As estruturas de treliça espacial são geralmente compostas por grades aproximadamente idênticas ou unidades menores e são comumente usadas em sistemas de cobertura. Essas estruturas são tipicamente de camada dupla (para garantir a rigidez necessária), mas em alguns casos também podem ser de camada tripla. As estruturas de treliça plana são relativamente simples em termos de projeto, cálculo, construção e fabricação, o que as torna uma boa opção para sistemas de cobertura de diversos vãos.
A treliça espacial é uma estrutura leve e rígida com um formato geométrico diferenciado. A estrutura com juntas esféricas geralmente utiliza espaçamento multidirecional e é composta por tirantes e barras de compressão. A estrutura está sujeita a tensões tridimensionais. Independentemente do tipo de treliça, ela pode suportar cargas de todas as direções e desempenha um papel importante na resistência sísmica de edifícios de grandes vãos.
Visão geral da estrutura espacial e do sistema de treliças tradicional.
A estrutura espacial é uma estrutura altamente indeterminada, com grande rigidez espacial, boa integridade, forte resistência a terremotos e capacidade de suportar os efeitos adversos do assentamento irregular das fundações. A estrutura espacial é leve, utiliza menos aço e possui uma ampla gama de aplicações. É adequada tanto para vãos pequenos e médios quanto para grandes vãos, bem como para diversas formas planas de edifícios, como retângulos, círculos, setores e polígonos. É adequada para edifícios com grandes malhas de pilares, de modo que a estrutura tenha um amplo espaço útil, o que facilita a alocação de espaço de acordo com diferentes requisitos funcionais.
Com essas características, a estrutura espacial é amplamente utilizada em diversos tipos de edificações. No campo dos edifícios públicos, pode ser encontrada em ginásios, clubes, pavilhões de exposições, teatros, salas de espera de estações, etc. Edifícios industriais, armazéns, hangares, fábricas, etc., frequentemente utilizam estruturas espaciais como suporte.
O método de ligação das barras da grelha é articulado, enquanto as barras da treliça espacial são articuladas apenas na alma e nas extremidades da alma. No modelo, embora as cordas estejam desconectadas nos nós, elas são rigidamente conectadas, o que significa que as cordas são contínuas, e essa característica é muito próxima da situação real na construção.
Uma treliça é uma estrutura geometricamente invariante constituída por uma estrutura triangular formada por barras retas. A junção entre as barras é chamada de nó. De acordo com o eixo das barras que compõem a treliça e a distribuição das forças externas, a treliça pode ser dividida em treliça plana e treliça espacial. Estruturas espaciais, como treliças de telhado ou pontes, são compostas por uma série de treliças planas paralelas. Se estiverem sujeitas principalmente a cargas planas, podem ser simplificadas para treliças planas para fins de cálculo.
As treliças convencionais são estruturas rígidas compostas por unidades triangulares geometricamente invariáveis. As barras são submetidas principalmente a tensão e compressão axial, e a eficiência estrutural é muito alta. As estruturas de treliça apresentam boa adaptabilidade aos temas de balanço e vãos em estruturas espaciais. As treliças espaciais são um tipo de estrutura diferente das treliças planas. Suas seções transversais são compostas por almas que formam formas geométricas específicas, como triângulos e retângulos. A principal diferença entre uma treliça espacial e uma grelha é que a treliça espacial possui direções primárias e secundárias bem definidas, enquanto a grelha não possui direções primárias e secundárias óbvias, ou estas não são claramente definidas.
Portanto, embora existam diferenças significativas no projeto e na construção de uma estrutura de treliça espacial e uma estrutura em grelha, ambas compartilham certas formas geométricas e métodos de conexão de hastes, o que representa uma das semelhanças entre elas. Além disso, ambas enfatizam a estabilidade e a capacidade de carga da estrutura, garantindo sua segurança e confiabilidade por meio de formas geométricas e métodos de conexão adequados.
Vale ressaltar que, seja uma treliça espacial ou uma estrutura em grelha, a seleção de materiais e a tecnologia de construção devem ser consideradas em aplicações práticas para garantir a estabilidade e a durabilidade da estrutura. Ao mesmo tempo, essas formas estruturais também desempenham um papel cada vez mais importante no design arquitetônico moderno. Elas não apenas proporcionam uma capacidade de carga eficiente, como também atendem às necessidades da arquitetura moderna em termos de estética e flexibilidade espacial.
Layout estrutural: estruturas 3D e 2D
Grelhas e cascas de grelha são coletivamente denominadas estruturas de pórtico espacial. Essa estrutura de pórtico espacial é uma estrutura espacial na qual múltiplas barras são conectadas por nós de acordo com uma determinada figura geométrica regular. Ela permite aproveitar ao máximo as vantagens do espaço tridimensional, e o caminho de transmissão de forças é mais simples, sendo particularmente adequada para edifícios de grandes vãos. A estrutura composta por grelhas planas de camada dupla ou multicamadas é chamada de estrutura de pórtico espacial (referida como grelha), e a estrutura composta por grelhas curvas de camada simples ou dupla é chamada de casca de grelha.
Do ponto de vista das características geométricas, todas as barras e linhas de nós da treliça bidimensional (treliça plana) estão no mesmo plano, formando uma estrutura de grade plana, como a treliça de terças do telhado de uma casa ou a treliça transversal de suporte de carga de uma ponte; enquanto as barras e os nós da treliça tridimensional (treliça espacial) rompem a limitação de um único plano e são escalonados e conectados no espaço tridimensional para formar uma estrutura de grade tridimensional com altura, largura e profundidade, como a cobertura em grade de um ginásio ou a estrutura de uma torre de transmissão.
Estruturas espaciais de grande vão são geralmente compostas por diversos componentes, e diferentes componentes podem afetar uns aos outros. Portanto, a análise de sensibilidade é fundamental para avaliar a importância relativa de diferentes fatores, otimizando assim o projeto. Por meio da pesquisa de parâmetros, os projetistas podem não apenas identificar quais fatores desempenham um papel vital no desempenho estrutural, mas também melhorar o desempenho geral da estrutura ajustando esses parâmetros.
Por exemplo, alterar as condições de apoio em alguns pontos-chave ou ajustar as dimensões da seção transversal de alguns componentes pode melhorar significativamente a estabilidade e a capacidade de carga da estrutura. Além disso, os projetistas podem explorar as vantagens e desvantagens de vários esquemas de projeto por meio de pesquisas paramétricas em larga escala e determinar o esquema mais econômico e seguro, evitando complexidade desnecessária e desperdício de material no projeto. A análise de sensibilidade ajuda os projetistas a melhorar a eficiência do projeto, reduzindo os riscos e garantindo que o projeto estrutural atinja o equilíbrio ideal.
Em termos de características de força, as treliças bidimensionais precisam suportar apenas cargas atuando em seus próprios planos, como o peso próprio vertical, forças horizontais no plano, etc. As forças internas das barras são apenas tração ou compressão axial no plano, e não há força fora do plano; as treliças tridimensionais precisam lidar com cargas em três direções do espaço (eixos x, y e z), incluindo cargas verticais, cargas horizontais de vento, empuxos laterais, etc. As forças internas das barras precisam equilibrar forças externas multidirecionais, que se manifestam como forças axiais espaciais.
A estrutura espacial e a treliça tridimensional (treliça espacial) são ambas estruturas espaciais, mas existem diferenças significativas em sua composição geométrica, características dos nós, desempenho de força e cenários de aplicação. É necessário distingui-las pela essência da estrutura: do ponto de vista da composição geométrica, a estrutura espacial é uma estrutura de grade de camada dupla ou multicamadas formada por muitas hastes entrelaçadas no espaço de acordo com uma determinada regra (como tetraedro vertical, tetraedro oblíquo, pirâmide triangular, etc.).
As hastes são, em sua maioria, unidades curtas e uniformes, e o formato geral é uma “estrutura tridimensional em forma de grade”, enquanto a treliça espacial geralmente é composta por alguns grupos de hastes principais conectadas por nós para formar uma ou mais estruturas tridimensionais. As hastes são relativamente longas e a forma geométrica se concentra mais na “combinação espacial de componentes lineares”, como uma estrutura tridimensional composta por treliças planas cruzadas.
Componentes detalhados de estruturas de pórtico espacial e estruturas de treliça espacial.
O primeiro tipo de estrutura espacial
É composto por um sistema de treliça plana.
- Grade ortogonal bidirecional: Esta é uma grade composta por dois conjuntos de treliças planas. Os eixos de projeção das treliças no plano formam um ângulo de 90° entre si e são paralelos ou perpendiculares à fronteira. A grade formada pode ser retangular ou quadrada.
- Grade ortogonal oblíqua bidirecional: Pode ser obtida rotacionando a grade ortogonal bidirecional em 45° no plano horizontal. O ângulo de intersecção também é de 90°, mas cada treliça não é paralela ao eixo do edifício, formando um ângulo de intersecção de 45°, resultando assim em uma grade ortogonal oblíqua bidirecional.
- Grade tridimensional: Possui maior rigidez do que uma grade bidirecional e é adequada para uso em estruturas de grandes vãos. Seu plano é adequado para triângulos, trapézios e hexágonos regulares, podendo também ser utilizado em planos circulares.
O segundo tipo é uma estrutura espacial composta por pirâmides de quatro cantos.
As quatro cordas superiores formam uma base cônica quadrada, e o vértice do cone está localizado abaixo do centroide do quadrado. Quatro teias são conectadas dos quatro vértices do quadrado até o vértice do cone, formando uma pirâmide de quatro vértices. Conectando as pirâmides de quatro vértices de acordo com uma determinada regra, forma-se uma grade piramidal de quatro vértices.
- Grade tetraédrica à direita: As bases da grade tetraédrica são paralelas ao eixo do edifício. As bases das grades tetraédricas são conectadas para formar a corda superior da grade, e os vértices das grades tetraédricas são conectados para formar a corda inferior, que é paralela ao eixo do edifício. As cordas superior e inferior desta grade têm o mesmo comprimento e são defasadas em meio vão.
O terceiro tipo é uma estrutura espacial composta por pirâmides triangulares.
Sua unidade básica é uma pirâmide triangular regular composta por 3 barras de corda e 3 barras diagonais, ou seja, um tetraedro. A pirâmide triangular pode ser colocada na posição correta ou invertida.
- Grade piramidal triangular: Conecte os vértices da pirâmide triangular de forma que os diagramas planos compostos pelas cordas superior e inferior sejam todos triângulos equiláteros, o que é chamado de grade piramidal triangular.
- Grelha piramidal triangular em favo de mel: Esta grelha também é composta por unidades piramidais triangulares, mas seu método de conexão consiste em posicionar a corda superior e a alma no mesmo plano vertical, conectando os nós das cordas superior e inferior por seis hastes. Este é o tipo de grelha com o menor número de hastes nos nós. Como o comprimento da corda superior comprimida é menor que o da corda inferior comprimida, a força é mais equilibrada e a quantidade de aço utilizada é menor. No entanto, a figura composta pela corda superior é hexagonal, o que apresenta certas dificuldades no projeto do painel de cobertura.
Classificação dos componentes principais das treliças espaciais
- Sistema de barras: É composto por cordas (corda superior, corda inferior) e almas (barras diagonais, barras verticais), geralmente feitas de tubos de aço redondos ou quadrados, conectados por nós para formar unidades triangulares ou poligonais. Por exemplo, a corda de uma treliça plana suporta a força axial convertida do momento fletor, e a alma transmite a força cortante; a treliça espacial dispersa a carga através de um sistema de barras tridimensional, como uma treliça ortogonal, uma treliça piramidal triangular, etc.
- Estrutura dos nós: incluindo nós soldados (como nós de interseção), nós aparafusados (como nós com esfera de parafuso) e nós de pino. Por exemplo, o corredor octogonal do Edifício Nacional de Informações Financeiras de Pequim utiliza conexões de pino e suportes deslizantes para alcançar uma instalação de alta precisão e em grandes alturas.
- Sistema de suporte: Divide-se em suporte fixo, suporte deslizante unidirecional e suporte deslizante bidirecional, devendo atender aos requisitos de transferência de carga e coordenação de deformação. A treliça protendida do Centro de Convenções e Exposições do Hotel Oriental de Guangzhou adota suporte de ancoragem tipo luva, capaz de suportar uma força axial de 4500 kN.
Desempenho estrutural e distribuição de carga
As estruturas de aço em grelha e treliças apresentam diferenças significativas em termos de desempenho estrutural e distribuição de cargas. As grelhas são sistemas de forças tridimensionais. Elas formam uma estrutura em grelha através de pirâmides triangulares, pirâmides quadrangulares e outras unidades. As barras suportam principalmente as forças axiais, e as cargas são distribuídas por meio de barras multidirecionais. Possuem alta rigidez espacial e estabilidade geral.
Por exemplo, as características de força bidirecional das grelhas permitem que elas distribuam as cargas de forma eficaz em edifícios de grandes vãos (como ginásios e terminais). Os nós são conectados por esferas de parafuso ou esferas soldadas, o que permite a intersecção do eixo da barra no centro da esfera, evitando momentos fletores e melhorando a rigidez geral. Sua distribuição de carga é uniforme, adequada para formas planas complexas (como círculos e hexágonos) e apresenta excelente desempenho sísmico. Ela pode se adaptar às consequências do afundamento da fundação quando ocorrem desastres naturais, como terremotos.
As treliças são, em sua maioria, sistemas de treliças planas ou espaciais, compostos por cordas e almas, que suportam principalmente tração ou compressão axial e pertencem à classe de sistemas de forças unidirecionais. A corda da treliça plana suporta a força axial convertida do momento fletor, a alma transmite a força cortante e a carga é transmitida ao longo do plano da treliça. A rigidez lateral é baixa e necessita do auxílio de um sistema de suporte para aumentar a estabilidade.
Por exemplo, a força interna da corda da treliça de corda paralela aumenta das extremidades até o meio do vão, enquanto a força interna da alma apresenta comportamento oposto; a força interna da corda da treliça triangular é distribuída de forma desigual, sendo adequada para cenários específicos, como telhados de telha. A taxa de aproveitamento do material da treliça é alta, especialmente em pontes de grande vão e instalações industriais. A força pode ser otimizada por meio de um arranjo adequado das almas, porém sua rigidez fora do plano é baixa, sendo necessários apoios para resistir às forças laterais.
Flexibilidade de design e potencial estético
Primeiramente, a estrutura espacial de aço permite reduzir o uso de colunas e paredes. Comparada às estruturas de construção tradicionais, a estrutura de aço em grelha apresenta maior resistência e estabilidade, o que diminui a necessidade de colunas e paredes. Colunas e paredes tradicionais ocupam muito espaço, limitando o layout e o uso dos edifícios. A estrutura de aço em grelha permite sustentar o edifício com menos colunas e paredes, melhorando assim a taxa de aproveitamento do espaço. Devido à redução de colunas e paredes, diferentes áreas de uso podem ser divididas de forma flexível dentro do edifício, proporcionando mais espaço útil.
Em segundo lugar, possui um grande vão e pode criar um espaço interior amplo. A resistência e a rigidez dos materiais da estrutura de aço são elevadas, o que permite suportar coberturas com vãos maiores. As estruturas de construção tradicionais geralmente exigem mais pontos de apoio, resultando na divisão do espaço interno do edifício em módulos menores por diferentes componentes de suporte. Com o uso de grelhas de estrutura de aço, o número de pontos de apoio pode ser bastante reduzido, tornando o espaço interno mais contínuo e não limitado por pontos de apoio localizados. Esse espaço contínuo pode melhorar a ventilação e a iluminação dentro do edifício, além de aumentar o conforto das pessoas no edifício.
Além disso, os componentes da estrutura metálica em grelha possuem certa flexibilidade e capacidade de ajuste. Comparados às estruturas de construção tradicionais, os componentes da estrutura metálica em grelha são mais padronizados e produzidos em série, podendo ser padronizados em projeto e fabricação, e os componentes podem ser desmontados e remontados com flexibilidade. Essa flexibilidade permite que a estrutura metálica em grelha seja ajustada e modificada conforme a necessidade para se adaptar a diferentes funções e requisitos de uso. Durante a utilização do edifício, se o espaço interno precisar ser replanejado e ajustado, a estrutura metálica em grelha pode ser desmontada e remontada. Essa capacidade de ajuste pode melhorar significativamente a flexibilidade do edifício, permitindo que ele se adapte a diferentes mudanças nos requisitos de uso.
Velocidade de construção e instalação
A estrutura espacial em aço permite a modularização e a construção rápida de edifícios. A estrutura em malha de aço oferece boas condições de produção em fábrica e pode ser pré-fabricada, reduzindo o processamento e o tempo de construção no local. Toda a malha pode ser fabricada e montada na fábrica e, em seguida, transportada para o local da obra para instalação. Comparadas às estruturas tradicionais de alvenaria de tijolo e concreto, as estruturas em malha de aço economizam muito tempo de construção, permitindo a edificação mais rápida. Além disso, as estruturas em malha de aço, projetadas e fabricadas com design modular, podem ser facilmente reconstruídas e ampliadas, parcial ou totalmente. Esse design modular facilita a reutilização e a transformação de edifícios, aumentando ainda mais a flexibilidade das construções.
Vantagens da pré-fabricação e montagem por parafusos de estruturas de grelha espacial
Os nós de grelha são componentes essenciais na transmissão de forças estruturais. Os tipos de nós mais comuns incluem nós esféricos soldados e nós esféricos aparafusados. Os nós esféricos soldados utilizam tecnologia de prensagem a quente para fabricar esferas de aço ocas, e as hastes e as esferas de aço são firmemente conectadas por soldagem. A resistência da solda pode atingir mais de 95% da resistência do material base. São adequados para grelhas pesadas com grandes vãos e forças complexas; os nós esféricos aparafusados utilizam parafusos de alta resistência para conectar as hastes com esferas forjadas. A precisão de instalação pode ser controlada em ± 0,5 mm, o que facilita a pré-fabricação em fábrica e a montagem rápida no local, sendo adequados para projetos de grelhas com vãos gerais.
Complexidade do local e requisitos de instalação
A estrutura de suporte é frequentemente montada em grandes altitudes. O processo é simples e não requer equipamentos de elevação de grande porte. A chave para a construção da estrutura de suporte reside na instalação da estrutura de partida. Após a conclusão da instalação da estrutura de partida, a montagem do balanço da pequena pirâmide quadrangular em grande altitude é realizada com base na estrutura de partida para completar toda a construção da estrutura de suporte.
Custo, eficiência de materiais e valor a longo prazo.
Na engenharia moderna de estruturas de aço, as estruturas espaciais e as estruturas treliçadas não apenas se destacam pelo desempenho estrutural, mas também apresentam fortes vantagens abrangentes em termos de controle de custos, eficiência de materiais e valor a longo prazo. Ambas possuem características próprias, mas refletem a busca fundamental de “alto desempenho, baixo consumo de energia e sustentabilidade” na arquitetura moderna.
Em primeiro lugar, do ponto de vista da utilização de materiais, tanto a estrutura espacial quanto a treliça espacial utilizam componentes de aço padronizados para alcançar uma capacidade de suportar cargas eficiente na estrutura por meio de um arranjo geométrico adequado. A estrutura em grelha forma uma malha tridimensional com pontos regulares, as barras são curtas e densas, o caminho mecânico é disperso, a rigidez é elevada e a quantidade de aço é controlada adequadamente.
A treliça espacial, por outro lado, forma um sistema de treliça tridimensional com vários grupos de barras primárias e secundárias. As barras são dispostas de forma que a força seja distribuída uniformemente. Sob as mesmas condições de vão, ela pode atingir maior capacidade de carga com menos componentes. Ambas as soluções permitem alcançar o “máximo desempenho estrutural com a menor quantidade de aço”, economizando recursos e reduzindo o custo inicial do material.
Em segundo lugar, nas etapas de construção e manutenção, as vantagens dessas duas estruturas espaciais também são evidentes. Graças ao alto grau de pré-fabricação e padronização em fábrica, tanto as estruturas espaciais quanto as treliças espaciais podem ser fabricadas com precisão em plantas de processamento, exigindo apenas uma montagem eficiente no local. Isso reduz significativamente o trabalho com argamassa e o tempo de construção, aumenta a eficiência da obra e diminui os custos adicionais causados por atrasos devido ao clima ou à intervenção humana. Além disso, os componentes da estrutura de aço são fáceis de substituir e manter. Mesmo que sejam parcialmente danificados, não há necessidade de demolição e reconstrução em grande escala, o que reduz consideravelmente o investimento em manutenção e o tempo de inatividade durante o uso.
Em termos de vida útil estrutural e adaptabilidade ambiental, tanto as estruturas espaciais quanto as treliças demonstram excelente durabilidade. A maioria dos materiais de aço modernos passa por tratamento anticorrosivo profissional e possui excelente resistência à oxidação, à umidade e ao calor. Podem resistir à erosão natural, como vento, chuva, luz solar e altas temperaturas, por um longo período, mantendo a estabilidade e a segurança estrutural. Especialmente em grandes vãos e espaços abertos, ambas as formas estruturais podem se adaptar de forma flexível às complexas exigências funcionais da edificação, alcançando um alto grau de unidade entre estrutura e espaço.
Além disso, esses dois tipos de estruturas apresentam alto valor residual ao final do ciclo de vida da edificação. Seja uma estrutura espacial com nós densos ou uma treliça espacial com barras primárias e secundárias bem definidas, seus componentes podem ser reciclados ou fundidos e transformados em aço de alta qualidade após a desmontagem, o que não só economiza recursos, como também reduz o impacto ambiental dos resíduos da construção civil, concretizando verdadeiramente o conceito de “construção verde”.
Conclusão
As estruturas de grelha de aço e as estruturas treliçadas transformaram completamente as restrições de espaço das construções tradicionais, graças ao seu excelente desempenho estrutural e flexibilidade de projeto. Ao reduzir os componentes de suporte internos, obtém-se maior liberdade espacial; a construção modular melhora significativamente a eficiência da construção e, ao mesmo tempo, apresenta excelente sustentabilidade, estando em consonância com a tendência de desenvolvimento de edifícios verdes.
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