Estruturas de aço de longo vão são amplamente utilizadas em aeroportos, estações ferroviárias, centros de exposições, estádios, plantas industriais, armazéns, hangares de aeronaves, centros logísticos e outros edifícios que requerem grandes espaços livres de colunas.

No projeto estrutural de vãos longos, a disposição dos pontos de apoio tem uma influência significativa na flexibilidade arquitetônica e no desempenho estrutural. Geralmente, quanto mais dispersos estão os suportes, maiores são as restrições ao planejamento e à organização espacial. Em contraste, estruturas com pontos de apoio mais concentrados podem muitas vezes proporcionar maior flexibilidade para o projeto arquitetônico e a utilização do espaço interior.

Dependendo do vão, função do edifício, requisitos de carga, forma arquitetônica e condições de construção, diferentes sistemas estruturais e métodos de instalação podem ser adotados.

Este artigo apresenta os principais tipos de estruturas metálicas de longo vão e os métodos construtivos mais utilizados.

1. Principais Tipos de Estruturas Metálicas de Longo Vão

1.1 Estrutura da Estrutura Espacial de Aço

Uma estrutura espacial é um sistema estrutural tridimensional composto por múltiplos membros conectados através de nós de acordo com um arranjo geométrico específico.

Os sistemas de grade plana de camada dupla ou multicamada são comumente chamados de estruturas de estrutura espacial . Eles são normalmente fabricados a partir de tubos de aço, seções ocas ou perfis de aço estrutural.

As configurações comuns de estrutura espacial incluem:

• Estruturas espaciais compostas por sistemas de treliças planas

• Molduras espaciais de pirâmide quadrada

• Quadros espaciais de pirâmide triangular

• Quadros espaciais de pirâmide hexagonal

Vantagens das estruturas espaciais

Os sistemas space frame oferecem várias vantagens importantes para edifícios de grandes vãos:

• Excelente distribuição de carga tridimensional

• Caminhos de transferência de carga claros e eficientes

• Alta rigidez estrutural

• Peso estrutural relativamente baixo

• Bom desempenho sísmico

• Fabricação e instalação convenientes

• Membros padronizados e nós de conexão

• Adequado para pré-fabricação de fábrica e produção em massa

• Layout arquitetônico flexível

• Fácil integração de tetos, tubulações, sistemas HVAC e outros serviços prediais

• Aparência arquitetônica leve e atraente

Devido a essas vantagens, as estruturas espaciais de aço são comumente usadas em salas de exposição, terminais de transporte, instalações esportivas, edifícios industriais e grandes edifícios públicos.

1.2 Estrutura do invólucro em grade de aço

Um shell de grade é uma estrutura de grade espacial curva. Dependendo do arranjo estrutural, ele pode ser projetado como uma grade de camada única ou uma grade de camada dupla..

As estruturas de grade podem ser construídas com aço, madeira, concreto armado ou materiais compósitos. As carcaças de grade de aço são particularmente adequadas para edifícios de grandes vãos devido à sua alta relação resistência-peso e flexibilidade de fabricação.

Os formulários comuns incluem:

• Conchas de grade esférica

• Conchas de grade cilíndrica

• Conchas de grade hiperbólica

• Conchas de grade parabolóide hiperbólica

• Sistemas de grade de curva dupla

Vantagens das estruturas Grid Shell

As estruturas de casca em grade combinam as características das estruturas em rede e das estruturas em casca.

Suas principais vantagens incluem:

• Comportamento estrutural eficiente

• Alta rigidez geral

• Excelente capacidade de longo alcance

• Membros estruturais relativamente simples

• Pequenos componentes podem ser montados em estruturas muito grandes

• Membros e nós podem ser pré-fabricados em fábricas

• Instalação modular conveniente

• Demanda reduzida por equipamentos de elevação pesada em alguns projetos

• Formas arquitetônicas atraentes e flexíveis

As conchas de grade podem ser projetadas em uma ampla variedade de superfícies curvas, tornando-as adequadas para estádios, arenas, centros de exposições, centros de transporte, átrios e edifícios históricos.

1.3 Estrutura da Membrana Elástica

Uma estrutura de membrana, também conhecida como estrutura de tecido elástico , é um sistema estrutural leve de longo vão desenvolvido extensivamente durante o século XX.

Utiliza materiais de membrana flexível de alto desempenho combinados com pressão de ar, cabos de aço ou estruturas de suporte rígidas. Ao introduzir um pré-esforço adequado na superfície da membrana, a estrutura desenvolve rigidez suficiente para cobrir grandes espaços.

Os principais sistemas estruturais de membrana incluem:

• Estruturas de membrana suportadas por ar

• Estruturas de membrana elástica

• Estruturas de membrana suportadas por moldura

Vantagens das estruturas de membrana

As principais características incluem:

• Peso próprio extremamente baixo

• Excelente capacidade de longo alcance

• Projeto arquitetônico flexível

• Instalação rápida

• Consumo reduzido de material estrutural

• Bom desempenho econômico

• Alto impacto visual

• Boa transmissão de luz natural dependendo do material da membrana

• Adequado para arquitetura irregular e de forma livre

Os sistemas de membrana exigem uma consideração cuidadosa da durabilidade do material, controle de pré-esforço, cargas de vento, drenagem, detalhes de conexão e manutenção a longo prazo.

Eles são amplamente utilizados em telhados de estádios, instalações de transporte, coberturas de entrada, complexos comerciais, locais ao ar livre e espaços públicos.

1.4 Estrutura Suportada por Cabo

As estruturas suportadas por cabos utilizam cabos de aço de alta resistência como elementos primários de resistência à tensão.

Um sistema típico de telhado suspenso consiste em:

• Sistema de cabos

• Sistema de telhado

• Sistema de suporte

As configurações comuns incluem:

• Estruturas de cabos unidirecionais de camada única

• Estruturas de cabos radiais de camada única

• Estruturas de cabos bidirecionais de camada única

• Estruturas de cabos protendidos de dupla camada unidirecional

• Estruturas de cabos protendidos radiais

• Estruturas de cabos protendidos de dupla camada bidirecional

• Estruturas de redes de cabos protendidas

Vantagens das estruturas suportadas por cabos

A principal vantagem das estruturas de cabos é o uso altamente eficiente do aço.

Em condições ideais, os cabos resistem principalmente às cargas através da tensão axial, reduzindo significativamente os efeitos de flexão e cisalhamento.

Outras vantagens incluem:

• Alta eficiência de materiais

• Peso próprio estrutural muito baixo

• Excelente capacidade de longo alcance

• Arranjo estrutural flexível

• Adequado para vários layouts arquitetônicos

• Demanda reduzida por grandes membros estruturais

• Aparência arquitetônica distinta

No entanto, as estruturas suportadas por cabos requerem uma análise estrutural avançada. Os níveis de pré-esforço, a não linearidade geométrica, a sequência de construção, a vibração induzida pelo vento e o controle de deformação devem ser todos cuidadosamente avaliados.

1.5 Estrutura de Casca Fina

Estruturas de casca fina são sistemas estruturais curvos que transferem cargas principalmente através de forças de membrana.

Na prática de engenharia, uma casca com espessura relativamente pequena em comparação com seu raio de curvatura é geralmente classificada como casca fina.

De acordo com a sua forma geométrica, as estruturas em casca podem incluir:

• Conchas rotacionais

• Conchas translacionais

• Conchas cilíndricas

• Conchas esféricas

• Conchas de curva dupla

De acordo com os materiais, eles podem incluir:

• Conchas finas de aço

• Cascas de concreto armado

• Conchas de alvenaria

• Estruturas de casca composta

Vantagens de estruturas de casca fina

Estruturas de casca fina proporcionam excelente eficiência de suporte de carga porque sua geometria permite que as cargas sejam transferidas através da ação da membrana, em vez de principalmente através da flexão.

Os principais benefícios incluem:

• Alta resistência estrutural

• Alta rigidez

• Excelente eficiência de materiais

• Capacidade de grande extensão

• Consumo reduzido de materiais

• Aparência arquitetônica atraente

A combinação de eficiência estrutural e flexibilidade arquitetônica torna as estruturas de casca adequadas para estádios, terminais, pavilhões, edifícios de exposições e projetos de referência.

2. Métodos comuns de construção para estruturas de aço de longo vão

O método de construção para uma estrutura de aço de grande vão deve ser selecionado de acordo com o tipo estrutural, vão, altura do edifício, condições do local, capacidade de elevação, estabilidade estrutural, requisitos de segurança e cronograma do projeto.

Os seguintes métodos são comumente usados.

2.1 Montagem In-Situ em Alta Altitude

A montagem in-situ em alta altitude envolve a instalação de membros estruturais e nós de conexão diretamente em suas posições finais de projeto.

Durante a construção, muitas vezes são necessários suportes temporários para manter a estabilidade estrutural e controlar a deformação. Depois de todo o sistema estrutural estar concluído e estabilizado, os apoios temporários são gradualmente removidos para que a estrutura possa entrar na sua condição final de tensão projetada.

Este método é considerado um dos métodos de instalação mais fundamentais para estruturas metálicas espaciais complexas de grandes vãos.

Dependendo do sistema de apoio temporário, geralmente pode ser dividido em dois métodos.

Instalação de andaime de suporte completo

Um andaime de suporte total é erguido de acordo com a geometria e elevação da estrutura, permitindo a montagem dos componentes estruturais em suas posições finais.

É adequado para edifícios com altura e vão moderados.

Suas vantagens incluem:

• Construção flexível

• Fácil posicionamento e alinhamento

• Relativamente econômico para projetos adequados

• Andaimes temporários muitas vezes podem ser reutilizados

Possíveis desvantagens incluem:

• Grande quantidade de andaimes necessários

• Mais trabalho em altura

• Maiores requisitos de gerenciamento de segurança

• Período de instalação de suporte temporário mais longo

Instalação temporária de estrutura de suporte de aço

As estruturas de suporte temporárias em aço são especialmente projetadas de acordo com a geometria, cargas e sequência de instalação da estrutura de aço.

Este método é adequado para estruturas com maior altura, vãos maiores e componentes mais pesados.

As vantagens incluem:

• Maior estabilidade de construção

• Melhor controle de coordenadas e elevação

• Design de estrutura de suporte flexível

• Adequado para estruturas pesadas de grandes vãos

No entanto, as estruturas de suporte temporárias podem envolver custos de fabricação mais elevados e taxas de reutilização mais baixas.

2.2 Método de instalação deslizante

O método de instalação deslizante envolve a montagem de seções da estrutura de aço em uma área acessível e, em seguida, movê-las ao longo de trilhos especialmente projetados até suas posições finais.

Após cada seção atingir o local designado, ela é conectada à estrutura previamente instalada.

Este método é particularmente útil onde o local de construção tem acesso limitado ou onde as operações de elevação diretamente acima da área de instalação final são difíceis.

Muitas vezes é usado para:

• Telhados de estádios

• Edifícios de exposição

• Terminais de transporte

• Edifícios industriais

• Edifícios poligonais regulares

• Grandes estruturas com espaço de construção restrito

Vantagens

• Trabalho de montagem reduzido em grandes altitudes

• Período de instalação mais curto

• Maior eficiência de construção

• Menor dependência de grandes equipamentos de elevação em determinadas condições

Principais considerações técnicas

As equipes de engenharia devem controlar cuidadosamente:

• Projeto de pista deslizante

• Reações de apoio

• Sincronização de equipamentos deslizantes

• Velocidade de deslizamento

• Deformação estrutural

• Estabilidade temporária

• Precisão de posicionamento final

2.3 Instalação geral de elevação

A elevação geral envolve a montagem de uma grande seção – ou às vezes de toda a estrutura do telhado – no nível do solo ou próximo a ela e, em seguida, levantá-la até a elevação final do projeto usando equipamento de elevação sincronizado.

Este método é comumente usado para:

• Telhados com estrutura espacial

• Telhados em grade

• Grandes estruturas de telhados industriais

• Telhados de estádios

• Salas de exposição

Principais vantagens

• Redução significativa no trabalho de montagem em grandes altitudes

• Requisitos de suporte temporário reduzidos

• Maior segurança na construção

• Menor tempo de instalação

• Melhor fabricação no nível do solo e controle de qualidade

Os principais desafios técnicos incluem controlar:

• Locais de pontos de içamento

• Sincronização entre dispositivos de elevação

• Tensão estrutural durante o levantamento

• Deformação durante o levantamento

• Estabilidade estrutural temporária

Antes do içamento, normalmente são necessárias simulações estruturais detalhadas e análises em fase de construção.

2.4 Método de Tensionamento Geral

O método de tensionamento geral é usado principalmente para estruturas de cabos e estruturas de membrana elástica.

Vários macacos hidráulicos ou dispositivos de tensionamento especializados são usados ​​para aplicar tensão controlada aos cabos até que o nível de pré-esforço e a elevação estrutural necessários sejam alcançados.

É particularmente adequado para grandes telhados sustentados por cabos e estruturas de membranas tensionadas.

Vantagens

• Aplicação eficiente de pré-esforço

• Controle preciso das forças do cabo

• Trabalho manual reduzido em grandes altitudes

• Menores requisitos de mão de obra

• Maior eficiência de construção

• Adequado para instalação sincronizada

Como as estruturas de cabos e membranas são altamente sensíveis ao pré-esforço, as operações de tensionamento devem ser cuidadosamente monitoradas para garantir que os níveis de força, a geometria estrutural e a deformação permaneçam dentro das tolerâncias do projeto.

2.5 Método de Expansão Progressiva para Estruturas Grid Shell

O método de expansão progressiva é uma técnica de instalação avançada frequentemente aplicada a grandes estruturas de grade.

O procedimento básico é:

1. Monte a seção central da grade ao nível do solo.

2. Levante a seção montada até uma altura predeterminada.

3. Instale seções estruturais adjacentes adicionais.

4. Levante novamente a estrutura ampliada.

5. Repita o processo até que toda a estrutura da grade tenha sido montada.

Vantagens

Este método pode fornecer vários benefícios:

• Requisitos de suporte temporário reduzidos

• Mais trabalhos de montagem podem ser concluídos no nível do solo

• Melhor qualidade de soldagem e conexão

• Riscos reduzidos de trabalho em altura

• Melhor segurança na construção

• Inspeção de qualidade mais fácil

• Adequado para estruturas espaciais muito grandes

Devido a essas vantagens, a instalação de expansão progressiva é cada vez mais considerada para projetos complexos de estruturas de redes de aço de longo vão.

2.6 Método de instalação cantilever

No método de instalação cantilever, unidades estruturais relativamente pequenas são pré-fabricadas ou montadas ao nível do solo e depois levantadas diretamente para a posição.

Novas unidades estruturais são instaladas progressivamente a partir da parte concluída da estrutura.

Este método é geralmente adequado para estruturas de aço espaciais relativamente pequenas ou estruturalmente simples.

Vantagens

• Menos apoios temporários

• Obras temporárias reduzidas

• Potencial redução no custo de construção

• Sequência de instalação flexível

No entanto, a estabilidade na fase de construção é crítica.

A estrutura previamente instalada deve ter rigidez e estabilidade geométrica suficientes antes que membros adicionais possam ser instalados.

Os riscos potenciais incluem:

• Deformação temporária excessiva

• Tensões secundárias induzidas pela construção

• Instabilidade de sistemas estruturais incompletos

• Controle de alinhamento difícil

• Requisitos de segurança mais elevados durante a montagem

Portanto, a simulação estrutural e a análise da fase de construção devem ser concluídas antes de adotar o método de instalação em cantilever.

3. Como selecionar o método de construção correto

Não existe um método de construção único adequado para todas as estruturas de aço de longo vão.

A estratégia de instalação deve ser determinada de acordo com as condições específicas do projeto.

Fatores importantes incluem:

• Sistema estrutural

• Vão e altura do edifício

• Tonelagem de aço

• Dimensões do componente

• Acessibilidade do site

• Capacidade do guindaste

• Área de montagem disponível

• Condições de apoio temporário

• Cronograma de construção

• Condições climáticas locais

• Restrições de transporte

• Requisitos de segurança

• Limites de deformação estrutural

• Requisitos de precisão de instalação

Para projetos complexos, vários métodos de construção podem ser combinados.

Por exemplo, parte de uma estrutura de telhado pode ser montada ao nível do solo, elevada como uma unidade grande e depois concluída através de montagem em alta altitude.

Simulação detalhada de construção, análise de içamento, projeto de suporte temporário e monitoramento de deformação são essenciais para garantir a segurança estrutural.

4. Conclusão

Estruturas de aço de longo vão oferecem vantagens significativas para edifícios que exigem grandes espaços abertos, flexibilidade arquitetônica, alta eficiência estrutural e colunas internas reduzidas.

Os sistemas estruturais comuns incluem estruturas espaciais, cascas de grade, estruturas de membrana elástica, estruturas suportadas por cabos e estruturas de casca fina..

Dependendo dos requisitos do projeto, a construção pode ser concluída através de montagem in-situ em alta altitude, instalação deslizante, elevação geral, tensionamento sincronizado, expansão progressiva ou montagem em balanço.

O sucesso de um projeto de estrutura de aço de longo vão depende não apenas do projeto estrutural, mas também da precisão de fabricação, qualidade da conexão, estabilidade temporária, controle de elevação, sequenciamento de instalação e engenharia na fase de construção.

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