando os elementos que as caracterizam, os diferentes tipos em relação aos diferentes materiais utilizados e as várias categorias de comportamento estático.

Também mostraremos a você com um vídeo como é simples e rápido modelar estruturas em quadro com um software BIM de projeto estrutural.

Visualização gráfica de uma estrutura porticada

Visualização gráfica de uma estrutura porticada

O que é uma estrutura porticada

A estrutura porticada é um sistema estrutural composto por uma estrutura de vigas e pilares que formam um conjunto de quadros. O quadro, definido como o elemento estrutural composto por dois pilares verticais e uma viga horizontal rigidamente conectados, repete-se tanto no plano horizontal quanto no vertical. Essa disposição permite uma continuidade estática e o uso eficiente do espaço com limitados obstáculos planimétricos.

Os pilares – elementos verticais entre andares – podem ser alinhados (formando uma pilha) ou posicionados a uma distância um do outro com base na luz ideal para os pisos, seguindo uma malha regular de forma quadrada, retangular ou triangular. As vigas – elementos horizontais do pórtico – são dispostas em sucessão e constituem a treliça das estruturas em pórticos.

As estruturas em pórticos trabalham principalmente em regime de flexão e corte, compressão e flexão. Pilares e vigas são os elementos-chave desta estrutura. O pilar, elemento vertical de suporte, transmite cargas da estrutura superior para a fundação, submetendo-se a cargas verticais e horizontais, solicitações de esforço normal, momento fletor ou flexão sob pressão.

A viga, semelhante ao pilar, mas com dimensões predominantemente maiores, é definida geometricamente como um sólido gerado por uma figura plana em movimento no espaço, mantendo-se ortogonal às trajetórias descritas pelo seu eixo. As vigas recebem o peso estrutural e o tranferem aos pilares, podem ser principais ou secundárias, com diferentes seções como retangulares ou perfiladas em I, T, L, C, H, etc., a fim de reduzir o peso e otimizar o uso do material de acordo com as solicitações.

As vigas também podem apresentar seções aligeiradas, como perfis caixa, caixão ou reticulados. As vigas caixão, adequadas para grandes vãos, são constituídas por seções fechadas ocas com elementos de reforço internos. As vigas reticuladas, compostas por hastes verticais e diagonais, são ideais para esforços axiais e podem ser articuladas nos nós, fornecendo um sistema de hastes sujeitas a compressão ou tração, dependendo da posição na malha reticulada.

Tipos de estruturas porticada

A estrutura porticada pode ser dividida em diferentes tipos em relação tanto aos materiais quanto ao comportamento estático. Vamos ver juntos essas diferenças.

Materiais

Os materiais geralmente utilizados para estruturas porticada são concreto, aço e madeira.

Pórticos em concreto armado

As estruturas em concreto armado para edifícios, sujeitas a ações horizontais, podem garantir a estabilidade através da implementação de nós estruturais nas travessas. Esses nós atuam como dissipadores de energia, inserindo armaduras adicionais para evitar a expulsão do concreto durante eventos sísmicos. Alternativamente, podem ser utilizadas paredes de concreto armado, chamadas núcleos resistentes, como vãos verticais.

Pilares e vigas em estruturas em concreto armado podem assumir diferentes formas, como quadrada, em U, em T, em L ou em I. As vigas podem variar em altura, espessura e podem ser extradorso. As estruturas podem ser moldadas no local com barras de aço posicionadas em formas, garantindo uma boa continuidade na transmissão das solicitações através de ancoragens das barras metálicas nas moldagens.

Uma solução mais rápida é o uso de blocos de cofragem nos quais o concreto é derramado. Nestas soluções, os pilares podem ser feitos com blocos que abrigam a armadura, e as vigas podem ser feitas de blocos ocos. Para estruturas completamente pré-fabricadas ou semi-pré-fabricadas, podem ser adotadas diferentes configurações, garantindo boa flexibilidade de uso e custos limitados de produção e montagem.

Pórticos de aço

As estruturas em aço são usadas para edifícios civis e industriais. Nos quadros longitudinais, os edifícios civis apresentam estruturas verticais, enquanto os industriais têm estruturas horizontais com contraventamentos longitudinais. Os edifícios com pórticos longitudinais podem incorporar contraventamentos verticais, internos ou na fachada, para aumentar a rigidez a flexão. Além disso, para edifícios de grande altura em zonas sísmicas, podem ser projetadas soluções onde os suportes verticais resistem apenas às cargas verticais e estruturas rígidas lidam com as forças horizontais.

As estruturas em metal envolvem a montagem no local de perfis e laminados através de parafusos ou soldagem. Estes podem ser de parede cheia, caixa ou reticulados. As conexões viga-pilar podem ser feitas por meio de diferentes técnicas, como parafusos, soldagem ou apoios em consoles. Estruturas com sistemas industrializados tornam a construção mais econômica, permitindo a pré-fabricação e a organização do transporte e montagem.

Pórticos de madeira

As estruturas em madeira podem ser realizadas em madeira maciça ou laminada colada. As conexões podem ser feitas com parafusos, pregos ou encaixe com adesivo. Os vãos das vigas e o tamanho das malhas estruturais variam de acordo com as necessidades, com soluções em madeira que oferecem flexibilidade de projeto e montagem.

As conexões entre vigas e pilares podem ser feitas por meio de ângulos, placas pregadas ou soldadas, parafusos ou placas metálicas internas. O reforço contra ações horizontais pode ser obtido através de painéis de fechamento, painéis de piso ou contraventos reticulados metálicos. As estruturas em madeira podem ser particularmente adequadas para construções residenciais.

Comportamento estático

Quanto ao comportamento estático, podemos ter as seguintes categorias.

Pórticos isostáticos

Os pórticos isostáticos são estruturas estaticamente determinadas, o que significa que é possível resolver completamente todas as reações e forças internas usando as equações de equilíbrio. Os mesmos são caracterizados por um número suficiente de vínculos para garantir a estabilidade e a determinação do sistema. Exemplos incluem pórticos retangulares e triangulares, onde as restrições nas junções garantem uma clara resolubilidade das forças internas.

Pórticos hiperestáticos

Os pórticos hiperestáticos são estruturas estaticamente indeterminadas, o que significa que o número de vínculos e reações restritivas não é suficiente para resolver completamente todas as reações e forças internas. Os mesmos requerem o uso de métodos mais avançados, como o método das forças ou o método das deformações, para obter uma solução. Exemplos incluem pórticos com excesso de suportes ou vigas engastadas, que requerem uma abordagem mais sofisticada na determinação das forças internas.

Pórticos com nós fixos

Os pórticos com nós fixos são caracterizados por junções rígidas entre as vigas e os pilares. Isso significa que os nós não podem girar e que o pórtico pode resistir a deformações sem permitir deslocamentos significativos nas junções. Esses pórticos são frequentemente usados em situações em que é necessária maior rigidez e resistência à deformação.

Pórticos com nós móveis

Os quadros com nós móveis são caracterizados por junções flexíveis entre as vigas e os pilares. Isso significa que os nós podem girar, permitindo maior flexibilidade no comportamento estrutural. Esses quadros são frequentemente usados em situações em que é necessária maior adaptabilidade às deformações ou para lidar com cargas variáveis.

Representação de um nó de uma estrutura porticada de aço

Representação de um nó de uma estrutura porticada de aço

Elementos que constituem a estrutura porticada: pilares e vigas

Aqui estão algumas informações sobre vigas e pilares feitos de diferentes materiais.

Pilares e vigas em concreto

Na fase de projeto, cálculo e execução de pilares e vigas em concreto, é fundamental respeitar as normas vigentes.

O pilar em concreto armado, para simplificar o processo construtivo, muitas vezes assume forma quadrada ou retangular, raramente circular. A disposição das barras de ferro longitudinais é fundamental e pode variar dependendo das solicitações no elemento. A morfologia e a disposição das barras são influenciadas pelas condições de carga e restrição. A armadura longitudinal, colocada para resistir às solicitações de tração, é complementada por uma armadura transversal constituída por estribos de pequeno diâmetro para evitar dilatações e flexões laterais.

Os pilares dos últimos andares, com cargas reduzidas, podem ter dimensões menores, mas exigem uma maior porcentagem de ferro para resistir a solicitações como a pressão do vento. Os cortes nos pilares internos e perimetrais são feitos para equilibrar as cargas em cada seção, garantindo um resultado baricêntrico.

Os pilares em concreto armado podem ser moldados no local ou pré-fabricados em oficina. As barras e estribos dos pilares pré-fabricados geralmente têm diâmetro menor em comparação com os dos pilares moldados no local.

Quanto às vigas, elas exploram as características mecânicas do concreto para resistir a solicitações de compressão, enquanto o aço, na forma de barras de aço, lida com as ações de tração. Para vãos de até 8-10 metros, podem ser utilizadas vigas de concreto armado de seção cheia; para vãos superiores a 12 metros, é recomendado um sistema duplo de vigas principais e secundárias. Para vãos ainda maiores, pode-se recorrer a vigas de concreto armado pretendido.

Para garantir segurança em caso de incêndio, a armadura de aço dos pilares e vigas deve ser devidamente coberta com pelo menos 2 cm de concreto (cobrimento), aumentado para 4 cm em ambientes agressivos.

A escolha das dimensões ideais das vigas depende de vários fatores, incluindo a relação base/altura e a orientação da viga apoiada, engastada ou em balanço.

Estrutura porticada em concreto armado realizada com Edilus

Estrutura porticada em concreto armado realizada com Edilus

Pilares e vigas em aço

Os pilares de aço podem assumir diferentes formas, incluindo perfis circulares, quadrados ou retangulares, bem como perfis do tipo HE, caracterizados por uma menor vulnerabilidade aos efeitos de instabilidade devido à esbeltez. Alternativamente, é possível construir um pilar combinando semiacabados que, por meio de conexões, constituem elementos compostos. O tipo de conexão entre os elementos compostos influencia o comportamento estrutural: a parafusagem e a fixação requerem elementos móveis e furos prévios, enquanto a soldagem, graças à fusão metálica, evita a necessidade de furos, obtendo assim elementos monolíticos. Para o cálculo de estruturas de aço, você pode usar um software de design de conexão de aço.

A capacidade de carga de um pilar metálico é influenciada por sua esbeltez, que por sua vez orienta a escolha da seção transversal. Perfis tubulares circulares oferecem a máxima inércia à flexão lateral, enquanto seções quadradas mostram bom comportamento sob cargas concentradas. No entanto, o uso desses perfis é limitado devido às dificuldades e custos associados à montagem com outros elementos estruturais. As seções abertas estão sujeitas a flexão e, para cargas críticas, também a torção. As seções IPE e HE são as mais comumente usadas.

A viga de aço pode ser projetada como uma parede cheia (com perfis de seção simples ou composta), caixão ou treliça. Perfis “duplo T” são comumente usados como vigas portantes, enquanto outros tipos como “C”, “L”, “T”, etc., são usados para formar vigas compostas ou treliças. A altura da viga simples de “duplo T” depende do momento fletor atuante na viga. Em caso de altura excessiva de um único perfil, é possível usar elementos gêmeos espaçados e conectados separadamente ao pilar ou acoplados entre si.

A conexão entre as várias partes de um pilar composto de aço ocorre 40-50 cm acima do nível do piso. Os dois troncos do pilar podem ter a mesma seção ou seções diferentes, e a conexão pode ser feita por soldagem ou parafusagem.
A viga de parede cheia é usada principalmente para cobrir grandes vãos com cargas elevadas, como pontes rodoviárias e ferroviárias.

As vigas treliçadas, compostas por elementos dispostos em um reticulado, são adequadas para cobrir vãos intermediários e são caracterizadas por uma alta resistência e ductilidade. A escolha entre vigas contínuas ou não contínuas depende das condições das juntas. A conexão entre os componentes da viga treliçada pode ser feita com parafusos ou soldas.

A verificação das vigas de aço inclui a verificação das tensões, das deformações e das instabilidades locais.

Estrutura porticada em aço construída com Edilus

Estrutura porticada em aço construída com Edilus

Pilares e vigas de madeira

Os pilares de madeira, frequentemente feitos com seções em forma de T ou I caixadas ou por meio do acoplamento de elementos, apresentam uma excelente resistência tanto à compressão quanto à flexão. No entanto, pilares excessivamente esguios e não adequadamente vinculados em seu comprimento podem estar sujeitos a fenômenos de instabilidade, flambagem, com possível flexão lateral devido a cargas concentradas. Esses fenômenos podem ser acentuados pela presença de nós, desvios das fibras da madeira, baixa rigidez do material ou cargas excêntricas.

As vigas de madeira simples podem ter formas troncoconicas ou retangulares, dependendo do perfil da madeira.

Os pilares e vigas de madeira laminada são compostos por camadas sucessivas de tiras de madeira selecionadas e coladas entre si (lâminas). Esses elementos apresentam uma alta resistência mecânica, são resistentes às variações higro-térmicas e mostram pouca vulnerabilidade a ataques de parasitas e ao fogo.

Através do uso de madeira laminada colada ou novos materiais compostos, é possível conferir às vigas formas diferentes, como vigas com seção afunilada, angular, curva longitudinalmente ou treliçada, de acordo com as necessidades estruturais específicas.

O critério de dimensionamento para uma viga de madeira maciça será diferente do de uma viga de madeira laminada, pois a escolha do material influencia o comportamento, caracterizado por diferentes elasticidades e deformabilidades das várias partes.

Estrutura porticada em madeira construída com Edilus

Estrutura porticada em madeira construída com Edilus

Como projetar uma estrutura em pórtico: vídeo

Aqui está um vídeo demonstrativo que permite entender como operar com um software de engenharia estrutural na modelagem e no cálculo da estrutura em pórtico.

 

 

edilus
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