Execução de Estruturas Metálicas, Manuais, Projetos, Pesquisas de Estruturas Metálicas e Construção Mista

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I

Resumo

No presente documento é apresentada uma metodologia de escolha do material, execução, transporte e montagem de estruturas metálicas, tendo por base o Eurocódigo 3 (EC3) [2], as normas prEN 1090 [3] e a EN 10025 [4].

Nesse sentido, o seu conteúdo inclui:

• Um Caderno de Encargos para a execução de estruturas metálicas, seguindo de perto a prEN 1090 [3] e incluindo a especificação de todos os procedimentos de controlo de qualidade relevantes;
• Um plano de fabrico identificando todas as operações de fabrico a que a estrutura metálica estará sujeita (incluindo pintura) e o tipo de processo escolhido para cada operação;
• Uma sequência de execução das diversas fases de fabrico, identificando os desperdícios resultantes do fabrico a partir de perfis ou chapas disponíveis comercialmente, procurando a sua minimização;
• O procedimento de montagem da estrutura;
• Mapa de Medições e Orçamento estimativo exaustivo dos custos da execução, transporte e montagem da estrutura, quantificando custos de utilização de equipamento, custos de mão-de- obra e matéria-prima.

Para exemplo de referência utiliza-se um pórtico produzido em perfil laminado a quente, com reforço na ligação viga-pilar, incluindo-se esta aplicação prática em anexo.

III

VI

Índice Figuras

Figura 1 – Estruturas metálicas com emprego de várias geometrias de perfis e tipos de aço [18]........ 18

Figura 2 – Estruturas metálicas com emprego de várias geometrias de perfis e tipos de aço [6].......... 24

Figura 3 – Estruturas metálicas com emprego de várias geometrias de perfis e tipos de aço [6].......... 24

Figura 4 - Materiais de soldadura e equipamentos de soldadura [12] ................................................... 30

Figura 5 – Argamassa de regularização e selagem sob placa de base de pilar [4] ................................ 32

Figura 6 - Esquema representativo da operação de corte e indicação das principais entradas e saídas de materiais [11] ................................................................................................................................ 42

Figura 7 – Serrote .................................................................................................................................. 44

Figura 8 – Corte por Oxi-corte .............................................................................................................. 45

Figura 9 – Linha combinada corte plasma + furação. ........................................................................... 45

Figura 10 - Valores máximos admissíveis na distorção em furos por punção [6]................................. 50

Figura 11 – Linha automática de furação e cabeças da linha de automática de furação ....................... 50

Figura 12 – Linha automática de furação e cabeças da linha de automática de furação [13]................ 51

Figura 13 - Esquema representativo das operações de estampagem, calandragem e quinagem com indicação das principais entradas e saídas de materiais [11] ........................................................ 52

Figura 14 – Esquema representativo das operações de fresagem, e torneamento com indicação das principais entradas e saídas de materiais [11]............................................................................... 53

Figura 15 – Esquema representativo da operação de soldadura com indicação das principais entradas e saídas de materiais [11]................................................................................................................. 54

Figura 16 – Soldadura MIG MAG ........................................................................................................ 58

Figura 17 – Diferença máxima entre espessuras de chapas (D ≤ 2mm → correntes; D ≤ 1mm → pré- esforçadas) [3]............................................................................................................................... 59

Figura 18 - Estrutura metálica com apoios aparafusados [8]................................................................. 62

Figura 19 – Parafusos com anilhas especiais [6] ................................................................................... 63

Figura 20 – Parafusos com cabeças especiais [6].................................................................................. 63

VII

Figura 21 – Parafusos especiais [6] ....................................................................................................... 63

Figura 22 – Tipos de ligações mais usuais em estruturas metálicas [9] ................................................ 65

Figura 23 – Ligações viga-pilar sem soldadura ou de soldadura reduzida, mais flexíveis, em geral [9]

Figura 24 – Ligações viga-pilar só com soldadura ou de soldadura importante na ligação, mais rígidas, em geral [9]................................................................................................................................... 66

Figura 25 – Ligação mista (soldadura de chapa de topo na viga com aparafusagem ao pilar, com situação de distribuição completa tradicional de esforços no apoio (corte + flexão) [9].............. 67

Figura 26 – Formas de Corrosão em desenho esquemático [14]........................................................... 69

Figura 27 - Esquema representativo duma operação de decapagem mecânica com indicação das principais entradas e saídas de materiais ...................................................................................... 71

Figura 28 - Esquema representativo duma operação de decapagem química com indicação das principais entradas e saídas de materiais [11]............................................................................... 71

Figura 29 - Esquema representativo da operação de lixagem com identificação das principais entradas e saídas de materiais [11]................................................................................................................. 72

Figura 30 - Esquema representativo duma operação de desengorduramento químico com indicação das principais entradas e saídas de materiais [11]............................................................................... 73

Figura 31 – Influência do tempo de imersão no peso da camada de zinco [14] .................................... 76

Figura 32 – Camadas resultantes da metalização por zinco ou galvanização [14]................................ 76

Figura 33A - Detalhes construtivos para evitar a corrosão [6] .............................................................. 78

Figura 33B - Detalhes construtivos para evitar a corrosão [6] .............................................................. 79

Figura 33C - Detalhes construtivos para evitar a corrosão [6] .............................................................. 80

Figura 34 - Detalhes construtivos para evitar a corrosão [11, adaptado] .............................................. 85

Figura 35 - Chave dinamómetrica [13].................................................................................................. 95

Figura 36 – Recomendação sobre a utilização de galvanização e pintura [15] ................................... 111

Figura 37 – Viga-exemplo de cobertura do pórtico industrial a duas águas........................................ 113

Figura 38 – Pilar-exemplo de pórtico industrial a duas águas............................................................. 114

Figura 40 – Caso de Estudo – Proposta de corte de chapas 300mm×600mm e 300mm×1095mm (assinalas com uma cruz “X” as partes em desperdício) ............................................................ 121

IX

• 2.4 – Protecções e tratamentos...........................................................................................................
  • 2.4.1 - Protecção ao Fogo...............................................................................................................
  • metálicos......................................................................................................................................... 2.4.2 - Tratamento de superfície para protecção contra a corrosão e pintura dos elementos
• 2.5 - Critérios de Medição
• Capitulo 3 – Execução...........................................................................................................................
  • 3.1 – Aspectos genéricos do fabrico
  • 3.2 - Traçagem da Estrutura Metálica................................................................................................
  • 3.3 – Corte..........................................................................................................................................
  • 3.4 – Furacão......................................................................................................................................
  • 3.5 – Maquinagem/Enformagem........................................................................................................
  • 3.6 – Soldadura
  • 3.7 – Ligações Mecânicas
  • mistas 3.8 – A razão de ser e o comportamento das ligações puramente soldadas, puramente mecânicas ou
  • 3.9 – Desempeno das peças
  • 3.10 – Tratamento de Superfície/Protecção Anticorrosiva
    • 3.10.1 – Decapagem
    • 3.10.2 – Metalização e Pintura
  • 3.11 – Pré-montagem e etiquetagem..................................................................................................
  • 3.12 – Fiscalização, inspecção, testes e correcção
    • 3.12.1 - Materiais e Produtos Pré-fabricados
    • 3.12.2 – Produtos Fabricados
• Capitulo 4 – Transporte
  • 4.1 – Condições gerais
  • 4.2 - Quantificação de custos do transporte de componentes IV
• Capitulo 5 – Montagem
  • 5.1 - Condições gerais de montagem da estrutura..............................................................................
  • 5.2 – Condições do local....................................................................................................................
  • 5.3 – Critérios de montagem em obra
  • 5.4 – Processo e metodologia de montagem
    • 5.4.1 – Aspectos genéricos.............................................................................................................
    • 5.4.2 - Ligações
    • 5.4.3 - Alongamento de furos para parafusos.................................................................................
    • 5.4.4 - Colocação dos parafusos em obra.......................................................................................
    • 5.4.5 - Aperto definitivo dos parafusos
    • 5.4.6 - Regulação das chaves de aperto..........................................................................................
  • 5.5 – Apoios e ancoragens
  • 5.6 – Chumbadouros e outros elementos embebidos em betão
  • 5.7 – Inspecção, testes e correcções...................................................................................................
  • 5.8 – Quantificação de custos de montagem......................................................................................
• Conclusão
• Bibliografia..........................................................................................................................................
• Anexo 1 – Resumo dos Eurocódigos afectos a estruturas metálicas - A.1.1 - Eurocódigo 1 – Acções em Estruturas - A.1.2 - Eurocódigo 3 – Estruturas metálicas................................................................................ - A.1.3 - Eurocódigo 8 – Projecto de estruturas em Zonas Sísmicas.............................................. - A.1.4 - Eurocódigo 9 – Projecto de estruturas de alumínio..........................................................
• Anexo 2 – Comparação entre a Metalização e a Pintura - A.2.1 - Zincagem por imersão a quente - A.2.2 - Pintura V - A.2.3 - Vida útil da pintura........................................................................................................... - A.2.4 - Aspectos Económicos da Pintura - A.2.5 - Aços zincados por imersão a quente versus aços pintados com tintas líquidas - A.2.6 - Esquemas de Pintura de Aços Pintados com Tintas Líquidas.......................................... - A.2.7 - Durabilidade do revestimento de tinta dos aços pintados - A.2.8 - Durabilidade do revestimento zincado............................................................................. - A.2.9 - Comparação entre as diferentes atmosferas - A.2.10 - Aços zincados por imersão a quente pintados com tintas líquidas (Sistema Duplex)....
• Anexo 3 – Caso de estudo - A.3.1 – Geral - A.3.2 - Fabrico/Produção da estrutura.......................................................................................... - A.3.3 – Transporte da Estrutura - A.3.4 - Montagem da Estrutura.................................................................................................... - A.3.5 – Inspecção e Manutenção (exploração)
  • Anexo 4 - Tecnologias e medidas de prevenção aplicadas à operação de decapagem [11].............
  • Anexo 5 - Tecnologia de materiais
• Tabela 1 – Normas prescritas para produtos estandardizados para aços estruturais [3]........................ Índice Tabelas
• Tabela 2 – Normas prescritas para aços de enformados a frio, folhas e estribos de aço [3]
• Tabela 3 – Normas prescritas para aços inoxidáveis [3]
  • acordo com a EN 10025-2 [4]....................................................................................................... Tabela 4 – Valores nominais da tensão de cedência fy e da tensão de rotura fu, para aços correntes de
• Tabela 5 – Composição química a que têm de obedecer os aços correntes de acordo com a EN 10025-
  • [4]..................................................................................................................................................
• Tabela 6 – Valores de referência genéricos para aços estruturais [10]..................................................
• Tabela 7 – Valores nominais da fy e da fu, para aços de acordo com a normalização europeia [4]........
• Tabela 8 – Tabela de equivalências para a nova norma EN 10025 [4]
• Tabela 9 – Aços patinados segundo a nova norma EN 10025-5 [4]......................................................
• Tabela 10 – Valores nominais da tensão de cedência e da tensão de rotura à tracção [2].....................
• Tabela 11 – Valores nominais da tensão de cedência e da tensão de rotura à tracção [3].....................
• Tabela 12 – Valores nominais mínimos da força de pré-esforço em kN [4]
• Tabela 13 – Produtos estandardizados para consumíveis de soldadura [4]
• Tabela 14 – Normalização de aparelhos de apoio [6]............................................................................
• Tabela 15 – Definição das classes de consequências [3].......................................................................
• Tabela 16 – Critérios recomendados para produção e categorias de serviços [3]
• Tabela 17 – Recomendações para a selecção de classes de execução [3]
• Tabela 18 – Classificação de preparação de superfície a tratar [3]
• Tabela 19 – Condições sem requisitos especiais no corte de guilhotina na classe de execução 3 [3]...
  • resistência mecânica [4]................................................................................................................ Tabela 20 – Dureza superficial máxima permitida para os diversos tipos de aço, função da sua
• Quadro 21 – Comparação das características associadas às tecnologias de corte de chapa [11]
• Tabela 22 - Valores nominais de furos para parafusos (mm) [6] X
• Tabela 23 – Classificação das classes de atrito para superfícies de ligações pré-esforçadas [3]...........
• Tabela 24 – Diâmetros tradicionais de parafusos e rebites para estruturas metálicas [6]......................
• Tabela 25 – Quadro de inspecções complementares [2]
• Tabela 25 – Esquemas tipo de pintura industrial [13]
• Tabela 26 – Exemplos comparativos entre esquemas de pintura em aço [13]
• Tabela 27 – Exemplos comparativos em ambientes diferenciados [13]..............................................
• Tabela 28 – Caso de Estudo - Custo unitário do material (€/kg).........................................................
• Tabela 29 – Caso de Estudo – aproveitamento de chapa (30mm) para vigas de cobertura.................
• Tabela 31 - Caso de Estudo – estimativa orçamental do pórtico (montagem incluída)
• Tabela 32 - Caso de Estudo – custo dos perfis laminados para as vigas de cobertura
• Tabela 33 - Caso de Estudo – custo das chapas de ligação das vigas de cobertura.............................
• Tabela 34 - Caso de Estudo – Meios humanos para montagem do pórtico.........................................
• Tabela 34 - Caso de Estudo – Meios mecânicos para montagem do pórtico
• Tabela 35 – Propriedades mecânicas e físicas de diversos metais para engenharia [19]
• Tabela 36 – Propriedades mecânicas e físicas de diversos não-metais [19]........................................
• Tabela 37 – Outras propriedades mecânicas e físicas de diversos não-metais [19]

2

A organização do texto segue, sucintamente, uma lógica semelhante ao próprio decurso inerente à execução de Estruturas Metálicas, com a disposição seguinte:

• No capítulo 1 aborda-se, concisamente, a concepção de estruturas metálicas, cujo âmbito parte da elaboração do Projecto (com o seu com diverso e rico conteúdo, que integra o conjunto das Peças Desenhadas e Escritas, nomeadamente a Memória, as Condições Técnicas Gerais e Especiais) até ao Caderno de Encargos, que deve conter a especificação de todos os procedimentos de controlo de qualidade indispensáveis;
• No capítulo 2 apresenta-se o material aço estrutural, tanto no que trata a perfis, como a chapas, parafusos e material de adição para soldadura, enumerando as suas normas, especificações, características e quantificações de custos associados;
• O capítulo 3 insere-se o que toca à fase de fabrico, desde o planeamento de trabalhos e elencar de produtos a adquirir, até ao traçado, corte e soldadura, ligação mecânica, tratamento de superfície, inspecção, ensaios e correcções, ou seja: um plano de fabrico (aplicado à peça exemplo), com a sequência de execução das suas diversas fases, optimizando no sentido de reduzir aos desperdícios de material;
• O capítulo 4 debruça-se sobre o transporte e os cuidados a ter no seu carregamento, deslocação e descarga, referindo-se o importante factor de custos associados;
• O capítulo 5 apresenta o processo de montagem da estrutura metálica, inspecção, testes, correcções e quantificação dos seus custos;
• Finaliza-se, efectuando um balanço e conclusões do trabalho realizado.

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Capitulo 1 – Concepção de Estruturas Metálicas

1.1 – A importância e as informações gerais do Projecto de Estruturas

O Projecto é a peça fundamental de que se parte para o fabrico de uma estrutura, independentemente do material construtivo, dado que este encerra todas as informações necessárias à sua execução, nomeadamente e entre outros:

• Informação geral sobre as características do local da obra e sua envolvente (social, urbana, paisagística, acessibilidades, infra-estruturas, etc);
• Geologia do solo e suas condicionantes;
• A regulamentação e normas de orientação, bem como os critérios e métodos análise e segurança, dimensionamento e/ou verificação (se uma forma geral, para Estruturas Metálicas, deve-se seguir-se os Eurocódigos de acordo com o Anexo 2 deste trabalho);
• A natureza, características e qualidade dos materiais (desde o aço estrutural, passando pelos parafusos e chapas até aos consumíveis de soldadura, entre outros);
• A geometria e composição das secções, elementos e ligações;
• Topologia da estrutura;
• Fundações, com justificação da solução adoptada, referindo as condicionantes ponderadas tendo por base o estudo geotécnico;
• Condições técnicas gerais e especiais (desde o que se refere à abertura de caboucos, ou à desmatação e limpeza do local de obra, até ao relativo às operações de soldadura, ligações aparafusadas, sistemas de protecção contra a corrosão, etc);
• Esclarecimentos pontuais pertinentes;
• Peças Desenhadas e todos os detalhes construtivos suficientes para a completa execução da obra;
• Plano de Segurança, Higiene e Saúde (ainda que genérico e provisório);
• Procedimentos de transporte;
• Processo de montagem;

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para a execução da obra é o Projecto, sendo possível levar a efeito construções sem Caderno de Encargos, mas nunca sem o primeiro. Contudo, mas não basta o mesmo assegurar

Assim, de uma forma concisa mas entendida por suficiente, apresentação uma organização documental tipo de referência na elaboração de um Caderno de Encargos:

• Caderno de Encargos, propriamente dito, incluindo toda a documentação a exigir ao Empreiteiro, antes, durante e após a execução da obra:
  Objecto;
  Regime jurídico
  Disposições gerais da empreitada (licenciamento municipal/oficial, regulamentação aplicável, esclarecimentos, subempreitadas, clausulas do contrato, livro de obra, horários, patentes, licenças, marcas de fabrico ou de comércio e desenhos registados, etc.);
  Disposições particulares da empreitada (pessoal, montagem/desmontagem e manutenção do estaleiro, instalações, equipamento, obras auxiliares e preparatórias, remoções e limpezas, etc);
  Valor da adjudicação, condições de pagamento, adiantamentos e revisão de preços;
  Regras e forma de pagar trabalhos a mais, omissões e imprecisões;
  Condições gerais de execução da empreitada;
  Normas de medição e seus autos;
  Planeamento e direcção de obra (condições de aceitação de proposta e amostras de materiais alternativos, condições de elaboração de: programa descritivo de trabalhos; cronograma/plano de trabalhos; plano de mão-de-obra; plano de equipamentos, etc);
  Prazos de execução;
  Cauções e garantias;
  Fiscalização e controlo;
  Materiais e elementos de construção (aqueles que não estão incluídos no Projecto);
  Contrato, consignação, recepção e liquidação da obra;
  Prémios e multas;

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Etc.

• Medições (que podem integrar o Projecto) e, eventualmente, Estimativa Orçamental;
• Esquema de controlo de qualidade e procedimento de inspecção, para que não exista qualquer tipo de dúvidas sobre as características dos materiais de construção e a forma de execução dos trabalhos, seus níveis de exigência e sua verificação (inclui plano dos ensaios necessários para que a qualidade do material e dos trabalhos seja assegurada);
• Esquema de montagem, para haver uma melhor organização na execução da estrutura, redução de tensões residuais, eliminação ou mitigação dos problemas que possam surgir, considerando- os na fase de projecto;
• Esquema de manutenção, tendo em vista a redução de custos e a conservação da qualidade e operacionalidade da estrutura durante o ciclo de vida expectável;
• Programa de Concurso (eventual).

Em caso de ser exigível um Plano de Qualidade este incluirá (ISO 9000) [6]:

• Documento de gestão da qualidade;
• Documentos de preparação de execução (“check lists”);
• Documentos de controlo de qualidade da produção (“follow up”).

1.3.2 – A norma prEN 1090 e o Caderno de Encargos para Estruturas Metálicas

A norma prEN 1090 [3] é, talvez, a principal referência na Execução de Estruturas Metálicas, constituindo-se o seu conteúdo num verdadeiro manual de especificações para este fim.

Por exemplo, no caso do Plano de Qualidade não ser exigido, e dado que se trata de uma estrutura metálica, citam-se alguns dos documentados que deverão ser sempre listados em cumprimentos dessa prEN 1090 [3]: (i) plano de inspecção da produção; (ii) gestão de alterações; (ii) manipulação de não conformidades, etc [6].

De qualquer modo, é sempre de referir que a documentação é uma parte inalienável de um contrato de obra, pois identifica as responsabilidades assumidas por cada uma das partes no negócio.

Assim, e para além da já referida, e de forma mais específica visando a execução de estruturas metálicas, os planos e desenhos a elaborar devem também ser os seguintes intervenientes (incluem-se os autores responsáveis):

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Dentro dos requisitos para produtos de construção metálica, mormente no que a perfis diz respeito, podem-se encontrar especificações para a quase totalidade dos tipos de aço existente, tais como [6]:

• Em aço laminado até a classes S960;
• Em aço enformado a frio e elementos laminares até S960 (aço estrutural) e S700MC (aço inox);
• Produtos de aço inoxidável;
• Perfis estruturais ocos (circulares, quadrados ou rectangulares).

De sublinhar que esta norma não é apenas aplicável a estruturas metálicas, dimensionadas de acordo com a EN1993 (estruturas metálicas), mas também a estruturas mistas aço-betão, dimensionadas de acordo com a EN1994 (estruturas mistas).

A norma prEN 1090 [3] define, ainda, distintos níveis de exigência [6]:

• Classes de execução, relacionadas com as categorias de produção e exploração (as orientações para a escolha das classes de execução são dadas no anexo B da EN1090, encontrando-se a lista de requisitos para as classes no anexo A3 da EN1090, ver tabela 15 e 16 deste documento);
• Classes de consequência, que são definidas no EC0 (EN1990 - anexo B), visando estabelecer os efeitos do colapso ou avarias estruturais (ver Tabela 14 deste documento);
• Classes de tolerância, a definir em futuras versões, mas actualmente as classes de tolerância são classe 1 e 2, sendo que se não for especificada uma classe, assume-se classe 1 (mais permissiva).

O próximo capítulo dedica-se, exclusivamente, à apresentação de um Caderno de Encargos Tipo adaptado à Execução de Estruturas Metálicas.

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Capitulo 2 – Caderno de Encargos Tipo (estruturas metálicas)

Um Caderno de Encargos é, antes de qualquer outra interpretação, um documento em que as regras a que vão obedecer as relações e compromissos entre o Dono-de-Obra e o Empreiteiro ficam estabelecidos. Para um é a forma como vai ser efectuada a prestação de serviços (de fornecimento de materiais, fabrico e/ou colocação), para o outro será o seu respectivo pagamento.

Neste contexto entendeu-se, ilustrativamente, introduzir um subcapítulo de “Disposições Gerais” para melhor se compreender o espírito vertido no parágrafo anterior, e que poderá estar presente em qualquer Caderno de Encargos de uma obra de construção civil, a que a Execução de Estruturas Metálicas não foge.

No continuar deste trabalho, no sentido de este não se tornar demasiado extenso, as obras que não de estrutura metálica, mas que na prática concorrem para a sua realização, como movimentos de terras e fundações, ou mesmo revestimentos e outros acabamentos, não serão incluídas neste texto.

2.1 – Disposições gerais

Sem prejuízo do fixado nos artigos seguintes, tem a finalidade desta introdução o estipular, de forma inequívoca, o seguinte:

• Todos os elementos constituintes da estrutura, bem como aqueles com finalidades fundamentalmente construtivas, mas cobertos por estas Condições Técnicas Especiais e a pela Memória Descritiva do Projecto, deverão ser, em qualquer caso, fabricados ou integrados com produtos de marca homologada por entidade idónea e oficialmente certificada para o efeito, bem como se deverão encontrar-se em estado de completamente novo e não apresentar qualquer imperfeição;
• Deverá ser entregue à Fiscalização, por escrito, a indicação do fornecedor e da origem de todos os elementos acima citados, bem como os respectivos documentos de homologação;
• O constante nos dois parágrafos anteriores, sendo obrigatório, não dispensa a necessária aprovação prévia da Fiscalização antes do seu fabrico, ou da sua montagem, assim como a sua posterior vistoria;
• A Fiscalização pode ainda, sempre que julgue necessário, mandar proceder a ensaios de recepção que decorrerão a expensas do Empreiteiro;