UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL EDIFÍCIOS DE MÚLTIPLOS PAVIMENTOS ESTRUTURADOS EM CONCRETO, AÇO E EM ELEMENTOS MISTOS DE AÇO E CONCRETO: ANÁLISE COMPARATIVA. Tiago José dos Santos Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de São Carlos como parte dos requisitos para a conclusão da graduação em Engenharia Civil Orientador: Alex Sander Clemente de Souza São Carlos 2010

2 DEDICATÓRIA Aos meus pais Gabriel e Maria, meus irmãos Fábio, Gláucia, Sandra, Gustavo e Márcia, meus sobrinhos e minha noiva Cibele, uma família verdadeiramente abençoada. O temor do Senhor é o princípio do conhecimento; os loucos desprezam a sabedoria e a instrução. (Pv 1:7) Eis que o temor do Senhor é a sabedoria e apartar-se do mal é a inteligência. (Jó 28:28)

3 AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus pela maravilhosa graça da vida, além da saúde necessária até o momento, para que tivesse condições de desenvolver esse trabalho. Agradeço ainda as oportunidades concedidas e por manter-se comigo, iluminando meu caminho através da sua palavra e me sustendo pela estrada que me foi proposta a caminhar. Aos meus pais pelo amor irrestrito e incondicional, carinho, companheirismo e ensinamentos concedidos a mim até o presente momento. Ao meu orientador de iniciação científica e amigo Professor Dr. Almir Sales, por me proporcionar o primeiro contato com a pesquisa, além do incentivo, confiança, apoio e ensinamentos outorgados dentro e fora da sala de aula. Ao meu orientador Professor Dr. Alex Sander Clemente de Souza pela orientação, extrema confiança e total apoio dado durante todo o período de desenvolvimento do trabalho. As amizades conquistadas na Universidade Federal de São Carlos ( Civil 06 ), enfatizando eles: Carolina, Luiz Eduardo, Luis Augusto, Fernando e Matheus. Tenho e sempre terei satisfação em considerá-los como amigos. Obrigado pelo apoio durante todo o período de graduação. Aos meus colegas de república, Luiz Eduardo e Fernando pelo maravilhoso convívio, incentivo e apoio. Isto foi imprescindível para o bom desenvolvimento do trabalho. Aos meus irmãos por sempre estarem ao meu lado, apoiando-me em tudo. Por fim, mas não menos importante, à minha noiva Cibele pelo amor, carinho, companheirismo, compreensão, incentivo e alegria vivida desde o momento em que nos conhecemos. Obrigado. Todos foram e sempre serão especiais em minha vida. Agradeço a Deus pela existência de cada pessoa aqui citada.

4 RESUMO SANTOS, T. J. Edifícios de múltiplos pavimentos estruturados em concreto, aço e elementos mistos de aço e concreto: análise comparativa. São Carlos. 122p. Trabalho de conclusão de curso Universidade Federal de São Carlos, Dentre os sistemas estruturais existentes destaca-se o formado por elementos mistos de aço e concreto, uma vez que se apresenta como uma solução econômica e racional para o sistema estrutural de edifícios de múltiplos pavimentos. Os elementos mistos de aço e concreto são formados pela combinação de perfis de aço e concreto, sendo que esta combinação visa aproveitar as vantagens de cada material. Apesar de este sistema ser consagrado em outros países, no Brasil os estudos sobre os elementos mistos ainda são incipientes. No entanto, com a atualização da norma NBR 8800:2008 os elementos (vigas, lajes e pilares) passaram a ser abordados com maior ênfase. Com isso o interesse sobre o referido sistema cresceu, bem como os estudos relacionados ao assunto. Este trabalho visa comparar três dos sistemas estruturais existentes (concreto, aço e mistos de aço e concreto) utilizando-os na concepção estrutural de duas plantas de edifícios. Para tanto, foi realizado um estudo baseado principalmente na norma NBR 8800:2008, bem como em trabalhos disponíveis sobre o assunto. Este estudo visou melhor compreender as propriedades e o comportamento de vigas, lajes e pilares mistos. Norteado pelo estudo realizado foram elaboradas planilhas eletrônicas, tanto de dimensionamento de elementos mistos, como de levantamentos quantitativos e orçamentários, desta forma, otimizou-se o processo de dimensionamento e verificação dos elementos mistos de aço e concreto. A partir de então foi realizada uma análise comparativa, a fim de se ter parâmetros iniciais de escolha do sistema estrutural utilizados para os edifícios-exemplo. Esta análise comparativa envolveu o consumo de materiais, área livre no pavimento e custo da estrutura. Os resultados obtidos pelas análises comparativas evidenciaram bons resultados para o sistema misto, visto que se apresentou, em todas as análises, como uma solução que conseguiu se utilizar das vantagens inerentes aos dois materiais estruturais apresentados (concreto e aço) e, em um dos casos, apresentou o menor custo total da estrutura do edifício. Palavras-chave: concreto, aço, elementos mistos de aço e concreto, vigas mistas, lajes mistas, pilares mistos, análise comparativa.

5 ABSTRACT ABSTRACT SANTOS, T. J. Buildings multiple decks structured in concrete, steel and composite elements of steel and concrete: a comparative analysis. São Carlos. 122p. Completion of course work Federal University of São Carlos, Among the existing structural systems highlight the elements formed by composite steel and concrete as it is presented as a rational and economical solution for the structural system of buildings multiple floors. The elements of steel and concrete are formed by the combination of profiles of steel and concrete, and this combination is intended to take advantage of each material. Although this system is enshrined in other countries, in Brazil, studies on the mixed elements are still incipient. However, with the upgrade of the NBR 8800:2008 elements (beams, slabs and pillars) are now approached with more emphasis. Thus the interest on the scheme grew, as well as studies related to the subject. This paper aims to compare three of the existing structural systems (concrete, steel and composite steel and concrete) using the structural design of the two layouts. For this, a study based mainly on NBR 8800:2008, as well as jobs available on the subject. This study aimed to better understand the properties and behavior of beams, slabs and composite columns. Guided by the study were prepared spreadsheets, both of design of composite elements, such as quantitative surveys and budget, thus optimized the process of design and verification of mixed elements of steel and concrete. Since then a comparative analysis was performed in order to have the choice of initial parameters of structural system used for buildings-example. This comparative analysis involved the consumption of materials, open space and the cost of the pavement structure. The results obtained by comparative analysis showed good results for the mixed system, as it presented itself, in every analysis as a solution that was able to utilize the advantages inherent to both structural materials submitted (concrete and steel), and in one case, had the lowest total cost of the building structure. Keywords: concrete, steel, mixing elements of steel and concrete composite beams, composite slabs, composite columns, the comparative analysis.

6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1: Edifício garagem América (primeiro edifício em estrutura metálica no Brasil) (a) em construção e (b) construído... 8 Figura 2: (a) Estrutura com pórticos rígidos. (b) Estrutura contraventada... 9 Figura 3: (a) Parede de cisalhamento. (b) Estrutura com núcleo rígido em concreto Figura 4: Estrutura tubular Figura 5: Edifício Turning Torso (Suécia) construído com núcleo rígido em concreto armado Figura 6: Seções usuais de pilares mistos preenchidos Figura 7: (a) Pilar revestido e (b) Pilar parcialmente revestido Figura 8: Exemplo de vigas mistas Figura 9: Configuração final das vigas mistas Figura 10: Exemplo de laje com forma de aço incorporada (steel deck) Figura 11: Esquema das vigas mistas de aço e concreto em que seu dimensionamento é (a) ou não (b) aplicável na norma NBR 8800: Figura 12: Conector do tipo pino com cabeça tipo stud bolt Figura 13: Laje steel deck pronta para o lançamento do concreto Figura 14: Modos de colapso no estado limite último da laje mista de aço e concreto Figura 15: Tabela de carga apresentada pela empresa PERFILOR Figura 16: Forças de atrito adicionais devidas a conectores tipo pino com cabeça Figura 17: Valores de χ em função do índice de esbeltez λ Figura 18: Sistema estrutural do pavimento tipo do edifício exemplo 1 (medidas em mm) Figura 19: Forma da estrutura convencional com lajes maciças Figura 20: Sistema estrutural do pavimento tipo utilizado para o cálculo do EE1 estruturado em elementos mistos (medidas em mm) Figura 21: Estrutura com pórticos rígidos utilizada para o cálculo do EE Figura 22: Comparação do consumo de concreto Figura 23: Comparação do consumo de Aço em forma de barras EE Figura 24: Comparação do consumo de Aço em forma de perfis EE Figura 25: Consumo de formas Figura 26: Etapas de pré-fabricação dos pilares mistos parcialmente revestidos Figura 27: Comparação do custo total da Estrutura da Edificação Preço do perfil (R$2,99/kg do aço) Figura 28: Planta baixa do pavimento tipo do edifício exemplo 2 (EE2) Figura 29: Planta baixa da cobertura do edifício exemplo 2 (EE2) Figura 30: Sistema estrutural do pavimento tipo do edifício exemplo 2 (EE2). Em azul pilares não pertencentes aos pórticos Figura 31: Nomenclatura utilizada para os elementos analisados (EE2) Figura 32: Consumo do consumo de concreto (m 3 ) EE Figura 33: Comparação do consumo de Aço (kg) EE Figura 34: Comparação do consumo de Aço em forma de barras EE Figura 35: Comparação do custo total da estrutura do edifício-exemplo

7 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Limites de aplicabilidade da norma NBR 8800:2008 para vigas mistas Tabela 2: Tabela de cargas e vãos máximos para dimensionamento de lajes mistas com forma de aço incorporada - METFORM Tabela 3: Limites de aplicabilidade da NBR 8800: Tabela 4: Tensão de cisalhamento resistente de cálculo τ Rd Tabela 5: Pesos específicos, cargas acidentais, permanentes e características do vento edifício Albuquerque (1998) Tabela 6: Consumo de materiais Tabela 7: Índices Tabela 8: Resumo das ações consideradas para o dimensionamento do edifício exemplo 1 em elementos mistos de aço e concreto Tabela 9: Seção mista parcialmente revestida dimensionada para o edifício EE Tabela 10: Quantidade (kg) de aço utilizada para os pilares mistos (EE1) Tabela 11: Perfis escolhidos para compor as seções das vigas de aço isoladas e mistas em aço e concreto Tabela 12: Quantidade (kg) de aço utilizado para os perfis de vigas (EE1) Tabela 13: Consumo de materiais Tabela 14: Preço das barras de aço GERDAU (Campinas) Tabela 15: Área livre do 1 ao 10 pavimento Tabela 16: Área livre do 11 ao 20 pavimento Tabela 17: Custo dos itens (em R$) analisados e custo total da estrutura da edificação Tabela 18: Resumo das ações consideradas EE2* Tabela 19: Esforços solicitantes e perfis adotados para os pilares em aço Tabela 20: Quantidade (kg) de aço utilizada nos pilares em aço do EE2* Tabela 21: Esforços solicitantes máximos e seção utilizada para as vigas dos pórticos ABCD e do pórtico Tabela 22: Esforços solicitantes máximos e seção utilizada para as vigas dos pórticos ABCD e do pórtico (Cobertura) Tabela 23: Quantidade de aço (kg) utilizado nas vigas do Edifício-Exemplo Tabela 24: Consumo de materiais EE Tabela 25: Esforços solicitantes e perfis utilizados para os pilares mistos parcialmente revestidos - EE Tabela 26: Quantidade (kg) de aço utilizada nos pilares mistos parcialmente revestidos do edifício exemplo Tabela 27: Esforços solicitantes e perfis de aço utilizados para as vigas mistas Tabela 28: Consumo de aço para as vigas mistas Tabela 29: Consumo de materiais EE Tabela 30: Custo total (em R$) da estrutura do EE2 Preço do perfil de aço R$2,99/kg

8 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Justificativa Objetivos Estrutura do texto REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ESTRUTURAS DE CONCRETO ESTRUTURAS METÁLICAS ESTRUTURAS MISTAS DE AÇO E CONCRETO VANTAGENS DO SISTEMA MISTO PILARES MISTOS TIPOS E CLASSIFICAÇÃO DOS PILARES MISTOS VIGAS MISTAS LAJES MISTAS ANÁLISE ESTRUTURAL ESTUDO DO COMPORTAMENTO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS MISTOS VIGAS MISTAS DIMENSIONAMENTO DE VIGAS MISTAS SEGUNDO NBR 8800: LAJE MISTA MÉTODOS CONSTRUTIVOS (MONTAGEM E FIXAÇÃO) DIMENSIONAMENTO DAS LAJES MISTAS SEGUNDO NBR 8800: DIMENSIONAMENTO DAS LAJES MISTAS SEGUNDO tabela da metform e perfilor PILARES MISTOS DIMENSIONAMENTO DOS PILARES SEGUNDO NBR 8800: CISALHAMENTO NA INTERFACE AÇO-CONCRETO PILARES SUBMETIDOS À COMPRESSÃO AXIAL PILARES SUBMETIDOS À FLEXO-COMPRESSÃO ESTUDO DE CASO EDIFÍCIO EXEMPLO 1 (EE1) ELEMENTOS EM CONCRETO (EE1) ELEMENTOS EM AÇO E MISTOS DE AÇO E CONCRETO (EE1) ANÁLISE COMPARATIVA DO EDIFÍCIO-EXEMPLO 1 (CONCRETO VS ELEMENTOS MISTOS DE AÇO E CONCRETO) CONSUMO DE CONCRETO CONSUMO DE AÇO Barras e Perfis CONSUMO DE FORMAS CONSUMO DE STEEL DECK ÁREA LIVRE NO PAVIMENTO CONSUMO TOTAL DA ESTRUTURA DOS EDIFÍCIOS... 65

9 4.5 EDIFÍCIO EXEMPLO 2 (EE2) EDIFÍCIO ESTRUTURADO EM AÇO E ELEMENTOS MISTOS (EE2*) - PILARES EM AÇO ISOLADO ELEMENTOS MISTOS DE AÇO E CONCRETO (EE2**) pilares mistos ANÁLISE COMPARATIVA DO EDIFÍCIO-EXEMPLO 2 (ESTRUTURA EM aço VS ELEMENTOS MISTOS DE AÇO E CONCRETO) CONSUMO DE CONCRETO CONSUMO DE AÇO Perfis CONSUMO DE AÇO - Armadura CONSUMO DE STEEL DECK CONSUMO TOTAL DA ESTRUTURA DOS EDIFÍCIOS ANALISADOS CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE A: PLANILHAS ELETRÔNICAS PARA O DIMENSIONAMENTO DAS VIGAS MISTAS APÊNDICE B: PLANILHAS ELETRÔNICAS PARA O DIMENSIONAMENTO DO PILAR MISTO PARCIALMENTE REVESTIDO APÊNDICE C: PLANILHAS ELETRÔNICAS PARA O DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE AÇO ISOLADAS APÊNDICE D: TABELAS DIMENSIONAMENTO DAS LAJES MISTAS - METFORM

10 1 1. INTRODUÇÃO Atualmente a busca por informações e por tecnologia é cada vez maior em todos os setores. No setor da construção civil não é diferente, uma vez que a busca por novas tecnologias e informações têm proporcionado meios mais racionais de construção. Dentre os sistemas estruturais existentes estão os formados por elementos em aço que, por sua vez, apresentam total padronização dos elementos que compõe a estrutura principal e também a estrutura de fechamento, acelerando o processo construtivo e tornando este sistema estrutural competitivo, pela sua elevada produtividade. A despeito de predominar ainda a cultura de edifícios em concreto armado no Brasil esta realidade está por mudar, uma vez que o aço vem apresentando viabilidade construtiva e econômica para a construção de edifícios de múltiplos pavimentos. Isto se dá pelo fato de que este sistema estrutural apresenta algumas vantagens quando comparadas com o de concreto armado, a saber: Maior área útil, pelo fato das seções das vigas e pilares serem mais esbeltas quando comparadas com as equivalentes em concreto; Alívio de carga nas fundações, pois são mais leves que as estruturas equivalentes em concreto, prazo de construção reduzido, etc. Com vistas em se utilizar das vantagens proporcionadas pelos materiais estruturais mais utilizados na construção civil (aço e concreto), desenvolveu-se outro tipo de sistema estrutural, o formado por elementos mistos de aço e concreto. As estruturas mistas são formadas pela associação de perfis de aço e concreto estruturais, de modo que estes trabalhem em conjunto para resistir aos esforços solicitantes. Pode-se notar a possibilidade que este sistema estrutural outorga na exploração das melhores características de cada material, agrupando-as num só elemento. Desta forma, a rigidez do concreto frente às forças horizontais e sua moldabilidade foram associadas à precisão dimensional e a capacidade de vencer grandes vãos apresentadas pelo sistema estrutural em aço. Em comparação com o sistema estrutural de concreto armado pode-se citar que o sistema misto: possui maior facilidade de montagem, permitem execuções em variadas condições climáticas, alívio de carga nas fundações, baixo prazo de execução, liberdade no projeto de arquitetura, racionalização de materiais e de mão-de-obra, redução ou até

11 2 dispensa de formas e escoramentos, além de oferecer um canteiro de obras limpo e acessível. Já em comparação com o sistema estrutural em aço pode-se citar que o sistema misto possui: menor consumo de aço, além da redução no consumo de materiais de proteção contra incêndio e corrosão. A segunda vantagem citada deve-se ao fato que o concreto melhora o desempenho do elemento estrutural frente às ações de corrosão e fogo. Desta forma, os sistemas mistos apresentam vantagens significativas que devem ser avaliadas quando na escolha da tipologia do sistema estrutural dos edifícios de múltiplos pavimentos. Os primeiros elementos a se utilizarem desta tecnologia foram às vigas (perfis de aço revestidos com concreto). Apesar de esta técnica parecer recente, a utilização de estruturas mistas data do fim do século XIX. De início o concreto era utilizado apenas para proteger os elementos de aço do fogo e da corrosão. Mesmo com a utilização do concreto e sua contribuição na resistência, esta era, na época, desprezada nos cálculos. No Brasil, as primeiras construções mistas se limitavam a alguns edifícios e pequenas pontes construídas entre os anos de 1950 e Em 1986, a NBR Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios normatizaram as estruturas mistas, no entanto, apenas abordava os elementos mistos submetidos à flexão, as vigas mistas. A partir de então, com o aumento da produção de aço estrutural no Brasil e com a busca de novas soluções arquitetônicas e estruturais, foram construídos vários edifícios utilizando-se do sistema misto nos últimos anos. Outro destaque é que a nova versão da NBR 8800:2008 contempla, em seus anexos, recomendações de projeto para lajes, vigas e pilares mistos, portanto, percebe-se que a utilização de elementos mistos está se difundindo e ganhará novos espaços no Brasil. 1.1 JUSTIFICATIVA Percebe-se atualmente que a indústria da construção civil busca soluções viáveis que propiciem aos empreendimentos durabilidade, qualidade, menor tempo de execução e menor custo. Para tanto, pesquisas foram realizadas a fim de idealizar novos sistemas estruturais que posteriormente fossem aplicados nos empreendimentos. Dentre os existentes podem-se evidenciar os sistemas estruturados em concreto, aço e aço/concreto (misto). No Brasil, percebe-se que o sistema predominante é o tradicional em concreto. Esta inércia é fruto de uma série de motivos que restringiam a implantação dos demais sistemas estruturais, a saber: motivos técnicos, sociais, políticos e

12 3 econômicos. Mesmo assim, os sistemas estruturados em aço e principalmente os formados por elementos mistos ganharam força e expandiram à medida que a demanda cresceu. Este crescimento fora significativo, ampliando a aplicação destes sistemas nas construções de edifícios de múltiplos pavimentos, pontes, coberturas de grandes vãos, etc. Tendo em vista os sistemas estruturais supracitados pode-se inferir que é difícil evidenciar imediatamente qual dos sistemas existentes, quando aplicados em um projeto, trará maiores benefícios, tanto ao empreendimento em si quanto ao empreendedor. Para tanto, há a necessidade de uma análise comparativa que avalie os parâmetros necessários para embasar tal afirmação. Cabe salientar que esta comparação depende de inúmeros fatores e que não podem ser aplicadas a todos os edifícios residenciais, comerciais e industriais. Assim sendo, este trabalho analisará alguns dos sistemas construtivos existentes aplicados em um edifício de múltiplos pavimentos. Esta análise não se dará apenas sob a perspectiva do comportamento estrutural, mas também em termos de custo e dos aspectos construtivos. 1.2 OBJETIVOS Pretende-se desenvolver uma análise comparativa concernente a alguns dos sistemas construtivos existentes e utilizados na fabricação e montagens das estruturas de edifícios de múltiplos pavimentos. Será comparado o consumo de materiais, área livre por pavimento e custo total da estrutura do edifício. Cabe salientar que esta análise comparativa também contemplará o comportamento estrutural e os aspectos construtivos do edifício. Almeja-se também realizar uma revisão bibliográfica que contemple os sistemas estruturais para edifícios, enfatizando aqueles em elementos mistos. Além disso, pretendese sistematizar os critérios de projeto para elementos em aço e elementos mistos. Será utilizada a norma NBR 8800:2008. Por fim, com a realização deste estudo espera-se desenvolver o conhecimento do aluno, conferindo-lhe maior habilidade em relação ao tema proposto. 1.3 ESTRUTURA DO TEXTO O corpo deste trabalho de conclusão de curso foi organizado em onze capítulos. O primeiro capítulo descreve a importância do sistema estrutural misto de aço e concreto em meio a alguns dos sistemas estruturais existentes no mercado. Ressaltaram-se as vantagens na utilização de elementos mistos (vigas, pilares e lajes) comparando-os com

13 4 sistemas já consolidados, como o tradicional em concreto e o sistema estruturado em aço. Ainda nesse capítulo foram apresentadas as justificativas e objetivos que direcionaram e deram um escopo a este trabalho de conclusão de curso. O Capítulo 2 identificado como Revisão Bibliográfica aborda o comportamento estrutural, além das vantagens e desvantagens na utilização de lajes mistas, vigas mistas e pilares mistos como elementos estruturais de um edifício de múltiplos pavimentos. Para basear as afirmações citadas no decorrer do trabalho foi feito um estudo panorâmico sobre o uso do concreto como material estrutural, bem como de algumas características intrínsecas a este sistema estrutural. O mesmo foi feito para o aço utilizado com finalidade estrutural. Foram abordados os sistemas estruturais comumente utilizados em edifícios de múltiplos pavimentos (pórticos rígidos, contraventada, etc.), bem como suas vantagens e desvantagens frente os sistemas estruturais existentes. Por fim, o capítulo 2 enfatiza o sistema misto de aço e concreto, apresentando-o num contexto histórico nacional e mundial. Além disso, baseado em estudos realizados por diferentes autores foram apresentados os elementos estruturais mistos utilizados (vigas, lajes e pilares), indicando possíveis classificações dos elementos, bem como suas aplicações em sistemas estruturais de edifícios de vários pavimentos. No capítulo 3 encontra-se a descrição do estudo do comportamento e dimensionamento dos elementos mistos estudados (vigas, lajes e pilares). Para tanto, foi utilizada a norma NBR 8800:2008. O capítulo 4 evidenciará a descrição dos estudos de casos, bem como da metodologia empregada que norteará o desenvolvimento deste trabalho. Será neste capítulo descrito, com maiores detalhes, os instrumentos e procedimentos utilizados na elaboração de planilhas de dimensionamento. Além disso, será destinado a apresentar os resultados obtidos através das planilhas eletrônicas, tanto as de dimensionamento quanto as de levantamento quantitativo e orçamentário. Para todos os resultados apresentados serão tecidos comentários e discussões considerando algumas variáveis pertinentes ao assunto. Comentários, conclusões e possíveis sugestões para novas pesquisas dentro desse assunto serão descritos no capítulo 5. No item 6 são relatadas as referências bibliográficas e complementares utilizadas no decorrer deste trabalho. Por fim, algumas das planilhas eletrônicas utilizadas serão apresentadas nos Apêndices (itens 7, 8, 9 e 10).

14 5 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Sabe-se que o desenvolvimento das cidades trouxe consigo a aglutinação populacional em centros urbanos, ocasionando assim a escassez dos terrenos disponíveis que, por sua vez tornaram-se bens de grande valor. Nota-se que a valorização do terreno não se dá apenas pela sua escassez, mas também pela sua localização estratégica. Desta forma, estes aspectos têm norteado e condicionado a construção de edifícios cada vez mais altos. É notável que os edifícios altos tem se tornado a característica física dos centros urbanos. Considerando a estrutura portante de um edifício Giongo (2007) inferiu que a concepção desta deve-se balizar inicialmente na questão da constituição dos elementos estruturais, ou seja, de que são constituídos os referidos elementos. Para tanto, citar-se-ão alguns dos sistemas construtivos existentes, a saber: em concreto armado, em aço e em elementos mistos. Embora muitas vezes a escolha do sistema estrutural de um edifício seja influenciada por imposições arquitetônicas, por rotinas construtivas ou ainda pela infra-estrutura da região, cabe ao engenheiro de estruturas buscar, dentro das condições impostas, a alternativa estrutural que garanta maior economia (ALBUQUERQUE, 1998). Os sistemas estruturais utilizados atualmente são: em concreto, em aço e em elementos mistos de aço e concreto. A cultura de utilização de estruturas de concreto ainda é a predominante no Brasil, mesmo nos dias de hoje. As estruturas dos edifícios de múltiplos pavimentos são, em sua maioria, de concreto armado ou protendido, moldadas no local ou mesmo moldadas fora do canteiro (pré-fabricadas). No entanto, com a tendência do setor construtivo em aumentar o nível de industrialização estudos verificaram a viabilidade do aço, bem como os benefícios que este material outorgaria ao sistema como um todo. Recentemente no Brasil, este material passou a ser utilizado nas estruturas de edifícios e, desde então atravessa um período de grande expansão. Vários são os edifícios no país que se utilizam do sistema estrutural em aço, no entanto, é cabível dizer que esta utilização ainda se dá em menor freqüência que o concreto.

15 6 Considerando que os dois materiais estruturais mais utilizados na construção civil, o aço e o concreto, possuem características distintas que, por sua vez, podem proporcionar benefícios ao edifício em si, outro sistema estrutural passou a fazer parte da lista dos existentes, a saber: o sistema misto em aço e concreto. Pelo fato deste sistema estrutural explorar as vantagens de cada material (aço e concreto) e direcioná-las em um único elemento, este se difundindo está no Brasil, apresentando-se como uma competitiva solução estrutural para o futuro próximo das construções. 2.1 ESTRUTURAS DE CONCRETO Segundo Fajersztajn (1987) o uso de concreto armado na construção das estruturas de edifícios está bastante difundido, já sendo considerado, na época, o sistema mais utilizado no Brasil. Essa realidade ainda permanece nos dias atuais, ou seja, a utilização de elementos estruturados em concreto é predominante em edifícios de múltiplos pavimentos. Pode-se evidenciar ainda que a grande utilização de concreto não se dá apenas no Brasil, mas também em vários países do mundo. De acordo com Cordeiro (2006) o concreto de cimento Portland ainda é o principal material de engenharia utilizado pelo homem. Essa grande utilização deu-se e ainda se dá pelas diversas características presentes no concreto, tais como: elevada resistência mecânica, baixo custo, adequabilidade de formas, entre outras. Igualmente é que algumas das características citadas tornam o concreto uma escolha bem especificada para a confecção de diversas estruturas. Segundo Gartner (2004) a previsão é de que são produzidos cerca de 1,7 bilhões de toneladas de cimento anualmente no planeta. Para o autor esta quantidade é suficiente para a produção de 6 km 3 de concreto por ano, ou ao menos 1m 3 de concreto por habitante. As primeiras construções em concreto armado utilizaram-se da idéia da moldagem in loco, atendo-se ao fato de que os equipamentos e ferramentas da época eram incipientes. Comumente se utilizavam de lajes maciças e, posteriormente, lajes pré-moldadas. A distância relativa entre pilares era da ordem de 4 a 5 metros. Isso porque agiam alguns fatores limitantes, a saber: resistência do concreto, simplificações nas modelagens da estrutura e até mesmo o comportamento do próprio sistema estrutural. Mesmo assim, as vantagens desse sistema construtivo o fez difundir rapidamente e estudos foram realizados a respeito desses materiais, visando melhor compreender seu comportamento estrutural. Como forma de explicitar as vantagens inerentes deste sistema construtivo cita-se: a capacidade de adequar às formas e concepções arquitetônicas (moldabilidade); possui elevada resistência à maioria dos tipos de solicitação, desde que sejam bem dimensionadas

16 7 e construídas; a estrutura é monolítica, proporcionando o trabalho do conjunto quando a peça for solicitada; não necessita de mão-de-obra com elevado nível de qualificação. Além disso, cita-se que os processos construtivos são conhecidos e bem difundidos em quase todo o país. No entanto, algumas restrições do sistema construtivo em concreto armado moldado no local tais como o uso de formas e escoramentos, bem como a relativa dificuldade e lentidão de execução acabaram por tornar este sistema construtivo menos racional que os demais. As inovações tecnológicas, construtivas e de informática trouxeram consigo a evolução da resistência do concreto, bem como a possibilidade de realização de análises mais complexas e refinadas. Além disso, foi possível o uso de novas opções estruturais como: lajes nervuradas, protensão nas estruturas, estruturas pré-moldadas, etc. Essas evoluções possibilitaram soluções mais arrojadas para os edifícios, diversificação das peças de concreto e facilidade e rapidez na execução, principalmente se forem utilizados elementos pré-moldados. A despeito do uso do concreto como material de construção estar consolidado no país, verifica-se que há constante busca e difusão das informações concernente a utilização de outros sistemas construtivos, como é o caso das estruturas metálicas e as estruturas mistas, que serão destacadas nos próximos itens. 2.2 ESTRUTURAS METÁLICAS Concernente à estrutura metálica pode-se evidenciar que, no passado, esta era aplicada, predominantemente, em construções comerciais. As primeiras aplicações da estrutura metálica na construção civil data do século XVIII e desde então o aço tem possibilitado aos profissionais da área soluções estruturais mais arrojadas, eficientes e de alta precisão. (INABA, 2010). Associados a isso, o autor destaca que a utilização de estruturas metálicas também confere ao sistema redução do tempo de construção, aumento de produtividade, além da racionalização do uso de materiais e de mão-de-obra. Salienta-se ainda o fato do sistema construtivo em aço ser um dos sistemas existentes que possui vocação para a industrialização. Com as afirmações supracitadas é fácil compreender que atualmente, a utilização do aço nas estruturas de edifícios comerciais e residenciais de múltiplos pavimentos tem se tornado freqüente.

17 8 Diferente do cenário encontrado na maioria dos países desenvolvidos, em que a construção metálica está fortemente consolidada, no Brasil ela ainda está atravessando um período de expansão. Desde os anos 80 verifica-se o crescimento do mercado de estruturas em aço. Para Souza (2009) a consolidação e o desenvolvimento do uso deste sistema são de suma importância e deve ser incentivado, uma vez que pode até mesmo contribuir para o desenvolvimento econômico e social do país. Além de todos os benefícios já citados, citar-se-ão outras vantagens que a estrutura metálica apresenta quando comparada com o sistema construtivo convencional em concreto armado: Maior área útil, pelo fato das seções das vigas e pilares serem mais esbeltas quando comparadas com as equivalentes em concreto; Alívio de carga nas fundações, pois são mais leves que as estruturas equivalentes em concreto, etc. (INABA, 2010). A utilização de perfis de aço tornou-se interessante à medida que apresentavam a diminuição das cargas nas fundações (menor peso próprio), proporcionava o vencimento de grandes vãos com baixo consumo de material, relativo ao equivalente em concreto armado. Assim sendo, galpões industriais aderiram rapidamente a este sistema construtivo por apresentarem características propícias a este. E não apenas os galpões, mas também edifícios de múltiplos andares e os de pequeno porte acabaram por se utilizar desse sistema construtivo. Como forma de exemplificar a afirmação supracitada cita-se o primeiro edifício estruturado em aço construído no Brasil: a Garagem América, em 1957, como mostra a Figura 1. (a) (b) Figura 1: Edifício garagem América (primeiro edifício em estrutura metálica no Brasil) (a) em construção e (b) construído. Fonte: /

18 9 Os sistemas estruturais comumente utilizados em edifícios de múltiplos pavimentos são: estrutura com pórticos rígidos, contraventada, com paredes de cisalhamento, com núcleo rígido em concreto e estrutura tubular (Figura 2 a Figura 4). (a) (b) Figura 2: (a) Estrutura com pórticos rígidos. (b) Estrutura contraventada Fonte: CBCA (2004). (a) (b) Figura 3: (a) Parede de cisalhamento. (b) Estrutura com núcleo rígido em concreto. Fonte: CBCA (2004).

19 10 Figura 4: Estrutura tubular Fonte: CBCA (2004). No entanto, esses arranjos estruturais são os responsáveis pela coleta e distribuição das ações horizontais. Estas chegam aos pilares que as direcionam a fundação. Para as ações verticais as vigas e lajes são as responsáveis por coletar e distribuir às ações para os pilares que, por sua vez, as direcionarão até as fundações. Cabe salientar que cada tipologia estrutural apresenta vantagens e desvantagens no uso em edifícios de múltiplos pavimentos, cabendo ao engenheiro projetista escolher a que melhor se adapte às condições impostas. As principais vantagens e desvantagens de cada tipologia estão contidas no manual Edifícios de pequeno porte estruturados em aço CBCA Pelo fato dos elementos estruturados em aço serem mais esbeltos, quando comparados com os equivalentes em concreto, pode-se afirmar que estes são mais suscetíveis à ação do fogo que os elementos em concreto. Desta forma, alguns materiais desde o fim do século XIX foram utilizados como materiais de revestimento, protegendo a estrutura metálica do fogo e da corrosão. O concreto foi utilizado com esta finalidade (FIGUEIREDO, 1998). Assim, começou-se a ter a idéia da estrutura mista, objeto de destaque do próximo item. 2.3 ESTRUTURAS MISTAS DE AÇO E CONCRETO É possível utilizar em uma mesma estrutura os dois materiais estruturais mais empregados na construção civil, a saber, o aço e o concreto. Essa utilização conjunta pode se dar na forma de estruturas híbridas ou estruturas mistas.

20 11 São consideradas híbridas as estruturas compostas por subsistemas de materiais diferentes. Como exemplo dessa afirmação cita-se um edifício estruturado em aço que possui um núcleo rígido em concreto armado (Figura 5). Figura 5: Edifício Turning Torso (Suécia) construído com núcleo rígido em concreto armado. Fonte: Uma característica interessante das estruturas híbridas é que apesar destas se utilizarem de materiais diferentes estes trabalham de maneira independentemente, diferentemente das estruturas mistas em que os diferentes materiais atuam em conjunto, comportando-se como um único elemento (DE NARDIN, 2008). As estruturas mistas podem ser definidas como as formadas pela associação de perfis de diferentes materiais, por exemplo, aço e concreto, de modo que os estes trabalhem conjuntamente para resistir aos esforços solicitantes. Cita-se neste caso um pilar (perfil metálico) revestido em concreto. O histórico da construção mista está intimamente ligado ao desenvolvimento do concreto armado e das estruturas metálicas (MALITE, 1993). Figueiredo (1998) ressalva que

21 12 apesar desta técnica parecer recente, a utilização de estruturas mistas data do fim do século XIX. Esta afirmação é confirmada por Griffis (1994) quando evidencia que as primeiras construções mistas nos Estados Unidos datam de Neste caso, uma ponte e um edifício construídos se utilizaram de vigas de aço revestidas com concreto, cuja finalidade era de proteger os elementos de aço do fogo e da corrosão. Figueiredo (1998) acrescenta, com base nestes relatos, que as estruturas mistas aço-concreto surgiram casualmente. Até a década de 30 o concreto era utilizado nas estruturas apenas como material de revestimento. Mesmo assim, Griffis (1994) fez questão de salientar que um grande número de edifícios de múltiplos pavimentos foi construído entre as décadas de 20 e 30, utilizandose deste tipo de sistema construtivo. Apesar da utilização do concreto e sua contribuição na resistência, esta era, na época, desprezada nos cálculos (MALITE, 2005). A partir de então houve uma motivação por parte dos pesquisadores para o desenvolvimento do primeiro registro de normatização de estruturas mistas, em 1930, através do New York City Building Code. Este assunto foi, em 1944, adicionado às normas da atual AASHTO (Figueiredo, 1998). No Brasil, as primeiras construções mistas se limitavam a alguns edifícios e pequenas pontes construídas entre os anos de 1950 e Em 1986, a NBR Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios normatizaram as estruturas mistas, no entanto, apenas abordava os elementos mistos submetidos à flexão, as vigas mistas (FIGUEIREDO, 1998). A partir de então, com o aumento da produção de aço estrutural no Brasil e com a busca de novas soluções arquitetônicas e estruturais, foram construídos vários edifícios utilizando-se do sistema misto nos últimos anos (MALITE, 1990). Toledo (2009) lembra que a utilização de elementos mistos de aço e concreto foi estimulada no país, uma vez que a NBR 8800:2008 passou a contemplar recomendações de projetos para lajes, vigas e pilares mistos. No entanto, existem procedimentos específicos de cálculo que a referida norma ainda não aborda, como no caso da utilização de vigas mistas associadas às tradicionais lajes com vigotas pré-moldadas (DAVID et al., 2005). Percebe-se que houve um desenvolvimento e difusão do sistema misto, sendo este fato observado tanto no Brasil quanto em outros países. Para tanto, nota-se que há vantagens oferecidas pelo sistema misto em comparação aos sistemas estruturais que se utilizam de concreto e aço. Estas foram destacadas por alguns autores e serão apresentadas no tópico seguinte.

22 VANTAGENS DO SISTEMA MISTO Quando comparado com os sistemas convencionais que se utilizam de aço estrutural e concreto armado, os sistemas mistos apresentam algumas vantagens. Estas foram já citadas por alguns autores, a saber: Figueiredo (1998), Toledo (2009), Lima (2009) e Inaba (2010) e serão delineadas nos parágrafos subseqüentes. Em comparação com o sistema estrutural de concreto armado pode-se citar que o sistema misto: possui maior facilidade de montagem, permitem execuções em variadas condições climáticas, alívio de carga nas fundações, baixo prazo de execução, liberdade no projeto de arquitetura, racionalização de materiais e de mão-de-obra, redução ou até dispensa de formas e escoramentos, além de oferecer um canteiro de obras limpo e acessível. Já em comparação com o sistema estrutural em aço pode-se citar que o sistema misto possui: menor consumo de aço, além da redução no consumo de materiais de proteção de proteção contra incêndio e corrosão. A segunda vantagem citada deve-se ao fato que o concreto melhora o desempenho do elemento estrutural frente às ações de corrosão e fogo. É interessante notar que o sistema misto preza por se utilizar das vantagens inerentes de cada material contribuinte em sua constituição, a saber: o aço e o concreto. Assim sendo, Griffis (1994) destaca outras vantagens proporcionadas pelas estruturas mistas: economia de material, por se tirar proveito estrutural do elemento de proteção ao fogo e à corrosão; atende às preferências por um ou outro material (lugares com tradição em aço ou concreto) e, por fim o confere maior enrijecimento da estrutura de aço pelo concreto, eliminando ou reduzindo problemas de instabilidades locais e globais. Para que sejam exploradas as vantagens de cada sistema estrutural aço-concreto os profissionais da área devem conhecer profundamente os dois materiais, tanto na fase de projeto quanto na execução (LIMA, 2009). Para Figueiredo (1998) o concreto apresenta a vantagem de compor seções mais rígidas e de ser mais resistente ao fogo e à corrosão, em comparação com as seções equivalentes em o aço. Já os perfis de aço apresentam a capacidade de vencer grandes vãos, além da precisão dimensional e a possibilidade de empregar seções de menores dimensões (INABA, 2010). Assim sendo, o sistema misto une esses dois materiais explorando as particularidades de cada um. Quanto à eficiência da associação aço e concreto na forma de elementos mistos Toledo (2009) infere que esta possui forte vínculo com o tipo de solicitação a que cada componente estará sujeito no sistema estrutural. Desta forma, é cabível inferir que é

23 14 interessante posicionar o concreto em regiões comprimidas e o aço nas regiões em que há tração, justamente explorando as potencialidades de cada material quando sujeito as devidas solicitações. Nas construções usuais os elementos que compõem o sistema estrutural misto podem ser divididos em pilares, vigas e lajes mistas, assunto dos próximos tópicos PILARES MISTOS Os pilares mistos de aço e concreto podem ser definidos como sendo elementos que são sujeitos predominantemente à compressão, seja ela simples ou composta e são constituídos de um ou mais perfis de aço estrutural passível de revestimento ou preenchimento de concreto (TOLEDO, 2009). Como os primeiros pilares mistos se utilizavam de concreto de baixa resistência, os ganhos de resistência oriundos desta associação não eram considerados nos cálculos. Com os posteriores avanços do concreto armado destinados aos edifícios de múltiplos pavimentos este material passou a aumentar significativamente a resistência dos elementos, seja em relação à compressão ou quanto às forças de vento, aumentando a resistência lateral da estrutura quando comparadas às estruturas de aço equivalente. (FIGUEIREDO, 1998). Com isso a necessidade de pesquisas que esclarecessem o comportamento dos elementos mistos veio à tona. Diversos autores tem se dedicado ao estudo de pilares mistos com destaque para: Malite (1994), Griffis (1994), Figueiredo (1998), De Nardin (1999), Alva (2000), Campos (2006), Toledo (2009), entre outros. Quanto às aplicações os pilares de aço preenchidos ou revestidos com concreto apresentam vantagens tanto em estruturas de pequeno porte quanto em edifícios de múltiplos andares. De acordo com Griffis (1994), os pilares mistos podem ser empregados em galpões de armazenagem, quadras esportivas cobertas, terminais rodoviários, pavilhões etc., cuja proteção do perfil de aço com o concreto seria uma solução desejável por motivos não apenas estéticos, mas também de proteção contra corrosão, incêndio ou impactos de veículos. Em estruturas de edifícios de múltiplos pavimentos o emprego de pilares mistos é muito variado, sendo possível utilizá-los em diversos tipos de sistemas estruturais. Como forma de exemplificar a afirmação supracitada Figueiredo (1998) evidencia que nos Estados Unidos um uso muito freqüente de pilares mistos é em sistemas estruturais tubulares, onde a estrutura externa tubular, que irá resistir à todo carregamento lateral devido ao vento e à ação sísmica, é formada por pilares mistos muito próximos.

24 15 Outra aplicação dos pilares mistos destacada por Figueiredo (1998) é em recuperação e reforço de estruturas. Caso o pilar inicialmente constituído de aço estrutural precise ser reforçado, o simples revestimento de concreto outorga ao sistema considerável ganho de resistência, enrijecendo o referido pilar. Já para o caso de pilares de concreto armado a serem reforçados a opção de se utilizar perfis ou chapas de aço torna-se interessante a medida que, diferentemente do reforço com o próprio concreto, não ocasiona um aumento significativo da seção transversal, comprometendo a arquitetura da edificação TIPOS E CLASSIFICAÇÃO DOS PILARES MISTOS Em função da disposição do concreto na seção mista é que são feitas as classificações dos pilares. Desta forma, os pilares mistos podem ser classificados em: pilares preenchidos, revestidos e parcialmente revestidos. Os pilares mistos preenchidos são constituídos de perfis metálicos, comumente tubulares ou retangulares preenchidos com concreto. Para este tipo de pilar não há a necessidade da utilização de formas e armaduras, sendo esta a principal vantagem deste tipo de elemento misto (Figura 6). Figura 6: Seções usuais de pilares mistos preenchidos Os pilares revestidos são constituídos de concreto e perfis metálicos, sendo o primeiro o material responsável por revestir a seção transversal (Figura 7a). Já os pilares mistos parcialmente revestidos são caracterizados pelo não envolvimento por completo da seção metálica com o concreto (Figura 7b). (a) (b) Figura 7: (a) Pilar revestido e (b) Pilar parcialmente revestido.

25 16 Para o caso dos pilares parcialmente revestidos (Figura 7b) pode-se notar que, apesar do concreto preencher a região vazia no interior do perfil metálico e, conseqüentemente, outorgar ao elemento maior resistência à compressão e ao fogo, não protege totalmente o perfil metálico da corrosão e do fogo. Assim sendo, Figueiredo (1998) advertiu que é necessário o uso de uma maneira alternativa de proteção. A principal desvantagem do pilar misto revestido é que requer o uso de formas para a concretagem, sendo dentre os três tipos de pilares citados, o mais trabalhoso concernente à execução. No entanto, este mesmo pilar pode adquirir a forma que se desejar, pelo fato do concreto possuir adequabilidade de formas. Já os pilares mistos parcialmente revestidos podem ou não dispensar o uso de formas para a concretagem. Outrossim, é que este sistema permite a pré-fabricação do pilar misto, uma vez que o perfil metálico pode ser concretado horizontalmente. Como vantagens no uso de pilares mistos Fabrizzi (2007) atesta que estes apresentam como principais vantagens a esbeltez em relação aos pilares de concreto, maior rigidez em relação aos pilares metálicos e proteção contra a corrosão e contra incêndio VIGAS MISTAS Não obstante à importância dos estudos realizados para os pilares mistos, pesquisas sobre o comportamento e as aplicações de vigas mistas vêm sendo desenvolvidas. A viga mista de aço e concreto pode ser entendida como sendo o resultado da associação de uma viga de aço solidarizada a laje de concreto ou mesmo a laje mista. Dentre os perfis existentes o do tipo I é o mais utilizado, principalmente em edifícios. Concernente às lajes Vasconcellos (2006) destaca que este sistema permite a utilização de diversos tipos de lajes, a saber: lajes moldadas no local em concreto maciço, tanto com a face interior plana, quanto com a forma de aço incorporada. Além destas opções o autor destaca a possibilidade de utilização de lajes de vigotas pré-moldadas. A Figura 8 apresenta alguns exemplos de vigas mistas. Figura 8: Exemplo de vigas mistas. Fonte: (DE NARDIN, 2008)

26 17 Uma das vantagens apresentadas no uso de vigas mistas é o acréscimo de resistência e de rigidez da viga em comparação com os perfis equivalentes em aço, o que possibilita, por conseqüência, a redução da altura da seção dos elementos estruturais (DAVID et al., 2005). Portanto, a evidente vantagem deste tipo de elemento frente ao sistema que se utiliza apenas de perfis de aço está no menor consumo de aço. Outra vantagem apresentada pelo sistema de viga mista é que, no caso em que a forma de aço é incorporada pode-se optar pelo não escoramento da laje, elevando assim a velocidade de construção. No entanto, Vasconcellos (2006) infere que o escoramento da laje pode ser apropriado nos casos em que se queira limitar os deslocamentos verticais da viga de aço na fase construtiva. Segundo David et al. (2005) o comportamento das vigas mistas deve ser baseado na ação conjunta entre o perfil metálico e a laje. Assim sendo, é necessário que se desenvolvam forças longitudinais de cisalhamento. Como normalmente a aderência natural entre a laje e a viga, bem como as forças de atrito são desconsideradas no cálculo, torna-se necessário o uso de elementos adicionais capazes de transmitir o cisalhamento na interface laje-viga. Estes elementos adicionais são denominados conectores de cisalhamento. Cabe salientar neste ponto que David et al. (2005) investigaram teórica e experimentalmente o uso de conectores de cisalhamento em vigas mistas constituídas de perfis de aço formados à frio associados às tradicionais lajes de vigotas pré-moldadas, laje esta muito conhecida e utilizada no país. Os autores realizaram alguns ensaios, dentre os quais citar-se-ão: ensaios de cisalhamento direto com os conectores de cisalhamento em perfil U formados à frio e lajes com vigotas pré-moldadas; ensaio de flexão em vigas e avaliação influência da altura e espessura do conector na resistência e na rigidez. Para o caso do ensaio de flexão em vigas foram analisadas quatro (4) tipos de vigas, a saber: viga metálica (V) denominada viga de referência ; viga mista com laje maciça (VM1); viga mista com laje de vigotas pré-moldadas, utilizando-se de conectores (VM2) e vigas mistas com laje de vigotas pré-moldadas (VM3), utilizando-se de um tipo diferente de conector, quando comparada com a VM2 (Figura 9).