ESTUDO DAS LIGAÇÕES DE MONTAGEM EM ESTRUTURAS PRÉ- FABRICADAS DE CONCRETO 1 Carlos Henrique dos Santos 2 Rogério Eustáquio Cirilo 3 Ronilson Flávio Souza 4 RESUMO: Um dos fatores mais importantes durante o processo de criação de uma estrutura pré-fabricada são os conceitos relativos às ligações entre os diversos elementos pré-fabricados. Todos os detalhes possíveis devem ser levados em consideração quando se projeta uma estrutura e suas ligações, para que seja atingido o conceito da perfeita eficiência estrutural, atrelado ao sinônimo de rapidez executiva que é inerente ao sistema pré-fabricado. Esse artigo tem por objetivo realizar um estudo sobre as ligações entre estruturas pré-fabricadas de concreto durante o processo de montagem, suas principais características técnicas e executivas, além de fazer uma comparação com uma estrutura de concreto armado convencional. Palavras-chave: estrutura, pré-fabricado, ligações, montagem, concreto. 1 Artigo Científico do Curso de Engenharia Civil das Faculdades Kennedy. 2 Graduando em Engenharia Civil, santos.carloshenrique@bol.com.br. 3 Graduando em Engenharia Civil, rogeriocirilo@yahoo.com.br. 4 Professor do curso de Engenharia Civil e orientador do Artigo Científico.
1 INTRODUÇÃO A construção civil é um dos ramos de atividade em que seus processos, quase em sua totalidade, são executados de forma artesanal. A industrialização da construção civil já é uma tendência irreversível onde eficiência, racionalização e sustentabilidade andam atreladas ao maior treinamento da mão de obra envolvida, facilidade do gerenciamento dos custos e ao maior desempenho estrutural das construções. Dentro desse contexto, pode-se afirmar que o que difere as estruturas pré-moldadas das estruturas realizadas pelo método tradicional (moldado no local, monolítico), com relação ao comportamento estrutural, é a presença de ligações entre os elementos. Com isso, o estudo das ligações se torna muito importante, estando ela proporcionalmente relacionada com o comportamento da estrutura, sendo responsável pela transmissão e distribuição dos esforços na mesma.. 2. ELEMENTOS ESTRUTURAIS PRÉ-FABRICADOS As estruturas pré-fabricadas de concreto são peças executadas industrialmente, com realização de inspeção em todos os processos de produção, controle tecnológico e ensaios que atestam a qualidade da peça produzida. Segundo a NBR 9062 Projeto e Execução de Estruturas de Concreto Pré-Moldado a definição de estrutura pré-fabricada é a seguinte: O elemento prémoldado executado industrialmente, em instalações permanentes de empresa destinada para este fim, que se enquadram e atendem aos requisitos mínimos das especificações (NBR 9062, 2006, pg. 4). Ebeling (2006) cita que uma característica importante das estruturas de concreto pré-fabricado é a possibilidade de ser dividida em elementos. Essa divisão se faz necessária para a realização das ligações, obtendo assim a configuração final da estrutura. Por estas razões, quando se fala em pré-fabricação, pensa-se nas ligações entre os elementos pré-fabricados e na influência que estas têm no comportamento da estrutura (ALBARRAN, 2008, pg. 3). Entre os principais elementos construtivos pré-fabricados se destacam os pilares, as vigas de concreto armado e em concreto protendido e as lajes alveolares protendidas.
3. O CONCEITO DAS LIGAÇÕES As ligações entre estruturas pré-fabricadas de concreto são de grande importância na fase de projeto, onde há toda concepção do sistema estrutural. O tipo de ligação escolhido para a realização da vinculação entre os elementos terá grande influência na fase de montagem. Essa influência pode vir a interferir no cronograma da obra e no comportamento final da estrutura. Devido a essas particularidades, as ligações constituem uma das principais dificuldades a serem enfrentadas pelos projetistas (EBELING, 2006). Segundo Van Acker (2002), o papel das ligações é a de garantir a interligação estrutural entre as peças, com o intuito de realizar um sistema estrutural capaz de resistir a todos os esforços solicitantes, incluindo as ações indiretas provenientes de retração, fluência, movimentação térmica, ação do fogo, etc. 4. LIGAÇÕES DE MONTAGEM EM ESTRUTURAS PRÉ-FABRICADAS DE CONCRETO Tecnicamente todos os projetos de produção das peças pré-fabricadas, projetos executivos de montagem e tolerâncias de produção e montagem, dependem de uma análise criteriosa de como serão realizadas as ligações entre os elementos na estrutura. As ligações entre as peças pré-fabricadas estão diretamente ligadas ao bom desempenho estrutural da construção. Quanto mais eficiente e bem executada for a ligação, melhor desempenho estrutural é atingido. Em alguns casos, as ligações projetadas colocam obstáculos executivos na fase de montagem dos elementos na obra, que podem gerar atrasos devido à incompatibilidade entre as peças. Essas incompatibilidades podem ser causadas por erros de projeto ou de produção. Caso a ligação não seja realizada conforme o projeto, a estrutura não possuirá a sua capacidade estrutural esperada. Todos os mínimos detalhes precisam ser levados em consideração nos projetos de ligação que serão executados na fase de montagem. E é a existência das ligações entre as peças que diferencia as estruturas pré-fabricadas das estruturas de concreto convencionais, pois do ponto de vista estrutural, ambos são parecidos.
5. LIGAÇÕES DE MONTAGEM QUANTO A TIPOLOGIA Segundo Albarran (1984, apud SANTOS, 2008), existem vários tipos de ligações entre elementos pré-fabricados, que poderão ser utilizados de acordo com a especificidade de cada obra. Os principais são: Ligação pilar-fundação, entre a base do pilar e a fundação; Ligação pilar-pilar, entre o topo do pilar e a base de outro, geralmente realizado em elementos de grande altura; Ligação pilar-laje, entre a seção do pilar e a face transversal da laje; Ligação viga-pilar; entre as extremidades da viga e o apoio dos pilares, geralmente na região dos consolos; Ligação viga-viga, entre extremidades de vigas ou vigas principais e secundárias; Ligação laje-viga, entre as extremidades da laje e apoio das vigas que recebem as lajes; Ligação laje-laje, entre painéis pré-fabricados. 5.1. Ligação Pilar Fundação Existem essencialmente três tipos de ligação pilar-fundação: a) Ligação por meio de cálice: Corresponde à colocação (embutimento) de determinado trecho do pé do pilar dentro de um nicho executado em um bloco de fundação, conforme ilustrado na figura 1. Esse nicho é conhecido como cálice. Após o encaixe do pilar, é feito o preenchimento da região vazia com graute ou concreto estrutural determinado pelo projetista da estrutura, unindo os elementos (MONTEIRO, 2011). Segundo Albarran (2008), uma das principais vantagens do cálice de fundação é a de oferecer uma folga dimensional utilizada para garantir a distância dos eixos de montagem, ao mesmo tempo em que permite um processo simples de execução do bloco de fundação, não implicando em modificações no pilar para a execução da ligação. O autor ainda cita que para aumentar o engastamento mecânico entre o pilar e o bloco de fundação, a superfície de ligação do pilar e do bloco deve ser o mais rugosa possível. As paredes do cálice devem ser projetadas
para resistir aos esforços normais que surgem devido aos momentos fletores transmitidos pelo pilar. Figura 1: Ligação pilar-fundação por meio de cálice (CAMPOS, 2010). b) Ligações por meio de chapas de base: Outro tipo de ligação pilar-fundação é por meio de chapas metálicas na base do pilar. As chapas possuem furos que são utilizados para fixação entre os elementos. A ligação do pilar é executada por meio de esperas rosqueáveis que se encontram embutidas na fundação e são posteriormente parafusadas após correto posicionamento do elemento. As chapas de base deverão ter dimensões superiores à seção dos pilares para permitir a transmissão dos esforços provocados pelos momentos fletores através da ligação. Este tipo de ligação se torna mais complexa se comparada a ligação executada por meio de cálice, por necessitar de mais técnica por parte de quem executa a fundação, garantindo o correto posicionamento das esperas do bloco, além de um maior cuidado no processo de execução dos pilares na fábrica, devido ao posicionamento da chapa metálica na base do pilar (ALBARRAN, 2008). Figura 2: Detalhe da ligação pilar-fundação por meio de chapa de base (ALBARRAN, 2008).
c) Ligação por meio de bainhas: A ligação por bainhas é realizada por barras de aço ou esperas rosqueáveis que ficam na fundação ou na base do pilar, nos quais encaixam nas bainhas que são posteriormente preenchidos com graute (ALBARRAN, 2008). Do ponto de vista executivo, a ligação por meio de bainhas é semelhante à ligação por meio das chapas de base. A diferença consiste na troca da espera rosqueável pela barra de aço convencional no bloco de fundação e da ausência da chapa de base, substituída por furos que receberão as esperas no fundo do pilar. 5.2. Ligação Pilar Pilar Segundo Albarran (2008), existem praticamente dois tipos de ligação pilar pilar a serem projetados e executados. O primeiro tipo de ligação acontece na região das vigas ou a meia altura entre pisos, sendo que nesse caso, há a possibilidade de diminuir o número de ligações a serem efetuadas no local de montagem, embora o tipo de ligação a ser realizada seja mais complicado. No segundo caso, a ligação é feita na região em que os momentos fletores no pilar são baixos, sendo, portanto a sua solicitação menos crítica para o comportamento da estrutura. O autor afirma ainda que a execução das ligações pilar - pilar parafusadas é muito semelhante às ligações realizadas entre pilar-fundação. A ligação entre pilares é realizada através de bainhas, que se encaixam nas barras de espera que estão posicionadas no pilar inferior, sendo posteriormente grauteadas para preencher a ligação. A continuidade das armaduras é garantida através de esperas rosqueáveis, que são parafusadas à armadura dos pilares sendo depois o espaço preenchido com graute. Figura 3: Detalhe de ligação pilar-pilar por meio de esperas rosqueáveis (ALBARRAN, 2008)
5.3. Ligação Viga-Pilar Os tipos clássicos de ligações viga-pilar são as ligações parafusadas ou por meio de chumbadores mecânicos. Esses elementos podem ser colocados nos pilares durante o processo de produção ou fixados nos elementos durante o processo de montagem. As vigas são apoiadas em consolos de concreto ou em apoios de cantoneira metálica. Albarran (1998, apud SILVA, 2008), relata que no caso de consolos de concreto aramado, ao ser montados, deve-se garantir um apoio mínimo da viga, a fim de evitar o risco de ruptura ou de queda da própria viga durante a sua colocação. Após a montagem dos elementos, os nichos são preenchidos com graute. Segundo Van Acker (2002), Quando se projeta com a intenção de permitir os movimentos horizontais na estrutura, este nicho não será preenchido com graute, mas sim com material betuminoso ou plástico, parafusado ao chumbador no topo da viga para fornecer estabilidade à ligação. Nos apoios dos consolos de concreto armado são utilizados aparelhos, conhecidos como almofadas de neoprene ou uma camada de argamassa, que terá a função de distribuir as tensões de contato na região do apoio. Figura 4: Exemplo típico de ligação viga-pilar em consolo de concreto (VAN ACKER, 2002). 5.4. Ligação Pilar-Laje O Manual Munte (2004) define que esse tipo de ligação é a mais difícil de ser determinada pelos projetistas. Do ponto de vista executivo, não há o contato entre o pilar e a laje devido à colocação de placas de isopor no alvéolo das lajes, onde se cria uma junta entre a capa de consolidação (concreto de capeamento posterior) e o
pilar. Apenas em alguns casos específicos, para eliminar a junta de concretagem e para permitir a ligação entre o pilar e a laje, é realizado a ligação com a introdução de uma armadura entre os elementos. Figura 5: Desenho de ligação pilar-fundação. Não há contato entre os elementos. (ALBARRAN, 2008). 5.5. Ligação Viga-Viga A solidarização entre vigas divide-se essencialmente em ligação entre peças com o mesmo eixo e ligação entre vigas secundárias e vigas principais. A ligação entre vigas com o mesmo eixo ocorre, normalmente, quando se pretende deslocar a ligação para fora da região crítica (nó entre a viga e o pilar), onde os momentos fletores são mais baixos (ALBARRAN 2008, pg. 18). O autor ainda cita que a ligação entre viga secundária e viga principal é realizada com a continuidade das armaduras superiores através de negativos deixados na viga principal e das armaduras superiores, com a concretagem da parte superior da viga sendo realizada in loco. Figura 6: Esquema de ligação de continuidade viga-viga de mesmo eixo (ALBARRAN, 2008).
5.6. Ligação Laje-Viga Segundo Albarran (2008), a ligação entre laje-viga deve ser analisada em dois sentidos: do ponto de vista construtivo e da continuidade estrutural a ser projetada na viga de apoio. Nos modelos comuns, a laje alveolar pré-fabricada é considerada um grande pano rígido e funciona como um diafragma na estrutura. O seu apoio sobre a viga ocorre em grandes áreas e, em função do atrito, a aproximação é aceitável (MANUAL MUNTE, 2004, pg. 22). A superfície de contato entre a laje, a viga e o concreto complementar deve ser o mais rugosa possível, de modo a garantir uma melhor ligação entre os elementos. As soluções típicas para a ligação entre laje e viga independem da tipologia de laje a ser adotada. As vigas que possuem abas para apoio das lajes alveolares, por exemplo, possuem estribos salientes ou esperas que se destinam não só a resistir aos esforços cortantes, mas também a garantir a resistência ao cisalhamento na junta entre a viga pré-fabricada e o concreto de complemento (ALBARRAN, 2008). Figura 7: Detalhe de ligação laje-viga (ALBARRAN, 2008). 5.7. Ligação Laje-Laje Existem dois tipos de ligações de montagem laje laje: ligações de topo entre extremidades de duas peças de laje e ligações laterais entre dois painéis de laje adjacentes. A primeira ligação é normalmente utilizada em vigas ou abas de apoio de lajes maciças onde é necessária a continuidade das lajes sobre os apoios. Já a segunda ligação descrita está relacionada ao tipo de laje a ser adotada, onde as
juntas longitudinais dos painéis serão solicitadas essencialmente aos esforços de cisalhamento (ALBARRAN, 2008). No caso das lajes alveolares, as juntas longitudinais deverão possuir uma superfície rugosa ou dentada, conhecidas como chaves de cisalhamento, que trabalham como barreiras mecânicas que previnem qualquer deslizamento significante ao longo da junta (VAN ACKER, 2002, pg. 40). Figura 8 Detalhe de ligação de amarração de lajes alveolares (VAN ACKER, 2002). 6. ESTUDO COMPARATIVIO ENTRE A LIGAÇÃO DE UMA ESTRUTURA CONVENCIONAL E UMA ESTRUTURA PRÉ-FABRICADA Para desenvolvimento do estudo comparativo de uma ligação préfabricada em relação a uma estrutura convencional, foi considerado um pórtico simples convencional e um pórtico pré-fabricado. Será realizado uma comparação entre as ligações viga-pilar. A estrutura em concreto pré-fabricado deste pórtico é composta por pilares, vigas e lajes alveolares. A estrutura possui um pavimento, uma área de 20,00 m² e uma altura total de 3,70 metros. Nas figuras 9, 10, 11, 12 e 13 estão apresentadas as perspectivas, plantas baixas e vistas referentes a estrutura:
Figura 9 Perspectiva de um pórtico de concreto pré-fabricado. Figura 10: Perspectiva de um pórtico de concreto armado convencional. Figura 11: Planta baixa dos pórticos a serem estudados. Figura 12: Vista do pórtico em concreto pré-fabricado.
Figura 13: Vista do pórtico em concreto armado convencional. 7. METODOLOGIA DE CÁLCULO DO SISTEMA PROPOSTO 7.1. SISTEMA PRÉ-FABRICADO 7.1.1. Dimensionamento do Dente Gerber O dente Gerber é uma saliência que se projeta na parte superior da extremidade de uma viga, com o objetivo de apoiá-la em consolo criado na face de um pilar ou na região inferior da extremidade de outra viga. Usualmente ambos, consolo e dente Gerber, têm altura um pouco menor que metade da altura da viga. Portanto: d = 2a, onde: d= altura útil do consolo do pilar a = distância entre a face do pilar e o eixo do consolo Figura 14: Detalhe de um consolo pré-fabricado. As mesmas conceituações e limitações geométricas criadas para os consolos valem também para os dentes Gerber.
Os dentes Gerber têm um comportamento estrutural semelhante ao dos consolos, podendo ser também descritos por um modelo biela-tirante. As diferenças mais importantes são: a) a biela é usualmente mais inclinada, porque deve procurar apoio na armadura de suspensão, dentro da viga, na extremidade oposta ao ponto de aplicação da carga; b) a armadura principal deve penetrar na viga, procurando ancoragem nas bielas devidas ao cisalhamento na viga; c) a armadura de suspensão deve ser calculada para a força total Ntd. Figura 15: Detalhe do modelo biela-tirante. Método da biela-tirante com d > 2a d Neste caso considerar a altura útil d = 2a d O momento é a reação de apoio das vigas multiplicado pela excentricidade em relação ao eixo do pilar. 7.1.2. Cálculo da armadura As (tirante) N td P d a H 1 d' fyd As 0,8d 0,8d d Onde Pd será o esforço vertical atuante no consolo. 7.1.3. Verificação da Biela comprimida A largura b do consolo deve possuir no mínimo a seguinte dimensão: b P d a H d d' 0,12fcd a d 2 a 2 0,8d 2
Onde H d é uma força horizontal se houver. O consolo deve possuir estribos (costura) de ± 0,5 x As, nas duas direções (gaiola). Armadura mínima do tirante (0,003 x b x d). 7.2. SISTEMA CONVENCIONAL Será utilizado o modelo clássico de viga contínua, simplesmente apoiada nos pilares, para o estudo das cargas verticais. Considerado no pilar um momento fletor igual ao de engastamento perfeito multiplicado pelos coeficientes: r sup r vig r inf r sup Sendo: r (i) I (i) L (i) Onde I (i) é o momento de inércia da seção na direção considerada e L (i) é o vão livre da peça, igual L para vigas e h/2 para pilares. No caso específico do modelo acima o r sup é igual à zero, pois não há um segundo pavimento. E o momento de engastamento perfeito é dado pela equação: 7.2.1. Cálculo da Armadura de Tração wl 2 /12 Os esforços de tração junto aos apoios de vigas simples e contínuas devem ser resistidos por armaduras longitudinais que satisfaçam as mais diversas condições. se dá pela fórmula: Para garantia de ancoragem em apoios extremos, o cálculo da armadura a V d As d fyd Onde: al é a decalagem do diagrama de momento fletor ( pode ser usado 0,5d), d é a altura útil da seção e Vd a cortante máxima no apoio.
8. ANÁLISE DOS MOMENTOS FLETORES TRANSMITIDOS AO PILAR E COMPARAÇÃO DE ARMADURA TOTAL GASTA NOS DOIS MODELOS PROPOSTOS Dados do Modelo: a) Vigas: 20 cm x 50 cm; b) Pilares: 20 cm x 20 cm; c) Aço CA-50; d) Concreto Fck 30 Mpa; e) Sobrecarga do Projeto: 3 KN/m²; f) Peso das Lajes: 2,5KN/m²; g) Peso do Piso: 1KN/m²; h) Peso do Revestimento: 0,5KN/m²; i) Alvenaria na Viga: 5,25KN/m. j) Peso Específico do Concreto Armado: 25 KN/m³ 8.1. VERIFICAÇÃO DO SISTEMA CONVENCIONAL Reações na Laje: 7,00 KN/m² Cálculo das Reações na Laje: 10,15 KN/m Verificação das Reações na Viga: Peso Próprio da Viga = 2,50 KN/m Cargas na Viga = 17,90 KN/m Determinação dos Esforços Cortantes: RA=RB = 61,76 KN
Determinação do Coeficiente de Cálculo r ( i ) pilar = 83,33 r ( i ) viga = 301,93 coef. = 0,216 Momento de Engastamento Perfeito Md = 21,48 KN.m Verificação da armadura (As) As = 0,99 cm² 8.2. VERIFICAÇÃO DO SISTEMA PRÉ-FABRICADO Determinação da Largura Mínima do Consolo Será considerado como padrão o consolo com 30 cm de apoio. Momento no Pilar Md = 25,94 KN.m Esforços na Armadura do Consolo Ntd = 90,05 KN Verificação da Armadura (As) As = 2,5 cm² Verificação da Armadura Mínima (As;min) As;min = 2,16 cm² Largura Mínima do Consolo (b) b = 12,69 cm
8.3. ANÁLISE DO PROGRAMA DE ELEMENTOS FINITOS Para realização da simulação, foi utilizado o software SAP 2000. 8.3.1. Simulação para o Pórtico em Concreto Armado Convencional Figura 16: Deformação após carregamento ampliação 100x. Figura 17: Tensões aplicadas no pilar. Figura 18: Detalhe da região da ligação Valores da tensão em MPA
8.3.2. Simulação para o Pórtico em Concreto Pré-Fabricado Figura 19: Deformação após carregamento ampliação 100x. Figura 20: Tensões aplicadas no pilar. Figura 21: Detalhe da região da ligação Valores da tensão em MPA.
9. CONCLUSÃO Nesse trabalho estudou-se as diversas formas de ligações entre as estruturas pré-fabricadas e as suas formas de execução durante os processos de montagem. Através de um programa computacional, foi possível realizar uma comparação entre uma ligação viga-pilar de uma estrutura pré-fabricada em concreto e um nó de ligação entre viga-pilar em uma estrutura de concreto armado convencional. Com base nos resultados obtidos pelos modelos computacionais, foi possível verificar que ambas as estruturas suportam as mesmas tensões aplicadas no pilar, com destaque para a estrutura pré-fabricada, onde fica a cargo do consolo absorver todos os esforços solicitantes do pórtico estudado.
10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2006). NBR 9062: Projeto e Execução de Concreto Pré-Moldado. Rio de Janeiro ALBARRAN, E.G. Construção com Elementos Pré-Fabricados em Betão Armado. Dissertação de Mestrado. Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa, 2008. EBELLING, E.B. Análise de Base de Pilares Pré-Moldados na Ligação com Cálice de Fundação. Dissertação de Mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, 2006. FERREIRA, M.A. Manual de sistemas pré-fabricados de concreto (tradução). Autor do texto original: Arnold Van Acker (FIP-2002). Associação Brasileira de Construção Industrializada de Concreto ABCIC: São Paulo, 2003. MELO, C.E.E. Manual Munte de Projetos Pré-Fabricados de Concreto. São Paulo: ED. PINI, 2004. MOTEIRO, T.P. Dimensionamento e Detalhamento de Cálices de Fundação com Interface Lisa. Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2006.