Juntas de dilatação em estruturas metálicas

Introdução

As juntas de dilatação desempenham um papel fundamental na preservação da integridade estrutural em edificações metálicas. Elas são projetadas para absorver as deformações causadas por variações térmicas, ações estruturais e operacionais, evitando a formação de tensões excessivas que podem comprometer a segurança e durabilidade das construções.

Com a atualização da ABNT NBR 8800:2024, novas diretrizes foram estabelecidas para garantir a aplicação adequada dessas juntas em diferentes tipos de estruturas. A compreensão e aplicação correta dessas recomendações são essenciais para engenheiros e projetistas que buscam soluções eficientes e seguras.

Este artigo tem como objetivo apresentar os conceitos fundamentais das juntas de dilatação, abordando critérios de projeto, posicionamento estratégico, detalhamento construtivo e práticas recomendadas com base nas normas brasileiras vigentes, além do NCRA, AISC e AIST. Além disso, serão discutidas as principais recomendações normativas em estruturas metálicas industriais.

Conceito de juntas de dilatação

As juntas de dilatação, também conhecidas como juntas de movimentação, são elementos construtivos ou formas concebidas projetados para absorver movimentos relativos entre diferentes partes de uma estrutura. Elas permitem a expansão e contração dos componentes metálicos, prevenindo tensões indesejadas e garantindo a estabilidade e durabilidade das edificações.

Definição e princípios básicos

As juntas de dilatação criam espaçamentos controlados na estrutura, possibilitando a absorção de deformações decorrentes de variações térmicas, recalques diferenciais, ações sísmicas ou outros deslocamentos estruturais. Sem elas, a acumulação de tensões poderia resultar empenamentos, intabilidade ou até mesmo colapsos.

Tipos de movimentações em estruturas metálicas

As principais movimentações que impactam as estruturas metálicas e justificam o uso de juntas de dilatação incluem a movimentação térmica, que ocorre devido às variações de temperatura, provocando dilatações e contrações nos materiais metálicos; a movimentação estrutural, resultante das deformações oriundas de cargas permanentes, sobrecargas, vento ou ações sísmicas; e a movimentação operacional, que envolve vibrações e deslocamentos causados pelo funcionamento de equipamentos e máquinas industriais.

Cálculo da Dilatação Térmica

A dilatação térmica pode ser estimada por meio da seguinte expressão:

Onde:

ΔL = Variação do comprimento (m)

α = Coeficiente de dilatação linear do aço (12 x 10⁻⁶ /°C)
L = Comprimento do elemento (m)
ΔT = Variação de temperatura (°C)

Esse cálculo é fundamental para a determinação do espaçamento necessário entre as juntas de dilatação, considerando a amplitude térmica a que a estrutura estará submetida.

Abaixo está ilustrado o crescimento das deformações dos pilares de uma edificação, do centro do prédio para as suas extremidades devido à elevação da temperatura (Mukhanov, 1980).

Por isso, edifícios longos devem ser divididos em diversos blocos independentes, separados por juntas de dilatação.

Critérios de projeto e posicionamento

A determinação da necessidade de juntas de dilatação em estruturas metálicas está diretamente relacionada à análise das deformações térmicas e estruturais que a edificação pode sofrer ao longo do tempo. Em projetos de edificações com grandes extensões, as variações de temperatura são um fator determinante, exigindo a instalação de juntas em pontos estratégicos para evitar tensões indesejadas e deformações excessivas. Além disso, a presença de equipamentos industriais que geram calor, como fornos e caldeiras, pode intensificar a necessidade de juntas de dilatação para absorver esses efeitos.

A localização estratégica das juntas de dilatação deve ser cuidadosamente planejada durante a fase de projeto. Em geral, elas são posicionadas em locais onde há mudanças significativas na geometria da estrutura, como em transições entre seções, conexões entre blocos estruturais e interfaces com equipamentos de grande porte. Edifícios longos, por exemplo, frequentemente são divididos em blocos independentes, separados por juntas de dilatação que permitem movimentos relativos sem comprometer a integridade estrutural.

Outro aspecto relevante é o dimensionamento adequado das juntas, que deve considerar não apenas a amplitude das deformações previstas, mas também fatores como ações ambientais, tipo de estrutura, materiais utilizados e requisitos normativos. A escolha correta do tipo de junta, seja ela uma junta simples com furos oblongos ou uma junta com colunas duplas em fundações compartilhadas, também influencia diretamente no desempenho estrutural ao longo da vida útil da edificação.

Para fazer juntas de dilatação em edifícios industriais pesados convém instalar colunas duplas numa mesma fundação e, respectivamente, tesouras transversais duplas.

Segundo demonstra a prática, as juntas de dilatação feitas a partir de furos oblongos para considerar a deformação longitudinal não oferecem uma margem de segurança suficiente e podem ser usadas apenas em edifícios leves ou de pequeno porte.

A adoção de contraventamentos próximos às juntas de dilatação também é uma prática recomendada para garantir a estabilidade global da estrutura. Eles atuam como elementos de reforço, minimizando deslocamentos horizontais e redistribuindo esforços de forma eficiente. Em galpões industriais, por exemplo, a instalação de contraventamentos nos banzos superiores e inferiores das tesouras contribui significativamente para estabilidade e a resistência às ações de vento e outras forças horizontais.

Por fim, a compatibilidade entre os sistemas de contraventamento e as juntas de dilatação deve ser assegurada durante o projeto. Esse equilíbrio garante que a estrutura possa se movimentar livremente, absorvendo as dilatações térmicas sem gerar tensões adicionais em elementos adjacentes.

Detalhamento e execução

O detalhamento e a execução das juntas de dilatação em estruturas metálicas exigem atenção especial para garantir o desempenho adequado ao longo da vida útil da edificação. A escolha do tipo de junta depende das características da estrutura, das condições ambientais e das ações atuantes.

Os materiais empregados nas juntas de dilatação devem apresentar resistência adequada às solicitações mecânicas e às variações térmicas. Componentes como chapas de aço, perfis laminados, parafusos de alta resistência e elementos de vedação são frequentemente utilizados. Além disso, materiais de preenchimento flexíveis, como elastômeros, são recomendados para garantir a estanqueidade e a absorção de pequenos deslocamentos nas vedações.

A execução em campo deve seguir rigorosamente o projeto estrutural, com especial atenção ao alinhamento e à fixação dos elementos. Durante a montagem, é fundamental garantir que as folgas especificadas para a movimentação térmica sejam respeitadas. Inspeções periódicas também são recomendadas para verificar a integridade das juntas e identificar possíveis sinais de desgaste ou deformação.

Outro ponto relevante é a proteção das juntas contra agentes ambientais e corrosão. Aplicações de revestimentos anticorrosivos e o uso de materiais galvanizados podem aumentar significativamente a durabilidade da estrutura. Em regiões com exposição a agentes químicos ou atmosferas agressivas, principalmente em posições de difícil inspeção e manutenção.

Em estruturas industriais com equipamentos que geram calor, como fornos e caldeiras, recomenda-se a instalação de sistemas de monitoramento térmico para acompanhar o comportamento das juntas de dilatação ao longo do tempo. Essa prática possibilita a detecção precoce de eventuais problemas e a realização de manutenções preventivas, contribuindo para a segurança e a longevidade da estrutura.

Contraventamentos

Os contraventamentos desempenham um papel essencial na estabilidade das estruturas metálicas, especialmente em edificações industriais sujeitas a ações de vento, movimentações térmicas e cargas horizontais. Próximos às juntas de dilatação, esses elementos são fundamentais para garantir que a estrutura suporte os esforços horizontais e redistribua as forças de maneira eficiente.

Contraventamentos horizontais dos banzos superiores

Para atribuir a um galpão industrial a rigidez espacial e para garantir a estabilidade dos elementos planos, tesouras e colunas, instala-se os contraventamentos.

Apesar de trabalharem juntos nas 3 direções, didaticamente pode-se dividi-los em planos de contraventamentos do banzo superior, do banzo inferior e verticais da cobertura e dos pilares.

A função dos contraventamentos no plano dos banzos superiores das tesouras é garantir a estabilidade desses banzos no plano perpendicular a elas.

Dada a necessidade de garantir a devida rigidez das estruturas, é preciso instalar os contraventamentos junto das extremidades das juntas de dilatação.

As terças fazem parte do sistema de contraventamento do banzo superior. Quando não há terças, por exemplo sob o lanternim, é necessário acrescentar escoras na cumeeira, às vezes junto aos montantes do lanternim e junto dos pilares no beiral. Essas escoras ligam os banzos superiores de todas as tesouras intermediárias para garantir a esbeltez dos perfis que compõem os banzos superiores fora do seu plano.

Contraventamentos horizontais transversais dos banzos inferiores

Os contraventamentos horizontais dos banzos inferiores são instalados na longitudinal e na transversal, acompanhando os vãos contraventados do plano dos banzos superiores.

Os contraventamentos transversais instalados junto das extremidades dos blocos são destinados a resistir à ação de vento longitudinal que atua nos oitões. Nesses contraventamentos apoiam-se as colunas de oitão. As reações dessas colunas são as ações que atuam na treliça horizontal formada pelos contraventamentos do banzo inferior e os próprios banzos inferiores, que por sua vez transmitirá os esforços para os contraventamentos laterais, levando-os até a fundações.

Esses contraventamentos transversais, podem ser instalados próximo às juntas de dilatação a fim de formar um quadro rígido.

Quando o comprimento do bloco entre juntas de dilatação é grande, os contraventamentos transversais são instalados também na parte central deste bloco, com um intervalo de 5 vãos. Esse não é um número rígido, podendo variar de 4 a 6 vãos. Isso se deve porque os contraventamentos ligados frequentemente por parafusos e furos padrão são suscetíveis a grandes deslocamentos e por isso a influência dos contraventamentos é limitada pela distância.

Contraventamentos horizontais longitudinais dos banzos inferiores

Os contraventamentos horizontais longitudinais nos banzos inferiores fazem com que as tesouras vizinhas também participem do trabalho tridimensional de estabilização da estrutura suportando, por exemplo, as forças transversais provocadas pelas pontes rolantes, o que diminui a deformação do pórtico isolado e aumenta a rigidez transversal do galpão, pois há o trabalho conjunto de todos os pórticos para resistir às ações transversais horizontais de frenagem das pontes rolantes por meio da treliça longitudinal horizontal formada por esse sistema de contraventamento.

Esses contraventamentos longitudinais adquirem uma importância especial nas indústrias com o regime de trabalho pesado, mas também podem ser usados em coberturas leves e com pórticos de baixa rigidez.

Para galpões geminados, com dois ou mais vãos, não é preciso colocar contraventamentos longitudinais nos banzos inferiores ao longo das filas médias dos pilares em ambos os vãos. Mas deve haver escoras entre os pilares.

Primordial é instalar escoras ou tirantes suplementares no banzo inferior para garantir a esbeltez menor do que 200 nas barras comprimidas e menor do que 300 quando houver apenas barras tracionadas do banzo inferior das tesouras e no mínimo a cada 12m para evitar a vibração destas barras.

A linguagem usada nas primeiras edições do guia do AIST Technical Report No. 13 parecia exigir o uso de um sistema de contraventamento horizontal longitudinal para conectar os pórticos transversais em uma estrutura espacial. Atualmente, na revisão de 2021, o guia usa uma linguagem que reconhece que, embora uma estrutura espacial possa ser benéfica, ela não é obrigatória. Um projeto que incorpora um sistema de contraventamento horizontal e aproveita o compartilhamento de cargas entre os quadros provavelmente terá membros de coluna mais leves e fundações menores. No entanto, esse benefício pode ser compensado pelo aço adicional necessário para o sistema de contraventamento e pelo tempo adicional para a fabricação e montagem da estrutura. O projetista e o proprietário devem discutir essas opções e as prioridades do projeto para determinar o melhor sistema a ser utilizado.

Contraventamentos verticais da cobertura

Os contraventamentos verticais entre tesouras são instalados normalmente junto dos apoios, entre colunas e banzos, no meio do vão das tesouras ou abaixo dos montantes dos lanternins. Ao longo do galpão eles devem ser distribuídos nos locais em que se encontram os contraventamentos transversais dos banzos.

O objetivo básico dos contraventamentos verticais é garantir a geometria invariável da estrutura espacial composta entre duas tesouras e contraventamentos transversais nos banzos superior e inferior das tesouras.

Contraventamentos verticais entre pilares

Os contraventamentos verticais entre os pilares são instalados ao longo do galpão industrial, em vãos específicos, a fim de garantir a estabilidade longitudinal e para suportar as ações de frenagem longitudinal da ponte rolante e as ações devidas ao vento.

Os apoios dos pilares no sentido longitudinal são considerados articulados e por isso os elementos dos contraventamentos, situados abaixo das vigas de rolamento têm primordial importância para a estabilidade de toda a estrutura em geral e por esse motivo, fazem-se com pequena esbeltez para evitar a sua vibração. Com esta finalidade, em edifícios com regime de trabalho pesado, a esbeltez costuma ser limitada a 150 nas diagonais comprimidas e em 200 nas diagonais tracionadas.

A liberdade das deformações longitudinais da estrutura devido às variações de temperatura é garantida pela disposição dos contraventamentos verticais no meio do bloco entre juntas de dilatação ou perto do seu centro.

Entretanto, uma vez que a montagem da estrutura começa normalmente pelas extremidades, é preferível que os dois primeiros pilares sejam ligados numa tesoura para serem estáveis.

Por isso, nos painéis extremos os contraventamentos (indicado com o número 5 na figura abaixo) devem ser instalados somente nos limites das partes superiores dos pilares. Os contraventamentos deste tipo admitem a deformação por flexão das partes inferiores dos pilares nos casos de variação de temperatura. Ao mesmo tempo uma das diagonais que trabalha a tração por causa do vento, transmite esse esforço para a viga de rolamento. Depois os esforços devidos ao vento são transmitidos para os contraventamentos intermediários e através deles às fundações.

É sempre preferível fazer as diagonais inclinadas a aproximadamente 45 graus, caso contrário as chapas de ligação resultam demasiadamente grandes e pesadas.

Se as condições de operação do edifício não permitem ocupar o vão inteiro com contraventamentos ou se a distância entre pilares é muito grande, os contraventamentos podem assumir configurações diferentes ao X, por exemplo tipo K.

Neste caso considera-se que uma ação unilateral faz os contraventamentos trabalharem a tração num só canto, enquanto os elementos do outro lado não trabalham devido à grande esbeltez. Se a estrutura trabalha neste esquema tem-se um arco tri articulado.

Os contraventamentos verticais são instalados entre pilares normalmente abaixo da viga de rolamento, no plano da face do pilar que sustenta a VR e acima da viga de rolamento ao longo do eixo da seção do pilar.

Recomendações normativas

As juntas de dilatação em estruturas metálicas devem ser projetadas e executadas em conformidade com as normas técnicas aplicáveis, garantindo a segurança e a durabilidade das edificações. A ABNT NBR 8800:2024 estabelece diretrizes específicas para o dimensionamento, detalhamento e instalação dessas juntas, considerando as variações térmicas, ações estruturais e condições ambientais.

De acordo com a NBR 8800:2024, as juntas de dilatação devem ser previstas em estruturas de grande comprimento a cada 50 metros para absorver as deformações térmicas e minimizar a geração de tensões indesejadas. Assim, se dentro de um bloco existem dois vãos de contraventamento verticais, a distância entre eles não deve ser superior a 50 metros. Nessa situação, o projeto deve incluir a devida consideração para o movimento térmico do edifício

Em complemento às diretrizes da NBR 8800, as normas internacionais como a NCRA (National Roofing Contractors Association), AISC (American Institute of Steel Construction) e o AIST (Association for Iron & Steel Technology) oferecem recomendações adicionais, especialmente para estruturas industriais e de grande porte. A AISC enfatiza a importância da análise térmica detalhada para definir a necessidade e a localização das juntas de dilatação, enquanto o AIST fornece orientações para estruturas sujeitas a variações térmicas geradas por equipamentos industriais.

O cumprimento dessas recomendações normativas é essencial para assegurar a estabilidade e a funcionalidade das estruturas metálicas. Projetistas e engenheiros devem aplicar as diretrizes com rigor técnico, garantindo que as juntas de dilatação desempenhem seu papel de forma eficaz ao longo da vida útil da construção. Diretrizes da ABNT NBR 8800:2024.

Recomendações da National Roofing Contractor Association

A National Roofing Contractors Association americana (NCRA, 2001) fornece as seguintes recomendações para a localização de juntas de dilatação em coberturas:

Onde há mudança de direção na estrutura de aço ou laje.
Onde existem alas separadas em edifícios com formato de L, U ou T.
Onde o tipo de laje muda; por exemplo, onde um pano de laje de concreto pré-moldado e um pano de laje mista aço/concreto se encontram.
Onde ampliações estão conectadas a edifícios existentes.
Em junções onde as condições de aquecimento interno mudam, como um escritório aquecido adjacente a um depósito não aquecido, mezaninos etc.
Onde pode ocorrer movimento entre paredes e o deck do telhado.

É importante observar que a estrutura do telhado sob as juntas de dilatação é projetada para ser descontínua.

Em edifícios longos, como os mencionados, é importante considerar a instalação de juntas de dilatação para evitar danos e garantir a estabilidade da estrutura.

Outra condição comum é em arranjo “T” em um edifício, onde há um corredor de vigas de rolamento em uma direção e outro em outra direção. Isso também pode exigir uma junta de dilatação para permitir o movimento relativo entre as estruturas.

Ao dimensionar e selecionar juntas de dilatação para uma estrutura de aço, é crucial considerar diversos fatores, como:

Amplitude das deformações: a magnitude das deformações esperadas é um fator determinante na escolha do tipo e tamanho da junta.
Tipo de ação: as ações atuantes na estrutura, como temperatura, vento e ações sísmicas, influenciam na seleção da junta adequada.
Condições ambientais: fatores como temperatura, umidade e corrosão devem ser considerados para garantir a durabilidade da junta.
Restrições de espaço: as dimensões da junta devem ser compatíveis com o espaço disponível na estrutura.
Estética: a aparência da junta deve ser considerada, especialmente em estruturas com alto valor estético.

Recomendações do AISC para variações de temperatura atmosférica

O AISC (2017) fornece recomendações específicas para juntas de dilatação em estruturas sujeitas a variações de temperatura atmosférica. As principais recomendações incluem:

Localização das juntas: as juntas devem ser posicionadas em locais onde as deformações térmicas sejam concentradas, como em longas vigas, coberturas e fachadas.
Tamanho das juntas: o tamanho da junta deve ser suficiente para acomodar a amplitude das deformações esperadas.
Tipo de junta: o tipo de junta deve ser selecionado de acordo com o tipo de movimento esperado e as condições de instalação.
Materiais da junta: os materiais da junta devem ser compatíveis com as condições ambientais e garantir a durabilidade da junta.

Recomendações do AIST para variações de temperatura geradas por equipamento

O AIST Technical Report No. 13 (2021) fornece recomendações adicionais para juntas de dilatação em estruturas que abrigam equipamentos que geram calor, como fornos, caldeiras e geradores. As principais recomendações incluem:

Análise térmica: uma análise térmica detalhada deve ser realizada para determinar a amplitude das deformações térmicas geradas pelo equipamento.
Isolamento térmico: o equipamento deve ser adequadamente isolado para minimizar a transferência de calor para a estrutura.
Proteção contra radiação: as juntas de dilatação devem ser protegidas da radiação térmica emitida pelo equipamento.
Monitoramento das deformações: as deformações na estrutura devem ser monitoradas periodicamente para garantir o funcionamento adequado das juntas de dilatação.

Em edifícios industriais com vigas de rolamento a recomendação é que o contraventamento vertical longitudinal seja distribuído ao longo do comprimento do edifício, separado por não mais do que cerca de cinco vãos. O objetivo é lidar rapidamente com as forças geradas pela ponte rolante à medida que ele se move pelo edifício. Embora a recomendação seja em torno de cinco vãos, não é crítico se decidir usar o contraventamento espaçado quatro ou seis vãos. O importante é garantir que o contraventamento esteja distribuído ao longo do comprimento da estrutura.

Conclusão

As juntas de dilatação são elementos essenciais para a segurança e durabilidade de estruturas de aço especialmente em ambientes sujeitos a variações térmicas significativas. Esses espaços são projetados para acomodar movimentos térmicos e de deformação sem comprometer a estabilidade ou a funcionalidade da edificação. Ao seguir as recomendações da ABNT NBR 8800: 2024, do AISC (2017) e do AIST Technical Report No. 13 (2021), os projetistas e engenheiros podem garantir que as juntas de dilatação sejam adequadamente dimensionadas, selecionadas e instaladas, evitando falhas estruturais e garantindo o bom desempenho da estrutura ao longo de sua vida útil.

As juntas de dilatação são comuns em edifícios grandes, como siderúrgicas e instalações de manufatura. Ao analisar as dimensões desses prédios e as diretrizes gerais para juntas de dilatação, surge a questão de quando elas são necessárias. Muitos desses prédios têm comprimentos significativos, chegando a 300 ou 450 m. É crucial considerar os processos internos que geram altas cargas térmicas, o que reforça a necessidade de juntas de dilatação.

Normalmente, as juntas de dilatação são instaladas na direção longitudinal com uma linha de coluna dupla apoiadas na mesma fundação. Se necessário na direção transversal, também são fornecidas linhas de coluna dupla. Embora compartilhem uma fundação comum, essas estruturas são estruturalmente isoladas acima do nível da fundação. O detalhamento dessas interfaces é necessário para acomodar o movimento relativo entre essas estruturas.

Referências

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. Rio de Janeiro, 2024.

AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION. AISC 360-16: Specification for Structural Steel Buildings. Chicago, IL, 2017.

ASSOCIATION FOR IRON & STEEL TECHNOLOGY. AIST Technical Report No. 13: Design, Construction, and Maintenance of Mill Buildings. Warrendale, PA, 2021.

MUKHANOV, V. F. Estruturas Metálicas. Tradução em Português. Moscou: Editora Mir, 1980.

NATIONAL ROOFING CONTRACTORS ASSOCIATION (NCRA). The NRCA Roofing Manual. Itasca, IL, 2001.

Eu sou Alexandre Vasconcellos, engenheiro civil especialista em estruturas de aço pela USP, engenheiro de produção, mestre em estruturas pela Unicamp, MBA em gestão empresarial pela FIA, especialista em modelagem pela Universidade de Michigan, empreendedorismo pela Universidade de Maryland e estratégia pela Darden School. Executivo da construção com mais de 40 anos de experiência, ajudo pequenos e médios fabricantes de estruturas metálicas a aumentar sua eficiência e seus lucros.

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