ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS

Transcrição

1 ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS -INTRODUÇÃO AO PROJECTO João F. Almeida IST, ENGENHARIA CIVIL, ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS, Fevereiro 2011

2 ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS INTRODUÇÃO AO PROJECTO Introdução ao Projecto de Estrututras 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 (BAC) Economia Os Edifícios Altos Realizações Considerações finais ÍNDICE

3 O PROJECTO DE EDIFÍCIOS Dono de Obra Construtor Projecto Arquitectura Engenharia Estruturas Outras Especialidades Execução Fiscalização A Estrutura representa, em geral, apenas 15% a 25% do custo total da construção ; no entanto, ela é responsável pela segurança da generalidade dos materiais e equipamentos referentes às diversas especialidades.

4 O Processo de PROJECTO fib Model Code 2010

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 II Habitação Estacionamento III Administrativo IV V VI Escolar Hospitalares Espectáculos e Reuniões Públicas VII Hoteleiros e Restauração VIII Comerciais e Gares de Transportes IX X XI Desportivos e de Lazer Museus e Galerias de Arte 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 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 Pavilhão de Portugal, Lisboa, 1998 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 OS NOVOS BETÕES A EVOLUÇÃO DOS BETÕES DE CIMENTO??

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

25 ART S BUSINESS & HOTEL CENTER 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

26 ART S BUSINESS & HOTEL CENTER

27 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

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

29 A EVOLUÇÃO DOS EDIFÍCIOS ALTOS??

30 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

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

32

33 C' { C C'-C C T' { C'-C T T ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS - CONCEPÇÃO - PRÉ-DIMENSIONAMENTO João F. Almeida IST, ENGENHARIA CIVIL, ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS, Fevereiro 2011

34 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

35 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

36 A fase de CONCEPÇÃO fib Model Code 2010

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

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

39 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]

40 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. N ij N g N ij = A J. q i Pilar J N J

41 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

42 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 I v I p M cont. ; N p M p δ 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 EQUÍLIBRIO F/2 F H = 2 M p + N L F F/2 F F 3 FH 2 3 FH 2

43 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

44 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)

45 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.? Juntas? Ver: - Junta δh - Manutenção... Concepções possíveis a analisar Pontos fixos Ver efeitos: - Retracção - Var. Temperatura Duplicação de elementos estruturais nas juntas

46 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 ductilidade (-) (-) : flexão, esforço transverso, punçoamento deformabilidade punçoamento importante em geral (em particular para lajes fungiformes) lajes fungiformes protecção ao fogo principalmente, lajes fungiformes aligeiradas

47 SOLUÇÕES ESTRUTURAIS DE PAVIMENTOS Deformabilidade - Aparência (visibilidade) δ [L/(300a400)] - Limitação de danos em elementos não estruturais δ [15mm;L/(500)] Laje Fungiforme Maciça com (L / h) 40

48 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

49 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

50 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 L h 20 a 25

51 PILARES Pré-dimensionamento Funcionalidade e Exploração (Arquitectura) Resistência (+) Ductilidade (+) (+) C1-1.5 [ g + q ] ( NSd,máx ; MSd 0 ) C2 - [ g + ψ2q ; E ] ( Ng+ψ2q ; MSd,máx=?) Exemplo: 9kN/m2 As fyd ω = bh f cd 3kN/m2 g ; q= [ (g/q) 3; psd 16 a 18 kn/m2] ( Ng+ψ2q / NSd,máx ) 0.50 / 0.60 νsd νg+ψ2 q 1,2 0,7 1,0 0,6 0,85 0,5 0,7 0,4 As ρ = A 1,5% (ω 0,4) c νmáx 1,2 Rd C1 Pilares sem exigências ductilidade Com exigências ductilidade Objectivo: 1% ρsl 3% (Taxas entre 100 e 300kg aço/m3 de betão) C2

52 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.