Porque normalizar os perfis

Uma construção metálica é feita de produtos siderúrgicos normalizados: barras com uma secção transversal fixa, produzidas em série pela indústria e catalogadas em tabelas.

• O projetista escolhe entre um catálogo, não desenha a secção de raiz.
• Cada família de perfil tem uma designação normalizada (ex.: IPE 140) que remete diretamente para uma tabela de dimensões e massa por metro.
• Adequar o perfil à sua aplicabilidade e resistência mecânica é um dos critérios de desempenho desta UC.

Modelar em 3D começa por saber ler e escolher corretamente estas designações.

As famílias de perfis

A letra identifica a família; o número identifica a altura nominal em milímetros (ex.: HEA 100 tem 96 mm de altura real, arredondada a 100 na designação).

Valores de tabela: um exemplo de cada família

Valores reais de catálogo, para os perfis usados ao longo desta UC:

A massa por metro é o dado mais usado no dia a dia: multiplicado pelo comprimento, dá a massa da peça sem pesar nada.

Classes de aço EN 10025

Os perfis e chapas são produzidos em classes de aço normalizadas pela EN 10025, cada uma com uma tensão de cedência mínima garantida:

A classe escolhida entra depois no cálculo das ligações: quanto maior a tensão de cedência, maior a resistência do material, para a mesma secção.

A norma referida no referencial: ISO 1090

O referencial desta UC identifica a norma pela designação ISO 1090. No mercado europeu, a norma de referência para a execução de estruturas de aço (fabrico, soldadura, tolerâncias, classes de execução) é a família EN 1090, e é essa que os cadernos de encargos e as certificações de oficina costumam citar.

• Define classes de execução (rigor de fabrico exigido consoante o risco da estrutura).
• Aplica-se ao fabrico e à montagem, não só ao desenho.
• Não substitui o Eurocódigo 3 (cálculo estrutural do aço): uma trata de como se calcula, a outra de como se executa.

Em caso de dúvida sobre uma exigência concreta, confirma-se sempre a versão em vigor com o gabinete de projeto.

Componentes por processo de fabrico

Um conjunto metálico junta peças que chegam de processos de fabrico diferentes, e cada uma modela-se de forma diferente em CAD:

• Arranque de apara (torneamento, fresagem): peças maquinadas, geometria de revolução ou prismática rigorosa (buchas, eixos, casquilhos).
• Conformação plástica: peças em chapa dobrada ou quinada (suportes, cantoneiras dobradas, chapas de reforço).
• Perfis metálicos: barras cortadas à medida (colunas, vigas, contraventamentos).

Efetuar a montagem destes três tipos de componente num único conjunto é uma das realizações centrais desta UC.

O conjunto de referência desta UC

Ao longo desta sebenta, das fichas e do projeto usamos sempre o mesmo conjunto, um pórtico metálico de suporte (por exemplo, para um alpendre ou telheiro ligeiro):

• 2 colunas em HEA 100, 2,50 m de altura.
• 1 viga em IPE 140, 3,00 m de comprimento.
• 2 contraventamentos diagonais em L 50×50×5.
• 2 chapas de base (fixação ao solo) e 2 chapas de ligação viga-coluna, em chapa quinada.

Um só exemplo seguido do início ao fim ajuda a ver como todas as etapas se encaixam: modelar, ligar, calcular, listar, exportar.

Elementos normalizados de ligação

São peças de catálogo, nunca desenhadas de raiz, com designação normalizada:

• Parafusos (ISO 4014/4017), porcas (ISO 4032) e anilhas (ISO 7089): a designação inclui o diâmetro e a classe de qualidade (ex.: parafuso M12, classe 8.8).
• Rebites: identificados pelo diâmetro e comprimento; usados sobretudo em chapa fina.
• Chumbadouros (parafusos de ancoragem): fixam chapas de base ao betão.

Numa biblioteca CAD, estes elementos existem como componentes prontos, tal como os perfis: escolhe-se, não se desenha.

Órgãos de máquinas em conjuntos metálicos

Além dos elementos de ligação, um conjunto pode incluir órgãos de máquinas normalizados que permitem movimento ou apoio:

• Rolamentos e casquilhos: apoio de veios em rótulas ou dobradiças metálicas.
• Dobradiças e charneiras: em portões e painéis metálicos móveis.
• Guias e patins lineares: em estruturas com elementos deslizantes.

Aplicar estes elementos com correção é uma aptidão avaliada: cada órgão de máquina tem folgas e tolerâncias próprias que o modelo 3D deve respeitar.

Como se calcula uma ligação aparafusada

O cálculo mais comum verifica se o parafuso resiste ao corte (esforço transverso ao fuste). De forma simplificada:

F_v = α_v · f_ub · A_s

• f_ub: tensão de rotura do aço do parafuso (800 MPa para a classe 8.8).
• A_s: área resistente da secção roscada (84,3 mm² para o M12).
• α_v: coeficiente do plano de corte (0,6 para parafusos correntes como o 8.8).
• O resultado divide-se ainda por um coeficiente de segurança definido em projeto, antes de comparar com a carga real.

Este é o mesmo tipo de verificação, qualitativamente, que suporta o critério de desempenho "assegurar o cálculo de ligações aparafusadas".

Exemplo resolvido: chapa de base com 4 parafusos M12

Uma chapa de base é fixada com 4 parafusos M12, classe 8.8. A ligação tem de resistir a uma força horizontal de 6,0 kN na base da coluna.

1. Resistência de 1 parafuso ao corte, sem coeficiente:
   F_v = 0,6 × 800 × 84,3 = 40 464 N ≈ 40,46 kN.
2. Com coeficiente de segurança de projeto 1,25:
   F_v,Rd = 40,46 / 1,25 = 32,37 kN por parafuso.
3. Carga por parafuso (4 parafusos a repartir igualmente):
   6,0 / 4 = 1,5 kN.
4. Como 1,5 kN < 32,37 kN, a ligação verifica com larga margem.

Este exemplo é didático: um projeto real confirma sempre os coeficientes aplicáveis com o gabinete de cálculo.

Quando usar rebites

Os rebites ligam chapas finas por deformação (o rebite é esmagado, não roscado). Muito usados em chapa metálica leve, carroçarias e componentes onde não convém soldar (risco de empeno) nem aparafusar (vibração pode desapertar a porca).

• Boa resistência ao corte, fraca resistência à separação das chapas.
• Ligação permanente: para desmontar, o rebite destrói-se.
• Cálculo semelhante ao do parafuso: área da secção do rebite × tensão de corte admissível.

Exemplo resolvido: 2 rebites Ø5 mm

Duas chapas finas são ligadas por 2 rebites de Ø5 mm, a corte simples, com uma carga aplicada de 2,0 kN. Tensão de corte admissível de referência: 100 MPa.

1. Área de 1 rebite: A = π × 5² / 4 = 19,63 mm².
2. Capacidade de 1 rebite: F = 100 × 19,63 = 1 963,5 N ≈ 1,96 kN.
3. Capacidade total (2 rebites): 2 × 1,96 = 3,93 kN.
4. Como 2,0 kN < 3,93 kN, a ligação verifica.

Fundamentos da soldadura em construção metálica

A soldadura funde localmente o metal de duas peças, criando uma ligação contínua e rígida, ao contrário do parafuso ou do rebite (ligações pontuais).

• O cordão de soldadura mais comum em estruturas é o cordão de ângulo (fillet), ligando duas peças em ângulo reto.
• A grandeza de cálculo é a espessura de garganta (a): a menor distância entre a raiz do cordão e a hipotenusa do triângulo de solda.
• Para um cordão de ângulo com pernas iguais: a ≈ 0,7 × perna (z).

Assegurar a aplicação de ligações soldadas é outro critério de desempenho central desta UC.

Exemplo resolvido: cordão de ângulo z4

Um suporte é soldado à coluna com um cordão de ângulo de perna z = 4 mm e comprimento 60 mm.

1. Espessura de garganta: a = 0,7 × 4 = 2,8 mm.
2. Nas extremidades de um cordão real, há sempre uma pequena zona sem penetração total (crateras); um valor prudente de comprimento útil é o comprimento total menos duas vezes a perna:
   60 − 2 × 4 = 52 mm de comprimento útil.
3. Este comprimento útil é o que entra no cálculo da área resistente do cordão (garganta × comprimento útil).

A linha de referência e o lado do cordão

A norma ISO 2553 representa a soldadura por um símbolo colocado numa linha de referência, ligada por uma linha de seta ao local da junta:

        ▽ 60          ← símbolo ACIMA da linha = cordão do lado OPOSTO à seta
────────┼──────
        △ 60          ← símbolo ABAIXO da linha = cordão do lado da SETA
        \
         \  (linha de seta, aponta para a junta)

• Símbolo abaixo da linha → cordão no lado da seta (perto).
• Símbolo acima da linha → cordão no lado oposto à seta (longe).
• Símbolo dos dois lados → cordão em ambos os lados da junta.

Ler mal esta posição inverte o lado onde a peça é soldada: verifica-se símbolo a símbolo, sempre.

Ler um símbolo completo

Exemplo de um cordão de ângulo (fillet) contínuo, dos dois lados da junta:

   z5           ← perna de 5 mm, símbolo acima (lado oposto à seta)
───┼───
   z5 60-150    ← perna de 5 mm, cordão intermitente: 60 mm de cordão, 150 mm de passo

• Prefixo "z": indica a perna do cordão (z5 = 5 mm de perna).
• Prefixo "a": indicaria antes a garganta (a4 = 4 mm de garganta).
• "comprimento-passo" (ex.: 60-150): cordão intermitente, 60 mm soldados a cada 150 mm de espaçamento.
• Um círculo no vértice da seta indica soldadura "todo em redor" da peça.

Da peça dobrada ao plano

Uma peça de chapa dobrada nasce plana, é cortada com um contorno, e só depois é quinada (dobrada) nas linhas previstas. Modelar em 3D um componente destes exige saber gerar o planificado: a forma da chapa antes de ser dobrada.

• O software de chapa (sheet metal) guarda a espessura, o raio de dobra e o fator K do material.
• A partir do modelo 3D dobrado, o planificado é gerado automaticamente, mas o técnico tem de saber verificar o resultado.
• Exportar corretamente o planificado é o que liga o desenho 3D à máquina de corte.

O fator K e a distensão da dobra

Quando a chapa dobra, a fibra interna comprime e a externa estica; existe uma fibra neutra algures no meio, que não muda de comprimento.

• Fator K: posição relativa da fibra neutra dentro da espessura (0 = fibra na face interna, 0,5 = a meio). Para aço macio, um valor de referência comum é K ≈ 0,44.
• Ângulo de dobra e raio de dobra interno também entram no cálculo.
• O comprimento desenvolvido da chapa é maior do que a soma simples das duas abas, porque é preciso somar o comprimento de arco da fibra neutra na zona da dobra.

Calcular o comprimento planificado

Método do fator K para uma dobra a 90°, com raio interno r e espessura t:

1. Distensão da dobra (bend allowance): BA = (π/2) × (r + K×t).
2. Recuo exterior (outside setback): para 90°, OSSB = r + t.
3. Dedução da dobra: BD = 2 × OSSB − BA.
4. Comprimento planificado: L_total = L1 + L2 − BD, com L1 e L2 medidos até ao cruzamento das faces exteriores.

Este é o cálculo que qualquer software de chapa faz por trás da geração automática do planificado.

Exemplo resolvido: suporte em L dobrado a 90°

Chapa de espessura t = 3 mm, raio interno r = 3 mm, fator K = 0,44, dobra a 90°. Abas medidas até ao vértice teórico: L1 = 100 mm, L2 = 60 mm.

1. BA = (π/2) × (3 + 0,44×3) = (π/2) × 4,32 = 6,79 mm.
2. OSSB = r + t = 3 + 3 = 6,00 mm.
3. BD = 2×6,00 − 6,79 = 5,21 mm.
4. L_total = 100 + 60 − 5,21 = 154,79 mm.

O planificado desta chapa tem, portanto, 154,79 mm de comprimento total (a largura mantém-se a da chapa, sem alteração pela dobra).

A lista de corte

A lista de corte organiza, por perfil, todos os comprimentos a cortar de um projeto, para comprar o mínimo de barras comerciais (normalmente com 6,00 m) e desperdiçar o mínimo.

Para o pórtico de referência (1 unidade), a partir de barras de 6,00 m:

Para 1 pórtico, cada perfil sai de uma única barra.

Otimizar um lote de produção

Ao produzir 4 pórticos de uma vez, agrupar os cortes por perfil (em vez de comprar barra a barra por unidade) muda o resultado:

No IPE 140, cortar por lote (2 peças de 3,00 m por barra de 6,00 m) elimina o desperdício, contra 12,00 m de desperdício se se comprasse 1 barra por pórtico (4 barras, 3,00 m perdidos em cada). Otimizar listas de corte de perfis é um critério de desempenho explícito desta UC.

Aproveitamento de uma chapa: orientação do corte

Uma chapa de 3000 × 1500 mm vai fornecer peças retangulares de 300 × 200 mm. A orientação da peça na chapa muda o número de peças obtidas:

Rodar a peça 90° aproveita a chapa por inteiro (15×200 = 3000 mm e 5×300 = 1500 mm, exatamente), ganhando 5 peças a mais sem gastar mais material.

Formatos de exportação

O planificado de uma peça de chapa segue para a máquina de corte (laser, plasma, punção) num ficheiro 2D, e o conjunto 3D pode seguir para outro CAD ou para o cliente noutro formato:

Escolher o formato certo garante que o ficheiro é lido corretamente do outro lado, sem perder cotas, camadas ou geometria.

Cuidados antes de exportar

• Verificar a escala e as unidades (mm vs polegadas) antes de gerar o ficheiro.
• Confirmar que o planificado exportado corresponde à versão final da peça, já com furos e recortes.
• Nomear os ficheiros de forma consistente (referência da peça + revisão).
• Guardar sempre o ficheiro nativo (3D) além do ficheiro exportado, para poder corrigir depois.

Um planificado exportado com a unidade errada pode sair da máquina de corte à escala errada, inutilizando a chapa.

Massa total de um conjunto

O software 3D calcula a massa de cada peça a partir do volume e da densidade do material (aço: 7850 kg/m³), mas o técnico tem de saber verificar o resultado.

Massa do pórtico de referência, somando cada componente (2 colunas HEA100, 1 viga IPE140, 2 diagonais L50×50×5, 2 chapas de base, 2 chapas de ligação):

Centro de gravidade

O centro de gravidade (CG) de um conjunto é o ponto onde se pode considerar concentrado todo o seu peso. O software calcula-o automaticamente a partir da massa e posição de cada peça, mas o técnico deve saber interpretar o resultado:

• Um CG descentrado pode indicar um conjunto que tomba ou que precisa de um apoio extra.
• É essencial para prever o ponto de elevação de uma peça pesada com grua ou ponte rolante, para que suba nivelada.
• Área a pintar, massa e CG entram todos na mesma lista de materiais final.

Riscos da soldadura

A soldadura tem riscos próprios que têm de ser geridos, não apenas conhecidos:

• Radiação do arco: usar sempre máscara de soldar com filtro adequado e proteger a pele exposta (queimaduras por radiação UV).
• Fumos de soldadura: extração localizada obrigatória; nunca soldar em espaço fechado sem ventilação.
• Risco de incêndio: afastar materiais inflamáveis, ter extintor perto e vigiar salpicos incandescentes.
• Luvas, avental e calçado de proteção completam o equipamento.

Montagem em altura e movimentação de cargas

• Montagem em altura: privilegiar sempre a proteção coletiva (guarda-corpos, redes) antes da individual; quando não é possível, usar arnês ancorado a um ponto fixo e verificado.
• Movimentação de cargas com grua ou ponte rolante: nunca permanecer nem passar sob a carga suspensa; confirmar o ponto de elevação (ligado ao centro de gravidade) antes de içar.
• Limpeza e manutenção: manter a área de trabalho livre de aparas e sobras de corte, e verificar periodicamente os equipamentos de elevação e proteção.

A segurança não é um capítulo à parte: acompanha cada etapa, da modelação à montagem em obra.