Contraventamento estrutural em edifícios de aço: o que ele resiste e quando usá-lo

O contraventamento estrutural em joelho é um pequeno elemento diagonal entre uma coluna e a viga acima dela, formando um triângulo rígido no canto da estrutura. Sua utilidade depende da função que o projeto lhe atribui: resistência a forças laterais, contraventamento para estabilidade do elemento, reforço secundário ou contraventamento durante a montagem. Essas funções têm requisitos e normas diferentes, e um único contraventamento pode desempenhar mais de uma função simultaneamente. Identificar a função é fundamental antes de qualquer questão sobre ângulos, seção transversal ou detalhes de conexão.

Qual a função do contraventamento estrutural em uma estrutura de aço?

Uma estrutura de reforço em forma de joelho em uma estrutura de aço pode atuar como um elemento de resistência a forças laterais, um reforço para a estabilidade do elemento estrutural, um elemento de enrijecimento secundário ou um reforço para a montagem, dependendo da função atribuída a ela na análise da estrutura.

Em um modelo idealizado com extremidades articuladas, a contraventação suporta tensão ou compressão axial, e uma inversão na direção do vento inverte essa relação. Contraventamentos reais também desenvolvem flexão devido à rigidez da conexão, ao deslocamento do elemento e à excentricidade na chapa de reforço. Um único perfil angular aparafusado em uma das faces suporta todos os três fatores. O que a contraventação faz na estrutura é redistribuir a força axial, o cisalhamento e a flexão entre a viga, a coluna, as conexões e a fundação, em proporções que resultam de um modelo que representa a rigidez real da conexão.

Essas quatro fileiras não são excludentes. Uma única contraventação pode ocupar duas delas simultaneamente, suportando o cisalhamento da estrutura e, ao mesmo tempo, sustentando a coluna em um ponto, de modo que ambas as demandas coexistam. Um desenho típico não indica a qual fileira uma contraventação pertence. A classificação precisa ser feita, não presumida.

É importante esclarecer um ponto importante desde já: este artigo aborda aplicações de resistência ao vento e estabilidade de elementos em estruturas metálicas convencionais. A inclusão de um contraventamento em um sistema de resistência a forças sísmicas constitui um projeto à parte. A classificação do sistema, os fatores de resposta e os detalhes de ductilidade são provenientes do código de construção vigente, ASCE 7, e das normas sísmicas da AISC. Grande parte da literatura sobre estruturas com contraventamento em joelho encontrada em pesquisas descreve sistemas sísmicos de dissipação de energia, e não o perfil metálico padrão em um desenho de armazém.

Por que uma joelheira pode sobrecarregar o membro ao qual está fixada?

A adição de um reforço em forma de joelho a uma estrutura de aço desloca a carga em vez de removê-la, portanto, o reforço, ambas as conexões das extremidades e o elemento que recebe a força precisam ser verificados antes que o detalhe seja aceito.

Vários estados-limite se abrem simultaneamente. A contraventação pode sofrer flambagem por compressão, ceder por tração, fraturar na seção líquida ou falhar por cisalhamento do bloco. As conexões podem falhar por cisalhamento ou esmagamento dos parafusos, na solda ou por flambagem da chapa de ligação. A viga, coluna ou corda da treliça receptora pode ceder localmente ou falhar por flexão da flange, cedência da alma ou flambagem da alma na fixação. Qual deles prevalece depende da geometria e do detalhamento. O desenho não o indica.

A força que a contraventação atrai depende de sua rigidez em relação a tudo que atua paralelamente a ela. Uma ligação mais flexível do que a assumida pelo modelo absorve menos força do que a calculada, e o caminho mais rígido compensa a diferença. A quantidade de parafusos por si só não resolve isso. A espessura do grampo, o comprimento da chapa de reforço, o tipo de furo, a distância da borda, a deformação de apoio e a rigidez do elemento atrás da ligação também influenciam. O caso problemático é aquele em que a contraventação, na análise, recebe a restrição que a ligação nunca proporciona, porque nada na construção finalizada indica essa deficiência.

A distribuição proporcional da rigidez é também onde a suposição comum sobre edifícios revestidos falha. Em um sistema de construção metálica, a carga transversal normalmente é suportada pelas estruturas rígidas, e a carga longitudinal, pelas escoras de parede e telhado designadas ou por uma estrutura de pórtico nas aberturas. O revestimento se torna um diafragma estrutural somente quando sua resistência, rigidez, fixadores, coletores e ancoragem de contorno são projetados ou testados em conjunto. As diretrizes da Metal Construction Association sobre grampos para telhados com juntas de encaixe observam que os grampos deslizantes usados ​​em muitos telhados com juntas de encaixe não fornecem uma rigidez de diafragma definida no plano. Seguindo essa lógica, chega-se a uma conclusão que nenhum desenho indica. Considere dois edifícios idênticos, um com o telhado projetado como diafragma e o outro não: a mesma escora de joelho absorve uma parcela maior da carga no segundo. Fechado não é o mesmo que contraventado.

Testes em escala real de estruturas de madeira com postes, relatados pela Hansen Pole Buildings, apontam na mesma direção, com a contribuição medida do contraventamento diminuindo à medida que a carga aumentava após a instalação da cobertura de chapas metálicas. Esses testes utilizaram postes de madeira, treliças de madeira e conexões pregadas, portanto, os números não são aplicáveis ​​ao aço. A razão para modelar todos os caminhos paralelos é que isso se aplica.

Uma segunda folga existe na aba onde a contraventação toca. Contraventar uma viga contra flambagem lateral-torsional exige controle da torção, e pesquisas da AISC sobre vigas com pontos de inflexão mostram que o contraventamento lateral aplicado a uma aba, por si só, não impede esse modo de flambagem. Uma contraventação em joelho no plano da estrutura restringe o movimento no plano no ponto de conexão. Ela não restringe o movimento da aba interna fora do plano, razão pela qual as contraventações de extensão e as contraventações de aba existem como detalhes separados, estendendo-se da terça ou da viga principal até essa aba. Uma contraventação em joelho no plano da estrutura não deve ser considerada responsável pela redução do comprimento não contraventado fora do plano, nem pelo contraventamento de aba comprimida ou torsional, a menos que sua geometria e sistema de suporte proporcionem a restrição necessária.

Contraventamento de joelho versus vãos contraventados, pórticos rígidos e contraventamento de flange

A escolha entre uma estrutura de contraventamento em joelho, uma estrutura em X, uma estrutura rígida transversal, uma estrutura de pórtico longitudinal e uma estrutura de contraventamento com flange depende do que precisa permanecer livre dentro do vão e de quanta deriva lateral a estrutura pode suportar.

Onde uma escora de joelho e um vão contraventado se sobrepõem, a tabela de aberturas geralmente decide. Um vão que comporta uma porta de enrolar não pode suportar um contraventamento em X de altura total. Uma escora de joelho que não interfira com a verga da porta é então uma opção entre várias. Uma estrutura de pórtico ou contraventamento de pórtico na abertura, um vão contraventado reposicionado, um vão resistente a momentos e contraventamento acima da verga também mantêm a abertura. Comparamos essas opções com a tabela de aberturas e o limite de deslocamento antes de definir o layout da estrutura, porque a escolha se torna cara para reverter depois que o vão é detalhado. Quais vãos em um edifício suportam contraventamento transversal é uma decisão que cabe ao edifício como um todo. O mesmo se aplica ao layout geral do sistema de contraventamento da estrutura de aço , e nenhuma dessas decisões é tomada individualmente.

Variáveis ​​que determinam o ângulo, o tamanho e o ponto de fixação da joelheira

A geometria do contraventamento em joelho é definida por quatro variáveis ​​que interagem entre si: o ponto de fixação na coluna, o ângulo do contraventamento medido a partir de um eixo específico, a seção transversal e a conexão em cada extremidade, e a resistência disponível do elemento que recebe a força.

O ângulo não significa nada até que o eixo seja nomeado. Considere θ como o ângulo em relação à horizontal e trate a contraventação como articulada. Para exercer uma força horizontal H no canto, a contraventação suporta uma força axial de H / cos θ e exerce uma componente vertical de H · tan θ na viga. Ambas aumentam à medida que a contraventação se torna mais inclinada. Uma contraventação menos inclinada é um elemento mais longo, estende-se mais ao longo da viga e ocupa mais espaço livre sob o beiral. A solução está onde o desenho não a mostra. Uma contraventação inclinada protege a altura livre e compensa com força axial e empuxo vertical na viga. Uma contraventação plana mantém essas forças baixas e aproveita melhor o espaço. Nenhuma é uma solução padrão. Em uma estrutura real, a flexão do elemento, a rigidez da ligação, a carga gravitacional e a resposta de segunda ordem definem as forças determinantes na análise, e não um ângulo preferencial.

Existem, sim, detalhes prescritivos de 45 graus. As normas do Código Residencial do Kentucky para estruturas de madeira exigem um reforço de 2x6 polegadas da coluna até a corda superior da treliça, formando um ângulo de 45 graus, com a fixação e o ajuste definidos por tabela. Essa norma se aplica à construção residencial com estrutura de madeira em uma única jurisdição. Um detalhe prescritivo escrito para madeira pregada não tem validade sobre uma estrutura de aço parafusada, e copiar o ângulo entre materiais diferentes copia a geometria sem as considerações subjacentes.

O ponto de fixação apresenta o mesmo problema, porém inverso. Ao deslocar a ligação para baixo na coluna, ela se divide em dois segmentos com comprimentos diferentes, restrições nas extremidades distintas e uma distribuição de momento alterada: o segmento inferior é mais curto, enquanto o superior é mais longo. A determinação de qual segmento e qual modo de flambagem prevalecem é feita por meio da verificação da estabilidade do elemento, e não pela suposição de que uma ligação mais baixa implica um comprimento sem contraventamento menor.

Defina duas das quatro variáveis ​​antes de discutir as outras. Confirme primeiro a função, pois um contraventamento para forças laterais e um contraventamento de estabilidade são avaliados segundo requisitos diferentes, e a classificação altera a aparência de um detalhe adequado. Em seguida, confirme a resistência disponível do elemento onde o contraventamento se apoia, pois essa verificação é a que tem maior probabilidade de invalidar o detalhe e a mais cara para corrigir após a fabricação. O ângulo, a seção e o padrão de furação ainda precisam ser definidos, mas uma revisão do desenho custa pouco. É por isso que vêm em segundo lugar.

Vale a pena dizer claramente: em uma construção fechada com um sistema de contraventamento projetado em ambas as direções e uma viga já verificada quanto às suas cargas, os contraventamentos laterais são frequentemente um gasto desnecessário em um detalhe que altera pouco o resultado final. O contraventamento lateral se justifica quando um sistema de contraventamento projetado está ausente ou interrompido, quando um vão precisa permanecer aberto ou quando um elemento específico necessita de um ponto de contraventamento que nenhum outro sistema oferece.

O que verificar antes da aprovação dos detalhes de uma joelheira

A verificação dos detalhes de uma joelheira ocorre no conjunto de desenho e cálculo, pois a questão que a decide é se o elemento receptor e suas conexões foram projetados para a força que a joelheira exerce.

• A função estrutural atribuída ao contraventamento e o modelo subjacente: somente tração, elemento de treliça, elemento de estrutura ou mola.
• A força de contraventamento e sua direção, indicadas na própria peça.
• A viga, coluna ou corda da treliça receptora, conforme nomeada, com sua respectiva verificação aparecendo em algum lugar no conjunto de cálculos.
• Ambas as conexões das extremidades são detalhadas com um grupo de parafusos ou solda definido, incluindo qualquer excentricidade entre a linha central do reforço e a junta.
• A dimensão de queda na coluna e o ângulo de contraventamento estão ambos dimensionados no desenho.
• Carregamento reverso abordado: um contraventamento capaz de compressão requer uma verificação de estabilidade, enquanto um contraventamento que suporta apenas tração requer um percurso completo na direção oposta.
• A rigidez necessária do reforço deve ser especificada sempre que o reforço for considerado um ponto de apoio para estabilidade.
• Restrição fora do plano do elemento mostrada separadamente, visto que a joelheira não a fornece.
• Se o telhado e as paredes são um diafragma projetado ou apenas um revestimento, isso determina o que mais compartilha a carga.

Duas condições do local alteram o significado de uma lacuna nessa lista. Em uma construção com um sistema de contraventamento projetado, onde o contraventamento é um elemento secundário, um cálculo ausente representa uma lacuna na documentação. Em um galpão, cobertura ou pavilhão aberto que nunca recebe um sistema de contraventamento de parede ou telhado, o contraventamento e sua conexão podem ser o caminho da carga, e a mesma omissão representa uma lacuna no projeto. Verificamos qual das duas situações se aplica à construção antes de aprovar o detalhamento. Em construções metálicas pré-fabricadas, o contraventamento geralmente chega como um perfil angular padrão com uma chapa perfurada, fácil de adicionar no local e igualmente fácil de adicionar sem verificação.

Por onde começar com o contraventamento em sua estrutura de aço?

É importante especificar o contraventamento estrutural quando um vão precisa permanecer aberto ou quando não existe um sistema de contraventamento adequado, e também é importante questionar onde esse sistema já está sendo utilizado. Dois fatores definem a necessidade: a função atribuída ao contraventamento e a resistência disponível do elemento em que ele se apoia. O ângulo e a seção são definidos a partir desses dois fatores, e ambos podem ser alterados a baixo custo enquanto o desenho estiver em aberto.

O padrão que causa mais retrabalho é o de um contraventamento adicionado tardiamente a uma estrutura cuja viga foi dimensionada sem ele. Esclarecemos a função do contraventamento antes da emissão dos desenhos da estrutura, pois essa classificação determina quais verificações o detalhe precisa passar.

Se um contraventamento já aparece nos seus desenhos, três coisas indicam se ele foi projetado ou herdado: a força de contraventamento descrita no detalhe, a dimensão da queda e do ângulo, e um cálculo que abrange a viga ou a corda da treliça no ponto de fixação. Para um contraventamento proposto em uma estrutura já existente, comece calculando a resistência disponível do elemento em que ele será fixado. A seção e o ângulo vêm depois disso.

Perguntas frequentes