O uso do Aço na Arquitetura 1 Aluízio Fontana Margarido 10 Objetivo Edifícios Altos Compreender o modelo estrutural do edifício e fornecer alternativas para seu bom desempenho estrutural. Edifícios de Andares múltiplos: Edifícios Altos Conceito relativo de edifício alto: O conceito de edifício alto ou baixo é um conceito relativo, pois só tem sentido quando feito em termos comparativos.. Para o arquiteto: Quando a altura da edificação 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 corpo de bombeiros: Quando o edifício, pela sua altura, necessita ser construído em blocos independentes para evitar a propagação do fogo, além de ser dotado de inúmeros equipamentos de segurança adicionais;. Para um homem comum: Para um habitante de uma grande metrópole da atualidade, uma edificação de 20 andares é considerada normal, enquanto que em outras localidades pode ser considerada um edifício alto. Divisão do Espaço do Edifício Residencial e 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 comercial, ou de escritórios, possui amplos espaços e vãos maiores, tendo-se a possibilidade de colocar os pilares em modulação regular. Esta sistematização 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 edifícios de aço do mundo:. É executado em 1885 o primeiro edifício de aço em Chicago, o Home Insurance Building, com 10 andares.. O Empire State Building é construído em 1931, com 102 andandares (480 metros de altura). São gastos 60.000 t de aço e 47.400 m³ de concreto. Modernamente são executados grandes edifícios em aço, como o John Hancock Building, de Mies Van der Rohe, que usa contraventamento em diagonal na fachada do edifício. Tem 100 andares.. O Sears Towers em Chicago tem 120 andares.
O uso do Aço na Arquitetura 2 Aluízio Fontana Margarido Formas de Resistir as Forças devidas ao Vento. com ação de pórtico;. com núcleo rígido;. com paredes enrijecidas septos treliças (shear wall);. estruturas externas em tubo vazado;. soluções mistas. A resistência aos esforços deve ser feita com limitação de deslocamento (flechas), tanto para cargas verticais, como para as horizontais, devidas 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, ou diafragma, distribuindo as 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 isto não acontece com o pórtico, pois o momento de restrição da viga faz com que haja deformação mais favorável, em termos de reduzir a flecha, no todo do pórtico. Na ação do pórtico, necessitamos ter nós rígidos para que existam os momentos de restituição das vigas. Comparação de Ligações Rígidas e Flexíveis Ligação a momento (rígida) com ação de pórtico (Essa solução é mais demorada para ser executada, e mais cara, que a solução articulada). Ligação à força cortante quase articulada (é uma solução rápida de ser executada e mais econômica).
O uso do Aço na Arquitetura 3 Aluízio Fontana Margarido 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, verificamos que a carga vertical aumenta esse deslocamento. A ligação articulada tem rapidez de execução e custo mais baixo, porém só deve ser realizada caso tenhamos alguns elementos rígidos, que podem ser de aço ou concreto, para fazer a função de estabilidade da figura B. Para isso, lançamos mão do núcleo rígido, que garante a estabilidade do edifício. Ação do Núcleo Rígido Nessa solução utiliza-se a caixa de circulação vertical (caixa de elevadores e escadas, poço de subida de utilidades, etc) como elemento resistente ao vento. As lajes, agindo com vigas horizontais, tem um importante papel na transmissão das ações para o núcleo rígido. Verifica-se a importância do núcleo rígido e a ação da laje, funcionando como uma grande viga horizontal. 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.
O uso do Aço na Arquitetura 4 Aluízio Fontana Margarido Formas de Interagir Vigas de Aço e Laje de Concreto (formando uma estrutura mista, onde se usa o concreto armado para resistir à compressão, e o aço para resistir à tração e ao cisalhamento) Ligação Concreto Aço Desenho esquematico de uma laje steel deck- fonte: Metform Outros Conectores Quando utilizamos associados o concreto e o aço devemos levar em conta a diferença de precisão dos dois métodos de construção. A estrutura de aço tem tolerâncias em mm, enquanto a de concreto tem tolerâncias em cm. A estrutura de aço deve permitir ajustes para se afastar da precisão do concreto. Uma grande variedade de conectores pode ser utilizada; a forma mais comum é a do Studweld, ou Studbolt. Além da laje agir como elemento de compressão na viga, funciona também como viga horizontal, enrijecida pelas vigas de aço, podendo o conjunto ser calculado como uma viga mista, em função da ligação entre viga e laje feita pelos conectores.
O uso do Aço na Arquitetura 5 Aluízio Fontana Margarido Forma de Reduzir Deslocamentos de Estruturas com Núcleo Rígido Uma forma de reduzir os deslocamentos da estrutura 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, conforme os modelos a seguir: Para a estrutura de aço, o mais interessante é sem dúvida o sistema suspenso, pois utiliza tirantes e o aço é plenamente aproveitado em uma de suas melhores características, que é a resistência a tração. Outros Conectores Em edifícios altos essas paredes enrijecidas são normalmente septos em forma de treliça, que apresentam simplicidade de ligação e grande rigidez. Para facilitar a execução da ligação as barras da treliça nunca devem ter ângulo inferior a 30.
O uso do Aço na Arquitetura 6 Aluízio Fontana Margarido Contraventamento K Articulado Inúmeros são os exemplos de soluções em treliças:
O uso do Aço na Arquitetura 7 Aluízio Fontana Margarido Nos edifícios em concreto armado essas paredes são em elementos maciços. 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 que 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. Podemos, em substituição à laje, utilizar treliças neste 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. Durante a montagem de edifícios, com travamento com laje 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, devese prever contraventamento provisório, que garanta a estabilidade da construção durante a montagem.
O uso do Aço na Arquitetura 8 Aluízio Fontana Margarido 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 a 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 menores as aberturas, maior a rigidez. Comparação entre um Tubo não Vazado Quanto menos rígido o tubo, maior é a concentração de solicitação nos 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, um dentro do outro, ligados por vigas e lajes. A estrutura do núcleo pode ser em aço ou concreto.
O uso do Aço na Arquitetura 9 Aluízio Fontana Margarido Tubos Múltiplos (o grande efeito de tubo é dado pelo tubo externo) Soluções Mistas Para combater a ação do vento pode-se associar diversas soluções com a finalidade de se obter a rigidez adequada. A forma de associação é fundamentalmente função da forma do edifício e da divisão dos espaços criados pela arquitetura. Para determinarmos a parcela de vento que vai para cada elemento de enrijecimento, devemos fazer uma análise estrutural compatibilizando as deformações e utilizando lajes como elemento de ligação. Sugestões para a escolha do Sistema Estrutural
O uso do Aço na Arquitetura 10 Aluízio Fontana Margarido Limitações de Deslocamentos 1. Limitações 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 apoiada de um lado e contínua do outro ou. 0,80 do vão da viga contínua em ambos os lados ou. o dobro da viga em balanço 1. Limitações para cargas horizontais: vento Flechas admissíveis para alguns tipos de modelos estruturais de edifícios: Estabelecemos acima as flechas para os maiores exemplos de edifícios com cada tipo de sistema estrutural e pode-se verificar que as flechas ficam em torno de 30 cm a 40 cm. As limitações da flecha são muito importantes para garantirmos a integridade de materiais de acabamento, alvenarias e conforto humano, quer em termos de vibrações, como de acelerações. Flechas maiores, além de deformações visuais e espaciais, irão provocar rachaduras e até ruptura de paredes e revestimentos. Instituto Cultural Itaú - São Paulo / SP foto: Ernesto Tarnoczy Jr