110 o uso do aço na arquitetura

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2 10 objetivo: compreender o funcionamento estrutural do edifício e fornecer alternativas para seu bom desempenho estrutural 111

3 edifícios de andares múltiplos: Conceito relativo de edifício alto: o conceito de edifício alto ou baixo é um conceito relativo, só tem sentido quando feito em termos comparativos.. Para o arquiteto: quando a altura começa a ter peso na paisagem;. Para o engenheiro: quando soluções estruturais precisam ser adotadas, para se ter condições econômicas de resistir a ação horizontal do vento ou sismo;. Para o bombeiro homem do fogo : quando o edifício, pela sua altura, necessita ser construído em blocos independentes contra a propagação do fogo;. Para um homem comum: para um habitante de uma grande metrópole, uma edificação de 20 andares é normal, enquanto que em outra localidade é um edifício alto. divisão do espaço do edifício residencial e de comercial O edifício residencial possui um grande número de espaços de menor dimensão, com colocação de pilares em planta em função dessas divisões. A colocação dos pilares em planta nem sempre é regular. Normalmente os vãos entre pilares são menores do que os comerciais. O edifício central ou escritório possui amplos espaços e nele têm-se vãos maiores a possibilidade de se colocar os pilares em forma regular, o que vem a facilitar muito a industrialização ou seja, permite a repetição de operações iguais em grande número, o que vem a baratear a construção por unidade de área. Alguns dos mais altos edifícos de aço do mundo:. É executado em 1883 o primeiro edifício de aço em Chicago, com 10 andares.. O Empire State Building é construído e 1989, com 102 andares (480 metros de altura). São gastos tf de aço e m 3 de concreto. Modernamente são executados grandes edifícios em aço como o John Hancock Building, onde foi usado contraventamento em diagonal na fachada do edifício. Tem 100 andares.. O Sears Towers em Chicago tem 120 andares. 112 o uso do aço na arquitetura

4 FORMAS DE RESISTIR AS FORÇAS DEVIDO AO VENTO. com ação de pórtico;. com núcleo rígido;. com paredes enrijecidas septos treliças (shear wall);. estruturas externas em tubo vazado;. soluções mistas. Devemos resistir aos esforços com limitação de deslocamento (flechas), tanto para cargas verticais como as horizontais devido ao vento. FUNÇÃO DA LAJE (PISO) Nos edifícios, a laje, além da importantíssima função de resistir às cargas verticais (peso próprio e cargas úteis) funciona como uma viga horizontal na distribuição das cargas horizontais do vento. Se compararmos a viga em balanço com o pórtico, ambos deformados pelo vento, verificamos que a viga possui tangentes (rotações) crescentes com a altura, enquanto que isso não acontece com o pórtico, pois o momento de restrição da viga faz com que haja uma forma de deformação mais favorável em termos de reduzir a flecha no todo do pórtico. Na ação de pórtico necessitamos ter nós rígidos para que hajam os momentos de restituição das vigas. 113

5 COMPARAÇÃO DE LIGAÇÕES RÍGIDAS E FLEXÍVEIS M Ligação a momento (rígida) com ação de pórtico (Essa solução é mais demorada e cara do que a solução articulada.) Ligação à força cortante quase articulada (é uma solução rápida e barata). Uma estrutura de edifício feita somente com nós articulados não seria estável. A estrutura teria a tendência de cair. A estrutura na realidade seria quase hipostática apresentando grandes deslocamentos horizontais. Na figura A da página seguinte, verificamos que a carga vertical aumenta esse deslocamento. A ligação articulada tem rapidez e custo mais baixo, porém só deve ser realizada caso tenhamos alguns elementos rígidos que podem ser do aço ou concreto, para fazer a função de estabilidade da figura B da página seguinte. Para isso lançamos mão do núcleo rígido que garante a estabilidade do edifício. 114 o uso do aço na arquitetura

6 AÇÃO DO NÚCLEO RÍGIDO Nessa solução utiliza-se a caixa de circulação vertical (elevadores, escadas, poço de subida de utilidades, etc) como elemento resistente ao vento. As lajes com vigas horizontais tem um importante papel na transmissão das ações ao núcleo rígido. Verifica-se a importância do núcleo rígido e a ação da laje funcionando como uma grande viga horizontal. 115

7 OBSERVAÇÕES ÚTEIS NA UTILIZAÇÃO DO NÚCLEO RÍGIDO. é preferível, porém, não obrigatório, colocar o núcleo simétrico em relação a planta do edifício, para reduzir o momento torsor causado pelo vento agindo na fachada.. para edifícios de aço é preferível que o núcleo seja externo à planta do edifício pois assim temos uma maior repetição de vigas iguais, facilitando a industrialização.. o núcleo rígido pode ser de aço ou de concreto armado. Núcleo de concreto armado leva a soluções mais econômicas principalmente quando feito com formas deslizantes ou trepantes.. a laje conectada às vigas e ao núcleo dá estabilidade à estrutura metálica. 116 o uso do aço na arquitetura

8 formas de interagir vigas de aço e laje de concreto (formando uma estrutura mista onde se usa o concreto armado para resisitir à compressão e o aço à tração e ao cisalhamento) 117

9 OUTROS TIPOS DE CONECTORES Haverá variedade grande de conectores; a forma mais comum é a do Studweld. Além da laje agir como elemento de compressão na viga, funciona como viga horizontal enrijecida pelas vigas. LIGAÇÃO CONCRETO METÁLICA Quando utilizamos associados concreto e aço devemos levar em conta a diferença de precisão dos dois métodos de construção. A estrutura metálica deve permitir ajustes para se afastar da precisão do concreto. 118 o uso do aço na arquitetura

10 FORMA DE REDUZIR DESLOCAMENTOS DE ESTRUTURAS COM NÚCLEO RÍGIDO É criar uma grande viga superior, geralmente em treliça fazendo com que os pilares extremos funcionem como elementos de tração e compressão, contendo parcialmente a rotação no topo do núcleo rígido que pode ser em aço ou concreto. A utilização do núcleo rígido permite uma série de variantes para a realização da estrutura. 119

11 Para estrutura metálica a mais interessante é sem dúvida o sistema suspenso, pois utiliza tirantes que ficam fazendo parte do próprio caixilho e o aço é aproveitado plenamente em tração. AÇÃO DE PAREDES ENRIJECIDAS São elementos planos verticais que colocados convenientemente, resistem à ação do vento. Em edifícios essas paredes enrijecidas são normalmente septos em forma de treliça que apresentam simplicidade e ligação e grande rigidez. Para a facilidade de ligação a treliça nunca deve ter ângulo inferior a 30 o. 120 o uso do aço na arquitetura

12 CONTRAVENTAMENTO K ARTICULADO 121

13 Inúmeros são os exemplos de soluções em treliças: 122 o uso do aço na arquitetura

14 Nos edifícios em concreto armado essas paredes são em elementos maciços. 123

15 Quando se quer reduzir o deslocamento, podemos recorrer ao uso de treliças passantes no topo do edifício, que reduzem a rotação no topo, da mesma maneira quando temos o núcleo rígido. Para o comportamento conjunto das paredes enrijecidas (septos em treliça) é muito importante a ação da laje como viga horizontal. Pode-se em substituição à laje utilizar-se treliças nesse plano horizontal. Vejamos um travamento horizontal funcionando como um plano de enrijecimento: essa solução é indicada quanto não se pode usar estrutura mista ou quando a concretagem segue muito atrás da montagem da estrutura metálica. 124 o uso do aço na arquitetura

16 Durante a montagem de edifícios com travamento com lage de concreto não se aconselha que o edifício suba mais do que três andares, sem concretagem da laje. Caso seja necessário deixar andares sem concretagem, deve-se prever contraventamento provisório. ESTRUTURA EXTERNA EM TUBO VAZADO É uma extensão do conceito do núcleo rígido. Para alturas maiores utiliza-se uma estrutura rígida na periferia do edifício; com isso temos uma maior rigidez que proporciona maior possibilidade de atingir grandes alturas. Na solução em tubo externo, como é impossível realizar uma caixa cega permite-se aberturas, porém essas deverão ser de dimensões reduzidas, pois quanto menor as aberturas, maior a rigidez. 125

17 COMPARAÇÃO ENTRE UM TUBO NÃO VAZADO Quanto menos rígido o tubo maior é a concentração de solicitação dos cantos. Há inclusive interesse em se diminuir o espaçamento dos pilares na região dos cantos. Recomenda-se para espaçamento dos pilares distâncias entre 1,5 e 3 metros para termos boa ação de tubo. É comum utilizar-se o poço dos elevadores e escadas também como um elemento rígido, temos então o caso de dois tubos, em dentro do outro, ligados por vigas e lajes. A estrutura do núcleo pode ser em aço ou concreto. 126 o uso do aço na arquitetura

18 TUBOS MÚLTIPLOS (o grande efeito de tubo é dado pelo tubo externo) SOLUÇÕES MISTAS Para combater a ação do vento pode-se associar soluções com a finalidade de se obter a rigidez adequada. A forma de associação é fundamentalmente função da forma do edifício e divisão dos espaços criados pela arquitetura. Exemplo: Para determinarmos a parcela de vento que vai para cada elemento de enrijecimento, devemos fazer uma análise estrutural compatibilizando deformações utilizando lajes como elemento de ligação. 127

19 SUGESTÕES PARA A ESCOLHA DO SISTEMA ESTRUTURAL 128 o uso do aço na arquitetura

20 LIMITAÇÕES DE DESLOCAMENTOS 1. para cargas verticais: flecha máxima sobre carga < L/500 flecha máxima para peso próprio f / L/350 f = flecha L = - vão da viga isostática ou. 0,90 do vão da viga apoioada de um lado e contínua do outro ou. 0,80 do vão da viga contínua em ambos ps lados ou. o dobro da viga em balanço 2. para cargas horizontais: vento. núcleo rígido: f = H/400. paredes em treliça: f = H/500. paredes de treliça com grandes painéis: f = H/500 a H/800. estrutura tubo: f = H/700 onde H = altura do edifício Flechas para alguns edifícios:. f = H/400 = /400 = 30 cm núcleo rígido f = H/400. f = H/500 = /500 = 27 cm treliça. f = H/700 = /700 = 38 cm tubo. f = H/800 = /800 = 41 cm shear wall Estabelecemos acima as flechas para as maiores exemplos de edifícios com cada sistema estrutural e verifica-se que as flechas ficam em torno de 30 cm a 40 cm. As limitações de flecha são muito importantes para garantirmos a integridade de materiais de acabamento, alvenarias e conforto humano, quer em termos de vibrações, como de acelerações. 129