Cantoneiras de Aço em Dobra: Projeto e Opções Mais Seguras

As seções angulares são amplamente utilizadas na engenharia estrutural devido à sua economia e facilidade de fabricação. No entanto, quando se trata de usar ângulos em dobrando, particularmente flexão desenfreada, surgem desafios significativos. Embora sejam frequentemente escolhidos para suportar cargas sobre aberturas - como vergas de alvenaria - seus instabilidade torcional e resposta complexa ao estresse torná-los uma escolha arriscada.

Este artigo apresenta uma visão geral detalhada de como as seções de ângulo se comportam na flexão, as limitações da orientação de projeto em ambos BS 5950 e Eurocódigo 3 (EN 1993-1-1), e por que perfis alternativos costumam ser uma solução mais confiável e estruturalmente sólida.

1.0Aplicações comuns: ângulos em curvaturas sobre aberturas

As seções angulares em curva são mais comumente utilizadas na construção residencial para sustentar alvenaria acima de vãos de portas e janelas. Embora o detalhe possa parecer simples, ele apresenta carga excêntrica e comportamento torcional o que pode levar a problemas de manutenção, como rachaduras na fachada.

O principal desafio estrutural reside no fato de que, quando submetido à flexão, especialmente sem restrição lateral total, a perna comprimida do ângulo tende a desviar para fora do plano, fazendo com que o membro torção. Este fenômeno é agravado pelo típico aplicação excêntrica da carga vertical, que gera um momento em torno dos eixos vertical e horizontal.

2.0Efeitos de torção: por que as seções ocas são preferíveis

Qualquer elemento estrutural que carregue uma carga excêntrica irá torcer. Isso não é exclusivo dos ângulos, mas baixa rigidez torcional das seções angulares os torna particularmente suscetíveis. Nesses casos, usar um seção oca fechada (como um HSS quadrado ou retangular) oferece uma alternativa superior. Embora essas seções possam ser mais caras e envolver detalhes mais complexos nas conexões, redução na deformação torcional muitas vezes vale a pena a troca.

Em aplicações práticas, como extensões domésticas ou vergas, seções fechadas podem aumentar muito a durabilidade e minimizar defeitos visíveis na estrutura acabada.

3.0Seções angulares em compressão: um comportamento mais previsível

Quando secções angulares são utilizadas em compressão (por exemplo, como parte de uma treliça), o seu comportamento é bem compreendido. Ao contrário da flambagem em torno dos eixos retangulares principais ou secundários, os ângulos flambam em torno dos seus eixos principais: o u–u e v–v eixos. Isso faz com que cada perna do ângulo tente dobrar em sua própria direção fora do plano, criando um modo de torção de flambagem.

Códigos de design como BS 5950 Cláusula 4.7.10 e EN 1993-1-1 Seção BB.1.2 Fornece fórmulas para calcular a esbeltez com base neste modo. O cálculo ajusta os efeitos de torção e considera se o ângulo tem acabar com as restrições, que influenciam significativamente a capacidade de flambagem.

4.0Seções angulares em flexão: limitações na orientação do código

BS 5950 Orientação de Projeto para Dobra

A cláusula 4.3.8 do BS 5950 fornece um básico e um método simplificado para calcular o momento de resistência à flambagem (Mb) para seções angulares. O método simplificado é limitado a ângulos iguais dobrados em torno de seu eixo x–x, normalmente sob cargas verticais em vãos como aberturas de janelas.

Cálculo de amostra usando o método simplificado BS 5950:

Dado:

Seção: 150×150×12 mm

Vão: 4 m

Grau de aço: S275

ε = 1,0 (com base na resistência ao escoamento do aço)

Raio de giração (rv) = 29,5 mm

Módulo de seção Zx = 67,7×10³ mm³

A fórmula simplificada é:

Este resultado mostra uma resistência relativamente baixa, enfatizando a importância de entender os limites desta abordagem.

EN 1993-1-1 (Eurocódigo 3) Abordagem: Mais complexa, menos direta

O Eurocódigo não oferece um método direto para avaliar a resistência à flexão de ângulos. Em vez disso, recomenda a resolução do momento fletor aplicado em eixos principais (u–u e v–v) e verificar o membro usando um equação de interação. Isso adiciona complexidade, especialmente para ângulos desiguais.

O passo chave é calcular o esbeltez relativa:

lambda_LT = (0,72 × v_a × f_y) / (E × phi_a × lambda_v)

Onde:

• lambda_LT é a razão de esbeltez lateral-torcional
• v_a é o fator de correção de cisalhamento
• f_y é a resistência ao escoamento do material
• E é o módulo de elasticidade
• phi_a é o coeficiente de esbeltez (tipicamente 3,77)
• lambda_v é a razão de esbeltez de cisalhamento (por exemplo, L / r_v)

Onde:

φₐ é o coeficiente de esbeltez (tipicamente 3,77)

vₐ é derivado usando uma fórmula baseada em λᵥ e no índice de monosimetria ψₐ

λᵥ = L / rᵥ = 4000 / 29,5 = 135,6

Para um ângulo igual (ψₐ = 1), isso produz:

vₐ ≈ 0,984 → λ_LT = 0,580 → χ_LT = 0,724

Usando o segundo momento da área e o módulo de elasticidade:

Iu = 1170 cm⁴
Distância extrema da fibra = 106 mm

Wu = (1170 × 10⁴) / 106 = 110 × 10³ mm³

Mb = 0,724 × 275 × 110 × 10³ = 21,9 kNm

5.0Verificações de interação: comparação entre BS 5950 e Eurocódigo

Suponha um momento aplicado de 14 kNm resolvido igualmente em eixos principais:

Dado:

Mu = Mv = 9,9 kNm
Lv = 52 × 10³ mm³
Wu = 110 × 10³ mm³

Verificação de interação do Eurocódigo:

Verificação de interação BS 5950:

Usando resistência à flambagem Mb = 26 kNm:

Interação = 1,07 ✓ Aceitável, mas no limite

Utilizando método simplificado (Mb = 13,9 kNm):

Interação = 1,01 ✘ Excede o limite

6.0Seções de ângulos desiguais: complexidade e limitações adicionais

Considerações de fabricação para seções angulares

Além da complexidade estrutural do uso de perfis angulares na dobra, a fabricação também apresenta desafios, principalmente quando é necessário o posicionamento preciso dos furos, a preparação das extremidades ou o entalhe. Para obter modificações precisas, especialmente para perfis angulares desiguais ou conexões complexas, os fabricantes frequentemente recorrem a uma máquina de corte de ferro. Essas máquinas permitem corte, puncionamento e corte eficientes de perfis de aço em uma única configuração, economizando tempo e garantindo repetibilidade.

Para aplicações que envolvem detalhes finos ou cortes de cantos internos — como na preparação de ângulos para conexões precisas com chapas ou reforços —, um entalhador de cantos para chapas metálicas é frequentemente utilizado. Essa ferramenta permite o corte preciso dos cantos, possibilitando melhor encaixe e alinhamento durante a montagem. O uso do equipamento de fabricação correto não só melhora a eficiência, como também garante que o desempenho estrutural previsto no projeto seja mantido até a instalação.

BS 5950 não permite o método simplificado para ângulos desiguais. Os projetistas devem usar o método básico e resolver os momentos em eixos principais. Embora propriedades como localização do centróide, I _u e I _v possam ser encontradas em tabelas publicadas, isso requer trigonometria, cálculo do índice de monosimetria, e determinação dos módulos de seção efetiva.

Para pernas finas, a classificação das seções torna-se crítica:

Limite de classe 3 BS 5950: 15ε

Limite de classe 3 do Eurocódigo: 14ε (com base em c/t)

Por exemplo, uma perna de 150×10 mm com c ≈ 128 mm fornece:

c/t = 12,8 < 14ε = 12,9 → Apenas aceitável

Ligando o Projeto Estrutural e a Fabricação de Oficinas

A implementação bem-sucedida de perfis angulares — especialmente em aplicações sensíveis à carga — depende não apenas do projeto teórico, mas também da precisão prática de fabricação. Quando elementos estruturais exigem cortes, entalhes ou punções precisos, especialmente em aplicações personalizadas ou de vãos curtos, o uso do equipamento certo é essencial. Ferramentas como a máquina de ferreiro e entalhador de cantos para chapa metálica são comumente usados para preparar cantoneiras de aço de forma eficiente e precisa, reduzindo modificações no local e garantindo melhor conformidade com a intenção do projeto.

Se a seção for Classe 4, surge uma complexidade ainda maior:

Uso de propriedades de seção efetiva (Eurocódigo), ou

Aplicação de resistência de projeto reduzida (BS 5950)

Para combinado carga de flexão e axial, isso pode se tornar impraticavelmente complexo.

7.0Conclusão: Use ângulos na flexão apenas com cautela

Esta revisão técnica destaca dois princípios críticos de design:

• Ângulos não são ideais para carregar momentos significativos— especialmente se não houver restrições. O comportamento torcional sob carga excêntrica ou lateral pode limitar severamente o desempenho e levar a falhas de manutenção, como rachaduras na fachada.
• Projetar ângulos desiguais exige muito trabalho e está sujeito a erros, especialmente ao lidar com seções de Classe 4 ou cenários de carregamento combinados.

Prática recomendada:

Usar seções de ângulo igual de pelo menos Classe 3 corte transversal.

Para situações de flexão irrestrita, considere substituir por um seção torcionalmente rígida, como um seção oca ou Viga I.