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Sobre o autor Nome do professor Arthur Almeida Tavares O autor do caderno de estudos é o Engenheiro Civil Arthur Almeida Tavares, natural de Itaperuna/RJ, Bacharel em Engenharia Civil pela UniRedentor (2015), Especialista em Docência do Ensino Superior pela FAVENI (2018), Especialização em andamento em Estruturas de Concreto e Fundações (UNIP). Atua como Engenheiro Civil projetista, especificamente em projetos de estruturas de concreto armado em um escritório especializado em projetos e responsável técnico de obras privadas, é professor de curso de aperfeiçoamento em softwares de cálculo estrutural e softwares em estrutura BIM, atua como orientador externo da UniRedentor em Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC), na área de cálculo estrutural. Apresentação Olá querido aluno (a), seja muito bem-vindo (a)! Continuando os estudos do concreto armado. Tendo em vista que já foi estudado o concreto armado I e II, onde nós vimos as generalidades desse material, vimos o comportamento do mesmo nas estruturas, dimensionamos elementos a flexão simples, cisalhamento de vigas, Torção, Escadas, Rampas, Aderência e Ancoragem dos elementos de concreto, os Estados Limites de Serviço, Reservatórios e começamos os estudos dos pilares. Continuaremos a aprofundar nossos conhecimentos sobre esse incrível material que é o Concreto Armado! Neste caderno especificamente, iremos dar continuidade aos estudos dos pilares, agora fazendo o dimensionamento propriamente dito, incluindo os 4 métodos de dimensionamento e suas peculiaridades, vamos ver ainda sobre a estabilidade do edifício, o dimensionamento de pilares e vigas paredes, o efeito da fadiga, e o dimensionamento das lajes planas (cogumelos) e das lajes nervuradas. Este caderno foi desenvolvido em concordância com todas as normas vigentes e atualizadas dos órgãos competentes, e as melhores bibliografias disponíveis. . . . Bons estudos! Objetivos A disciplina de Concreto Armado III, tem por finalidade a continuação dos estudos de um dos materiais mais difundidos nos canteiros de obras de todo o mundo, o estudo dos pilares, os pilares e as vigas paredes, os conceitos de estabilidade global, lajes nervuradas, lajes lisas (cogumelo). Este caderno de estudos tem como objetivos: ➢ Considerações sobre a estabilidade global dos pilares (Edificações); ➢ Dimensionamento dos pilares; ➢ Dimensionamento de pilares e vigas parede; ➢ Dimensionamento de lajes nervuradas; ➢ Dimensionamento de lajes cogumelo. Sumário AULA 01 - PILARES - PARTE I 1 PILARES – PARTE I ......................................................................................... 13 1.1 Introdução ................................................................................................... 13 1.2 Métodos de cálculo ................................................................................... 13 1.2.1 Método geral .............................................................................................. 13 1.2.2 Pilar padrão ................................................................................................. 15 1.2.3 Método da curvatura aproximada .......................................................... 17 1.2.4 Método da rigidez K aproximada ............................................................. 17 1.3 Cálculo simplificado .................................................................................. 18 1.3.1 Flexão composta normal ........................................................................... 18 1.3.2 Flexão composta oblíqua .......................................................................... 20 AULA 02 - PILARES - PARTE II 2 PILARES – PARTE II ........................................................................................ 41 2.1 Introdução ................................................................................................... 41 2.2 Disposições construtivas ............................................................................ 41 2.2.1 Cobrimento das armaduras ...................................................................... 41 2.2.2 Armaduras longitudinais ............................................................................ 42 2.2.3 Limites da taxa de armadura longitudinal ............................................... 42 2.2.4 Número mínimo de barras ......................................................................... 43 2.2.5 Espaçamento das barras longitudinais .................................................... 43 2.2.6 Armaduras transversais .............................................................................. 44 2.2.7 Espaçamento máximo dos estribos .......................................................... 46 2.2.8 Estribos suplementares ............................................................................... 46 AULA 03 - CONSIDERAÇÕES SOBRE O CÁLCULO DOS PILARES - PARTE I 3 CONSIERAÇÕES SOBRE O CÁLCULO DOS PILARES – PARTE 1 ................... 54 3.1 Introdução ................................................................................................... 54 3.2 Estruturas indeslocáveis ou de nós fixos ................................................... 55 3.3 Processos simplificados para a consideração dos efeitos de segunda ordem .......................................................................................................... 62 3.4 Consideração da fluência do concreto ................................................... 68 AULA 04 - CONSIDERAÇÕES SOBRE O CÁLCULO DOS PILARES - PARTE II 4 CONSIERAÇÕES SOBRE O CÁLCULO DOS PILARES – PARTE 2 ................... 79 4.1 Introdução ................................................................................................... 79 4.2 Efeito de segunda ordem nos pilares-parede ......................................... 79 4.3 Flambagem local das lâminas dos pilares-parede ................................ 80 4.4 Dimensionamento de pilares-parede incluindo os efeitos da flambagem local ........................................................................................ 92 4.5 Imperfeições geométricas localizadas em pilares-parede ................... 97 AULA 05 - CÁLCULO DOS PILARES CONTRAVENTADOS - PARTE I 5 CÁLCULO DOS PILARES CONTRAVENTADOS – PARTE I ............................ 110 5.1 Introdução ................................................................................................. 110 5.2 Situações de projeto dos pilares ............................................................. 110 5.3 Situações de cálculo dos pilares ............................................................ 113 5.3.1 Pilares intermediários ................................................................................ 113 5.3.2 Pilares de extremidade ............................................................................ 116 5.3.3 Pilares de canto ........................................................................................ 119 AULA 06 - CÁLCULO DOS PILARES CONTRAVENTADOS - PARTE II 6 CÁLCULO DOS PILARES CONTRAVENTADOS – PARTE II ........................... 132 6.1 Introdução ................................................................................................. 132 6.2 Exemplos de dimensionamentos ............................................................ 132 6.3 Simplificações para os pilares contraventados dos edifícios .............. 132 AULA 07 - ANÁLISE DAS ESTRUTURAS DE CONTRAVENTAMENTO 7 ANÁLISE DAS ESTRUTURAS DE CONTRAVENTAMENTO ............................. 161 7.1 Introdução ................................................................................................. 1617.2 Processo simplificado para repartição das forças horizontais ............. 162 7.2.1 Sistemas isostáticos ................................................................................... 164 7.2.2 Sistemas hiperestáticos ............................................................................ 165 7.3 Imperfeição geométricas globais dos edifícios .................................... 169 AULA 08 - REVISÃO AV2 8 EXERCÍCIOS DE REVISÃO PARA AV1 ........................................................ 182 AULA 09 - VIGAS-PAREDE E CONSOLOS 9 VIGAS-PAREDE E CONSOLOS ................................................................... 189 9.1 Introdução ................................................................................................. 189 9.2 Tensões em vigas-parede ....................................................................... 190 9.3 Critérios de dimensionamento das vigas-parede de concreto armado .. .................................................................................................................... 192 9.3.1 Cálculo da armadura do banzo tracionado ........................................ 193 9.3.2 Armadura de suspensão .......................................................................... 195 9.3.3 Verificação das tensões de compressão nos apoios ........................... 196 9.4 Consolos curtos ......................................................................................... 200 AULA 10 - LAJES NERVURADAS 10 LAJES NERVURADAS .................................................................................. 222 10.1 Introdução ................................................................................................. 222 10.2 Prescrições da NBR6118: 2014 ................................................................. 224 10.3 Cálculo dos esforços em lajes nervuradas ............................................ 225 AULA 11 - LAJES COGUMELO 11 LAJES COGUMELO ..................................................................................... 246 11.1 Introdução ................................................................................................. 246 11.2 Cálculo dos esforços pelo método dos pórticos virtuais ...................... 248 11.3 Lajes lisas com vigas de borda ............................................................... 256 AULA 12 - PUNÇÃO 12 PUNÇÃO .................................................................................................... 274 12.1 Introdução ................................................................................................. 274 12.2 Procedimento de cálculo ........................................................................ 274 12.3 Armadura de flexão superior .................................................................. 284 AULA 13 - FUNDAÇÕES - PARTE I 13 FUNDAÇÕES – PARTE I ............................................................................... 295 13.1 Introdução ................................................................................................. 295 13.2 Tipos de estruturas de fundação ............................................................. 296 13.3 Distribuição das pressões de contato ..................................................... 300 13.4 Sapatas rígidas sob paredes ................................................................... 305 AULA 14 - FUNDAÇÕES - PARTE II 14 FUNDAÇÕES – PARTE II .............................................................................. 325 14.1 Sapatas rígidas isoladas .......................................................................... 325 14.2 Sapatas contínuas sob pilares ................................................................. 330 14.3 Vigas de equilíbrio .................................................................................... 333 AULA 15 - FUNDAÇÕES - PARTE III 15 FUNDAÇÕES – PARTE III ............................................................................. 347 15.1 Blocos rígidos sob estacas ....................................................................... 347 15.2 Blocos de concreto massa ...................................................................... 362 15.3 Sapatas e blocos flexíveis........................................................................ 367 15.4 Vigas e placas sobre base elástica ........................................................ 371 AULA 16 - REVISÃO AV2 16 EXERCÍCIOS DE REVISÃO PARA AV2 ........................................................ 379 Iconografia Pilares – Parte I Aula 1 APRESENTAÇÃO DA AULA Nesta aula daremos continuidade aos estudos dos pilares, tendo em vista que uma pequena parcela de pilares já foi estudada no concreto armado II, iremos partir da aula de número 14 do concreto armado II. OBJETIVOS DA AULA Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: ➢ Entender os diferentes tipos de modelos de cálculos de pilares e saber a correta utilização de cada um deles. P á g i n a | 13 Olá Aluno! Vamos estudar um pouco mais sobre os pilares? Nesta daremos continuidade aos estudos que foram iniciados no concreto armado II. Vamos lá? 1 PILARES – PARTE I 1.1 Introdução Na aula de número 14 do concreto armado II, demos início aos estudos dos pilares, lá foi visto toda a parte de cargas nos pilares, as características geométricas nos pilares, as dimensões mínimas, o comprimento equivalente, Raio de giração, índice de esbeltez, as classificações dos pilares quando sua posição na edificação, classificação quanto a esbeltez, a excentricidade inicial dos pilares, a excentricidade acidental (locais e globais), excentricidade de forma, excentricidade suplementar, esbeltez limite e a excentricidade de segunda ordem. A partir de agora continuaremos os estudos, mais focados nos dimensionamentos. 1.2 Métodos de cálculo Apresentam-se conceitos do método geral de dimensionamento, do pilar padrão e dos métodos simplificados, indicados pela NBR 6118 (2014). 1.2.1 Método geral O método geral consiste em estudar o comportamento da barra à medida que se dá o aumento do carregamento ou de sua excentricidade. É aplicável a qualquer tipo de pilar, inclusive nos casos em que as dimensões da peça, a armadura ou a força aplicada são variáveis ao longo do seu comprimento. A utilização desse método se justifica pela qualidade dos seus resultados, que retratam com maior precisão o comportamento real da estrutura, pois considera a não-linearidade geométrica, de maneira bastante precisa. Considere-se o pilar da Figura 1 engastado na base e livre no topo, sujeito à força excêntrica de compressão Nd. P á g i n a | 14 Figura 1: Pilar sujeito à compressão excêntrica. Fonte: PINHEIRO (2007) Sob a ação do carregamento, o pilar apresenta uma deformação que, por sua vez, gera nas seções um momento incremental Nd. y, provocando novas deformações e novos momentos (Figura 2). Se as ações externas (Nd e Md) forem menores que a capacidade resistente da barra, essa interação continua até que seja atingido um estado de equilíbrio para todas as seções da barra. Tem-se, portanto, uma forma fletida estável (Figura 2.a). Caso contrário, se as ações externas forem maiores que a capacidade resistente da barra, o pilar perde estabilidade (Figura 2.b). A verificação que se deve fazer é quanto à existência da forma fletida estável. Figura 2: Configurações fletidas. Fonte: PINHEIRO (2007) P á g i n a | 15 A estabilidade será atingida quando o pilar parar numa forma deformada estável, como mostra a Figura 3, de flecha a, com equilíbrio alcançado entre esforços internos e externos, respeitada a compatibilidade entre curvaturas,deformações e posições da linha neutra, assim como as equações constitutivas dos materiais e sem haver, na seção crítica, deformação convencional de ruptura do concreto ou deformação plástica excessiva do aço. Figura 3: Deformada estável. Fonte: PINHEIRO (2007) 1.2.2 Pilar padrão Como o método geral é extremamente trabalhoso, tendo em vista o número muito grande de operações matemáticas, torna-se inviável a utilização desse método sem o auxílio do computador. A NBR 6118 (2014) permite a utilização de alguns métodos simplificados, como o do pilar padrão e o do pilar padrão melhorado, cujas aproximações são relativas às não-linearidades física e geométrica. Por definição, pilar padrão é um pilar em balanço com uma distribuição de curvaturas que provoque na sua extremidade livre uma flecha a dada por: P á g i n a | 16 𝑎 = 0,4. ( 𝑙² 𝑟 ) 𝑏𝑎𝑠𝑒 = 𝑙²𝑒 10 . ( 1 𝑟 ) 𝑏𝑎𝑠𝑒 A elástica do pilar, indicada na Figura 4, é admitida senoidal, dada pela equação abaixo: Figura 4: Elástica do pilar padrão Fonte: PINHEIRO (2007) 𝑦 = −𝑎. 𝑠𝑒𝑛. ( 𝜋 𝑙 . 𝑥) Nessas condições, tem-se: 𝑦′ = −𝑎. 𝜋 𝑙 . 𝑐𝑜𝑠. ( 𝜋 𝑙 . 𝑥) 𝑦" = 𝑎. ( 𝜋 𝑙 ) 2 . 𝑠𝑒𝑛. ( 𝜋 𝑙 . 𝑥) Como: 1 𝑟 ≅ 𝑑²𝑦 𝑑𝑥² Para a seção média, tem-se: ( 1 𝑟 ) 𝑥=𝑙/2 = (𝑦")𝑥=𝑙/2 = 𝑎. ( 𝜋 𝑙 ) 2 Assim, a flecha máxima pode ser: 𝑎 = 𝑙2 𝜋2 . ( 1 𝑟 ) 𝑥=𝑙/2 Para o caso do pilar em balanço, tem-se: 𝑎 = 𝑙²𝑒 10 . ( 1 𝑟 ) 𝑏𝑎𝑠𝑒 , em que 𝜋2 ≅ 10. P á g i n a | 17 Obtendo-se a flecha máxima, pode-se obter também o momento total, já que o momento de 2º ordem pode ser obtido facilmente pela equação a seguir. 𝑀2,𝑏𝑎𝑠𝑒 = 𝑁. 𝑎 𝑀2,𝑏𝑎𝑠𝑒 = 𝑁. 𝑙²𝑒 10 . ( 1 𝑟 ) 𝑏𝑎𝑠𝑒 1.2.3 Método da curvatura aproximada O método do pilar padrão com curvatura aproximada é permitido para pilares de seção constante e de armadura simétrica e constante ao longo de seu eixo e λ ≤ 90. A não-linearidade geométrica é considerada de forma aproximada, supondo-se que a configuração deformada da barra seja senoidal. A não-linearidade física é levada em conta através de uma expressão aproximada da curvatura na seção crítica. A excentricidade de 2a ordem e2 é dada por: 𝑒2 = 𝑙²𝑒 10 . 1 𝑟 1/r é a curvatura na seção crítica, que pode ser avaliada pela expressão: 1 𝑟 = 0,005 ℎ(𝑣 + 0,5) ≤ 0,005 ℎ H é a altura da seção na direção considerada; V = Nsd/(Ac.Fcd) é a força normal adimensional. Assim, o momento total máximo no pilar é dado por: 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡 = (∝𝑏 . 𝑀1𝑑,𝑎 + 𝑁𝑑 . 𝑙²𝑒 10 . 1 𝑟 ) ≥ 𝑀1𝑑,𝐴 1.2.4 Método da rigidez K aproximada O método do pilar padrão com rigidez κ aproximada é permitido para λ ≤ 90 nos pilares de seção retangular constante, armadura simétrica e constante ao longo do comprimento. A não-linearidade geométrica é considerada de forma aproximada, P á g i n a | 18 supondo-se que a deformada da barra seja senoidal. A não-linearidade física é levada em conta através de uma expressão aproximada da rigidez. O momento total máximo no pilar é dado por: 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡 = 𝛼𝑏 .𝑀1𝑑,𝐴 1 − 𝜆² 120. 𝜅/𝜗 ≥ 𝑀1𝑑,𝐴 Onde, 𝜅 é o valor da rigidez adimensional, dado aproximadamente por: 𝜅 = 32. (1 + 5. 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡 ℎ.𝑁𝑑 ) . 𝜈 Observa-se que o valor da rigidez adimensional κ é necessário para o cálculo de Md,tot, e para o cálculo de κ utiliza-se o valor de Md,tot. Assim, a solução pode ser obtida por tentativas. Usualmente, poucas iterações são suficientes. 1.3 Cálculo simplificado A NBR6118: 2014, no item 17.2.5, apresenta processos aproximados para o dimensionamento à flexão composta normal e à flexão composta oblíqua. 1.3.1 Flexão composta normal O cálculo para o dimensionamento de seções retangulares ou circulares com armadura simétrica, sujeitas a flexo-compressão normal, em que a força normal reduzida (ν) seja maior ou igual a 0,7, pode ser realizado como um caso de compressão centrada equivalente, em que: 𝑁𝑠𝑑,𝑒𝑞 = 𝑁𝑠𝑑 . (1 + 𝛽. 𝑒 ℎ ) e 𝑀𝑠𝑑,𝑒𝑞 = 0 𝜈 = 𝑁𝑠𝑑 𝐴𝑐.𝐹𝑐𝑑 𝑒 ℎ = 𝑀𝑠𝑑 𝑁𝑠𝑑.ℎ 𝛽 = 1 (0,39 + 0,01. 𝛼) − 0,8 𝑑′ ℎ P á g i n a | 19 Sendo o valor de 𝛼 dado por: 𝛼 = − 1 𝛼𝑠 , 𝑠𝑒 𝛼𝑠 < 1 𝑒𝑚 𝑠𝑒çõ𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑡𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠 𝛼 = 𝛼𝑠, 𝑠𝑒 𝛼𝑠 > 1 𝑒𝑚 𝑠𝑒çõ𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑡𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠 𝛼 = 6, 𝑠𝑒 𝛼𝑠 < 6 𝑒𝑚 𝑠𝑒çõ𝑒𝑠 𝑟𝑒𝑡𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠 𝛼 = −4, 𝑒𝑚 𝑠𝑒çõ𝑒𝑠 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟𝑒𝑠 Supondo que todas as barras sejam iguais, 𝛼𝑠 é dado por: 𝛼𝑠 = (𝑛ℎ−1) (𝑛𝑣−1) O arranjo de armadura adotado para o detalhamento (figura 5) deve ser fiel aos valores de 𝛼𝑠 e 𝑑′ ℎ⁄ pressupostos. Figura 5: Arranjo de armadura caracterizado pelo parâmetro 𝜶𝒔 Fonte: PINHEIRO (2007) P á g i n a | 20 1.3.2 Flexão composta oblíqua Nas situações de flexão simples ou composta oblíqua, pode ser adotada a aproximação dada pela expressão de interação: [ 𝑀𝑟𝑑,𝑥 𝑀𝑟𝑑,𝑥𝑥 ] 𝛼 + [ 𝑀𝑟𝑑,𝑦 𝑀𝑟𝑑,𝑦𝑦 ] 𝛼 = 1 MRd, x; MRd, y são as componentes do momento resistente de cálculo em flexão oblíqua composta, segundo os dois eixos principais de inércia x e y, da seção bruta, com um esforço normal resistente de cálculo NRd igual à normal solicitante NSd. Esses são os valores que se deseja obter; MRd, xx; MRd, yy são os momentos resistentes de cálculo segundo cada um dos referidos eixos em flexão composta normal, com o mesmo valor de NRd. Esses valores são calculados a partir do arranjo e da quantidade de armadura em estudo; α é um expoente cujo valor depende de vários fatores, entre eles o valor da força normal, a forma da seção, o arranjo da armadura e de suas porcentagens. Em geral pode ser adotado α = 1, a favor da segurança. No caso de seções retangulares, pode-se adotar α = 1,2. Exercício Resolvido – Dimensionamento de pilar pelo método da curvatura aproximada e pelo método da rigidez K aproximada. Será feito o dimensionamento do pilar P5 (figura 6 e 7), utilizando-se o método da curvatura aproximada e pelo método da rigidez K aproximada, segundo a norma NBR6118: 2014. Dados: • aço CA-50 • 𝑓𝑐𝑘 = 25 Mpa; • 𝐶𝑛𝑜𝑚 = 25 mm e d’=4 cm; • 𝑁𝑘 = 650 𝑘𝑛; • Comprimento do pilar: 290 cm (Figura 2); • Seção transversal: 15x45 cm; P á g i n a | 21 • Carga total na viga Pk = 24 kn/m. Figura 6: Planta de Forma. Fonte: PINHEIRO (2007) P á g i n a | 22 Figura 7: Corte. Fonte: PINHEIRO (2007) Resolução: Como a menor dimensão do pilar é inferior a 19 cm, no dimensionamento deve-se multiplicar as ações por um coeficiente adicional γn, indicado na Tabela abaixo da apostila de concreto armado II, na qual b é a menor dimensão da seção transversal do pilar. Dessa forma, tem-se: 𝛾𝑛 = 1,20. (𝑏 = 15𝑐𝑚) → 𝑁𝑑 = 𝛾𝑓 . 𝛾𝑛 . 𝑁𝑘 = 1,4.1,2.650 = 1092 𝑘𝑛 𝜈 = 𝑁𝑑 𝑏. ℎ. 𝑓𝑐𝑑 = 1092 15.45. 2,5 1,4 = 0,91 1. Comprimento equivalente, raio de giração e índice de esbeltez Vamos calcular agora o comprimento equivalente do pilar que deve ser o menor entre os seguintes valores: 𝑙𝑒 ≤ { 𝑙0 + ℎ = 250 + 15 = 265𝑐𝑚 𝑙 = 290𝑐𝑚 P á g i n a | 23 O valor de Le é o comprimento do pilar entre as vigas, h é a altura do pilar no plano do corte, analisando o plano nós estamos verificando que o pilar está com sua menor direção voltada para o cálculo (b). Vamos calcular agora o raio de giração e o índice de esbeltez, só substituir os valores na formulação. 𝑖 = ℎ √12 = 15 √12 = 4,33 𝑐𝑚 𝜆 = 𝑙𝑒 𝑖 = 265 4,33 = 61,2 Podemos observar que o valor encontrado para o índice de esbeltez encontrado,é de um pilar abaixo dos 90, portanto um pilar robusto. 2. Excentricidade inicial Para o cálculo da excentricidade inicial, devem ser definidas algumas grandezas. A. Vão efetivo da viga O vão efetivo da viga V6 é calculado conforme a figura abaixo. Figura 8: Vão efetivo da viga. Fonte: PINHEIRO (2007) P á g i n a | 24 𝐿𝑒𝑓 = 𝑙0 + 𝑎1 + 𝑎2 𝑎1 ≤ { 1 2⁄ . 𝑡1 = 15 2⁄ = 7,5 𝑐𝑚 1 2⁄ . ℎ = 40 2⁄ = 20 𝑐𝑚 → 𝑎1 = 7,5 𝑐𝑚 𝑎2 ≤ { 1 2⁄ . 𝑡2 = 45 2⁄ = 22,5 𝑐𝑚 1 2⁄ . ℎ = 40 2⁄ = 20 𝑐𝑚 → 𝑎2 = 20 𝑐𝑚 𝐿𝑒𝑓 = 𝑙0 + 𝑎1 + 𝑎2 = 462,5 + 7,5 + 20 = 490 𝑐𝑚 Observe que o valor de 462,5 cm vem da seguinte forma: a planta de forma nos apresenta um valor de 492,5 cm porém essa medida é dos eixos d nossa viga, precisamos encontrar o valor entre os pilares, não é difícil de se conhecer tal valor, vamos lá: primeiro vamos pegar o valor de 492,5 cm e diminuir a metade da viga que passa pelo P5, ou seja, 492,5 cm – 7,5 cm = obtemos um valor de 485 cm, agora com esse valor nós diminuímos metade do pilar P8, tendo em vista que a viga V3 passa pelo centro dele, 485 cm - 22,5 cm = 462,5 cm com isso temos o valor entre os pilares, agora fica fácil de se obter o valor do vão efetivo da nossa viga. B. Momento na ligação viga-pilar Para o cálculo dos momentos na ligação viga-pilar, será considerado o esquema apresentado na figura abaixo. Portanto, para o caso em estudo, temos: (figura 9). P á g i n a | 25 Figura 9: Esquema estático para cálculo do momento de ligação viga-pilar. Fonte: PINHEIRO (2007) Figura 10: Esquema estático para o pilar em estudo. Fonte: PINHEIRO (2007) 𝑟𝑠𝑢𝑝 = 𝑟𝑖𝑛𝑓 = 𝐼 𝑙𝑒 = 45.15³ 12 265 2 = 12656,25 132,5 = 95,5𝑐𝑚³ P á g i n a | 26 𝑟𝑣𝑖𝑔𝑎 = 𝐼𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑙𝑒𝑓 = 15.40³ 12 490 = 80000 490 = 163,3 𝑀𝑒𝑛𝑔 = 𝑃. 𝑙² 12 = 24.4,90² 12 = 48,02 𝑘𝑛.𝑚 𝑀𝑠𝑢𝑝 = 𝑀𝑒𝑛𝑔 . 3 . 𝑟𝑠𝑢𝑝 3 . 𝑟𝑠𝑢𝑝 + 4 . 𝑟𝑣𝑖𝑔 + 3 . 𝑟𝑖𝑛𝑓 = 48,02 . 3. 95,5 3 . 95,5 + 4 . 163,3 + 3 . 95,5 = 11,22 𝑘𝑛.𝑚 𝑀𝑖𝑛𝑓 = 𝑀𝑒𝑛𝑔 . 3 . 𝑟𝑖𝑛𝑓 3 . 𝑟𝑖𝑛𝑓 + 4 . 𝑟𝑣𝑖𝑔 + 3 . 𝑟𝑠𝑢𝑝 = 48,02 . 3. 95,5 3 . 95,5 + 4 . 163,3 + 3 . 95,5 = 11,22 𝑘𝑛.𝑚 𝑀𝑣𝑖𝑔𝑎 = 𝑀𝑠𝑢𝑝 + 𝑀𝑖𝑛𝑓 = 11,2 + 11,2 = 22,44 𝑘𝑛.𝑚 O momento total no topo e base do pilar em estudo resulta em: 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑝𝑜 = − 𝑀𝑑,𝑏𝑎𝑠𝑒 = 1,4 . 1,2 . 11,22 = 18,85 𝑘𝑛.𝑚 = 1885 𝑘𝑛. 𝑐𝑚 C. Excentricidade inicial no topo e na base do pilar Vamos calcular agora a excentricidade inicial do pilar, tanto no topo, quanto na base, tendo em vista que o pilar tem a mesma seção em todo o lance. 𝑒𝑖 = 𝑀𝑑 𝑁𝑑 = 1885 1092 = 1,73𝑐𝑚 D. Momento mínimo Vamos calcular agora o momento mínimo nesse pilar. 𝑀1𝑑,𝑚𝑖𝑛 = 𝑁𝑑 . (0,015 + 0,03 . ℎ) = 1,4 . 1,2 . 650 . (0,015 + 0,03 . 0,15) = 21,29 𝑘𝑛.𝑚 E. Verificação de dispensa dos efeitos de 2ª ordem Vamos verificar se é possível dispensar a verificação do pilar para efeitos de 2ª ordem. Para pilares bi apoiados sem cargas transversais e sendo os momentos de 1ª ordem nos extremos do pilar 𝑀𝑎 = − 𝑀𝑏 = 18,85 𝑘𝑛.𝑚 < 𝑀1𝑑,𝑚𝑖𝑛 = 21,29 𝑘𝑛.𝑚, tem-se segundo o item 15.8.2 da NBR 618:2014. 𝛼𝑏 = 1,00 P á g i n a | 27 Considerando 𝑒1 = 0, resultamos: 𝜆1 = 25 + 12,5 . 𝑒′ ℎ⁄ 𝛼𝑏 = 25 1 = 25 35 ≤ 𝜆1 ≤ 90 → 𝜆1 = 35 Como 𝜆 = 61,2 > 𝜆1 = 35 → Devem ser considerados os efeitos de 2ª ordem. Como não podemos desconsiderar os cálculos dos efeitos da 2ª ordem, teremos que partir para os métodos da curvatura aproximada ou da rigidez K aproximada. Iremos realizar os dois cálculos e fazer um breve comparativo. F. Método da curvatura aproximada 𝑀1𝑑,𝑚𝑖𝑛 = 𝑁𝑑 . (0,015 + 0,03 . ℎ) = 1,4 . 1,2 . 650 . (0,015 + 0,03 . 0,15) = 21,29 𝑘𝑛.𝑚 (𝑀1𝑑,𝐴 = 18,85 𝑘𝑛.𝑚) < (𝑀1𝑑,𝑚𝑖𝑛 = 21,29 𝑘𝑛.𝑚), 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑀1𝑑,𝐴 = 21,29 𝑘𝑛.𝑚 1 𝑟 = 0,005 ℎ(𝜈 + 0,5) ≤ 0,005 ℎ 1 𝑟 = 0,005 0,15(0,91 + 0,5) = 0,0236 0,005 ℎ = 0,005 0,15 = 0,033 0,0236 < 0,033, 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜 1 𝑟 = 0,0236 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡 = 𝛼𝑏 .𝑀1𝑑,𝐴 + 𝑁𝑑 . 𝑙²𝑒 10 . 1 𝑟 = 1,0 . 21,29 + 1,4 . 1,2 . 650 . 2,65² 10 . 0,0236 = 39,39 𝑘𝑛.𝑚 𝑒𝑡𝑜𝑡 = 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡 𝑁𝑑 = 39,39 1,4 . 1,2 . 650 = 3,61𝑐𝑚 𝜇 = 𝜈 . 𝑒𝑡𝑜𝑡 ℎ = 0,91 . 3,61 15 = 0,22 𝑑′ ℎ = 4 15 = 0,27 ≅ 0,25 Vamos utilizar o ábaco A-5 de Venturini (1987), para achar o valor de 𝜛, com os dados já calculados anteriormente. Para usar a tabela de Venturini é muito P á g i n a | 28 simples, basta você utilizar o valor de 𝑑′ ℎ para encontrar qual tabela vai utilizar, como no nosso caso o valor foi de 0,25 iremos utilizar a tabela A-5, depois precisamos dos valores de 𝜇 = 0,22 e o valor de 𝜈 = 0,91 ≅ 0,90, com isso vamos encontrar qual a curva 𝜔 que iremos utilizar, no nosso caso encontramos o valor de 𝜔 = 0,90, com isso é só substituir na formula da área de aço, segue: 𝐴𝑠 = 𝐴𝑐 . 𝑓𝑐𝑑 𝑓𝑦𝑑 . 𝜛 = 15.45. 2,5 1,4 50 1,15 . 0,9 = 27,72 . 0,9 = 24,95 𝑐𝑚² Vamos verificar agora, se com essa área de aço encontrada nosso pilar obedece a taxa de armadura imposta pela norma. Taxa de armadura: 𝜌 = 𝐴𝑠 𝐴𝑐 = 24,95 15.45 = 3,70% < 8% → ok! Vamos detalhar nosso pilar agora, com 24,95 cm² podemos adotar a bitola de 16 mm, cujo cada barra tem um valor de área de aço de: 2 cm². Com isso 12 barras dariam 24 cm², ficando um pouco fora do calculado, então, vamos adotar, 14 barras de 16 mm, com um total de 28 cm². Outra alternativa é subir a bitola, podemos adotar a barra de 20 mm cuja área é de 3,15 cm², utilizaremos então: 𝑁𝑏 = 24,95 3,15 = 7,92 ≈ 8 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎𝑠. 8 barras de 20 mm nos proporcionam uma área de 25,2 cm², gastando menos aço que as 14 barras de 16 mm. Fica a critério do projetista. No nosso exercício utilizaremos as 8 barras de 20 mm. G. Estribos Vamos dimensionar agora os estribos para o nosso pilar. 1. Diâmetro ∅𝑡 ≥ { ∅𝑙 4⁄ = 20 4⁄ = 5 𝑚𝑚 5 𝑚𝑚 , portanto o diâmetro será de 5mm. 2. Espaçamento ∅𝑡 ≤ { 15 𝑐𝑚 (𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟) 12 . ∅𝑙 = 12 . 2 = 24 𝑐𝑚 20 𝑐𝑚 , portanto iremos adotar 15cm 3. Estribo suplementar 20. ∅𝑡 = 10 𝑐𝑚 P á g i n a | 29 Vamos entender como funciona os estribos suplementares, o valor encontrado dá-se referência à distância a partir das faces dos pilares, descontado seu cobrimento, observe a imagem a baixo para o melhor entendimento. Figura 11: Detalhe Tipo. Fonte: o autor. Podemos observar que as medidas estão em milímetros para melhor entendimento. Vamos observar ainda, que os 10 cm de proteção dos estribos não conseguem atingir as barras centrais, portanto teremos que adotar estribos suplementares para as quatro barras centrais. Esse estribo suplementar tanto pode ser o gancho, como poderia ser dois estribos no lugar apenas de um, como foi feito na imagem acima, neste exemplo utilizaremos o gancho, e logo a seguir segue um exemplo com dois estribos. P á g i n a | 30 Figura 12: Detalhe Tipo. Fonte: o autor. Exemplo com a utilização de dois estribos ao invés de utilizar os ganchos como estribos suplementares. P á g i n a | 31 Figura 13: Detalhe Tipo. Fonte: o autor H. Método da rigidez K aproximada Vamos partir para o segundo método de dimensionamento deste mesmo pilar, no final faremos um pequeno comparativo entre os dois métodos. Para isso vamos relembrar as formulações do método da rigidez K aproximada. 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡 = 𝛼𝑏 .𝑀1𝑑,𝐴 1 − 𝜆² 120 . 𝜅 𝜈⁄ ≥ 𝑀1𝑑,𝐴 𝜅 = 32 . (1 + 5 . 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡 ℎ . 𝑁𝑑 ) . 𝜈 P á g i n a | 32 Vamos observar que o valor da rigidez adimensional 𝜅 é necessário para o cálculo de 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡 e parao cálculo de 𝜅 utiliza-se do valor de 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡. Dessa forma, só se obtém o valor através de iterações (tentativas). • 1ª iteração Será adotado para a primeira iteração, o valor do momento total do método anterior. (𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡)1.0 = 39,39 𝑘𝑛.𝑚 → ( 𝜅 𝜈⁄ )1.0 = 32 . (1 + 5 . 39,39 0,15 .1,2 .1,4 .650 ) = 70,48 (𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡)1.1 = 1,0 . 21,29 1 − 61,20² 120 . 70,48 = 38,21 𝑘𝑛.𝑚 Para a segunda iteração, podemos adotar como estimativa razoável a média entre os dois valores anteriores: (𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡)2.0 = 39,39 + 38,21 2 = 38,80 𝑘𝑛.𝑚 • 2ª iteração (𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡)2.0 = 38,80 𝑘𝑛.𝑚 → ( 𝜅 𝜈⁄ )2.0 = 32 . (1 + 5 . 38,80 0,15 .1,2 .1,4 .650 ) = 69,90 (𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡)2.1 = 1,0 . 21,29 1 − 61,20² 120 . 69,90 = 38,47 𝑘𝑛.𝑚 Adotando a média dos dois últimos valores, temos: (𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡)3.0 = 38,80 + 38,47 2 = 38,64 𝑘𝑛.𝑚 Podemos parar por aqui, você pode continuar as iterações para convergir para melhores os resultados, porém podemos perceber que os valores encontrados estão bem próximos entre eles. 𝑒𝑡𝑜𝑡 = 𝑀𝑑,𝑡𝑜𝑡 𝑁𝑑 = 38,64 1,4 . 1,2 . 650 = 0,0354 = 3,54 𝑐𝑚 P á g i n a | 33 𝜇 = 𝜈 . 𝑒𝑡𝑜𝑡 ℎ = 0,91 . 3,54 15 = 0,21 Utilizando o ábaco A-5 de Venturini (1987), obtém-se: 𝜔 = 0,88 → 𝐴𝑠 = 𝐴𝑐 . 𝐹𝑐𝑑 𝐹𝑦𝑑 . 𝜔 = 15 . 45 . 2,5 1,4 50 1,15 . 0,86 = 27,7 . 0,88 = 24,39 𝑐𝑚² Taxa de armadura: 𝑝 = 24,39 15 𝑥 45 = 3,61 % (2 % menor que o anterior) O dimensionamento também pode ser feito usando programas computacionais, como por exemplo os encontrados gratuitamente no site: www.cesec.ufpr.br/concretoarmado. Resumo Nesta aula vimos: ✓ Os métodos de cálculo dos pilares de concreto armado, segundo a norma vigente; ✓ Os métodos de cálculo simplificados. Complementar Para enriquecer o conhecimento assista a alguns vídeos complementares sobre diversos temas, veja: Veja este vídeo de operários armando um pilar de concreto armado: https://www.youtube.com/watch?v=4cdpRrriAbU. Referências Básica: ARAÚJO, J. M. Curso de concreto armado. 4. ed. Rio Grande/RS: Ed. DUNAS, 2014. v.1. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118. Projeto de estruturas de concreto – Procedimento. Rio de Janeiro: Abnt, 2014. CARVALHO, C. B. Concreto armado I: de acordo com a NBR6118/2014. Belo Horizonte: Unihorizontes, 2017. CARVALHO, C. B. Concreto armado II: de acordo com a NBR6118/2014. Belo Horizonte: Unihorizontes, 2017. CARVALHO, R. B.; FILHO, J. R. F. Cálculo e detalhamento de estruturas usuais de concreto armado: segundo a NBR 6118:2014. 4. ed. São Carlos: Ed. EDUFScar, 2014. FUSCO, P. B. Estruturas de concreto. Rio de Janeiro: Ed. Guanabara Dois S. A., 1981. FUSCO, P. B. Técnica de armar as estruturas de concreto. São Paulo: Ed. PINI, 1994. LEONHARDT, F.; MÖNNING, E. Construção de concreto – Princípios básicos do dimensionamento de estruturas de concreto armado. Vol. 1. Rio de Janeiro: Ed. Interciência, 1982. LEONHARDT, F.; MÖNNING, E. Construção de concreto – Princípios básicos sobre a armação de estruturas de concreto armado. Vol. 1. Rio de Janeiro: Ed. Interciência, 1978. PINHEIRO, L. M. Fundamentos do concreto e projetos de edifícios. Apostila. São Paulo: Escola de Engenharia de São Carlos, 2007. SÜSSEKIND, J. C. Curso de concreto Vol. 1. Porto Alegre: Ed. Globo, 1985. Complementar: MARTHA, L. F. Ftool – two-dimensional frame analysis tool. Versão educacional 2.09. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC-Rio. Departamento de Engenharia Civil e Tecgraf/PUC-Rio – Grupo de tecnologia em Computação Gráfica. Disponível em: http://www.tecgraf.puc-rio.br/ftool. Acesso em: 10 jan. 2018. VENTURINI, W. S.; RODRIGUES, R. O. Dimensionamento de peças retangulares de concreto armado solicitadas à flexão reta. São Carlos, SP: EESC/USP, 1987. http://www.tecgraf.puc-rio.br/ftool AULA 1 Exercícios Dimensione o pilar P8 (figura 14 e 15), utilizando-se o método da curvatura aproximada, segundo a norma NBR 6118 (2014). Dados: • aço CA-50 • 𝑓𝑐𝑘 = 25 Mpa; • 𝐶𝑛𝑜𝑚 = 25 mm e d’=4 cm; • 𝑁𝑘 = 650 𝑘𝑛; • Comprimento do pilar: 290 cm; • Seção transversal: 15x45 cm; • Carga total na viga Pk = 24 kn/m P á g i n a | 38 Figura 14: Exercício. Fonte: PINHEIRO (2007) P á g i n a | 39 Figura 15: Exercício. Fonte: PINHEIRO (2007) Pilares – Parte II Aula 2 APRESENTAÇÃO DA AULA Nesta aula daremos continuidade aos estudos dos pilares, vamos agora estudar as prescrições normativas ao detalhamento do pilar. OBJETIVOS DA AULA Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: ➢ Entender as disposições construtivas dos pilares e armar corretamente esse pilar. P á g i n a | 41 2 PILARES – PARTE II 2.1 Introdução Veremos agora as disposições construtivas para os pilares impostas pela NBR 6118 (2014). 2.2 Disposições construtivas Serão considerados o cobrimento das armaduras dos pilares e alguns aspectos relativos às armaduras longitudinais e às transversais. 2.2.1 Cobrimento das armaduras O cobrimento das armaduras é considerado no item 7.4.7 da NBR 6118 ( 2014). Cobrimento mínimo é o menor valor que deve ser respeitado ao longo de todo o elemento considerado. Para garantir o cobrimento mínimo (cmin), o projeto e a execução devem considerar o cobrimento nominal (cnom), que é o cobrimento mínimo acrescido da tolerância de execução (∆c). Assim, as dimensões das armaduras e os espaçadores devem respeitar os cobrimentos nominais, estabelecidos na Tabela 1, para ∆c = 10 mm. 𝐶𝑛𝑜𝑚 = 𝐶𝑚𝑖𝑛 + Δ𝑐 Tabela 1: Valores de Cnom em pilares de concreto armado para 𝚫𝒄 = 𝟏𝟎𝒎𝒎. Classe de agressividade 𝐶𝑛𝑜𝑚 (𝑚𝑚) I II III IV 25 30 40 50 Fonte: NBR 6118 (2014) Nas obras correntes, o valor de ∆c deve ser maior ou igual a 10 mm. Quando houver um adequado controle de qualidade e rígidos limites de tolerância da variabilidade das medidas durante a execução, pode ser adotado o valor ∆c = 5 mm, mas a exigência de controle rigoroso deve ser explicitada nos desenhos de projeto. Permite-se, então, redução de 5 mm dos cobrimentos nominais prescritos na Tabela 1. Os cobrimentos são sempre referidos à superfície da armadura externa, em geral P á g i n a | 42 à face externa do estribo. O cobrimento nominal deve ser maior que o diâmetro da barra. A dimensão máxima característica do agregado graúdo utilizado não pode superar em 20% o cobrimento nominal, ou seja: 𝑑𝑚𝑎𝑥 ≤ 1,2. 𝑐𝑛𝑜𝑚 2.2.2 Armaduras longitudinais A escolha e a disposição das armaduras devem atender não só à função estrutural como também às condições de execução, particularmente com relação ao lançamento e adensamento do concreto. Os espaços devem permitir a introdução do vibrador e impedir a segregação dos agregados e a ocorrência de vazios no interior do pilar (item 18.2.1 da NBR 6118 2014). As armaduras longitudinais colaboram para resistir à compressão, diminuindo a seção do pilar, e também resistem às tensões de tração. Além disso, têm a função de diminuir as deformações do pilar, especialmente as decorrentes da retração e da fluência. O diâmetro das barras longitudinais não deve ser inferior a 10 mm e nem superior a 1/8 da menor dimensão da seção transversal (item 18.4.2.1 da NBR 6118 2014): 10 𝑚𝑚 ≤ ∅𝑙 ≤ 𝑏 8⁄ 2.2.3 Limites da taxa de armadura longitudinal Segundo o item 17.3.5.3 da NBR 6118 (2014), a armadura longitudinal mínima deve ser: 𝐴𝑠,𝑚𝑖𝑛= 0,15. 𝑁𝑑 𝑓𝑦𝑑 ≥ 0,004 . 𝐴𝑐 O valor máximo da área total de armadura longitudinal é dado por: 𝐴𝑠,𝑚𝑎𝑥 = 8%. 𝐴𝑐. A maior área de armadura longitudinal possível deve ser 8% da seção real, considerando-se inclusive a sobreposição de armadura nas regiões de emenda. P á g i n a | 43 2.2.4 Número mínimo de barras A ABNT NBR 6118 (2014), no item 18.4.2.2, estabelece que as armaduras longitudinais devem ser dispostas de forma a garantir a adequada resistência do elemento estrutural. Em seções poligonais, deve existir pelo menos uma barra em cada vértice; em seções circulares, no mínimo seis barras distribuídas ao longo do perímetro. A Figura abaixo apresenta o número mínimo de barras para alguns tipos de seção. Figura 16: Número mínimo de barras. Fonte: PINHEIRO (2007) 2.2.5 Espaçamento das barras longitudinais O espaçamento mínimo livre entre as faces das barras longitudinais, medido no plano da seção transversal, fora da região de emendas, deve ser igual ou superior ao maior dos seguintes valores (Figura abaixo): 𝑎 ≥ { 20 𝑚𝑚 ∅𝑙 1,2. 𝑑𝑚á𝑥 (𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑜 𝑎𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜) Esses valores se aplicam também às regiões de emenda por transpasse P á g i n a | 44 Figura 17: Espaçamento entre as barras da armadura longitudinal Fonte: PINHEIRO (2007) Quando estiver previsto no plano de execução da concretagem o adensamento através de abertura lateral na face da fôrma, o espaçamento das armaduras deve ser suficiente para permitir a passagem do vibrador. O espaçamento máximo sl entre os eixos das barras deve ser menor ou igual a duas vezes a menor dimensão da seção no trecho considerado, sem exceder 40 cm, ou seja: 𝑆𝑙 ≤ { 2. 𝑏 40𝑐𝑚 Para Leonhardt e Mönnig (1978) esse espaçamento máximo não deve ser maior do que 30 cm. Entretanto, para pilares com dimensões até 40 cm, basta que existam as barras longitudinais nos cantos. 2.2.6 Armaduras transversais A armadura transversal de pilares, constituída por estribos e, quando for o caso, por grampos suplementares, deve ser colocada em toda a altura do pilar, sendo obrigatória sua colocação na região de cruzamento com vigas e lajes (item 18.4.3 da ABNT NBR 6118 (2014). Os estribos devem ser fechados, geralmente em torno das barras de canto, ancorados com ganchos que se transpassam, colocados em posições alternadas. P á g i n a | 45 Os estribos têm as seguintes funções: a) garantir o posicionamento e impedir a flambagem das barras longitudinais; b) garantir a costura das emendas de barras longitudinais; c) confinar o concreto e obter uma peça mais resistente ou dúctil. De acordo com a ABNT NBR 6118 (2014), o diâmetro dos estribos em pilares não deve ser inferior a 5 mm nem a 1/4 do diâmetro da barra isolada ou do diâmetro equivalente do feixe que constitui a armadura longitudinal, ou seja: ∅𝑡 ≥ { 5𝑚𝑚 ∅𝑙 4⁄ Em pilares com momentos nas extremidades (portanto, nos pilares em geral), e nos pré-moldados, Leonhardt e Mönnig (1978) recomendam que se disponham, nas suas extremidades, 2 a 3 estribos com espaçamento igual a st/2 e st/4 (Figura abaixo). Figura 18: Estribos adicionais nos extremos e ganchos alternados. Fonte: LEONHARDT; MONNING (1978) Fusco (1994) ainda comenta que, de modo geral, nos edifícios, os estribos não são colocados nos trechos de intersecção dos pilares com as vigas que neles se P á g i n a | 46 apoiam. Isso decorre do fato de a presença de estribos nesses trechos dificultar muito a montagem da armadura das vigas. A NBR 6118 (2014) deixa claro que é obrigatória a colocação de estribos nessas regiões. 2.2.7 Espaçamento máximo dos estribos O espaçamento longitudinal entre estribos, medido na direção do eixo do pilar, deve ser igual ou inferior ao menor dos seguintes valores: 𝑆𝑡 ≤ { 20 𝑐𝑚 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑎 𝑠𝑒çã𝑜 12∅𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎ç𝑜 𝐶𝐴 − 50 25∅𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎ç𝑜 𝐶𝐴 − 25 Permite-se adotar o diâmetro dos estribos ∅𝑡 < ∅𝑙/4, desde que as armaduras sejam constituídas do mesmo tipo de aço e o espaçamento respeite também a limitação (fyk em MPa): 𝑆𝑚á𝑥 = 90.000 . ( ∅2𝑡 ∅2𝑙 ) . 1 𝑓𝑦𝑘 2.2.8 Estribos suplementares Sempre que houver possibilidade de flambagem das barras da armadura, situadas junto à superfície, devem ser tomadas precauções para evitá-la. A NBR 6118 (2014, item 18.2.4) considera que os estribos poligonais garantem contra flambagem as barras longitudinais situadas em seus cantos e as por eles abrangidas, situadas no máximo à distância de 20φt do canto, se nesse trecho de comprimento 20φt não houver mais de duas barras, não contando a do canto (Figura abaixo). P á g i n a | 47 Figura 19: Proteção contra a flambagem das barras longitudinais. Fonte: PINHEIRO (2007) Quando houver mais de duas barras no trecho de comprimento 20φt ou barras fora dele, deve haver estribos suplementares. Se o estribo suplementar for constituído por uma barra reta, terminada em ganchos, ele deve atravessar a seção do pilar e os seus ganchos devem envolver a barra longitudinal. Se houver mais de uma barra longitudinal a ser protegida junto à extremidade do estribo suplementar, seu gancho deve envolver um estribo principal em um ponto junto a uma das barras, o que deve ser indicado no projeto de modo bem destacado, como indicado na Figura abaixo. Essa amarra garantirá contra a flambagem essa barra encostada e mais duas no máximo para cada lado, não distantes dela mais de 20φt. No caso da utilização dessas amarras, para que o cobrimento seja respeitado, é necessário prever uma distância maior entre a superfície do estribo e a face do pilar. Figura 20: Estribos suplementares e ganchos. Fonte: PINHEIRO (2007) É oportuno comentar que a presença de estribos suplementares pode dificultar a concretagem. Uma alternativa seria concentrar as barras nos cantos, para evitar os estribos suplementares. P á g i n a | 48 A ABNT NBR 6118 (2014) comenta ainda que, no caso de estribos curvilíneos cuja concavidade esteja voltada para o interior do concreto, não há necessidade de estribos suplementares. Se as seções das barras longitudinais se situarem em uma curva de concavidade voltada para fora do concreto, cada barra longitudinal deve ser ancorada pelo gancho de um estribo reto ou pelo canto de um estribo poligonal Resumo Nesta aula vimos: ✓ As disposições construtivas normativas; ✓ Os detalhamentos pertinentes aos pilares Complementar Para enriquecer o conhecimento assista a alguns vídeos complementares sobre diversos temas, veja: Veja este artigo de comparação entre pilares de concreto e pilares de aço: http://www.inicepg.univap.br/cd/INIC_2006/inic/inic/07/INIC00 0071ok.pdf. Referências Básica: ARAÚJO, J. M. Curso de concreto armado. 4. ed. Rio Grande/RS: Ed. DUNAS, 2014. v.1. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118. Projeto de estruturas de concreto – Procedimento. Rio de Janeiro: Abnt, 2014. CARVALHO, C. B. Concreto armado I: de acordo com a NBR6118/2014. Belo Horizonte: Unihorizontes, 2017. CARVALHO, C. B. Concreto armado II: de acordo com a NBR6118/2014. Belo Horizonte: Unihorizontes, 2017. CARVALHO, R. B.; FILHO, J. R. F. Cálculo e detalhamento de estruturas usuais de concreto armado: segundo a NBR 6118:2014. 4. ed. São Carlos: Ed. EDUFScar, 2014. FUSCO, P. B. Estruturas de concreto. Rio de Janeiro: Ed. Guanabara Dois S. A., 1981. FUSCO, P. B. Técnica de armar as estruturas de concreto. São Paulo: Ed. PINI, 1994. LEONHARDT, F.; MÖNNING, E. Construção de concreto – Princípios básicos do dimensionamento de estruturas de concreto armado. Vol. 1. Rio deJaneiro: Ed. Interciência, 1982. LEONHARDT, F.; MÖNNING, E. Construção de concreto – Princípios básicos sobre a armação de estruturas de concreto armado. Vol. 1. Rio de Janeiro: Ed. Interciência, 1978. PINHEIRO, L. M. Fundamentos do concreto e projetos de edifícios. Apostila. São Paulo: Escola de Engenharia de São Carlos, 2007. SÜSSEKIND, J. C. Curso de concreto Vol. 1. Porto Alegre: Ed. Globo, 1985. Complementar: MARTHA, L. F. Ftool – two-dimensional frame analysis tool. Versão educacional 2.09. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC-Rio. Departamento de Engenharia Civil e Tecgraf/PUC-Rio – Grupo de tecnologia em Computação Gráfica. Disponível em: http://www.tecgraf.puc-rio.br/ftool. Acesso em: 10 jan. 2018. VENTURINI, W. S.; RODRIGUES, R. O. Dimensionamento de peças retangulares de concreto armado solicitadas à flexão reta. São Carlos, SP: EESC/USP, 1987. http://www.tecgraf.puc-rio.br/ftool AULA 2 Exercícios 1) Quais os modelos de cálculo disponíveis para os pilares e qual sua utilização individualmente? 2) Quais as principais medidas que devemos nos preocupar para o correto dimensionamento dos estribos dos pilares? 3) Pensando na seção geométrica dos pilares, quais os números mínimos de barras para cada tipo de seção geométrica? 4) Quais as preocupações no correto espaçamento entre as barras longitudinais? O que pode acarretar no mau dimensionamento desse espaçamento? Qual a finalidade dos estribos suplementares? Consideração sobre o cálculo dos pilares – Parte I Aula 3 APRESENTAÇÃO DA AULA Nesta aula continuaremos a estudar sobre os pilares, agora iremos fazer várias considerações sobre os cálculos, vendo principalmente sobre os critérios normativos. OBJETIVOS DA AULA Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: ➢ Entender o que são estruturas de nós fixos e de nós móveis; ➢ Entender a consideração sobre os efeitos de segunda ordem nos pilares; ➢ Entender como é a consideração da fluência nos pilares. P á g i n a | 54 3 CONSIERAÇÕES SOBRE O CÁLCULO DOS PILARES – PARTE 1 Olá Aluno! Vamos continuar estudando sobre os pilares de concreto armado? Nesta aula iremos analisar várias considerações que fazemos nos cálculos dos pilares. Vamos lá? 3.1 Introdução Os pilares podem ser classificados como curtos, moderadamente esbeltos e esbeltos. Os pilares curtos são aqueles para os quais não há necessidade de se considerar os efeitos de segunda ordem. Para esses pilares, os esforços solicitantes obtidos na configuração deformada (teoria de segunda ordem) são aproximadamente iguais aos esforços calculados na configuração indeformada (teoria de primeira ordem). Em geral, admite-se que os efeitos de segunda ordem possam ser desprezados quando esses causam um acréscimo nos esforços solicitantes de no máximo 10%. Para os pilares moderadamente esbeltos, os efeitos de segunda ordem são importantes e não podem ser desprezados. Entretanto, esses efeitos podem ser considerados através de processos simplificados. Em geral, nesses processos, arbitra-se uma configuração deformada para o eixo do pilar e calcula-se o máximo momento fletor solicitante ao longo do eixo. Com o momento máximo e com o esforço normal, admite-se a seção transversal do pilar em flexo-compressão. Nos pilares esbeltos, os efeitos de segunda ordem são tão importantes que não se pode admitir o emprego de processos simplificados. Para esses pilares é exigida uma análise rigorosa, que leva em conta a não linearidade física decorrente do comportamento mecânico dos materiais, bem como a não linearidade geométrica. De um modo geral, a maioria dos pilares dos edifícios se enquadra nas categorias de pilares curtos ou moderadamente esbeltos. Somente em poucos casos especiais é que eles devem ser considerados como pilares esbeltos. Quanto à sua principal função na estrutura, os pilares podem ser classificados como pilares contraventados e pilares de contraventamento. Esses últimos fazem parte da subestrutura de contraventamento. A subestrutura de contraventamento é uma parte da estrutura cuja principal função é resistir às ações horizontais. Na verdade, todas as partes da estrutura oferecem resistência às ações horizontais. P á g i n a | 55 Entretanto, é conveniente separar aqueles elementos que, devido à sua elevada rigidez, absorvem maior parte desses esforços. Como exemplo de elementos estruturais de contraventamento, tem-se as paredes estruturais e os pilares-parede das caixas dos elevadores e das escadas dos edifícios. O contraventamento deve possuir uma rigidez suficiente para garantir que os deslocamentos horizontais da estrutura sejam pequenos. Se este não for o caso, a estrutura como um todo deve ser analisada considerando-se os efeitos de segunda ordem. Essa análise é bastante complexa e exige técnicas numéricas apropriadas para a consideração das não linearidades físicas e geométrica. Por outro lado, se a rigidez de contraventamento é suficiente, admite-se que a estrutura seja indeslocável (ou de nós fixos). Rigorosamente falando, a estrutura é “quase indeslocável”. Neste caso, os esforços solicitantes podem ser obtidos a partir de uma análise de primeira ordem (linearidade geométrica). Como uma aproximação, despreza-se, também, a não linearidade física. Em uma estrutura indeslocável, os efeitos de segunda ordem nos pilares são localizados. Eles serão considerados ou não, conforme o pilar seja classificado como esbelto, moderadamente esbelto ou curto. Dessa forma, consegue-se uma significativa simplificação nos cálculos. Sempre que possível, devem-se tomar as providências necessárias para garantir que a estrutura possa ser considerada indeslocável. Segundo Leonhardt, “somente um engenheiro sem habilidade arcaria com as preocupações deixando para o proprietário os problemas de custos que surgem em sistemas de pórticos deslocáveis de vários andares”. A seguir, apresenta-se um critério para verificar se uma estrutura pode ser considerada indeslocável. O restante da aula é dedicado às considerações teóricas relativas ao cálculo dos esforços solicitantes nos pilares contraventados. 3.2 Estruturas indeslocáveis ou de nós fixos Uma estrutura aporticada de edifício pode ser considerada indeslocável quando, sob a ação de forças horizontais, seus nós sofrem deslocamentos pequenos, que não chegam a introduzir esforços globais de segunda ordem significativos. Entretanto, os esforços de primeira ordem, provocados pelas forças horizontais, devem sempre ser calculados considerando-se a deslocalibilidade da P á g i n a | 56 estrutura. Apenas os esforços locais de segunda ordem é que podem ser obtidos na hipótese de que a estrutura é indeslocável. Assim, efetuada a análise linear (teoria de primeira ordem), considera-se cada pilar como uma barra isolada e articulada nas extremidades, onde são aplicados os esforços obtidos na análise linear. Para garantir a indeslocabilidade, pode ser necessário projetar elementos estruturais especiais, como paredes estruturais ou pilares-parede. A necessidade desses elementos depende basicamente da altura do edifício e de suas cargas. Edifícios baixos e leves podem dispensar os elementos especiais de contraventamento, pois a própria estrutura aporticada principal é suficiente para garantir a indeslocabilidade. Entretanto, deve-se ter uma atenção especial quando a estrutura é projetada em laje cogumelo. Nesse caso, em virtude da ausência das vigas, não há a formação dos verdadeiros pórticos e a rigidez fica reduzida. A falta das alvenarias de vedação pode agravar ainda mais o problema. O grande problema das estruturas deslocáveis é relativo a instabilidade global, já que os deslocamentos horizontaisnos vários andares criam excentricidades crescentes da força normal nos pilares. Na figura abaixo, apresentam-se duas situações distintas. Observando a figura abaixo-a, verifica-se que os momentos fletores nos pilares crescem sensivelmente à medida que se aproxima das fundações. Acrescentando um elemento rígido ao pórtico, os deslocamentos horizontais no nível dos pisos podem ser desprezados, como indicado na figura abaixo-b. Neste caso, os pilares podem ser analisados isoladamente, andar por andar, como se eles fossem engastados elasticamente nos nós e os efeitos de segunda ordem são localizados. P á g i n a | 57 Figura 21: Efeito da deslocabilidade horizontal Fonte: ARAÚJO (2014) De acordo com o CEB/78, podem ser consideradas indeslocáveis as estruturas para as quais as seguintes desigualdades são atendidas: ∝ = ℎ𝑡𝑜𝑡. √ 𝐹𝑣 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐 ≤ 0,2 + 0,1𝑛 , 𝑠𝑒 𝑛 ≤ 3 ∝ = ℎ𝑡𝑜𝑡 . √ 𝐹𝑣 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐 ≤ 0,6 , 𝑠𝑒 𝑛 ≥ 4 Onde: ∝ = parâmetro de instabilidade; 𝑛 = número de pavimentos; ℎ𝑡𝑜𝑡 = altura total da edificação, medido do topo da fundação ou de um nível indeformável; 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐 = soma das rigidezes à flexão das ações dos elementos verticais na direção considerada; 𝐹𝑣 = soma de todas as cargas verticais de serviço. P á g i n a | 58 Segundo a NBR6118: 2014, o limite 0,6 deve ser usado quando o contraventamento é formado pela associação de pórticos e pilares-parede. Ele pode ser aumentado para 0,7 quando o contraventamento for constituído exclusivamente por pilares-parede. Por outro lado, esse limite deve ser reduzido para 0,5 quando o contrraventamento for constituído apenas por pórticos. As equações anteriores limitam os efeitos globais de segunda ordem a um máximo em torno de 10% dos respectivos efeitos de primeira ordem na estrutura. Dessas equações verifica-se que, quanto mais alto for o edifício e quanto maiores forem as cargas verticais, maior rigidez de contraventamento será necessária para garantir a indeslocabilidade. Para o cálculo do momento de inércia 𝐼𝑐, adotam-se apenas as seções transversais de concreto sem a inclusão das armaduras. O módulo de deformação longitudinal secante, 𝐸𝑐𝑠, pode ser obtido empregando-se a relação 𝐸𝑐𝑠 = 0,85 . 21500 . ( 𝑓𝑐𝑘 + 8 10 ) 1 3⁄ , 𝑀𝑝𝑎 Quando a rigidez do pilar de contraventamento varia ao longo do seu eixo, é necessário determinar uma rigidez equivalente. O mesmo deve ser feito quando o contraventamento é constituído por pórticos. Usualmente, considera-se que a rigidez equivalente seja a rigidez de um pilar de seção constante, engastado na base e livre no topo, da mesma altura que a estrutura real, que, submetido ao carregamento horizontal da estrutura, apresente o esmo deslocamento horizontal no topo. O valor da rigidez equivalente, determinado desta maneira, depende do tipo de carregamento usado na análise. Para calcular a rigidez equivalente de um pórtico ou de um pilar se seção variável, pode-se aplicar uma força horizontal 𝐹ℎ no topo do pilar ou do pórtico, como sugerido pelo CEB. Se U representa o deslocamento obtido na direção da força a rigidez equivalente, 𝐸𝐼𝑒𝑞, é dada por: 𝐸𝐼𝑒𝑞 = 𝐹𝐻 . ℎ𝑡𝑜𝑡 3 3 . 𝑈 Onde, ℎ𝑡𝑜𝑡 é a altura do pórtico ou do pilar de seção variável. P á g i n a | 59 Alternativamente, o pórtico pode ser carregado com uma carga horizontal p, uniformemente distribuída ao longo de sua altura. Para a análise do pórtico, essa carga uniforme é substituída por um conjunto de forças horizontais concentradas nos níveis das lajes. Se U presenta o deslocamento horizontal no topo do pórtico, a rigidez equivalente é dada por: 𝐸𝐼𝑒𝑞 = 𝑝 . ℎ𝑡𝑜𝑡 4 8 . 𝑈 ➢ Procedimento recomendado ➢ A NBR6118 (2014) também apresenta um segundo critério para a verificação da indeslocabilidade horizontal dos edifícios, o qual é baseado na avaliação de um coeficiente de amplificação de momentos, denominado de coeficiente 𝛾𝑧. Por esse critério, a estrutura pode ser considerada indeslocável (ou de nós fixos, segundo a nomenclatura utilizada na norma) se resultar 𝛾𝑧 ≤ 1,10. A. Parâmetros de instabilidade para contraventamento feito por paredes estruturais e/ou pilares-parede. Se o contraventamento é constituído exclusivamente por paredes estruturais e/ou pilares-parede, a estrutura é considerada indeslocável quando: 𝛼 = ℎ𝑡𝑜𝑡 . √ 𝐹𝑣 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐 ≤ 𝛼𝑙𝑖𝑚 Onde 𝐸𝑐𝑠 é o módulo secante do concreto, 𝐼𝑐 é o momento de inércia da seção de concreto simples e 𝛼𝑙𝑖𝑚 é função do número de andares n do edifício e do estado de fissuração do elemento de contraventamento. As expressões de 𝛼𝑙𝑖𝑚 são as seguintes, conforme o caso: • Para elementos não fissurados: 𝛼𝑙𝑖𝑚 = 0,67 . √1 − 0,60 𝑛 Highlight P á g i n a | 60 • Para elementos fissurados 𝛼𝑙𝑖𝑚 = 0,47 . √1 − 0,60 𝑛 Observa-se que o valor de 𝛼𝑙𝑖𝑚 depende do estado de fissuração da parede ou do pilar-parede de contraventamento. As tensões de tração no concreto, para as cargas horizontais e as cargas verticais de cálculo que atuam no elemento estrutural, podem ser determinadas como para um material elástico linear submetido à flexo- compressão. Comparando a tensão de tração máxima em cada andar com a resistência à tração característica inferior do concreto, 𝑓𝑐𝑡𝑘,𝑖𝑛𝑓, determina-se o estado de fissuração do elemento estrutural. A princípio, pode-se fazer uma interpolação linear entre os valores dados nas equações anteriores, com base no tamanho do trecho do pilar-parede que se encontra fissurado. B. Parâmetros de instabilidade para contraventamento feito por pórticos Se o contraventamento é feito exclusivamente por pórticos, é necessário determinar sua rigidez equivalente 𝐸𝐼𝑒𝑞. Neste caso, recomenda-se o emprego da equação: 𝐸𝐼𝑒𝑞 = 𝑝 . ℎ𝑡𝑜𝑡 4 8 . 𝑈 Na análise dos pórticos para cálculo do deslocamento horizontal U, considera- se a rigidez 𝐸𝐼 = 0,70 . 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐, para os pilares, e 𝐸𝐼 = 0,35 . 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐, para as vigas. A estrutura é considerada indeslocável se: 𝛼 = ℎ𝑡𝑜𝑡 . √ 𝐹𝑣 𝐸𝐼𝑒𝑞 ≤ 𝛼𝑙𝑖𝑚 Onde: 𝛼𝑙𝑖𝑚 = 0,66 . √1 − 0,39 𝑛 ≤ 0,62 P á g i n a | 61 C. Parâmetros de instabilidade para contraventamento feito pela associação de pórticos com paredes e/ou pilares parede A rigidez equivalente da associação é obtida como para os pórticos. A príncipio, considera-se 𝐸𝐼 = 0,70 . 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐 para uma parede ou pilar-parede. Porém, se ficar comprovado que esse elemento está fissurado para as cargas de cálculo, deve- se repetir a análise do conjunto considerando 𝐸𝐼 = 0,35 . 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐 para o mesmo. Uma vez determinada a rigidez equivalente, emprega-se a equação 𝛼 = ℎ𝑡𝑜𝑡 . √ 𝐹𝑣 𝐸𝐼𝑒𝑞 ≤ 𝛼𝑙𝑖𝑚, para comprovar a indeslocabilidade. Neste caso, a expressão de 𝛼𝑙𝑖𝑚 é dada por: 𝛼𝑙𝑖𝑚 = 0,74 . √1 − 0,53 𝑛 ≤ 0,72 Na tabela 1, indicam-se os valores de 𝛼𝑙𝑖𝑚 calculados com as expressões anteriores em função do número n de andares do edifício. Tabela 1: Valores limites para o parâmetro de instabilidade (𝜶𝒍𝒊𝒎) Fonte: ARAÚJO (2014) P á g i n a | 62 Não deve ser esquecido que as alvenarias de vedação, as quais não são incluídas no cálculo. Dão uma contribuição muito importante para a rigidez da estrutura. Dessa forma, resultará uma margem adicional de segurança em relação à indeslocabilidade horizontal da estrutura. 3.3 Processos simplificados para a consideração dos efeitos de segunda ordem Diversos processos simplificados para a consideração dos efeitos de segunda ordem têm sido apresentados nas normas de projeto. Na maioria desses processos, admite-se uma configuração deformada para o eixo do pilar e arbitra-se ovalor da curvatura última da seção mais solicitada. Em geral, os processos são limitados aos pilares de seção transversal constante ao londo do eixo, inclusive a armadura. Seja o pilar da figura abaixo, submetido a uma força normal de cálculo 𝐹𝑑e aos momentos de primeira ordem 𝑀1𝑑 aplicados nos seus extremos. Figura 22: Deformada do eixo do pilar Fonte: ARAÚJO (2014) P á g i n a | 63 Para a deformada do eixo do pilar, pode-se admitir a função senoidal: 𝑤 (𝑥) = 𝑒2 . 𝑠𝑒𝑛 . 𝜋𝑥 𝑙 Onde 𝑒2 é o deslocamento transversal máximo em 𝑥 = 𝑙 2⁄ . A curvatura aproximada do eixo do pilar, 𝜒 , é dada por: 𝜒 = − 𝑑2 𝑊 𝑑𝑥2 Introduzindo a expressão de W e diferenciado, resulta: 𝜒 = 𝜋2 𝑙2 . 𝑒2 . 𝑠𝑒𝑛 . 𝜋𝑥 𝑙 A curvatura máxima 𝜒𝑢 ocorre na seção central e vale: 𝜒𝑢 = 𝜋2 𝑙2 . 𝑒2 Dessa equação, pode-se obter a excentricidade de segunda ordem, 𝑒2, em função da curvatura última. Considerando 𝜋2 ≅ 10, chega-se a: 𝑒2 = 𝑙2 10 . 𝜒𝑢 Assim, o momento fletor de segunda ordem, 𝑀2𝑑, é dado por: 𝑀2𝑑 = 𝐹𝑑 . 𝑒2 E o momento total é 𝑀𝑑 = 𝑀1𝑑 + 𝑀2𝑑. Com o esforço normal 𝑁𝑑 = 𝐹𝑑 e com o momento fletor 𝑀𝑑, dimensiona-se a seção transversal em flexo-compressão. A seguir, são apresentadas as expressões para a curvatura última fornecidas pela NBR 6118 e pelo CEB. A. Expressão da NBR 6118 De acordo com a NBR 6118, a curvatura última é dada por: P á g i n a | 64 𝜒𝑢 = 0,005 (𝜐0 + 0,5). ℎ 𝜐0 = 𝐹𝑑 𝐴𝑐 . 𝑓𝑐𝑑 Sendo 𝐴𝑐 a área da seção de concreto e h a sua altura na direção considerada. Para o emprego da expressão: 𝜒𝑢 = 0,005 (𝜐0 + 0,5). ℎ Quando 𝜐0 < 0,5, deve-se adotar o valor 𝜐0 = 0,5. B. Expressão do CEB De acordo com o CEB, a curvatura última é dada por: 𝜒𝑢 = 3,5 ‰+ 𝑓𝑦𝑑 𝐸𝑠 ⁄ ℎ , 𝑠𝑒 𝜐0 ≤ 0,425 𝜒𝑢 = 3,5 ‰+ 𝑓𝑦𝑑 𝐸𝑠 ⁄ ( 𝜐0 0,425⁄ ) . ℎ , 𝑠𝑒 𝜐0 > 0,425 Na figura abaixo, apresentam-se as variações da curvatura última em função do esforço normal reduzido 𝜐0, de acordo com essas duas normas. Para o emprego da formulação do CEB, admite-se que o aço é o CA-50. Observa-se pela figura que a expressão da NBR 6118 fornece um maior valor para a curvatura última, desde que 𝜐0 ≥ 0,5. Uma vez que o momento de segunda ordem é diretamente proporcional à curvatura, conclui-se que o processo da NBR 6118 fornece mais armadura que o processo do CEB, para 𝜐0 ≥ 0,5. Se 𝜐0 < 0,5, obtém-se maior armadura com o processo do CEB. Resta comparar essas armaduras com aquela teoricamente extra. A armadura exata é obtida empregando- se algum algoritmo que leva em conta, de forma rigorosa, as não linearidade físicas e geométricas. P á g i n a | 65 Figura 23: Variações da curvatura última. Fonte: ARAÚJO (2014) De acordo com os critérios da NBR 6118, as armaduras devem ser calculadas empregando-se os coeficientes parciais de segurança 𝛾𝑐 = 1,4, 𝛾𝑠 = 1,15, 𝛾𝑓 = 1,4. De acordo com o CEB, as resistências de cálculo dos materiais são dadas por: 𝑓𝑐𝑑 = 𝑓𝑐𝑘 𝛾𝑛 . 𝛾𝑐 𝑓𝑦𝑑 = 𝑓𝑦𝑘 𝛾𝑛 . 𝛾𝑠 Onde, 𝛾𝑐 = 1,5, 𝛾𝑠 = 1,15 e 𝛾𝑛 = 1,2. Observa-se que para o emprego do processo simplificado do CEB, o fator de minoração da resistência à compressão do concreto passa para 1,8 e o fator de minoração da tensão de escoamento do aço é igual a 1,38. Isto fará com que a armadura calculada por esse processo seja bem superior àquela que é considerada exata dentro dos padrões de segurança da NBR 6118. Assim, para evitar a adoção de padrões de segurança diferentes em cada processo simplificado, os mesmos são comparados adotando-se sempre 𝛾𝑐 = 1,4, 𝛾𝑠 = 1,15, 𝛾𝑓 = 1,4. P á g i n a | 66 Nas tabelas 2 e 3, comparam-se as taxas mecânicas de armadura obtidas através dos processos aproximados com as taxas exatas. Nessas tabelas, 𝜔 representa a taxa exata enquanto 𝜔1 e 𝜔2 são os valores encontrados empregando- se o processo na NBR 6118 e o processo do CEB, respectivamente. O pilar é birrotulado e possui a seção transversal indicada na figura abaixo. Figura 24: Seção transversal e situação de projeto dos pilares Fonte: Araújo (2014) Analisando as tabelas conclui-se que, em geral, os dois processos fornecem uma solução satisfatória. Para pequenos valores da excentricidade relativa de primeira ordem, ambos os processos fornecem uma solução a favor da segurança. Para valores altos da excentricidade de primeira ordem, os dois processos ficam contrários à segurança. Porém, o erro é pequeno e essa não é uma situação muito frequente nos pilares dos edifícios. P á g i n a | 67 Tabela 2: Comparação dos processos aproximados com a solução “exata” - 𝝀 = 𝟒𝟓. Fonte: ARAÚJO (2014) Tabela 3: Comparação dos processos aproximados com a solução “exata” - 𝝀 = 𝟕𝟓. Fonte: ARAÚJO (2014) A NBR 6118 apresenta, também, um segundo processo simplificado para a consideração dos efeitos de segunda ordem, o qual é derivado do “método do momento majorado” do ACI. Nesse segundo processo, denominado na NBR 6118 de “método do pilar-padrão com rigidez Κ aproximada”, o momento total é obtido a partir de uma amplificação do momento de primeira ordem. P á g i n a | 68 A precisão dos dois processos adotados pela NBR 6118 é equivalente. Entretanto, o processo apresentado anteriormente é mais simples e já tem o seu uso consagrado no meio técnico. Além disso, o denominado “método do pilar-padrão com rigidez Κ aproximada” só é permitido para seções retangulares. Por isso, o método adotado será empregado o processo da NBR 6118, definido pelas equações a seguir para pilares com índice de esbeltez 𝜆 ≤ 90. 𝑒2 = 𝑙2 10 . 𝜒𝑢 𝜐0 = 𝐹𝑑 𝐴𝑐 . 𝑓𝑐𝑑 3.4 Consideração da fluência do concreto A fluência do concreto pode ter uma importância significativa na capacidade resistente dos pilares. Em virtude da fluência, os deslocamentos transversais do eixo dos pilares crescem com o tempo, aumentando os momentos fletores solicitantes. Na análise estrutural, a fluência pode ser considerada adequadamente com o emprego de modelos reológicos. Esses modelos são obtidos pela associação de molas e amortecedores, o que permite simular as parcelas das deformações elásticas e viscoelásticas do concreto. Em geral, adotam-se os modelos básicos de Maxwell ou de Kelvin, ou uma associação dos mesmos, o que dá origem às denominadas cadeias reológicas. Adotando o modelo de Maxwell para representar o comportamento viscoelástico do concreto e considerando um pilar birrotulado, sem carga transversal nem momentos nas extremidades, mas possuindo uma imperfeição inicial do eixo descrita por uma função senoidal, é possível demonstrar que a fluência causa uma excentricidade adicional dada por: 𝑒𝑐 = 𝑒1 . [𝑒 𝜑∞ .𝐹𝑔 𝑃𝑒− 𝐹𝑔 − 1] P á g i n a | 69 Onde, 𝑒𝑐 = excentricidade adicional de fluência, 𝑒1 = excentricidade de primeira ordem da força normal de longa duração 𝐹𝑔, 𝑒 = base do logaritmo neperiano, 𝜑∞ = coeficiente final de fluência, 𝑃𝑒 = carga de flambagem de Euler. A carga de Euler é dada por: 𝑃𝑒 = 𝜋2 . 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐 𝑙𝑒 2 Onde: 𝐸𝑐𝑠 é o módulo de deformação longitudinal secante do concreto, 𝐼𝑐 é o momento de inércia das seções do pilar, sem a inclusão das araduras, e 𝑙𝑒 é o comprimento de flambagem. A expressão: 𝑒𝑐 = 𝑒1 . [𝑒 𝜑∞ .𝐹𝑔 𝑃𝑒− 𝐹𝑔 − 1] é adotada pelo CEB/78, sendo mantida no CEB/90. Essa expressão também foi incluída na NBR 6118. Entretanto, a NBR 6118 só exige a consideração da fluência nos casos em que 𝜆 > 90, sendo, inexplicavelmente, omissa quanto aos critérios para sua dispensa. Não se deve, de forma alguma, considerar que a fluência possa ser desprezada se 𝜆 < 90. De acordocom o CEB/78, pode-se dispensar a consideração da fluência no dimensionamento dos pilares em qualquer um dos seguintes casos: a) Índice de esbeltez pequeno: 𝜆 ≤ 50; b) Excentricidade relativa de primeira ordem alta: 𝑒1 ℎ ≥ 2 c) Carga predominante de curta duração: 𝐹𝑔 ≤ 0,2 . 𝐹𝑘 Em qualquer outra situação, é obrigatória a consideração da fluência. Nos pilares dos edifícios, em geral, a força normal de longa duração, 𝐹𝑔, é muito próxima da força total de serviço, 𝐹𝑘, . Nessas condições, o item C nunca será atendido. Além disso, nas situações correntes, a excentricidade relativa de primeira ordem, 𝑒1 ℎ , é bem inferior a 2, o que indica que o item B não deve ocorrer nos pilares P á g i n a | 70 de edifícios. Dessa forma, pode-se simplificar o critério e desprezar a fluência somente quando 𝜆 ≤ 50. Como outra simplificação a favor da segurança, pode-se admitir que 𝐹𝑔 = 𝐹𝑘, o que é coerente com as condições usuais de carregamento dos edifícios. Essas simplificações são empregadas ao longo do caderno. Exercício Resolvido 01 Verificar se o pilar-parede da figura abaixo é suficiente para garantir a indeslocabilidade de um edifício de 8 andares, cuja altura total desde a fundação é igual a 25 m. A soma de todas as cargas verticais de serviço é igual a 25.000 kN e o concreto possui 𝑓𝑐𝑘 = 20 𝑀𝑝𝑎. Figura 25: Pilar-parede de contraventamento. Fonte: ARAÚJO (2014) Resolução: O Primeiro passo é encontrar as coordenadas do centroide da peça: 𝑥𝑐 = 2 𝑚 ; 𝑦𝑐 = 0,63 𝑚 P á g i n a | 71 Agora, os momentos de inércia: 𝐼𝑥 = 3,02 𝑚 4 (𝑒𝑚 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑦); 𝐼𝑦 = 0,54 𝑚 4 (𝑒𝑚 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑥) O módulo de elasticidade (deformação) secante: 𝐸𝑐𝑠 = 0,85 𝑥 21500 ( 20 + 8 10 ) 1 3⁄ ≅ 25760 𝑀𝑝𝑎 𝐸𝑐𝑠 = 25760𝑥10 3 𝑘𝑁/𝑚2 Como o contraventamento é constituído somente pelo pilar-parede, a indeslocabilidade será garantida se a equação 𝛼 = ℎ𝑡𝑜𝑡 . √ 𝐹𝑣 𝐸𝑐𝑠 .𝐼𝑐 ≤ 𝛼𝑙𝑖𝑚, conforme o estado de fissuração do pilar-parede. Substituindo n = 8 na equação, obtemos: • Pilar-parede não fissurado: 𝛼𝑙𝑖𝑚 = 0,64 • Pilar-parede fissurado: 𝛼𝑙𝑖𝑚 = 0,45 Vamos verificar primeiro a direção x do pilar. 𝛼 = ℎ𝑡𝑜𝑡 . √ 𝐹𝑣 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐 = 25 . √ 25000 25760𝑥10³ . 3,02 = 0,45 Logo, o pilar-parede sozinho é suficiente para garantir a indeslocabilidade nesta direção, independentemente do seu estado de fissuração. Vamos verificar primeiro a direção y do pilar. 𝛼 = ℎ𝑡𝑜𝑡 . √ 𝐹𝑣 𝐸𝑐𝑠 . 𝐼𝑐 = 25 . √ 25000 25760𝑥10³ . 0,54 = 1,06 Logo, o pilar-parede sozinho não é suficiente para garantir a indeslocabilidade na direção y deste pilar, mesmo que ele se encontre não fissurado. P á g i n a | 72 Exercício Resolvido 02 Determinar a rigidez equivalente do pórtico da figura abaixo. O pórtico possui 15 pavimentos com 4 m de altura. A altura total da estrutura é de 60 m. O concreto possui 𝑓𝑐𝑘 = 25 𝑀𝑝𝑎, com um módulo secante 𝐸𝑐𝑠 = 27200 𝑀𝑝𝑎. Considerar a rigidez 𝐸𝐼 = 0,70𝐸𝑐𝑠𝐼𝑐, para os pilares e 𝐸𝐼 = 0,35𝐸𝑐𝑠𝐼𝑐, para as vigas. Figura 26: Pórtico de contraventamento. Fonte: ARAÚJO (2014) Resolução: Para determinar a rigidez equivalente, é necessário resolver o pórtico com um programa para análise linear de pórticos planos (PACON). No modelo de carga concentrada, aplica-se uma força horizontal no topo e calcula-se 𝐸𝐼𝑒𝑞 com a fórmula 𝐸𝐼𝑒𝑞 = 𝐹𝐻 .ℎ𝑡𝑜𝑡 3 3 .𝑈 . No modelo de carga distribuída, o pórtico é carregado com uma carga horizontal uniforme e emprega-se a equação 𝐸𝐼𝑒𝑞 = 𝑝 .ℎ𝑡𝑜𝑡 4 8 .𝑈 para o calculo de 𝐸𝐼𝑒𝑞. Os resultados, para o exemplo são os seguintes: P á g i n a | 73 Modelo de carga concentrada: 𝐸𝐼𝑒𝑞 = 27,34𝑥10 6 𝑘𝑁𝑚² Modelo de carga uniforme: 𝐸𝐼𝑒𝑞 = 21,90𝑥10 6 𝑘𝑁𝑚² Observa-se que o modelo de carga uniforme fornece uma rigidez equivalente menor. Ao usar o procedimento recomendado anteriormente, deve-se empregar o modelo de carga uniforme, pois os valores de 𝛼𝑙𝑖𝑚 foram obtidos com base nesse modelo. A rigidez dos três pilares isoladamente é de apenas 3𝑥0,70𝐸𝑐𝑠𝐼𝑐 = 0,12𝑥106 𝑘𝑁𝑚², o que mostra a grande influência das vigas na rigidez do conjunto. O eurocode 2 e a norma espanhola EHE adotam a seguinte expressão para 𝛼𝑙𝑖𝑚, sem distinguir o tipo de elemento de contraventamento: • Para elementos não fissurados 𝛼𝑙𝑖𝑚 = (√ 0,62𝑛 𝑛 + 1,6 ) • Para elementos fissurados 𝛼𝑙𝑖𝑚 = (√ 0,31𝑛 𝑛 + 1,6 ) Resumo Nesta aula vimos: ✓ As estruturas deslocáveis e indeslocáveis; ✓ O comportamento dos pilares devido a fluência; ✓ Os efeitos de segunda ordem nos pilares. Complementar Para enriquecer o conhecimento assista a alguns vídeos complementares sobre diversos temas, veja: Veja este artigo de comparação entre pilares de concreto e pilares de aço: http://www.inicepg.univap.br/cd/INIC_2006/inic/inic/07/INIC00 0071ok.pdf. Referências Básica: ARAÚJO, J. M. Curso de concreto armado. 4. ed. Rio Grande/RS: Ed. DUNAS, 2014. v.1. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118. Projeto de estruturas de concreto – Procedimento. Rio de Janeiro: Abnt, 2014. CARVALHO, C. B. Concreto armado I: de acordo com a NBR6118/2014. Belo Horizonte: Unihorizontes, 2017. CARVALHO, C. B. Concreto armado II: de acordo com a NBR6118/2014. Belo Horizonte: Unihorizontes, 2017. CARVALHO, R. B.; FILHO, J. R. F. Cálculo e detalhamento de estruturas usuais de concreto armado: segundo a NBR 6118:2014. 4. ed. São Carlos: Ed. EDUFScar, 2014. FUSCO, P. B. Estruturas de concreto. Rio de Janeiro: Ed. Guanabara Dois S. A., 1981. FUSCO, P. B. Técnica de armar as estruturas de concreto. São Paulo: Ed. PINI, 1994. LEONHARDT, F.; MÖNNING, E. Construção de concreto – Princípios básicos do dimensionamento de estruturas de concreto armado. Vol. 1. Rio de Janeiro: Ed. Interciência, 1982. LEONHARDT, F.; MÖNNING, E. Construção de concreto – Princípios básicos sobre a armação de estruturas de concreto armado. Vol. 1. Rio de Janeiro: Ed. Interciência, 1978. PINHEIRO, L. M. Fundamentos do concreto e projetos de edifícios. Apostila. São Paulo: Escola de Engenharia de São Carlos, 2007. SÜSSEKIND, J. C. Curso de concreto Vol. 1. Porto Alegre: Ed. Globo, 1985. Complementar: MARTHA, L. F. Ftool – two-dimensional frame analysis tool. Versão educacional 2.09. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC-Rio. Departamento de Engenharia Civil e Tecgraf/PUC-Rio – Grupo de tecnologia em Computação Gráfica. Disponível em: http://www.tecgraf.puc-rio.br/ftool. Acesso em: 10 jan. 2018. VENTURINI, W. S.; RODRIGUES, R. O. Dimensionamento de peças retangulares de concreto armado solicitadas à flexão reta. São Carlos, SP: EESC/USP, 1987. http://www.tecgraf.puc-rio.br/ftool AULA 3 Exercícios Verificar se o pilar-parede da figura abaixo é suficiente para garantir a indeslocabilidade de um edifício de 10 andares, cuja altura total desde a fundação é igual a 30 m. A soma de todas as cargas verticais de serviço é igual a 28.000 kN e o concreto possui 𝑓𝑐𝑘 = 30 𝑀𝑝𝑎. Figura 27: Pilar Parede Fonte: autor. Consideração sobre o cálculo dos pilares – Parte II Aula 4 APRESENTAÇÃO DA AULA Nesta aula continuaremos a estudar sobre os pilares, agora iremos fazer várias considerações sobre os pilares-parede. OBJETIVOS DA AULA Esperamos que, após o estudo do conteúdo desta aula, você seja capaz de: ➢ Entender como acontece a flambagem local das lâminas dos pilares- parede; ➢ Estudar o dimensionamento dos pilares-parede; ➢ Entender como é as imperfeições geométricas locais nos pilares
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