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CONCRETO ARMADO APLICADO EM PILARES, VIGAS PAREDE E RESERVATÓRIOS OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM > Diferenciar excentricidade de primeira e segunda ordem. > Descrever excentricidade acidental. > Identificar excentricidade devido à fluência. Introdução Os sistemas estruturais são constituídos por lajes, vigas, pilares e fundações, sendo os pilares os elementos de significativa importância para a transmissão das cargas desde os pavimentos até o solo, no qual a edificação está implantada. A força normal que atua em um pilar pode estar deslocada de certa distância do seu centro geométrico. A essa distância é dado o nome de excentricidade. Os pilares recebem as solicitações iniciais, mas também as excentricidades que devem ser absorvidas por esses elementos. As excentricidades se dividem em excentricidades de primeira ordem, as quais abrangem as excentricidades iniciais e acidentais, e excentricidades de segunda ordem, que compreendem as excentricidades devido à fluência do concreto e as advindas dos efeitos de segunda ordem. Neste capítulo, você irá identificar as excentricidades de primeira e segunda ordem, identificando os respectivos efeitos gerados por cada uma. Além disso, você poderá se aprofundar nos conceitos de excentricidade acidental e de excentricidade devido à fluência do concreto. Excentricidades em pilares Jaqueline Ramos Grabasck Excentricidade de primeira e segunda ordem Segundo Scadelai (2004), a classificação dos pilares pode se dar em relação às solicitações iniciais, de modo que os pilares internos (também denominados pilares de centro) não apresentam excentricidades iniciais, apesar de serem submetidos à compressão simples. Por outro lado, nos pilares de borda as solicitações iniciais resultam na flexão composta normal, haja vista que a excentricidade inicial ocorre em uma direção, sendo que em seções quadra- das ou retangulares a excentricidade inicial se dá de forma perpendicular à borda. Já nos pilares de canto há excentricidades iniciais nas direções das bordas, uma vez que esses pilares são submetidos à flexão oblíqua (Figura 1) (SCADELAI, 2004). Figura 1. Classificações referentes às solicitações iniciais. Fonte: Scadelai (2004, p. 27). Pilar de canto Pilar de borda Pilar interno Excentricidades em pilares2 Scadelai e Pinheiro (2005) indicam que é comum observar a coincidência das faces das vigas com as faces dos pilares nos quais elas se apoiam, de maneira que, quando os eixos baricêntricos das vigas não coincidem com o centro de gravidade da seção transversal do pilar, as vigas geram reações que apresentam excentricidades, sendo estas conhecidas como excentricidades da forma. Os autores complementam que a excentricidade da forma pode ocorrer em pilares de centro, de borda e de canto, porém, essas excentrici- dades tendem a ser desconsideradas no dimensionamento de pilares, pois os momentos fletores gerados pela excentricidade da forma tendem a ser equilibrados por um binário. De acordo com Scadelai (2004), em edificações em altura ocorre o monoli- tismo nas ligações das vigas e dos pilares, e isso acarreta pórticos com vigas interrompidas neles. Sendo observado nos pilares de borda e de canto, esse efeito é chamado de excentricidade inicial, a qual pode ser calculada para o topo e a base, conforme as seguintes equações. ,topo = topo ,base = base Na Figura 2 é possível ver a relação das forças atuantes e normal, do momento fletor e da excentricidade, pois a imagem apresenta alterações no topo e na base apenas no momento e na excentricidade. Figura 2. Excentricidades iniciais. Fonte: Adaptada de Silva e Pinheiro (2002 apud Scadelai, 2004). N Mbase Mtopo ei,topo ei,base Excentricidades em pilares 3 De acordo com Oliveira (2004), os pilares podem ser definidos como ele- mentos alongados submetidos à força normal de compressão que em parte será absorvida pelo concreto, mas apresentando armaduras que auxiliam na resistência e, ainda, atendem a inevitáveis excentricidades advindas da força axial. O autor complementa que as barras longitudinais são dispostas nos cantos e nas faces da seção a fim de absorver as tensões resultantes da excentricidade das forças. Já as peças muito alongadas, quando compridas, são submetidas aos efeitos de segunda ordem, que “[…] é a instabilidade decorrente de deslocamento transversal do eixo do elemento” (OLIVEIRA, 2004, p. 42). Segundo Oliveira (2004), as forças axiais são idealizações de cálculo, sendo que na prática haverá, na verdade, excentricidades nas solicitações advindas de imprecisões construtivas, “[…] excentricidade das forças nos extremos e de momentos por causa das ligações” (OLIVEIRA, 2004, p. 166). De acordo com Sias e Alves (2014), as excentricidades de primeira ordem abrangem a excentricidade inicial e a acidental. Os autores apresentam duas possibilidades para ocorrer a excentricidade inicial, sendo elas a existência de uma distância entre o centro geométrico da seção até o ponto onde a força é aplicada, ou ainda quando é feita a substituição do momento aplicado por uma força normal no pilar juntamente com uma excentricidade fictícia. Já para a excentricidade acidental, os autores assumem a incerteza do ponto exato de aplicação da força, mas também as possíveis imperfeições globais e locais que ocorrem na execução dos elementos. Para as excentricidades de segunda ordem, Sias e Alves (2014) apresentam as excentricidades advindas dos efeitos de segunda ordem e as excentricidades resultantes da fluência do concreto. As excentricidades resultantes dos efeitos de segunda ordem ocorrem por meio dos esforços advindos da posição deformada da estrutura, de maneira que deve ser considerado o aumento na excentricidade total. Já para as excentricidades advindas da fluência do concreto, tem-se como origem a propriedade intrínseca do concreto que tende a se deformar com o passar do tempo. Smaniotto (2005) indica que, para os efeitos da excentricidade de primeira ordem, leva-se em conta a estrutura indeformada sem considerar os efeitos da deformação sobre os esforços, admitindo, dessa forma, as excentricidades iniciais e a excentricidade acidental. Por outro lado, para os efeitos de segunda ordem, Smaniotto (2005) cita os esforços adicionais considerando a estrutura já deformada, de modo que, quanto mais esbelto for o elemento, maiores serão os esforços solicitantes, abrangendo, assim, as excentricidades de segunda ordem e a excentricidade advinda da fluência do concreto. Segundo o mesmo autor, a excentricidade inicial corresponde à excentricidade da força normal Excentricidades em pilares4 aplicada substituída pelo momento aplicado nas extremidades do pilar, o que resulta na transformação do momento fletor em uma carga normal com uma determinada excentricidade. Entretanto, tratando-se dos dados de cálculo do pórtico espacial advindos dos momentos aplicados, é possível obter a excentricidade mediante o uso da equação a seguir, de maneira que essa excentricidade irá assumir, para cada uma das direções principais do pilar, valores distintos, sendo a excentricidade inicial no topo e na base calculadas mediante o uso das equações anteriores nas direções X e Y. Já para a seção intermediária do pilar, a excentricidade será calculada conforme as equações apresentadas na NBR 6118 (SMANIOTTO, 2005): = Para calcular os efeitos de segunda ordem mediante o método do pilar- -padrão com curvatura aproximada, deve-se utilizar a equação a seguir (SMA- NIOTTO, 2005). , = 1 , + 10 1 Para realizar os cálculos referentes aos efeitos de segunda ordem me- diante o método do pilar-padrão com rigidez κ aproximada, deve-se utilizar a seguinte equação (SMANIOTTO, 2005): , = 1 , 1 − 2 120 ⁄ De acordo com Borges (1999), o aumento da carga em pilares esbeltos acarreta deformações por flexão que geram tensões de compressão desi- guais, de modo que o concreto ultrapassa o limite de deformação plástica e se rompeno lado que apresenta maior solicitação de compressão. Sendo assim, a autora ressalta que, para o concreto armado, são considerados a influência das excentricidades não intencionais, o comportamento inelástico do concreto e o aumento não linear das deformações advindas da flexão, a fim de determinar a capacidade de carga dos pilares esbeltos, o que caracteriza a Teoria de Segunda Ordem. Excentricidades em pilares 5 Borges (1999) salienta que, para o cálculo de solicitações, a flexão em concreto armado usualmente é realizada conforme a Teoria de Primeira Ordem mediante o cálculo dos esforços solicitantes perante o sistema não deformado. Porém, se os esforços gerarem deformações que comprometam a resistência do elemento estrutural, deverá ser utilizada a Teoria de Segunda Ordem. Ao utilizar essa teoria, são consideradas a não linearidade geométrica e a não linearidade física do material, as quais, conforme o nível de solici- tação, irão apresentar variações no módulo de elasticidade e na inércia da seção (BORGES, 1999). Segundo Borges (1999), as barras esbeltas submetidas à flexo-compressão oblíqua em suas seções transversais apresentam o surgimento de excentrici- dades significativas que resultam no efeito de segunda ordem, sendo essas excentricidades importantes para analisar a possibilidade de instabilidade no comportamento das barras. A autora ressalta que haverá, em cada seção da barra, um plano de flexão variável devido à deformação pela flexão oblíqua. De acordo com Bastos (2015), a excentricidade de primeira ordem ocorre pela possível ocorrência de momentos fletores externos solicitantes que atuam ao longo do comprimento do pilar, porém, é possível também que ocorram pelo fato de a aplicação da força normal não estar no centro de gravidade da seção transversal. A Figura 3 apresenta as possibilidades de ocorrência de excentricidade de primeira ordem. Figura 3. Possibilidades de excentricidade de primeira ordem. Fonte: Bastos (2015, p. 14). Excentricidades em pilares6 Ao considerar o momento fletor (M) e a força normal (N), a Figura 3 apre- senta as possibilidades de ocorrências de excentricidades de primeira ordem, sendo que, na primeira possibilidade, a força normal está supostamente cen- trada e o momento fletor resulta em zero, formando, portanto, a equação e1 = 0. Na segunda possibilidade, a força normal foi supostamente aplicada na distância a do centro de gravidade da seção transversal e o momento fletor também será zero, o que resulta na equação e1 = a. Já na terceira possibilidade, a força normal está supostamente centrada, assim como o momento fletor, resultando na equação e1 = M/N. Por fim, a quarta e última possibilidade apresenta a força normal supostamente aplicada na distância a do centro de gravidade da seção transversal, o que dá origem à equação e1 = a + M/N. De acordo com a NBR 6118 (ABNT, 2014), os efeitos de segunda ordem são somados aos efeitos de primeira ordem já obtidos, sendo que essa análise do equilíbrio considera a configuração deformada. A normativa ressalta que, quando o comportamento não linear dos materiais foi considerado, mas o acréscimo não for superior a 10% nas reações e solicitações relevantes, os efeitos de segunda ordem podem ser desprezados. A NBR 6118 (ABNT, 2014) indica que devem ser consideradas as combinações mais desfavoráveis das ações de cálculo, não havendo perda de estabilidade nem esgotamento da capacidade resistente de cálculo, haja vista que, para estruturas de concreto armado, sempre deve ser considerada a não linearidade física. Para calcular a deformabilidade dos elementos, devem ser utilizados os diagramas tensão- -deformação dos materiais apresentados na Seção 8 dessa mesma normativa, de forma que a tensão de pico do concreto seja 1,10 fcd, incluindo o efeito de carga mantida, e a tensão do aço seja fyd, apresentando valores utilizados para o ELU de ɣc e ɣs. É importante sempre considerar, nessa análise, as possíveis incertezas que podem ocorrer nas características dos apoios e na deformabilidade da estrutura. Os nós das estruturas se deslocam horizontalmente quando estão sob as cargas verticais e horizontais, e isso resulta em esforços de segunda ordem, os quais são chamados de efeitos globais de segunda ordem. “Nas barras da estrutura, como um lance de pilar, os respectivos eixos não se mantêm retilíneos, surgindo aí efeitos locais de segunda ordem que, em princípio, afetam principalmente os esforços solicitantes ao longo delas” (ABNT, 2014, p. 102). Em estruturas que apresentam nós fixos, é possível realizar o cálculo considerando isoladamente cada elemento comprimido como uma barra vinculada nas extremidades aos demais elementos estruturais, aplicando os esforços obtidos mediante a análise da estrutura conforme a Teoria de Primeira Ordem. Já para a análise dos efeitos locais de segunda ordem, deve- Excentricidades em pilares 7 -se considerar o que foi determinado na Seção 15.8. Para a ação de forças horizontais, a estrutura é sempre calculada como deslocável. Pelo fato de a estrutura ter nós fixos, não são considerados os esforços globais de se- gunda ordem, sendo que o comprimento equivalente do pilar comprimido (le) que apresenta vínculo nas extremidades deve ser menor que os valores apresentados nestas equações: le = l0 + h le = l onde: � lo = distância entre as faces internas dos elementos estruturais que vinculam o pilar; � h = altura da seção transversal do pilar, que deve ser medida no plano da estrutura; � l = distância entre os eixos dos elementos estruturais aos quais o pilar está vinculado (ABNT, 2014). Nascimento (2009) indica que a soma da excentricidade inicial com a excentricidade acidental resulta na excentricidade de primeira ordem, de forma que os seus efeitos advêm de problemas construtivos que abrangem “[…] o desaprumo ou a falta de linearidade vertical dos pilares, imperfeições construtivas, soluções arquitetônicas e/ou estruturais” (NASCIMENTO, 2009, p. 35). Já os efeitos de segunda ordem são definidos por Nascimento (2009) como os advindos das deformações laterais que resultam da aplicação de carregamentos verticais no pilar. Segundo Velois (2018), as excentricidades de primeira ordem são divididos em: excentricidade inicial, excentricidade acidental, excentricidade da forma, excentricidade suplementar ou fluência e momento fletor mínimo. Excentricidade acidental Nascimento (2009) define a excentricidade acidental como um valor empírico que considera as incertezas de aplicação da carga de projeto. Segundo Dantas (2006, p. 62), “[…] qualquer erro no paralelismo das faces de topo e de base do pilar resulta, consequentemente, em uma excentricidade acidental”. Conforme Excentricidades em pilares8 Velois (2018), a excentricidade acidental pode ocorrer pela incerteza na locali- zação da força normal ou, também, devido a algum deslocamento no eixo do elemento durante a construção, tomando, portanto, como referência a posição indicada no projeto. O autor complementa que as imperfeições do eixo dos elementos estruturais são divididas em imperfeições globais e imperfeições locais. A imperfeição global corresponde à consideração do desaprumo dos elementos verticais, sendo uma análise global das estruturas reticuladas, independente da ocorrência ou não de contraventamento (VELOIS, 2018). A Figura 4 representa uma estrutura reticulada em condição de imperfeição geométrica global. Figura 4. Imperfeições geométricas globais. Fonte: ABNT (2014, p. 59). Para a análise, são consideradas as seguintes equações: 1 = 1 100√ = 1 1 + 1⁄ 2 onde: � θ1min = 1/300 para estruturas reticuladas e imperfeições locais; � θ1máx = 1/200; � H = altura total da edificação (m); � n = número de prumadas de pilares no pórtico plano. Excentricidades em pilares 9 A Normativa recomenda a utilização de θa = θ1 em edifícios predomi- nantemente de lajes lisas ou cogumelo. Já para pilares isolados embalaço, recomenda-se a utilização de θ1 = 1/200. A imperfeição local corresponde ao uso de elementos que conectam pilares contraventados aos pilares de con- traventamento levando em consideração a tração gerada pelo desaprumo do pilar contraventado, conforme evidencia a NBR 6118 (Figura 5a) (ABNT, 2014). Já a realização do dimensionamento ou a verificação de um lance de pilar considera o efeito do desaprumo, conforme apresentado na Figura 5b, ou a falta de retilineidade do eixo do pilar, assim como apresentado na Figura 5c. Figura 5. Imperfeições geométricas locais. Fonte: ABNT (2014, p. 60). A Normativa ressalta que usualmente, em estruturas reticuladas, admite- -se como suficiente a falta de retilineidade no lance de pilar. Com relação às ações dos ventos e ao desaprumo, a NBR 6118 (ABNT, 2014) indica a utilização das seguintes possibilidades: � havendo ação do vento 30% maior que a ação do desaprumo, deve-se considerar apenas a ação do vento; � havendo ação do vento 30% menor que a ação do desaprumo, deve- -se considerar apenas o desaprumo, mas respeitando o θ1mín indicado (1/300); � no restante, deve-se considerar a ação do vento e do desaprumo, porém, não há a necessidade de considerar θ1mín, sendo que é possível levar em conta a atuação conjunta das ações na mesma direção e Excentricidades em pilares10 sentido de forma proporcional à ação do vento, equivalendo-se a uma carga variável e amplificada. Silva (2017) indica que, para o cálculo de pilares curtos, deve-se considerar a excentricidade inicial de primeira ordem (ei) e a excentricidade acidental (ea), sendo a excentricidade acidental definida conforme mostra a Figura 4 (imperfeições geométricas locais) ou sendo substituída pelo momento mínimo, conforme a equação a seguir. M1d,mín = Nd(0,015 + 0,03h) onde: � Nd = força normal do projeto que atua sobre o pilar; � h = altura da seção transversal (m). O momento resultante da equação deve ser somado aos momentos de segunda ordem (NASCIMENTO, 2009). Dantas (2006) complementa que a última carga do pilar pode ser reduzida devido a qualquer pequena excentricidade acidental. Já Bastos (2015) destaca que a análise global de segunda ordem gera os esforços nas extremidades das barras, sendo necessária a realização de análises de efeitos locais de segunda ordem ao longo dos eixos das barras comprimidas. Excentricidade devido à fluência De acordo com Sias e Alves (2014), as excentricidades de segunda ordem abrangem as excentricidades devido aos efeitos de segunda ordem, de fato, e as excentricidades devido à fluência do concreto, sendo que a excentricidade devido à fluência compreende a propriedade de o concreto se deformar com o passar do tempo. Andreeto Junior (2018) indica que a fluência do concreto faz parte das ações permanentes indiretas, juntamente com os deslocamentos de apoio, as imperfeições geométricas globais e locais, os momentos mínimos e de protensão e a retração. Araújo (2014) complementa que a fluência do concreto tende a apresentar uma importância significativa na resistência dos pilares, uma vez que, em virtude desta, os deslocamentos transversais dos eixos dos pilares crescem com o passar do tempo e resultam no aumento dos momentos fletores solicitantes. O autor ressalta que a fluência não deve ser dispensada, pois comprovou a importância da fluência no dimensionamento, Excentricidades em pilares 11 indicando a não admissão do critério, denominado por ele, simplista de λ< 90. Por outro lado, Andreeto Junior (2018) apresenta a fluência como um aumento de deformação sob tensão mantida. A deformação total, que ocorre após o carregamento, é dividida em dois tipos (chamados de componentes): elástica e por fluência (Figura 6). O autor complementa que a deformação elástica é o primeiro componente e está ligada à intensidade da carga aplicada por meio do módulo de elasticidade do material, sendo reversível, ao passo que a deformação por fluência é considerada o segundo componente, o qual compreende uma fração reversível e uma irreversível. Figura 6. Fluência do elemento em concreto. Fonte: Adaptada de Neville (1997 apud ANDREETO JUNIOR, 2018). Fluência Deformação elástica Tempo De fo rm aç ão Conforme a NBR 6118 (ABNT, 2014), a fluência deve ser considerada em pilares com índice de esbeltez λ> 90, além de ser realizada, de maneira aproxi- mada, considerando a excentricidade adicional ecc segundo a equação a seguir. =( () )+ 2,718 − − 1 De maneira que: = 10 2 Excentricidades em pilares12 � ea = excentricidade devido às imperfeições locais; � Msg e Nsg = esforços solicitantes referentes à combinação quase permanente; � ϕ = coeficiente de fluência; � Eci = conforme Seção 8.1; � lc = de acordo com Seção 4.2.3; � le = definido na Seção 15.6 (ABNT, 2014). A NBR 6118 (ABNT, 2014) ressalta que, nos carregamentos de longa dura- ção, como os que ocorrem em uma edificação, por exemplo, é considerada a fluência do concreto de acordo com a Seção 8, tendo em vista que, nesse caso, o diagrama de tensão-deformação gerado se apresenta como parábola- -retângulo, conforme apresentado na Figura 7. Figura 7. Diagrama de tensão-defor- mação do concreto considerando a fluência. Fonte: ABNT (2014, p. 202). A fluência é considerada um comportamento reológico do concreto, pois a deformabilidade depende do tempo, sendo de grande importância na análise estrutural. Andreeto Junior (2018) ressalta que a fluência diminui com a redução do fator água-cimento e com o consumo de cimento, assim como a umidade relativa do ar em um ambiente e a geometria do elemento, já que quanto menor a dimensão, maior será a fluência observada. Excentricidades em pilares 13 A retração e a fluência ocorrem simultaneamente no ato de car- regamento quando há perda por umidade. Assim como a fluência, a retração também apresenta comportamento reológico, diminui a relação água-cimento e o consumo de cimento e sofre interferência da umidade relativa do ar e da geometria do elemento (ANDREETO JUNIOR, 2018). Andreeto Junior (2018) ainda indica que o período das primeiras 24 horas após o carregamento é chamado de rápido e irreversível, sendo que, logo após, inicia-se a deformação lenta, que é, em parte reversível e em parte irreversível. Neville (2015) ressalta que a fluência pode agir indefinidamente ou em apenas um período tempo. Se for considerada por unidade, seus valores mé- dios apresentarão as seguintes idades: 1,14 após 2 anos; 1,20 após 5 anos; 1,26 após 10 anos; 1,33 após 20 anos; 1,36 após 30 anos. De acordo com Andreeto Junior (2018), a fluência se divide em fluência básica e fluência por secagem, sendo que na fluência básica consideramos que o concreto conservou uma umidade relativa de 100%, ao passo que a fluência por secagem ocorre du- rante a secagem do elemento em concreto. A Figura 8 apresenta a relação deformação-tempo e as diferenças observadas em cada uma das etapas, iniciando pela deformação elástica, passando pela retração, seguindo para a fluência básica e concluindo com a fluência por secagem. Figura 8. Diagrama tempo-deformação do elemento de concreto carregado. Fonte: Adaptada de Neville (1997 apud ANDREETO JUNIOR, 2018). Fluência por secagem Fluência básica Retração Deformação elástica Tempo De fo rm aç ão Excentricidades em pilares14 Para Andreeto Junior (2018), em pilares de concreto armado, os aspectos utilizados para o seu dimensionamento podem resultar em uma transferência gradual da carga para a armadura, e isso acarreta o escoamento do aço e o suporte de aumentos de cargas pelo concreto. Já no caso de pilares esbeltos, a carga excêntrica causará um aumento na deflexão, que ocasiona a flamba- gem, porém, em se tratando de estruturas com indeterminação estática, a fluência pode vir a aliviar as tensões por retração, as mudanças de temperatura e a movimentação devido à relaxação (ANDREETO JUNIOR, 2018). Compreender o funcionamento do sistema estrutural de uma edificaçãoé essencial para garantir a segurança dos usuários e a estabilidade da constru- ção em si. Os pilares representam uma parte muito significativa na estabilidade do sistema estrutural, sendo eles os responsáveis por transmitir as cargas dos pavimentos até as fundações. Além das solicitações, os pilares também estão sujeitos a excentricidades, podendo estas ocorrer, ou não, conforme o carregamento aplicado e a localização de aplicação das forças atuantes. De acordo com Melo (2009), a excentricidade total é calculada de forma aproximada, considerando os efeitos de segunda ordem dos pilares. Smaniotto (2005) complementa que a excentricidade total é utilizada, juntamente com o valor do esforço normal, para determinar o momento final de cálculo, que será essencial para a verificação da resistência. Dessa forma, o autor apresenta a excentricidade total como o valor final da excentricidade do esforço normal. Referências ANDREETO JUNIOR, E. A fluência do concreto e a sua relevância na mudança de domínio em peças submetidas à flexão. Revista Especialize On-line IPOG, ano 9, v. 1, n. 15, jul. 2018. Disponível em: https://assets.ipog.edu.br/wp-content/uploads/2019/12/07013921/ edie-andreeto-junior-eebsb003-1815642.pdf. Acesso em: 22 jan. 2021. ARAÚJO, J. M. Curso de concreto armado. 4. ed. Rio Grande, RS: Dunas, 2014. v. 3. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 6118: projeto de estruturas de concreto — procedimento. Rio de Janeiro: ABNT, 2014. BASTOS, P. S. S. Pilares de concreto armado. Bauru, 2015. 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No entanto, a rede é extremamente dinâmica; suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo. Assim, os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade, precisão ou integralidade das informações referidas em tais links. Excentricidades em pilares 17
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