- 1 - UNIP - Universidade Paulista ICET SISTEMAS ESTRUTURAIS CONCEITO PARA CÁLCULO SECC NOTAS DE AULA 01 E S T R U T U R A S
ESTRUTURAS NOTAS DE AULA - PARTE 1-2 - NA_01SECC/2013 INTRODUÇÃO 1. NOÇÕES BÁSICAS DE ESTRUTURAS Elementos Básicos: Lajes, Vigas e Pilares. - Lajes: Elementos de forma laminar (placas). Dispostos geralmente no plano horizontal. Cargas normais ao seu plano médio (na maioria dos casos). Submetidos fundamentalmente a esforços de flexão. - Vigas: Elementos de barras, dispostos geralmente no plano horizontal. Mais rígidas que as lajes Cargas normais ao seu eixo (na maioria dos casos). Submetidas principalmente a esforços de flexão e a esforços cortantes. - Pilares: Elementos de barras, dispostos na vertical (também chamados de colunas, principalmente em estruturas metálicas). Cargas predominantemente no sentido axial. Submetidos a esforços predominantemente de compressão.
- 3-2. FUNCIONAMENTO BÁSICO DE UMA ESTRUTURA CONVENCIONAL As cargas são aplicadas nas lajes, que as transferem para as vigas (que sustentam as lajes). Por sua vez as vigas também podem receber outras cargas aplicadas diretamente sobre elas, que se somam às cargas recebidas das lajes. Das vigas, as cargas seguem para os pilares, e descem até os elementos de fundação. Os elementos de fundação tratam de transferir as cargas para o solo. Cargas: Cargas permanentes: - Peso próprio da estrutura (cargas de longa duração) - Alvenarias (paredes) - Revestimentos (de piso e de paredes) - Pisos - Enchimentos - Impermeabilização - Forros - Caixilhos - Aterros - Outras cargas de longa duração Cargas acidentais (ou variáveis): - Sobrecarga a ser considerada para o uso, ou seja, a carga prevista para a utilização da edificação, em função de sua ocupação. Em uma estrutura convencional, as paredes não tem função estrutural; assim, as cargas descem desde o pavimento superior até a fundação apenas através dos pilares, e vêm se somando piso após piso. Cada pavimento possui um funcionamento independente dos demais, a menos dos pilares. SUPERESTRUTURA LAJES E VIGAS MESOESTRUTURA PILARES INFRAESTRUTURA FUNDAÇÕES (às vezes os pilares são considerados como elementos pertencentes à infraestrutura)
- 4 - A laje transfere sua carga para as vigas que estão no seu contorno. As vigas recebem as cargas provenientes da laje (e outras que lhes são diretamente aplicadas) e as transferem aos pilares. PILAR P4 A viga V2 se apóia nos pilares P3 e P4 (transfere carga). A viga V4 se apóia nos pilares P4 e P2. Da mesma forma, a viga V1 se apóia nos pilares P1 e P2 e a viga V3 se apóia nos pilares P3 e P1. O pilar P4 recebe as cargas das vigas V2 e V4 (suas reações de apoio). Analogamente o pilar P1 recebe a carga da V1 e V3, o pilar P2 da V1 e V4 e o pilar P3 da V2 e V3.
- 5 - FUNDAÇÃO DO PILAR P4 O pilar transmite a carga ao elemento de fundação, que, por sua vez a transfere ao terreno subjacente. O tipo da estrutura de fundação depende de vários fatores, como a capacidade resistente do terreno, grandeza das cargas, e metodologia construtiva. ESQUEMA RETICULAR PARA ESTUDO DA ESTRUTURA: Para o estudo dos esforços na estrutura adota-se um esquema reticular onde os eixos das vigas e pilares são representados por barras e o plano médio das lajes é representado por uma placa. São necessárias a identificação dos elementos e a adoção de um sistema de coordenadas.
- 6 - OUTRA CONFIGURAÇÃO DA MESA: Alterando-se a posição das pernas da mesa (pilares) teremos uma estrutura com um funcionamento um pouco diferente: O funcionamento da L1 é idêntico ao do exemplo anterior (isto é, ela está apoiada nas 4 vigas V1, V2, V3, V4)
- 7 - A viga V2 se apoia nas extremidades dos balanços das vigas V3 e V4 PILAR P4 Funcionamento igual ao exemplo anterior V4 R R p.p. do P P4 A viga V4 recebe as cargas da V2 e da V1. Ela está bi-apoiada, com dois balanços, em cujas extremidades se apóiam V2 e V1. P4 4 Note que na comparação entre as duas configurações de mesa apresentadas, as cargas são as mesmas, o funcionamento das lajes é o mesmo, mas o funcionamento das vigas é diferente. Na segunda configuração as vigas V1 e V2 continuam bi-apoiadas, porém não se apoiam mais nos pilares, mas nas extremidades em balanço das vigas V3 e V4. E estas vigas possuem funcionamento bem diferente na segunda configuração, com balanços nas extremidades. As cargas nos pilares é a mesma nas duas configurações.
- 8-3. CONCEITUAÇÃO GERAL - Associação Concreto - Aço 3.1. Introdução As duas principais qualidades que um material deve ter para poder ser usado como estrutura são: - Resistência - Durabilidade Exemplos de materiais: Pedra: - Durabilidade muito elevada (quase infinita) - Resistência elevada a esforços de compressão, e baixa a esforços de tração. Madeira: - Boa resistência a esforços de tração e compressão. - Durabilidade limitada - sujeita as condições externas: tempo, umidade. O Concreto surgiu como alternativa para se obter um material com as seguintes qualidades: - Pode ser fundido em quaisquer formas e dimensões. - De uma maneira bem simples pode ser considerado como uma pedra artificial, tendo assim grande durabilidade. - Possui alta resistência a esforços de compressão, mas praticamente não resiste a esforços de tração. Para suprir essa baixa resistência à tração, associa-se o concreto ao aço, criando o Concreto Armado. O aço é colocado nas regiões onde a estrutura está submetida a esforços de tração, de forma que esses esforços acabam sendo resistidos pelo aço. O concreto e o aço funcionam conjuntamente com base na aderência entre eles. E o concreto deve envolver as barras de aço, de forma a protegê-lo contra a corrosão provocada pelas intempéries. 3.2. Constituintes do Concreto - As associações Concreto Aço a) Constituintes PASTA = CIMENTO + ÁGUA ARGAMASSA = PASTA + AGREGADO MIÚDO CONCRETO = ARGAMASSA + AGREGADO GRAÚDO
- 9 - b) As associações entre concreto e aço: - CONCRETO ARMADO = CONCRETO + ARMADURA PASSIVA União do concreto e de um material resistente à tração por ele envolvido, de tal modo que resistam solidariamente aos esforços a que a peça seja submetida. A armadura é posicionada nas formas antes do lançamento do concreto, portanto sem nenhuma tensão inicial. Após a retirada do cimbramento, a estrutura passa a estar submetida a esforços, que deformam a mesma, provocando uma resposta do aço, no sentido de resistir aos esforços de tração. A partir desse instante, então, a armadura começa a auxiliar o concreto a resistir aos esforços. A armadura passiva também é denominada armadura frouxa.
- 10 - - CONCRETO PROTENDIDO = CONCRETO + ARMADURA ATIVA Quando são aplicados esforços prévios de compressão no concreto através da armadura previamente tracionada, de tal forma que as futuras tensões de tração provocadas por um carregamento externo sejam superpostas a estas tensões prévias de compressão. Existem 2 tipos básicos de protensão: - 1- Protensão com aderência posterior: NA_01.14 ESQUEMA SIMPLIFICADO DOS ESFORÇOS APLICADOS PELA PROTENSÃO EM UMA VIGA BI-APOIADA - COM CABO CURVO - COM CABO POLIGONAL
- 11 - ESQUEMAS DE PROTENSÃO E DOS ESFORÇOS APLICADOS PELA PROTENSÃO EM UMA VIGA SOBRE TRÊS APOIOS A seguir uma foto dos primórdios do concreto protendido, mostrando a armadura de um viaduto antes da colocação das formas para a concretagem da superestrutura. Pode-se notar o traçado dos cabos de protensão, que praticamente acompanha o diagrama de fletores ao longo da viga Foto, tirada na época dos primórdios do concreto protendido, mostrando as bainhas de cabos de protensão ao longo de vigas de vigas de uma obra de arte (ponte ou viaduto).
- 12 - Abaixo duas fotos mais atuais, com a armadura de uma viga pré-moldada de um viaduto antes de sua concretagem. Como essa viga será bi-apoiada, pode-se notar que o traçado dos cabos de protensão acompanha o diagrama de fletores ao longo da viga.
- 13 - Foto da cabeça da mesma viga pré-moldada apresentada nas fotos anteriores, após a concretagem no canteiro, antes de ser protendida. Observar as placas de ancoragem, por onde serão enfiados os cabos. E os furos para injeção (na placa do cabo superior fica mais fácil de visualizar) Detalhes de Dispositivos de Protensão: Placa de ancoragem e bainha metálica Ancoragens ativas
- 14 - Placa de ancoragem e bainha metálica Ancoragem passiva Macaco de Protensão
- 15 - Seqüência de Operações de Protensão dos Cabos pelo Macaco de Protensão - em corte
- 16 - Sequência esquemática de protensão aderente em uma viga apresentada no catálogo da empresa Rudloff. Esse exemplo ilustra uma viga com protensão ativa na extremidade esquerda e na extremidade direita um dispositivo de ancoragem que dispensa a protensão denominada ancoragem passiva.
- 17-2 - Protensão com aderência inicial (ou não aderente): Esse tipo de protensão é muito utilizado em pistas de protensão, para elementos pré-fabricados, com fios aderentes. Fotos da fabricação de placas em uma pista de protensão, dentro de um galpão Fase Inicial - Os cabos estão posicionados, assim como as formas, para a execução de várias placas de concreto, dispostas em série, ao longo da pista Fase final As placas já foram concretadas- ver os macacos de protensão (amarelos), que previamente tracionaram os fios (antes da concretagem); notar as juntas entre as placas
- 18 - Nas últimas décadas, o uso de protensão sem aderência, com lajes protendidas moldadas no local em edifícios comerciais tem sido muito utilizado. Trata-se basicamente de uma protensão com cordoalhas engraxadas, ou seja, cordoalhas envoltas por graxa e por capas plásticas, que não transmitem esforços ao concreto ao longo de seu comprimento, mas apenas nas ancoragens dos cabos. Exemplo de protensão não aderente, com a utilização de cordoalhas engraxadas. Foto ilustrativa de uma laje com protensão não aderente, os cabos dentro de cordoalhas engraxadas, em azul. Ver detalhe do cabo envolto pela cordoalha na parte inferior direita da ilustração.
- 19 - COMPARAÇÃO ENTRE CONCRETO ARMADO E PROTENDIDO No concreto protendido: Há um melhor aproveitamento dos materiais aço e concreto, pois se trabalha próximo às suas tensões limites. Assim sendo, é possível a execução de obras vencendo vãos bem maiores que os que se conseguiria utilizando concreto armado. Pode-se executar estruturas mais esbeltas que em concreto armado. Há uma proteção muito melhor da própria armadura devido à inexistência de fissuração (pois o concreto não está submetido a tração). Os custos são mais altos, os materiais são mais caros. Há necessidade de um controle e de uma fiscalização muito maiores. É necessária a verificação da estrutura em diversos estágios de execução. Por exemplo, deve-se verificar se, em uma fase inicial da obra, quando a estrutura não está totalmente carregada, os esforços de protensão aplicados não estão provocando excessos de compressão no concreto. 3.3. Modo de Execução: Quanto à maneira de execução de peças estruturais em concreto, armado ou protendido, podemos classificar em: Moldado no local (ou moldado in-loco ): os elementos são fundidos no local de sua utilização definitiva na estrutura. Pré Moldado: os elementos são fundidos fora do local de sua utilização na estrutura, por exemplo, no canteiro de obras, e então levados e posicionados no local definitivo. Pré Fabricado: os elementos são fabricados em usinas (sob um controle rigoroso de execução), sendo depois levados para a obra e posicionados no local definitivo. Observações: 1- As estruturas podem ser executadas com alguns elementos pré-moldados / pré-fabricados e outros elementos moldados no local. 2- Os elementos em concreto armado não possuem nenhuma armadura ativa (protendida), ao passo que os elementos em concreto protendido possuem também partes de suas armaduras passivas, ou seja, os elementos em concreto protendido podem ser considerados também armados. 3- Em alguns casos, em função das necessidades, pode-se efetuar uma protensão que não elimina totalmente os esforços de tração. Nesse caso, classifica-se a protensão como protensão parcial.
- 20-3.4. Elementos Estruturais em Concreto Armado Esquemas Básicos de Armação a) Lajes - Flexão nas Lajes - Lajes Armadas em Cruz l l 1 2 Cobrimento da armadura (ou recobrimento) é a uma camada necessária para a proteção da armadura. Quanto mais agressivo o ambiente for para a armadura, maior deve ser o cobrimento. Os cobrimentos mínimos a serem obedecidos estão apresentados na NBR-6118.
- Armadas em uma direção l 1 l 2-21 - - Laje Isolada
- 22 - - Lajes Contínuas
- 23 - b) Vigas
- 24 - - Armadura Longitudinal Absorve os esforços de tração e / ou auxiliam na absorção dos esforços de compressão (armadura na zona comprimida). Auxilia na montagem da armadura (porta estribos). Auxilia no combate à fissuras (armadura de pele em vigas altas). - Armadura Transversal (Estribos e Barras Dobradas): Liga a zona comprimida à zona tracionada. No caso de estribos: absorve as tensões secundárias devido à aderência da armadura longitudinal. Absorve as tensões de tração devido à força cortante.
- 25 - c) Pilares Armadura Longitudinal: contribui na absorção dos esforços solicitantes da seção (compressão, na maioria dos casos, ou eventualmente, esforços de tração). Armadura Transversal: garante o posicionamento da armadura longitudinal durante a montagem e a concretagem. Assegura a estabilidade das barras longitudinais contra a flambagem localizada. SEÇÃO TRANSVERSAL