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ESTRUTURAS EM CONCRETO ARMADO Priscila Correa Revisão técnica: André Luís Abitante Engenheiro Civil Mestre em Engenharia e Ciência dos Materiais, ênfase em Controle de Processos Shanna Trichês Lucchesi Mestre em Engenharia de Produção Professora do curso de Engenharia Civil Catalogação na publicação: Karin Lorien Menoncin CRB-10/2147 C825e Correa, Priscila Marques. Estruturas em concreto armado / Priscila Marques Correa ; [revisão técnica : André Luís Abitante, Shanna Trichês Lucchesi]. – Porto Alegre : SAGAH, 2018. 160 p. : il. ; 22,5 cm ISBN 978-85-9502-301-7 1. Engenharia civil. 2. Concreto armado. I. Título. CDU 624.012.45 NOTA As Normas ABNT são protegidas pelos direitos autorais por força da legislação nacional e dos acordos, convenções e tratados em vigor, não podendo ser reproduzidas no todo ou em parte sem a autorização prévia da ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. As Normas ABNT citadas nesta obra foram reproduzidas mediante autorização especial da ABNT. U N I D A D E 2 Dimensionamento de blocos e sapatas Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: � Identificar blocos de fundações sob efeitos de flexão, de cisalhamento e de punção de um pilar. � Diferenciar blocos de fundação para uma ou várias estacas. � Resolver problemas sobre sapatas. Introdução Neste capítulo, vamos estudar como se dimensionam blocos de con- creto de uma, duas e três estacas. Para isso, você deverá entender como funciona o método de bielas e tirantes, que simula internamente, nos elementos, os caminhos que as tensões vão percorrer. Após compreender bem esse método, é necessário estimar os cami- nhos e as decomposições de forças em blocos para uma, duas, três ou mais estacas. Além disso, deve-se avaliar as alturas e distâncias mínimas e, por fim, calcular a armadura. No decorrer deste texto, você também vai entender como se faz o detalhamento de sapatas armadas em concreto armado, bem como a relação entre os lados e a armadura de arranque para pilares. Blocos de fundação sob efeitos de flexão, de cisalhamento e de punção de pilar Blocos de fundação podem ser flexíveis ou rígidos. Os blocos rígidos são dimensionados para efeitos de flexão nas duas direções, e as forças são transmi- caraujo Retângulo caraujo Retângulo tidas para as estacas por bielas de compressão. Nestes, o cisalhamento também deve ser calculado nas duas direções e, nesse caso, não são as diagonais que rompem por tração, e sim as bielas que rompem por compressão. Nos blocos flexíveis, a análise deve ser mais completa, pois é preciso avaliar a punção e os esforços nas estacas dos tirantes de tração. Esse modelo de bielas e tirantes é recomendado para o cálculo dos blocos considerados rígidos e consiste em uma representação de comportamentos: a armadura é representada pelos tirantes, e o concreto comprimido é repre- sentado pelas bielas. Nesse procedimento, deve-se estimar a dimensão das bielas comprimidas. A utilização desse método é recomendável tanto quando as estacas estiverem igualmente espaçadas do pilar, como quando houver excentricidade. Pode-se ver o bloco de uma estaca na Figura 1. Figura 1. Bloco de uma estaca. Fonte: Bastos (2017). A seguir, você verá como resolver problemas quando o centro da estaca está alinhado com o centro do pilar. Dimensionamento de blocos e sapatas68 Em edifícios, a dimensão A do bloco deve ser A = ϕe + 2 × 10 cm ou A = ϕe + 2 × 15 cm. A altura d do bloco deve ter entre d = ϕe e d = 1,2 ϕe. Para dimensionar o bloco, deve-se saber que ap é a dimensão do pilar e ϕe é a dimensão da estaca. O bloco deve ter de 10 cm a 15 cm de dimensão a mais que a estaca, e a altura do bloco deve ser 1,0 ϕ a 1,2 ϕ. Ainda, tem-se T como a força de tração, que é calculada de acordo com a Equação 1. Onde: ϕe = diâmetro da estaca; ap = aresta do pilar. A força de tração Td, especificada a partir da decomposição das forças, pode ser calculada com a Equação 2. Essa força está no sentido horizontal e representa 25% da força normal Pd. Onde: Td = força de tração; Pd = força normal do pilar. A quantidade de aço para os tirantes tracionados pode ser calculada por meio da Equação 3. Onde: As = área de aço; fyd = resistência de projeto do aço. Para dimensionar um bloco de duas estacas, são utilizados alguns preceitos: ap é a dimensão do pilar, ϕe é a dimensão da estaca, α é a inclinação de biela comprimida (Figura 2). 69Dimensionamento de blocos e sapatas Figura 2. Distribuição das forças no bloco de duas estacas. Fonte: Bastos (2017). Primeiramente, deve-se encontrar Re,max, que é máxima normal que ocorre em cada estaca. Para isso, utiliza-se a Equação 4. Onde: Nk = esforço normal do pilar; My = momento fletor na base do pilar; e = distância entre as duas estacas. Assim, pode-se calcular a inclinação das bielas, de acordo com a Equação 5. Onde: N = normal do pilar; Rs = componente horizontal que traciona o bloco. Isolando-se apenas uma parte do bloco, pode-se ver, na Figura 3, as bielas e a decomposição. Dimensionamento de blocos e sapatas70 Figura 3. Bloco de uma estaca. Fonte: Bastos (2017). Utilizando-se alguns recursos da trigonometria e um pouco de álgebra, é possível isolar o ângulo α. Dessa forma, obtém-se a Equação 6. Onde: e = distância entre as estacas; ap = arestas de pilares. A força de tração Rs pode ser calculada de acordo com a Equação 7. A força de compressão pode ser calculada de acordo com a Equação 8. As bielas comprimidas do concreto devem estar entre 40º ≤ α ≤ 55º, pois dessa forma não existe o risco de ruptura por punção. Assim, pode-se isolar 71Dimensionamento de blocos e sapatas a Equação 6 em função dos ângulos pré-estabelecidos e estimar as alturas dmin e dmax (Equações 9 e 10). Deve-se ancorar a armadura de arranque dos pilares, e o bloco deve ter a capacidade de ancorar a armadura longitudinal do pilar. Assim, deve-se obedecer a seguinte equação: Onde lb,ϕ,pil é o comprimento de ancoragem da armadura do pilar. A altura do bloco deve ser h = d + d’, observando-se que d’ indica que a estaca se encontra dentro do bloco de fundação. O valor de h deve ser o maior valor entre 5 cm e aest, que é o lado de uma seção quadrada com a mesma área de seção circular. Para a verificação das bielas, deve-se verificar a seção junto ao pilar, de acordo com a Figura 4. Figura 4. Caminhos das bielas comprimidas. Fonte: Bastos (2017). Dimensionamento de blocos e sapatas72 Onde: Ab = área da biela comprimida; Ae = área da estaca; Ap = área do pilar. Assim, pode-se fazer relações entre a área da biela, a área da estaca e a área do pilar. No pilar, estabelece-se a relação de acordo com a Equação 11. Na estaca, a relação se estabelece de acordo com a Equação 12. Onde: Ab = área da biela comprimida; Ae = área da estaca. A partir de conceitos básicos da resistência dos materiais, estabelece-se a Equação 13. Onde: Rcd = força na biela comprimida. Assim, após alguns cálculos, chega-se à equação que considera a tensão de compressão na biela relativa ao pilar: a Equação 14. Onde: σcd, b, pil = tensão de compressão na biela relativa ao pilar. 73Dimensionamento de blocos e sapatas A tensão de compressão na biela relativa à estaca está demonstrada na Equação 15. Onde: σcd, b, est = força de compressão em relação à estaca. Para verificar se a força que se desenvolve na biela comprimida está dentro dos limites aceitáveis, deve-se utilizar a Equação 16. Onde: σcd, b, lim, pil= tensão resistiva no concreto. Para calcular a armadura principal, deve-se encontrar primeiramente o Rs, de acordo com a Equação 17. Assim, encontra-se a área de aço As, de acordo com a Equação 18. A armadura superior é estimada como uma parcela de 20% da armadura. Assim, tem-se a Equação 19. Onde: As,sup = armadura superior. A armadura de pele pode ser calculada de acordo com a Equação 20. Dimensionamento de blocos e sapatas74 Onde: = taxade armadura por metro. A largura B do bloco pode ser calculada de acordo com a Equação 21. O espaçamento dos estribos é calculado conforme a Equação 22. O comprimento de ancoragem básico deve ser calculado de acordo com a Equação 23. Nos blocos de três estacas (Figura 5), supõe-se que a distribuição de forças é similar à do bloco de duas estacas. Nesse caso, a distribuição das forças é espacial, com distribuição de componentes que tracionam e componentes que comprimem. Criam-se bielas da mesma forma como nos blocos com duas estacas. Figura 5. Bloco de três estacas. 75Dimensionamento de blocos e sapatas No esquema da Figura 6, as forças são divididas por 3, pelas medianas do triângulo para cada estaca. Dessa forma, tem-se um ângulo de inclinação da biela α de 40° a 55°. Figura 6. Bloco de três estacas: distribuição das forças. Fonte: Bastos (2017). Para calcular o ângulo α das bielas, utiliza-se a Equação 24. A componente Rs da força pode ser calculada de acordo com a Equação 25. Já a componente de compressão da biela comprimida está apresentada na Equação 26. Para que as bielas estejam dentro dos valores propostos anteriormente, deve-se ter uma altura máxima e mínima, de acordo com a Equação 27. Dimensionamento de blocos e sapatas76 De acordo com a Equação 28, tem-se: A tensão que se desenvolve na biela comprimida na região do pilar está apresentada na Equação 29. Já a tensão que se desenvolve na estaca está apresentada na Equação 30. Existem blocos com mais de três estacas, que não foram apresentados neste capítulo. Contudo, seu funcionamento é similar aos blocos de uma, duas ou três estacas. O método de bielas e tirantes pode ser utilizado para resolver diversas estru- turas, como blocos, vigas paredes, elementos com furos e consoles de pilares pré-moldados. Detalhamento de blocos de fundação com uma ou várias estacas O detalhamento de blocos com uma ou várias estacas deve ser realizado de acordo com a quantidade de aço encontrada, pois as armaduras e os detalhes construtivos são de suma importância para o desempenho ideal do bloco na 77Dimensionamento de blocos e sapatas função de transmissão de esforços. A Figura 7 apresenta um detalhe de uma armadura de arranque. Figura 7. Detalhe da armadura de arranque dos pilares. Fonte: Bastos (2017). Para o detalhamento do bloco de duas estacas, deve-se observar alguns preceitos básicos, como a localização da armadura principal, dos estribos horizontais e das barras negativas, conforme a Figura 8. Dimensionamento de blocos e sapatas78 Figura 8. Detalhe da armadura do bloco de duas estacas. Fonte: Bastos (2017). Nos blocos de três estacas, existem diversas formas de se colocar a armadura principal, mas uma das principais é colocar as barras paralelas aos lados. Além disso, deve-se colocar uma armadura positiva adicional, de acordo com a Figura 9. 79Dimensionamento de blocos e sapatas Figura 9. Bloco de três estacas. Fonte: Bastos (2017). Características das sapatas As sapatas, como já estudado anteriormente, são fundações rasas, que mere- cem cuidados especiais na hora de sua execução. Por exemplo, antes de sua execução, deve-se executar um lastro de concreto como um colchão, a fim de poder assentar a sapata, conforme a Figura 10. Figura 10. Lastro para assentamento de sapatas. Fonte: Alva (2007). Dimensionamento de blocos e sapatas80 O detalhamento da armadura está apresentado na Figura 11. Figura 11. Detalhamento da armadura de sapatas. Fonte: Alva (2007). 1. A principal função do bloco de fundação é absorver as forças que não estão alinhadas no sentido da estaca. Em relação a isso, a resposta correta é: a) Entre os diversos métodos existentes, o método de bielas e tirantes é o mais utilizado para dimensionamento dos blocos. b) No método de bielas e tirantes, as bielas são responsáveis pelas forças de tração, enquanto os tirantes são responsáveis pelas forças de compressão. c) Quando se tem uma estaca, o bloco não necessita de armadura, uma vez que os esforços são centralizados. d) As componentes que devem ser decompostas no bloco de duas estacas são três, pois deve-se considerar os efeitos no eixo x, no eixo y e no eixo z. e) Em um bloco de três estacas, são três componentes para dimensionamento. 2. A altura útil do bloco deve ser relacionada com a transmissão de esforços para a fundação. Em relação 81Dimensionamento de blocos e sapatas a esse caminho, a resposta correta é: a) As tensões são transferidas através de caminhos e, para entender como esses caminhos são percorridos, existem diversos métodos, como o de bielas e tirantes. b) Os blocos de fundações são elementos que servem para descarregar a carga proveniente dos pilares para o solo. c) As tensões nas estacas serão sempre divididas igualmente, depois de dissipadas no bloco de fundação. d) Um bloco com duas estacas deverá resistir apenas a esforços de compressão. e) Um bloco com três estacas terá apenas esforços de tração. 3. Existem diversos tipos de fundações superficiais, com propriedades e características específicas. Em relação a uma sapata, a resposta correta é: a) As sapatas são elementos apenas flexíveis, que suportam as tensões dos pilares e as descarregam no solo. b) As sapatas são elementos apenas rígidos, que suportam as tensões dos pilares e as descarregam no solo. c) Nas sapatas rígidas, a distribuição real de tensões no solo é uniforme. d) Nas sapatas flexíveis, a distribuição real de tensões no solo não é uniforme. e) A distribuição de tensões no solo não é uniforme, mas, por motivo de simplificação de cálculo, pode-se considerar plana. 4. Em relação a um bloco de duas estacas, pode-se afirmar que: a) Na verificação das bielas, não se utiliza coeficiente de segurança para calcular a tensão limite. b) Na verificação da tensão atuante junto às estacas, deve-se utilizar a área do pilar no cálculo. c) Na verificação da tensão atuante junto ao pilar, deve-se utilizar a área da estaca no cálculo. d) Quando se calcula a armadura principal da estaca, deve-se considerar a distância entre as duas estacas. e) Para a armadura complementar, deve-se utilizar 50% da área da armadura principal. 5. Em relação a um bloco com três estacas, a resposta correta é: a) Na reação da biela comprimida Rc, utiliza-se a normal dividida por 4. b) Na reação da biela comprimida Rc, utiliza-se a normal dividida por 3. c) A componente Rs aponta para o centro de gravidade da estaca. d) Quando se calcula a inclinação da biela comprimida, deve-se dividir a distância das estacas por 2. e) Quando se calcula o comprimento de ancoragem necessário lb nec , deve-se utilizar a relação entre a área do pilar e a área da estaca. Dimensionamento de blocos e sapatas82 ALVA, G. M. S. Projeto estrutural de sapatas. 2007. Disponível em: <http://coral.ufsm.br/ decc/ECC1008/Downloads/Sapatas.pdf>. Acesso em: 11 jan. 2018. BASTOS, P. S. dos S. Blocos de fundação. 2017. Disponível em: <http://wwwp.feb.unesp. br/pbastos/concreto3/Blocos.pdf>. Acesso em: 11 jan. 2018. Leitura recomendada PACHECO, A. Traçado de diagramas de solicitações internas. [200-?]. Disponível em: <https://chasqueweb.ufrgs.br/~apacheco/ENG01140/NotasDeAula/ENG01140_05%20 Diagramas.pdf>. Acesso em: 11 jan. 2018. 83Dimensionamento de blocos e sapatas http://coral.ufsm.br/ http://wwwp.feb.unesp/ https://chasqueweb.ufrgs.br/~apacheco/ENG01140/NotasDeAula/ENG01140_05%20 Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual da Instituição, você encontra a obra na íntegra. Conteúdo:
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