Utilização, análise e modelação de perfis compostos em LSF - Caso das Vergas

Abstract

Light steel frame (LSF) have appeared in recent years in our country. It is a metallic structural solution originating in the USA and based on the usual typology in that country for wood constructions. In practice, these structures are characterized by a spatial distribution of stiffness and strength, which makes it possible, after foundation, to consist only of cold-formed profiles of very low thickness: these elements are very light so that the erection is carried out only by two workers with some experience in this type of solution, dispensing any type of heavy equipment. Paradoxically, although this solution is a niche within another niche, which is that of metallic structures in Portugal, there are already several companies, usually of very small size, specialized only in it, that can thrive in the field of new buildings or rehabilitation existing structures.Although the specificity of the management of the constructive process of these structures has been easily apprehended in our country, its design is still relatively opaque because it is based on the prescriptive method developed in the USA. This dissertation is part of the pioneering work developed by Hugo Mendes (Mendes, 2015), who, among other aspects, sought to determine the validity of the application of the US prescriptive method in national territory, and therefore in the space of the European continent covered by the Eurocodes.Thus, the present dissertation seeks, based on the study of the particular case of headers - and structural elements used to overcome openings in the panels used in these structures to form resistant walls -, (i) to evaluate if the application of the North American prescriptive method is in in line with the Eurocodes and (ii) to develop a systematic procedure for the design of these elements that can be used by those in the sector who need it, ie designers and producers of profiles.Faced with the choice between a more general study covering different types of structural elements, or focusing on a single type, the latter was chosen, (i) not only because it felt to be the need of the intervening actors, that is, concrete (Ii) but also because the methodology now developed and carried to its ultimate practical consequences will guide similar procedures for other structural elements: such an undertaking is obviously too time-consuming and costly for a simple master's thesis, but can be done by an industrial association together, eventually, with the university.This study obviously required a detailed comparative analysis between the procedure that underlies the prescriptive method and that which results from the application of the Eurocodes. An important conclusion, which is already expressed as being contrary to what the technical community admitted, is that the prescriptive method does not meet the requirements of the Eurocodes.In practical terms, for the comparison between the prescriptive method and the application of the Eurocodes, the problem of determining the maximum allowable span of the header was considered. In order to solve this problem, six procedures have been established, differing in terms of the basic hypotheses on which they are based, or, more precisely, on the actions, their combinations and the modeling of the resistant elements. The study includes the systematic application of two of these procedures for a number of cases, method 2 (AISI) and method 6 (EC). All the results were carefully analyzed, allowing the conclusions to be drawn.

As estruturas em aço leve (LSF) surgiram nos últimos anos no nosso país. Trata-se de uma solução estrutural metálica com origem nos EUA e baseada na tipologia habitual naquele país para as construções em madeira, particularmente de moradias unifamiliares. Na prática, estas estruturas caracterizam-se por uma distribuição espacial da rigidez e resistência, que possibilita que, após a fundação, ela seja constituída apenas por perfis enformados a frio de espessura muito reduzida: estes elementos são muito leves, de modo que a erecção é efectuada apenas por dois operários com alguma experiência neste tipo de construção, dispensando qualquer tipo de equipamento pesado. Paradoxalmente, embora esta solução seja um nicho dentro de outro nicho, que é o das estruturas metálicas em Portugal, são já várias as empresas, normalmente de dimensão muito reduzida, especializadas apenas neste tipo de construção, que conseguem prosperar no campo das novas edificações ou da reabilitação de estruturas existentes. Embora a especificidade da gestão do processo construtivo destas estruturas tenha sido rapidamente apreendida no nosso país, o seu dimensionamento ainda é relativamente opaco, porque se baseia no Método Prescritivo desenvolvido nos EUA. A presente dissertação surge na esteira do trabalho pioneiro desenvolvido por Hugo Mendes (Mendes, 2015) que, entre outros aspectos, procurou determinar a validade da aplicação do Método Prescritivo norte-americano em território nacional e no espaço europeu coberto pelos Eurocódigos. Assim, a presente dissertação procura, a partir do estudo do caso particular das vergas – elementos estruturais usados para vencer as aberturas nos painéis usados nestas estruturas para formar paredes resistentes –, (i) avaliar se a aplicação do Método Prescritivo norte-americano está em sintonia com os Eurocódigos e (ii) desenvolver um procedimento sistemático para o dimensionamento destes elementos dirigido aos intervenientes do sector que dele possam necessitar, ou seja, projectistas e empresas de produção de perfis.Perante a opção entre um estudo mais geral que cobrisse diferentes tipos de elementos estruturais, ou a focalização num único tipo de elementos, escolheu-se a última, (i) não apenas porque é essa a necessidade dos intervenientes referidos, ou seja, algo de concreto, (ii) mas também porque a metodologia agora desenvolvida, e levada até às suas últimas consequências práticas, poderá ser replicada de modo a orientar a realização de procedimentos similares para outros elementos estruturais: tal empreendimento é obviamente demasiado moroso e dispendioso para uma simples dissertação de mestrado, mas poderá ser efectuado por uma associação industrial em conjunto, eventualmente, com a universidade.Este estudo requereu obviamente uma análise comparativa detalhada entre o procedimento que está na base do método prescritivo e aquele que resulta da aplicação dos Eurocódigos. Uma conclusão importante, que desde já se expressa por ser contrária ao que a comunidade técnica admitia, é que o método prescritivo não cumpre os requisitos dos Eurocódigos.Em termos práticos, para a comparação entre o método prescritivo e a aplicação dos Eurocódigos, considerou-se o problema da determinação do máximo vão admissível da verga. Para a solução deste problema foram estabelecidos seis procedimentos, que diferem em termos das hipóteses básicas em que se alicerçam, ou, mais precisamente, nas acções, suas combinações e na modelação dos elementos resistentes. O estudo inclui a aplicação sistemática, orientada a uma utilização profissional, de dois daqueles procedimentos para diversos casos, o método 2 (AISI) e o método 6 (EC). Todos os resultados foram cuidadosamente analisados, permitindo retirar as conclusões mais significativas.