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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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