Concepção estrutural Estabilidade das construções. Professores: João Carlos Rocha Braz Nádia Forti

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1 Concepção estrutural Estabilidade das construções Professores: João Carlos Rocha Braz Nádia Forti

2 CONCEITO DE ESTRUTURA De maneira geral uma construção é concebida para atender a determinadas finalidades. A sua implantação envolve a utilização dos mais diversos materiais, adequadamente dispostos e convenientemente solidarizados. Em particular, nos edifícios correntes de vários andares, podemos identificar alguns exemplo: o concreto armado, as alvenarias de tijolos, as esquadrias metálicas e de madeira, os revestimentos, o telhado, etc.

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4 CONCEITO DE ESTRUTURA Estes materiais podem ser divididos em dois grupos: partes resistentes e partes consideradas não resistentes. 1. O primeiro constitui o que chamamos de estrutura da construção e é o responsável pela resistência e estabilidade da mesma. No exemplo considerado, integram este grupo as peças de concreto armado 2. O segundo, é constituído, pelos elementos responsáveis pela forma e pelo aspecto da construção. No exemplo considerado, integram este grupo as alvenarias de tijolos, as esquadrias e os revestimentos.

5 DETALHES DE UMA CONSTRUÇÃO

6 CONCEITO DE ESTRUTURA O ELEMENTO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO. A estrutura de um edifício é composta de elementos passíveis de serem agrupados em lotes com funções semelhantes e bem definidas, denominadas elementos estruturais. a) Elementos estruturais básicos. São os elementos estruturais mais frequentes: - laje maciça elemento estrutural bidimensional, geralmente horizontal, que suporta diretamente as cargas verticais dos pisos, e é solicitado predominantemente à flexão (placa)

7 CONCEITO DE ESTRUTURA Obs: Outros tipos de lajes também são elementos estruturais (mistas, nervuradas, cogumelos, protendidos, etc) - vigas elemento estrutural unidimensional (barras), geralmente horizontal, que dá apoio às lajes, às alvenarias de tijolos e, eventualmente, a outras vigas, e é solicitado predominantemente à flexão - pilar - elemento estrutural unidimensional (barras), geralmente vertical, que dá apoio as vigas, e é solicitado predominantemente à compressão.

8 CONCEITO DE ESTRUTURA As solicitações relacionadas acima resultam do que chamamos de comportamento principal ou comportamento primário dos elementos estruturais. O exemplo mais simples de estrutura é o denominado piso elementar, composto de lajes, quatro vigas e quatro pilares. PISO ELEMENTAR

9 EXEMPLO DE UMA ESTRUTURA

10 CONCEITO DE ESTRUTURA b) Elementos estruturais de fundação. São elementos tridimensionais que transferem ao solo as cargas provenientes dos pilares, considerando as características mecânicas envolvidas. Obs: Os elementos estruturais de fundação são peças de concreto sujeitos a esforços provenientes dos pilares, portanto não podem ser confundidos com o que se diz Fundações

11 CONCEITO DE ESTRUTURA As fundações se classificam em: diretas ou rasas quando a transferência de cargas acontece em pequenas profundidades. Neste caso, o elemento estrutural de fundação que distribui a carga do pilar para o solo chama-se sapata. profundas em estacas ou tubulões quando a transferência se der a grandes profundidades. Neste caso, o elemento estrutural de fundação que transfere a carga do pilar para as estacas ou tubulões chama-se bloco. Portanto, inicialmente, a carga do pilar é transferida para o bloco, do bloco para as estacas e tubulões e finalmente para o solo de apoio da estrutura.

12 ELEMENTOS DE FUNDAÇÃO

13 CONCEITO DE ESTRUTURA c) Elementos estruturais complementares. São os elementos estruturais que completam a estrutura do edifício e que, normalmente, são formados por uma combinação dos elementos estruturais básicos. Escadas; Reservatórios; Muro de arrimo; Marquises.

14 INTRODUÇÃO A concepção estrutural de um edifício consiste no estabelecimento de um arranjo adequado dos vários elementos estruturais anteriormente definidos, de modo a assegurar que o mesmo possa atender às finalidades para as quais ele foi projetado. Estabelecer um arranjo estrutural adequado consiste em obedecer simultaneamente, sempre que possível, as aspectos de segurança, economia (custo e durabilidade) e os definidos pelo projeto arquitetônico (estética e funcionabilidade).

15 DIRETRIZES GERAIS A concepção estrutural deve obedecer às seguintes diretrizes gerais: 1. Atender as condições estéticas definidas no projeto arquitetônico. Como, em geral, nos edifícios correntes, a estrutura é revestida, as vigas e os pilares devem ser embutidos nas alvenarias de tijolos. 2. O posicionamento dos elementos estruturais na estrutura da construção pode ser feito com base no comportamento primário dos mesmos. Assim, as lajes serão posicionadas nos pisos dos compartimentos para transferir as cargas dos mesmos para as vigas de apoio.

16 DIRETRIZES GERAIS As vigas serão utilizadas para transferir as reações das lajes, juntamente com o peso das alvenarias, para os pilares de apoio (ou eventualmente, outras vigas), vencendo os vãos entre os mesmos. Os pilares serão utilizados para transferir as cargas das vigas para as fundações;

17 DIRETRIZES GERAIS 3. A transferência de cargas deve ser a mais direta possível. Desta forma, deve-se evitar, na medida do possível, a utilização de apoio vigas importantes sobre outras vigas (chamadas de apoios indiretos), bem como, o apoio de pilares em vigas (chamadas de vigas de transição) V2 se apóia na V5

18 DIRETRIZES GERAIS 4. Os elementos estruturais devem ser os mais uniformes possíveis quanto à geometria e quanto as solicitações. Desta forma, as vigas devem, em princípio, apresentar vãos comparáveis entre si; 5. As dimensões das estruturas em planta, devem ser, em princípio, limitadas a cerca de 30m para minimizar efeitos provenientes da variação de temperatura e retração. Assim, para construção em planta acima de 30 m devem ser previstas juntas estruturais ditas juntas de separação que minimizam estes efeitos, pela transformação da estrutura original em um conjunto de estruturas independentes entre si;

19 DIRETRIZES GERAIS 6. A construção está sujeita a ação (por exemplo o efeito do vento) que acarretam em solicitações no plano vertical da estrutura. Para responder a estas solicitações recomenda-se que os pórticos plano ortogonais entre si, apresentem resistência e rigidez adequadas. Portanto é importante a orientação criteriosa das seções transversais dos pilares. Também é importante lembrar, a necessidade da estrutura dar garantia adequada para a estabilidade global da construção o que é conseguido através da imposição de rigidez mínima às seções transversais dos pilares.

20 Pré-dimensionamento dos elementos estruturais O projeto da estrutura de um edifício inicia-se com a pré fixação das dimensões dos seus elementos estruturais básicos. Portanto: 1. LAJES: são normalmente de fôrma retangular. Os tipos usuais são: maciças, cogumelo, nervurada, alveolar e mista (aqui, incluída as vigotas de lajes pré-moldadas). Neste curso serão efetuadas apenas as lajes retangulares maciças de espessura constante, apoiadas em todo o seu contorno sobre vigas e uniformemente carregadas.

21 Laje nervurada Laje cogumelo Laje mista Laje alveolar

22 Pré-dimensionamento de lajes

23 Pré-dimensionamento de lajes

24 Pré-dimensionamento de lajes Em princípio, recomenda-se espessuras h múltiplas de 1 cm (por exemplo, 7, 8,..., etc). As lajes maciças podem ser ainda normais ou rebaixadas ( opção para forro falso)

25 Pré-dimensionamento de lajes Pode-se perfeitamente considerar paredes carregando diretamente a laje, principalmente quando estas paredes são pequenas e leves (1/2 tijolo). Essa probabilidade ocorre com compartimentos pequenos.

26 Pré-dimensionamento de Vigas VIGAS: são, normalmente, de seção transversal retangular (b w x h) e colocadas nas posições onde existem paredes (na realidade, dentro das paredes devido a continuidade vertical das alvenarias). Para efeito de projeto, as alvenarias (acabadas) são consideradas com as seguintes dimensões: paredes de um tijolo 25 cm (paredes externas e algumas internas, em geral, para acomodar pilares carregados); parede de ½ tijolo 15 cm (paredes internas e algumas externas parapeitos)

27 Pré-dimensionamento de Vigas

28 Pré-dimensionamento de Vigas Portanto, em situações usuais, recomenda-se a largura b w = 20 cm para paredes de 1 tijolo e b w = 12 cm para paredes de ½ tijolo. Obs: Trabalharemos com largura de b w = 20 cm para paredes de 1 tijolo, em virtude de hoje, a maioria dos tijolos apresentarem suas maiores dimensões iguais a 20 cm. A experiência mostra que a altura deve ser de aproximadamente, 1/10 L, onde L é o vão da viga biapoiada (distância entre eixos dos apoios normalmente constituídos pelos pilares).

29 Pré-dimensionamento de Vigas Nas vigas contínuas de vãos comparáveis (relação entre vãos que não ultrapasse, cerca 1,5) pode-se adotar h como 1/12.5 L onde L agora é o vão médio. Quando na viga contínua, os vãos forem muito diferentes entre si, convém adotar para cada vão uma altura própria, aliviando desta forma o efeito desfavorável do vão grande sobre o vão adjacente menor. No caso de apoios indiretos, recomenda-se que a viga apoiada tenha altura menor que a viga de apoio.

30 Pré-dimensionamento de Vigas A altura h da seção transversal, deve ter, em princípio, dimensão múltipla de 5 cm (25, 30,..., etc). Convém adotar h min = 25 cm o que implica em vãos maiores que 2,5 m. Aconselha-se não ultrapassar o vão de 6,0 m face aos valores usuais de pé direito (2,5 a 2,7) que deixa um espaço disponível para a viga em torno de 60 cm. As vigas podem ser normais ou invertidas, conforme a posição da alma em relação à laje.

31 Pré-dimensionamento de Vigas

32 Pré-dimensionamento de Pilares PILARES: são normalmente, de seção retangular e colocados Nos cruzamentos das vigas para permitir apoio direto das mesmas e nos cantos da estrutura da edificação.

33 Pré-dimensionamento de Pilares Os espaçamentos dos pilares consistem nos vãos das vigas. Resulta que eles devem estar espaçados, em geral, de 2,5 m a 6,0 m. No posicionamento dos pilares, devemos compatibilizar os diversos pisos, procurando manter a continuidade vertical dos mesmos até a fundação, evitando, o quanto possível, a utilização de vigas de transição.

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35 Pré-dimensionamento de Pilares Nos pilares de seção retangular, adota-se b h com b 20 cm. Recomenda-se também, limitar h 5b. Para os pilares internos com paredes de ½ tijolo, podem ser utilizadas também, seções compostas por retângulos, cada um com b = 12 cm (25 cm h 60cm), em forma de L e T.

36 Pré-dimensionamento de Pilares Para efeito de pré-dimensionamento, a área Ac = b.h da seção transversal pode ser estimada calculandose a área de influência total da seção considerada (A tot.). No caso de andares tipo, ela equivale à área de influência de um andar multiplicada pelo número de andares acima da seção considerada. Adotando-se a carga média por andar de 10 kn/m 2 (1tf/m 2 ), obtém-se a estimativa de carga total por: Ptot.(kN) = Atot. (m 2 ) x 10 (kn/m 2 ) Com uma resistência admissível de 1kN/cm 2, tem-se Ac (cm 2 ) = Ptot. (kn) / 1,0 (kn/cm 2 )

37 Áreas de influência de pilares

38 Pré-dimensionamento de Pilares A seção do pilar deve ser mantida constante ao longo de um lance (entre pisos consecutivos) e pode variar ao longo de sua altura total. Quando a seção for mantida constante, ao longo da altura total, ela pode ser pré-dimensionada no ponto mais carregado, adotando-se uma tensão admissível em torno de 1,3 kn/cm 2. No outro caso podemos, por exemplo, variar a seção de 3 em 3 andares efetuando o pré-dimensionamento no andar médio com tensão admissível de 1 kn/cm 2. Em princípio, adotam-se para as dimensões do pilar, valores múltiplos de 5cm (20,25,30,...,etc)

39 Pré-dimensionamento de Pilares As seções dos pilares devem ser posicionadas para resistir aos esforços horizontais (vento, temperatura, etc) e a garantir uma rigidez horizontal adequada, principalmente contra a instabilidade global da construção. Particularmente, em edifícios altos, recomenda-se a utilização de alguns pilares com a função exclusiva de garantir a rigidez horizontal da estrutura. Estes pilares são chamados de pilares de contraventamento.

40 Esquema estrutural Esquema estrutural: é o resultado gráfico da concepção estrutural imaginada. Faz parte deste esquema, a identificação de todos os elementos estruturais envolvidos. Nessas condições: 1. As lajes são representadas pela letra L com índice numérico sequencial e ordenado para facilitar a localização individual; 2. As vigas, analogamente, são representadas pela letra V; 3. Os pilares, analogamente, são representados pela letra P

41 Desenho de estrutura A representação gráfica da estrutura é feita por meio de dois tipos de desenho: desenho de formas e desenho de armação. Cada um desses desenhos é elaborado conforma as diretrizes específicas. a) Desenho de fôrmas Os desenhos de fôrmas definem completamente as características geométricas da estrutura. As diretrizes específicas para a eleboração deste desenho são:

42 Desenho de estrutura I. Localização da estrutura: a localização consiste na definição de eixos de referência principais e secundários, em relação as medidas prescritas no projeto arquitetônico. Os eixos de localização da estrutura são, em geral, eixos característicos da construção e das divisas do terreno onde a mesma será implantada. Isto permitirá que, pronta a estrutura, as vedações e os acabamentos da construção possam ser implantados exatamente nos locais previstos no projeto arquitetônico.

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44 FÔRMA DAS FUNDAÇÕES

45 FÔRMA DO PAVIMENTO TIPO

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47 Desenho de estrutura II. III. Definição dos elementos estruturais: com base no esquema da estrutura são detalhados, em projeção horizontal, os seus diversos elementos estruturais. Cortes característicos: na elaboração dos desenhos de formas, é importante deixar bem definidas as posições relativas da lajes e vigas. Nestas condições, deverão constar daqueles desenhos cortes, capazes de elucidar qualquer dúvida a respeito do citado posicionamento. Esses cortes, portanto, mostram a existência de lajes rebaixadas e vigas invertidas.

48 Representação da viga invertida V11 Representação da continuidade dos pilares nos pavimentos Representação de rebaixos

49 Desenho de estrutura IV. Dimensões: deverão constar nos desenhos de fôrmas todas as dimensões necessárias para a localização da estrutura e as dimensões relativas aos elementos estruturais como: Distância entre eixos de localização e entre esses e as divisas do terreno; Espessura das lajes; Dimensões das seções transversais das vigas; Dimensões das seções transversais dos pilares.

50 Desenho de armação b) Os desenhos de armação definem inteiramente as armaduras a serem colocadas nos elementos estruturais de concreto armado. As diretrizes específicas para a elaboração destes desenhos são: Identificação individual das barras da armadura; Definição de bitolas, formatos e comprimentos das barras da armadura; Definição do posicionamento das barras nas seções transversais dos elementos estruturais. Deverá constar nos desenhos de amarração, o cálculo das quantidades de aço empregadas (em kg)

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52 Análise estrutural a) Considerações Gerais: Dada a complexidade das construções estruturais, para efeitos de cálculos manuais, subdividimos a estrutura em partes suficientemente simples para que cada uma delas possa ser tratada separadamente a assimilada a um dos modelos estruturais estudados na teoria das estruturas (pórticos, grelhas, vigas, etc.) Essa simplificação de tratamento da estrutura é denominada de análise estrutural. Devemos ressaltar que o projetista da estrutura terá sempre limitações quanto as simplificações a serem adotadas, pois ele não poderá ignorar o comportamento real da mesma como um todo.

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54 Análise estrutural b) A estrutura de um edifício é, na realidade, um pórtico espacial enrijecido por placas em diferentes níveis. Adotaremos algumas hipóteses simplificadoras para facilitar o tratamento numérico desta estrutura. I. Lajes são, em geral, ligadas monoliticamente às vigas que as suportam. Entretanto, como se tratam de elementos estruturais de categoria distintas, com métodos de cálculos próprios, a consideração deste monolitismo é impraticável. Por meio de uma subdivisão virtual, separam-se as lajes das vigas, calculando-as como apoiadas ou engastadas nas bordas.

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56 Análise estrutural Devemos ressaltar que, na consideração das vigas, será retomada a ligação existente. As vigas serão consideradas como apoio indeslocáveis embora, na realidade, sejam flexíveis. A consideração dessa flexibilidade, nos processos de cálculo das lajes, levariam a uma complexidade não justificável para os casos de aplicação práticas.

57 Análise estrutural II. III. As Vigas são ligadas monoliticamente as pilares. Entretanto, nos casos correntes, e para cargas verticais, poderemos considerá-las como articuladas nos pilares. Efetuando, assim, uma separação virtual entre as vigas e pilares, desprezando-se os efeitos de flexão nos pilares. Ainda neste caso, os pilares são considerados como apoios indeslocáveis para as vigas. Pilares: para os casos correntes, devido às hipóteses anteriores, cada lance dos pilares, é calculado como barras biarticuladas.

58 Síntese estrutural A adequação dos modelos estruturais primários adotados na etapa de análise estrutural, deverá ser comprovada na etapa do processo denominada de síntese estrutural. O dimensionamento correto dos elementos estruturais deve levar em conta a envoltória dos esforços solicitantes obtidos nos vários comportamentos considerados

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