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Sistemas estruturais (Concreto)

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Sistemas Estruturais (Concreto)
Arquitetura e Urbanismo
Unidade I
Qualidades de um material estrutural
As duas principais qualidades de um
material devem ter para poder ser
utilizado como elemento estrutural é a
resistência e a durabilidade.
Os materiais que eram utilizados desde
atividades em estruturas eram
basicamente a pedra e a madeira -
elementos extraídos da natureza. Ambas
possuem uma capacidade de resistência
muito boa, então elas eram utilizadas
para fazer pontes, casas e estruturas
variadas.
A pedra é um material que tem alta
resistência a esforços, principalmente a
compressão mas baixa resistência à
tração e uma durabilidade muito grande.
A dificuldade é na sua obtenção, a
retirada da natureza é mais complexa.
Já a madeira é muito mais fácil de ser
extraída para uso, tem boa resistência a
esforços de compressão e de tração
porém sua durabilidade é limitada.
O concreto
O concreto possui alta resistência a
esforços de compressão mas
praticamente não resiste à tração e sua
durabilidade é grande, ele foi criado
como se fosse uma pedra artificial, assim
pode ser fundido a qualquer forma ou
dimensão desejada para utilização.
Além disso, o concreto é um material
frágil, que significa que apresenta
fissuras, mesmo em pequenas
deformações, podendo ocorrer ruptura,
quando está submetido a cargas
superiores a sua capacidade resistente.
O cimento é o primeiro componente do
concreto, ele é a obtenção da mistura
finamente moída de compósitos
inorgânicos que, quando combinados
com água, endurecem por hidratação.
O cimento é um material de construção
caro, por isso sua utilização juntamente
aos agregados justifica na intenção de
reduzir os custos sem que a qualidade
do material seja prejudicada.
Concreto armado: armadura
Para suprir a resistência do concreto à
tração, associamos ele ao aço, assim
tenho o concreto armado. O aço será
colocado dentro do concreto e será
responsável a resistir aos esforços de
tração que só o concreto em si não tinha.
O importante é o concreto envolver as
barras de aço, pois se o aço estiver
exposto no meio ambiente é possível
uma oxidação.
Esse conjunto de barras de aço que são
colocadas dentro do concreto se chama
armadura, armação ou ferragem. A
camada de concreto que envolve o aço
chama cobrimento ou recobrimento de
armadura. O valor varia em função da
região em que o material será utilizado,
se a região for sujeita a oxidação do aço
com mais facilidade o cobrimento precisa
ser maior como, por exemplo, região de
tratamento de esgoto. Numa região
urbana o cobrimento não precisa ser tão
grande.
Constituintes do concreto
Os constituintes de concreto são:
cimento, água e agregados (miúdo e
graúdo).
Os agregados são partículas minerais
que são utilizadas para aumentar
determinado volume de uma mistura, são
denominadas de miúdas ou graúdas
dependendo do tamanho da sua
particula.
→Agregado miúdo: areias (com
dimensões características variando entre
0,075 mm e 4,80 mm).
→Agregado graúdo: britas e seixos
rolados (com dimensões características
iguais ou superiores a 4,80 mm).
PASTA: resulta da adição de cimento
com água.
ARGAMASSA: resulta da adição da
pasta com agregado miúdo.
CONCRETO SIMPLES: resulta da
adição da argamassa com o agregado
graúdo.
A combinação desses materiais em
várias proporções é denominada traço
do concreto e fornece concretos com
várias características diferentes –
resistência, trabalhabilidade,
deformabilidade etc.
Sequência de preparo do concreto
As etapas de preparo do concreto podem
ser resumidas em:
1. Dosagem e mistura dos componentes.
2.Transporte do concreto líquido até o
local de lançamento.
3. Lançamento do concreto onde será
executada a obra. Para esse lançamento
é necessário um molde ou uma forma e
esse lançamento na forma não pode ser
maior do que 2,00m.
4. Após o lançamento o concreto
apresenta algumas falhas e aí entra o
adensamento (vibração).
5. Processo de cura do concreto, manter
o concreto úmido para que ele consiga
atingir a resistência desejada.
6. Desforma.
Observações relevantes sobre este
processo: As formas de concreto
geralmente são de madeira e elas não
podem ser deformáveis e nem absorver
água.
Essas formas precisam estar apoiadas
em estruturas provisórias denominadas
de cimbramento ou escoramento que
suportam o peso delas e do concreto que
será lançado durante o período de cura
até chegar na resistência desejada.
A retirada da forma só pode ser feita
após o concreto ganhar uma resistência
mínima. A idade padrão para a
resistência do concreto é de 28 dias, a
simbologia para a resistência
característica à compressão do concreto
é fck.
Associações entre concreto e aço
Concreto armado: concreto + armadura
passiva (barras de aço colocadas sem
tensão, antes da concretagem).
Concreto protendido: concreto +
armadura ativa (barras, fios ou cabos de
aço tensionados antes ou depois da
concretagem, provocando tensões de
compressão no concreto).
O termo protendido significa
“pré-tensionado”.
Concreto simples: apenas concreto,
sem função estrutural (para enchimento,
revestimento ou lastro de concreto
magro).
Lastro de concreto magro é uma
camada de concreto simples
previamente lançado nas
superfícies das estruturas em
contato com o solo para que o solo
não absorva a água do concreto.
Funcionamento da armadura
No concreto armado, a armadura é
solicitada apenas após a retirada do
cimbramento (escoramento), quando a
estrutura entra em funcionamento e
começa a se deformar. Também é
chamada de armadura passiva (ou
armadura frouxa).
No concreto protendido, a armadura
de protensão é tracionada e aplica
esforços de compressão no concreto.
Essa protensão, de forma genérica, é
feita após a concretagem (após o
concreto adquirir uma determinada
resistência), mas pode ser feita antes da
concretagem. Também é chamada de
armadura ativa.
É chamado de cálculo estrutural
quando é feito a análise das estruturas.
O cálculo estrutural é o
dimensionamento, a verificação e o
detalhamento de todos os elementos que
compõem uma estrutura.
Elementos estruturais básicos
Os elementos estruturais básicos são as
vigas, as lajes e os pilares.
Chamamos de elementos lineares
aqueles que possuem uma dimensão
muito maior do que as outras , possuem
forma de barra.
Vigas: estão colocadas na horizontal e
as cargas estão perpendiculares ao eixo
e os esforços são de flexão e
cisalhamento.
Pilares: as cargas predominantes são as
cargas normais de compressão, cargas
que comprimem os pilares
Nós temos também os elementos
bidimensionais, a placa é o que mais se
assemelha quando falamos de lajes, mas
também temos a casca e a chapa.
As cargas são perpendiculares ao plano
médio e esforços de flexão e
cisalhamento baixo.
Já os elementos tridimensionais que são
blocos, caixas, elementos grandes como,
os blocos de fundação que recebem
carga dos pilares e sapatas que podem
ser isoladas ou corridas .
Cargas nas edificações
Cargas permanentes : peso próprio da
estrutura, cargas das paredes,
revestimentos de piso e paredes,
enchimentos, impermeabilização, forros,
caixilhos, portas, instalações, telhas,
empuxos etc.
Cargas variáveis: cargas de uso da
estrutura – a serem consideradas em
função da destinação da estrutura, ação
do vento, água e variação de
temperatura.
No caso de edificações, a carga de uso é
denominada carga acidental.
Funcionamento típico de uma
estrutura convencional
Uma estrutura convencional possui
lajes, vigas e pilares, porém as paredes
são apenas para divisão de ambientes,
não tem função estrutural.
As cargas acidentais (de uso) são
aplicadas nas lajes , essas cargas
juntamente com o próprio peso da laje e
revestimento de piso vão para elementos
mais rígidos que são as vigas e as vigas
transferem essa carga para os pilares.
Muitas vezes as vigas não se apoiam
diretamente nos pilares, elas apoiam em
outras vigas e por fim chega no pilar.
A carga “desce” até chegar no solo e ali
ela é distribuída no subsolo através da
fundação.
Funcionamento de uma estrutura em
alvenaria estrutura
Numa estrutura em alvenaria estruturalas paredes têm função estrutural. As
paredes são feitas e depois a laje é feita
apoiada por cima destas paredes , então
não existem vigas e pilares. Ou seja, as
cargas descem pelas paredes até chegar
à fundação.
Condições para uma parede ter função
estrutural:
⇾ Deve ter capacidade de resistência.
⇾ É uma estrutura que não pode ter
muitas aberturas como, portas e janelas.
O projeto precisa ser muito bem
estudado.
⇾ Precisa ter a mesma prumada em
vários (ou todos) os andares.
Comparação entre estruturas
Principais aspectos
⇾ Essas estruturas em alvenaria
estrutural são mais baratas do que as
estruturas convencionais.
⇾ Na alvenaria estrutural as paredes
tem que ter posição definida, não pode
ser recortadas e nem deslocadas, isso
acaba limitando a arquitetura.
⇾ Na alvenaria estrutural as lajes só
podem ser feitas após a execução das
paredes e na estrutura convencional todo
o esqueleto pode ser desenvolvido e
depois vir o fechamento das paredes.
Concepção estrutural
Edificações
A concepção da estrutura consiste em
posicionar e dimensionar os elementos
estruturais de modo a resultar em um
sistema estrutural eficiente e econômico,
capaz de resistir aos esforços internos
provocados pelas ações verticais e
horizontais atuantes no edifício e
transmiti-los ao solo por meio das
fundações.
A estrutura deve estar em consonância
com as necessidades do projeto
arquitetônico e com o projeto das
instalações (elétricas, hidráulicas e de ar
condicionado).
Representação das formas
O desenho ou planta de formas é o
desenho que representa a cara que a
minha estrutura vai ter depois de pronta.
Os desenhos de formas ou plantas de
formas seguem uma norma chamada
NBR 7191 - Execução de Desenhos
para Obras de Concreto.
Todas as medidas, dimensões e as
características necessárias para a
execução da obra precisam estar no
desenho de forma.
Também servem para a construção de
moldes ou formas para a moldagem da
estrutura. E fornecem informações com
demais as áreas envolvidas no projeto
como, por exemplo, arquitetura,
instalações elétricas e hidráulicas e
elaboração de orçamento para a obra.
Os elementos estruturais são
identificados a partir de nomenclaturas
como vigas (V), lajes (L) e etc. Para
facilitar ainda mais a identificação, esses
elementos também são numerados
como: V1 (Viga 1), L5 (Laje 5).
O desenho de formas não apresenta
elementos de arquitetura ou
acabamentos, normalmente é o desenho
cru da estrutura.
De uma forma geral, as formas
representam uma vista inferior da
estrutura.
A dimensão da viga é V= b/h ou bxh, o
importante é a base estar em primeiro
lugar por último.
Critérios gerais e convenções –
dimensões dos elementos estruturais:
Lajes ⇾ espessura = h
Vigas ⇾ base / altura ou base x altura
(da seção transversal)
Pilares ⇾ base / altura ou base x altura
(da seção transversal)
Desenho de formas -
complementações – vigas – tipos e
representações
Temos a viga comum que a laje fica na
parte de cima, a viga invertida onde a
laje fica na parte de cima e a semi
invertida que se encontra no meio da
laje.
A viga invertida é aquela viga feita de
maneira não aparente no andar debaixo,
o fundo dela coincide com o fundo da
laje e funciona basicamente da mesma
maneira que as demais. A única
diferença é a colaboração da laje na
ajuda à resistência dos esforços.
A viga de transição recebe as cargas
concentradas do pilar que vem
descendo.
Vigas em corte:
Vigas em planta:
Desenho de formas – pilares –
nomenclaturas
No desenho de forma geralmente os
pilares apresentam uma legenda, que
serve para mostrar se o pilar segue,
morre ou nasce.
Essa legenda não é universal, cada um
representa de uma forma, mas é
interessante destacar para que fique
claro o que cada um significa, assim
facilitando a leitura do projeto.
A representação de aberturas na
estrutura é feita da seguinte maneira:
Sempre que tiver esse X significa que
tenho uma abertura ou um buraco com
essas dimensões.
Concepção estrutural das edificações
As lajes existem onde houver piso,
geralmente as lajes retangulares são as
mais econômicas.
As vigas devem estar posicionadas
preferencialmente nas extremidades
da edificação em planta e nas laterais
de aberturas, como poços de elevador e
escadas; além dessas vigas, devem ser
colocadas outras vigas intermediárias, de
modo a diminuir os vãos das lajes.
As distâncias entre duas vigas paralelas
devem ficar, de preferência, entre 3 e 6
metros; definido, assim, os vãos das
lajes entre 3 e 6 metros. Assim, evitando
que os espaçamento entre as vigas
sejam muito grandes a ponto de flexionar
a laje.
O ideal é que os panos de lajes sejam da
mesma ordem de grandeza, a variação
de tamanho das lajes não é interessante.
Os pilares devem ser posicionados
preferencialmente próximos aos
cantos da estrutura.
A distância entre pilares ideal é entre 4 a
6 metros, definindo os vãos das vigas
entre 4 e 6 metros. Se os pilares
estiverem muito longe um do outro, a
viga tem que vencer um vão muito
grande e consequentemente ela vai ser
muito alta, neste caso o ideal é colocar
um pilar intermediário.
A locação dos pilares deve resultar em
vãos das vigas da mesma ordem de
grandeza.
Sistemas Estruturais (Concreto)
Arquitetura e Urbanismo
Unidade II
Pré-dimensionamento de estruturas
Edificações residenciais e comerciais
O pré-dimensionamento é definir as
dimensões que os elementos estruturais
precisam ter,para que a partir disso, seja
possível realizar o cálculo das estruturas
e fazer o seu dimensionamento.
O dimensionamento é a fase seguinte,
que é pegar as informações coletadas
anteriormente e verificar os elementos
quanto a sua resistência e deformação,
confirmação das dimensões das seções
definidas no pré-dimensionamento.
O detalhamento é a elaboração e
apresentação dos desenhos de formas e
armação.
Tudo isso segue a Norma de Projeto de
Estruturas de Concreto –
NBR-6118/2014 (antiga NB1).
Pré-dimensionamento de lajes
Espessura da laje: h = 2% a 2,5% do
menor vão da laje.
⇾ 2,5 % - para laje com continuidade em
nenhum ou 1 lado.
⇾ 2,2 % - para laje com continuidade em
2 ou 3 lados.
⇾ 2,0 % - para laje com continuidade em
4 lados.
Lajes em balanço são tratadas como
sem continuidade, com o dobro do vão.
Para lajes nervuradas de concreto
moldado no local, este
pré-dimensionamento vale, desde que
estas sejam armadas em cruz. (ou seja,
o lado maior em planta não seja maior
que o dobro do lado menor).
No caso de lajes pré-moldadas ou
mistas, esse critério não vale, e deve ser
estudado para cada caso.
Espessuras mínimas das lajes
maciças (NBR-6118/2014, item
13.2.4.1)
Exemplo: Dada a planta de formas do
pavimento tipo de um edifício residencial,
pré-dimensionar as lajes, considerando
que elas são moldadas no local.
Determinar os eixos da laje
Esquema da laje 1 (L1)
Lados em vermelho estão apoiados e o
lado em verde está engastado onde tem
continuidade.
lx = 20/2 + 345 + 20/2
lx = 10 + 345 + 10 = 365 cm
h= 2,5% 365 = 9,1 cm
Podendo adotar 10 cm de espessura de
laje.
Observação: A espessura da laje é
determinada a partir do seu menor vão.
Esquema da laje 2 (L2)
lx= 20/2 + 330 + 20/2
lx= 10 + 330 + 10 = 350 cm
h = 2,5 % 350 = 8,8 cm.
Podendo adotar 9 ou 10 cm de
espessura de laje.
Observação: Menos de ⅔ está
engastado então podemos considerar um
lado apoiado. Mais de ⅔ pode-se
considerar engastado.
Esquema da laje 3 (L3)
lx= 20/2 + 290 + 20/2
lx= 10 + 290 + 10 = 300 cm
h = 2,5 % 300 = 7,5 cm
Todos os lados da L3 estão apoiados.
Podendo adotar 9 ou 10 cm de
espessura de laje.
Esquema da laje 4 (L4)
A L4 está em balanço e isso significa que
ela é equiparada a uma laje biapoiada
com o dobro do vão. Neste caso seu
menor vão possui 300 cm.
lx= 20/2 + 140 =
lx= 10 + 140 = 150 cm
150 cm x 2 = 300 cm
h = 2,5 % 300 = 7,5 cm
Adotamos para as lajes 1, 2 e 3: h=10
cm e para a laje 4: h=9 cm.
Pré-dimensionamento de vigas
Altura da viga
h = 1/10 vão, para vigas isostáticas
biapoiadas.
h = 1/12 vão, para cada vão de viga
contínua.
Largura da viga b mínima 12 cm,
usualmente entre 14 e podendochegar
a 30 ou 40 cm nos casos de:
⇾ vigas que recebem várias cargas de
várias vigas;
⇾ vigas muito carregadas, vigas
vencendo grandes vãos;
⇾ vigas de transição.
Vigas em balanço são tratadas como
vigas isostáticas biapoiadas, com o
dobro do vão.
A NBR-6118 não estabelece um valor
mínimo para a altura de vigas, mas é
uma prática comum se adotar algo em
torno de 30 ou 25 centímetros como
altura mínima.
Exemplo: Dada a planta de formas de
um pavimento de um edifício residencial,
pré-dimensionar as vigas.
A viga 1, 3, 4, 5 são vigas contínuas com
dois vãos, a viga 2 é isostática
biapoiadas e a viga 6 é contínua com um
vão.
Determinar os eixos dos elementos
A viga 1, 3, 4, 5 são vigas contínuas com
dois vãos, a viga 2 é isostática
biapoiadas e a viga 6 é contínua com um
vão.
As cargas aplicadas de forma distribuída
nas lajes são distribuídas para as vigas
onde elas se apoiam. Como se fosse um
telhado.
Esse critério não é aplicado no esquema
simplificado (o que estamos estudando).
No caso da V1 temos dois resultados,
pois os cálculos são feitos pelos vãos,
assim podemos dimensionar de acordo
com a ordem das grandezas, podendo
adotar 20 x 40 cm para os dois vãos.
Desenho de formas - Dimensões
adotadas
Como a altura da viga V2 é menor que
da V4, a linha interna da V4 não é
interrompida, levando em consideração
que o desenho de forma é visto da parte
inferior da estrutura.
Caso as alturas das vigas V2 e V4
fossem iguais, a linha interna da V4 seria
interrompida.
Para um melhor pré-dimensionamento de
vigas, pode-se usar critérios mais
apurados, baseados, por exemplo, a
partir da avaliação do momento fletor
máximo atuante.
Esse tipo de pré-dimensionamento é
aplicável em especial para as vigas que
recebem cargas de várias vigas, para
vigas muito carregadas, ou para vigas de
transição. Nesses casos o critério
simplificado resulta em vigas com alturas
inferiores às necessárias.
Pré-dimensionamento dos pilares
Para estimar as dimensões de um pilar é
necessário que se conheça a ordem de
grandeza da carga de compressão Npil
atuante no mesmo.
A área da seção transversal do pilar
(Apil) deve ser tal que a tensão de
compressão σpil, provocada pela carga
atuante Np, não ultrapasse uma tensão
de compressão de referência, que deve
ser suportada pelo pilar.
Assim sendo, como σpil = Npil / Apil
Temos: Apil = Npil / σpil
Essa tensão depende do fck do pilar. É
comum na prática usarmos como tensão
de referência, valores de σpilar entre 100
a 130 kgf/cm².
Outro critério pratico é adotar metade do
fck do pilar, sendo σpilar = 0,5 fck.
De uma forma rápida, a carga de um
pavimento em um pilar pode ser
estimada considerando a carga total
aplicada em uma “área de influência”
(Ainfl), determinada pelas mediatrizes
das linhas que ligam os pilares.
Por isso, se o edifício tiver número de
pavimentos estruturais, a carga total no
piso mais carregado, imediatamente
acima da fundação, será da ordem de
número de pavimentos vezes a carga de
1 pavimento. (Np = n x N1 pav).
De acordo com a NBR-6118/2014 às
dimensões mínimas dos pilares são de
14 cm para cada lado da seção.
Recomenda-se h >= 19 cm
Área mínima da Seção Transversal = 360
cm².
Exemplo: Pré-dimensionar os pilares de
um edifício residencial, com térreo, 6
pavimentos e cobertura, sem subsolos.
Dados: fck= 25 MPa
Pilares de seção constante
Tensão de referência = fck/2
Concreto classe C25: fck = 25 MPa
(250 kgf/cm²)
Carga distribuída – todos os
pavimentos: 1tf/m²
Determinar as áreas de influência de
cada pilar. O esquema abaixo considera
7 andares e todos os seus pilares estão
alinhados no mesmo eixo.
Calcular a área de influência
A1=2,575 x 1,825 = 4,7m²
A2=4,325 x 1,825 = 7,9m²
A3=1,75 x 3,325 = 5,8m²
A4=2,575 x 3,325 = 8,6m²
A5=4,325 x 3,325 =14,4m²
A6=3,9m²
A7 = 6,5m²
A8= 4,7m²
Então a carga no pilar P1 em 1
pavimento: A1= 4,7m² NP11= 4,7 ≈ 5 tf
Carga no pilar P1 entre o térreo e 7º
pavimento (cobertura):
NP1 = 7 x NP1 1= 7 x 5 = 35 tf
(NP1 = 35.000 kgf)
AP1 = 35.000 kgf / 125 kgf/cm² = 280
cm².
Como a área mínima é 360cm², o P1
possui 280cm² deverá ter seção mínima
de 20cm x 20cm.
Tabela de pré-dimensionamento de
pilares

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