PT91269B

PT91269B - Elemento estrutural e processo para a sua formacao

Info

Publication number: PT91269B
Application number: PT91269A
Authority: PT
Inventors: Leslie David Goleby
Original assignee: Tube Technology Pty Ltd
Priority date: 1988-07-27
Filing date: 1989-07-25
Publication date: 1995-03-01
Also published as: CN1035077C; EP0381727A1; NO178350B; HK76495A; US5163225A; KR0153751B1; NO178350C; ES2016041A6; DK76290D0; NO901132L; EP0381727B1; WO1990001091A1; CN1040842A; PT91269A; US5373679A; RU2097504C1; DK171941B1; NZ230060A; DK76290A; CA1326340C

Description

DESCRIÇÃO

A presente invenção refere-se a um elemento estrutural e a um processo para a formação do mesmo.

Os elementos estruturais não ocos ou maciços, tais como as vigas I, terças e vigotas, vigas de aço laminado (RSJ-Rolled Steel Joists), todos usados para fins estruturais em edifícios, tais como fábricas, edifícios para habitação e escritórios, têm-se mostrado normalmente satisfatórios em utilização e têm uma forma ou perfil da secção trans versai básica que é muito eficiente para resistir à flexão. Estes elementos estruturais convencionais ou vigas são normal, mente modelados por processos de laminagem.

Porém, tais elementos estruturais maciços convencionais ou vigas universais, que sao normalmente modela dos por processos de laminagem a quente compreendem duas abas paralelas e uma alma única plana ou achatada, sendo as abas substancialmente mais espessas que a alma. Tais elementos es1

truturais maciços convencionais têm alguns inconvenientes, entre os quais se incluem os seguintes:

1) sao elevadas as relações entre a área da superfície exposta e a massa e a resistência, o que conduz a custos mais elevados tanto para a prote£ ção contra a corrosão como para a protecção contra o fogo;

2) as relações entre as larguras das abas e a sua espessura sao em regra limitadas para evitar reduções da capacidade de suporte de cargas da secção, devido a considerações de esforços locais de presso-flexão;

3) as relações entre as larguras da alma e a espessura sao geralmente limitadas para evitar reduções na capacidade de carga devido a considerações de esforços locais de pressão-flexao;

4) o processo de laminagem a quente para a fabricaçao conduz ã produção de quantidades substanciais de escória de laminagem e de ferrugem, bem como proporcionam uma espessura mínima limitada; e

5) nao é uma solução pratica a pintura com um primario durante a fabricação.

Foram também usados elementos estruturais laminados a frio, que incluem terças e secções ocas rectangulares, sendo estes elementos passíveis de apresentar cer tos inconvenientes descritos mais adiante.

Em particular, as secções de terças, que têm normalmente a forma de C ou de Ζ, têm larguras das abas para relações entre as larguras e as espessuras das abas e para relações entre a largura e a espessura da alma que sao severamente limitadas por considerações de esforços localizados de presso-flexao.

Foram também propostas secções ocas rectangulares (RHS - rectangular hollow sections) (RHS) como elementos estruturais, tendo todas as paredes da secção rectangular substancialmente a mesma espessura. No entanto, estes elementos estruturais convencionais eram ineficientes

relativamente a considerações de movimentos de flexão e as relações entre as larguras e as espessuras das paredes eram em geral limitadas para evitar reduções na capacidade de suporte de cargas, devido a considerações de esforços de press£ -flexão localizados.

Foram também propostos elementos estruturais que incluem duas secções terminais ocas separadas por uma alma intermédia. Assim, por exemplo, na patente americana 3 342 007 de Merson, foi proposto um elemento estrutural que era fabricado a partir de uma só peça de chapa de aço por laminagem a frio, na qual se proporcionavam secções terminais triangulares ocas separadas por uma aba plana. Cada uma das secções terminais triangulares ocas incluia um lado ou aba horizontal e dois lados ou abas inclinadas e as extremidades livres da peça única de chapa de aço eram constituídas pelas extremidades de cada uma das abas inclinadas que se encostavam â outra aba inclinada.

Além disso, os elementos estruturais descritos nas patentes anteriores de Merson e Lanternier tinham capacidades de suporte de cargas marcadamente reduzidas para cargas concentradas.

A patente americana 3 517 474 de Lanternier descreve também um conjunto estrutural com abas incluindo duas secções terminais ocas rectangulares ou trapezoidais e uma alma intermédia plana. A secção terminal oca e a alma eram componentes separados, sendo a alma soldada ãs secções terminais ocas. Cada uma das secções terminais incluia duas extremidades ou bordos livres que eram flectidos ou dobrados e convergiam para a parte média de uma aba ou parede superior das secções terminais ocas.

A patente americana 426 558 de Ditheridge também descrevia um elemento estrutural com duas secções terminais ocas e uma alma intermédia plana, de construção integrada. Embora nao seja descrito qualquer processo de fabricaçao, parece que Ditheridge se refere a vigas de aço ou de ferro forjado, formadas num molde.

Porém, relativamente aos elementos estruturais descritos nas patentes americanas atras referidas,

considerava-se que estes elementos estruturais teriam capacidades de suporte de cargas marcadamente reduzidas, devido a considerações de esforços de presso-flexao localizados. Parece que o mesmo sucede especialmente com a patente americana 3 342 007 de Merson, na qual as extremidades livres da peça única de chapa de aço que constitui uma extremidade de cada uma das abas inclinadas fica encostada ã outra aba inclinada. Isto também se aplicaria ã patente de Lanternier.

conjunto estrutural das abas de Lanter nier, por não ser formado a partir de uma peça única de chapa metálica, seria também de produção relativamente cara, por ser formada por três componentes. Também a fase de fabricaçao da dobragem dos bordos livres de cada uma das secções terminais rectangulares ou ocas como atrás se descreveu parece complicarem a fabricaçao e aumentar o seu custo.

É portanto um objecto da presente invenção proporcionar um elemento estrutural e um processo de fabricaçao do mesmo que minore os inconvenientes associados com a técnica anterior.

elemento estrutural segundo a presente invenção compreende duas secções terminais ocas e uma alma intermédia, caracterizado por cada uma das secções terminais ocas ser soldada ã alma intermédia de modo a formar duas linhas ou juntas de soldadura que se estendem ao longo do elemento estrutural.

De preferência, a alma intermédia é predominantemente plana e é também preferido que o elemento estrutural seja formado a partir de uma chapa unitária de metal com bordos opostos, de modo que um bordo respectivo fique situado junto da referida alma intermédia e seja soldado na mesma para formar as linhas ou juntas de soldadura.

As secções terminais ocas podem ter qual, quer forma apropriada, podendo assim ser circulares, rectangu lares, triangulares ou poligonais. Também não é necessário que cada uma das secções terminais ocas tenha uma mesma forma, de modo que está dentro do escopo da presente invenção ter secções terminais ocas de formas diferentes, sendo por exemplo uma delas rectangular e a outra circular.

Embora seja preferido que cada uma das secções terminais ocas tenha substancialmente as mesmas dimensões, isso não é estritamente essencial, sendo assim possível, tendo em conta o objecto da presente invenção, que as secções terminais ocas tenham também dimensões diferentes, além de formas diferentes.

Far-se-à também referência a um processo para a modelação dos referidos elementos estruturais, que inclui as fases seguintes:

1) passagem de uma chapa substancialmente plana metá lica através de um certo número de estações de modelação para sucessivamente deformar bordos livres opostos da chapa metálica de modo a proporcionar duas secções terminais substancialmente ocas, estando um dos bordos livres situado junto de uma aba intermédia interposta entre as secções terminais ocas respectivas; e

2) soldadura do bordo livre respectivo à aba intermédia para formar linhas ou juntas de soldadura estendendo-se ao longo do elemento estrutural.

No processo segundo a presente invenção é possível sujeitar inicialmente a chapa metálica substancialmente plana a operações de pré-modelaçao, nas quais podem imprimir-se na chapa metálica características ou embelezamentos secundários ou adicionais. Estas características secundárias incluem perfurações, ranhuras, depressões, ondulações, saliências e similares que possam considerar-se apropriadas tendo em vista a aplicação final do elemento estrutural ou para aumentar a sua capacidade de suporte de cargas.

As características estruturais auxiliares feitas na fase de pré-modelaçao podem ser substancialmente inalteráveis ou ligeira ou substancialmente modificadas nas operaçoes de modelaçao seguintes. Assim, se se desejar, podem introduzir-se outras características estruturais ou embelezamentos no elemento estrutural segundo a presente invenção depois ou durante as operações de modelação.

Na fase (1) do processo segundo a pre5

sente invenção, a chapa metálica substancialmente plana pode ser sucessivamente deformada quando passa através de um certo número de estações de modelação. De preferência, cada porção do bordo livre pode ser sucessiva e sequencialmente deformada de modo que o perfil da secção tranversal da chapa metálica tome substancialmente a forma de um W depois de passar através das estações de modelação. Isso está representado em pormenor nos desenhos anexos. Contudo, compreender-se-ã que podem ser usados outros perfis da secção recta modelada por laminagem, como por exemplo dobrando as porções dos bordos livres da chapa metálica para dentro, num certo número de passagens diferentes de modo a formar uma secção terminal oca substancialmente triangular. Isso está também indicado nos desenhos anexos.

Relativamente à fase de modelaçao, é também possível que o perfil final desejado do elemento estrutural seja modelado directamente depois da passagem da chapa metálica através da estaçao de modelaçao final. Porém, estã também nos objectivos da presente invenção a formaçao de uma configuração básica com por exemplo duas circunferências separadas por uma única alma, depois da passagem pela estaçao final de modelação, e que é depois sujeita a processos de modelaçao ulteriores para produzir um certo número de perfis com secções transversais diferentes. Uma outra alternativa possível consiste em produzir a forma básica de duas circunferências separadas por uma alma única usando passagens diferentes nos cilindros e depois sujeitando a forma básica a operaçoes de modelação ulteriores para produzir uma variedade de perfis com secções rectas diferentes.

Relativamente à fase (1) é preferido fazer passar a chapa metálica através de um certo numero de estações de modelação por laminagem a frio.

Porém, é também possível produzir o elemento estrutural segundo a presente invenção por outros processos de modelaçao, tais como compressão numa prensa ou por processos de extrusão.

Depois da fase de modelaçao, a chapa ou peça em curso de fabrico pode passar para uma estação de sol6

dadura.	Pode usar-se no processo segundo a presente	invenção
um qualquer de um grande número de processos de soldadura,in-
cluindo	os seguintes:
D	soldadura por indução de altas frequências soldadura eléctrica por resistência;	e/ou
2)	metal-gás inerte;
3)	tungsténio-gás inerte;
4)	arco eléctrico protegido por dióxido de carbono;
5)	arco eléctrico em gãs hidrogénio atómico
6)	soldadura por pontos;
7)	soldadura por feixe electrónico;
8)	soldadura por feixes de raios laser; ou
9)	soldadura a gãs.

Dos processos anteriores prefere-se, tendo em atençao o processo segundo a presente invenção, a soldadura por indução com altas frequências.

Neste tipo de soldadura, utiliza-se uma corrente alternada de frequência elevada para induzir correntes nas zonas que se pretende soldar, de modo que sejam aquecidas áreas opostas da junta de soldadura (por exemplo um bordo livre da chapa encostado à alma intermédia ou que está situado junto da mesma) em dois locais separados, até uma temperatura ã qual os cilindros de soldadura possam soldar por forjamento a chapa para formar o perfil com a secção recta desej ada.

Na estaçao de soldadura está também dentro dos objectivos da presente invenção, no que se refere ao processo, aplicar uma ou mais operaçoes de desbaste na peça em curso de fabrico de modo que possam ser removidas saliências ou excessos de material da soldadura. Como alternativa do desbaste para remover o excesso de material da soldadura pode usar-se também um alisamento do cordão de soldadura.

Finalmente, se se desejar, a peça em curso de fabrico ou a capa metálica podem passar por uma estação de endireitamento e/ou modulação, na qual são utilizados rolos de modelaçao montados num certo número de suportes de rolos de modelação, para produzir o perfil da secção transver

sal desejado. Os rolos de modelação, podem com êxito deformar a secção de soldadura. Mas é possível evitar a utilização de rolos de modelação por modelação directa da peça em curso de fabrico, de modo que depois da passagem através da estação de soldadura esteja jã na forma final desejada. Mas neste caso o endireitamento pode fazer parte integrante do processo de modelação.

Faz-se agora referência a uma forma de realizaçao preferida da presente invenção, ilustrada nos desenhos anexos, cujas fig. representam:

A fig. 1, uma vista esquemática do aparelho utilizado no processo segundo a presente invenção, incluindo uma secção de modelaçao, uma secção de preparaçao dos bordos, uma secção de soldadura e uma secção de endireitamento;

A fig.	2,	um alçado lateral da secção de modelaçao;
A fig.	3,	uma vista de topo dos rolos (S1-S2) representados na fig. 2;
A fig.	4,	uma vista de topo dos rolos (F3-F4) representados na fig. 2;
A fig.	5,	uma vista de topo dos rolos (F1-F2) da fig.2;
A fig.	6,	um jogo de rolos (Fl)típico;
A fig.	7,	um jogo de rolos (Sl) típico;
A fig.	8,	um jogo de rolos (F4) típico;
A fig.	8A,	outro jogo de rolos (Fl) ou (F2) típico;
A fig.	8B,	outro jogo de rolos (F3) ou (F4) típico;
A fig.	8C,	outro jogo de rolos (Fl) ou (S2) típico;
A fig.	9,	uma vista de lado da secção de preparaçao dos bordos e de soldadura;
A fig.	10,	uma vista de topo dos rolos (WP1);
A fig.	11,	uma vista de topo dos rolos (WP2);
A fig.	12,	uma vista de topo dos rolos (EP1);
A fig.	13,	um jogo típico dos rolos (WP1);
A fig.	14,	um jogo típico de rolos (EP2);
A fig.	15,	um jogo de rolos (EP1) típico;
As fig.	, 16,	17 e 18 ilustram vistas alternativas da secção de soldadura que mostra o aparelho de sol

dadura (fig.16), os rolos de soldadura (fig.17)

e o aparelho de desbaste (fig. 18);

A	fig·	19,	uma vista de lado da secção endireitamento;	de modelação e
A	fig·	20,	um conjunto de rolos designados por (SH3)
			típico;
A	fig·	21,	um jogo de rolos designados	por (SH1) típico
A	fig·	22,	uma vista de topo dos rolos	(SH1);
A	fig·	23,	uma vista de topo dos rolos	(SH2);
A	fig·	24,	uma vista de topo dos rolos	(SH3);
A	fig·	25,	uma vista de topo dos rolos	(SH4);
A	fig·	26,	uma vista de topo dos rolos	(SH5);
As	fig	27,	28 e 28A secções de ornamento	que podem ser

obtidas na fase de modelação; e As fig.29 a 35 perfis alternativos da secção transversal que podem ser obtidos segundo a presente invenção .

Na fig. 1 , está representada a chapa de metal (10) plana que está a passar através de uma secção de modelação (11), com rolos de modelaçao (Fl), (F2), (F3) e (F4) , bem como rolos laterais (Sl) e (S2). Está também representada a secção (12) de preparação dos bordos e de soldadura, com os rolos (EP1), (EP2) e (WP1) . Está também representada uma mãqui. na de soldadura (13). Finalmente está representada uma secção de modelação e endireitamento (14), com rolos de modelação (SH1), (SH2), (SH3) e (SH4) e rolos de endireitamento (ST1). Está também representado um elemento estrutural (15) com o perfil da secção transversal desejado segundo a presente invenção.

Nas fig. 2 a 5, os rolos de modelaçao (F1-F2), como melhor se vê na fig. 5, incluem parafusos de ajustamento ou macacos de parafuso (16); veios de accionamento (17) e a unidade de accionamento (18). Estão também representados rolos superiores (19) e rolos inferiores (20). Cada um dos rolos superiores(19) é ajustãvel verticalmente pelo movimento ao longo

dos parafusos de ajustamento (16). Estão também representadas as chumaceiras de apoio (21). Estão igualmente representados as armações de suporte (23) e (24). 0 movimento dos rolos (19) ao I longo dos macacos de parafuso (16) é provocado por ί actuaçao manual dos mecanismos de ajustamento i (17A). ‘

Os rolos de modelaçao (F3-F4) vêm-se melhor na fig. 4, incluindo os parafusos de ajustamento ou macacos de parafuso (25) para os rolos superiores (26). Os veios (27-28) estão ligados a uma unidade de ajustamento, tal como a unidade de acciona- [ mento (18) representada na fig. 5. Estão também representados rolos laterais (26A) e o rolo inferior (26B). 0 ajustamento horizontal dos rolos laterais (26A) relativamente ã peça em curso de fabrico (10) é provocado pelos ajustadores (29). Está também indicado o acoplamento directo (30) e os veios de ligação (31) que se aplicam em caixas de engrenagens (32) para deslocar o rolo superior (26) ao longo dos macacos de parafuso (25), em sincronismo.

A actuaçao do movimento vertical dos rolos (26) é provocada por ajustamento manual, sendo o eixo de actuaçao (32A) rodado por meios apropriados.

Os rolos laterais (S1-S2), como melhor se vê na fig. 3 incluem armações de suporte dos rolos (33), chumaceiras de apoio (34), rolos (35) orientados verticalmente (35) o rolo inferior (36) e veios dos rolos (37.

As fig.6 a 8 , representam sequencialmente a modelação da chapa (10) e o desenvolvimento do perfil da secção transversal em forma de W desejado. Os bordos laterais da chapa (10) são gradualmente dobrados para dentro, como se mostra, pela acção dos rolos (19) e (20) na fig. 6, os rolos (35) e (36) na fig. 7 e os rolos (26A), (26B) e (26) na fig. 8.

Nas flg.8A, 8B e 8C, está representada uma sequência de formas modificadas aplicáveis aos rolos (Fl), (F2), (F3), (F4) e (Sl) e (S2), respectivamente. Utilizam-se números de referência semelhantes aos das fig. 3, e 5, com excepção de que os rolos (19A) e (20) na fig. 8A, os rolos (26V) e (26W) na fig. 8B e os rolos (35A) e (36A) têm um perfil diferente ao dos rolos correspondentes (19) e (20) na fig. 5 e (26B) na fig. 4 e (35) e (36) na fig. 3.

As f ig. 9 a 12, mostram a secção de preparação dos bordos e sojL dadura, passando a chapa (10) sequencialmente através dos rolos (EP1), (EP2) e (WP1).

As fig.10 a 12, mostram os rolos (WP1), (EP2) e (EP1) que têm todos uma estrutura muito semelhante ã dos rolos (B3-F4) descritos com referência ã fig. 4, tendo por isso sido usados os mesmos números de referên cia. Porém, os rolos superiores das fig. 10,11 e 12 sao designados por (26K), (26H) e (26E), respectivamente, os rolos laterais (26L), (261) e (26F) e os rolos inferiores sao designados por (26M), (26J) e (26G). Todos os rolos (WP1), (EP2) (EP1) sao suportados em armações de suporte(22).

As fig.13 a 15 , mostram também sequencialmente o desenvolvimento do perfil da secção transversal da chapa (10) depois de passar através dos rolos (EP1), (EP2) e (WP1). A formação das secções terminais ocas circulares desejadas está representada, a partir do perfil W representado na fig. 13.

Nas fig. 16 a 18, estão representados aparelhos de soldadura usados na presente invenção, e eles incluem um dis positivo de soldar por altas frequências (13), com contactos de soldadura (Aa), (Ab), (Ba) e (Bd), que estabelecem contacto com cada bordo livre (38) da chapa (10) e da parte da alma (39), como está representado.

Relativamente ao uso do aparelho de soldar por alta

frequência (13) as peças (38) e (39) da chapa (10) são forçadas a encostar-se. Porém, realça-se o facto de que no caso de se usarem outros meios de soldadura tais como TIG (Tungsten inert gas -por tungsténio em gás inerte ou MIG (Metal inert gas - por metal em gás inerte), as peças (38) e (39) não têm necessariamente de se encostar, mas sim serem colocadas muito próximas uma da outra.

A fig. 17, representa o funcionamento dos rolos do conjunto de rolos (WP1) na produção do encosto desejado das peças (38) e (39).

A fig. 18, o funcionamento dos meios de desbaste (40) para remover o cordão de soldadura em excesso, como atrás se explicou.

As fig. 19 a 21, mostram o funcionamento dos rolos de modelação (SH1), (SH2), (SH3), (SH4) e (SH5) e dos rolos de endireitamento (ST1).

O funcionamento de um rolo de modelaçao típico vê-se melhor na fig. 20, e é muito semelhante ao fun cionamento dos rolos de modelaçao (F3) e (F4), como atrás se descreveu, sendo por isso usados os mesmos números de referência. 0 rolo superior foi no entanto designado por (41), os rolos laterais por (42) e os rolos inferiores por (43). Todos os rolos sao suportados em armações de suporte dos rolos (44).

O funcionamento do conjunto de rolos de endireita mento (ST1) vê-se melhor na fig. 21, incluindo esta o alojamento (45) dos rolos. Proporcionou-se um par de rolos superiores e inferiores (46) e (47) e um par de rolos laterais (48). Todo o conjunto (49) de rolos (46), (47) e (48) pode ser rodado em torno de um eixo central designado por (X) no plano do desenho, por actuaçao de um manipulo (50) que se aplica na caixa de engrenagens (51). Proporcionaram-se também ajustadores (52) e (53) para o movimento de ajustamento vertical dos rolos

(46) e (47) em corrediças de suporte (54) relativa mente ã peça em curso de fabrico (10). Proporcionaram-se também ajustadores (55) e (56) para o mo_ vimento de ajustamento horizontal dos rolos laterais (48) relativamente ã peça em curso de fabrico (10) nas corrediças de suporte (57).

A série sequencial de factos que agora se verificam, relativamente às peças em curso de fabrico, está representada nas fig. 22 a 26, que mostram que a peça em curso de fabrico (10), que tem um perfil da secção transversal que se vê melhor na fig. 22, pode ser transformada num certo número de outras formas, como se mostra nas fig. 23, 24, 25 ou 26, para finalmente produzir secções terminais ocas triangulares. Estas foram convertidas a partir das secções terminais circulares representadas na fig. 22.

Secções típicas que podem obter-se de acordo com o processo segundo a presente invenção, que sao diferentes do perfil em W preferido, como atrás se descreveu, estão representadas nas fig. 27, 28 e 28A, depois da passagem da chapa (10) através de uma série de rolos, como atrás se descreveu. A fig. 27 ilustra um perfil obtido em que a alma se mantém primariamente plana durante o processo de modelaçao. Por outro lado, as fig. 28 e 28A mostram que isto não é essencial e que podem obter-se outras formas, tais como a dobragem sequencial dos bordos livres da chapa para dentro ou para trás sobre si mesmos, para produzir secções terminais ocas triangulares.

As fig.39 a 35, mostram vários perfis de secção transversal possíveis de elementos estruturais que podem ser obtidos segundo a presente invenção.

A fig. 29, mostra um elemento estrutural preferido com secções terminais ocas (58) e a alma (59). Estão também representadas duas juntas de soldadura (60)

entre as secções terminais (58) e a alma (59). Por uma questão de conveniência foram usados os mesmos números de referência relativamente ao restante dos elementos estruturais representados nas fig.

a 35. Podem obter-se secções terminais ocas í com dimensões diferentes (58A) e (58B), segundo ; a presente invenção, como se mostra na fig. 32. j Proporcionaram-se também ranhuras (61) como se mos j i

tra na fig. 35.

Do exposto pode portanto compreender-se

I que os elementos estruturais produzidos segundo a presente in- ! venção têm um certo número de vantagens, quando comparados j com a técnica anterior. A este respeito, o elemento estrutu- j ral segundo a presente invenção combina as vantagens tradicionais das secções ocas modeladas a frio com a forma básica que é relativamente eficiente para resistir ao momento flector.

Portanto, as vantagens que podem atribuir -se ã presente invenção quando comparada com os elementos estruturais convencionais nao ocos ou maciços incluem os seguintes :

1) espessura mínima das secções nao limitada por um processo de laminagem a quente, por serem de preferêní cia feitas por laminagem a frio;

2) a laminagem a frio da chapa durante a modelação aumenta o rendimento;

3) pode fazer-se a remoção da escória de laminagem e da ferrugem durante a modelação; e

4) pode também fazer-se a pintura com um primário duran te a fabricaçao.

A forma básica dos elementos estruturais segundo a presente invenção também será relativamente eficiente pelas razões seguintes:

a) a secção é constituída por duas abas ocas ou secções terminais ligadas por uma única alma;

b) os elementos estruturais segundo a presente invenção sao assim semelhantes as vigas universais tradicionais que têm duas abas paralelas e uma alma única plana com as abas substancialmente mais espessa que a alma;

c) uma alma única é muito mais eficiente que duas almas, como nas secções ocas modeladas a frio tradicionais;

d) devido ao facto de as abas serem ocas, elas sao efectivamente mais espessas que a alma. Isto é muito mais eficiente que ter espessuras das abas e da alma iguais;

e) as relações da largura para a espessura das abas são menos limitadas por esforços de presso-flexao localizados e esforços de flexão na alma que no caso das vigas universais tradicionais;

f) as relações entre as larguras e as espessuras sao efectivamente reduzidas pela largura das abas das secções ocas, o que, por sua vez, reduz o efeito das considerações dos esforços de presso-flexao na alma, sobre a capacidade de suporte de cargas da viga;

g) devido a estes benefícios nas considerações dos esforços de presso-flexao localizados e na alma, podem usar-se aços de maior resistência, para proporcionar vantagens económicas significativas; e

h) relações da área da superfície exposta para a massa e a resistência baixas são obtidas, ajudando a reduzir os custos quer da protecção contra a corrosão, quer contra o fogo.

Deve notar-se que estas vantagens estão inerentemente relacionadas com a possibilidade de produzir uma secção oca soldada com duas juntas de soldadura. Uma secção aberta com uma forma semelhante, isto é, uma secção em que as extremidades da chapa nao fossem soldadas à alma formando duas secções ocas fechadas, teria capacidades de suporte de cargas marcadamente reduzidas, devido a considerações de esforços de presso-flexao localizados. Isso é claramente aplica vel à técnica anterior atrás referida, isto é, ã patente americana 3 342 007 e ã patente americana 3 517 474.

fabricação é que os elementos estruturais podem ser produzidos ; numa máquina de soldadura eléctrica de resistência tubular.

Isso tem todas as vantagens que a modelaçao a frio proporciona sobre a laminagem a quente, incluindo um investimento muito ; menor nas instalações e exigências muito menores de energia.

Os elementos estruturais segundo a presente invenção têm também outras vantagens que nao sao oferecidas nem pelas secções de viga universal nem as secções ocas modeladas a frio tradicionais. É possível utilizar o espaço no interior das abas ocas para a localizaçao de instalações de serviços nos edifícios. No caso de uma rede de agua, os procedimentos nao destrutivos para ensaiar a qualidade da soldadura podem, de maneira relativamente simples, estender-se ao ensaio da estanqueidade para a água das secções ocas. i

É também possível proporcionar cabos de pré-esforço no interior das secções terminais ocas para proporcionar uma maior capacidade de suporte de cargas e controlar in situ a flexão das vigas.

Como atrás se descreveu, é evidente que a vantagem que o elemento estrutural segundo a presente invenção tem em relação à técnica anterior é que o elemento estrutural segundo a presente invenção tem duas secções de abas ocas fechadas ligadas por uma alma única.

Uma secção aberta com uma forma semelhante, isto e, uma secção na qual as extremidades da chapa nao fossem soldadas na alma para formar duas secções ocas fechadas, teria capacidades de suportar cargas marcadamente reduzidas devido a considerações de esforços de presso-flexão localizadas .

É importante notar que a patente americana 3 342 007 se refere a uma secção aberta na qual os bordos livres da chapa simplesmente se encostam à secção da alma da câmara. Devido ao facto de este produto ser uma secção aberta, terã capacidade de suporte de cargas marcadamente inferior que a conseguida pela presente invenção.

Na patente de Merson, a porção da aba que

é dobrada para se encostar a alma do elemento formaria deformações locais devidas a esforços de presso-flexão importantes, com cargas relativamente baixas. Isso está ilustrado na fig. 36. Deve-se isso ao facto de este segmento da secção actuar primariamente como elemento não rígido, trabalhando ã compressão, quando o elemento for sujeito a cargas de flexão ou de compressão. Devido aos esforços de presso-flexão localizados desta porção da secção, o elemento, como um todo, sofreria dramaticamente uma redução da capacidade de suportar cargas.

Isto pode ser demonstrado de maneira rela tivamente simples pelas técnicas de análise teórica modernas para as secções de aço modelado a frio. Em alternativa, poderia mostrar-se por ensaios experimentais do produto descrito na patente de Merson.

Os problemas de esforços de presso-flexao localizados associados com o produto de Merson são ultrapassados nos elementos estruturais segundo a presente invenção pela soldadura do bordo livre da secção da aba na alma em dois sítios separados, criando desse modo duas secções ocas fechadas ligadas por uma alma única.

As secções terminais ocas fechadas segundo a presente invenção têm uma resistência muito maior aos esforços de presso-flexão localizados que a proporcionada pela secção aberta proposta por Merson. Estas secções da alma também melhoraram a eficácia relativamente aos esforços localizados de presso-flexão, devido quer ã espessura reduzida da alma, quer à limitação oferecida ã alma pelas secções das abas ocas.

Deve também notar-se que as afirmações feitas na patente de Merson relativamente ã resistência às cargas concentradas parecem ser extremamente duvidosas. É rei_ vindicado que a carga aplicada às abas superiores do elemento será transmitida iguaimente pelos segmentos inclinados do elemento ã alma do elemento. Diz-se que um segmento inclinado do elemento se encosta ao outro segmento inclinado de modo que será igualmente apoiado pelas extensões inclinadas e o esforço transmitido através destas extensões inclinadas ã alma, sem estabelecer elementos que possam tender a provocar a oscilação

do elemento estrutural para qualquer dos lados.

Mas parece que estas reivindicações sao injustificadas. A carga concentrada tenderá a seguir o trajecto da carga mais rígida. Esta secção inclinada que é con- j tínua com a alma transmitirá uma proporção muito maior das | cargas concentradas. 0 grau de suporte oferecido pela junta ! de topo é muito duvidoso. De facto para cargas extremas é pouco provável que o elemento inclinado proporcione qualquer suporte das cargas concentradas.

Além disso, parecem ser muito irrelevantes os comentários sobre o estabelecimento dos binários e da osci lação. Isso tornar-se-ia claramente evidente a partir de um ensaio experimental.

Deve notar-se que os problemas anteriores associados com a patente de Merson poderiam ser ultrapassados pela soldadura contínua do bordo livre da chapa na alma de secção, em vez de simplesmente encostar os bordos livres. Contudo, uma tal operação de soldadura seria difícil na secção de Merson, porque as duas juntas de encosto estão colocadas num dos lados do elemento. A soldadura da secção induziria uma distorção substancial na secção acabada, que teria que ser removida por qualquer processo de endireitamento ulterior.

É importante realçar que a secção prefer^ da é formada a partir de uma peça única unitária que é soldada em dois locais separados para formar uma forma básica de duas circunferências separadas ligadas por uma alma única.

Esta forma básica que consiste em duas circunferências separadas ligadas pór uma só alma pode depois ser modelada num enorme número de folhas de secção finais.

A secção preferida é assim constituída por duas abas de secção ocas de qualquer forma ligadas por uma única alma. A forma triangular que é semelhante â de Merson (embora, como atrás se notou, a secção de Merson seja uma secção aberta e não uma secção oca fechada) é apenas uma forma entre um grande número de formas que podem incluir-se no escopo da presente invenção.

Duas formas preferidas da presente inven

ção são a forma triangular que se assemelha à gama corrente de vigas universais e uma outra forma simétrica que se assemelha à gama corrente de calhas laminadas a quente.

Como atrás foi discutido, seria possível utilizar o espaço no interior das secções terminais ocas para proporcionar o pré-esforço dos elementos estruturais, mediante a instalação de elementos de pré-esforço no interior das secções terminais ocas.

É possível· melhorar substancialmente a capacidade de suporte de carga e a utilidade dos elementos estruturais segundo a presente invenção pelo uso de técnicas de pré-esforço. As vantagens seguintes podem atribuir-se ã utilização de elementos de pre-esforço no interior das secções terminais ocas.

1) 0 pré-esforço proporciona um processo económico para induzir um encurvamento positivo nas secções segundo a presente invenção que funcionem como vigas. 0 encurvamento é tipicamente usado nas vigas de pavimentos em edifícios de vários pisos com estrutura de aço, para contrariar o efeito da flexão das vigas dos pavimentos devida às cargas de betão húmido aplicadas durante a fase de construção;

2) As vigas universais sao normalmentè encurvadas por um processo conhecido por aquecimento ou contracçao, pelo qual uma secção da viga de um lado é aquecida e depois arrefecida rapidamente para induzir uma flexão na viga.

3) Além disso, a resistência da secção segundo a presente invenção ã flexão é melhorada peio pré-esforço da secção . A acção do elemento de pré-esforço proporciona uma redução da flexão na secção pré-esforçada, quando comparada com a de uma secção sem pré-esforço;

4) 0 pré-esforço também melhora a eficácia das secções compósitas constituídas por secções segundo a presente invenção que funcionam em conjunto com betão. A capacidade final de suportar cargas de tais secções compósitas é melhorada pelo pré-esforço da secção segundo

a presente invenção; e

I

5) Outras vantagens podem ser proporcionadas preenchendo a secção terminal oca com argamassa fina, de modo que o elemento de pré-esforço fica protegido contra a acçâo do fogo. 0 elemento de pré-esforço pode então ser usado para melhorar a capacidade de carga de tais ι secções compósitas em situações de carga durante um i incêndio.

Do exposto, poderá também apreciar-se que as vantagens anteriores podem ser obtidas pela introdução de elementos de pre-esforço nas secções ocas convencionais, tais como as secções ocas rectangulares. Assim, do que atrás se expôs pode ver-se que a presente invenção inclui nos seus objectivos elementos estruturais segundo a presente invenção pré-esforçados por meios de reforço apropriados, como mais adiante se discute com mais pormenor, bem como secções ocas ! pré-esforçadas. i

Os meios de reforço preferidos podem utilizar barras metálicas de alta resistência que sao colocadas no interior oco, quer das secções ocas convencionais, quer dos elementos estruturais segundo a presente invenção, ficando os meios de reforço ou elementos de pré-esforço situados no interior de uma das secções terminais ocas. í

Os elementos de pré-esforço estendem-se ί a todo o comprimento de uma viga estrutural segundo a presen- j te invenção no interior daquela extremidade oca. Devido a que os elementos de pré-esforço ficam situados apenas numa das secções terminais ocas, qualquer carga de pré-esforço actuarã excentricamente em relaçao à linha central da secção.

No caso de secções ocas com forma quadrada, rectangular ou outra apropriada (por exemplo circular, triangular ou poligonal), os elementos de pré-esforço sao instalados no interior do núcleo oco da secção. Os elementos de pré-esforço ficam localizados num ponto excêntrico relativamente ao pseudo-centro da secção.

Por aplicação de uma carga de tracção aos elementos de pré-esforço e a subsequente ancoragem dos ele

mentos de pré-esforço nas duas extremidades da viga, induz-se uma carga de compressão correspondente na secção da viga.

Como a carga de pré-esforço actua excentricamente em relação â linha central da secção, ela produz uma acçao de flexão na viga em torno do eixo maior da secção.

A flexão actual induzida na viga pelo pré-esforço é controlada pela localização dos elementos de pré-esforço, pelo nível da carga de pré-esforço aplicada e pelas características da secção da viga. 0 valor da flexão pode assim ser controlado para criar o encurvamento exigido para contrabalançar o efeito da flexão das vigas do pavimento devida à carga de betão húmido aplicada durante a fase de construção ou para melhorar a capacidade final de carga da secção.

As barras metãlicas de alta resistência ã tracçao podem ser feitas com roscas de alta resistência em ambas as extremidades e sao providas apropriadamente com porcas de alta resistência, placas de apoio construidas de propósito e anilhas esféricas. As barras sao depois pré-esforçadas até uma carga pré-determinada com meios apropriados, tais como sistemas de macacos hidráulicos. Quer a carga medida na unidade de macaco, quer o alongamento medido na barra de pré-esforço sao usados para controlar o valor da carga efectivamente aplicada. No entanto, compreender-se-ã por qualquer pessoa conhecedora da matéria que podem usar-se outros meios de fixaçao do ou dos elementos de pré-esforço apropriados.

Uma vez obtida a carga desejada, aperta-se a porca para manter a carga e desliga-se o macaco. Sao necessárias placas de apoio para garantir que as cargas altamente concentradas criadas pelo pré-esforço nao provocam falha local na secção terminal oca. Usam-se de preferência anilhas esféricas para garantir que o elemento de pré-esforço é sujeito apenas a uma carga concêntrica.

A seguir ao pré-esforço é possível preencher a secção terminal oca com argamassa fina. 0 enchimento com argamassa fina pode neste caso ser usado para melhorar a resistência à carga em condições de fogo e ajudar a evitar a corrosão dos elementos de pré-esforço. 0 preenchimento com argamassa fina não é um requisito necessário do processo de

pré-esforço preferido para as secções, sendo apropriados os núcleos cheios ou nao com a argamassa fina.

Deve notar-se que os cabos de alta resis_ tência ã tracçao podem ser usados em vez das barras de metal de alta resistência ã tracçao, podendo usar-se elementos de pré-esforço simples ou múltiplos no interior da secção de aço oca. No caso das secções ocas quadradas ou rectangulares, os cabos metálicos de alta resistência à tracçao podem ser insta lados em qualquer sítio no interior do núcleo oco da secção.

A presente invenção inclui também nos seus objectivos elementos estruturais com duas secções terminais ocas e uma alma intermédia que não tenha sido fabricada a partir de uma chapa unitária. Num exemplo, pode proporcionar-se um par de secções terminais ocas apropriadamente fabrg cado por quaisquer meios apropriados, tais como um processo de laminagem a quente, que podem depois ser soldadas a uma pia ca por meios apropriados, tais como os que atrãs se descreveram. De preferência, as secções terminais ocas sao soldadas na placa ou chapa simultaneamente, de modo que se acelere gran demente a produção desse elemento estrutural.

Numa outra disposição possível, os elementos estruturais segundo a presente invenção podem ser formados a partir de uma chapa única unitária e provida de um rebordo de sobreposição que se sobrepõe ã alma do elemento estrutural e pode ser soldado no mesmo, por meios de soldadura apropriados, que podem nao ser contínuas, tais como soldadura por pontos.

Descrevem-se a seguir formas de realização adicionais, representadas nas fig. 36 a 45.

A fig. 36 ilustra uma viga de acordo com a referida patente de Merson, que está sujeita a uma presso-flexão localizada ;

As fig.37,38 e 39, ilustram um elemento estrutural segundo a presente invenção pré-esforçada por meios apropriados, sendo a fig. 38 um corte feito pela linha (B-B) da fig. 37;

As fig. 40, 41 e 42, ilustram uma secção oca convencional que foi pré-esforçada segundo a presente invenção para desse modo proporcionar um elemento estrutural pré-esforçado que se inclui no escopo da presente invenção, sendo a fig. 42 um corte feito pela linha (A-A) da fig. 40;

As fig. 43 e 44, ilustram um elemento estrutural segundo a pre sente invenção fabricado a partir de componentes separados que compreendem duas secções terminais ocas e uma chapa intermédia; e

A fig. 45, ilustra um elemento estrutural segundo a presente invenção com secções terminais ocas e uma alma intermédia que utiliza abas de sobreposição como atrás se descreveu.

Nos desenhos, a secção segundo Merson está representada com a alma (61) e as secções terminais (62) que têm uma aba (63) que se encosta ou une às junções (64) entre as secções adjacentes (64). A tracejado está indicada uma deformação devido a presso-flexão.

Nas fig.37 a 39, o elemento estrutural (64) segundo a presente invenção tem secções ocas (65) e uma alma intermédia (66). Está representado o elemento de pré-esforço (67) fixado no elemento estrutural (64) por meio de placas terminais de apoio (68) e porcas esféricas (69).

Nas fig.40 a 42, a secção oca (70) é pré-esforçada de maneira idêntica à descrita nas fig. 37 a 39, estando o elemento de pré-esforço (67) no interior oco ou furo (70A) do elemento (70).

Nas fig.43-44, o elemento estrutural (71) segundo a presente invenção é formado a partir de chapas ou componentes triangulares (72) que formam as secções terminais ocas e uma chapa ou placa intermédia (73) soldada nos componentes (72) e (74) por meios apropriados.

Na fig. 45, o elemento estrutural (75) segundo a presente invenção é formado a partir de uma chapa única unitária com secções terminais ocas (76) e a alma intermédia (77). Proporcionaram-se também abas de sobreposição (78) para facilitar a soldadura intermitente por pontos das abas (78) na alma (77). Mas compreender-se-ã que podem usar-se outras técnicas de soldadura apropriadas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

- lê. Elemento estrutural que compreende duas secções terminais ocas e uma alma intermédia, caracterizado por cada uma das secções terminais ocas ser soldada à alma intermédia de modo a formar duas linhas ou juntas de soldadura que se estendem ao longo do elemento estrutural.

- 2ê. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a alma intermédia ser predominantemente plana.

- 3d. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 2, que é formado a partir de uma chapa metálica unitária com bordos opostos, caracterizado por um bordo res24 pectivo estar situado adjacente ã referida alma intermédia e ser soldado na mesma para formar as referidas linhas ou juntas de soldadura.

- 4ã. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por além disso incluir um elemento de pré-esforço situado numa ou nas duas secções terminais ocas.

- 5ã. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o referido elemento de pre-esforço se estender através do comprimento de uma ou de cada uma das secções ocas e estar rigidamente ligado ã mesma.

- 6ê. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada uma das secções terminais ocas ser circular.

- 7ê. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada um dos elementos terminais ocos ser triangular.

- 8â. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por cada secção terminal oca ter a forma de um triângulo equilátero.

- 9ê. Processo para a formaçao de um elemento estrutural caracterizado por incluir as fases seguintes:

a) passagem de uma tira metálica substancialmente plana através de um certo número de estações de modelação para sucessivamente deformar bordos livres opostos da tira metálica de modo a proporcionar duas secções terminais ocas, ficando um bordo livre situado adjacente a uma alma intermédia interposta entre as secções terminais substancialmente ocas; e

b) soldadura do bordo livre respectivo a alma intermédia para formar duas linhas ou juntas de soldadura que se estendem ao longo do elemento estrutural.

- lOâ. Processo de acordo com a reivindicação

9, caracterizado por as estações de modelação na fase a) serem estações de modelaçao de laminagem.

- llâ. Processo de acordo com a reivindicação

10, caracterizado por na fase a) cada um dos bordos livres ser sequencialmente deformado de modo a modelar a tira metálica substancialmente com a forma de um W depois de ter passado através das estações de modelação por laminagem.

- 12â. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por na fase a) cada um dos bordos livres ser dobrado para dentro depois de passar sequencialmente através das estações de modelação por laminagem de modo a formar uma secção terminal oca substancialmente triangular.

- 13â. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por na fase a) cada um dos bordos livres ser dobrado para dentro depois de passar sequencialmente através das estações de modelação por laminagem de modo a formar uma secção terminal oca substancialmente circular.

- 14â. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por a soldadura ser efectuada por um processo de soldadura por indução de alta frequência.

- 15â. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por na fase b) as linhas ou juntas de soldadura serem formadas simultaneamente.

- 16ã. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por depois da soldadura se efectuarem uma ou mais operações de chanfradura no elemento estrutural, sendo removidos os filetes ou saliências da soldadura.

- 17ã. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por a tira metálica depois da soldadura passar através de uma estaçao de endireitamento e/ou conformação, utilizando-se cilindros de conformação para produzir um perfil desejado da secção transversal.

- 18ã. Processo de formaçao de um elemento estru tural caracterizado por incluir as fases de:

a) proporcionar uma parte de alma intermédia,

b) proporcionar duas secções terminais ocas; e

c) fixar cada uma das secções terminais ocas na parte de alma intermédia por soldadura de modo a proporcionar duas linhas ou juntas de soldadura que se estendem ao longo do elemento estrutural.

- 19ã. Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por cada uma das secções terminais incluir um flange que se sobrepõe a um bordo adjacente da parte da alma intermédia antes da soldadura.

- 20^a. Elemento estrutural, caracterizado por incluir uma parte oca que inclui um elemento de pré-esforço situado na referida parte oca que está rigidamente ligado ã mesma.

- 21^a. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por ser tubular.

22ã.

Elemento de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por ter um perfil com secção transversal rectangular.

- 23ê. Elemento estrutural de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por o elemento de pré-esforço ser fixado por placas terminais rigidamente fixadas em cada extremidade do elemento estrutural.

A requerente reivindica as propriedades dos pedidos australianos apresentados em 25 de Julho de 1988 sob ο N2. PI 9427 e em 18 de Novembro de 1988 sob ο N2 PJ 1534.

Lisboa, 25 de Julho de 1989