1. O documento apresenta um manual sobre dimensionamento de perfis estruturais de aço formados a frio de acordo com as normas NBR 14762 e NBR 6355.
2. O manual inclui nove capítulos que abordam tópicos como fabricação e padronização de perfis, comportamento estrutural, flambagem local, dimensionamento à tração, compressão, flexão e flexão composta.
3. Também apresenta anexos sobre torção em perfis de seção aberta e forças transversais não paralelas aos eixos principais,
3. Série “ Manual de Construção em Aço”
· Galpões para Usos Gerais
· Ligações em Estruturas Metálicas
· Edifícios de Pequeno Porte Estruturados em Aço
· Alvenarias
· Painéis de Vedação
· Resistência ao Fogo das Estruturas de Aço
· Tratamento de Superfície e Pintura
· Transporte e Montagem
· Steel Framing: Arquitetura
· Interfaces AçoConcreto
· Steel Framing: Engenharia
· Pontes
· Steel Joist
· Viabilidade Econômica
· Dimensionamento de Perfis formados a Frio conforme NBR 14762 e NBR 6355
6. SUMÁRIO
Capítulo 1
Introdução 09
Capítulo 2
Fabricação e padronização de perfis formados a frio 13
2.1 Processo de fabricação 14
2.2 Tipos de aços 14
2.3 Efeito do dobramento na resistência do perfil 14
2.4 Padronização dos perfis formados a frio (NBR 6355:2003) 15
Capítulo 3
Comportamento estrutural de perfis de seção aberta 19
Capítulo 4
Flambagem local e o método das larguras efetivas 23
4.1 Fatores que influenciam no cálculo da largura efetiva 25
4.1.1 Condição de contorno 25
4.1.2 Distribuição de tensões 26
4.2 Cálculo das larguras efetivas 27
4.3 Elementos comprimidos com enrijecedor de borda 32
Capítulo 5
Flambagem por distorção da seção transversal 45
5.1 Seção do tipo U enrijecido submetida à compressão uniforme 47
5.2 Seções do tipo U enrijecido e Z enrijecido submetido à flexão em ao
eixo perpendicular à alma 49
Capítulo 6
Dimensionamento à tração 55
Capítulo 7
Dimensionamento à compressão 61
7.1 Força normal resistente de cálculo pela flambagem da barra por
flexão, por torção ou por flexotorção 63
7.1.1 Cálculo de NE em perfis com dupla simetria ou simétricos em
relação a um ponto 64
7.1.2 Cálculo de NE em perfis monossimétricos 64
7.1.3 Cálculo de NE em perfis assimétricos 64
7.2 Força normal resistente de cálculo pela flambagem por distorção
da seção Transversal 71
7. Capítulo 8
Dimensionamento à flexão 75
8.1 Início de escoamento da seção efetiva 76
8.2 Flambagem lateral com torção 76
8.3 Flambagem por distorção da seção transversal 77
8.4 Força cortante 83
8.5 Momento fletor e força cortante combinados 83
Capítulo 9
Dimensionamento à flexão composta 87
9.1 Flexocompressão 88
9.2 Flexotração 89
9.3 Fluxogramas 94
Referências Bibliográficas 103
Anexo
Anexo A Torção em perfis de seção aberta 107
Anexo B – Forças transversais não paralelas a um dos eixos principais 117
21. 20
Comportamento estrutural de perfis de seção aberta
Os estados limites últimos das barras de
seção transversal aberta, formadas por chapas
finas de aço, a serem considerados no
dimensionamento, freqüentemente estão asso
ciados à instabilidade local, distorcional ou glo
bal.
Cabe aqui uma consideração sobre no
menclatura que, por vezes, afeta o entendimen
to conceitual do fenômeno da flambagem. Tome
se um pilar ideal, absolutamente reto, sem im
perfeições de fabricação e submetido a um car
regamento perfeitamente centrado. Incremente
se esse carregamento gradativamente até atin
gir a chamada carga crítica, o pilar pode se
manter na posição reta indeformada, de equilí
brio instável, ou, se houver uma perturbação, por
menor que seja, procurar uma posição deforma
da estável. Há, portanto duas soluções teóricas
de equilíbrio.
Tomese, agora, um pilar real, com imper
feições geométricas. Novamente, aplicase uma
força perfeitamente axial. Ao se incrementar o
carregamento, a presença de imperfeições cau
sará flexão. Assim, desde o início, o pilar real
estará submetido à flexãocomposta e o estado
limite último poderá ser alcançado para valores
inferiores ao da força normal crítica.
Em termos mais simples, há uma diferen
ça conceitual entre a resposta estrutural de um
pilar ideal e a de um pilar real, imperfeito, mes
mo que ambos estejam sujeitos apenas à força
axial.
Para que não haja conflito entre o entendi
mento dos dois comportamentos distintos, as
principais escolas brasileiras definem
flambagem como a ocorrência de um ponto de
bifurcação no diagrama força x deslocamento
de um ponto de uma barra ou chapa comprimi
da. Em elementos estruturais reais, na presen
ça de imperfeições, não ocorre ponto de bifur
cação e, portanto, segundo a definição não ocor
re flambagem. Em outras palavras distinguese
a flambagem da flexão composta. Como, geral
mente, as imperfeições das estruturas de aço
são de pequeno valor, os modos de deforma
ção das barras de aço lembram os modos de
flambagem.
Neste manual, à semelhança da norma bra
sileira NBR 14762:2001, por simplicidade, os
modos reais de deformação que podem levar à
instabilidade são associados aos modos teóri
cos de flambagem e o termo “flambagem” é usa
do indistintamente para estruturas teóricas ou
reais.
No capítulo 4, discorrese de forma deta
lhada, sobre o fenômeno da instabilidade local
e sobre o método das larguras efetivas, proce
dimento simplificado para considerarse a ins
tabilidade no dimensionamento do perfil. No
capítulo 5, apresentamse considerações sobre
a instabilidade distorcional. No capítulo 7, dis
correse sobre os fenômenos de instabilidade
global, quais sejam a instabilidade lateral com
torção das vigas e a instabilidade por flexão,
torção ou flexotorção de pilares.
A capacidade resistente das barras con
siderando as instabilidades globais relaciona
das com a torção está diretamente associada à
rigidez à flexão EI y
, e à rigidez à torção da se
ção. A parcela da torção, em especial, depende
não apenas do termo correspondente à chama
da torção de Saint Venant, GI t
, mas igualmente
da rigidez ao empenamento da seção, EC w
.
Quanto mais finas as paredes da seção do per
fil, menores os valores das propriedades I t
e
C w
. Essas parcelas são proporcionais ao cubo
da espessura t das paredes, sofrendo grandes
variações para pequenas alterações no valor da
espessura.
Além dos fenômenos de instabilidade, a
barra pode estar sujeita à torção.
Nas vigas em que os carregamentos não
são aplicados no centro de torção da seção,
ocorre torção. As teorias de barras de Euler e
de Timoshenko, comumente ensinadas nos cur
sos de Resistência dos Materiais, não abran
gem esse comportamento das barras com se
ção aberta.
Para um entendimento geral do compor
tamento de um perfil de seção aberta, mostram
se no Anexo A de forma simples e intuitiva, as
25. 24
Flambagem local e o método das larguras efetivas
No dimensionamento de perfis de chapa
dobrada, cuja seção transversal é constituída por
elementos de chapas finas com elevada rela
ção largura/espessura, é necessário verificar os
elementos quanto à flambagem local. No cálcu
lo convencional de estruturas de aço compos
tas de perfis laminados ou soldados a
flambagem local pode ser evitada pelo uso de
uma classe desses perfis, que tem uma relação
largura/espessura reduzida.
Os elementos planos que constituem a
seção do perfil nas estruturas de chapa dobra
das podem deformarse (flambar) localmente
quando solicitados à compressão axial, à com
pressão com flexão, ao cisalhamento, etc (figu
ra 4.1). Diferentemente da flambagem de barra,
a flambagem local não implica necessariamen
te no fim da capacidade portante do perfil, mas,
apenas uma redução de sua rigidez global à
deformação.
As chapas de aço ainda possuem consi
derável capacidade resistente após a ocorrên
cia da flambagem local. Sua capacidade resis
tente chegará ao limite somente quando as fi
bras mais comprimidas atingirem a resistência
ao escoamento do aço. Isso significa que o cor
reto dimensionamento desses elementos de
pende de uma análise nãolinear. Costumase
substituíla por expressões diretas, deduzidas a
partir de teorias simplificadas e calibradas
empiricamente. Atualmente, na norma brasilei
ra para o dimensionamento de perfis formados
a frio, NBR 14762:2001, é recomendado o mé
todo das larguras efetivas.
Para exemplificar o comportamento após
a ocorrência da flambagem local de uma cha
pa, considere uma placa quadrada simplesmen
te apoiada nas quatro bordas, sujeito a um es
forço de compressão normal em dois lados
opostos, como mostrado na figura 4.2.
Admitindose faixas como um sistema de
grelha, notase que, as faixas horizontais contri
buem para aumentar a rigidez à deformação das
barras verticais comprimidas. Nesse modelo, as
faixas horizontais se comportam como se fos
sem apoios elásticos distribuídos ao longo do
comprimento das barras comprimidas. Quanto
maior for a amplitude da deformação da barra
comprimida, maior será contribuição das “mo
las” para trazêla à posição vertical novamente.
Essa condição estável após a deformação per
pendicular ao seu plano é considerada no
dimensionamento dos perfis formados a frio.
Figura 4.2 Comportamento pósflambagem
Figura 4.3 Comportamento associado a grelha
Figura 4.1 Flambagem local
Flexão Compressão
26. 25
(eq. 4.1)
4.1 Fatores que influenciam no
cálculo da largura efetiva
4.1.1 Condição de contorno
A condição de contorno dos elemen
tos de chapa, tal qual nas barras, influi na capa
cidade resistente.
A NBR 14762 designa dois tipos de
condição de contorno para os elementos de cha
pa, AA e AL, conforme exemplificado na figura
4.5.
Figura 4.5 Condições de contorno (extraída da
NBR14762:2001)
Os enrijecedores e as mesas não
enrijecidas dos perfis de aço, figura 4.6, são ele
mentos com um dos lados constituídos de bor
da livre, AL indicados da figura 4.5. Essa condi
ção reduz significativamente a capacidade re
sistente, pois, não ocorrem na configuração de
formada (figura 4.6), as diversas semiondas que
aproximam seu comportamento ao de uma cha
pa quadrada e nem há colaboração de “barras
horizontais” como um modelo de grelha. Em ele
mentos muito esbeltos, ou seja, com altos valo
res da relação largura/espessura, a largura efe
tiva calculada é muito pequena.
O coeficiente de flambagem, k, é o fator
inserido nas expressões para o cálculo das lar
guras efetivas que quantifica as diversas condi
ções de contorno e de carregamento das cha
pas, sendo obtido por meio da Teoria da Esta
bilidade Elástica. A tabela 4.1 mostra alguns va
lores clássicos para o coeficiente k.
Esse conceito de grelha pode ser
extrapolado para uma chapa retangular com a
dimensão longitudinal muito maior do que a
transversal, figura 4.3, e esse é o caso dos per
fis formados a frio. Nesse caso, a chapa apre
sentará comportamento equivalente a uma su
cessão de chapas aproximadamente quadra
das, sendo válido estender a conclusão sobre o
comportamento das chapas quadradas às cha
pas longas.
A rigidez à deformação da chapa é maior
junto aos apoios “atraindo” maiores tensões atu
antes. O máximo esforço suportado pela chapa
ocorre quando a tensão junto ao apoio atinge a
resistência ao escoamento, f y
.
A figura 4.4 mostra a distribuição das ten
sões na chapa com o aumento gradual do car
regamento aplicado. De início, a distribuição
das tensões é uniforme com valor inferior ao da
tensão crítica de flambagem, figura 4.4a. Aumen
tando o carregamento a chapa se deforma e há
uma redistribuição das tensões internas (figura
4.4b) até atingir a resistência ao escoamento,
f y,
figura 4.4c.
O conceito de larguras efetivas consiste
em substituir o diagrama da distribuição das
tensões, que não é uniforme, por um diagrama
uniforme de tensões. Assumese que a distri
buição de tensões seja uniforme ao longo da
largura efetiva “b ef
” fictícia com valor igual às ten
sões das bordas, figura 4.4d. A largura “b ef
” é
obtida de modo que a área sob a curva da dis
tribuição nãouniforme de tensões seja igual à
soma de duas partes da área retangular equi
valente de largura total “b ef
” e com intensidade
“f máx
”, conforme a equação 4.1.
Figura 4.4 Distribuição de tensões
27. 26
Flambagem local e o método das larguras efetivas
Tabela 4.1 – Valores de k para algumas condi
ções de contorno e carregamento
Os elementos com enrijecedores de bor
da não podem ser incondicionalmente conside
rados como biapoiados. Como se pode notar
no modelo adotado para representar o
enrijecedor de borda na figura 4.7, um
enrijecedor pode não ser suficientemente rígido
para se comportar como um apoio adequado e
assim, comprometer a estabilidade da mesa
enrijecida. A capacidade adequada de um
enrijecedor depende essencialmente do seu
momento de inércia, I x
, portanto, os valores da
largura efetiva das mesas enrijecidas dos per
fis dependem da dimensão D do enrijecedor.
Por outro lado, o enrijecedor não deve ser muito
esbelto, ou seja, ter a dimensão D elevada, por
que ele próprio pode se instabilizar. O valor mais
adequado para a largura do enrijecedor está
entre 12% a 40% da mesa do perfil a ser
enrijecida, conforme mostra a figura 4.8, que foi
construída por meio de uma análise paramétrica
a partir das expressões da norma brasileira,
para alguns casos de perfis tipo Ue.
4.1.2 – Distribuição de tensões
A forma da distribuição de tensões aplica
da (figura 4.9) no elemento de chapa também
influência o cálculo da largura efetiva.
Figura 4.6 Elementos com bordas livres
Figura 4.8 Largura efetiva em função de D/b f
Figura 4.9 Distribuição de tensões
Figura 4.7 Enrijecedor de borda
(fig. 4.9a)
(fig. 4.6)
(fig. 4.9e)
(por ex. mesas de
perfis Ue Fig. 4.7)
28. 27
Quando o carregamento na chapa não é
uniforme, há uma diminuição dos esforços de
compressão ao longo da borda carregada,
consequentemente aumentando a largura efeti
va calculada.
O valor da tensão, obviamente, é funda
mental na determinação da largura efetiva. Al
tos valores de tensões atuantes conduzem a
menores larguras efetivas.
4.2 Cálculo das larguras efetivas
Calculase a largura efetiva de uma chapa
comprimida (NBR 14762 item 7.2) por meio da
eq. 4.2.
(eq. 4.2)
(eq. 4.3)
Sendo
b – largura do elemento
λp índice de esbeltez reduzido do elemento
t – espessura do elemento
E – módulo de elasticidade do aço = 20 500 kN/
cm 2
s tensão normal de compressão definida por:
s = ρ.f y
, sendo ρ o fator de redução associado
à compressão centrada e s = ρ FLT T
.f y
, sendo ρ FLT
o fator de redução associado à flexão simples.
k – coeficiente de flambagem local
Os valores do coeficiente de flambagem
k, para elementos classificados como AA e AL
(figura 4.5) são dados nas tabelas 4 e 5.
Notase que para valores de b ef
< 0,673 a
equação 4.2 resulta em b ef
= b
Nos casos onde há tensões de tração e
compressão no elemento, somente para ele
mentos com borda livre, calculase as largu
ras efetivas, substituindo na equação, a largura
total do elemento pela largura comprimida, b c
,
conforme a eq. 4.4 e figura 4.10.
Figura 4.10 – largura efetiva para elementos sob compres
são e tração
(eq.4.4)
onde b c
é o comprimento da parte compri
mida do elemento AL.
As tabelas 4.2 e 4.3 mostram as equações
para o cálculo do coeficiente de flambagem k.
Como era de ser esperar o coeficiente k depen
de das condições de contorno e carregamen
tos dos elementos. A condição de carregamen
to é avaliada em função da relação entre a má
xima e mínima tensão atuante no elemento ψ.
Para o cálculo dos deslocamentos, deve
se considerar também, a redução de rigidez à
flexão da seção devido à flambagem local. Para
isso, utilizamse as mesmas expressões do cál
culo das larguras efetivas (equações 4.2 e 4.3)
substituindose a máxima tensão permitida no
elemento, s , pela tensão de utilização, ns .
ns é a máxima tensão de compressão
calculada para seção efetiva (portanto é neces
sário fazer interação), na qual se consideram as
combinações de ações para os estados limites
de serviço.
0,22
1
p
ef
p
b
b b
l
l
æ ö
-ç ÷ç ÷
è ø= £
0,95
p
b
t
kE
l
s
=
0,22
1 c
p
ef
p
b
b b
l
l
æ ö
-ç ÷ç ÷
è ø= £
30. 29
Exemplos de cálculos de larguras efetivas
em elementos comprimidos AL:
Exemplo 01 Cálculo da largura efetiva
da alma e mesas do perfil padronizado
U250x100x2,65 mm submetido ao esforço de
momento fletor em relação ao eixo x, sob uma
tensão de 21,32 kN/cm 2
:
Perfil U: b w
= 25 cm b f
= 10 cm t= 0,265 cm
aço: f y
= 25 kN/cm 2
E= 20500 kN/cm 2
1 Cálculo das Larguras Efetivas
σ = 21,32 kN/cm2
admitindo distribuição linear de tensões,
com o valor máximo na fibra mais distante do
centro geométrico igual a σ = 21,32 kN/cm2 e
zero no centro geométrico podese calcular as
tensões em qualquer coordenada y da seção.
1.1 Largura efetiva do elemento [1]
Elemento AL
A largura, b, é o comprimento da parte reta do
elemento, descontados os trechos curvos:
b= 10,0 – 2.t = 10,0 – 2 . 0,265
b= 9,47 cm
podese tomar, neste caso, a tensão na fibra
média da mesa. Nos exemplos deste manual,
por simplificação e a favor da segurança, admi
tese que a tensão na fibra média é a tensão
máxima no perfil:
σ 1
= 21,32 kN/cm2
σ 2
= 21,32 kN/cm2
Somente tração no elemento!
1.2 Largura efetiva elemento[3]
Elemento AL
b= 9,47 cm
σ 1
= 21,32 kN/cm2
σ 2
= 21,32 kN/cm2
ψ = 1
1.2.1 NBR14762 Tab05.caso a (Tabela 4.3)
k= 0,43
λ p
=1,85 [λ p
> 0,673]
b ef
= 4,51 cm
b ef,1
= 4,51 cm
1.3 Largura efetiva do elemento [2]
Elemento AA
σ 1
= 20,64 kN/cm 2
σ 2
= 20,64 kN/cm 2
ψ = 1
1.3.1 NBR14762 Tab04.caso d (Tabela 4.2)
b= 25 – 4.t = 25 – 4 . 0,265
b= 23,94 cm
k= 24
b= 23,94 cm
b c
= 11,97 cm
b t
= 11,97 cm
9,47
0,335
0,43.20500
0,95 0,95
21,32
p
b
t
kE
l
s
= =
0,22 0,22 1 9,47 1
1,85
1,85
p
ef
p
b
b b
l
l
æ ö æ ö-ç ÷ -ç ÷ ç ÷
è ø è ø= = £
34. 33
Figura 4.12 Enrijecedor de borda
Primeiramente se calcula 0 pl , que é o va
lor da esbeltez reduzida da mesa como se ela
fosse um elemento de borda livre (AL):
(eq. 4.5)
Caso I – 0 pl < 0,673 Elemento pouco
esbelto. Mesmo que a mesa fosse de borda livre
(AL) sua largura efetiva seria igual a largura bru
ta. Nesse caso então, não seria necessária a
ajuda do enrijecedor de borda.
b ef
= b à para a mesa comprimida
Caso II – 0,673 < 0 pl < 2,03 – Elemento
medianamente esbelto, precisa ser apoiado
pelo enrijecedor para aumentar sua capacida
de resistente.
O cálculo da largura efetiva é feito por meio
da equação 4.2, onde o coeficiente de
flambagem k, é calculado conforme a equação
4.6.
O momento de inércia de referência (ade
quado) para o enrijecedor é determinado con
forme a equação 4.7.
O momento de inércia da seção bruta do
enrijecedor em relação ao seu centro geométri
co em torno do eixo paralelo ao elemento
enrijecido é determinado conforme a equação
4.8.
O valor de k a
é calculado pela equação 4.9
ou 4.10, conforme o caso.
1 para enrijecedor de borda simples com
40 140 o o
q£ £ e 0,8
D
b
£ , onde q é mostrado na
figura 3.9a:
(eq. 4.6)
(eq. 4.7)
(eq. 4.8)
(eq. 4.9)
0
0,43
0,95 0,623
p
y
b b
t t
E E
f
l
s
= =
( ) 0,43 ,043 s
a a
a
I
k k k
I
= - + £
( )
3 4
0 400 0,49 0,33 a p I t l= -
3 2
.
12 s
d t sen
I
q
=
5,25 5 4,0 a
D
k
b
æ ö
= - £ç ÷
è ø
(a)
(b)
38. 37
3 2 3 2
. 1,565 .0,12. (45)
12 12
s
d t sen sen
I
q
= =
Is= 0,0192 cm4
1,7
5,25 5 5,25 5 4,0
4,625
a
D
k
b
æ öæ ö
= - = - £ç ÷ ç ÷
è ø è ø
ka= 3,40
( ) 4
0 56 5 a p I tl= + =( ) 4
56 2,161 5 0,12´ +
Ia= 0,026 cm4
( ) 3 0,43 0,43 s
a a
a
I
k k k
I
= - + £
Is/Ia= 0,734
( ) 3
0,734 3,41 0,43 0,43 k = - +
k=3,10
4,625
0,12
3,10.20500
0,95
25
pl =
b ef,1
= 1,497 cm
1.2 Largura efetiva das mesas
1.2.1 NBR14762. 7.2.2.2 Elemento com
enrijecedor de borda (com inclinação de 45º):
σ 1
= 25 kN/cm 2
σ 2
= 25 kN/cm 2
b=4,625 cm D=1,70 cm
t=0,12 cm d ef
=1,497 cm
d=1,565 cm σ=25 kN/cm 2
θ=45 º
Como λ p0
=2,161 > 2,03, então:
1.3 Largura efetiva da alma
Elemento AA
b= 9,52 cm
σ 1
= 25 kN/cm 2
σ 2
= 25 kN/cm 2
ψ = 1
1.3.1 – Tabela 4.2 – caso a (NBR14762 Tab04)
k= 4
0,22
1,565 1
0,731
0,731
ef b
æ ö
-ç ÷
è ø= = 1,497 cm
0
4,625
0,12
20500
0,623 0,623
25
p
y
b
t
E
f
l = = = 2,161
λp=0,805 [λp > 0,673]
0,22
4,625 1
0,805
0,805 ef b
æ ö
-ç ÷
è ø=
bef=4,175 cm
,2
2 2
ef ef s
ef
a
b b I
b
I
æ ö
= £ç ÷
è ø
,2
4.175
0,734
2
ef b
æ ö
= ç ÷
è ø
bef,2= 1,532 cm
bef,1 = bef – bef,2= 4,175 – 1,532
bef,1= 2,642 cm
como Is < Ia, então:
s
s ef ef
a
I
d d d
I
= £
ds= 0,734 . 1,497 = 1,099 cm
39. 38
9,52
0,12
4.20500
0,95
25
pl =
λp=1,458 [λp > 0,673]
0,22
9,52 1
1,458
1,458
ef b
æ ö
-ç ÷
è ø=
bef= 5,544 cm
bef,1= 2,772 cm
bef,2= 2,772 cm
Flambagem local e o método das larguras efetivas
Propriedades geométricas:
A da seção bruta= 2,8 cm 2
A da seção efetiva= 2,10 cm 2
Exemplo 06 Cálculo da largura efetiva da alma
e mesas do perfil Ue com enrijecedor de borda
adicional, Uee 200x100x25x10x2,65 mm sub
metido a momento fletor em relação ao eixo de
maior inércia, X, sob uma tensão máxima de
25,00 kN/cm 2
:
Aço: f y
= 25 kN/cm2 E= 20500 kN/cm 2
G= 7884,615 kN/cm 2
Uee: b w
= 20,0 b f
= 10,0 D= 2,5 D e
= 1,0
t= 0,265 α=0 β=90 θ=90
Seção submetida a esforço de momento fletor
em relação ao eixo X
1 Cálculo das Larguras Efetivas
σ máx
= 25 kN/cm 2
O cálculo das tensões nas extremidades de cada
elemento é feito considerando diagrama linear
de tensões ao longo da altura do elemento com
a linha neutra passando pelo centro geométrico
e perpendicular ao plano de aplicação do mo
mento e o máximo valor de tensão igual a 25
kN/cm 2
(tração ou compressão) na fibra mais
distante da linha neutra:
1.1 – Largura efetiva do enrijecedor de borda
e do enrijecedor de borda adicional:
O valor de b/t máximo em elementos com borda
livre (AL) submetidos a uma tensão de 25 kN/
cm 2
para ter a largura efetiva igual a largura bru
ta (b ef
= b) é dado pela equação 4.3 ao igualar
se a esbelteza reduzida, λ p
, a 0,673:
0,673
.20500
0,95
p
b
t
k
l
s
= = è
0,43.20500
0,95 0,673
25
b
t
=
47. 46
Flambagem por distorção da seção transversal
A flambagem por distorção é caracteriza
da pela alteração da forma inicial da seção
transversal ocorrendo uma rotação dos elemen
tos submetidos à compressão.
Esse fenômeno tornase mais evidente em:
aços de alta resistência
em elementos com maior
relação
largura da mesa
largura da alma
,
elementos com menor largura do
enrijecedor de borda,
seção cujos elementos são poucos es
beltos (menor b/t). Nesse caso, a carga crítica
de flambagem distorcional pode ser menor do
que a da flambagem local.
Uma característica que diferencia a
flambagem local da distorcional é a deformada
póscrítica. Na flambagem por distorção a se
ção perde sua forma inicial (figuras 5.1 e 5.2), o
que não ocorre na flambagem local.
Figura 5.1 Flambagem local e distorcional
a) compressão centrada b) momento fletor
Figura 5.2 – Distorção da seção transversal
Figura 5.3 Modelo simplificado proposto por Hancock &
Lau
A NBR 14762:2001 utiliza o método sim
plificado proposto por Hancock, para calcular a
força crítica de flambagem por distorção dos
perfis formados a frio. Esse modelo simplifica
do dispensa a solução numérica que demanda
ria programas de computador.
Hancock idealizou um modelo de viga
composto apenas pela mesa do perfil e do seu
enrijecedor, submetido à compressão. A ligação
da mesa com a alma é representada por dois
apoios de molas, um para restringir à rotação e
outro para restringir o deslocamento horizontal,
conforme esquematizado na figura 5.3. Esse
modelo procura considerar, de forma aproxima
da, a influência da alma sobre a mesa compri
mida, por meio de coeficientes de mola kf e x k ,
respectivamente, à rotação e translação. É fácil
notar que quanto mais esbelta for a alma (maior
b w
/t), menor serão os valores de e kf e x k .
A partir desse modelo matemático, com
algumas simplificações, é possível determinar
se a tensão crítica de distorção do perfil e, con
seqüentemente, a força normal e o momento
fletor críticos. Esses esforços podem ser deter
minados conforme os itens 7.7.3 e 7.8.1.3 da
NBR 14762.
49. 48
Flambagem por distorção da seção transversal
Ad
= (bf
+ D)t
Ix
= bf
t3
/12 + tD3
/12 + bf
t hy
2
+ Dt(0,5D +
hy
)2
Iy
= tbf
3
/12 + Dt3
/12 + Dt(bf
+ hx
)2
+ bf
t(hx
+ 0,5bf
)2
Ixy
= bf
t hy
(0,5bf
+ hx
) + Dt(0,5D + hy
)(bf
+
h)
It
= t3
(bf
+ D)/3
hx
= 0,5(bf
2
+ 2bf
D)/(bf
+ D)
hy
= 0,5D2
/(bf
+ D)
bf
; bw
; D ; t são indicados na figura 5.2.
Outro fator que deve ser observado na aná
lise da flambagem por distorção é o limite de
validade das expressões normatizadas, ou seja,
0,4 < b f
/ b w
< 2,0. Essa limitação se deve à
calibaração da equação 5.4 para o cálculo de
k f . Para perfis fora dessa faixa é necessário
empregar métodos mais precisos.
A tabela 5.1 indica as dimensões mínimas
que deve ter o enrijecedor de borda (em rela
ção a dimensão da alma, D/b w
) de perfis Ue de
forma a dispensar maiores verificações à
flambagem por distorção. Essa tabela, retirada
do anexo D da NBR 14762, foi construída com
base nas tensões críticas de flambagem, em
regime elástico, pelo método das faixas finitas.
Para cada modo de flambagem, global, local ou
distorcional, há uma tensão crítica diferente (veja
a figura 7.2).
As dimensões recomendadas pelas
tabela 5.1 garantem que o modo distorcional não
será o modo crítico de flambagem .
A tabela 5.1 é válida para barras em que
L x
, L y
e L t
são iguais. As barras em que os com
primentos de flambagem mencionados são di
ferentes, por exemplo, barras com travamentos
intermediários, devem ser verificados à
distorção pela equação 5.1
Exemplo 08: (exemplo de utilização da tabela
5.1)
Qual deve ser o comprimento mínimo do
enrijecedor do perfil Ue 200x100xDx3 mm de
uma barra submetida à compressão centrada
para não ser necessário a verificação da
flambagem por distorção?
Da tabela 5.1, por interpolação linear, temse:
b w
/ t
b f
/ b w
100 67 50
0,4 0,04 0,0664 0,08
0,5 0,0929
0,6 0,06 0,1194 0,15
100
0,5
200
f
w
b
b = =
200
67
3
w b
t = =
0,0929
w
D
b = è D= 0,0929 . 200= 18,58 mm
Tabela 5.1 – Valores mínimos da relação D/b w
de seções do tipo U enrijecido submetida à
compressão centrada para dispensar a verifi
cação da flambagem por distorção.
50. 49
Para uma barra onde os comprimentos de
flambagem são iguais, L x
=L y
=L t
, o menor valor
de enrijecedor de borda para dispensar a verifi
cação da flambagem por distorção é D= 19mm.
5.2 Seções do tipo U enrijecido e Z
enrijecido submetidas à flexão em
relação ao eixo perpendicular à alma
A tensão crítica de flambagem elástica por
distorção σ dist
para seções do tipo U enrijecido
e do tipo Z enrijecido submetidas à flexão em
relação ao eixo perpendicular à alma pode ser
determinada conforme a equação 5.1 substitu
indose apenas as equações de L d
(eq. 5.3) e
kf (eq. 5.4) pelas equações 5.6 e 5.7
respectivamente.
L d
= 4,8(0,5I x
b f
2
b w
/t 3
) 0,25
(eq. 5.6)
(eq. 5.7)
De mesma forma que no caso da compres
são uniforme, σ dist
deve ser calculada, em pri
meira aproximação utilizandose a equação 5.1,
mas substituindo a equação de 5.2 pela equa
ção 5.5.
Se o valor de k f . resultar negativo, k f .
deve ser novamente calculado com σ dist
=0.
Se o comprimento livre à flambagem por
distorção (L dist
distância entre seções com res
trição total à distorção da mesa comprimida) for
inferior a L d
teórico, calculado conforme equa
ção 5.6, então L d
pode ser substituído pelo com
primento livre à flambagem por distorção.
A tabela 5.2 indica as dimensões mínimas
que deve ter o enrijecedor de borda (em rela
ção a dimensão da alma, D/b w
) de perfis Ue e
Ze de forma a dispensar maiores verificações
à flambagem por distorção . Essa tabela foi re
tirada do anexo D da NBR 14762.
Tabela 5.2 – Valores mínimos da relação
D/b w
de seções do tipo U enrijecido e Z
enrijecidos submetida à flexão para dispensar
a verificação da flambagem por distorção.
Exemplos para o cálculo da tensão de
distorção no perfil:
Exemplo 09 Cálculo da tensão crítica de
flambagem elástica à distorção do perfil padro
nizado Ue 250x100x25x2.65 mm submetido ao
esforço normal de compressão:
1 Cálculo de σ dist
[NBR 14762Anexo D]
NBR 14762 Anexo D3: Seções Ue submeti
dos a compressão uniforme
t=0,265 cm b w
=25 cm b f
=10 cm
D=2,5 cm E=20500 kN/cm 2
Propriedades geométricas da mesa e
enrijecedor (ver item 5.1 e figura 5.4):
A d
= 3,05661 cm 2
I x
= 1,00392 cm 4
I y
= 28,20113 cm 4
I xy
= 2,83349 cm 4
I t
= 0,07145 cm 4
C w
= 0,00079 cm 6
h x
= 5,556 cm h y
= 0,2454 cm
x 0
= 3,73896 cm y 0
=0,24098 cm
Equação da tensão crítica de flambagem
elástica por distorção é dada por (eq. 5.1):
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
++
s
-
+
=f 2
w
2
d
4
w
4
d
2
d
4
w
2
dist
d w
3
b L 39 , 13 b 192 , 2 L 56 , 12
L b
Et
11 , 1
1
) L 06 , 0 b ( 73 , 2
Et
k
sdist = (0,5E/Ad){a1 + a2 – [(a1 + a2)2 4a3]0,5}
51. 50
Flambagem por distorção da seção transversal
b4
= b2
= Ix
bf
2
= 1,004 . 102
b4
=100,392
b2
=100,392
comprimento teórico da semionda na configu
ração deformada:
Ld
= 4,8(b4
bw
/t3
)0,25
Ld
= 4,8(100,392 . 25 /0,2653
)0,25
Ld
=91,985 cm
h = (p/Ld
)2
= (p/91,985)2
h=0,0011664511
b1
= hx
2
+ (Ix
+ Iy
)/Ad
b1
= (5,556)2
+ (1,004 + 28,201)/3,057
b1
=40,4193
b3
= Ixy
bf
= 2,83349 . 10
b3
= 28,3349
sdist
deve ser calculada em primeira
aproximação com,
a1
= (h/b1
)(b2
+ 0,039It
Ld
2
)
a1
= (0,001166 / 40,419)(100,392 + 0,039
. 0,07145.(91,985)2
a1,1ªaprox
= 0,0035776
a2
= h(Iy
2 yo
b3
/b1
) = 0,001166 (28,201 –
2(0,24098).28,33349 / 40,4193)
a2
=0,033289
a3
= h(a1
Iy
hb3
2
/b1
) = 0,001166
(0,0035776 . 28,20113 0,001166
(28,3349)2
/ (40,4193))
a3
=0,00009066
Para o primeiro cálculo de sdist
(considerando kf
= 0 ):
sdist
= (0,5 . 20500 / 3,0566).{0,00358+
0,03329– [(0,00358+0,03329)2
– 4,0 .
0,0000907]0,5
}
sdist,1ªaprox
=17,70 kN/cm2
então o coeficiente à rotação da mola para a
tensão calculada será:
kf
=1,0336
a1
= (h/b1
)(b2
+ 0,039It
Ld
2
) + kf
/(b1
hE)
a1
= 0,0035776 + 1,0336 / (40,419 .
0,001167 . 20500 )
a1
=0,0046470723
a3
= h(a1
Iy
hb3
2
/b1
) = 0,00117 (0,004647
. 28,201 0,00117 (28,335)2
/ (40,419))
a3
=0,0001258402
finalmente o valor da tensão crítica, σ dist
:
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
+
s
-
+
=f
2
2
d
2
w
d
2
w
2
dist
d w
3
L b
L b
Et
11 , 1
1
) L 06 , 0 b ( 46 , 5
Et
k
( )
( )( )
2 3 2
2 2 2
20500. 0,265 1,11 17,70 25 91,985
1
20500 0,265 25 91,985 5,46 25 0,06. 91,985
kf
é ùæ ö´ ´
ê ú= ç ÷
´ ++ ê úè øë û
sdist = (0,5E/Ad){a1 + a2 – [(a1 + a2)2 4a3]0,5}
( ){ }
0,5
2
dist
0,5 20500
= 0,00465+ 0,03329 0,00465 + 0,03329 4 0,0001258
3,057
s
´æ ö é ù´ ´ç ÷ ë ûè ø
52. 51
σ dist
= 24,63 kN/cm2
Exemplo 10 Cálculo da tensão crítica de
flambagem elástica à distorção do perfil Ue
150x60x20x2 mm submetido ao esforço de
momento fletor no plano perpendicular a alma:
Ue: b w
=15 cm b f
=6 cm D=2 cm t=0,2 cm
E= 20500 kN/cm2
1 Cálculo de σ dist
[NBR 14762Anexo D]
NBR 14762 Anexo D4: Seções Ue e Ze sub
metidos a flexão em relação ao eixo perpendi
cular à alma
Propriedades geométricas da mesa e enri
jecedor:
A d
= 1,454 cm 2
I x
= 0,370 cm 4
I y
= 4,7879 cm 4
I xy
= 0,757 cm 4
I t
= 0,01936 cm 4
C w
= 0,00014
cm 6
h x
= =3,4177 cm h y
= 0,2504 cm x 0
= 2,05286
cm
y 0
= 0,24568 cm
Equação da tensão crítica de flambagem
elástica por distorção é dada por (eq. 5.1):
b4
= b2
= Ix
bf
2
= 0,370 . 62
b4
=13,32612
b2
=13,32612
comprimento teórico da semionda
na configuração deformada:
Ld
= 4,8(0,5Ix
bf
2
bw
/t3
)0,25
Ld
= 4,8(0,5 . 0,370 . 6 2
15 / 0,23
)0,25
Ld
=50,7469 cm
h = (p/Ld
)2
= (p/50,7469)2
h= 0,0038324789
b1
= hx
2
+ (Ix
+ Iy
)/Ad
b1
= (3,4177)2
+ (0,370 + 4,7879) / 1,454
b1
=15,22775
b3
= Ixy
bf
= 0,757 . 6
b3
= 4,54386
σ dist
deve ser calculada em primeira aproxima
ção com,
σ 1
= (h/b 1
)(b 2
+ 0,039I t
L d
2
)
a 1
= (0,0038324789/15,22775)( 13,32612+ 0,039 .
0,01936.( 50,7469) 2
a1,1ªaprox
= 0,0038432481
a2
= h(I y
2 y o
b 3
/b 1
) = 0,0038324789 (4,7879 –
2(0,24568). 4,54386 / 15,227749)
a2
= 0,018911515
a3
= h(a 1
I y
hb 3
2
/b 1
) = 0,003832479
(0,003843248 . 4,7879 0,0038325 (4,5439) 2
/
(15,228))
a3
= 0,0000506074
Para o primeiro cálculo de σ dist
(considerando
kf
= 0 ):
σ dist
= (0,5 . 20500/ 1,454).{ 0,003843+0,01891–
[(0,003843+0,01891) 2
–4,0 . 0,00005061 ] 0,5
}
a dist,1ªaprox
= 35,22 kN/cm 2
coeficiente de mola à rotação:
k φ
=3,10215 > 0 (ok!)
sdist = (0,5E/Ad){a1 + a2 – [(a1 + a2)2 4a3]0,5}
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
+
s
-
+
=f
2
2
d
2
w
d
2
w
2
dist
d w
3
L b
L b
Et
11 , 1
1
) L 06 , 0 b ( 46 , 5
Et
k
( )
( )( )
2 3 2
2 2 2
20500. 0,2 1,11 35,218 15 50,749
1
20500 0,2 15 50,749 5,46 15 0,06. 50,749
kf
é ùæ ö´ ´
ê ú= ç ÷
´ ++ ê úè øë û
58. 57
siderada igual à área bruta da(s) parte(s)
conectada(s) apenas.
d f
dimensão do furo,
n f
quantidade de furos contidos na linha de rup
tura analisada, figura 6.1;
s é o espaçamento dos furos na direção da
solicitação, figura 6.1;
g espaçamento dos furos na direção perpen
dicular à solicitação, figura 6.1;
t espessura da parte conectada analisada
C t
coeficiente de redução de área líquida con
forme item 7.6.1 da NBR 14762:2001 mostra
dos nas tabelas 6.2 a 6.4.
Tabela 6.2 Chapas com ligações parafusadas
Figura 6.1 – Linha de ruptura
d diâmetro nominal do parafuso;
Em casos de espaçamentos diferentes,
tomar sempre o maior valor de g para cálculo de
C t
;
Nos casos em que o espaçamento entre
furos g for inferior à soma das distâncias entre
os centros dos furos de extremidade às respec
tivas bordas, na direção perpendicular à solici
tação (e 1
+ e 2
), C t
deve ser calculado substituin
do g por e 1
+ e 2
.
Havendo um único parafuso na seção ana
lisada, C t
deve ser calculado tomandose g como
a própria largura bruta da chapa.
Nos casos de furos com disposição em zig
zag, com g inferior a 3d, C t
deve ser calculado
tomandose g igual ao maior valor entre 3d e a
soma e 1
+ e 2
.
Tabela 6.3 Chapas com ligações soldadas
Figura 6.2 – Ligações parafusadas
Figura 6.3 – Ligações soldadas
63. 62
Dimensionamento à compressão
Barras comprimidas estão sujeitas à
flambagem por flexão (ou flambagem de Euler),
à flambagem por torção ou à flambagem por
flexotorção. Essas denominações devemse às
formas da deformação póscritíca, como se pode
ver na figura 7.1
O aumento da esbeltez da barra diminui
sua capacidade para resistir aos esforços
solicitantes. Isso significa que a máxima tensão
que poderá atuar num elemento de chapa será
a tensão crítica de flambagem global e não mais
a tensão de escoamento do aço, máxs = críts . As As
larguras efetivas dos elementos da seção são,
portanto, calculadas para esse valor de tensão.
Em peças excessivamente esbeltas a ten
são crítica de flambagem global é muito peque
na, menor que da flambagem local (figura 7.1a),
não havendo redução das larguras efetivas, a
seção efetiva é a própria seção bruta. Nesses
casos é a flambagem global que determina a
capacidade resistente do perfil.
Em peças curtas as cargas críticas da
flambagem global são altíssimas e a capacida
de resistente do perfil é determinada pela resis
tência do material (o aço) somado aos efeitos
da flambagem local.
a) flambagem por torção b) flambagem por flexotorção
Figura 7.1
Figura 7.3 Perfil que não ocorre a flambagem distorcional
Figura 7.2 Perfil que ocorre a flambagem distorcional
Para uma faixa de esbeltez intermediária
da barra, não excessivamente esbelta ou curta,
pode ocorrer um fenômeno que é desacoplado
da flambagem local e global: a flambagem por
distorção. A ocorrência desse fenômeno depen
de da geometria da seção transversal e do com
primento longitudinal da barra comprimida ou
fletida (L x
, L y
e L t
). Existem perfis em que a
flambagem por distorção não ocorre. Isso acon
tece quando o comprimento crítico para a
flambagem distorcional (L dist
crítico) é elevado o
suficiente para ocasionar flambagem global an
tes de atingir esse comprimento, (figura 7.3).
As figuras 7.2 e 7.3 mostram exem
plos de curvas da capacidade resistente e com
primento de barras submetidas à compressão
centrada. Os modos de flambagens que ocor
rem para cada comprimento da barra são iden
tificados. O perfil representado na figura 7.2 terá
ocorrência de flambagem por distorção quando
seu comprimento estiver dentro de uma peque
na faixa próximo ao comprimento de distorção
crítico, L d
. Os valores apresentados nas tabelas
das relações mínimas b w
/D para se dispensar a
verificação da flambagem por distorção, foram
extraídas de análises desse tipo, utilizando um
65. 64
Dimensionamento à compressão
A ef
é a área efetiva da seção transversal
da barra, calculada com base nas larguras efe
tivas dos elementos, adotando s = rf y
. Para o
primeiro cálculo de r pode ser adotado de for
ma aproximada, A ef
= A para o cálculo de l0
.
N e
é a força normal de flambagem elásti
ca da barra, calculado conforme item 7.7.2 da
NBR 14762, conforme mostrase a seguir:
7.1.1 Cálculo de Ne em perfis com dupla
simetria ou simétricos em relação a um ponto
A força normal de flambagem elástica N e
é o menor valor entre:
C w
constante de empenamento da seção;
E módulo de elasticidade;
G módulo de elasticidade transversal;
I t
momento de inércia à torção uniforme;
K x
L x
comprimento efetivo de flambagem por
flexão em relação ao eixo x;
K y
L y
comprimento efetivo de flambagem por
flexão em relação ao eixo y;
K t
L t
comprimento efetivo de flambagem por
torção. Quando não houver garantia de impedi
mento ao empenamento, devese tomar K t
igual
a 1,0.
r 0
é o raio de giração polar da seção bruta em
relação ao centro de torção, dado por:
r 0
= [r x
2
+ r y
2
+ x 0
2
+ y 0
2
] 0,5
(eq. 7.7)
r x
; r y
raios de giração da seção bruta em
relação aos eixos principais de inércia x e y,
respectivamente;
x 0
; y 0
coordenadas do centro de torção
na direção dos eixos principais x e y, respecti
vamente, em relação ao centróide da seção.
7.1.2 Cálculo de Ne em perfis
monossimétricos
A força normal de flambagem elástica N e
de um perfil com seção monossimétrica, cujo
eixo x é o eixo de simetria, é o menor valor en
tre:
Caso o eixo y seja o eixo de simetria, bas
ta substituir y por x e x 0
por y 0
7.1.3 Cálculo de Ne em perfis
assimétricos
A força normal de flambagem elástica N e
de um perfil com seção assimétrica é dada pela
menor das raízes da seguinte equação cúbica:
r 0
2
(N e
N ex
)(N e
N ey
)(N e
N et
) N e
2
(N e
N ey
)x 0
2
N e
2
(N e
N ex
)y 0
2
= 0
(eq.7.10)
N ex
; N ey
; N et
; x 0
; y 0
; r 0
conforme definidos pelas
equações 7.4 a 7.6.
2
2
) ( x x
x
ex
L K
EI
N
p
= (eq. 7.6)
2
2
) ( y y
y
ey
L K
EI
N
p
= (eq. 7.7)
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
+= t
t t
w
et GI
L K
EC
r
N
2
2
2
0 ) (
1 p
(eq. 7.8)
2
2
) ( y y
y
ey
L K
EI
N
p
= (eq. 7.10)
ú
ú
û
ù
ê
ê
ë
é
+
-
--
-
+
=
2
2
0 0
2
0 0 ) (
] ) / ( 1 [ 4
1 1
] ) / ( 1 [ 2 et ex
et ex et ex
ext
N N
r x N N
r x
N N
N (eq. 7.11)
(eq. 7.4)
(eq. 7.5)
(eq. 7.6)
(eq. 7.8)
(eq. 7.9)