ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS

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1 ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS -INTRODUÇÃO AO PROJECTO João F. Almeida Mestrado Integrado em ENGENHARIA CIVIL, ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS, Fevereiro 2014

2 ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS INTRODUÇÃO AO PROJECTO Introdução ao Projecto de Estruturas de Edifícios O Processo de Projecto Condicionamentos Localização do Edifício (Acções, Geotecnia, Agressividade Ambiental,...) Utilização / Função do Edifício... Exigências de Desempenho Tempo de Vida Útil de Projecto Eficiência Estrutural (ELS, ELU, Robustez) Durabilidade Estética / Integração no Local Betão Arquitectónico Concepção Arquitectónica Concepção Estrutural Os Novos Betões (UHPC, BAC) Sustentabilidade Economia Os Edifícios Altos Realizações Considerações finais ÍNDICE

3 O PROJECTO é uma actividade fundamental para o sucesso e bom desempenho dos empreendimentos. No caso dos Edifícios, a Estrutura representa, em geral, apenas 15% a 25% do custo total da construção, mas ela é responsável pela segurança da generalidade dos materiais e equipamentos referentes às diversas especialidades. Dono de Obra Art s Business & Hotel Center, Lisboa, 2005 PROJECTO Construtor Gestão de Obra Torre de S. Gabriel, Parque das Nações, Lisboa, 2000 ESTRUTURA Outras Especialidades: Arquitectura Geotecnia Instalações Técnicas Ambiente Hidrologia

4 A Fase de Concepção do Projecto A localização e a função da estrutura determinam em geral as suas condicionantes principais, que, uma vez devidamente compreendidas e hierarquizadas, permitem dar início à concepção estrutural ( conceptual design ). The conceptual design stage is the most important phase of a project. fib Model Code 2010, Vol. 1 / 2, March 2012 Without an idea, without a proper solution to the problem under study there is no established safety concept, no adequately defined behaviour and essentially no solution to the defined problem, without which a successful construction project cannot be realized. Conceptual design is a creative act for which it is not easy to establish a methodology. 4

5 Os Condicionamentos do Projecto fib Model Code 2010

6 A LOCALIZAÇÃO do Edifício Quantificação das ACÇÕES (que dependam da localização): SISMOS (NP EN1998-1), VENTO (NP EN ), NEVE (NP EN ),... Sismo afastado Sismo próximo NP EN1998-1, 2010 Natureza dos TERRENOS de fundação Fundações, Concepção Global Eventual AGRESSIVIDADE do meio DURABILIDADE Eventual existência de risco elevado de INCÊNDIO ou ACIDENTE

7 Utilização / Função do Edifício Sobrecargas NP EN , 2009

11 Utilização / Função do Edifício Risco de Incêndio (NP EN , 2010) O betão tem uma grande resistência ao fogo O betão tem excelentes características de isolamento térmico Moderadamente condicionante para Categorias de Risco Elevadas Tipos de Utilização I Habitação II Estacionamento III Administrativo IV Escolar V Hospitalares VI Espectáculos e Reuniões Públicas VII Hoteleiros e Restauração VIII Comerciais e Gares de Transportes IX Desportivos e de Lazer X Museus e Galerias de Arte XI Bibliotecas e Arquivos XII Industriais, Oficinas e Armazéns Funções do elemento Categoria Altura Ex : tipo I (habitação) Nº de pisos abaixo do plano de referência > 50 > 6 Exigências Estabilidade Estanquidade Isolamento térmico Suporte R Compartimentação Suporte e compartimentação Resistência ao Fogo de Elementos Estruturais de Edifícios Utilizações-tipo Categorias de risco Função do elemento 1ª 2ª 3ª 4ª estrutural I, III, IV, V, VI, R 30 R 60 R 90 R 120 apenas suporte VII, VIII, IX e X REI 30 REI 60 REI 90 REI 120 suporte e compartimentação II, XI e XII R 60 R 90 R 120 R 180 apenas suporte REI 60 REI 90 REI 120 REI 180 suporte e compartimentação RE E REI EI

12 Exigências de Desempenho fib Model Code 2010 Tempo de VIDA ÚTIL EFICIÊNCIA ESTRUTURAL - Qualidade de Comportamento em Serviço (ELS) - Segurança de Pessoas e Bens / Robustez (ELU) DURABILIDADE ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL SUSTENTABILIDADE ECONOMIA

13 Exigências de Desempenho Tempo de Vida Útil de Projecto NP EN Período durante o qual se pretende que uma estrutura ou parte da mesma poderá ser utilizada para as funções a que se destina, com a manutenção prevista mas sem necessidade de grandes reparações. 2.3 (1) O tempo de vida útil de projecto deverá ser especificado.

14 DURABILIDADE Aptidão de uma estrutura para desempenhar, durante o período de vida previsto, as funções para que havia sido concebida, sem que para tal seja necessário incorrer em intervenções / custos de manutenção e reparação imprevistos Pantheon, Roma ( 2000 Anos) Designação da Descrição do ambiente classe 1 Nenhum risco de corrosão ou ataque Exemplos informativos de condições em que podem ocorrer as classes de exposição NP EN X0 Para betão sem armadura ou elementos metálicos embebidos: todas as exposições excepto em situação de gelo/degelo, abrasão ou ataque químico Para betão com armadura ou elementos metálicos embebidos: muito seco Betão no interior de edifícios com uma humidade do ar ambiente muito baixa

15 DURABILIDE Classes de Exposição 3 Corrosão induzida por cloretos XD1 XD2 Humidade moderada Húmido, raramente seco Superfícies de betão expostas a cloretos transportados pelo ar Piscinas Elementos de betão expostos a águas industriais contendo cloretos XD3 Alternadamente húmido e seco Elementos de pontes expostos a pulverizações contendo cloretos Pavimentos Lajes de parques de estacionamento 4 Corrosão induzida por cloretos presentes na água do mar XS1 Exposto ao sal transportado pelo ar mas não em contacto directo com a água do mar Estruturas próximas da costa ou na costa XS2 Permanentemente submerso Elementos de estruturas marítimas XS3 Zonas sujeitas aos efeitos das marés, da rebentação e da neblina marítima Elementos de estruturas marítimas NP EN

16 ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL Projectar / Construir contribui para transformar os locais O resultado permanece para o futuro como nossa herança cultural Cúpula do Pantheon e Basílica de S. Pedro, Roma

17 ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL O Betão é um material moldável Hipódromo de la Zarzuela, Madrid, 1939 Eduardo Torroja ( ) Algunos me han preguntado cómo nacieron las cubiertas laminares del Hipódromo de Madrid. Y bien, ellas no son, ni la obra de un genio, ni el resultado de una idea maravillosa o de una momentánea inspiración, son simplemente el resultado de un estudio de la evolución anterior de las formas del hormigón armado

18 ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL O Betão é um material estrutural e pode ser também arquitectónico Betão à vista Betão colorido Betão texturado Betão transparente Templo de Lótus, India, 1986

19 ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL O Betão é, cada vez mais, também um material arquitectónico Betão à vista Betão colorido Betão texturado Betão transparente

20 ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica Concepção Estrutural Laje dos pisos elevados Blocos suspensos Art s Business & Hotel Center, Lisboa, 2005

21 22.14m ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica Concepção Estrutural 90.0 m Pavilhão de Portugal, Lisboa, 1998 FLOOR 24 LEVEL 87.1 m FLOOR 23 LEVEL 84.2 m FLOOR 22 LEVEL 81.3 m FLOOR 21 LEVEL 78.4 m FLOOR 20 LEVEL 75.5 m FLOOR 19 LEVEL 72.6 m FLOOR 18 LEVEL 69.7 m FLOOR 17 LEVEL 66.8 m FLOOR 16 LEVEL 63.9 m FLOOR 15 LEVEL 61.0 m FLOOR 14 LEVEL 58.1 m FLOOR 13 LEVEL 55.2 m FLOOR 12 LEVEL 52.3 m FLOOR 11 LEVEL 49.4 m FLOOR 10 LEVEL 46.5 m FLOOR 9 LEVEL 43.6 m FLOOR 8 LEVEL 40.7 m FLOOR 7 LEVEL 37.8 m FLOOR 6 LEVEL 34.9 m FLOOR 5 LEVEL 32.0 m FLOOR 4 LEVEL 29.1 m FLOOR 3 LEVEL 26.2 m FLOOR 2 LEVEL 23.3 m FLOOR 1 LEVEL 20.4 m LEVEL 9.0m Parking Parking Parking Parking Parking LEVEL 6.0m LEVEL 3.0m LEVEL 0.0m LEVEL -3.0m LEVEL -6.0m Torres de S. Gabriel e S. Rafael, Lisboa, 2000

22 ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica Concepção Estrutural Rolex Learning Centre, Lausanne, 2010

23 ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica Concepção Estrutural CENTRO OVALE, CHIASSO, SWITZERLAND 2013 Muttoni, Lurati, M. Ruiz Concrete shells towards efficient structures: construction of an ellipsoidal concrete shell in Switzerland, Structural Concrete, 2013

24 Exigências de Desempenho..., SUSTENTABILIDADE,.... environmental, social and economic requirements are fulfilled for the present and future generations... Conceber e construir com qualidade e elevado valor estético Controlo dos recursos Reduzir consumos (materiais de alto desempenho e resistência) Utilizar desperdícios e reciclar produto da demolição produzindo inertes Conceber as construções com flexibilidade e capacidade de adaptação a novas utilizações / funções, por forma a reduzir o volume de demolição e construção nova. Edifício Van Nelle, Rotterdam, Reduzir o consumo de energia / Reduzir a emissão de poluentes (CO 2,...) Protecção ambiental durante a execução das obras 24

25 OS NOVOS BETÕES A EVOLUÇÃO DOS BETÕES DE CIMENTO??

26 Os NOVOS BETÕES Realizações NOVA PISTA DO AEROPORTO HANEDA, TOKYO, 2010 Ultra High Strenght Fibre Concrete UHSFC C180

27 Os NOVOS BETÕES Realizações NOVO JEAN BOUIM STADIUM, PARIS, Rede (0.35m de espessura), constituída por módulos triangulares (2.40m x 8.30m), em Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete UHPFRC

28 BETÕES AUTOCOMPACTÁVEIS Diferenças genéricas entre a composição dos BAC / Betões Correntes (Manuel Vieira, PhD, IST, 2008) Ensaios de Espalhamento

29 ART S BUSINESS & HOTEL CENTER, Lisboa, 2005 Blocos Suspensos Devido à geometria complexa das vigas de suspensão e à sua importância estrutural, estas foram betonadas com um betão autocompactável C40/50. Pormenores das vigas antes e após betonagem

30 ART S BUSINESS & HOTEL CENTER

31 BAC ARQUITECTÓNICO BAC Pigmentado, Texturado BAC Pigmentado D. Amago, Controlo da Retracção num Betão Arquitectónico Autocompactável, 2º Congresso Nacional de Pré-Fabricação em Betão, 2008

32 A Engenharia Civil tem que promover mais a valorização e reconhecimento público da sua actividade

33 ?? A EVOLUÇÃO DOS EDIFÍCIOS ALTOS

34 EDIFÍCIOS ALTOS Realizações Burj Khalifa, Dubai (Janeiro 2010) William Baker, Skidmore Owings & Merill Struct. Design Tall Spec. Build. 16, (2007) H 828 m C80 / C60 BAC colocado a 600 m (Tmáx. 50ºC) Agressividade ambiental / Durabilidade Protecção catódica na laje de fundação

35 EDIFÍCIOS ALTOS Realizações Council on Tall Buildings and Urban Habitat. Tall Buildings in Numbers - Tall Buildings, Structural Systems and Materials. 2010

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37 OBJETIVOS O concurso Prémio Jovens Mestres, uma iniciativa do BE2012 com o apoio da Secil, tem os seguintes objetivos: - Promover a apresentação pública, perante a comunidade técnica do BE2012, das melhores Dissertações de Mestrado após implementação da reforma de Bolonha, divulgando trabalhos de investigação no âmbito do Betão Estrutural desenvolvidos por estudantes de Escolas de Engenharia Portuguesas. - Incentivar a participação ativa de jovens mestres e finalistas em Engenharia Civil em congressos ligados ao Betão Estrutural, incluindo a apresentação oral de trabalhos com conteúdo relevante. ELEGIBILIDADE É elegível ao concurso Prémio Jovens Mestres uma Dissertação de Mestrado (pós- Bolonha) que respeite cumulativamente as seguintes condições: - Ter sido desenvolvida no âmbito do Betão Estrutural por um estudante de uma Escola de Engenharia Portuguesa Ter sido aprovada com uma classificação mínima de 16 valores após a correspondente defesa pública. - Ter sido finalizada nos anos letivos de ou

38 C' { C C'-C C T' { C'-C T T ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS - CONCEPÇÃO - PRÉ-DIMENSIONAMENTO João F. Almeida Mestrado Integrado em ENGENHARIA CIVIL, ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS, Fevereiro 2014

39 ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS CONCEPÇÃO E PRÉ-DIMENSIONAMENTO Solução Estrutural do Projecto A Fase de Concepção Modelação da Estrutura (Modelos Globais, Locais e Regiões Particulares) Análise e Verificação da Segurança Comportamento Estrutural de Edifícios Caminhos das Cargas Acções Verticais Acções Horizontais Sistemas em Pórtico, Sistemas Parede e Pórtico / Parede Disposição em Planta dos Núcleos Sistemas Estruturais de Pavimentos Pré-dimensionamento Critérios de Pré-dimensionamento de lajes Pavimentos Vigados e Fungiformes Pilares Pré-dimensionamento Critérios de Pré-dimensionamento Fundações Prospecção Geotécnica Soluções de Fundações Considerações finais ÍNDICE

40 Solução Estrutural do PROJECTO CONCEPÇÃO PRÉ-DIMENSIONAMENTO MODELAÇÃO - Modelos Globais - Modelos Locais g P g + P - Regiões particulares C' { C C'-C C T' { C'-C T T ANÁLISE VERIFICAÇÃO DA SEGURANÇA

41 A fase de CONCEPÇÃO fib Model Code 2010

42 A fase de CONCEPÇÃO é a primeira actividade do PROJECTO:... as relações entre a função, a forma, os materiais e os processos construtivos, do que deverá resultar o conjunto das melhores soluções possíveis para o problema em estudo; é essencial compreender o funcionamento dos sistemas estruturais e exercitar os caminhos das cargas através da estrutura, por forma a saber julgar a adequabilidade do conceito estrutural e avaliar as dimensões dos vários elementos estruturais. Eduardo Torroja Miret 2007 : RAZÓN E SER DE LOS TIPOS ESTRUCTURALES, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Las teorías rara vez dan más que una comprobación de la bondad o del desacierto de las formas y proporciones que se imaginan para la obra. Estas han de surgir primero de un fondo intuitivo de los fenómenos, que ha quedado como un poso íntimo de estudios y experiencias a lo largo de la vida profesional....y el caso es que en las escuelas hay tanto que aprender que rara vez queda tiempo para pensar....porque es absurdo descender a la concreción cuantitativa sin la seguridad de tener encajado el conjunto en sus acertados dominios. Es um erro demasiado corriente empezar a calcular la viga número 1 sin haber antes meditado si la construcción debe llevar vigas o no ;...tan inútil es aprender sin meditar, como es peligroso pensar sin antes haber aprendido de outros. Eduardo Torroja ( ) fib : Model Code , Lausanne. The conceptual design stage is the most important phase of a project. Without an idea, without a proper solution to the problem under study there is no established safety concept, no adequately defined behaviour and essentially no solution to the defined problem, without which a successful construction project cannot be realized. Conceptual design is a creative act for which it is not easy to establish a methodology..

43 A fase de CONCEPÇÃO tem que ser a primeira actividade do Projecto Emil Mörsch ( ) Mörsch 1922 Robert Maillart ( )

44 A fase de CONCEPÇÃO tem que ser a primeira actividade do Projecto Eugène Freyssinet ( ) p = g + y q q P = P (1/R cabo ) (p q P ) Fritz Leonhardt ( )

45 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS Caminhos das Cargas Acções Verticais Os pavimentos equilibram (flexão) as cargas no plano, repartindo-as pelos elementos verticais, de forma aproximadamente proporcional à sua área de influência. Área de Influência do Pilar Área de Influência da Parede [(3/8) Ly] [(5/8) Ly] [Ly] [(5/8) Lx ; Lx/2] [Lx]

46 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS Caminhos das Cargas Acções Verticais Os pavimentos equilibram (flexão) as cargas no plano, repartindo-as pelos elementos verticais, de forma aproximadamente proporcional à sua área de influência. D N ij D N g,pilar D N ij = A J. q i Pilar J N J

47 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS Caminhos das Cargas Acç. Horizontais Os pavimentos distribuem (diafragma) as acções horizontais, pelos elementos verticais, de forma aproximadamente proporcional à sua rigidez. Pilar Parede Núcleo

48 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS Caminhos das Cargas Acç. Horizontais Sistemas em Pórtico - em geral apenas adequado para estruturas de porte e níveis de acções horizontais muito moderados F M cont. F h I v I p H M cont. ; N p M p h F/2 F/2 F/2 N p M p L F/2 N p M p FH 2 0 F 0 FH 2 F/2 EQUÍLIBRIO F F H = 2 M p + N L F/2 F F 3 FH 2 3 FH 2

49 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS Caminhos das Cargas Acç. Horizontais Sistemas Parede e Pórtico/Parede F F 1 F 2 EQUÍLIBRIO H P p v F 1 + F 2 = F F H = M P + (2 M p + N L) M p M p F 1 M P F /2 F /2 2 2 L N N NÚCLEOS F 1 F 2 PÓRTICOS DE CONTORNO F 0 3 PILARES INTERIORES F M p M p 0 PLANTA F 1 M P N p N p 0

50 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS Acções Horizontais A disposição em planta das paredes e dos núcleos: é frequentemente (muito) condicionada por razões funcionais e de exploração do edifício. pode ter muita importância para a concepção e comportamento estrutural. trata-se, em geral, de um aspecto que justifica um diálogo importante Engenharia / Arquitectura (Dono de Obra), logo nas fases iniciais do estudo. como indicação geral (mas difícil), procurar adoptar disposições em planta, tão Simples, Compactas e Simétricas quanto possível.?! Efeitos das rotações em planta! Concepções inadequadas (inaceitáveis)

51 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS Acções Horizontais Disposição em planta das paredes e dos núcleos: em edifícios extensos (dimensões em planta superiores a 60/100 metros), a concepção para acções horizontais deve ser analisada conjuntamente com os aspectos referentes aos efeitos das deformações impostas / impedidas. Ver:? Juntas? - D Junta H - Manutenção... Concepções possíveis a analisar Pontos fixos Ver efeitos: - Retracção - Var. Temperatura Duplicação de elementos estruturais nas juntas

52 JUNTAS EM PAVIMENTOS DE EDIFÍCIOS Ex. de comportamento deficiente em juntas realizadas s/ duplicação de elementos estruturais MUITA ATENÇÃO, TAMBÉM, AO MODELO PARA DIMENSIONAMENTO E PORMENORIZAÇÃO DE ARMADURAS

53 SISTEMAS ESTRUTURAIS DE PAVIMENTOS A economia global da solução pode ser muito condicionada pela espessura das lajes: quantidades de materiais nos pavimentos impacto indirecto sobre a influência da acção sísmica (M ) influência sobre os esforços nos pilares, fundações (e vigas) A espessura é, essencialmente, condicionada por critérios: económicos (+) utilização (+): deformabilidade, isolamento sonoro, vibração, fendilhação, protecção ao fogo resistência (-) : flexão, esforço transverso, punçoamento ductilidade (-) deformabilidade punçoamento importante em geral (em particular para lajes fungiformes) lajes fungiformes protecção ao fogo principalmente, lajes fungiformes aligeiradas

54 SOLUÇÕES ESTRUTURAIS DE PAVIMENTOS Deformabilidade - Aparência (visibilidade) [ L / (300 a 400) ] - Limitação de danos em elementos não estruturais [ 15mm ; L / (500) ] Laje Fungiforme Maciça com (L / h) 40

55 SOLUÇÕES ESTRUTURAIS DE PAVIMENTOS Lajes Vigadas 4.0 < l 7.5m h = 0.15 a 0.25 m h L 35 a 40 h L 30 a 35

56 Lajes Fungiformes - Maciças h L < 5 m h 0.18 m 5 < L < 7 m h 0.18 a 0.25 m L 25 a 30 Com Capitéis Punçoamento e Deformabilidade Exemplo : L = 8.10m h = 0.20m h cap = 0.35m

57 Lajes Fungiformes aligeiradas (moldes recuperáveis / moldes perdidos) L < 7 m h 0.27 m 7 < L < 12 m h = 0.30 a 0.50 m h L 20 a 25

58 Ex. Lajes Fungiformes aligeiradas c/ moldes perdidos Altura do molde entre 100mm a 220mm (Lajes de 0.20m a 0.36m) Altura do molde entre 270mm a 450mm (Lajes de 0.36m a 0.60m)

59 PILARES Pré-dimensionamento Funcionalidade e Exploração (Arquitectura) (+) Resistência (+) Ductilidade (+) C1-1.5 [ g + q ] ( N Sd,máx ; M Sd 0 ) C2 - [ g + y 2 q ; E ] ( N g+y2q ; M Sd,máx =?) Exemplo: g 9kN/m 2 ; q= 3kN/m 2 [ (g/q) 3; p Sd 16 a 18 kn/m 2 ] ( N g+y2q / N Sd,máx ) 0.50 / 0.60 Sd 1,2 1,0 0,85 0,7 Objectivo: g+y2 q 0,7 0,6 0,5 0,4 1% sl 3% Pilares sem exigências Pilares com ductilidade menores exigências de ductilidade Com exigências Pilares com ductilidade maiores exigências de ductilidade (Taxas entre 100 e 300kg aço/m 3 de betão) C1 = A s bh f yd f cd = A s A c 1,5% ( 0,4) C2 máx Rd 1,2

60 FUNDAÇÕES A análise das condições de fundação de um edifício requer: Realização de Estudo Geológico-Geotécnico específico (caso não exista para início dos estudos, pode ser necessário desenvolver o Plano de Prospecção). O estudo deve também procurar reunir toda a informação geológica da zona, em particular: existência de aterros (a consulta de levantamentos topográficos antigos e sua comparação com os actuais pode dar informações importantes); nível freático; visita ao local, observando taludes e construções vizinhas (das quais se deve procurar obter informações sobre o tipo de fundações e observar se existem sinais de assentamentos estruturais). A opção principal, consoante as codições geotécnicas, é a da execução de: - fundações superficiais (Sapata isolada, Sapata contínua, Ensoleiramento) - fundações profundas.

61 FUNDAÇÕES - Estudo Geológico-Geotécnico - Exemplo

62 FUNDAÇÕES Estudo Geológico-Geotécnico - Exemplo

63 FUNDAÇÕES - Estudo Geológico-Geotécnico - Exemplo S4

64 FUNDAÇÕES Directas - Exemplos Viga de Fundação no Contorno Viga de Fundação no Contorno Viga de Fundação no Interior

65 FUNDAÇÕES Indirectas - Exemplos Microestacas Estacas betonadas in-situ

66 FUNDAÇÕES Ex: Des. Planta de Fundações