ESTRUTURAS DE CONCRETO SIMPLES PARA CASAS POPULARES Jean Fred Guimarães dos Santos Roberto Redondo Perez Prof. Carlos Augusto Gomes (Orientador) 1 1 Universidade do Vale do Paraíba, Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo, Avenida Shishima Hifumi 2911 12244-000 São José dos Campos - SP, idp@univap.br Palavras-chave: Estrutura em Concreto Simples, Software Nastran, Software Catia V5, Flexão Composta, Software Femap. Área do Conhecimento: Exatas (Engenharia) Resumo Este Artigo apresenta um estudo da viabilização técnica da utilização de concreto simples nas fundações e pilares de sustentação de uma residência unifamiliar. Foi utilizada a planta padrão de casa popular que a Caixa Econômica Federal fornece para pessoas de baixo poder aquisitivo, planta essa, que é composta de desenho estrutural, elétrico, hidráulico, e acabamentos, ou seja, é uma planta completa e serve para aprovação junto às prefeituras. Para simplificar o estudo, verificou-se o comportamento de um pilar de canto, onde a reação do pilar frente ao esforço de flexão composta oblíqua será a análise mais crítica, estes esforços serão estudados com a utilização de softwares de última geração utilizado em empresas aeronáuticas e automobilísticas, os demais elementos estruturais que serão submetidos a uma solicitação de esforços de forma centrada ou normais compostas certamente atenderão as expectativas. Introdução Considerando o contexto das construções de moradia simples, nota-se a clara intenção de se construir casas com a menor utilização de investimento quanto possível. Dentro deste contexto e obedecendo todos os critérios de segurança estabelecidos nas Normas Brasileiras, este Artigo visa simplificar e reduzir o custo deste tipo de empreendimento. No Brasil o programa Minha Casa, Minha Vida foi lançado nacionalmente, por meio de medida provisória n 459, no dia 25 de março deste ano, com o objetivo de construir um milhão de moradias em todo o país. Com a assinatura do contrato pelo governo e o início das obras, alguns estados do país estão a um passo para tentar solucionar um problema histórico: a falta de moradia para a população de menor renda, responsável pelo alto déficit habitacional no país. Segundo a Fundação João Pinheiro (MG), A região brasileira com maior déficit é o Sudeste, onde há 2,9 milhões de pessoas sem casa própria ou com moradia precária. Minas Gerais, São Paulo, Rio de Janeiro e Espírito Santo respondem por 36,99% da carência nacional por habitação. Nesses quatro estados, a previsão do programa Minha Casa, Minha Vida é construir 363 mil casas ou apartamentos. Diante disso, este Artigo tem por objetivo estudar a viabilização técnica da utilização de concreto simples nas fundações e pilares de sustentação de uma moradia popular, para de alguma forma, poder colaborar com a redução da carência por moradias populares no Brasil, através da simplificação e redução de custo da construção. Materiais e Métodos A pesquisa foi realizada na seguinte seqüência: Obtenção da planta de moradia Popular; Figura 1 - Modelo de casa popular, planta da Caixa econômica federal. 1
Em primeiro lugar, foi desenvolvido um estudo perante a planta baixa da casa popular e a escolha feita foi o pilar de canto, que certamente é o mais crítico e onde ocorrem os maiores esforços e os demais pilares ou estruturas estarão atendidas quanto às solicitações dos esforços de projeto; Figura 3 - Detalhe do Cômodo no Catia V5. O grande obstáculo vencido foi à flexão composta oblíqua que ocorre principalmente em pilares de canto. Definição de Pilares Figura 2 Planta baixa da casa popular. Por fim, optou-se pelo estudo centrado na sala, para tal foi utilizado o software Catia V5 para a construção em terceira dimensão do cômodo a ser analisado. Definição do software Catia; Catia é a única solução capaz de prover um produto completo no processo de desenvolvimento, através de especificações de produto, e conceito de produto-em-serviço, de um modo totalmente integrado e associativo. Facilita a verdadeira colaboração entre a engenharia multidisciplinar empresarial, incluindo a forma e estilo, design mecânico e equipamentos de engenharia de sistemas, gestão digital, usinagem, análise e simulação. Catia pode ser aplicado em uma ampla variedade de indústrias, tais como o aeroespacial, automotor, máquinas industriais, elétrica, eletrônica, construção naval, civil, desenho de plantas e de bens de consumo, incluindo a concepção de produtos tão diversos como roupas e jóias. Como resultado, segue abaixo a imagem da estrutura básica do cômodo desenhado no Catia; Os pilares são responsáveis por receber as cargas dos andares superiores, acumularem as reações das vigas em cada andar e conduzir esses esforços até as fundações. Nos edifícios de vários andares, para cada pilar e no nível de cada andar, obtém-se o subtotal de carga atuante, desde a cobertura até os andares inferiores. A carga total é usada no projeto da fundação. Características geométricas No dimensionamento de pilares, a determinação das características geométricas está entre as primeiras etapas. Dimensões mínimas A NBR 6118:2003, no seu item 13.2.3, estabelece que a seção transversal dos pilares, qualquer que seja a sua forma, não deve apresentar dimensão menor que 19 cm; Em casos especiais, permite-se a consideração de dimensões entre 19 cm e 12 cm, desde que no dimensionamento se multipliquem as ações por um coeficiente adicional γn. γn =1,95 0,05 b b é a menor dimensão da seção transversal do pilar (em cm). Pilares internos, de borda e de canto. Quanto às solicitações iniciais, os tipos de pilares são mostrados abaixo. 2
Figura 4 Detalhe dos Tipos de Pilares. Pilares internos - pode admitir compressão simples, ou seja, em que as excentricidades iniciais podem ser desprezadas. Pilares de borda - as solicitações iniciais correspondem à flexão composta normal, ou seja, admite-se excentricidade inicial em uma direção. Para seção quadrada ou retangular, a excentricidade inicial é perpendicular à borda. Pilares de canto - submetidos à flexão oblíqua. As excentricidades iniciais ocorrem nas direções das bordas. Para minimizar a flexão oblíqua e possível flambagem principalmente pela falta do aço, utilizou-se o software Nastran e Patran, para a escolha do melhor perfil geométrico, atendendo os requisitos do projeto. Definição do software Nastran; O software de análise estrutural desenvolvido pela NASA, chamado Nastran (NAsa STRuctural ANalysis), se tornou quase um padrão nesse ramo da ciência. Permitindo economizar tempo e dinheiro por usar um método de projeto computadorizado, identificando pontos fortes e fracos na estrutura de um produto antes dele ser fabricado. O Nastran foi desenvolvido originalmente para os vôos espaciais, e as versões comerciais que se sucederam são usadas no projeto de fábricas de produtos químicos, refinarias, trens, aviões-caças, automóveis, caixas acústicas, guitarras elétricas e arranha-céus. O software foi escrito originalmente na linguagem Fortran e tem milhões de linhas de código. No final dos anos 60, a empresa MSC (MacNeal- Schwendler Corporation) passou a vender e dar suporte à versão comercial do programa, cujo nome passou a ser MSC/ Nastran e depois MSC.Nastran. Figura 5 - Demonstração do software Nastran. Após diversas tentativas de formatos geométricos, a geometria com o melhor comportamento frente aos carregamentos sofridos principalmente pelo peso do telhado mais a laje, foi este perfil abaixo; Figura 6 - Detalhe superior da geometria escolhida para o Pilar, medidas em metros. Figura 7 - Detalhe da geometria escolhida para o Pilar após o carregamento, no software Nastran. A escala da direita mostra que na pior condição, houve apenas uma compressão de 0,07 milímetros, e as faixas de cores mostram uma 3
distribuição do carregamento de forma bem equilibrada, demonstrando a resistência do pilar de concreto simples frente ao carregamento da obra. Pode-se observar que todos os resultados foram semelhantes, na flambagem e flexão oblíqua, que neste formato geométrico foi praticamente nulo. Foram feitos dois os Corpos de Prova, sendo um utilizando brita 01 e outro utilizando pedrisco, para obtenção de mais um compare de comportamento frente à compressão; Estudo em Laboratório Em laboratório, foi realizado o ensaio de compressão onde a resistência do pilar deveria alcançar o valor de 25 MPA. Devido ao perfil escolhido, houve a necessidade da construção de Gabaritos, onde seriam retirados os Corpos de Prova (CDP), para conseguir moldar o CDP e realizar o ensaio de comparação com os resultados obtidos em software. Figura 10 Detalhe do CDP. Resultados O primeiro corpo de prova (com brita 01) rompeu com 26,5 Toneladas alcançando uma resistência de 16,5 MPA, representando uma segurança muito superior da real solicitação de obra, que será de apenas 01 Tonelada em cada Pilar. Figura 8 Fabricação do Gabarito. Figura 11 Professor ajustando CDP. Figura 9 Gabarito finalizado. Para atender a Norma NBR 10837 os dois Corpos de Prova tiveram uma cura de 28 dias em local de grande umidade para poder alcançar os resultados esperados. Figura 12 Rompimento do 1º CDP. 4
O segundo corpo de prova (com pedrisco) rompeu com 30,2 Toneladas alcançando uma resistência de 18,9 MPA, representando uma segurança muito superior da real solicitação de obra, que será de apenas 01 Tonelada em cada Pilar. Por outro lado, também os softwares Catia e Nastran, podem e devem ser utilizados no ramo da Engenharia Civil. Estes softwares foram de fundamental importância para alcançar os resultados obtidos. Existe a possibilidade de uma enorme aplicação no ramo de cálculo estrutural, uma vez que o software também fornece todos os cálculos estruturais e faz comparações na relação custo/beneficio/resistência. Os ensaios em laboratório foram igualmente importantes para servir de comparação entre o projetado em software e o corpo de prova ensaiado, com o efeito de confirmar estes fatos. Agradecimentos: Figura 13 Rompimento do 2º CDP. Discussão Os resultados mostrados nas imagens e através dos cálculos demonstraram que os valores obtidos em laboratório alcançaram somente 75,6% do valor obtido em software, isto na melhor condição, ou seja, com os resultados do CDP nº 2. Este resultado um pouco abaixo do valor fornecido pelo software, pode ser explicado pela maneira a qual foi feito o concreto (brita, areia e cimento). Após discussão, chegou-se à conclusão que não houve a devida atenção em se umedecer o agregado graúdo, pois o mesmo deveria ser umedecido antes do preparo do concreto, e isso possivelmente alterou o fator água/cimento e que por sua vez alterou a resistência do concreto. Este pode ser um dos motivos do resultado estar abaixo do esperado. Apesar dos resultados não alcançarem 100% do esperado, ainda sim foram muito superiores a todas as solicitações geradas neste projeto. O que mostra ser possível esta concepção construtiva. Conclusão Concluiu-se através deste Artigo que há viabilidade em realizar a construção de uma moradia popular sem a utilização de aço em suas fundações e pilares. Principalmente por que uma obra de pequeno porte como o estudado, resulta em um valor baixo de carregamento. - Profº. Carlos Augusto Gomes, Professor Mestre da Universidade do Vale do Paraíba, Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo. - Engº. Daniel Dias da Silva - Graduação Engenheiro de Cálculo Estrutural. - Engº. Eduardo Aparecido de Faria - Graduação Engenheiro de Projeto de Estruturas Aeronáuticas. - Engº. Celso Raspari- Doutor Engenheiro de Cálculo Estrutural. Referências TÉCNICAS. NBR 8681: Ações e Segurança nas Estruturas. Rio de Janeiro, 2003. TÉCNICAS. NBR 6120: Cargas para o Cálculo de Estruturas de Edificações. Rio de Janeiro, 1980. TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de Estruturas de Concreto. Rio de Janeiro, 2003. BACARJI, E. Análise de estruturas de edifício: projeto de pilares. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. São Carlos: USP, 1993. - KIMURA, A. E. Informática aplicada em estruturas de concreto armado: cálculo de edifícios com o uso de sistemas computacionais. São Paulo: Pini, 2007. - SCADELAI, M.A. Dimensionamento de pilares de acordo com a NBR 6118:2003. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. São Carlos: USP, 2004 5