Recomendações Práticas para Passagem de Instalações
Já há muitos anos é comum fazer aberturas nas vigas metálicas dos edifícios estruturados em aço para passar dutos e calhas de instalações. Uma quantidade razoável de pesquisa sobre este assunto foi desenvolvida principalmente a partir de meados da década de 60. Dessa época para cá, os sistemas de instalações se tornaram mais sofisticados e as preocupações de construtores e projetistas com racionalização aumentaram. Assim, tem-se dado cada vez mais importância ao aproveitamento do espaço vertical nos edifícios e, neste sentido, fazer aberturas nas vigas para passagem das instalações é uma solução atraente.
A possibilidade de projetar os sistemas de instalações no mesmo nível das vigas do sistema de piso, passando os dutos através delas, traz uma série de vantagens, dentre as quais pode-se citar:
- Redução do pé direito do pavimento tipo
- Redução do volume e da área total do edifício
- Redução dos custos de construção, operação e manutenção do edifício
- Possibilidade de ganhar um pavimento a cada 10, aproximadamente, com a altura economizada em cada um
- Melhor aproveitamento do espaço vertical ou, até mesmo, viabilização do arranjo arquitetônico em regiões onde o código de obras limita a altura total do edifício.
Como desvantagens deve-se mencionar:
- Redução da resistência última e da rigidez das peças na região das aberturas, que pode exigir sistemas especiais de reforço que proporcione a recuperação da capacidade da peça;
- Necessidade de verificação da seção com abertura, cujo cálculo é muito trabalhoso.
A prática mostra que, a pesar das desvantagens envolvidas, a solução é muito interessante e, com freqüência, a relação custo / benefício é razoável.
Em muitos casos práticos, as aberturas são sugeridas pelas empresas de instalações, às vezes sem conhecimento de aspectos importantes de engenharia. Por essa razão, resolvemos enfatizar alguns pontos que poderão nortear o planejamento de aberturas em vigas de edifícios por parte de profissionais de diversas áreas ligados à construção de edifícios em aço.
Influência da Abertura
Na sua grande maioria, as vigas metálicas nas estruturas de edifícios são constituídas por perfis “I”. Nesses perfis, as mesas são responsáveis pela resistência à maior parte das tensões normais de flexão e a alma é responsável pela resistência à maior parte das tensões de cisalhamento, decorrentes da força cortante.
Forma da Abertura
A forma ideal para uma abertura na alma de uma viga de aço é a circular, pois esta é a forma que causa a menor perturbação na distribuição dos esforços na viga. A abertura circular proporciona uma boa distribuição de tensões no seu entorno, influindo menos na redução da resistência última da viga que aberturas quadradas ou retangulares. Não obstante, nada impede que sejam feitas aberturas quadradas ou retangulares. Havendo opção de escolha, opte pela forma circular. As aberturas retangulares não representam impedimento nenhum. Apenas causam uma redução de resistência um pouco maior que as circulares.
Posição da Abertura
Outro aspecto a ressaltar diz respeito à posição da abertura. Em relação à altura do perfil, deve-se sempre preferir fazer a abertura o mais próximo possível do eixo da viga. Já em relação ao comprimento da viga, deve procurar localizar as aberturas longe dos pontos sujeitos a valores altos e força cortante, como apoios e pontos de atuação de cargas concentradas. No caso de tubulações para conduzir fluidos, é comum ser necessário um caimento dos dutos ao longo do comprimento, exigindo aberturas com excentricidade variável. Pode-se fazer aberturas excêntricas mas sempre procurando situá-las o mais próximo possível do eixo da viga. A execução de uma abertura implica na retirada de material da alma e, conseqüentemente, afeta mais a resistência à força cortante do que ao momento fletor.
Elementos de uma Abertura na Alma de um Perfil I
A Figura 1 mostra alguns elementos de uma abertura na alma de um perfil “I”. A porção de perfil acima da abertura é chamada de “tê-superior”e a porção abaixo de “tê-inferior”.
Fig.1 – abertura na alma de um perfil “I”
Razão de aspecto
Dá-se o nome de “razão de aspecto” à relação entre o comprimento da abertura ( ao ) e sua altura ( ho). No caso de aberturas retangulares, deve-se trabalhar com razão de aspecto de no máximo 3:1, ou seja, ao=3 ho, sendo 2:1 a relação ideal. Estes limites estão relacionados a exigências mínimas para a estabilidade da alma nas bordas da abertura e ao espectro de resultados experimentais que respaldam os modelos analíticos disponíveis para cálculo.
Recomendações quanto às dimensões e posição das aberturas
Visando afetar o quanto menos a resistência da viga, deve-se procurar fazer a menor abertura possível que atenda os requisitos dos sistemas de instalações. Sob esse aspecto, a dimensão chave da abertura é sua altura. Aberturas da ordem de 1/3 da altura total do perfil afetam pouco a capacidade da viga. No entanto havendo necessidade, pode-se fazer aberturas com alturas de até 70% da altura total do perfil. A NBR 8800 de 1986, em seu anexo K, fornece critérios para execução de furos redondos com diâmetro de no máximo d/3.
A nova versão da NBR 8800 deve prever furos circulares, quadrados e retangulares com altura de até d/2. Algumas normas técnicas para estruturas metálicas de edifícios fornecem critérios para a determinação de dimensões, formato e posição de aberturas que podem ser feitas em vigas de aço, sem a necessidade de reforço nem de cálculo rigoroso. Nos casos em que as aberturas não se enquadrarem nos critérios da norma em uso, deve-se proceder à verificação rigorosa das mesmas.
A seguir apresenta-se algumas orientações da engenharia para o projeto de aberturas em almas de vigas de edifícios.
1 – Altura máxima da abertura
A altura da abertura não deve exceder 70% de altura total da seção ( ho< 0,7 d )
2 – Razão de aspecto da abertura
A relação entre o comprimento e a altura da abertura deve satisfazer ao seguinte critério
3 – Altura mínima dos tês
A altura dos tês superior e inferior, não deve ser menor que 15% da altura total
da seção ( sb>0,15d e st > 0,15 d – ver figura 1).
4 – Razão de aspecto dos tês
As relações ao / sb e ao / st, também chamadas razão de aspecto do tê respectivo, não devem ser maiores que 12 ( ao /sb< 12, ao / st< 12 – ver Figura 1)
5 – Raio mínimo dos cantos
Os cantos da abertura devem ter um raio mínimo de duas vezes a espessura da alma, 2tw, ou 16mm, o que for maior, para evitar ruptura por fadiga.
6 – Distância mínima do apoio.
Em qualquer caso a borda de uma abertura não pode distar menos que d do apoio.
7 -Espaçamento entre as aberturas
No caso de uma viga com múltiplas aberturas, o espaço livre entre duas aberturas adjacentes deve satisfazer as relações abaixo. Em vigas que não atendam a esses critérios, a interação entre aberturas deve ser devidamente considerada.
Para aberturas circulares: S é o espaço livre entre aberturas e Do é o diâmetro das aberturas.
Além disso, em vigas mistas deve-se ter:
Conclusão
O planejamento de aberturas em vigas seguindo as recomendações apresentadas acima minimizará, ou até mesmo eliminará, a necessidade de modificações posteriores para atender os requisitos da engenharia.
Referências
[1] ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas,
“Projeto e Execução de Estruturas de Aço de Edifícios”,
NBR 8800/86, Rio de Janeiro, 1986.
[2] AISC, American Institute for Steel Construction,
“Steel and Composite Beams with Web Openings”,
Design Guide Series #2, Chicago, Illinois, 1990.
[3] Darwin, D. & Lucas, W.C.
“LFRD for steel and Composite Beams with Web Openings”
ASCE Journal of Structural Engineering, 116(6), 1579-1593, 1990.
[4] Donahey, R.C.& Darwin. D.
“Preformance and Design of Composite Beams with Web Openings”,
Structural Engineering and Engineering Materials SM Report No. 18,
University of Kansas Center for Research, Lawrence, Kansas, 1986.
[5] Redwood, R.G.. & Uenoya, M.
“Critical Loads for Webs with Holes”,
ASCE Journal of Structural Division, 105:No.ST10:2053-2067, 1979.
[6] Veríssimo, G.S.;
Análise e Comportamento de vigas de Aço e Vigas Mistas com aberturas na Alma,
Dissertação de mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, 1996.
Gustavo de Souza Veríssimo é professor do Depto. de Engenharia Civil da Universidade de Viçosa em Minas Gerais, e desenvolve pesquisas sobre sistemas de pisos mistos com integração das instalações
Fonte: Revista Construção Metálica – Edição nº 54 – ABCEM