Utilização de Terminais de Ancoragem em Edifícios de Grande Porte: Caso de Obra

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1 Utilização de Terminais de Ancoragem em Edifícios de Grande Porte: Caso de Obra Victor Gustavo Chiari 1, Lou Colarusso 2 1 Pentair Technical Solutions/ Desenvolvimento de Negócios / victor.chiari@pentair.com 2, Pentair Technical Solutions/ Desenvolvimento de Negócios / lou.colarusso@pentair.com Resumo A utilização de novas soluções estruturais em empreendimentos de grande porte é cada vez mais frequente devido à celeridade que esta prática agrega ao processo executivo. Por muitos anos o método tradicional de ancoragem tem sido a barra dobrada embutida no concreto, porém as diversas atualizações nas normalizações nacionais e internacionais no campo da construção civil aumentaram consideravelmente a quantidade de barras de aço necessárias para reforçar as estruturas de concreto, fazendo com que o congestionamento na armadura se tornasse um fator iminente e a instalação se transformasse num verdadeiro desafio. Na contramão destes problemas, os projetistas de estruturas se esforçam para obter elementos mais compactos através da utilização de soluções tecnicas cuja viabilidade técnico-econômica seja equivalente à rapidez necessária nas obras. Neste incessante busca, descrobriu-se que o terminal em forma de luva de rosca cônica têm sido amplamente utilizado no exterior em substituição aos ganchos de ancoragem. Este artigo apresenta um estudo de caso sobre as boas práticas envolvidas na aplicação destes terminais de ancoragem em um complexo composto por dois edifícios na cidade de São Paulo, sendo um de 47 e outro de 31 andares, e seu respectivo cálculo estrutural baseado no Appendix D da ACI 318:2011, além das implicações que o uso desta solução proporciona às estruturas de concreto armado. Como resultado, observou-se que a utilização dos terminais de ancoragem nas extremidades das vigas foram determinantes para eliminar os problemas do congestionamento das barras de aço na estrutura, além de reduzir os tempo de instalação em campo e consequentemente o custo global do empreendimento. Palavras-chave Terminal; ancoragem; luva; congestionamento; barra de aço Introdução O mercado imobiliário vem investindo há anos na Marginal Pinheiros, uma das mais importantes vias arteriais da cidade de São Paulo, e os lançamentos de empreendimentos corporativos são constantes nesta área. A região se tornou alvo das incorporadoras e, portanto, o novo eixo de expansão geográfica da capital paulista. Localizado nas proximidades da Chácara Santo Antonio, distrito de Santo Amaro,, o empreendimento Brookfield Business Towers (Figura 1) é um complexo mixed use que possuirá área de mais de 216 mil m² de área construída em um terreno de aproximadamente m². Será composto por 2 duas torres triple A, sendo uma de conjuntos comerciais

2 (Torre Alpha) e a outra de escritórios corporativos (Torre Sigma), além de um auditório e um mall com área bruta locável de m². A Torre Alpha apresentará um edifício de 31 andares e 124 metros de altura, enquanto que a Torre Sigma ocupará o posto de 188º arranhacéu mais alto do mundo e terá 47 andares e 189 metros de altura. O projeto estrutural de todo o empreendimento foi elaborado pelo Escritório Técnico Julio Kassoy e Mario Franco Engenheiros Civis Ltda e contempla os terminais de ancoragem como solução para eliminar os problemas de congestionamento da armadura nos encontros pilarviga. Este artigo apresenta os estudos, métodos de cálculo e as boas práticas da engenharia envolvidas na execução de todos os andares das Torres Alpha e Sigma. Figura 1 Perspectiva ilustrada do empreendimento Brookfield Business Towers, gentilmente cedida pelo Escritório Técnico Julio Kassoy e Mario Franco Engenheiros Civis Ltda. Conceituação sobre os terminais de ancoragem Por muitos anos o método de ancoragem das estruturas de concreto armado através de ganchos das extremidades das barras da armadura longitudinal de tração são especificados em forma semicircular, em angulo de 45 ou o tradicional ângulo reto. Recentes alterações das normas brasileiras e internacionais aumentaram a quantidade de barras de aço necessárias para reforçar as estruturas de concreto fazendo com que o congestionamento na armadura se tornasse um fator iminente e a instalação se transformasse num verdadeiro desafio. Os

3 projetistas de estruturas estão tendo mais uma vez que inovar em suas criações e estão buscando por soluções para amenizar o peso da armadura, transformando-as em estruturas mais compactas e, com isso, a utilização de terminais de ancoragem têm sido visto como excelente alternativa. O sistema composto por um terminal em forma de luva de rosca cônica (Figura 2) pode ser utilizado em substituição aos ganchos tradicionais atuando como uma ancoragem mecânica, reforço transversal e ao cisalhamento, além de conectar vigas e pilares (Figura 3) e vigas e coberturas (THOMPSON et al., 2006). Este tipo de ancoragem já é amplamente utilizado em diversos tipos de obra nos Estados Unidos e Europa e vem sendo especificado por projetistas e aplicados em diversas obras no Brasil, principalmente em edifícios altos, como é o caso do complexo Brookfield Business Towers, primeiro caso de aplicação deste tipo de terminal de ancoragem no Brasil. Figura 2 Terminal de ancoragem em forma de luva de rosca cônica. Figura 3 Utilização do terminal de ancoragem no encontro pilar-viga. A utilização dos terminais de ancoragem em substituição aos ganchos convencionais de armaduras de tração gera algumas vantagens em relação ao método convencional. Redução do congestionamento: o uso dos terminais normalmente reduz o comprimento da barra de reforço, eliminando quase que por completo o congestionamento na armadura, além de produzir uma melhor consolidação do concreto na estrutura; Redução do tempo de instalação; A utilização dos terminais permitem a especificação em barras de maior diâmetro em situações onde o comprimento mínimo do gancho convencional requerido seria impossível de ser instalado; Podem ser utilizados em reforços com a utilização de concreto de alta resistência; Aumento da capacidade de cisalhamento, ductilidade e rigidez da estrutura.

4 Dados básicos do projeto do complexo Visando ter uma grande área sem pilar e compatível com as instalações, foram lançados elementos estruturais para cada torre co complexo com as seguintes características: Torre Alpha: grandes vigas principais de 30 x 80 cm e secundárias de 25 x 80 cm, ambas simplesmente armadas em grelha com altura reduzida para vão de até 15 metros, prevendo passagem por baixo de dutos de ar condicionado e demais instalações, cujas lajes foram simplesmente armadas. Torre Sigma: grandes vigas protendidas de 80 x110 cm e secundárias de 40 x 110 cm em grelha com vão de até 18 metros, prevendo grandes aberturas para passagem de dutos de ar condicionado e demais instalações. As vigas transversais de vão mediano de 30 x 110 cm também foram armadas com aberturas, exceto uma protendida que sustenta a grande viga deste edifício. Todas as lajes restantes foram simplesmente armadas, com exceção de uma com grande vão que não apresentou qualquer viga protendida. A sobrecarga de projeto considerada foi de 3 kn/m², além daquela proveniente do piso elevado, do forro e das utilidades. O núcleo central de circulação vertical foi constituído por pilares-parede e vigas, formando uma estrutura muito rígida, que interage, para carregamentos horizontais, com os pórticos formados pelos pilares e vigas de fachada. A presença de pilares inclinados induziu, assim, o aparecimento de importantes forças horizontais somadas às do vento, implicando a necessidade de se projetar uma estrutura com grande rigidez tanto longitudinal como transversal, onde ambas foram obtidas através do funcionamento da estrutura como pórtico espacial no qual houve a interação entre o núcleo e a estrutura periférica, sendo esta última funcionando como um"tubo. De acordo com o projeto elaborado pelo Escritório Técnico Julio Kassoy e Mario Franco Engenheiros Civis Ltda, toda a estrutura dos dois edifícios do complexo Brookfield Business Tower foi projetada em conformidade com as prescrições das normas vigentes em 2011, ano da elaboração do projeto estrutural, em particular a ABNT NBR 6118:2007 Projeto de estruturas de concreto Procedimento e ACI 318:2011 Building Codes Requirements for Structural Concrete. Ambas as normas foram revisadas recentemente, porém os capítulos analisados para a elaboração do projeto estrutural não sofreram qualquer alteração, ou seja, as metodologias apresentadas neste artigo continuam válidas. Cálculo do comprimento mínimo de ancoragem das barras de aço com e sem o uso dos terminais A ABNT NBR 6118 especifica através do capítulo (Ganchos das armaduras de tração) que o comprimento do gancho de de ancoragem tradicional da armadura de tração deve ser no mínimo 8 para bitolas de aço iguais ou superiores a 20 mm, porém usualmente os projetistas estruturais brasileiros são mais conservadores e adotam comprimento do gancho ancoragem mínimo variado entre 13 e 25. A ACI 318:2011 através do capítulo mostra que os ganchos com 90 de curvatura devem ter comprimento mínimo de 12 independente do diâmetro do aço. Desta maneira, o comprimento de ancoragem mínimo necessário à estrutura

5 é sempre somado ao comprimento do gancho de ancoragem. Por definição, o comprimento de ancoragem básico é o comprimento reto de uma barra de armadura passiva para ancorar a força limite nessa barra, admintindo-se, ao longo desse comprimento, resistência de aderência uniforme. Para fins comparativos, serão demonstrados a seguir o método de cálculo do comprimento de ancoragem mínimo necessário especificado tanto na ABNT NBR 6118:2007 quanto ACI 318:2011. Os símbolos que serão utilizados nas equações do cálculo do comprimento necessário de ancoragem serão: Para o cálculo baseado na ABNT NBR 6118:2007: l b, nec = comprimento de ancoragem necessário; α = coeficiente para cálculo do comprimento de ancoragem (0.7); l b = comprimento de ancoragem básico; A s, cal = área da seção da barra de aço calculada; A s, ef = área da seção da barra de aço efetiva; A s, cal / A s, ef = 1,0; l b, mín = comprimento de ancoragem mínimo (10 = 250 mm); f yd = resistência ao escoamento do aço em armaduras passivas (500 MPa); f bd = resistência de aderência de cálculo de armadura prévia; η 1 = coeficiente para barras nervuradas (2,25); η 2 = coeficiente para situações de boa aderência entre a barra de aço e o concreto (1,0); η 3 = coeficiente de aderências em barras de açocom diâmetro inferior a 32 mm (1,0); f ctd = resistência do concreto à tração direta; f ctk, inf = resistência à tração do concreto no bordo inferior; γ c = coeficiente de ponderação da resistência do concreto (0,7); f ct,m = resistência média à tração do concreto; f ck = resisência característica do concreto à compressão (25 MPa) e; = diâmetro da barra de aço (25 mm); Segundo a norma nacional, o comprimento de ancoragem necessário utilizando ganchos é calculado através da Equação (1).,..,,,í (1) O comprimento de ancoragem básico deve ser igual ou inferior a 25 e é dado pela Equação (2), enquanto as Equações (3), (4), (5) e (6) definem os diferentes termos necessários ao cálculo do comprimento de ancoragem necessário à estrutura.. 25 (2) η.η!.η ". # (3) # $%,&' ( (4) #),* 0,70. #, (5) #, 0,30.. /0 1 2 (6)

6 O comprimento de ancoragem necessário calculado pela ACI 318 é realizado de maneira simplificada e definido através da Equação (7), cujos símbolos são os seguintes: l dh = comprimento mínimo de ancoragem; Ψ e = fator de modificação relacionado ao concreto normal (1,0); f y = resistência ao escoamento do concreto; λ = fator do concreto analisado sob condições normais (1,0); f c = resistência nominal do concreto em MPa (25) e; Ø = diâmetro da barra de aço (25 mm) Devido a ausência de uma norma nacional para tal fim, o comprimento da ancoragem mecânica utilizando os terminais é calculado através do Appendix D da ACI 318:2011 (atual capítulo 17 da ACI 318:2014). Existem diversos modos de falha aos quais eles são submetidos, entretanto normalmente a análise de cálculo é realizada através da ruptura do concreto sob o efeito das forças de tração e são baseadas no modelo sugerido pelo Método Kappa (ELIGEHAUSEN et al., 1988 e ELIGEHAUSEN et al., 2006), também conhecido como Método do Tronco Cone. Este método é muito consistente e considera um prisma de ruptura sob um ângulo de aproximadamente 35 graus (Figura 3). (7) Figura 3 Elevação do Método Kappa (Tronco Cone) utilizando terminal de ancoragem (ELIGEHAUSEN et al., 1988 e ELIGEHAUSEN et al., 2006). Os símbolos utilizados nas equações de acordo com a ACI 318:2011 são: h ef = comprimento de ancoragem do terminal; N cb = tensão nominal do concreto na ruptura de uma ancoragem individual; N ua = resistência característica de escoamento da barra de aço utilizada na ancoragem; A Nc = área de concreto projetada de uma ancoragem individual sujeita a falha; A Nc0 = área de concreto projetada de uma ancoragem individual sujeita a falha com um distância entre os eixos igual ou superior a 1.5h ef ; A Nc / A Nc0 = 1,0; Ψ ed,n = fator de modificação da ancoragem sob tensão excêntrica (1,0); Ψ c,n = fator de modificação em ancoragem localizadas em região do concreto sob cargas de serviço (1,25 para concreto sem fissura); Ψ cp,n = fator de modificação em ancoragens instaladas in loco sem qualquer reforço suplementar (1,0); N b = tensão do concreto na ruptura de uma ancoragem individual em concreto fissurado; k c = fator para ancoragem instalada in loco (24); λ a = fator do concreto analisado sob condições normais (1,0); Φ = fator de redução da força aplicada na ancoragem (0,75); f c = resistência nominal do concreto em MPa (25).

7 A ancoragem é calculada individualmente e deve obedecer algumas premissas préestabelecidas como a ilustrada pela Equação (8) e o valor de N cb definido através da Equação (9) 9 9 :; (8) 9 <= <=>.Ψ,@.Ψ,@.Ψ A,@.9 (9) 9 B.C ;.6 E.F G,H (10) Substituindo a Equação (10) na Equação (9), tem-se a Equação (11). 9 IJΨ,@ K.L24N.L 6 7 E.N.LF G,HNO (11) Combinando a Equação (11) com a Equação (8), obtem-se a Equação (12). 9 :; Φ.Ψ,@.IL24N.L 6 7 E.N.LF G,HN] (12) Por fim, estabelece-se que o comprimento de ancoragem h ef Equação (13). será calculado através R F Q U S.4,<.!.6 T (13) Cálculo da área mínima do sistema de ancoragem baseado na força de arrancamento Da mesma maneira como feito o cálculo do comprimento mínimo de ancoragem das barras de aço com o uso dos terminais, a área mínima do sistema de ancoragem baseado na força de arrancamento é calculada de maneira individual e deve obedecer algumas premissas préestabelecidas como a ilustrada pela Equação (14) e o valor de N pn definido através da Equação (15). Os símbolos utilizados nas equações conforme a ACI 318:2011 são os seguintes: N pn = força nominal de arrancamento; N ua = resistência característica de escoamento da barra de aço utilizada na ancoragem; Ψ c,p = fator de modificação em ancoragem localizadas em região do concreto sem fissura sob cargas de serviço (1,4); N p = tensão de arrancamento de um simples parafuso de ancoragem; f c = resistência nominal do concreto em MPa (25); A brg = área mínima do sistema de ancoragem baseado na força de arrancamento e; Φ = fator de redução da força aplicada na ancoragem (0,7) e; Ø = diâmetro da barra de aço (25 mm). 9 A 9 :; (14) 9 A Ψ,V.9 A (15)

8 9 A W XY.8 E (16) Substituindo a Equação (16) na Equação (14), tem-se a Equação (17). 9 A LΨ,V N.LW XY.8 EN (17) Combinando a Equação (17) com a Equação (14), obtem-se a Equação (18). 9 :; Φ.LΨ,V N.LW XY.8 EN (18) Portanto, a área mínima área mínima do sistema de ancoragem baseado na força de arrancamento, A brg, deve ser calculado através da Equação (19). W R S.L4,[ N.L \].^7N (19) Resultados De antemão, observa-se que a utilização do terminal de ancoragem elimina por completo os ganchos normalmente especificados na junção viga-pilar. A Tabela 1 mostra um resumo comparativo entre o comprimento necessário de ancoragem calculados através da ABNT NBR 6118:2007 (l b, nec ) e ACI 318:2011 (l dh ), cujos resultados foram 311 e 612 mm respectivamente. No que diz respeito ao comprimento de ancoragem (h ef ) calculado para o projeto da Brookfield Business Towers utilizando os terminais em forma de luva de rosca cônica, tem-se como resultado 200 mm. Entretanto, com base no capítulo (Comprimento de ancoragem necessário) da ABNT NBR 6118:2007, o comprimento mínimo de ancoragem l b, mín deve ser de 10Ø, ou seja, 250 mm, valor este adotado em projeto. Com isto posto, comparando o comprimento de ancoragem utilizando o terminal, nota-se uma economia de aço de 20% quando o método tradicional é calculado pela ABNT NBR 6118:2007 e 59% se definida através da ACI 318:2011. Comparando-se o comprimento total de ancoragem, isto é, adicionando o comprimento de aço despendido ao gancho tradicional à conta, a economia de aço é ainda maior, sendo 51% para o comprimento de ancoragem calculada através da ABNT NBR 6118:2007 e 73% se estabelecido pela ACI 318:2011. Tabela 1 Comparação de resultados utilizando o método tradicional de ancoragem por ganchos e os terminais de ancoragem. Total Comprimento Gancho de Comprimento Norma/ Ancoragem Terminal de Ancoragem Necessário Projeto Tradicional Ancoragem (mm) (mm) (mm) (mm) NBR 6118: (8 ) 311 (l b, nec ) ACI 318: (12 ) 612 (l dh ) (h ef ) Projeto Brookfield Business Towers (h ef adotado)

9 A área mínima do sistema de ancoragem tradicional A brg baseado na força de arrancamento foi calculada através da metodologia proposta pela ACI 318:2011 e o resultado encontrado foi de 1565 mm². De acordo com os dados do fabricante das luvas em forma de rosca cônica ERICO, o diâmetro do terminal de ancoragem para ser utilizado em barras de 25 mm é de 57 mm, resultando em uma área circular total de 2552 mm². Descontando o valor do área interna da luva onde a barra de aço é rosqueada de 491 mm², obtém-se uma área útil de utilização da peça de 2061 mm². Por fim, quando comparado com a área mínima do sistema de ancoragem necessária baseado na força de arrancamento, verifica-se que o terminal de ancoragem pôde ser pefeitamente utilizado durante a execução da obra, pois apresenta área 24% acima do mínimo necessário. Após a verificação e comprovação da viabilidade técnica-econômica da utilização dos terminais de ancoragem nas Torres Alpha e Sigma do complexo Brookfield Business Towers na cidade de São Paulo, eles puderam ser especificados em projeto e foram devidamente instalados na obra posteriormente. O resultado de sua aplicação pode visualizado através das Figuras 4 e 5. Figura 4 Terminal de ancoragem em forma de luva de rosca cônica instalados em uma das vigas do edifício da Torre Sigma. Figura 5 Vista da Torre Sigma, cujos terminais de ancoragem foram instalados em todos os encontros pilar-viga da estrutura.

10 Conclusões Este artigo, elaborado com base nas prescrições das normas ABNT NBR 6118:2007 e ACI 318:2011, revelou que os terminais de ancoragem são uma boa alternativa para o uso em projetos de edifícios de grande porte, pois além de gerar uma economia em relação ao comprimento de ancoragem e consequentemente aos custos da obra, minimiza o congestionamento da armadura devido à eliminação do gancho tradicional. Sendo assim, como menção final, observou-se que as premissas estabelecidas durante a elaboração do projeto estrutural foram fatores determinantes para promover um elemento estrutural íntegro após executado, possibilitando a obtenção de um resultado final satisfatório, Apesar de serem utilizados a mais de 20 anos no mercado internacional, os terminais de ancoragem ainda são novidade no Brasil e os primeiros estudos e pesquisas acadêmicas estão em curso para que se possa desenvolver uma metodologia de dimensionamento totalmente baseada na realidade dos projetos e aplicações nacionais. Agradecimentos Os autores agradecem Escritório Técnico Julio Kassoy e Mario Franco Engenheiros Civis Ltda pela permissão da publicação deste artigo, em especial ao Eng. Minor Nagao pelo apoio e preciosa colaboração nas informações do projeto. Referências AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. ACI 318 Building Code Requirements for Structural Concrete AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. ACI 318 Building Code Requirements for Structural Concrete ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto Procedimento. Rio de Janeiro, p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto Procedimento. Rio de Janeiro, p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7480: Aço destinado a armaduras para estruturas de concreto armado - Especificação. Rio de Janeiro, p. COLARUSSO, L. Headed Bars Past, Present and Future. Structure Magazine, No 12, p.40, ELIGEHAUSEN, R., FUCHS, W., MAYER, B. Load Bearing Behavior of Anchors Fastenings in Tension. Betonwerk + Fertigteilchnik, p , ELIGEHAUSEN, R., COOK, R. A. APPL, J. Behavior and Design of Adhesive Bond Anchors. ACI Structural Journal, Vol. 103, No 6, p , ERICO. Lenton Terminator para Ancoragem de Barras de Aço Catálogo de Produto. 8 p, THOMPSON, M. K., LEDESMA, A., JIRSA, J. O., BREEN, J.E. Lap Splices Anchored by Headed Bars. ACI Structural Journal, Vol. 102, No 6, p , 2006.