Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Indaial – 2020 Estruturas dE ConCrEto armado Prof. Lucas Onghero 1a Edição Copyright © UNIASSELVI 2020 Elaboração: Prof. Lucas Onghero Revisão, Diagramação e Produção: Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial. Impresso por: ON58e Onghero, Lucas Estruturas de concreto armado. / Lucas Onghero. – Indaial: UNIASSELVI, 2020. 242 p.; il. ISBN 978-85-515-0450-5 1. Concreto armado. - Brasil. Centro Universitário Leonardo Da Vinci. CDD 620.136 III aprEsEntação Este Livro Didático é destinado a apresentar os conceitos básicos de cálculo e detalhamento de estruturas de concreto armado, com destaque para os fundamentos básicos, exemplos práticos e atividades. Os assuntos estão dispostos de uma maneira que segue a lógica de projeto de estrutura de edificações usuais, sendo que nesta primeira unidade aborda um resumo das principais características mecânicas dos materiais; noções da composição dos sistemas estruturais; introdução aos conceitos de cálculo; e descrição e características de alguns elementos estruturais específicos que normalmente são encontrados nas construções usuais. Uma vez abordados os conceitos envolvidos no cálculo de dimensionamento de estruturas, na Unidade 2 se inicia o dimensionamento de elemento de vigas propriamente dito. Para isso, é iniciado com a abordagem teórica dos processos envolvidos na distribuição de esforços no elemento estrutural, as teorias de analogias, condições específicas de uso de armadura, transmissão dos esforços aos apoios e, por fim, o cálculo da quantidade de aço necessária para o elemento. Na terceira unidade serão apresentados o dimensionamento de elementos de lajes e de pilares, abordando os conceitos de Estados Limites de Serviço e Estado Limite Último. Os elementos apresentados foram escolhidos de forma a incluir os tipos mais utilizados na prática da construção civil. Serão abordados os métodos de cálculo, o método elástico aplicado nas lajes e, para pilares, serão apresentados os efeitos de segunda ordem global e local, causado pelo carregamento. A principal característica do concreto armado é que a armadura e o concreto trabalhem em conjunto devido à aderência e à possibilidade de ocorrências de regiões fissuradas do concreto. Sendo estes os princípios básicos utilizados nas discussões e considerações do detalhamento abordados nesta apostila. Bons estudos! Prof. Lucas Onghero IV Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material. Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura. O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo. Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão. Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade. Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos! FIGURA 1 – TIPOS DE ADERÊNCIA ENTRE AÇO-CONCRETO. ADERÊNCIA POR ADESÃO (a), ATRITO (b) e MECÂNICO (c) aço concreto a) b) c) NOTA FONTE: Argenta (2016d, p. 1) V VI Olá, acadêmico! Iniciamos agora mais uma disciplina e com ela um novo conhecimento. Com o objetivo de enriquecer seu conhecimento, construímos, além do livro que está em suas mãos, uma rica trilha de aprendizagem, por meio dela você terá contato com o vídeo da disciplina, o objeto de aprendizagem, materiais complementares, entre outros, todos pensados e construídos na intenção de auxiliar seu crescimento. Acesse o QR Code, que levará ao AVA, e veja as novidades que preparamos para seu estudo. Conte conosco, estaremos juntos nesta caminhada! LEMBRETE VII UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO .......................................................................................................... 1 TÓPICO 1 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CONCRETO ARMADO ................................3 1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................................................3 2 VANTAGENS E DESVANTAGENS ...................................................................................................5 3 SISTEMAS E ELEMENTOS ESTRUTURAIS ..................................................................................5 4 NORMAS TÉCNICAS ...........................................................................................................................8 RESUMO DO TÓPICO 1..........................................................................................................................9 AUTOATIVIDADE .................................................................................................................................10 TÓPICO 2 – MATERIAIS .......................................................................................................................11 1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................................................11 2 PROPRIEDADES DO CONCRETO ..................................................................................................11 3 CARACTERÍSTICAS DO AÇO .........................................................................................................19 RESUMO DO TÓPICO 2........................................................................................................................22 AUTOATIVIDADE .................................................................................................................................23 TÓPICO 3 – FUNDAMENTOS .............................................................................................................25 1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................................................25 2 SIMBOLOGIA ESPECÍFICA ..............................................................................................................25 3 DIMENSIONAMENTO ......................................................................................................................29 3.1 MÉTODO CLÁSSICO .....................................................................................................................30 3.2 MÉTODO DE RUPTURA ...............................................................................................................30 4 DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS ...........................................................................................31 4.1 AGRESSIVIDADE DO AMBIENTE ..............................................................................................32 5 SEGURANÇA E ESTADOS LIMITES ..............................................................................................35 6 RESISTÊNCIA CARACTERÍSTICA E DE CÁLCULO.................................................................37 6.1 RESISTÊNCIA CARACTERÍSTICA ..............................................................................................37 7 AÇÕES DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO ..........................................................40 7.1 AÇÕES PERMANENTES ..............................................................................................................40 7.1.1 Diretas ......................................................................................................................................40 7.1.2 Indiretas ...................................................................................................................................41 7.2 AÇÕES VARIÁVEIS .......................................................................................................................41 7.3 AÇÕES NO DIMENSIONAMENTO DE CONCRETO ARMADO ..........................................42 7.4 COMBINAÇÕES ÚLTIMAS ..........................................................................................................43 7.5 COMBINAÇÕES DE SERVIÇOS ...................................................................................................45 7.6 VALORES DE CÁLCULO DE COEFICIENTES DE PONDERAÇÃO .....................................46 7.7 ESTÁDIOS DE CÁLCULO ............................................................................................................51 8 DOMÍNIOS DE DEFORMAÇÕES ....................................................................................................52 8.1 RETA a ...............................................................................................................................................53 8.2 DOMÍNIO 1 ......................................................................................................................................54 8.3 DOMÍNIO 2 ......................................................................................................................................55 sumário VIII 8.4 DOMÍNIO 3 ......................................................................................................................................56 8.5 DOMÍNIO 4 ......................................................................................................................................57 8.6 DOMÍNIO 4A ...................................................................................................................................58 8.7 DOMÍNIO 5 ......................................................................................................................................58 8.8 RETA b ...............................................................................................................................................59 RESUMO DO TÓPICO 3........................................................................................................................62 AUTOATIVIDADE .................................................................................................................................63 TÓPICO 4 – ELEMENTOS ESTRUTURAIS .......................................................................................65 1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................................................65 2 ELEMENTOS ESTRUTURAIS PROPRIAMENTE DITOS .........................................................66 2.1 LAJE ...................................................................................................................................................66 2.2 VIGA ..................................................................................................................................................68 2.3 PILAR ................................................................................................................................................68 2.4 TUBULÃO .........................................................................................................................................68 2.5 SAPATA .............................................................................................................................................68 LEITURA COMPLEMENTAR ...............................................................................................................69 RESUMO DO TÓPICO 4........................................................................................................................76 AUTOATIVIDADE .................................................................................................................................77 UNIDADE 2 – DIMENSIONAMENTO DE VIGAS .........................................................................79 TÓPICO 1 – FUNDAMENTOS DO DIMENSIONAMENTO ........................................................81 1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................................................81 2 CRITÉRIOS DE PROJETO ..................................................................................................................82 2.1 DISTRIBUIÇÃO DA TENSÃO EM ELEMENTOS FLEXIONADO ..........................................88 3 DIMENSIONAMENTO ......................................................................................................................90 3.1 EQUACIONAMENTO PARA CONCRETOS DE CLASSE ATÉ C50. ......................................92 RESUMO DO TÓPICO 1........................................................................................................................96 AUTOATIVIDADE .................................................................................................................................97 TÓPICO 2 – EQUACIONAMENTO PARA CONCRETOS DE QUALQUER CLASSE .............99 1 INTRODUÇÃO .....................................................................................................................................99 2 EQUACIONAMENTO .........................................................................................................................99 2.1 DIMENSIONAMENTO DA ÁREA DE AÇO PARA CONCRETOS DE QUALQUER CLASSE ............................................................................................................................................100 RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................102 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................103 TÓPICO 3 – MOMENTO MÁXIMO RESISTIDO PELA SEÇÃO ...............................................105 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................105 2 CÁLCULO DO MOMENTO MÁXIMO RESISTENTE DA SEÇÃO ........................................105 2.1 CÁLCULO DO MOMENTO RESISTENTE ...............................................................................106 3 CÁLCULO DO MOMENTO MÁXIMO RESISTENTE DA SEÇÃO, CONHECIDA A ARMADURA ...................................................................................................................................107 3.1 CÁLCULO DO MOMENTO RESISTENTE CONHECENDO A ÁREA DE AÇO ................108 RESUMO DO TÓPICO 3......................................................................................................................110 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................111 IX TÓPICO 4 – DETERMINAÇÃO DA ALTURA MÍNIMA DA SEÇÃO COM ARMADURA SIMPLES ................................................................................................113 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................1132 DETERMINAÇÃO DA ALTURA MÍNIMA DA SEÇÃO COM ARMADURA SIMPLES ..113 2.1 CÁLCULO DA ALTURA MÍNIMA DA SEÇÃO ......................................................................114 RESUMO DO TÓPICO 4......................................................................................................................115 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................116 TÓPICO 5 – CÁLCULO DE SEÇÕES COM ARMADURA DUPLA ...........................................119 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................119 2 CÁLCULO DE SEÇÕES COM ARMADURA DUPLA ................................................................119 2.1 CÁLCULO DA ÁREA DE ARMADURA DUPLA ....................................................................120 RESUMO DO TÓPICO 5......................................................................................................................122 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................123 TÓPICO 6 – FÓRMULAS ADIMENSIONAIS PARA DIMENSIONAMENTO DAS SEÇÕES RETANGULARES ..........................................................................................125 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................125 2 FÓRMULAS ADIMENSIONAIS PARA DIMENSIONAMENTO DE VIGAS ......................125 3 DIMENSIONAMENTO DE VIGAS “T” .......................................................................................131 3.1 CÁLCULO DA ÁREA DE ARMADURA PARA VIGA DE SEÇÃO “T” ...............................134 RESUMO DO TÓPICO 6......................................................................................................................137 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................138 TÓPICO 7 – DETALHAMENTO DA ARMADURA LONGITUDINAL NA SEÇÃO TRANSVERSAL E ESTADOS-LIMITES DE UTILIZAÇÃO. ................................141 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................141 2 DETALHAMENTO DAS ARMADURAS ......................................................................................141 2.1 ARMADURA LONGITUDINAL MÁXIMA E MÍNIMA .........................................................143 2.2 CONCENTRAÇÃO DA ARMADURA ......................................................................................144 2.3 ARMADURA DE PELE .................................................................................................................144 2.4 ESPAÇAMENTO ENTRE AS BARRAS .....................................................................................145 2.5 ANÁLISE DA FISSURAÇÃO DAS PEÇAS DE CONCRETO ARMADO. ............................146 2.6 DESLOCAMENTOS-LIMITES .....................................................................................................149 LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................152 RESUMO DO TÓPICO 7......................................................................................................................157 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................158 UNIDADE 3 – DETALHAMENTO AO LONGO DA VIGA, ARMADURAS TRANSVERSAIS E PILARES...................................................................................159 TÓPICO 1 – DETALHAMENTO AO LONGO DA VIGA .............................................................161 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................161 2 ESTUDO DA ADERÊNCIA ..............................................................................................................161 2.1 TENSÕES DE ADERÊNCIA .........................................................................................................164 2.2 RESISTÊNCIA DE ADERÊNCIA ................................................................................................164 2.2.1 Ganchos nas armaduras longitudinais ..............................................................................167 2.2.2 Ganchos nas armaduras transversais ................................................................................168 RESUMO DO TÓPICO 1......................................................................................................................170 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................171 X TÓPICO 2 – DIMENSIONAMENTO E DETALHAMENTO DE ARMADURAS TRANSVERSAIS ............................................................................................................173 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................173 2 CONSIDERAÇÕES INICIAIS DE CISALHAMENTO ...............................................................173 3 MODELO I ...........................................................................................................................................177 4 MODELO II ..........................................................................................................................................180 5 QUANTIDADE MÍNIMA DE ESTRIBOS .....................................................................................182 RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................185 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................186 TÓPICO 3 – DIMENSIONAMENTO E DETALHAMENTO DE PILARES ...............................187 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................187 2 CONCEITOS INICIAIS .....................................................................................................................187 3 CONCEITO DE PILAR-PADRÃO ...................................................................................................193 3.1 ESTRUTURAS DE NÓS FIXOS ....................................................................................................195 3.2 ESTRUTURAS DE NÓS MÓVEIS ...............................................................................................196 3.3 EXCENTRICIDADE DE PRIMEIRA ORDEM ...........................................................................200 3.4 EXCENTRICIDADE ACIDENTAL ..............................................................................................203 3.5 EXCENTRICIDADE DE 2ª ORDEM ...........................................................................................204 3.6 EXCENTRICIDADE DEVIDA À FLUÊNCIA ...........................................................................206 3.7 DETERMINAÇÃO DOS EFEITOS LOCAIS DE 2ª ORDEM ...................................................206 3.7.1 Método da curvatura aproximada .....................................................................................206 3.7.2 Método da rigidez aproximada...........................................................................................207 3.8 DETERMINAÇÃO DO MOMENTO FLETOR MÁXIMO .......................................................211 3.9 CÁLCULO DA ARMADURA LONGITUDINAL COM AUXÍLIO DE ÁBACOS................2163.9.1 Flexão composta normal ......................................................................................................217 3.9.2 Flexão composta oblíqua .....................................................................................................218 3.10 RELAÇÃO ENTRE A DIMENSÃO MÍNIMA E O COEFICIENTE DE PONDERAÇÃO ....219 3.11 DISPOSIÇÕES CONSTRUTIVAS ..............................................................................................220 LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................229 RESUMO DO TÓPICO 3......................................................................................................................235 AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................236 REFERÊNCIAS .......................................................................................................................................239 1 UNIDADE 1 INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM PLANO DE ESTUDOS A partir do estudo desta unidade, você deverá ser capaz de: • compreender os conceitos fundamentais que regem o dimensionamento de estruturas de concreto armado; • entender que o dimensionamento é regido por algumas normas técnicas; • entender os fatores envolvidos no dimensionamento dos elementos estruturais; • encontrar os Estados Limites dos elementos e realizar a verificação do mesmo quanto à segurança de utilização; • analisar o comportamento dos materiais em relação às deformações causadas pelo carregamento. Esta unidade está dividida em quatro tópicos. No decorrer da unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado. TÓPICO 1 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CONCRETO ARMADO TÓPICO 2 – MATERIAIS TÓPICO 3 – FUNDAMENTOS TÓPICO 4 – ELEMENTOS ESTRUTURAIS Preparado para ampliar seus conhecimentos? Respire e vamos em frente! Procure um ambiente que facilite a concentração, assim absorverá melhor as informações. CHAMADA 2 3 TÓPICO 1 UNIDADE 1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CONCRETO ARMADO 1 INTRODUÇÃO O concreto é um material composto de água, cimento e agregados. Como resultado da mistura destas matérias-primas é obtido: • pasta: mistura de cimento + água; • argamassa: mistura da pasta + agregado miúdo; • concreto: mistura da argamassa + agregado graúdo. O concreto ainda pode se dividir em diferentes categorias, de acordo com os materiais empregados e seu desempenho mecânico apresentado. Nessa perspectiva, pode-se citar: • microconcreto: concreto em que o agregado graúdo tem dimensões reduzidas; • concreto de alto desempenho: considera-se, em geral, o concreto em que a resistência à compressão supera os 50 Mpa. Inicialmente denominado de concreto de alta resistência, passou a ser chamado de concreto de alto desempenho devido à melhoria de outras propriedades que, principalmente, elevam a durabilidade das estruturas. A sua obtenção é conseguida normalmente com a utilização de sílica ativa para melhorar a interface entre os materiais utilizados e a utilização de aditivos químicos redutores de água. O uso desses aditivos é de extrema importância, uma vez que os concretos de alto desempenho se caracterizam por apresentar relação água/aglomerante inferior à 0,45. Cabe destacar que a recém-aprovada NBR 6118 (ABNT, 2014) passa a ser aplicada a concretos com resistência à compressão de até 90 MPa. Dentre os materiais constituintes da mistura de concreto, o cimento é o material mais caro, sendo que a maior justificativa de incorporar agregados é diminuir o consumo de cimento nas misturas de concreto, reduzindo o custo de sua aplicação sem que a qualidade da estrutura seja afetada. Quando se trata de comportamento de estruturas, a utilização de concreto de maneira isolada (sem uso de armaduras de aço) não é aconselhado. Isso porque o concreto apresenta bom desempenho mecânico frente aos esforços de compressão, porém não resiste bem à tração e os elementos estruturais quase sempre estão sujeitos a este tipo de esforços. Em um elemento estrutural submetido à flexão, a sua seção transversal apresenta tanto tensões de tração quanto de compressão. UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 4 Em situações que a estrutura é submetida à flexão pura, dependendo da intensidade dos esforços solicitantes, podem ocorrer fissuras na parte inferior do elemento (geralmente causada por pequena deformabilidade e baixa resistência à tração do concreto), uma vez que esta região está submetida a tensões normais de tração. O resultado da fissuração é a baixa capacidade resistente da viga ao esforço de momento fletor. Na região tracionada, na qual o concreto possui resistência praticamente nula, ele sofre fissuração tendendo a se deformar. Graças à aderência, arrasta consigo as barras de aço forçando-as a trabalhar e a absorver os esforços de tração consequentemente. Nas regiões comprimidas, uma parcela de compressão poderá ser absorvida pela armadura no caso do concreto, isoladamente, não ser capaz de absorver a totalidade dos esforços de compressão. Portanto, para aumentar a resistência da viga é importante associar o concreto a um material que tenha boa resistência à tração e seja mais deformável que a matriz cimentícia. Nesse aspecto, o aço é o material comumente utilizado, sendo implementado longitudinalmente na região tracionada da peça. Essa configuração faz com que os materiais (concreto e aço) trabalhem solidariamente, devido às forças de adesão entre as superfícies dos materiais. Isso porque o aço só vai ser solicitado quando, pela deformação do concreto que a envolve, começar a resultar em alongamento das barras, caracterizando armaduras passivas. É a aderência entre os materiais que faz com que o concreto se comporte como um material com fins estruturais. De acordo com a associação entre a argamassa, o concreto e o aço, é possível se trabalhar com: • argamassa armada ou microconcreto armado: associação entre argamassa simples e armaduras de pequeno diâmetro e pouco espaçadas e uniformemente distribuídas em toda a superfície composta de fios e telas de aço. • concreto reforçado com fibras: obtido pela adição de fibra metálica ou polimérica durante o preparo do concreto, fazendo com que a matriz (concreto) esteja ligada pelas fibras que o atravessam nas três dimensões. Normalmente empregado em peças com pequenos esforços, as fibras também são utilizadas como reforço frente ao fenômeno de retração, substituindo ou diminuindo a quantidade de armadura superficial ou estribos necessários nos elementos de concreto armado. • concreto armado: associação entre o concreto simples e a armadura convenientemente colocada de tal maneira que ambos resistam solidariamente aos esforços solicitantes. • concreto protendido: associação entre o concreto simples e armadura ativa na qual aplica-se uma força na armadura antes da atuação do carregamento sobre a estrutura. TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CONCRETO ARMADO 5 No caso desse tipo de concreto, a armadura ativa é utilizada para introduzir forças de compressão antes da utilização da estrutura, eliminando assim as tensões de tração com as cargas de uso. Essa operação é conhecida como protensão e confere ao concreto um acréscimo de resistência, impedindo ou limitando a sua fissuração. 2 VANTAGENS E DESVANTAGENS Como todo material escolhido para uma determinada utilização, o concreto armado também possui pontos positivos e negativos quanto ao seu uso estrutural. Apenas para efeito comparativo, serão apresentadas algumas vantagens e desvantagens do concreto armado. TABELA 1 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DO CONCRETO ARMADO FONTE: O autor Vantagens Desvantagens • Economia. • Grande peso próprio. • Boa resistência à maioria das solicitações. • Reformae demolições difíceis ou até impossíveis. • Boa trabalhabilidade. • Baixo grau de proteção térmica. • Durabilidade. • Necessidade de sistema de fôrmas e escoramentos, que geralmente precisam permanecer no local até que o concreto alcance a resistência adequada. • Manutenção e conservação praticamente nulas. • Resistência ao fogo. • Impermeabilidade. • Monolitismo. • Resistência ao desgaste mecânico. • Facilidade de execução. • Técnica razoavelmente dominada. • Permitem técnicas de pré-moldagem. 3 SISTEMAS E ELEMENTOS ESTRUTURAIS Para compreender melhor o estudo do concreto armado, inicialmente se analisa o comportamento da estrutura bem simples, apenas para que o leitor consiga diferenciar os conceitos de sistema estrutural e elemento estrutural. Os elementos estruturais são as peças (normalmente apresentando uma ou duas dimensões preponderantes sobre as demais) que fazem parte da estrutura. O modo como são arranjados pode ser chamado de sistema estrutural, e este arranjo influencia no comportamento da estrutura, tornando em muitos casos os UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 6 efeitos independentes dos materiais que constituem os elementos. Por exemplo, uma viga bi apoiada, com seção transversal na forma de ‘I”, pode ser executada tanto em aço quanto em concreto armado. Antes de abordar o procedimento de análise da estrutura, é importante conhecer o processo de sua produção, mesmo que simplificadamente. É intuitivo perceber que uma estrutura de concreto armado (ou mesmo seus elementos), depois de pronta, deve pesar algumas toneladas (ou newtons correspondentes), e que, portanto, se não houver equipamento adequado, é impossível produzi-la de uma só vez. Tem-se, então, de executá-la por pedaços, ou seja, confeccionando pequenas quantidades de concreto, transportando-as aos poucos (alguns quilos) e depositando-as nas fôrmas, preparadas e com as armaduras posicionadas. No entanto, se houver a necessidade de executar muitas estruturas (ou elementos) em pouco tempo, será possível utilizar o mesmo procedimento anterior? Não seria mais lógico e interessante fazer diversas peças de maneira simultânea? Neste caso, cada elemento não poderia ser feito em outro local, transportado até a obra e colocado em sua posição final de funcionamento? Caso não se disponha de equipamentos adequados (elevação e transporte, fôrmas etc.), seria mais viável adquiri-los ou alugá-los? A resposta a cada uma dessas questões depende de muitos fatores e de cada situação, mas é possível perceber que, basicamente, pode-se optar por um entre dois tipos de estruturas: as moldadas no local e as pré-moldadas. No primeiro caso, os diversos elementos são moldados (concretados) no local em que serão trabalhados. Para isso, além das fôrmas, deverá haver um sistema de escoramento adequado (suporte estrutural). Embora seja possível identificar esses elementos, não existe uma separação física entre eles. No segundo caso, os elementos são apenas montados no local definitivo e, portanto, é praticamente eliminada a necessidade de escoramento. De qualquer maneira, é evidente que as hipóteses de cálculo a empregar na análise estrutural deverão levar em conta o tipo de estrutura escolhida. No caso das estruturas em concreto armado moldadas no local, a interpretação e a análise do comportamento real da estrutura são geralmente complexas e difíceis, e nem sempre possíveis. Por essa razão, é importante entender que para montar modelos físicos e matemáticos que representem essas estruturas é preciso usar a técnica da discretização, que consiste em desmembrá-las em elementos cujos comportamentos possam ser admitidos já conhecidos e de fácil estudo. Essa técnica possibilita que se consiga, da maneira mais simples possível, analisar uma estrutura com resultados satisfatórios. TÓPICO 1 | CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE CONCRETO ARMADO 7 No caso das peças pré-moldadas, os modelos adotados na discretização são mais próximos da realidade, pois os elementos são feitos isoladamente com pouca continuidade em suas ligações (elas podem ser flexíveis ou semirrígidas, dependendo da maneira como são projetadas e executadas). Assim, fica clara a principal diferença entre a estrutura com concretagem no local e a pré- moldada: a primeira, desde que tenha armadura detalhada adequadamente, tem comportamento monolítico (um só elemento). Enquanto a segunda, em geral, não tem monolitismo entre seus elementos. Portanto, no caso das estruturas pré-fabricadas, seus elementos devem normalmente ser dimensionados como isolados e para as ações que recebem nas operações de transporte e lançamento. Uma estrutura pode ser considerada como a de uma garagem para carros, cuja discretização pode ser feita da seguinte maneira: a laje de concreto (plana) suporta seu peso, os revestimentos e mais alguma carga acidental (água da chuva, pessoas etc.); as vigas recebem os esforços da laje (placa de concreto) e os transmitem com seu próprio peso (mais o peso da parede, se houver), aos pilares; os pilares recebem todas as cargas e as transmitem, também com seu peso, para as fundações (no caso, blocos e estacas). Dessa forma, já está sendo montado um modelo físico de funcionamento do sistema e para que se possam aplicar os conhecimentos da teoria das estruturas, são necessárias algumas simplificações: admite-se que as vigas são apoios indeslocáveis na direção vertical para as lajes; que os pilares são apoios indeslocáveis na vertical para as vigas e são considerados, de modo simplificado, como bi rotulados em suas extremidades; as lajes são simplesmente apoiadas ou totalmente engastadas nas vigas; as ações nas vigas são uniformemente distribuídas etc. Com essas simplificações, é possível identificar algumas das estruturas estudadas em teoria das estruturas e calcular os esforços solicitantes nas seções, com a ajuda dos conceitos da resistência dos materiais. Concluindo, é importante destacar que para determinar o esforço que a fundação transmite ao solo, deve-se efetuar o cálculo (quando se usa a técnica da discretização) na seguinte sequência: lajes, vigas, pilares (superestrutura) e fundações (infraestrutura). Note que o cálculo é efetuado na sequência inversa da construção. UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 8 4 NORMAS TÉCNICAS Com a intenção de promover uma padronização na confecção de projetos, na execução e controle das obras e materiais com a finalidade de garantir a segurança adequada aos usuários e a qualidade do produto, há uma série de normativas que regulamentam os procedimentos a serem adotados. Essas normas são constantemente atualizadas por um comitê da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). No caso de projetos de estruturas de concreto armado, as principais normas são: • ABNT NBR 6118:2014 projeto de estruturas de concreto – procedimento. • ABNT NBR 6120:1980 (versão corrigida de 2000): cargas para cálculo de estruturas de edificações – procedimento. • ABNT NBR 8681:2003 (versão corrigida de 2004): ações e segurança nas estruturas – procedimento. • ABNT NBR 6123:1988 (versão corrigida 2 de 2013): forças devidas ao vento em edificações – procedimento. • ABNT NBR 14931:2004: execução de estruturas de concreto – procedimento. • ABNT NBR 9062:2006: projeto e execução de estruturas de concreto pré-moldado. • ABNT NBR 15200:2012: projeto de estruturas de concreto em situação de incêndio. • A8NT NBR,15421:2006: projeto de estruturas resistentes a sismos – procedimento. Como a ABNT NBR 6118 aborda apenas o projeto estrutural, foi necessário também elaborar uma nova norma que trata especificamente da etapa executiva, a ABNT NBR 14931:2004 (Execução das estruturas de concreto – procedimento). A ABNT NBR 6118 define os critérios gerais e requisitos básicos que regem o projeto das estruturas de concreto simples, armado e protendido, sejam elas de edifícios, pontes e viadutos, obrashidráulicas, arcos, silos, torres, portos ou aeroportos, estruturas offshore etc., mas ela deve ser complementada, quando for o caso, por outras normas brasileiras que estabeleçam critérios para estruturas específicas, tanto no que se refere ao projeto como a técnicas construtivas não convencionais. Aplica-se às estruturas de concretos convencionais com massa especifica seca maior do que 2000 kg/m³, não excedendo 2800 kg/m3, tanto do grupo 1 de resistência (C10 a C50) quanto do grupo II (C50 a C90), conforme classificação da ABNT NBR 8953:2015 (Concreto para fins estruturais – classificação pela massa específica, por grupos de resistência e consistência). A ABNT NBR 6118 não inclui requisitos exigíveis para evitar os Estados Limites gerados por certos tipos de ação como sismos, impactas, explosões e fogo. Também, nesses casos, devem ser consultadas as normas específicas. Deve-se ressaltar que situações as quais as normas brasileiras não fornecem informações para a elaboração de um criterioso projeto, execução ou controle da obra, deve-se buscar orientação em normativas estrangeiras para servir como embasamento do desenvolvimento do produto. 9 Neste tópico, você aprendeu que: • A nomenclatura do concreto varia de acordo com a sua constituição e com as propriedades que a mistura apresenta. • Assim, como todo material, a utilização de concreto armado apresenta vantagens e desvantagens. • Existem diversas normativas guiando o desenvolvimento de projeto de estruturas de concreto armado envolvendo a consideração de todos os elementos envolvidos durante a concepção da estrutura. RESUMO DO TÓPICO 1 10 1 Explique a diferença entre concreto de alto desempenho e microconcreto? 2 Com relação às normas ABNT relacionadas ao controle dos concretos estruturais, explique quais são os objetivos da NBR 6118:2014. AUTOATIVIDADE 11 TÓPICO 2 MATERIAIS UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO O comportamento das estruturas de concreto armado está diretamente ligado às características dos materiais que a compõe. Portanto, é necessário conhecer as características e as propriedades dos dois principais materiais, o concreto e o aço, para assim projetar, dimensionar e analisar uma estrutura de maneira eficiente. Na sequência, de posse desses conhecimentos, estuda-se o Concreto Armado, considerando o trabalho conjunto e solidário dos dois materiais. 2 PROPRIEDADES DO CONCRETO O concreto é um material constituído por cimento, água, agregado miúdo (areia) e agregado graúdo (brita ou pedra), sendo mais comum a brita 1, e pode conter adições e aditivos químicos, com a finalidade de melhorar ou modificar suas propriedades básicas. O concreto também pode conter outros materiais, como pigmentos coloridos, fibras, agregados especiais. No caso de aditivos, são largamente empregados os aditivos redutores de água, mais conhecidos por plastificantes e os superplastificantes, para reduzir a quantidade de água do concreto e possibilitar a trabalhabilidade necessária, resultando em misturas com maior resistência e durabilidade. A tecnologia do concreto busca a proporção ideal entre os diversos constituintes, procurando atender simultaneamente as propriedades requeridas (mecânicas, físicas e de durabilidade) com o melhor custo possível, e apresentando trabalhabilidade a fim de possibilitar o transporte, lançamento e adensamento do concreto para cada caso de aplicação. Concreto é um material de construção resultante da mistura de um aglomerante (cimento), com agregado miúdo (areia), agregado graúdo (brita) e água em proporções exatas e bem definidas. Atualmente, é comum a utilização de um novo componente — os aditivos —, destinados a melhorar ou conferir propriedades especiais ao concreto. UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 12 A pasta formada pelo cimento e água atua envolvendo os grãos dos agregados, enchendo os vazios entre eles e unindo esses grãos, formando uma massa compacta e trabalhável. A função dos agregados é dar ao conjunto condições de resistência aos esforços e ao desgaste, além de redução no custo e redução na contração. Ao longo do tempo, o concreto endurece em virtude de reações químicas entre o cimento e a água (hidratação do cimento). A resistência do concreto aumenta com o tempo, propriedade esta que o distingue dos demais materiais de construção. A propriedade marcante do concreto é sua elevada resistência aos esforços de compressão aliada a uma baixa resistência à tração. A resistência à tração é da ordem de 1/10 da resistência à compressão. Devido à baixa resistência à tração, procurou-se adicionar ao concreto outros materiais mais resistentes à tração, melhorando suas qualidades de resistência. A utilização de barras de aço juntamente com o concreto só é possível devido às seguintes razões: • Trabalho conjunto do concreto e do aço, assegurado pela aderência entre os dois materiais: na região tracionada em que o concreto possui resistência praticamente nula, ele sofre fissuração tendendo a se deformar, o que graças à aderência, arrasta consigo as barras de aço, forçando-as a trabalhar e, consequentemente, a absorver os esforços de tração. Nas regiões comprimidas, uma parcela de compressão poderá ser absorvida pela armadura, no caso do concreto, isoladamente, não ser capaz de absorver a totalidade dos esforços de compressão. • Os coeficientes de dilatação térmica do aço e do concreto são praticamente iguais: ◦ concreto: (0,9 a 1,4) x 10-5 / °C (mais frequente 1,0 x 10-5 / °C); ◦ aço: 1,2 x 10-5 / °C. ◦ Esta diferença de valores é insignificante: ◦ adota-se para o concreto armado = 1,0 x 10-5 / °C. • O concreto protege de oxidação o aço da armadura garantindo a durabilidade da estrutura: ◦ por meio do cobrimento das barras protegendo dos agentes agressivos do ambiente (proteção física); ◦ em ambiente alcalino (devido a hidratação do cimento), surge uma camada química inibidora em torno da armadura (proteção química). Entre as propriedades do concreto, as principais a serem consideradas em qualquer projeto de estruturas de concreto armado são: TÓPICO 2 | MATERIAIS 13 • Módulo de elasticidade: o módulo de elasticidade do concreto deve ser obtido segundo ensaio descrito na NBR 8522. Na impossibilidade da realização do ensaio e de não existirem dados mais precisos sobre o concreto, é possível realizar a estimativa de acordo com a norma NBR 6114/14, através do uso da seguinte expressão: Para concretos com fck de 20 a 50 MPa: Eci = αe 5600 ⋅ (fck)0,5, em que Eci e fck são dados em megapascal (MPa). Sendo: • αe= 1,2 para basalto e diabásio; • αe = 1,0 para granito e gnaisse; • αe = 0,9 para calcário; e • αe = 0,7 para arenito. Para concretos com fck de 55 a 90 MPa: 1 3 321,5.10 1,25 10 ck ci e fE α = + Quando for o caso, é esse o módulo de elasticidade a ser especificado em projeto e controlado na obra. Ao ser utilizado o módulo secante nas análises elástica de projetos, principalmente para a determinação dos esforços solicitantes e verificação dos Estados Limites de Serviço, este valor deve ser calculado através da equação: Em que: Ecs = αi Eci αi = 0,8+0,2. (fck/80) ≤ 1,0 A NBR 6118 fornece uma tabela com valores arredondados para serem utilizados em projetos estruturais considerando o granito como agregado graúdo. UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 14 TABELA 2 – VALORES ESTIMADOS DE MÓDULO DE ELASTICIDADE EM FUNÇÃO DO FCK DO CONCRETO, CONSIDERANDO GRANITO COMO AGREGADO GRAÚDO FONTE: Bastos (2019, p. 22) Classe de resistência C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C60 C70 C80 C90 Eci (GPa) 25 28 31 33 35 38 40 42 43 45 47 Ecs (GPa) 21 24 27 29 32 34 37 40 42 45 47 αi 0,85 0,86 0,88 0,89 0,90 0,91 0,93 0,95 0,98 1,00 1,00 Para a avaliação dos elementos estruturais ou da sua seção transversal é possível adotar um único módulo de elasticidade igual ao módulo secante (Ecs). Na avaliação global da estrutura, pode ser utilizadoem projeto o módulo de elasticidade tangente inicial (Eci). O módulo de elasticidade ainda pode ser avaliado em idades diferentes dos 28 dias normalmente utilizados. Neste caso, quando em idades menores que 28 dias, pode ser avaliado pelas expressões a segui, substituindo o valor de fck por fcj. Para fck de 20 a 45 MPa: ( ) 0,5 ckj ci ci ck f E t E f = ( ) 0,3 ckj ci ci ck f E t E f = Para fck de 50 a 90 MPa: Em que: • Eci (t) = estimativa do módulo de elasticidade do concreto em uma idade entre 7 dias e 28 dias; • fckj = resistência característica do concreto à compressão na idade em que se pretende estimar o módulo de elasticidade, em MPa. a) Resistência de Cálculo do Concreto: A resistência de cálculo do concreto (fcd) utilizado na análise é obtida segundo as seguintes recomendações. TÓPICO 2 | MATERIAIS 15 b) quando a verificação se faz em data j igual ou superior a 28 dias, adota-se a expressão: ck cd c ff γ = Para ser possível a utilização desta equação, faz-se necessário que a resistência mecânica à compressão do concreto seja adquirida aos 28 dias, confirmando assim o fck do concreto. c) quando a verificação se faz em data j inferior a 28 dias, adota-se a expressão: 1. ckj ck cd c c f ff β γ γ = ≅ Em que β1 é a relação fckj/fcj e, esta é dada por: 1 28. 1exp s t β = − Sendo: • s = 0,38 para concreto de cimento CPIII e IV; • s = 0,25 para concreto de cimento CPI e II; • s = 0,20 para concreto de cimento CPV-ARI; • t é a idade efetiva na análise dos esforços resistentes do concreto, em dias. A verificação deve ser feita aos t dias, com o carregamento aplicado nessa mesma idade. Ainda deve ser realizada a verificação a carga resistente aos 28 dias. Portanto, o controle do concreto deve ser realizado em duas etapas, na idade t desejada e, aos 28 dias, de forma a confirmar os coeficientes fckj e fck adotado no projeto. d) Diagrama tensão-deformação: Quando se fala em concreto, é admitido que para tensões de compressão inferiores à 0,50.fc, a relação entre tensão e deformação pode ser admitida linear. Portanto, é possível adotar para o módulo de elasticidade em situações compreendidas neste intervalo o valor secante, dado pela equação mostrada anteriormente. UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 16 FIGURA 2 – DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO PARA CONCRETOS DE DIFERENTES RESISTÊNCIAS FONTE: Adaptado de Mehta e Monteiro (2014) Para concretos de classe até C50: O diagrama simplificado é composto por uma parábola do 2º grau que passa pela origem e tem seu vértice no ponto de abscissa 2‰ e ordenada 0,85.fcd e de uma reta entre as deformações 2‰ e 3,5‰, tangente à parábola e paralela ao eixo das abscissas (figura anterior). A equação da parábola do 2º grau é: 2 0,85. 1 1 0,002 c c cdf εσ = − − Em análises de Estado Limite Último, pode ser empregado o diagrama empregado o diagrama tensão-deformação idealizado. FIGURA 3 – DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO IDEALIZADO FONTE: ABNT (2014, p. 24) TÓPICO 2 | MATERIAIS 17 Sabendo que a resistência do concreto depende de inúmeros fatores, para fins de dimensionamento é possível admitir a resistência do material sendo 0,85*fc, sendo que o valor de 0,85 é o produto de três coeficientes (kmod1, kmod2, kmod3). Sendo: • Kmod1 = efeito de ganho de resistência do concreto após 28 dias de hidratação (kmod1=1,23); • Kmod2 = perda de resistência do concreto em ensaio de carga permanente (kmod2 = 0,72); e • Kmod3 = correção do erro associado ao ensaio de corpos de prova cilíndrico e a real resistência do concreto na estrutura (kmod3 = 0,96). O diagrama é uma idealização de como o concreto se deforma (encurta) sob tensões de compressão. Para a deformação de encurtamento de até 2‰ (2 mm/m) a lei de variação é de acordo com a parábola do 2° grau. Após 2‰ o concreto sofre um encurtamento plástico até o valor máximo de 3,5‰, ou seja, considera-se que o máximo encurtamento que o concreto possa sofrer seja de 3,5‰ (3,5 mm/m). A tensão máxima de compressão no concreto é limitada pelo fator 0,85, isto é, no cálculo das peças não se considera a máxima resistência dada por fck, e sim um valor reduzido em 15 %. Para concretos de classe até C55 até C90: O diagrama simplificado é composto por uma parábola que passa pela origem e tem seu vértice correspondente à deformação εc2 e ordenada 0,85*fcd, e de uma reta entre as deformações εc2 e εcu. FIGURA 4 – DIAGRAMA TENSÃO–DEFORMAÇÃO À COMPRESSÃO IDEALIZADO PARA CONCRETOS DE CLASSES C55 ATÉ C90 FONTE: Bastos (2019, p. 24) εc εε cuc2 0,85 f fck cd σc UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 18 A equação da parábola é: ( ) ( ) ( ) 2 4 0,535 2 4 0,85. 1 1 90 1,4 23,4 100 0,002 8,5.10 . 50 90 0,0026 0,035. 100 n c c cd c ck c ck ck cu f f n f f εσ ε ε ε − = − − − = + = + − − = + A deformação máxima de 3,5‰ (para concretos até o C50), é convencional e foi escolhida entre valores que podem variar desde 2‰ para seção transversal com a linha neutra fora da seção transversal, até 5 ‰ para seções triangulares. A deformação última de 3,5‰ indica que nas fibras mais comprimidas a máxima deformação de encurtamento que o concreto pode sofrer é de 3,5 mm em cada metro de extensão da peça. Convenciona-se que, ao atingir esta deformação, o concreto estaria na iminência de romper por esmagamento. Estes fatores já são considerados no momento de cálculo e dimensionamento da estrutura. Porém, para fins de verificação de segurança da estrutura, ainda se faz necessário a comprovação da resistência de projeto ser atingida aos 28 dias, conforme solicitado pelo engenheiro responsável. Sabendo que o único ensaio de caracterização do concreto é a realização do ensaio de resistência mecânica aos 28 dias, sabendo que o concreto é confeccionado com agregados basálticos e apresenta fck aos 28 dias de 45 MPa, qual é o módulo de elasticidade a ser considerado no dimensionamento da estrutura? Sendo: αe = 1,2; E ci = 21,5.103. 1,2. ((45/10) + 1,25)1/3 E ci = 46,22 GPa ATENCAO 1 3 321,5.10 1,25 10 ck ci e fE α = + TÓPICO 2 | MATERIAIS 19 3 CARACTERÍSTICAS DO AÇO Os tipos e características das barras e fios de aço destinados a armaduras de concreto armado são definidos pela normativa ABNT NBR 7480:2007. Nesta versão da norma, foi excluída a categoria CA-40 (aço para concreto armado que apresenta tensão de escoamento mínima de 40 kN/cm², uma vez que esta classe não era especificada em projetos e muito menos produzidas pelas siderúrgicas, sendo mantido apenas as classes CA-25, CA-50 e CA-60. Os aços ainda são divididos pela NBR 7480 em duas classes (A e B), sendo os aços de classe A produzidos pelo processo de laminação a quente, e os de classe B produzidos por laminação a frio ou trefilação. A versão desta mesma norma atualizada em 2007 limita que todo material em barras (CA-50 e CA-25) devem ser produzidos por laminação a quente e que todos os fios, característica do aço CA-60, devem ser fabricados por trefilação ou processo equivalente, sendo que estes fios devem ter diâmetro nominal inferior a 10 mm. Exemplo de tipos de trefiladores usados na fabricação do aço: trefilador de bancada (esquerda) e trefilador de tambor (direita). FONTE: <https://lcsimei.files.wordpress.com/2013/01/notas-de-aula_manutenc3a7c3a3o- industrial_7_simei.pdf>. Acesso em: 22 out. 2019. Exemplo de laminador de tiras a quente. FONTE: <https://image.slidesharecdn.com/arcelormittal-130306105443-phpapp02/95/ apresentao-da-arcelormittal-26-638.jpg?cb=1362567473>. Acesso em: 22 out. 2019. IMPORTANT E matriz de metal duro caixa de aço da matriz garra carro de estiramento bancada de estiramento lubrificante retentor da matriz Fieira 2 Fieira 1 Tambor 1 Tambor 2 Polia de reversão Engrenagens planetárias deinterligação de tambores Resfriamento Laminar Coil box Forno de reaquecimento Bobinadeira Trem acabadorLaminador de desbaste UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 20 Do ponto de vista do material, é extremamente importante a diferenciação entre aço e ferro. Neste caso, a principal diferença é o teor de carbono presente na liga, em que o aço possui um teor inferior a 2,04% e o ferro possui entre 2,04% e 6,7%. As barras e fios utilizados em concreto armado possuem normalmente um teor de carbono compreendido entre 0,08% e 0,50%, sendo denominado tecnicamente como aço, apesar de ser usualmente chamada de ferro. A propriedade elástica dos aços (módulo de elasticidade Es) é considerada constante e seu valor de 210 GPa. Em seu diagrama tensão-deformação, a resistência ao escoamento característico, a resistência à tração característica e a deformação na ruptura são conhecidos como, respectivamente, fyk, fstk e εuk. Seus valores devem ser obtidos através de ensaios de tração, com procedimentos descritos na NBR ISO 6892-2:2013. Em aços que não apresentam o patamar de escoamento, o valor de fyk é o valor correspondente à tensão na qual a amostra apresenta deformação permanente de 2‰. Para a análise do Estado Limite de Serviço e último, utiliza- se do diagrama simplificado (mostrado na figura a seguir) para aços com ou sem patamar de escoamento. FIGURA 5 – DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO PARA AÇOS DE ARMADURAS PASSIVAS FONTE: Adaptado de ABNT (2014) Nos aços com patamar de escoamento definidos, a deformação específica de cálculo (εyd) é obtida através da expressão: yd yd s f E ε = Sendo: Es = módulo de elasticidade do aço (210 GPa); fyd = tensão de escoamento do aço (fyk/1,15); e fyk = resistência característica do aço. σs f yk f yd E s εsεyd 10%o TÓPICO 2 | MATERIAIS 21 Como o aço CA-60 não apresenta o patamar de escoamento, a NBR 6118:2014 permite, assim como para os aços com patamar, utilizar para os cálculos nos Estados Limites de Serviço e último, o diagrama simplificado apresentado na figura anterior. No caso de aços que não apresentam patamar, a norma admite o valor de fyk, sendo a tensão encontrada na deformação permanente no aço igual a 2‰. A NBR 6118 ainda contém algumas propriedades dos aços, em concordância com as novas prescrições da norma quanto a relação x/d, conforme apresentado a seguir. TABELA 3 – PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO FONTE: Adaptado de Bastos (2019) Aço fyk [MPa] fyd [MPa] εyd x/d CA-25 250 217 0,104 0,7709 CA-50 500 435 0,207 0,6283 CA-60 600 522 0,248 0,5900 22 RESUMO DO TÓPICO 2 Neste tópico, você aprendeu que: • Nas estruturas, o aço é utilizado para que o elemento resista à esforço de tração, uma vez que o concreto apresenta pouca resistência a esse tipo de esforço. • Coeficiente de dilatação entre aço e concreto é praticamente igual. • O módulo de elasticidade do concreto depende dos agregados que o compõe. • Diferentemente dos concretos, a maioria dos aços apresentam patamares de escoamento bem definidos. • Os aços de diferentes resistências apresentam diferentes valores de deformações específicas de escoamento. 23 1 Referente aos aços utilizados em construções civis, assinale a(as) sentença(as) CORRETA(S): a) ( ) O aumento de teor de carbono do aço eleva a sua resistência, porém diminui a ductilidade. b) ( ) O módulo de elasticidade é praticamente igual para todos os tipos de aço, com valor aproximado de 210 KN/mm². c) ( ) Os aços podem ter sua resistência diminuída pela ação de baixas temperaturas do ambiente ou efeitos térmicos locais causados por solda elétrica, por exemplo. d) ( ) O aço é mais elástico do que o concreto, pois seu Módulo de Elasticidade é maior do que o Módulo de Elasticidade do Concreto. e) ( ) O aço é utilizado na estrutura de pilares para que tenham seções menores do que se fossem constituídos exclusivamente de concreto simples. 2 Em obras usuais e situações normais, o coeficiente de minoração da resistência do aço empregado como armadura de estruturas de concreto armado é igual a: a) ( ) 1,10. b) ( ) 1,15. c) ( ) 1,25. d) ( ) 1,40. e) ( ) 1,50. 3 Em obras usuais e situações normais, o coeficiente de minoração da resistência do concreto é igual a: a) ( ) 1,10. b) ( ) 1,15. c) ( ) 1,25. d) ( ) 1,40. e) ( ) 1,50. AUTOATIVIDADE 24 25 TÓPICO 3 FUNDAMENTOS UNIDADE 1 1 INTRODUÇÃO A NBR 6118 apresenta uma série de requisitos, exigências e parâmetros para possibilitar que as estruturas de concreto projetadas e executadas tenham a qualidade e durabilidade necessária. Sendo assim, neste tópico será dado o início da abordagem do dimensionamento dos elementos de concreto armado, trazendo para você, acadêmico, o início de todo o embasamento para que nas demais unidades seja possível desenvolver um projeto que atenda as premissas de uma boa engenharia, as quais se resume em uma melhor solução, com menor custo possível, atendendo os esforços solicitantes e os parâmetros de durabilidade exigidos por norma. Portanto, neste tópico entraremos mais especificamente na base de todo o dimensionamento, desde a nomenclatura utilizada aos princípios de cálculo e, estes princípios lhes acompanharão ao longo do desenvolvimento da disciplina. 2 SIMBOLOGIA ESPECÍFICA Antes de iniciarmos o estudo do dimensionamento das estruturas é essencial termos familiaridade com a simbologia adotada. Para isso, segue a lista de simbologia dos termos utilizados para auxiliar nos estudos: 26 UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO QUADRO 1 – SIMBOLOGIA DOS TERMOS a distância entre pontos de momento fletor nulo. ah espaçamento horizontal mínimo livre entre as faces das barras longitudinais, medido no plano da seção transversal. ah,cal valor de ah calculado. ah,min valor mínimo de ah. av espaçamento vertical mínimo entre as faces das barras longitudinais, medido no plano da seção transversal. a1 distância além da face de apoio de viga (distância à esquerda). a2 distância além da face de apoio de viga (distância à direita) bf largura colaborante da mesa de uma viga de seção T. bnec largura de viga necessária para abrigar um conjunto de barras em uma mesma camada. bw largura da alma de uma viga. b1 parte de bf definida pela existência de vigas paralelas. b2 distância entre vigas paralelas, contadas a partir das mísulas, se existirem. b3 parte de bf definida pela existência de lajes em balanço. b4 largura da laje em balanço, contada a partir da mísula, se existir. c cateto vertical de mísula. cnom cobrimento nominal da armadura. d altura útil da viga – distância da fibra de concreto mais comprimida até o centro de gravidade de armadura tracionada. dadt valor adotado para d (altura útil). dcal valor calculado para d (altura útil). dmax dimensão máxima característica do agregado graúdo. d' distância da fibra de concreto mais comprimida até o centro de gravidade da armadura comprimida. d’adt valor adotado para d’. d’cal valor calculado para d’. fcd resistência à compressão do concreto de cálculo. fck resistência à compressão do concreto característica. fctk,sup resistência característica superior à tração do concreto. fyd resistência ao escoamento do aço de cálculo. fyk resistência ao escoamento do aço característica. gk valor característico da ação permanente. h altura da viga. hf espessura da mesa de uma viga de seção T. l vão. lef vão efetivo de viga. l0 distância entre faces de dois apoios consecutivos. n número de barras em uma camada. qk valor característico da ação variável. s espaçamento entre as barras que constituem a armadura de pele. t1 largura de a apoio paralelo ao vão de viga (largura à esquerda). t2 largura de a apoio paralelo ao vão de viga (largura à direita). x profundidadeda linha neutra. y profundidade do retângulo de tensões σc. ycg posição do centro de gravidade da seção transversal de um conjunto de barras longitudinais em relação ao centro da armadura mais afastada, medida a partir da linha neutra. yf distância do centro de gravidade de uma seção T à fibra da mesa mais afastada da linha neutra, medida normalmente a esta. TÓPICO 3 | FUNDAMENTOS 27 yi posição da barra Asi na determinação do centro de gravidade da seção transversal de um conjunto de barras longitudinais (tracionadas ou comprimidas). yw distância do centro de gravidade de uma seção T à fibra da alma mais afastada da linha neutra, medida normalmente a esta. z braço de alavanca do binário de forças Rcd / Rsd ou Rcd1 / Rsd1. Ac área de concreto. Acc área de concreto comprimido. As área da seção transversal da armadura longitudinal tracionada. Asi área da seção transversal de uma barra que compõe a uma armadura longitudinal. As,apoio área da seção transversal da armadura longitudinal tracionada existente em apoio. As,cal área calculada da seção transversal da armadura longitudinal tracionada. As,ef área efetiva da seção transversal da armadura longitudinal tracionada. As,max área máxima da seção transversal da armadura longitudinal tracionada. As,min área mínima da seção transversal da armadura longitudinal tracionada. As,pele armadura de pele (armadura lateral de viga). As,vão área da seção transversal da armadura longitudinal tracionada existente em vão de viga. As1 área da seção transversal da armadura longitudinal tracionada, referenciada ao binário MRd1. As2 área da seção transversal da armadura longitudinal tracionada, referenciada ao binário MRd2. As3 área da seção transversal da armadura longitudinal tracionada, referenciada ao binário MRd3. A's área da seção transversal da armadura longitudinal comprimida. A’s,cal área calculada da seção transversal da armadura longitudinal comprimida. A’s,ef área efetiva da seção transversal da armadura longitudinal comprimida. Es módulo de elasticidade do aço. Gk valor característico da ação permanente. I momento de inércia. Mapoio momento fletor existente em apoio de viga. Md,min momento fletor mínimo (valor de cálculo). Mgk momento fletor característico decorrentes de ações permanentes. Mqk momento fletor característico decorrentes de ações variáveis. Mvão momento fletor existente em vão de viga. MRd momento fletor resistente de cálculo. MRd1 momento fletor resistente de cálculo referenciado ao binário Rcd1 / Rsd1. MRd2 momento fletor resistente de cálculo referenciado ao binário R’sd2 / Rsd2. MRd3 momento fletor resistente de cálculo referenciado ao binário Rcd3 / Rsd3. MRd,mesa momento fletor resistente de cálculo referenciado ao binário Rcd/Rsc para a condição y=hf. MSd momento fletor solicitante de cálculo. MSd1 momento fletor solicitante de cálculo que contrapõe ao momento fletor resistente de cálculo MRd1. MSd2 momento fletor solicitante de cálculo que contrapõe ao momento fletor resistente de MRd2. MSd3 momento fletor solicitante de cálculo que contrapõe ao momento fletor resistente de cálculo MRd3. Qk valor característico da ação variável. Rcd força resistente de cálculo atuante na região de concreto comprimido. Rcd1 força resistente de cálculo atuante na região de concreto comprimido de área bw y. 28 UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Rcd3 força resistente de cálculo atuante na região de concreto comprimido de área (bf - bw) y. Rsd força resistente de cálculo atuante na armadura tracionada. Rsd1 força resistente de cálculo atuante na armadura tracionada de área As1. Rsd2 força resistente de cálculo atuante na armadura tracionada de área As2. Rsd3 força resistente de cálculo atuante na armadura tracionada de área As3. R'sd2 força resistente de cálculo atuante na armadura comprimida. W0 módulo de resistência da seção transversal bruta de concreto, relativo à fibra mais tracionada. W0,w módulo de resistência da seção transversal bruta de concreto, relativo à fibra mais tracionada, no caso a fibra da alma (w) mais afastada da linha neutra. αc parâmetro de definição da tensão c, considerada constante ao longo de y. β variável adimensional. βc valor adimensional auxiliar. βs valor adimensional que define a tensão de tração referente à armadura As. β’s valor adimensional que define a tensão de compressão referente à armadura A’s. βx valor adimensional que define a posição da linha neutra. βx,dtl valor adimensional que define posição da linha neutra correspondente ao limite de ductilidade da seção transversal. βx,23 valor de βx que define a passagem do domínio 2 para o domínio 3. βx,34 valor de βx que define a passagem do domínio 3 para o domínio 4. βy valor adimensional que define a região de concreto comprimido. βz valor adimensional que define o braço de alavanca do binário de forças Rcd / Rsd. εc deformação específica do concreto. εcu deformação específica de encurtamento do concreto na ruptura. εc2 deformação específica de encurtamento do concreto no início do patamar plástico. εs deformação específica do aço à tração. ε's deformação específica do aço à compressão. εyd deformação específica de escoamento do aço. φ diâmetro das barras da armadura. φλ diâmetro da barra longitudinal. φt diâmetro da barra transversal (estribo). γc coeficiente de ponderação da resistência do concreto. γg coeficiente de ponderação para ações permanentes diretas. γq coeficiente de ponderação para ações variáveis diretas. γs coeficiente de ponderação da resistência do aço. λ parâmetro de definição da profundidade do retângulo de tensões σc. ρmax taxa geométrica máxima de armadura longitudinal de tração. ρmin taxa geométrica mínima de armadura longitudinal de tração. ρret taxa geométrica máxima de armadura longitudinal de tração para seção retangular. ρT taxa geométrica máxima de armadura longitudinal de tração para seção T. ρT,max taxa geométrica máxima de armadura longitudinal de tração para seção T. σc tensão à compressão no concreto. σs tensão à tração na armadura. σ's tensão à compressão na armadura. ∆ percentual que indica variação de área (de armadura ou de concreto). ∆l trecho de viga. D DR S≥ FONTE: Argenta (2016c, p. 1-4) TÓPICO 3 | FUNDAMENTOS 29 3 DIMENSIONAMENTO O dimensionamento de uma estrutura deve garantir que ela suporte de maneira segura, estável e sem deformações excessivas as solicitações as quais está sendo submetida durante a execução e utilização. Desta forma, o cálculo da estrutura tem como objetivo impedir a ruína da estrutura ou de parte dela. Quando se fala em ruína, não se entende apenas o perigo de ruptura, ameaçando a vida de quem ocupa a edificação, mas também situações em que a estrutura não apresente um perfeito estado para a sua utilização devido às deformações excessivas. De acordo com a NBR 6118:2014, a execução da análise estrutural é realizada com a finalidade de verificar a estrutura perante os Estados Limites de Serviço e Estado Limite Último. Em outras palavras, o dimensionamento da estrutura tem como premissa garantir com segurança que a estrutura mantenha certas características que possibilitem a utilização satisfatória da edificação durante a sua vida útil, considerando as finalidades projetadas. No entanto, não se pode pretender que uma estrutura tenha segurança total contra todos os fatores aleatórios que intervêm em uma edificação no processo de concepção, execução e utilização. A insegurança está relacionada principalmente pelos seguintes fatores: • resistência dos materiais utilizados; • características geométricas da estrutura; • ações permanentes e variáveis; • valores dassolicitações calculados, que podem ser diferentes dos reais em virtude de todas as imprecisões inerentes ao processo de cálculo. Portanto, o objetivo do cálculo da estrutura consiste em uma das seguintes operações: • comprovar que uma seção conhecida é capaz de resistir às solicitações mais desfavoráveis que poderão atuar; • dimensionar uma seção para que suporte as solicitações máximas a que poderá estar sujeita. Os métodos conhecidos de cálculo são divididos em método clássico, no qual se analisa as tensões admissíveis, e os métodos de cálculo de ruptura, no qual são analisados os Estados Limites da Estrutura. 30 UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 3.1 MÉTODO CLÁSSICO Nestes métodos são determinadas as solicitações devido às cargas máximas de serviço e são calculadas as tensões máximas correspondentes a essas solicitações, supondo um comportamento completamente elástico dos materiais. As tensões máximas então podem ser limitadas a uma fração da resistência dos materiais, garantindo assim a segurança da estrutura. São conhecidos como métodos determinísticos, nos quais são fixos os parâmetros de partida para o cálculo como, nesse caso, a resistência dos materiais e cargas aplicadas. Esse tipo de método apresenta algumas restrições: • normalmente leva à superdimensionamento das estruturas, uma vez que leva em consideração os carregamentos máximos possíveis, raramente atingido na vida útil da estrutura; • não considera a capacidade de adaptação plástica dos materiais, as quais fazem resistir à maiores solicitações; • não é possível verificar a verdadeira margem de segurança do projeto, uma vez que se baseia apenas no valor das tensões das cargas de serviço, supondo que a estrutura permaneça em regime elástico durante a sua utilização, não havendo informação sobre a capacidade de a estrutura receber mais carga; • há situações em que as solicitações não são proporcionais às ações e um pequeno aumento das ações podem provocar um grande aumento das solicitações. 3.2 MÉTODO DE RUPTURA Neste método a segurança é garantida fazendo com que as solicitações correspondentes às cargas majoradas sejam menores que as solicitações últimas, estas que levariam a estrutura ao colapso se os materiais apresentassem suas resistências reais minoradas pelos coeficientes de ponderação de resistências. A ABNT 6118:2014 estabelece que a segurança da estrutura de concreto armado deve ser verificada a meio de atender as condições construtivas e analíticas de segurança. Em termos construtivos, devem-se tomar cuidados especiais em relação aos critérios de detalhamento, controle de materiais, principalmente de acordo com as normativas NBR 12654 e NBR 12655, além do controle de execução da obra, conforme a NBR 14931. Já as condições analíticas de segurança são abordadas pela NBR 6118, a qual indica que a resistência não pode ser menor do que as solicitações e, ainda devem ser verificadas em relação a todos os Estados Limites e todos os carregamentos especificados para o tipo de construção. Portanto, a seguinte condição precisa ser TÓPICO 3 | FUNDAMENTOS 31 respeitada para a realização desta verificação do Estado Limite Último, em que ocorre a perda de estabilidade do corpo rígido: D DR S≥ Neste caso, Rd e Sd devem assumir os valores de cálculo das ações estabilizantes e desestabilizantes, respectivamente. Portanto, Rd é o valor dos esforços resistentes de cálculo e Sd é o valor de cálculo dos esforços solicitantes. Este método é um processo simplificado de verificação de segurança estrutural, tendo em vista que uma análise probabilística completa seria de difícil execução. Portanto é admitido que a estrutura seja segura quando as solicitações de cálculo são menores ou iguais que os valores resistidos pela estrutura no Estado Limite considerado. Assim, é possível resumir este método de análise nos seguintes passos: • adotar os valores característicos das solicitações e das resistências dos elementos e, desta forma, aceita-se que as resistências efetivas possam ser inferiores aos seus valores característicos e que as ações efetivas possam ser superiores aos valores característicos. • cobrir os demais elementos de incerteza existentes no cálculo estrutural pela transformação dos valores característicos em valores de cálculo. Neste caso, minoram-se as resistências dos elementos e majoram-se as ações. 4 DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS De acordo com o proposto na norma NBR 6118:2014, as estruturas devem ser projetadas e construídas de modo que conservem sua segurança, estabilidade e aptidão em serviço sob as condições climáticas e sua utilização seja conforme o previsto durante o projeto. Nesta norma ainda é definida a vida útil de projeto, este sendo o período de tempo durante o qual as estruturas conseguem manter as suas características sem intervenções significativas, desde que atendidos os requisitos de uso e manutenção prescritos pelo projetista e pelo construtor, assim como de execução de reparos necessários decorrentes de danos acidentais. Nem todas as partes da estrutura possuem a mesma vida útil, ou seja, cada elemento da estrutura tem sua própria vida útil estimada. Portanto, as recomendações da NBR 12655 devem ser sempre seguidas para se alcançar a durabilidade da estrutura, com atitudes de controle ainda no processo construtivo. Portanto, para visar a durabilidade da estrutura em projeto, devem ser considerados no mínimo mecanismos de envelhecimento e deterioração da estrutura relativos ao concreto, aço e à própria estrutura. 32 UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AO DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 4.1 AGRESSIVIDADE DO AMBIENTE A agressividade do meio ambiente é relacionada com as ações físicas e químicas que atuam sobre as estruturas, independentemente das ações mecânicas, variações volumétricas ou outras que possam ser previstas no dimensionamento das estruturas. Na ocasião de projetos estruturais, a agressividade ambiental deve ser classificada de acordo com os parâmetros apresentados na tabela seguinte, conforme apresentado pela NBR 6118. O responsável do projeto pode considerar a classificação mais agressiva do que as apresentadas pelo ambiente no qual a estrutura será construída. Sabe-se que a durabilidade de uma estrutura está altamente dependente das características do concreto e da espessura e qualidade do cobrimento de concreto em torno da armadura. TABELA 4 – CLASSES DE AGRESSIVIDADE AMBIENTAL Classe de Agressividade Ambiental Agressividade Classificação do tipo de ambiente para efeito de projeto Risco de deterioração da estrutura I Fraca Rural InsignificanteSubmersa II Moderada Urbana Pequeno III Forte Marinha GrandeIndustrial IV Muito Forte Industrial ElevadoRespingo de Maré FONTE: Adaptado de ABNT (2014) Na falta de ensaios comprobatórios de desempenho de durabilidade da estrutura frente ao tipo e classe de agressividade prevista em projeto, utiliza-se a relação da classe de agressividade com a relação a/c máxima permitida e classes de concreto, conforme mostrado na Tabela 4, de acordo com a norma NBR 6118 e, deve-se lembrar que esta relação é prevista para concretos que obedecem a NBR 12655, a qual estabelece critérios de fabricação do concreto. TÓPICO 3 | FUNDAMENTOS 33 TABELA 5 – CORRESPONDÊNCIA ENTRE CLASSE DE AGRESSIVIDADE E QUALIDADE DO CONCRETO Concreto Classe de agressividade I II III IV Relação a/c em massa ≤ 0,65 ≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,45 Classe de concreto ≥ C20 ≥ C25 ≥ C30 ≥ C40 FONTE: Adaptado de ABNT (2014) Na confecção do concreto não é recomendado o uso de aditivos à base de cloretos e, caso este tipo de aditivo seja utilizado, deve-se tomar o cuidado para que o teor de cloro na mistura de concreto (contabilizando o teor encontrado na água de amassamento) não ultrapasse teores de 0,30%. Tendo em vista que uma das funções do concreto é de proteção das armaduras, portanto o cobrimento mínimo é o menor valor que se
Compartilhar