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ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES “A Faculdade Católica Paulista tem por missão exercer uma ação integrada de suas atividades educacionais, visando à geração, sistematização e disseminação do conhecimento, para formar profissionais empreendedores que promovam a transformação e o desenvolvimento social, econômico e cultural da comunidade em que estão inseridos. Missão da Faculdade Católica Paulista Av. Cristo Rei, 305 - Banzato, CEP 17515-200 Marília - São Paulo. www.uca.edu.br Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida por qualquer meio ou forma sem autorização. Todos os gráficos, tabelas e elementos são creditados à autoria, salvo quando indicada a referência, sendo de inteira responsabilidade da autoria a emissão de conceitos. Diretor Geral | Valdir Carrenho Junior ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES SUMÁRIO AULA 01 AULA 02 AULA 03 AULA 04 AULA 05 AULA 06 AULA 07 AULA 08 AULA 09 AULA 10 AULA 11 AULA 12 AULA 13 AULA 14 AULA 15 07 12 18 26 31 38 44 49 54 59 64 68 73 82 89 PRINCÍPIOS E FUNCIONAMENTO DO CONCRETO ARMADO AÇÕES E COMBINAÇÃO DE AÇÕES EM ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO A CONCEPÇÃO ESTRUTURAL LAJES MACIÇAS DIMENSIONAMENTO DE LAJES MACIÇAS ESFORÇOS DE FLEXÃO DOMÍNIOS DE DEFORMAÇÕES CÁLCULO DA ARMADURA DE FLEXÃO EM VIGAS COM SEÇÃO RETANGULAR CÁLCULO DA ARMADURA DE FLEXÃO PARA LAJES DE SEÇÃO RETANGULAR DIMENSIONAMENTO NA FLEXÃO SIMPLES PRÁTICA DE DIMENSIONAMENTO ARMADURA LONGITUDINAL DE VIGAS DE SEÇÃO RETANGULAR (ARMADURA DUPLA) DETALHAMENTO DE ARMADURA E VIGAS T LAJES TRELIÇADAS COMPORTAMENTO DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO SUBMETIDAS A TENSÃO DE CISALHAMENTO ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES AULA 16 AULA 17 93 101 DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTOS LINEARES À FORÇA CORTANTE DIMENSIONAMENTO DE PILARES ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 5 INTRODUÇÃO O concreto é um compósito, isto é, um material constituído por mais de uma fase, geralmente por cimento, água, agregado miúdo (areia) e agregado graúdo (pedra ou brita), sendo também comumente chamado de concreto simples. O concreto simples pode ainda considerar a incorporação de outros materiais como adições minerais (fillers, pozolanas e materiais carbonáticos) e aditivos químicos cuja finalidade é melhorar ou alterar as propriedades da pasta de cimento, tornando-a mais plástica, menos porosa ou ainda modificando o seu tempo de endurecimento (tempo de pega do concreto). A obtenção de um concreto simples com propriedades interessantes, tanto em estado fresco quanto em estado endurecido resulta do cuidado no proporcionamento dos seus constituintes, assim como do seu processo executivo. Tais propriedades mecânicas do concreto simples são geralmente expressas em termos de resistência mecânica e nesse sentido, o concreto apresenta valores adequados de resistência aos esforços de compressão, porém quanto à resistência aos esforços de tração, o concreto é um material deficiente. Costuma-se adotar que um concreto simples possua 10% da resistência à compressão na tração. Para contornar este problema, o aço estrutural, que apresenta boa resistência nos dois tipos de esforços, é incorporado à massa de concreto fresco e o material resultante leva o nome de concreto armado. A união do aço com o concreto simples tem como finalidade explorar o melhor de ambos os materiais, dotando o elemento constituído por essa junção de maior resistência tanto na tração quanto na compressão, além de ampliar a ductilidade do sistema, isto é, a sua capacidade de deformar-se sem romper. O trabalho de um engenheiro civil ao projetar e executar um elemento de concreto armado é de calcular a quantidade de barras de aço necessárias, bem como programar a sua posição prévia dentro do molde a fim de que esta peça mantenha-se sólida e dentro de valores admitidos por norma de comportamento, garantindo assim a segurança e o conforto do usuário. Neste material nós trataremos das etapas necessárias para alcançar este objetivo, desde a manipulação dos constituintes de um concreto simples até o cálculo das armaduras para resistir aos diferentes esforços que incidem nas peças. O objetivo é entender a dinâmica do dimensionamento estrutural em peças de concreto armado, com base na estimação dos ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 6 esforços e do pré-dimensionamento a fim de antever o seu comportamento mecânico. Para que isso seja possível procure seguir o roteiro recomendado neste material. Boa aula. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 7 AULA 1 PRINCÍPIOS E FUNCIONAMENTO DO CONCRETO ARMADO 1.1 Porquê estudar os princípios e funcionamento do concreto armado? O concreto simples tem historicamente se consagrado como um material de destaque na indústria da construção civil devido a sua habilidade de adaptar-se aos mais diversos formatos e dimensões, capacidade de vencimento de vãos consideráveis quando combinado com outros materiais e de elevada resistência. Tais habilidades resultam da sua versatilidade em incorporar diferentes materiais aglomerantes, agregados de tamanhos e composições químicas diversas, aditivos químicos, adições minerais e até mesmos resíduos de outros processos industriais. Essa variedade de possibilidades de engenharia introduz também uma preocupação cada vez mais crescente no meio técnico: como qualificar e quantificar o desempenho e a durabilidade das estruturas. Dependendo das condições à que o concreto é exposto, diversos agentes deteriorantes podem produzir respostas adversas no seu comportamento e, consequentemente, levar a uma redução da sua vida útil. Nesse sentido, o dimensionamento e detalhamento dos elementos estruturais devem englobar todos os conhecimentos do material que se inicia pela caracterização dos seus constituintes. 1.2 Constituição do concreto simples O concreto simples pode ser entendido como um material compósito essencialmente formado por um ou mais aglomerantes e agregados. O aglomerante, em geral o cimento Portland, é a fase do material com a capacidade de envolver e aglutinar as partículas dispersas de agregados (areia e brita). A mistura desses constituintes em proporção controlada é conhecida como traço, que quando endurecido adquire coesão e resistência (MEHTA; MONTEIRO, 2014). ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 8 O cimento Portland é um aglomerante hidráulico, ou seja, um material constituído por um pó fino que endurece quando em contato com a água e que depois de endurecido não se decompõe. O principal componente formador do cimento Portland é o clínquer, um material obtido da mistura de calcário e argila, com eventuais corretivos. Essa mistura é submetida à temperatura de 1.450 ºC em um forno rotativo, resfriada e posteriormente misturada com cerca de 3% a 5 % de sulfato de cálcio para controlar o seu enrijecimento (tempo de pega). Quando outros minerais (adições) são adicionados ao clínquer puro algumas das suas propriedades são alteradas, dando origem aos chamados cimentos portland compostos (CINCOTTO, 2011; BATTAGIN, 2011). As principais adições são filler calcário, a escória de alto-forno, pozolanas e materiais carbonáticos. Os cimentos portland comerciais brasileiros diferem em composição e são chamados de cimento comum, os compostos, o de alto-forno, o pozolânico e de alta resistência inicial. As constituições desses cimentos podem ser visualizadas na Tabela 1. Designação normatizada Sigla Classe de resistência Sufixo Clínquer + sulfatos de cálcio Escório de alto-forno Pozolana Material carbonático Cimento Portland comum CPI 25, 32 OU 40 MPa RS ou BC 95-100 0-5 Cimento Portland composto comescório de alto-forno CPII-E 51-94 6-34 0 0-15 Cimento Portland composto com material pozolânico CPII-Z 71-94 0 6-14 0-15 Cimento Portland composto com material carbonático CPII-F 75-89 0 0 11-25 Cimento Portland de alto-forno CPIII 25-65 35-75 0 0-10 Cimento Portland pozolânico CPII-Z 45-850 0 15-50 0-10 Cimento Portland de alta Resistência inicial CPV ARI 90-100 0 0 0-10 Tabela 1 – Composição dos cimentos portland comerciais do Brasil. Fonte: Adaptado de NBR 16697 (2018, p. 20) Os cimentos portland compostos são os mais empregados na construção civil, sendo que o tipo de adição varia de região para região do Brasil. Para estruturas de concreto armado, o CPV-ARI acaba sendo mais utilizado em razão da maior velocidade de endurecimento e ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 9 ganho de resistência, encurtando o tempo entre operações executivas de forma e desforma dos elementos estruturais. Quanto aos agregados, estes ocupam cerca de 70% do volume do concreto e são os materiais de menor custo da mistura. Dependendo das suas dimensões características (φ), os agregados podem ser categorizados em miúdos e graúdos, conforme a NBR 7211 (2005): • agregados miúdos: 0,075mm < φ < 4,75mm. • agregados graúdos: φ ≥ 4,75mm. Comercialmente é comum encontrar as britas com a seguinte numeração e dimensão máxima: • brita 0 – 9,5 mm (pedrisco); • brita 1 – 19 mm; • brita 2 – 38 mm. Isto acontece na prática Ao escolher um determinado agregado para compor um concreto, parte-se sempre do entendimento de que este deve ser potencialmente inerte. Assim, o fornecedor do agregado deve se certificar de que as partículas de agregado não reajam quimicamente com as fases do clínquer por meio de ensaios padronizados de laboratório, Quando esse controle não é feito, corre-se o risco de haver reação entre as fases do concreto, o que pode provocar o surgimento de graves processos deteriorantes com expansões anormais no interior dos concretos e posterior fissuração do material, essa reação indesejada é conhecida como reação álcali-agregado (RAA). A RAA é uma reação espontânea em que os produtos formados são mais estáveis que os reagentes, o que significa que, uma vez que esse processo for iniciado, não há como solucioná-lo, a não ser pela substituição total da peça. Além disso, a incidência da RAA é mais frequente em obras de barragens, obras portuárias, blocos de fundação, pontes e túneis (VALDUGA, 2002). Saiba mais acessando o material a seguir: http://repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/258500 Fonte: Valduga (2002) Os agregados também podem ser diferenciados entre si de acordo com a sua origem em naturais e artificiais. Alguns exemplos destes agregados podem ser visualizados na Figura 1. http://repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/258500 ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 10 (a) agregado natural de rio (cascalho, seixo e areia) (b) agregado artificial proveniente de britagem Figura 1 – Exemplos de agregados naturais e artificiais. Fonte: (a) https://www.istockphoto.com/br/foto/cascalho-seixo-areia-gm973008822-264804336 e (b) https://www. istockphoto.com/br/foto/pur%C3%AA-de-pedras-gm611300438-105167781?utm_campaign=srp_photos_noresults&utm_content=https%3A%2F%2Fwww.pexels.com%2Fpt- br%2Fprocurar%2Fbrita%2F&utm_medium=affiliate&utm_source=pexels&utm_term=brita Os agregados naturais são as areias lavadas de rios e pedregulho e os artificiais são aqueles que resultam de algum processo de britagem e trituração, como as britas. 1.3 Vantagens e desvantagens do concreto armado O concreto simples apresenta elevada resistência à compressão, contudo, devido à fragilidade características dos materiais cerâmicos e sua baixa resistência à tração é usual combiná-lo ao aço estrutural que responde bem tanto à compressão quanto à tração. O concreto armado (concreto simples + aço) combina as qualidades dos dois materiais, permitindo a construção de elementos com as mais variadas formas e volumes, com relativa rapidez e facilidade, para os mais variados tipos de construção. Anote isso Apesar de possuir baixa resistência aos esforços de tração (fct) é possível caracterizar essa propriedade do concreto simples. Geralmente obtém-se uma resistência média do concreto à tração (fctm) por média aritmética dos resultados individuais e admite-se como resistência de projeto, também chamada de resistência característica à tração (fctk ou ftk) com confiança estatística de 95%, isto é, com a probabilidade de apenas 5% dos valores não serem alcançados pelos resultados de um mesmo lote de concreto ensaiado. No Brasil três normalizados são utilizados para a aferição desta propriedade: tração direta, compressão diametral e tração na flexão. Fonte: Pinheiro, Muzardo e Santos (2003, p. 13). Disponível em: http://coral.ufsm.br/decc/ECC1006/Downloads/Apost_EESC_USP_ Libanio.pdf https://www.istockphoto.com/br/foto/cascalho-seixo-areia-gm973008822-264804336 https://www.istockphoto.com/br/foto/pur%C3%AA-de-pedras-gm611300438-105167781?utm_campaign=srp_photos_noresults&utm_content=https%3A%2F%2Fwww.pexels.com%2Fpt-br%2Fprocurar%2Fbrita%2F&utm_medium=affiliate&utm_source=pexels&utm_term=brita https://www.istockphoto.com/br/foto/pur%C3%AA-de-pedras-gm611300438-105167781?utm_campaign=srp_photos_noresults&utm_content=https%3A%2F%2Fwww.pexels.com%2Fpt-br%2Fprocurar%2Fbrita%2F&utm_medium=affiliate&utm_source=pexels&utm_term=brita https://www.istockphoto.com/br/foto/pur%C3%AA-de-pedras-gm611300438-105167781?utm_campaign=srp_photos_noresults&utm_content=https%3A%2F%2Fwww.pexels.com%2Fpt-br%2Fprocurar%2Fbrita%2F&utm_medium=affiliate&utm_source=pexels&utm_term=brita http://coral.ufsm.br/decc/ECC1006/Downloads/Apost_EESC_USP_Libanio.pdf http://coral.ufsm.br/decc/ECC1006/Downloads/Apost_EESC_USP_Libanio.pdf ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 11 As vantagens do concreto armado foram discutidas por Pinheiro, Muzardo e Santos (2003), das quais podem ser elencadas: • moldabilidade; • boa resistência mecânica a diversos tipos de solicitação, quando corretamente dimensionada; • monolitismo; • não necessita de mão de obra muito especializada; • etapas executivas amplamente conhecidas; • proteção química e mecânica das barras de aço, prevenindo a oxidação. O mesmo autor elenca algumas restrições do concreto armado, conforme a seguir: • baixa resistência à tração; • possibilidade de ruptura frágil; • inabilidade de restringir fissuras; • peso próprio elevado; • custo de fôrmas para os processos de moldagem; • possibilidade de corrosão das armaduras em caso de exposição das barras ou baixo cobrimento de concreto. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 12 AULA 2 AÇÕES E COMBINAÇÃO DE AÇÕES EM ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO 2.1 Porquê estudar as ações que incidem sobre as estruturas de concreto armado? O sistema estrutural de um edifício, isto é, sua infraestrutura e supraestrutura devem ser projetados de tal forma que todas as ações verticais e horizontais significativas que possam incidir sobre estes elementos sejam resistidas. Por estas ações pode-se entender aquelas decorrentes do peso próprio de lajes, vigas e pilares; o peso dos revestimentos e das paredes; ações decorrentes da utilização (variáveis), além da força vento e do empuxo em subsolos. O caminho das ações verticais e horizontais é iniciado nas lajes, que suportam, além de seus pesos próprios e outras ações permanentes e variáveis de uso, posteriormente essas ações são direcionadas para as vigas de apoio e posteriormente, transmitidas para outras vigas e pilares. Os pilares são os elementos responsáveis por transferir as ações de toda a edificação para os elementos de fundação e para o próprio solo. Diante do entendimento da dinâmica de direcionamento de esforçosem uma edificação nota-se que entender quais ações devem ser resistidas pela estrutura e a sua magnitude, torna-se uma etapa essencial para o alcance de uma boa concepção estrutural em termos de dimensionamento e detalhamento de lajes, vigas e pilares. Todo o procedimento de cálculo que seguirá é diretamente afetado por estas ações, de modo um erro de concepção poderá refletir-se em encarecimento de projeto ou mesmo em projetos subdimensionados. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 13 Isto acontece na prática Em canteiros de obra, a resistência característica à compressão é especificada para os 28 dias (fck), sendo esse valor o parâmetro básico no dimensionamento dos elementos como vigas, lajes, pilares etc. O fck deve ser especificado pelo projetista, quando da etapa de planejamento (HELENE; ANDRADE, 2007). No Brasil, a resistência à compressão é aferida por ensaios de compressão realizados por prensa hidráulica (Figura 1.3) em corpos de prova cilíndricos de dimensões 10x20 cm ou 15x30 cm, segundo as NBR 5738 (ABNT, 2015) e NBR 5739 (ABNT, 2018). 2.2 Tipos de ações Conforme a NBR 8681 (2004, p.01), as ações são “causas que provocam o aparecimento de esforços ou deformações nas estruturas’’. Do ponto de vista prático, as forças e as deformações impostas pelas ações são consideradas como se fossem as próprias ações”. Essas ações podem ser classificadas como permanentes, variáveis, excepcionais e acidentais: • As ações permanentes “ocorrem com valores constantes ou de pequena variação em torno de sua média, durante praticamente toda a vida da construção. A variabilidade das ações permanentes é medida num conjunto de construções análogas”. • As ações variáveis “apresentam variações significativas em torno de sua média, durante a vida da construção”. • As ações excepcionais “têm duração extremamente curta e muito baixa probabilidade de ocorrência durante a vida da construção, mas que devem ser consideradas nos projetos de determinadas estruturas”. • As cargas acidentais “são as ações variáveis que atuam nas construções em função de seu uso (pessoas, mobiliário, veículos, materiais diversos etc)”. Além da própria NBR 8681:2004 a norma NBR 6120:2019 também deve ser consultada. Alguns valores mínimos adotados para as cargas acidentais verticais são elencados na Tabela 1. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 14 Local Carga (Kgf/m²) Edifícios residenciais Dormitórios, salas, copa, cozinha e banheiro 1,5 Despensa, área de serviço e lavanderia 2,0 Cozinha não residencial A ser determinada em cada caso, porém no mínimo 3,0 Escadas Com acesso ao público 3,0 Sem acesso ao público 2,5 Escritório Salas de uso geral e banheiro 2,0 Forros Sem acesso a pessoas 0,5 Galeria de arte A ser determinada em cada caso, porém no mínimo 3,0 Galeria de lojas A ser determinada em cada caso, porém no mínimo 3,0 Tabela 1 – Valores mínimos das cargas verticais em diferentes edificações. Fonte: Adaptado de NBR 6120 (2019, p. 03). 2.2.1 Valores representativos das ações Pela NBR 6118 (2014, p. 64), as ações são quantificadas por seus valores representativos, que podem ser: a) Os valores característicos conforme definido em 11.6.1; b) valores convencionais excepcionais, que são os valores arbitrados para as ações excepcionais; c) valores reduzidos, em função da combinação de ações, como: Verificações de estados-limites últimos, quando a ação considerada combina com a ação principal. Os valores reduzidos são determinados a partir dos valores característicos pela expressão ψ0Fk, que considera muito baixa a probabilidade de ocorrência simultânea dos valores característicos de duas ou mais ações variáveis de naturezas diferentes (ver 11.7); — verificações de estados-limites de serviço. Estes valores reduzidos são determinados a partir dos valores característicos pelas expressões ψ1Fk e ψ2Fk, que estimam valores frequentes e quase permanentes, respectivamente, de uma ação que acompanha a ação principal. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 15 2.2.2 Combinação de ações As ações combinadas incidentes em uma edificação podem ser classificadas em: combinações últimas e de serviço, como verificado na Tabela 2. Um carregamento é definido pela combinação das ações que tem probabilidades não desprezíveis de atuarem simultaneamente sobre a estrutura, durante um período preestabelecido. A combinação das ações deve ser feita de forma que possam ser determinados os efeitos mais desfavoráveis para a estrutura; a verificação da segurança em relação aos estados-limites últimos e aos estados- limites de serviço deve ser realizada em função de combinações últimas e de combinações de serviço, respectivamente (NBR 6118, 2014, p. 66). Tipo Subtipo Descrição Combinações últimas Normais Devem estar incluídas as ações permanentes e a ação variável principal, com seus valores característicos e as demais ações variáveis, consideradas secundárias, com seus valores reduzidos de combinação, conforme ABNT NBR 8681. Especiais Devem estar presentes as ações permanentes e a ação variável especial, quando existir, com seus valores característicos e as demais ações variáveis com probabilidade não desprezível, de ocorrência simultânea, com seus valores reduzidos de combinação, conforme ABNT NBR 8681. Excepcionais Ações permanentes e a ação variável excepcional, quando existir, com seus valores representativos e as demais ações variáveis com probabilidade não desprezível de ocorrência simultânea, com seus valores reduzidos de combinação, conforme ABNT NBR 8681. Combinações de serviço Quase permanentes Podem atuar durante grande parte do período de vida da estrutura e sua consideração pode ser necessária na verificação do estado-limite de deformações excessivas. Frequentes Repetem-se muitas vezes durante o período de vida da estrutura, e sua consideração pode ser necessária na verificação dos estados-limites de formação de fissuras, de abertura de fissuras e de vibrações excessivas. Podem também ser consideradas para verificações de estados-limites de deformações excessivas decorrentes de vento ou temperatura que podem comprometer as vedações. Raras Ocorrem algumas vezes durante o período de vida da estrutura, e sua consideração pode ser necessária na verificação do estado-limite de formação de fissuras. Tabela 2 – Tipos de combinações de ações. Fonte: Adaptado de NBR 6118 (2014, p. 03) O cálculo das combinações das ações, últimas e de serviço, devem considerar as equações presentes nos itens 11.8.2.4 (Combinações últimas usuais) e 11.8.3.2 (Combinações de serviço usuais) da NBR 6118:2014, conforme as Tabelas 3 e 4. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 16 Tabela 3 – Combinações últimas. Fonte: Adaptado de NBR 6118 (2014, p. 67). ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 17 Tabela 4 – Combinações de serviço. Fonte: Adaptado de NBR 6118 (2014, p. 69). “Os valores de cálculo Fd das ações são obtidos a partir dos valores representativos, multiplicando-os pelos respectivos coeficientes de ponderação γf. As ações devem ser majoradas pelo coeficiente γf, cujos valores encontram-se mostrados nas Tabelas 11.1 e 11.2”. NBR 6118 (2014, p. 64). ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 18 AULA 3 A CONCEPÇÃO ESTRUTURAL 3.1 Porquê estudar a concepção estrutural? A finalidade da concepção estrutural é de formar um sistema estrutural capaz de absorver os esforços resultantes das ações incidentes e direcioná-las ao solo, por meio dos elementos de fundação. A ideia é que se tenha uma composição capaz de atender os requisitos especificados nas normas técnicas. Para isso, a concepção de um projetoestrutural deve se basear na escolha de quais elementos estruturais (lajes, vigas e pilares) serão empregados na edificação a ser projetada, bem como na definição das suas posições e no arbitramento de seções transversais prováveis. Isso está na rede A evolução da informática nas últimas décadas trouxe para nós, engenheiros, ferramentas que revolucionaram a maneira como projetamos estruturas, no entanto, devemos estar cientes que os computadores não nos substituem. Acerca desse assunto, reflita sobre o texto do Prof. Emkin. Qual competente engenheiro estrutural ainda não experimentou a dor e a frustração de discutir um problema de engenharia com alguém cuja única experiência em resolver problemas de engenharia fosse pelos meios computacionais? Essas pessoas (não as confunda com engenheiros “verdadeiros”) não sabem mais, ou talvez nunca souberam, engenharia sem computadores. Eles não têm ideia dos assuntos relacionados à modelagem, análise e projeto que não podem ser resolvidos por computadores. Eles acreditam que além da grande velocidade dos computadores, os seus softwares são fontes de conhecimento. Essas pessoas não aparentam reconhecer que conhecimento vai além das fronteiras do que os softwares podem fazer. EMKIN, L. Z. Misuse of computers by structural engineers – a clear and presente danger, Structural Engineersa World Congress, California (EUA), 1998. Tradução do artigo no link: Disponível em: http://tqs.com.br/suporte-e-servicos/biblioteca-digital-tqs/89-artigos/390- Mau-Uso-de-Computadores-por-Engenheiros-Estruturais?fbclid=IwAR2veUoW5Y1px9S Zv1TxNp4I1dtg7TnkEJGVBYx0w1NuYs-eO1saPyXkchI http://tqs.com.br/suporte-e-servicos/biblioteca-digital-tqs/89-artigos/390-Mau-Uso-de-Computadores-por-Engenheiros-Estruturais?fbclid=IwAR2veUoW5Y1px9SZv1TxNp4I1dtg7TnkEJGVBYx0w1NuYs-eO1saPyXkchI http://tqs.com.br/suporte-e-servicos/biblioteca-digital-tqs/89-artigos/390-Mau-Uso-de-Computadores-por-Engenheiros-Estruturais?fbclid=IwAR2veUoW5Y1px9SZv1TxNp4I1dtg7TnkEJGVBYx0w1NuYs-eO1saPyXkchI http://tqs.com.br/suporte-e-servicos/biblioteca-digital-tqs/89-artigos/390-Mau-Uso-de-Computadores-por-Engenheiros-Estruturais?fbclid=IwAR2veUoW5Y1px9SZv1TxNp4I1dtg7TnkEJGVBYx0w1NuYs-eO1saPyXkchI ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 19 3.2 Locação dos pilares A locação dos pilares geralmente é iniciada pelos cantos externos da edificação, sendo acompanhada do posicionamento dos demais pilares em áreas comuns a todos os pavimentos, como escadas, elevadores e demais espaços internos. Sempre que possível o projetista deve buscar alocar os pilares no interior das paredes de alvenaria, evitando a sua localização nos espaços internos dos ambientes. A composição mais desejada dos pilares é aquela que resulta em um maior alinhamento destes, formando pórticos com as vigas de respaldo que os unem. Essa composição contribui de maneira representativa na garantia de estabilidade global do edifício. Geralmente, recomenda-se que os pilares estejam localizados de modo que resultem em distâncias entre eixos de 4 m a 6 m. Para distâncias com maiores valores há a necessidade de pilares e vigas com seções transversais mais robustas, gerando incompatibilidade dimensional com os demais sistemas (paredes e instalações prediais) que aumentam custos da construção. Ainda sob essa ótica, pilares que estão muito próximos podem interferir na fundação prejudicando toda a concepção estrutural. Como regra é costume adotar 19cm como a medida da menor dimensão da seção transversal de pilar retangular de concreto armado e escolher a direção da maior dimensão de modo a garantir maior travamento da estrutura (menores vãos). Deve-se também verificar a interferência dos pilares posicionados nos demais pavimentos que compõem a edificação como no caso de garagens, áreas sociais, recepção, sala salão de festas etc. 3.3 Locação das vigas Finalizado o posicionamento inicial dos pilares, segue-se para o planejamento da disposição das vigas. Além daquelas que ligam os pilares existem vigas adicionais que podem ser necessárias tanto para delimitar os painéis de laje quanto para suportar o peso de uma parede (LIBÂNIO, 2003). É bastante usual que a largura das vigas seja compatibilizada com a largura das paredes de alvenarias, a fim de evitar o surgimento de ressaltos. Quanto às alturas, as vigas são restringidas pelos espaços disponíveis nas paredes devido à abertura das portas e janelas. Como as vigas podem ser empregadas para delimitar as lajes, as suas disposições devem considerar os menores vãos para lajes, ou seja, entre 3,5 m e 5,0 m. O posicionamento e as dimensões das lajes ficam, portanto, definidos pela concepção inicial das vigas. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 20 “A identificação dos elementos se dá por meio de numeração, sendo realizada da esquerda para a direita e de cima para baixo. Assim, a numeração das lajes (L1, L2, L3, etc), das vigas (V1, V2, V3, etc) e dos pilares (P1, P2, P3 etc)” é executada (PINHEIRO; MUZARDO; SANTOS, 2003, p. 28). 3.4 Pré-dimensionamento de lajes, vigas e pilares O pré-dimensionamento dos elementos estruturais é uma etapa necessária para que uma das suas características mais importantes seja estimada, o peso próprio. O peso próprio de todo elemento estrutural contribui diretamente no seu dimensionamento, visto que é a primeira das cargas permanentes que deve ser considerada no cálculo das ações. 3.4.1 Lajes A espessura das lajes (Figura 2) pode ser obtida com a expressão: h = d + (φ/c) + c onde: d = altura útil da laje φ = diâmetro das barras c = cobrimento nominal da armadura Figura 2 – Exemplo de composição das alturas em uma laje. Fonte: Libânio (2003, p. 36). Cobrimento nominal da armadura (c) é o cobrimento mínimo (cmin) acrescido de uma tolerância de execução (Δc): ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 21 c = cmin + Δc Nas obras correntes, Δc ≥ 10mm, além disso, o valor do cobrimento mínimo deve considerar também a classe de agressividade do ambiente em que a estrutura está inserida, conforme a NBR 6118:2014, ver Tabela 5. Tabela 5 – Correspondência entre a classe de agressividade ambiental e o cobrimento nominal para ∆c = 10 mm. Fonte: Adaptado de NBR 6118 (2014, p. 20). Para lajes com bordas apoiadas ou engastadas, a altura útil pode ser estimada por meio da expressão: dest = (2,5 – 0,1.n) . l*/100 onde: n = número de bordas engastadas lx = menor vão ly = maior vão ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 22 A NBR 6118:2014 recomenda que as seguintes espessuras mínimas sejam respeitadas em lajes maciças: • 7 cm para cobertura não em balanço; • 8 cm para lajes de piso não em balanço; • 10 cm para lajes em balanço; • 10 cm para lajes que suportem veículos de peso total menor ou igual a 30 kN; • 12 cm para lajes que suportem veículos de peso total maior que 30 kN; • 15 cm para lajes com protensão apoiadas em vigas, com o mínimo de l/42 para lajes de piso biapoiadas e l/50 para lajes de piso contínuas; • 16 cm para lajes lisas e 14 cm para lajes-cogumelo, fora do capitel 3.4.2 Vigas A estimativa para a altura das vigas pode ser dada pelas expressões: • tramos internos: hest = (lo/12) • tramos externos ou vigas biapoiadas: hest = (lo/10) • balanço: hest = (lo/5) Recomenda-se a padronização das alturas das vigas (Figura 3) do projeto (máximo de duas alturas diferentes) a fim de otimizar os trabalhos de armação e escoramento. Para armadura longitudinal em uma única camada, a relação entre a altura total e a altura útil é dada pela expressão: onde: • c = cobrimento • φt = diâmetro dos estribos • φl = diâmetro das barras longitudinais ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 23 Figura 3 – Seção transversal deuma viga. Fonte: Pinheiro; Muzardo; Santos (2003, p. 37). 3.4.3 Pilares O pré-dimensionamento dos pilares é iniciado estimando a sua carga, isto é realizado por meio da determinação das áreas de influência em que as cargas serão, devido ao posicionamento das peças, absorvidas por cada pilar em particular. Basicamente, divide-se a área total do pavimento em diversas áreas de influência, relativas a cada pilar. A área de influência por pilar pode ser obtida dividindo-se as distâncias entre os seus eixos entre intervalos que variam de 0,45l a 0,55l, dependendo da sua posição, conforme a seguir (Figura 4): Figura 4 – Determinação das áreas de influência dos pilares. Fonte: Pinheiro, Muzardo e Santos (2003, p. 37). Conforme Pinheiro, Muzardo e Santos (2003): ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 24 • 0,45l: pilar de extremidade e de canto, na direção da sua menor dimensão; • 0,55l: complementos dos vãos do caso anterior; • 0,50l: pilar de extremidade e de canto, na direção da sua maior dimensão. As áreas do balanço são consideradas acrescidas das respectivas áreas das lajes adjacentes, tomando-se, na direção do balanço, largura igual a 0,50l, sendo l o vão adjacente ao balanço. Segundo o mesmo autor, depois que a força nos pilares foi estimada pelo processo das áreas de influência, o coeficiente de majoração da força normal (α) deve ser determinado: • α = 1,3 para pilares internos ou de extremidade, na direção da maior dimensão; • α = 1,5 para pilares de extremidade, na direção da menor dimensão; • α = 1,8 para pilares de canto. Sendo possível determinar a área de seção transversal do pilar por meio da expressão: onde: Ac = área da seção de concreto (cm2). α = coeficiente que leva em conta as excentricidades da carga. A = área de influência do pilar (m2). n = número de pavimentos-tipo. (n+0,7) = número que considera a cobertura, com carga estimada em 70% da relativa ao pavimento-tipo. fck = resistência característica do concreto (kN/cm2). ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 25 Anote isso Os conceitos relativos à resistência do concreto à tração direta (fct) são análogos aos de resistência à compressão (fck). Assim, a resistência média do concreto à tração (fctm) é obtida da média aritmética dos resultados e a resistência característica à tração (fctk ou ftk) corresponde à probabilidade de 5% dos valores não serem alcançados pelos resultados de um mesmo lote de concreto ensaiado. “Três normalizados são utilizados no Brasil para a aferição dessa propriedade: tração direta, compressão diametral e tração na flexão” (PINHEIRO; MUZARDO; SANTOS, 2003, p. 3). Fonte: PINHEIRO, L. M.; MUZARDO, C. D.; SANTOS, S. P. Fundamentos do concreto e projeto de edifícios: Pré-dimensionamento. Notas de Aula do departamento de engenharia de estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos na Universidade de São Paulo. São Carlos, 2003. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 26 AULA 4 LAJES MACIÇAS 4.1 Porquê estudar lajes maciças? As lajes são elementos estruturais bidimensionais que possuem a função de receber a maior parte das ações aplicadas numa construção: pessoas, móveis, pisos, paredes etc. As ações são comumente perpendiculares à superfície da laje, podendo ser divididas em distribuídas na área, linearmente distribuídas e pontuais. As ações das lajes geralmente são transmitidas para as vigas de apoio, mas eventualmente também podem ser transmitidas diretamente aos pilares. Portanto, conhecer as suas características dimensionais deve estar prevista para que se possa especificar os demais elementos que constituirão um projeto estrutural. A laje maciça pode ser entendida como uma peça composta unicamente por concreto e contendo armaduras longitudinais e transversais, geralmente com espessuras de 7 cm a 15 cm, sendo projetadas para os mais variados tipos de construção. “As lajes podem ser classificadas com relação ao seu formato geométrico, aos tipos de vínculos nos apoios, quanto à direção, etc. Uma classificação bastante usual em lajes maciças é aquela referendada na direção (ou direções) da sua armadura principal” (PINHEIRO; MUZARDO; SANTOS, 2003, p.41). Para esta classificação existem dois casos: laje armada em uma direção ou laje armada em duas direções. 4.1.1 Laje armada em uma direção De acordo com Pinheiro, Muzardo e Santos (2003) as lajes armadas em uma direção têm relação entre o lado maior e o lado menor superior a dois, ou seja: onde: lx = vão menor (Figura 5). ly = vão maior. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 27 Figura 5 – Relação dos comprimentos x e y. Fonte: Pinheiro, Muzardo e Santos (2003, p. 42) Os esforços solicitantes de maior magnitude ocorrem na direção do menor vão, chamada direção principal. Na outra direção os esforços solicitantes são bem menores, sendo desprezados nos cálculos. Os esforços solicitantes e as flechas são calculados supondo- se a laje como uma viga com largura de 1 m, seguindo a direção principal da laje, como se verá adiante. 4.1.2 Laje armada duas direções Para as lajes armadas em duas direções, os esforços solicitantes são importantes segundo as duas direções da laje. A relação entre os lados é menor que dois tais que: 4.2 Conceito de vão efetivo Os vãos efetivos das lajes nas suas principais direções devem seguir as recomendações do item 14.6.2.4 da NBR 6118 (2014), sendo calculados pela expressão: lef = lo+a1+a2 sendo: a1 igual ao menor valor entre (t1/2 e 0,3h) e a2 igual ao menor valor entre (t2/2 e 0,3h), conforme Figura 6. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 28 Figura 6 – Tipos de apoios. Fonte: NBR 6118 (2014, p. 90). 4.3 Lajes e a vinculação em bordas As lajes são apoiadas em três tipos de apoio: paredes divisórias, vigas ou pilares, sendo mais comum a vinculação em vigas. Diante disso, verifica-se a necessidade de estabelecer as condições de vinculação da laje nos apoios no cálculo dos esforços solicitantes e das deformações. Em função da complexidade deste problema, algumas simplificações são aceitas: Os três tipos comuns de vínculo das lajes são o apoio simples, o engaste perfeito e o engaste elástico. Como as tabelas usuais para cálculo das lajes só admitem apoios simples, engaste perfeito e apoios pontuais, a vinculação nas bordas deve se resumir apenas a esses três tipos (PINHEIRO; MUZARDO; SANTOS, 2003, p. 47). De acordo com a sua vinculação de bordas, as lajes podem ser: • simplesmente apoiadas: o apoio simples surge nas bordas onde não existe ou não se admite a continuidade da laje com outras lajes vizinhas, podendo ser uma parede de alvenaria ou uma viga de concreto. • perfeitamente engastadas: no caso de lajes em balanço ou nas bordas onde há continuidade entre duas lajes vizinhas. Além disso, quando duas lajes contínuas têm espessuras muito diferentes pode ser mais adequado considerar a laje de menor espessura engastada na de maior espessura e a laje mais espessa é considerada simplesmente apoiada na borda comum às duas lajes. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 29 • elasticamente engastadas: no caso de apoios intermediários em lajes contínuas surgem momentos fletores negativos. A ponderação feita entre os diferentes valores dos momentos nesses apoios conduz ao engastamento elástico. Em função dessa variedade de combinações possíveis de vínculos e considerando que as lajes possuem quatro bordas a serem vinculadas, cada caso de vinculação recebe um número de identificação conforme visualizado na Figura 7. Figura 7 – Classificação das lajes em função da vinculação nas bordas. Fonte: Adaptado de Pinheiro, Muzardo e Santos (2003, p. 44) As tabelas que são empregadas no dimensionamentoconsideram as lajes com o mesmo tipo de vínculo ao longo de toda a extensão na borda. Na prática da construção civil, outras situações podem ocorrer, para esses casos deve-se lançar mão de um critério para cada caso específico, por exemplo: pode ser que a laje tenha uma das suas bordas parcialmente ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 30 engastada e parcialmente apoiada (Figura 8). A relação entre os comprimentos de cada tipo de apoio em uma mesma borda é um critério desses critérios e está indicado na Tabela 6. Figura 8 – Caso específico de vinculação. Fonte: Pinheiro, Muzardo e Santos (2003, p. 45). Tabela 6 – Critério para simplificação de bordas parcialmente engastadas e apoiadas. Fonte: Pinheiro, Muzardo e Santos (2003, p. 45). Anote isso Nome do livro: Desconstruindo o projeto estrutural. Editora: Oficina de Textos. Autor: José Sérgio dos Santos. ISBN: 978-85-7975-261-2 Comentário: Este livro traz uma abordagem muito interessante acerca dos projetos estruturais, apresentando exemplos de projeto em uma sequência que de fato é executada na obra e trazendo ainda exemplos e explicações sobre os desenhos técnicos, permitindo que o leitor consiga compreender com clareza as informações exibidas em plantas, cortes e detalhes estruturais. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 31 AULA 5 DIMENSIONAMENTO DE LAJES MACIÇAS 5.1 Porquê estudar o dimensionamento de lajes maciças? As lajes, assim como as vigas são elementos que constituem o subsistema horizontal da supraestrutura e são elas que recebem as ações externas causadas pela utilização do edifício Elementos horizontais de concreto armado geralmente sofrem maior ação dos esforços provenientes da flexão simples e o conhecimento acerca de seu comportamento é fundamental para que o projetista estrutural tenha condições elaborar um bom projeto. Nesta aula serão abordados conceitos importantes para o dimensionamento de elementos estruturais de concreto armado passando pela determinação dos esforços atuantes nas lajes, pelos conceitos iniciais que formam o alicerce para aplicação da Teoria da Flexão Simples e finalizando com o cálculo das armaduras longitudinais nas lajes e vigas. Isso está na rede Nome: MuBE 03 – Concepção Estrutural Comentário: No episódio 3 deste documentário de 1990 o engenheiro civil Mário Franco faz descreve como se deu a concepção da obra do Museu Brasileiro de Escultura e Ecologia, explicando em particular, como foi possível obter um vão livre de 60 m com uma laje de concreto armado. Assista ao filme em: https://vimeo.com/41003616 5.2 Determinação dos momentos atuantes em lajes maciças Conforme comentado na aula 04, as lajes maciças podem ser classificadas em de acordo com as suas direções em: armadas em uma direção e armadas em duas direções, sendo essa classificação resultante da relação entre os seus lados. https://vimeo.com/41003616 ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 32 5.2.1 Lajes armadas em uma direção Neste ponto já é de seu conhecimento que nas lajes os esforços solicitantes são de maior intensidade na direção com menor vão. Por este motivo, nas lajes armadas em uma direção, quando a relação entre os vãos ultrapassa 2, considera-se que a flexão na direção do menor vão é preponderante a da outra direção. Assim, em lajes armadas em uma direção supõe-se a laje como uma viga com largura constante de 100 cm (1 m) segundo à direção principal, conforme a Figura 9. Figura 9 – Consideração de laje como viga com largura constante de 1 metro. Fonte: Bastos (2015, p. 13) Sendo assim, em lajes armadas em uma direção o cálculo dos momentos fletores deve ser realizado como se esta fosse uma viga. Na Figura 9 verifica-se uma viga com vinculação apoio-engaste, onde o momento máximo negativo ocorre no engaste e é dado por M- = (p.l²)/8 e o momento máximo positivo é dado por M+= ( p.l²)/14,22. 5.2.1 Lajes armadas em duas direções O comportamento das lajes armadas em duas direções diferentes notadamente do comportamento das lajes armadas em uma direção, por esse motivo o seu cálculo se torna mais complexo. Uma das características das lajes maciças é que elas distribuem reações em todas as vigas em seu contorno e que a rigidez das vigas de apoio e os pilares que apoiam essas vigas influenciam na distribuição de esforços nas lajes. Os esforços nas lajes maciças armadas em duas direções podem ser realizados por vários métodos, entre eles: ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 33 • Teoria das placas, utilizando a Teoria da Elasticidade. • Analogia da Grelha Equivalente. • Método das Linhas de Rupturas ou das Charneiras Plásticas. • Métodos numéricos, tais como: Diferenças finitas; Método dos Elementos Finitos etc. Os momentos fletores atuantes na laje, sejam eles positivos ou negativos, são determinados pela expressão: onde: M: Momento fletor [kNm/m]; μ: Coeficiente tabelado, em função do tipo de laje (apoios e carregamentos) e da relação λ=ly⁄lx ; μx e μy: Coeficientes para o cálculo dos momentos positivos atuantes em direções paralelas a lx e ly respectivamente; μ’x e μ’y: Coeficientes para o cálculo dos momentos negativos atuantes em direções paralelas a lx e ly respectivamente; p: Carga uniformemente distribuídas, ou triangular [kN/m²]; lx: Menor vão da laje [m]; ly: Maior vão da laje [m]. Anote isso Considerando a complexidade no cálculo dos esforços nas lajes uma variedade de tabelas foram desenvolvidas a fim de simplificar o processo dimensional que foram elaboradas por Barés (1972) e adaptadas por Pinheiro; Muzardo; Santos (2003) considerando coeficiente de Poisson igual a 0,20. Neste material didático serão utilizadas as tabelas (começando pela Tabela 2.3a) presentes a partir da página 367 do material do Prof. Dr. Libânio M. Pinheiro (2003). Link: http://coral.ufsm.br/decc/ECC1006/Downloads/Apost_EESC_USP_Libanio.pdf http://coral.ufsm.br/decc/ECC1006/Downloads/Apost_EESC_USP_Libanio.pdf ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 34 5.3 Determinação das reações cortantes Assim como na determinação dos momentos fletores atuantes nas lajes, as reações cortantes máximas são calculadas a partir da classificação da laje. 5.3.1 Lajes armadas em uma direção Para as lajes armadas em uma direção o cálculo das reações nas vigas perpendiculares à direção principal é realizado tal como uma viga de largura constante de 1 m. Para as vigas paralelas, quando existirem, pode-se considerar a favor da segurança que uma parcela das cargas formada por um triângulo adjacente à viga resulte reações na mesma, tal como o exemplo da Figura 10. Assim, a carga que atua linearmente na viga paralela à direção principal pode ser determinada de maneira simplificada através da Equação abaixo: V(vig,p) = 0,15.p.lx onde: V(vig,p): Carga da laje na viga paralela [kN/m]; p: Carga atuante na laje [kN/m²] lx: menor vão da laje (m). Figura 10 – Cargas nas vigas paralelas à direção principal da laje. Fonte: Bastos (2015, p. 19) ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 35 5.3.2 Lajes armadas em duas direções Nas lajes armadas em duas direções o procedimento para determinação das cargas que geram reações nas vigas de borda é baseado no método das charneiras plásticas, sendo necessário realizar uma análise plástica para determinação precisa da parcela de carga que caminha na direção de cada uma das vigas de borda. No entanto, para fins de simplificação a NBR 6118 (2014) no Item 14.7.6.1 recomenda: b) quando a análise plástica não for efetuada, as charneiras podem ser aproximadas por retas inclinadas, a partir dos vértices, com os seguintes ângulos: - 45° entre dois apoios do mesmo tipo; - 60° a partir do apoioconsiderado engastado, se o outro for considerado simplesmente apoiado; - 90° a partir do apoio, quando a borda vizinha for livre (NBR 6118, 2014, p. 96). Assim, as reações nas vigas que apoiam as lajes podem ser calculadas por meio dos ângulos acima citados. Figura 11 – Área de influência para determinação das cargas nas lajes maciças armadas em duas direções segundo a NBR 6118 (2014). Fonte: Bastos (2015, p. 20) As Tabelas do material do Prof. Dr. Libânio M. Pinheiro apresentam coeficientes que auxiliam no cálculo das reações que as lajes transmitem as vigas nas duas direções considerando carregamento uniformemente distribuído, através da Equação abaixo. V = ν.((p.lx)/10) onde: V: Reação de apoio [kN/m]; ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 36 ν: Coeficiente tabelado, em função do tipo de laje (apoios e carregamentos) e da relação λ=ly⁄lx ; νx: Reação de apoio simples perpendiculares à direção do vão lx; νy: Reação de apoio simples perpendiculares à direção do vão ly; ν’x: Reação de apoio engastado perpendiculares à direção do vão lx; ν’y: Reação de apoio engastado perpendiculares à direção do vão ly; Você poderá encontrar as Tabelas de reação de apoio (iniciando pela Tabela 2.2a), no material do Prof. Dr. Libânio M. Pinheiro, por meio do seguinte link: Link de acesso Link: http://coral.ufsm.br/decc/ECC1006/Downloads/Apost_EESC_USP_Libanio.pdf 5.4 Compatibilização dos momentos atuantes Como os cálculos dos momentos fletores são realizados isoladamente para cada laje, a compatibilização dos momentos negativos entre lajes é uma atividade necessária. Essa compatibilização é realizada por um método tradicional, onde o momento fletor negativo (X) entre duas lajes vizinhas será dado por: Uma vez que a compatibilização dos momentos negativos for realizada faz-se necessário corrigir os momentos positivos. Quando há redução dos momentos negativos de uma laje, faz- se o aumento dos positivos, conforme observado na Figura 12. Quando ocorre a diminuição do momento positivo, este não é considerado. http://coral.ufsm.br/decc/ECC1006/Downloads/Apost_EESC_USP_Libanio.pdf ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 37 Figura 12 – Exemplo de compatibilização de momentos. Fonte: Bastos (2015, p. 18) ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 38 AULA 6 ESFORÇOS DE FLEXÃO 6.1 Porquê devemos estudar os esforços da flexão nas estruturas de concreto armado? Como já é de seu conhecimento, o concreto simples é incapaz de resistir aos esforços de tração e flexão, sendo a parte dos compósitos responsável por suportar aqueles esforços provenientes da compressão. Os esforços de tração e flexão, por sua vez, são resistidos pela armadura no interior do concreto. Portanto, conhecer os parâmetros normativos e a prática do dimensionamento da quantidade mínima de aço destinado a suportar esses esforços é fundamental na garantia de que as peças estruturais serão capazes de desempenhar as suas funções ao longo da sua vida útil. No cálculo das armaduras de flexão de elementos de concreto armado, sejam eles lajes ou vigas é essencial que se conheça alguns conceitos, tais como, o modo de colapso destes quando sujeitos a flexão, estádios, domínios de deformação e algumas hipóteses básicas que permitem o cálculo através do modelo de cálculo à flexão em elementos de concreto armado. 6.2 Tipos de flexão Os elementos estruturais horizontais, como lajes e vigas estão sempre submetidos a esforços de flexão. Essa flexão pode ser simples normal, flexão simples oblíqua e flexão composta normal ou oblíqua. O tipo de flexão interfere diretamente na sua concepção e dimensionamento. A flexão simples ocorre quando só há esforços de flexão atuando no elemento estrutural. Quando além da flexão tem-se também esforços normais, ocorre a flexão composta. Vale ressaltar que a flexão, assim como a força normal produz na seção transversal tensões normais (perpendiculares), de tração ou de compressão. Observe na Figura 13 a ocorrência de flexão simples e composta na seção transversal de uma viga genérica. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 39 Figura 13 – Flexão simples e composta. Fonte: elaborado pelo autor (2019) Quando o eixo em que ocorre a flexão coincide com um dos eixos principais de inércia da seção transversal do elemento esta é chamada de flexão normal, por outro lado, quando o eixo de solicitação não coincide com um dos eixos principais de inércia é chamada de flexão oblíqua. A flexão reta ou oblíqua pode ocorrer tanto no caso de flexão simples como no caso de flexão composta. Há ainda a flexão pura que corresponde à situação particular de flexão simples ou composta, sem a ocorrência de esforços cortantes, necessariamente, nas regiões do elemento estrutural onde a flexão pura ocorre, o momento fletor é constante. Entretanto, situações ocorrem muito raramente em situações reais de cálculo estrutural. 6.3 Colapso em elementos fletidos submetidos a tensões normais Para compreender o processo de colapso de vigas e/ou lajes de concreto armado sob o efeito de tensões normais, vamos analisar o desenvolvimento do ensaio de uma viga por quatro pontos, onde tem-se uma viga bi apoiada com duas cargas concentradas (P) crescentes e aplicadas entre os apoios, neste tipo de situação ocorre flexão pura região central da viga. Observe na Figura 14 o esquema de um ensaio de quatro pontos. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 40 Figura 14 – Ensaio de viga por quatro pontos e diagramas de momento fletor e esforço cortante. Fonte: Bastos (2019, p. 2) apud Leonhadt & Monning (1982) A elevação dos valores das cargas concentradas resulta no surgimento de três níveis de deformação da seção transversal, os quais são denominados estádios e que definem o comportamento do elemento até o colapso do mesmo. Inicialmente com cargas baixas a viga se enquadra no Estádio I que significa uma situação em que as tensões de tração ainda não ultrapassaram a resistência à tração do concreto (fct), logo, o elemento não apresenta fissuras. A distribuição de tensões em uma viga no Estádio I pode ser verificada na Figura 15 (a). Posteriormente, com o aumento do carregamento, as tensões de tração atingem a resistência à tração do concreto, induzindo o surgimento de fissuras, o que caracteriza o Estádio II. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 41 Figura 15 – Comportamento do elemento sob flexão passando pelos Estádios I e II. Fonte: Bastos (2019, p. 2) apud Leonhadt & Monning (1982) Isso está na rede O ensaio de flexão a 4 pontos é um ensaio amplamente difundido para caracterizar a fissuração e ruptura de vigas de concreto armado, sendo realizada em diversos laboratórios. No link a seguir você poderá acompanhar este ensaio e verificar como surgem as primeiras fissuras em uma viga composta com 2 concretos diferentes na seção transversal. Link: https://www.youtube.com/watch?v=ErMSybOjOZ0 https://www.youtube.com/watch?v=ErMSybOjOZ0 ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 42 A distribuição de tensões e deformações na seção transversal no Estádio I ainda obedece à Lei de Hooke, conforme verificado na Figura 15 (c) pela Seção a-a. No Estádio II, com o surgimento das fissuras, considera-se que somente o aço resiste às tensões de tração, desprezando-se a contribuição do concreto. Além disso, o concreto resiste às tensões de compressão, como verificado na Seção b-b 15 (c). O Estádio II é utilizado para verificações em situações de serviço. Com o aumento do momento fletor toda a viga passa para o Estádio III. O Estádio III equivale à situação de iminência de ruptura da estrutura,isto é, o momento fletor atuante se aproxima do momento último (Mu). Neste Estádio, conforme a NBR 6118:2014, a distribuição tensão-deformação assume o diagrama idealizado e respeitando os limites de deformação de encurtamento no concreto. Nesta situação, a seção transversal encontra-se intensamente fissurada, reduzindo a profundidade da linha neutra e, consequentemente, reduzindo a altura da região comprimida. Análise a situação de deformações e de tensões no elemento quando este está na iminência de ruptura (Estádio III) na Figura 16. Figura 16 – Estádio III. Fonte: Pinheiro, Muzardo e Santos (2003) ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 43 Isso está na rede Hoje em dia estão sendo desenvolvidos concretos de ultra desempenho, com resistências que ultrapassam os 100 MPa, e este material já vem sendo utilizado no Brasil. “O UHPC (Ultra High Performance Concrete) é um tipo de concreto de alta performance tão resistente e durável quanto as rochas. Esse concreto oferece resistência à compressão maior que 20.000 psi, o que significa 138 MPa. No Brasil, a utilização ajuda na recuperação das obras de infraestrutura, além da possibilidade de construções robustas que evitem reparos futuros.” Link: https://www.tecnosilbr.com.br/uhpc-o-que-e-e-por-que-esse-concreto-deveria-ser- mais-utilizado-no-brasil/ https://www.tecnosilbr.com.br/uhpc-o-que-e-e-por-que-esse-concreto-deveria-ser-mais-utilizado-no-brasil/ https://www.tecnosilbr.com.br/uhpc-o-que-e-e-por-que-esse-concreto-deveria-ser-mais-utilizado-no-brasil/ ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 44 AULA 7 DOMÍNIOS DE DEFORMAÇÕES 7.1 Hipóteses básicas para cálculo da flexão simples A NBR 6118 (2014, p. 120) apresenta em seu item 17.2.2 as Hipóteses básicas a serem consideradas no cálculo de elementos de concreto armado sujeitos a tensões normais em Estado-Limite Último (ELU). A consideração dessas hipóteses é imprescindível para o dimensionamento dos elementos. • As seções transversais se mantêm planas após a deformação. • Solidariedade entre o aço e o concreto, ou seja, considera-se que haja perfeita aderência entre os materiais, portanto a deformação de uma barra de armadura tracionada ou comprimida é igual a deformação do concreto adjacente. • As tensões de tração no concreto são desprezadas. • A distribuição de tensões de deformação no aço respeita o diagrama exibido na NBR 6118 (2014, p. 29) em seu item 8.3.6, sendo adotado como o alongamento máximo permitido pela armadura tracionada de 10 ‰, a fim de prevenir deformações plásticas excessivas. • A distribuição de tensões no concreto respeita o diagrama tensão-deformação idealizado apresentado na NBR 6118 (2014, p. 26), em seu item 8.2.10.1. O diagrama tensão-deformação pode ser substituído por um retangular simplificado como pode ser visto na Figura 17 a seguir, considerando os concretos do Grupo I, com profundidade dada por y = λ.x , onde : λ = 0,8 → para concretos do Grupo I (fck ≤ 50 MPa) λ = [0,8 - (fck - 50)/400] → para concretos do Grupo II (fck > 50 MPa) ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 45 Figura 17 – Diagrama retangular simplificado para concretos do Grupo I. Fonte: Bastos (2019, p. 12) 7.1.1 Hipóteses básicas para lajes As lajes de concreto armado são elementos bidimensionais que podem ser tratados como elementos de placa. A NBR 6118 (2014) no Item 14.7.1 estabelece hipóteses básicas para a análise desse tipo de elemento. 1. Manutenção da seção plana após a deformação, em faixas sufi cientemente estreitas; 2. Representação dos elementos por seu plano médio. A norma traz ainda uma consideração importante acerca da maneira de considerar os efeitos de carregamentos nas lajes: Na determinação dos esforços solicitantes nas lajes, deverá ser avaliada a necessidade da consideração da aplicação da alternância das sobrecargas. Para estruturas de edifícios em que a carga variável seja de até 5 kN/m2 e que seja no máximo igual a 50 % da carga total, a análise estrutural pode ser realizada sem a consideração de alternância de cargas (NBR 6118, 2014, p 95). 7.2 Domínios de deformações A NBR 6118 (2014) em seu Item 17.2.2 estabelece que estado-limite último é caracterizado pela distribuição de deformações na seção conforme os domínios definidos na Figura 18. Nesta Figura é possível notar uma elevação lateral de um elemento de concreto armado (viga, laje etc.), onde verifica-se as armaduras comprimidas (As1) e tracionadas (As2) considerando uma situação de momento atuante positivo. Os domínios de deformação (reta a, domínio 1, 2, 3, 4, 4a, 5 e reta b) definem as possibilidades de deformação da seção transversal ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 46 que caracterizam um ELU a cada par de deformações específicas de cálculo (εc) e (εs), considerando as hipóteses básicas. Reserve alguns minutos para analisar a Figura 18. Figura 18 – Domínios de deformação segundo a NBR 6118 (2014). Fonte: Bastos (2015, p. 28) Tendo compreendido o que são os domínios de deformação podemos agora avaliar quais são as rupturas convencionais representadas por cada um deles: • Reta a. Tração uniforme com ruptura por alongamento excessivo da armadura tracionada (εs = 10‰);. • Domínio 1. Tração não uniforme, sem compressão na seção transversal com ruptura por alongamento excessivo da armadura tracionada (εs = 10‰). • Domínio 2. Flexão simples ou composta sem ruptura do concreto à compressão (εc < εcu) e ruptura caracterizada por alongamento excessivo da armadura tracionada. A relação x/d que estabelece o limite para o fim do domínio 2 e início do domínio 3 (x2,lim) é dada por x2,lim = 0,259d. • Domínio 3. Flexão simples (seção subarmada) ou composta com ruptura do concreto (εc = εcu) e com escoamento do aço da armadura tracionada (εs ≥ εyd) causando grandes deformações. A relação x/d que estabelece o limite para o fim do domínio 3 e início do domínio 4 (x3,lim) considerando a utilização de aços CA 50 é dada por x3,lim = 0,628d. • Domínio 4. Flexão simples (seção superarmada) ou composta com ruptura do concreto (εc = εcu) e armadura tracionada não plastificada (εs < εyd). • Domínio 4a. Flexão composta com armaduras comprimidas e ruptura do concreto (εc = εcu). ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 47 • Domínio 5. Compressão não uniforme, sem tração na seção transversal com ruptura do concreto (εc = εcu). • Reta b. Compressão uniforme com ruptura do concreto. 7.2.1 Domínios de dimensionamento no ELU Um dos grandes objetivos do dimensionamento de elementos em concreto armado é que esses apresentem ductilidade, ou seja, é de interesse que os elementos apresentem grandes deformações antes de chegar à ruptura, de maneira simples, o que se quer dizer é que no caso de ocorrência de ruptura do elemento, é um objetivo que ele apresente um “aviso prévio”. Neste sentido, considerando as diferenças reológicas entre o concreto e o aço, visto que o concreto apresenta ruptura frágil e que o aço exibe grande ductilidade é interessante que a ruptura ocorra devido a deformações excessivas do aço tracionado, pois com a armadura plastificada as deformações continuarão para além dos limites dos materiais e a fissuração no elemento será intensa, servindo de alerta para os usuários que o elemento em questão apresenta problemas e que medidas precisam ser tomadas. Considerando a Figura 18 e a descrição dos domínios de deformação apresentados, verificamos que a ruptura por alongamento excessivo das armaduras na flexão simples ocorre nos domínios 2 e 3. Portanto, para dimensionamento com segurança em ELU, apresentando ductilidade, a linha neutra não pode ultrapassar o limite entre os domínios 3 e 4, que considerando a utilização do aço CA 50 édado por x3,lim = 0,628d. Entretanto, a NBR 6118 (2014) no Item 14.6.4.3, esclarece que a capacidade de rotação dos elementos estruturais está totalmente relacionada à posição da linha neutra no ELU e que quanto menor for a relação x/d, tanto maior será a capacidade de rotação dos elementos. Além disso, este mesmo item deixa bem claro que “para proporcionar o adequado comportamento dúctil em vigas e lajes, a posição da linha neutra no ELU deve obedecer aos seguintes limites” (NBR 6118, 2014, p. 91) • x/d ≤ 0,45 → para concretos do Grupo I (fck ≤ 50 MPa) • x/d ≤ 0,35 → para concretos do Grupo II (50 MPa ≤ fck ≤ 90 MPa) Observa-se, portanto, que o dimensionamento de elementos em concreto armado não pode ser feito em todo o domínio 3, mas somente em parte dele. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 48 Anote isso Dica de leitura: “Escolha da altura de lajes com nervuras pré-moldadas para pavimentos de edificações considerando as verificações do estado limite último e de deformação excessiva”. Evento: XXIX JORNADAS SUDAMERICANAS DE INGENIERIA ESTRUCTURAL Autor: Roberto Chust Carvalho, Jasson Rodrigues de Figueiredo Filho, Sydney Furlan Junior, Vitor Vanderlei Mesquita. Comentário: Neste artigo os autores procuraram determinar um procedimento de cálculo em lajes pré-moldadas, considerando a segurança no ELU e a funcionalidade da estrutura sob cargas de serviço. Para isso, tabelas que permitem obter a altura da laje com nervuras pré-moldadas, valor de vão e o carregamento atuante foram elaboradas. Saiba mais acessando o link a seguir: https://wwwp.feb.unesp.br/pbastos/concreto2/LajeNerv-S8T177.pdf https://wwwp.feb.unesp.br/pbastos/concreto2/LajeNerv-S8T177.pdf ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 49 AULA 8 CÁLCULO DA ARMADURA DE FLEXÃO EM VIGAS COM SEÇÃO RETANGULAR 8.1 Porquê devemos calcular a armadura de flexão em elementos com seção retangular? Os elementos de concreto armado podem ter diversas formas geométricas, entretanto, a seção retangular é a utilizada na maioria dos casos. As vigas com armadura simples são aquelas onde só existe armadura para resistir aos esforços de tração. Quando se utiliza armaduras para resistir tanto aos esforços de tração como de compressão, diz-se que a seção tem armadura dupla, no entanto, este assunto não será abordado neste material. Vale dizer que mesmo nas seções com armaduras simples são colocadas barras longitudinais na região comprimida por questões construtivas, principalmente para amarração dos estribos, contudo, essas armaduras não são consideradas no cálculo do elemento à flexão. Isto está na rede Dica de leitura: “Reforço à flexão em vigas de concreto armado com manta de fibra de carbono: mecanismos de incremento de ancoragem” Autor: Vladimir José Ferrari, Ivo José Padaratz e Daniel Domingues Loriggi. Revista: Acta Scientiarum. Technology Comentário: em alguns casos, seja por um dimensionamento negligenciado ou por alterações de carregamentos não previstos em projetos, as estruturas de concreto armado podem vir a sofrer com problemas decorrentes de insuficiência de armaduras de flexão, resultando em deformações excessivas, fissuração das peças estruturais e até mesmo o colapso das edificações. Para estes casos, uma possível solução é a realização de um reforço estrutural que consiste na elevação da capacidade resistente do elemento em questão. Neste artigo, os autores avaliaram o comportamento de nove vigas de concreto armado que foram reforçadas aos esforços de flexão com a utilização de uma manta de fibra de carbono, avaliando-se inclusive, a incorporação ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 50 de mecanismos de incremento de ancoragem para evitar o desprendimento prematuro da manta. Saiba mais acessando o link a seguir: <https://periodicos.uem.br/ojs/index.php/ActaSciTechnol/article/view/2556> 8.2 Distribuição das tensões na seção transversal A determinação da quantidade de armadura necessária em uma seção transversal de um elemento sujeito a flexão normal é realizada através do equilíbrio de esforços na seção, ou seja, todos os esforços atuantes na seção transversal que podem ser observados na Figura 19 devem atender ao equilíbrio de forças normais (∑N = 0) e de momentos (∑M = 0). Observe na Figura 19 (a) em elevação lateral os esforços atuantes, bem como a distribuição de deformações e de tensões considerando o diagrama retangular simplificado para concretos do Grupo I. Já a Figura 19 (b) exibe uma visão tridimensional da distribuição de tensões pelo diagrama parábola-retângulo e pelo diagrama retangular simplificado, também para concretos do Grupo I. Figura 19 - Distribuição de tensões e deformações em viga retangular com armadura simples para concretos do Grupo I. Fonte: Adaptado de Bastos (2019, p. 13) https://periodicos.uem.br/ojs/index.php/ActaSciTechnol/article/view/2556 ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 51 Aplicando as Equações do equilíbrio e desenvolvendo-as chega-se a duas Equações que permitem o cálculo da armadura longitudinal necessária para resistir aos esforços de tração causados pela flexão normal. A Equação abaixo permite calcular a posição (x) da linha neutra na seção: Md = 0,68fcd. x.bw.(d-0,4x) Isolando a posição da linha neutra (x), tem-se: E a Equação abaixo permite determinar a quantidade de armadura longitudinal para resistir aos esforços de tração: As = Md / (fyd.(d-0,4x) ) Com as Equações acima demonstradas pode-se dimensionar as seções retangulares com armadura simples, entretanto, observe que temos um total de sete variáveis, sendo elas: a resistência de cálculo do concreto (fcd) e do aço (fyd); a largura da seção transversal (bw); a altura útil da seção transversal (d) a posição da linha neutra (x); o momento fletor atuante (Md) e por fim a área de aço de armadura longitudinal (As), e temos disponíveis apenas duas equações para resolver o problema. Na maioria das vezes são conhecidas as resistências fcd e fyd, as dimensões da seção transversal bw e d e calcula-se apenas a posição da linha neutra e a área de aço As. No cálculo da posição da linha neutra, verifica-se o domínio de deformação em que se encontra, e deve-se atentar para que atenda os limites estabelecidos pelo Item 14.6.4.3 da NBR 6118 (2014). Caso não seja atendido os limites, deve-se proceder alguma alteração para que atenda, que pode ser: • Redução do momento fletor solicitante (Md). • Aumentar a largura (bw) ou a altura útil (d). • Aumentar a resistência do concreto (fcd). ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 52 Na maioria dos casos, a opção mais viável é aumentar a seção da viga, desde que não existam limitações arquitetônicas que impeçam. 8.3 Cálculo com a utilização dos coeficientes K Uma maneira facilitada de determinar a armadura longitudinal de seções retangulares de concreto armado é através de tabelas com os coeficientes K. Essas tabelas apresentam coeficientes Kc e Ks em função da relação entre a posição da linha neutra (x) e a altura útil (d): βx=x/d. Os coeficientes Kc e Ks são relativos à resistência do concreto e a tensão na armadura tracionada respectivamente e as Equações que permitem o cálculo através deles são: Kc = (bw.d²) / Md As = Ks.(Md / d²) A tabela 1.1 do material criado pelo Professor Dr. Libânio M. Pinheiro pode ser acessada por meio do seguinte link: Link de acesso http://coral.ufsm.br/decc/ECC1006/Downloads/Apost_EESC_USP_Libanio.pdf Os valores da Tabela 1.1 que você acessa pelo link supracitado são encontrados na página 343 do material do Professor Dr. Libânio M. Pinheiro e são válidas para concretos do Grupo I (fck≤50 MPa). O procedimento de cálculo através dos coeficientesK consiste basicamente em: • Calcular o coeficiente Kc através da primeira equação. • Ir a Tabela 1.1 e obter o coeficiente Ks. • Calcular a área de aço de armadura longitudinal (As) através da segunda. http://coral.ufsm.br/decc/ECC1006/Downloads/Apost_EESC_USP_Libanio.pdf ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 53 O cálculo por meio dos coeficientes K configura-se em um método de dimensionamento bastante difundido na engenharia. É importante observar que os coeficientes consideram as unidades de kN e cm. Anote isso A evolução da informática nas últimas décadas trouxe para nós engenheiros, ferramentas que revolucionaram a maneira como projetamos estruturas, no entanto, devemos estar cientes que os computadores não nos substituem. Acerca desse assunto, reflita sobre o texto do Prof. Emkin. Qual competente engenheiro estrutural ainda não experimentou a dor e a frustração de discutir um problema de engenharia com alguém cuja única experiência em resolver problemas de engenharia fosse pelos meios computacionais? Essas pessoas (não as confunda com engenheiros “verdadeiros”) não sabem mais, ou talvez nunca souberam, engenharia sem computadores. Eles não têm ideia dos assuntos relacionados à modelagem, análise e projeto que não podem ser resolvidos por computadores. Eles acreditam que além da grande velocidade dos computadores, os seus softwares são fontes de conhecimento. Essas pessoas não aparentam reconhecer que conhecimento vai além das fronteiras do que os softwares podem fazer. EMKIN, L. Z. Misuse of computers by structural engineers – a clear and presente danger, Structural Engineersa World Congress, California (EUA), 1998. Tradução do artigo no link: http://tqs.com.br/suporte-e-servicos/biblioteca-digital-tqs/89-artigos/390- Mau-Uso-de-Computadores-por-Engenheiros-Estruturais?fbclid=IwAR2veUoW5Y1px9S Zv1TxNp4I1dtg7TnkEJGVBYx0w1NuYs-eO1saPyXkchI http://tqs.com.br/suporte-e-servicos/biblioteca-digital-tqs/89-artigos/390-Mau-Uso-de-Computadores-por-Engenheiros-Estruturais?fbclid=IwAR2veUoW5Y1px9SZv1TxNp4I1dtg7TnkEJGVBYx0w1NuYs-eO1saPyXkchI http://tqs.com.br/suporte-e-servicos/biblioteca-digital-tqs/89-artigos/390-Mau-Uso-de-Computadores-por-Engenheiros-Estruturais?fbclid=IwAR2veUoW5Y1px9SZv1TxNp4I1dtg7TnkEJGVBYx0w1NuYs-eO1saPyXkchI http://tqs.com.br/suporte-e-servicos/biblioteca-digital-tqs/89-artigos/390-Mau-Uso-de-Computadores-por-Engenheiros-Estruturais?fbclid=IwAR2veUoW5Y1px9SZv1TxNp4I1dtg7TnkEJGVBYx0w1NuYs-eO1saPyXkchI ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 54 AULA 9 CÁLCULO DA ARMADURA DE FLEXÃO PARA LAJES DE SEÇÃO RETANGULAR 9.1 Lajes de seção retangular As lajes maciças são placas de concreto, ou seja, elementos bidimensionais onde a espessura é consideravelmente menor que as dimensões do plano (comprimento e largura), os carregamentos nas placas atuam perpendicularmente ao plano. É importante ressaltar que nas estruturas de múltiplos pavimentos as lajes, além de funcionarem como placas, atuam ainda como chapas, absorvendo os carregamentos horizontais. A NBR 6118:2014 em seu Item 13.2.4.1 estabelece as espessuras mínimas para as lajes maciças: Nas lajes maciças devem ser respeitados os seguintes limites mínimos para a espessura: a) 7 cm para cobertura não em balanço; b) 8 cm para lajes de piso não em balanço; c) 10 cm para lajes em balanço; d) 10 cm para lajes que suportem veículos de peso total menor ou igual a 30 kN; e) 12 cm para lajes que suportem veículos de peso total maior que 30 kN; f) 15 cm para lajes com protensão apoiadas em vigas, com o mínimo de 42 para lajes de piso biapoiadas e 50 para lajes de piso contínuas; g) 16 cm para lajes lisas e 14 cm para lajes-cogumelo, fora do capitel (NBR 6118, 2014, p. 74). Esses limites mínimos de espessura são estabelecidos para assegurar adequado cobrimento da armadura, permitir passagem de instalações, além da segurança estrutural. Segundo Bastos (2015) as espessuras de lajes maciças de concreto armado variam entre 7 e 15 cm, espessuras maiores que 15 cm levam a lajes muito pesadas. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 55 9.2 Estimando a espessura de uma laje O dimensionamento de uma laje maciça de concreto armado passa pela definição da espessura da mesma, para isso podemos utilizar a Equação a seguir: d ≅ (2,5 - 0,1.n).l*/100 Onde: d : Altura útil da laje (cm); n: Número de bordas engastadas da laje; l*: Comprimento da laje, determinado por: l* ≤ { lx ou 0,7.ly Determinada a altura útil da laje (d), pode-se determinar a espessura da laje (h) por meio da Equação abaixo: h = d + (∅l/2) + c Onde: h : Espessura da laje (cm); ∅l: Diâmetro da armadura longitudinal (cm); c: Cobrimento nominal da laje 9.3 Cálculo da armadura longitudinal O procedimento para o cálculo das armaduras longitudinais de lajes é análogo ao apresentado no tópico 3, apenas deve-se considerar as lajes como vigas com largura constante de 1 m (100 cm), o que faz com que as equações se tornem: ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 56 9.4 Cálculo com a utilização dos coeficientes K Para o caso do cálculo mediante os coeficientes K o procedimento também é o mesmo, sendo necessária somente a consideração da largura como 100 cm, fazendo com que as equações se tornem: 9.5 Armadura longitudinal máxima A NBR 6118:2014 estabelece limites máximos e mínimos para a quantidade de armaduras longitudinais nas lajes maciças, em seu Item 19.3.3.1 a norma diz que “Como as lajes armadas nas duas direções têm outros mecanismos resistentes possíveis, os valores mínimos das armaduras positivas são reduzidos em relação aos definidos para elementos estruturais lineares” (NBR 6118:2014, p. 157). 9.5.1 Armadura máxima Segundo a NBR 6118:2014, a soma das áreas de armaduras de compressão e de tração nas lajes maciças não deve ultrapassar o limite de calculado nas regiões de emenda de armadura, ou seja: ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 57 As + A’s ≤ 4%.Ac Onde: As: Armadura longitudinal de tração; A’s: Armadura longitudinal de compressão; Ac: Área de concreto. 9.5.2 Armadura mínima A fim de melhorar o desempenho das vigas à flexão, aumentando também a ductilidade das vigas a NBR 6118:2014 estabelece valores mínimos para a armadura de flexão, estes podem ser determinados. Os valores são dados em função da taxa de armadura e podem ser determinados com auxílio da Tabela 7. Classe do concreto 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 0,15 0,15 0,15 0,164 0,179 0,194 0,208 0,211 0,219 0,226 0,233 0,239 0,245 0,251 0,259 Os valores de apresentados na Tabela consideram o uso do aço CA50, =1,4, =1,15 e relação d/h=0,8. Tabela 7 - Taxas mínimas de armadura de flexão em lajes. Fonte: Adaptado de Bastos (2015, p. 32) A taxa de armadura nas lajes (ρs) não deve ser inferior à taxa de mínima (ρmín), ou seja: ρs = (As/(bw.h)) ≥ ρmín Essa regra é válida apenas para as armaduras longitudinais negativas e positivas (principal). ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 58 Anote isso Sugestão para leitura - livro “Desconstruindo o projeto estrutural”. Editora: Oficina de Textos. Autor: José Sérgio dos Santos. ISBN: 978-85-7975-261-2 Comentário: Este livro traz uma abordagem muito interessante acerca dos projetos estruturais, apresentando exemplos de projeto em uma sequência que de fato é executada na obra e trazendo ainda exemplos e explicações sobre os desenhos técnicos, permitindo que o leitor consiga compreender com clareza as informações exibidas em plantas, cortes e detalhes estruturais. ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO I PROF. GUILHERME PEROSSO ALVES FACULDADE CATÓLICA PAULISTA | 59 AULA 10 DIMENSIONAMENTO NA FLEXÃO SIMPLES 10.1
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