ESTRUTURAS DE MADEIRA

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO FACET - ENGENHARIA CIVIL SINOP ESTRUTURAS DE MADEIRA Prof. MSc. Letícia Reis Batista Rosas eng.leticiarosas@gmail.com

2 Ações variáveis As ações variáveis de uso e ocupação (cargas acidentais) atuantes em elementos estruturais de coberturas e de edifícios de concreto armado são obtidas de acordo com a Tabela 2 da NBR 6120: Cargas para o cálculo de estruturas de edificações:

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6 Ações variáveis Ações variáveis verticais - recomendações da NBR 6120 e NBR 7190: Considerando todos os elementos de madeira isolados, destinados às coberturas (ripas, caibros e terças), deve-se considerar uma força de 1,0 kn na posição mais desfavorável do elemento estrutural, além da carga permanente Em estruturas de madeira para coberturas comuns, deve-se prever uma sobrecarga mínima de 0,25 kn/m² (projeção horizontal), para considerar possíveis instalações (elétrica, hidráulica, etc)

7 Efeito do vento sobre estruturas de madeira NBR 6123:1988 Forças devidas ao vento em edificações Pode-se considerar o vento como sendo a movimentação das massas de ar em razão das diferenças de pressão e de temperatura na atmosfera.

8 Tipos de vento

9 Tipos de vento Vento à barlavento: é o vento "clássico" e sua ação se resume em tentar derrubar a parede. Não conseguindo derrubar a parede, ele desvia e sobe, destruindo o que ele encontrar pelo caminho.

10 Tipos de vento Vento paralelo: produz um esforço de sucção vertical sobre o componente, puxando-o na direção perpendicular ao do vento. Muitos pensam que o vento "empurra o telhado para baixo" mas o vento paralelo "puxa o telhado para cima" e, se o telhado não estiver bem amarrado nas paredes e pilares, sai voando

11 Tipos de vento Vento à sota-vento: produz um esforço de sucção sobre o componente, puxando-o na direção e sentido do vento.

12 Tipos de vento Vento com pressão interna: no caso de um galpão cuja porta foi esquecida aberta, o vento que penetra para dentro do galpão irá exercer uma pressão de dentro para fora, arrancando as telhas.

13 Tipos de vento A ação do vento pode ser potencializada quando combina com a ação do vento paralelo. Um empurra as telhas de baixo para cima, com, por exemplo 15 kgf/m 2 e o outro puxa por fora com, por exemplo, 27 kgf/m 2 resultando numa força de = 42 kgf/m 2 modo que mesmo telhas pesadas como as de barro podem ser arrancadas pela força combinada.

14 Tipos de vento Vento com sucção interna: o vento que já passou pelo galpão, é succionado pela ação a sota-vento que puxa o ar de dentro do galpão e cria uma pressão negativa no interior do galpão. O telhado puxado para baixo e as paredes são puxadas na direção do vento. Os vidros das janelas podem quebrar.

15 Tipos de vento Ação combinada do vento a barlavento com o vento a sota-vento: produz um esforço de pressão sobre o componente à barlavento, empurrando-o na direção e sentido do vento, e também produz um esforço de sucção sobre o componente à sota-vento, puxando-o na direção e sentido do vento

16 Tipos de vento O projetista da estrutura deve analisar todas as combinações possíveis, externas e internas, de ação do vento e estudar também os condicionantes da região como: a topografia do terreno, a existência de obstáculos e prédios que possam aumentar a força dos ventos, e levar em consideração que portas e janelas podem se romper sob a ação do vento e criar ventos internos.

17 Tipos de vento Uma simples depressão no terreno poderá ocasionar uma concentração do fluxo do vento, aumentando a carga de vento que atua sobre uma parede

18 Tipos de vento O que costuma influenciar e, com valores significativos, é a construção de um novo prédio na vizinhança. O novo prédio poderá "canalisar" o fluxo do vento aumentando a velocidade do vento e concentrando a ação diretamente numa das paredes do nosso prédio. Deste modo, prédios que já existiam há muitos anos e que nunca foram solicitados a valores significativos de vento, passam a receber rajadas de vento nunca antes sentida.

19 Tipos de vento Para tentar entender como é isso, imaginem que foi construido um prédio numa praia isolada onde não há nenhum outro prédio.

20 Tipos de vento Agora, imaginem esta praia alguns anos depois quando resolverem construir outros prédios: O prédio ficará cercado por outros prédios que irão canalizar, desviar, conduzir o vento criando zonas de maior pressão e também zonas de menor pressão.

21 Tipos de vento São estas situações, mais complexas, que um túnel de vento poderá analisar Montado sobre uma plataforma giratória, o túnel de vento permite a análise sob todos ângulos de incidência do vento.

22 Efeito do vento sobre estruturas de madeira NBR 6123:1988 Forças devidas ao vento em edificações Ação de curta duração Nas combinações de longa duração no ELU, quando o vento é considerado como a ação variável principal, multiplica-se pelo fator 0,75. Consideram-se as ações acidentais verticais e a ação do vento como ações variáveis de naturezas diferentes, com baixa probabilidade de ocorrência simultânea.

23 Efeito do vento sobre estruturas de madeira Parâmetro importante: velocidade média do vento Variáveis que influenciam: Posição geográfica Altura da edificação Aspectos topográficos (local plano, montanhoso, etc) Rugosidade do terreno (obstáculos à passagem do vento)

24 Efeito do vento sobre estruturas de madeira Rajadas: efeitos localizados e de curta duração, por isso atingem valores mais altos que a velocidade média. São avaliados através de ações estáticas equivalentes.

25 Velocidade básica do vento Equipamentos que medem a velocidade: anemômetros ou anemógrafos Condições básicas : Localizados em terrenos planos Posicionados a 10 m de altura Sem obstruções que venham a interferir na velocidade do vento Leitura da velocidade média do vento sobre 3 segundos

26 Gráfico de isopletas NBR 6123 Velocidade básica do vento Rajadas de 3 segundos Período de retorno da rajada crítica de 50 anos Velocidades determinadas a partir do tratamento estatístico aplicado aos dados obtidos de 49 estações meteorológicas espalhadas no país

27 Velocidade característica do vento A velocidade característica do vento, dada em m/s, é: V k = V 0. S 1. S 2. S 3 V 0 para a região de Sinop: 30m/s S 1 considera a topografia S 2 considera a rugosidade do terreno e as dimensões da edificação S 3 é baseado em conceitos estatísticos

28 Fator S 1 Leva em consideração as variações do relevo do terreno, que conduzem ao aumento ou à diminuição da velocidade básica do vento A NBR 6123 considera três situações: terreno plano ou pouco ondulado, vales profundos protegidos do vento, e taludes e morros.

29 Fator S 1 Terreno plano ou fracamente acidentado: S 1 =1,0

30 Fator S 1 Terreno plano ou fracamente acidentado: S 1 =1,0

31 Fator S 1 Vales protegidos do vento: S 1 =0,9

32 Fator S 1 Taludes e morros S 1 é determinado a partir do ângulo ( ) de inclinação do talude ou morro, da altura (z) medida a partir da superfície do terreno no local da construção, e da diferença de nível (d) entre a base e o topo do talude ou morro.

33 Fator S 1 Taludes e morros S 1 é determinado a partir do ângulo ( ) de inclinação do talude ou morro, da altura (z) medida a partir da superfície do terreno no local da construção, e da diferença de nível (d) entre a base e o topo do talude ou morro.

34 Fator S 1 Situação 1: para θ 3 S 1 = 1,0 Situação 2: para 6 θ 17 Situação 3: para θ 45 * Para valores entre 3 e 6 e entre 17 e 45, fazer interpolação linear

35 Fator S 2 O fator S 2 considera os aspectos particulares de uma determinada edificação, quanto às dimensões da edificação e à rugosidade do terreno onde será construída. A NBR 6123 estabelece 5 categorias para a rugosidade

36 Fator S 2 Categoria I - São as superfícies lisas de grandes dimensões, com mais de cinco quilômetros de extensão, medidos na direção e no sentido do vento incidente. Exemplos: mar calmo; lagos e rios; pântanos sem vegetação.

37 Fator S 2 Categoria II - São os terrenos abertos em nível ou aproximadamente em nível, com poucos obstáculos isolados, como árvores e edificações baixas. Exemplos: zonas costeiras planas; pântanos com vegetação rala; campos de aviação; pradarias; fazendas sem muros.

38 Fator S 2 Categoria III - São os terrenos planos ou ondulados com obstáculos, como muros, poucos quebra-ventos de árvores, edificações baixas e esparsas. Exemplos: granjas e casas de campo; fazendas com muros; subúrbios distantes do centro das cidades, com casas baixas e esparsas. A cota média do topo dos obstáculos é considerada igual a 3 metros.

39 Fator S 2 Categoria IV - São os terrenos cobertos por obstáculos numerosos e pouco espaçados em zona florestal, industrial ou urbanizados. Exemplos: parques e bosques com muitas árvores; cidades pequenas e arredores; subúrbios densamente construídos de grandes cidades; áreas industriais plena ou parcialmente desenvolvidas. A cota média do topo dos obstáculos é igual a 10 metros.

40 Fator S 2 Categoria V - São os terrenos cobertos por obstáculos numerosos, de grande altura e pouco espaçados. Exemplos: florestas com árvores altas de copas isoladas; centros das grandes cidades; complexos industriais bem desenvolvidos. Nesta categoria, a cota média do topo dos obstáculos é considerada igual a 25 metros.

41 Fator S 2 A NBR 6123 também define três classes para as edificações e seus elementos.

42 Fator S 2 Classe A - Pertencem a esta classe todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e as peças individuais de estruturas sem vedação; todas as edificações ou suas partes nas quais a maior dimensão horizontal (planta) ou vertical (superfície frontal) não exceda 20 metros.

43 Fator S 2 Classe B - Pertencem a esta classe todas as edificações ou suas partes nas quais a maior dimensão horizontal (planta) ou vertical (superfície frontal) esteja compreendida no intervalo entre 20 e 50 metros.

44 Fator S 2 Classe C - Pertencem a esta classe todas as edificações ou suas partes nas quais a maior dimensão horizontal ou vertical (superfície frontal) exceda 50 metros.

45 Fator S 2 Nesta tabela, z representa a altura, em metros, medida a partir da superfície do terreno.

46 Fator S 3 O fator S 3 é baseado em conceitos estatísticos, levando em consideração a vida útil esperada para a edificação e o grau de segurança requerido. A norma divide em cinco grupos: Grupo 1: São as edificações cuja ruína total ou parcial pode afetar a segurança ou a possibilidade de socorro a pessoas após tempestades destrutivas, como é o caso de hospitais, quartéis de bombeiros e de forças de segurança, centrais de comunicação. Nesta condições, S 3 = 1,10

47 Fator S 3 O fator S 3 é baseado em conceitos estatísticos, levando em consideração a vida útil esperada para a edificação e o grau de segurança requerido. A norma divide em cinco grupos: Grupo 1: são as edificações cuja ruína total ou parcial pode afetar a segurança ou a possibilidade de socorro a pessoas após tempestades destrutivas, como é o caso de hospitais, quartéis de bombeiros e de forças de segurança, centrais de comunicação. Nesta condições, S 3 = 1,10

48 Fator S 3 Grupo 2: são as edificações para hotéis, residências; edificações para comércio e indústria com alto fator de ocupação. Nestas condições, S 3 = 1,00 Grupo 3: são as edificações e instalações industriais com baixo fator de ocupação. Ex: depósitos, silos, construções rurais. Nestas condições, S 3 = 0,95

49 Fator S 3 Grupo 4: são as vedações (telhas, vidros, painéis). Assim, S 3 = 0,88 Grupo 5: edificações temporárias; edificações dos grupos 1 a 3 durante a fase de construção. Nestas condições, S 3 = 0,83

50 Pressão dinâmica do vento (q) É a pressão exercida pela velocidade característica do vento, nas condições normais de temperatura e pressão. A pressão dinâmica é considerada sempre perpendicular à superfície da estrutura.

51 Coeficientes de pressão e de forma O efeito do vento é sempre considerado como ação dinâmica, pois a velocidade do mesmo varia, temporalmente, de intensidade. Para a maioria das situações, o efeito do vento pode ser analisado estaticamente, a partir dos coeficientes de pressão (externo e interno), de forma, de força e de torção.

52 Coeficientes de pressão e de forma Valores positivos dos coeficientes de pressão externa ou interna correspondem a sobrepressões, e valores negativos correspondem a sucções O coeficiente de pressão efetiva atuando sobre uma superfície é a diferença entre os coeficientes de pressão externa e interna Um valor positivo para o coeficiente de pressão efetiva total indica uma pressão efetiva com o sentido de uma sobrepressão externa. Um valor negativo indica uma pressão efetiva com o sentido de uma sucção externa.

53 Coeficiente de pressão interna Na condição ideal onde uma edificação fosse totalmente impermeável ao ar, a pressão no interior da mesma seria invariável no tempo, qualquer que fosse a velocidade da corrente de ar na parte externa. Entretanto, as paredes ou a cobertura das edificações, mesmo consideradas fechadas, permitem a passagem do ar, evidenciando que as situações idealizadas não se repetem usualmente na prática. O coeficiente de pressão interna está diretamente relacionado com as possíveis aberturas onde vento possa entrar.

54 Coeficiente de pressão interna A NBR 6123 admite que são impermeáveis os seguintes elementos construtivos e vedações: lajes e cortinas de concreto armado ou protendido; paredes de alvenaria, de pedra, de tijolos, de blocos de concreto e similares, sem portas, janelas ou quaisquer outros aberturas. Os demais elementos construtivos e vedações são considerados permeáveis, devido à presença de aberturas tais como: juntas entre painéis de vedação e entre telhas; frestas em portas e janelas; aparatos para permitir a ventilação em telhas e panos de telhados; vãos abertos de portas e janelas; chaminés e lanternins.

55 Coeficiente de pressão interna 1) Para edificações com paredes internas permeáveis, a pressão interna é considerada uniforme, adotando-se os valores dados a seguir: a)edificações com duas faces opostas igualmente permeáveis, as outras faces impermeáveis: *Vento perpendicular a uma face permeável: *Vento perpendicular a uma face impermeável: b)edificações com quatro faces igualmente permeáveis *Considerar o mais nocivo entre os valores:

56 Coeficiente de pressão interna 1) Para edificações com paredes internas permeáveis, a pressão interna é considerada uniforme, adotando-se os valores dados a seguir: c)edificações com abertura dominante em uma face, as outras com igual permeabilidade: c.1)abertura dominante na face de barlavento *Parâmetro k1 indica a proporção entre a área das aberturas na face de barlavento e a área total das aberturas em todas as faces submetidas a sucções externas

57 Coeficiente de pressão interna 1) Para edificações com paredes internas permeáveis, a pressão interna é considerada uniforme, adotando-se os valores dados a seguir: c)edificações com abertura dominante em uma face, as outras com igual permeabilidade: c.2)abertura dominante na face de sotavento *Adotar C i = C e, correspondente à referida face c.3)abertura dominante em face paralela ao vento, fora das regiões com alta sucção externa *Adotar C i = C e, correspondente à referida face

58 Coeficiente de pressão interna 1) Para edificações com paredes internas permeáveis, a pressão interna é considerada uniforme, adotando-se os valores dados a seguir: c)edificações com abertura dominante em uma face, as outras com igual permeabilidade: c.4)abertura dominante em face paralela ao vento, em região com alta sucção externa *Parâmetro k2 indica a proporção entre a área da abertura dominante e a área total das outras aberturas situadas em todas as faces submetidas a sucções externas

59 Coeficiente de pressão interna 2) Para edificações efetivamente estanques e com janelas fixas, com probabilidade desprezível de serem rompidas por acidente, adotar para o coeficiente de pressão interna Cpi o mais nocivo entre os valores: Em resumo, o coeficiente de pressão interna é positivo quando ocorre sobrepressão interna e negativo quando ocorre sucção interna.

60 Coeficientes de pressão e forma externos Serão abordados a partir de agora os coeficientes externos, com aplicação em edifícios de planta retangular e telhado de duas águas. A NBR 6123 considera o vento a 0 atuando paralelamente à maior dimensão em planta, enquanto o vento a 90 atua perpendicular à maior dimensão em planta. Para o dimensionamento (telhas, caixilhos, elementos estruturais, etc), a NBR 6123 define o Cpe (coeficiente de pressão) para as regiões de elevados valores de pressão (zona de sucção) e o coeficiente de forma Ce para as demais regiões da edificação.

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63 Força devida ao vento A força do vento sobre um elemento plano de edificação de área A atua em direção perpendicular a ele, sendo dada por:

64 Força devida ao vento Um valor positivo para F indica que esta força atua para o interior (sobrepressão), e um valor negativo indica que esta força atua para o exterior (sucção) da edificação. A pressão interna é considerada uniformemente distribuída no interior da edificação. Consequentemente, em superfícies internas planas, Cpi = Ci.

65 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO FACET - ENGENHARIA CIVIL SINOP ESTRUTURAS DE MADEIRA Prof. MSc. Letícia Reis Batista Rosas eng.leticiarosas@gmail.com