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ATIVIDADE PRÉ - DIMENCIONAMENTO DE SAPATA ISOLADA Prof. Eduardo Mazzonetto Você é um Engenheiro responsável pelo projeto e execução das fundações de uma edificação dois pavimentos - Sobrado - e tem como trabalho escolher as fundações mais apropriadas que contemplem a segurança, a vida útil da estrutura bem como o seus custos tendendo à economia. Utilizar NBR 6122/2019 e NBR 6118/2014. Tendo como referência o pilar P - 7 com as seguintes informações: a) Carga normal característica de 15.000 Kgf; ou 15Tf; ou 150 kN b) Momento no eixo x Mk, x = 3,00 kN*m c) Momento no eixo y Mk, y = 5,40 kN*m d) Seção de 25 cm : ou 0,25 m em lado l e) Seção de 15 cm ; ou 0,15 m em lado b f) Área de 375 cm² ou 0,0375 m² g) Arranque com 4 barras, Ø de 12,5 mm Tendo como disponibilidade de materiais os seguintes produtos: a) Cimento Portland CP–II S 32 b) Brita nº - 1 (19 mm) c) Areia média d) Barras de aço CA-50 nas bitolas de 8 mm, 10 mm,12,5 mm, 16 mm Usar como referência de Cálculo considerando os materiais com as seguintes resistências: Concreto C - 25: a) Fck = 25 Mpa ou 250 kgf/cm² ou 2,5 kN/cm² b) Fcd = 25 Mpa / γ 1.4 = 17,85 Mpa ou 178,5 kgf/cm² ou 1,78 kN/cm² Aço CA - 50: c) Fyk = 500 Mpa ou 5.000 kgf/cm² ou 50 N/cm² d) Fyd = 500 Mpa / γ 1.15 = 434,8 Mpa ou 4.348 kgf/cm² ou 43,48 kN/cm² Serão disponibilizados também laudo de sondagem, CAD para detalhamento e a impressão da prancha, mão de obra e ferramentas necessárias para a execução in loco. Prof. metro perfuração Classificação do Solo por amostragem Número de golpes por penetração de 15cm Nspt 0 Aterro 0/0 0/0 0/0 0 1 Argila siltosa pouco arenosa, mole à mole 1/15 2/15 2/15 4 2 Argila siltosa pouco arenosa, mole à mole 2/15 3/15 5/15 8 3 Argila siltosa pouco arenosa, mole à rija 3/15 5/15 8/15 13 4 Argila siltosa pouco arenosa, mole à rija 3/15 6/15 9/15 15 5 Argila siltosa pouco arenosa, mole à rija 5/15 8/15 12/15 20 6 Argila siltosa pouco arenosa, rija à rija 7/15 10/15 17/15 27 Parte I – Projeto Geotécnico e Pré – Dimensionamento 1.1 Determinar a pressão admissível do solo na cota a ser utilizada como referência para o cálculo de apoio utilizando a seguinte expressão: Tensão admissível pelo solo método WILSON COSTA K = 5 para argila K = 4 para silte e areia K = 3 para pedregulhos 𝛔𝑎𝑑𝑚 = 𝑁𝑠𝑝𝑡 𝐾 (𝐾𝑔𝑓/𝑐𝑚²) 𝛔𝑎𝑑𝑚 = 𝑁𝑠𝑝𝑡 𝐾 ∗ 10 (𝑀𝑝𝑎) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑁/𝑚2 𝑏𝑎𝑠𝑡𝑎 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑟 𝑝𝑜𝑟 1000 Resposta 1.1: 160 kN/m² 1.2 Calcular a área de contato ao solo necessária devido ao carregamento do pilar determinado pelo projeto estrutural. Nk = 150 kN γa = 1,05 (NBR 6122), item 5.6 l = 0,25 m b = 0,15 m 𝐀 = 𝑁𝑘 ∗ 𝛾𝑎 𝛔𝑎𝑑𝑚 Resposta 1.2: A = 0,98 m² Parte I – Projeto Geotécnico e Pré – Dimensionamento 1.3 Calcular as dimensões em B e L, sendo B a largura e L o comprimento da base da sapata. (NBR 6122) item 7.7.1 – dimensões mínimas para sapatas isoladas é de 60 cm. Para sapata quadrada: 𝐋 = 𝐁 = √𝑨 Para sapata retangular: 𝐋 = (𝑙−𝑏) 2 + √ (𝑙−𝑏)2 4 + 𝐴 𝐁 = 𝐴 𝐿 Resposta 1.3.1: B = L = 1,00 m (1,00 m x 1,00 m) Resposta 1.3.2: L = 1,05 m e B = 0,95 m Área = ( 0,998 m² ) Parte I – Projeto Geotécnico e Pré – Dimensionamento 1.4 Calcular a altura h da sapata e altura hº 1.4.1 Calcular a altura h considerando sapata rígida em L e B, punção e ancoragem para o arranque do pilar conforme a bitola da barra a ser utilizada. 1) cálculo de h para rigidez (NBR 6118/2014) item 22.6.1 𝐡𝟏 = 𝐿 − 𝑙 3 𝐡𝟐 = 𝐵 − 𝑏 3 2) cálculo de h para punção (resultado será dado em cm) 𝐡ₚ = 1.44 ∗ √ 1.4 ∗ 𝑁𝑘 0.85 ∗ 𝑓𝑐𝑘/14 3) cálculo de h para ancoragem NBR 6118/2014 item 9.4.2.4 e para cobrimento NBR 6118/2014 tab.7.2 Resposta 1.4.1: h1 = 0,26 e h2 = 0,26 Resposta 1.4.2: 17 cm Resposta 1.4.3: Para altura de ancoragem lb considerando barras de Ø-12,5 mm, e concreto C-25 necessários 0,47 m e cobrimento de 0,04 m, altura maior ou igual a: 𝐡ₗ = 𝑙𝑏 + 𝑐 adotar altura h = 55 cm. Parte I – Projeto Geotécnico e Pré – Dimensionamento 1.5 Calcular a altura hº nas laterais L e B, tendo como ângulo de 30° para inclinação de h até hº 𝐡° 𝐋 = ℎ − ( 𝐿 − 𝑙 2 ∗ 𝑡𝑔30°) 𝐡° 𝐁 = ℎ − ( 𝐵 − 𝑏 2 ∗ 𝑡𝑔30°) Resposta 1.5.1: hº L = 0,32 m e hº B = 0,32 m Parte II – Validação Dimensionamento Tendo como referência ao pilar P - 7 e a sua sapata S - 7 de apoio, com as seguintes informações: a) Carga normal característica de 15.000 Kgf; ou 15 Tf; ou 150 kN b) Momento no eixo x Mk, x = 3,00 kN*m c) Momento no eixo y Mk, y = 5,40 kN*m d) Seção de 25 cm : ou 0,25 m em lado l e) Seção de 15 cm ; ou 0,15 m em lado b f) Área de base adotada = 0,998 m² g) Comprimento em L = 1,05 m h) Largura em B = 0,95m i) Altura em h = 0,55 m Considerando solo com capacidade de resistência para uma tensão admissível de: 𝛔𝑎𝑑𝑚 = 8 5 ∗ 10 = 0,20 𝑀𝑝𝑎 ∗ 1000 = 160 𝑘𝑁/𝑚² 2.1 Calcular tensão atuante para os esforços solicitados na base do pilar, que serão transferidos para a base da sapata S – 7. Para validação verificar se: 𝛔 < 𝛔𝑎𝑑𝑚 = 160 𝐾𝑝𝑎 a) σ tensão atuante b) N’ esforço normal axial Nk somando peso próprio = γc c) A área da base d) W momento resistente de inercia Wx = 𝐿 ∗ 𝐵2 6 𝑊𝑦 = 𝐵 ∗ 𝐿2 6 Resposta 2.1.1: Wx = 0,158 m³ e Wy = 0,175 m³ Parte II – Validação Dimensionamento 2.1 Calcular peso próprio do concreto 𝛄𝑐 = 𝐿 𝑚 ∗ 𝐵 𝑚 ∗ ℎ 𝑚 ∗ 25𝑘𝑁 𝑚3 = 𝑘𝑁 Resposta 2.1.2: γc = 13,72 kN 2.1 Calcular tensão máxima e mínima considerando os momentos em x e em y 𝛔𝑚á𝑥. = N′ 𝐴 + Mx 𝑊𝑥 + 𝑀𝑦 𝑊𝑦 𝛔𝑚í𝑛. = N′ 𝐴 − Mx 𝑊𝑥 − 𝑀𝑦 𝑊𝑦 Resposta 2.1.3: 𝛔máx = 214,06 kN/m² e 𝛔𝐦í𝐧 =114,20 kN/m² 𝛔𝑚á𝑥. > 𝛔𝑎𝑑𝑚. 𝑒 𝛔𝑚í𝑛. < 𝛔𝑎𝑑𝑚. Parte II – Validação Dimensionamento 2.2 Recalcular o aumento de área da base para baixar tensão máxima ao nível da tensão admissível a) Carga normal característica de 15.000 Kgf; ou 15 Tf; ou 150 kN b) Momento no eixo x Mk, x = 3,00 kN*m c) Momento no eixo y Mk, y = 5,40 kN*m d) Seção de 25 cm : ou 0,25 m em lado l e) Seção de 15 cm ; ou 0,15 m em lado b f) Área de base adotada = 1,38 m² g) Comprimento em L = 1,25 m h) Largura em B = 1,10 m Resposta 2.2.1: Wx = 0,252 m³ e Wy = 0,286 m³ Resposta 2.2.2: γc = 18,91 kN Resposta 2.2.3: 𝛔máx = 153,60 kN/m² e 𝛔𝐦í𝐧 =92,10 kN/m² 𝛔𝑚á𝑥. < 𝛔𝑎𝑑𝑚. 𝑒 𝛔𝑚í𝑛. < 𝛔𝑎𝑑𝑚. Parte III– Verificações Excentricidade, Esmagamento de seção por compressão normal e Cisalhamento por compressão diagonal 3.1 Calcular excentricidade da força normal causada pelos esforços de momento aplicado 𝒆𝒙 = Mky 𝑁𝑘 𝒆𝒚 = Mkx 𝑁𝑘 3.2 Verificar se a excentricidade da força resultante, está dentro do núcleo central de inércia Mky 𝑁𝑘 ˂ 𝐿 6 Mkx 𝑁𝑘 ˂ 𝐵 6 Resposta 3.1: ex = 0,020 e ey = 0,036 Resposta 3.2: verificação Ok! 𝟎, 𝟎𝟎𝟐 𝒎 ˂ 𝟎, 𝟐𝟎𝟖 𝒎 𝟎, 𝟎𝟑𝟔 𝒎 ˂ 𝟎, 𝟏𝟖𝟑 𝒎Parte III– Verificações Excentricidade, Esmagamento de seção por compressão normal e Cisalhamento por compressão diagonal 3.3 Calcular esforço solicitante de cálculo da força normal na base do pilar P – 7. Considerando γf = 1,4 𝑵𝑑 = 𝜸𝑓 ∗ 𝑁𝑘 3.4 Calcular esforço solicitante de cálculo da tensão na base do pilar P - 7 𝛔s = 𝑁𝑑 𝑙 ∗ 𝑏 Resposta 3.3: Resultado da carga normal de cálculo na base do pilar P – 7 é de: 𝑵𝑑 = 210 𝑘𝑁 Resposta 3.4: Resultado da tensão solicitante na base do pilar P – 7 é de: 𝛔s = 5,600 𝑘𝑁/𝑚² 3.5 Calcular esforço resistente do concreto e comparar ao esforço solicitante. Considerando γc= 1,4. 𝒇𝒄𝒅 = 𝑓𝑐𝑘 𝛾𝑐 Resposta 3.5: Resultado de comparação dos esforços solicitantes e de resistência de cálculo do concreto Ok! Não ocorre esmagamento do concreto no encontro do topo da sapata e a base do pilar. 𝒇𝒄𝒅 = 𝑓𝑐𝑘 𝛾𝑐 = 25 1,4 = 17,86 𝑀𝑝𝑎 𝑜𝑢 17.860 𝑘𝑁/𝑚² 𝛔s = 5,600 𝑘𝑁/𝑚² ≤ 𝒇𝒄𝒅 = 17.860 𝑘𝑁/𝑚² Parte III– Verificações Excentricidade, Esmagamento de seção por compressão normal e Cisalhamento por compressão diagonal 3.6 Calcular esforço de cisalhamento por compressão diagonal através da comparação do esforço resistente e do esforço solicitante de cálculo. Sendo u = perímetro do pilar e d = altura útil da sapata 𝝉𝒓𝒅₂ = 0,27 ∗ (1 − 𝑓𝑐𝑘 250 ) ∗ 𝑓𝑐𝑑 𝝉𝒔𝒅 = ( 𝑁𝑑 𝑢 ∗ 𝑑 ) = ( 𝑁𝑑 2 ∗ (𝑙 + 𝑏) ∗ (ℎ − 𝑐 − Ø 2) ) Resposta 3.6: Resultado da comparação do esforço resistente e do esforço solicitante de cálculo estão em conformidade com a segurança em relação ao cisalhamento por compressão diagonal, comparação Ok! Não haverá cisalhamento por compressão diagonal no corpo da sapata. 𝝉𝒓𝒅₂ = 0,27 ∗ (1 − 25 250 ) ∗ 17.860 = 4.840 𝑘𝑁/𝑚² 𝝉𝒓𝒅₂ = 4.840 𝑘𝑁/𝑚² > 𝝉𝒔𝒅 = 525 𝑘𝑁/𝑚² Parte IV– Cálculo do dimensionamento da armadura de flexão 4.1 Calcular os esforços atuantes na posição da armadura de flexão nas duas direções, em x e y. Esses cálculos serão feitos individualmente para cada sentido. Veja o diagrama abaixo para identificar a sessão de referência S1x e S1y, e obter a distância equivalente a uma viga engastada com carregamento linearmente distribuído, Lx e Ly. 𝑳𝒙 = ( 𝐿 − 𝑙 2 ) + 0,15 ∗ 𝑙 𝑳𝒚 = ( 𝐵 − 𝑏 2 ) + 0,15 ∗ 𝑏 Resposta 4.1: Encontrado os seguintes valore para Lx e Ly das distância da equivalentes a uma viga engastada: 𝑳𝒙 = ( 1.25 − 0,25 2 ) + 0,15 ∗ 0,25 = 0,54 𝑚 𝑳𝒚 = ( 1,10 − 0,15 2 ) + 0,15 ∗ 0,15 = 0,50 𝑚 Parte IV– Cálculo do dimensionamento da armadura de flexão 4.2 Calcular os esforços para direção x considerando sessão de referência S1x posicionada na seção transversal utilizando os esforços atuantes de momento em y. Considerando os seguinte valores para: a) γf = 1,4 b) N’k = Nk + Pp = 150 + 18,91 = 168,91 kN c) Mk.y = 5,40 kN*m d) Wy = 0,286 m³ e) A= 1,38 m² d) B = bw = 1,25 m e) Lx = 0,54 m 𝑁′𝑑 = 𝛾𝑓 ∗ 𝑁′𝑘 𝑀𝑑. 𝑦 = 𝛾𝑓 ∗ 𝑀𝑘. 𝑦 𝑁′𝑑 = 1,4 ∗ (150 +13,72) = 236,46 kN 𝑀𝑑𝑦 = 1,4 ∗ 5,40 =7,56 kN*m 𝛔𝑚á𝑥 = N′d 𝐴 + Md. y 𝑊𝑦 = 𝑘𝑁/𝑚² 𝛔𝑚í𝑛 = N′d 𝐴 − Md. y 𝑊𝑦 = 𝑘𝑁/𝑚² Resposta 4.2.1: Encontrado 𝛔𝑚á𝑥 = 236,46 1,38 + 7,56 0,286 = 197,79𝑘𝑁/𝑚² 𝛔𝑚í𝑛 = 236,46 1,38 − 7,56 0,286 = 144,91𝑘𝑁/𝑚² Parte IV– Cálculo do dimensionamento da armadura de flexão 4.3 Calcular a peso distribuído máxima e mínima 𝐏𝐋𝑚á𝑥 = 𝛔𝑚á𝑥 ∗ 𝐵 = 𝑘𝑁/𝑚 𝐏𝐋𝑚í𝑛 = 𝛔𝑚í𝑛 ∗ 𝐵 = 𝑘𝑁/𝑚 Resposta 4.3.1: Encontrado 𝐏𝐋𝑚á𝑥 = 197,79 ∗ 1,10 = 217,91 𝑘𝑁/𝑚 𝐏𝐋𝑚í𝑛 = 144,91 ∗ 1,10 = 159,40 𝑘𝑁/𝑚 4.3.2 Calcular a peso distribuído referente a sessão S1. x 𝐏𝐋 𝑆1. 𝑥 = 𝐏𝐋𝑚í𝑛 + (𝐏𝐋𝑚á𝑥 − 𝐏𝐋𝑚í𝑛) ∗ ( 𝐴 − 𝐿𝑥 𝐴 ) = 𝑘𝑁/𝑚 Resposta 4.3.2: Encontrado 𝐏𝐋 𝑆1. 𝑥 = 159,40 + (217,91 − 159,40 ) ∗ ( 1,38 − 0,54 1,38 ) = 195,01𝑘𝑁/𝑚 4.3.3 Calcular os momento solicitante na seção de referência S1.x 𝑴𝒅 𝑺𝟏𝒙 = ( 𝐏𝐋𝑚á𝑥 𝟑 + 𝐏𝐋 𝑆1. 𝑥 𝟔 ) ∗ 𝐿𝑥2 = 𝑘𝑁 ∗ 𝑚 Resposta 4.3.3: Encontrado 𝑴𝒅 𝑺𝟏𝒙 = ( 217,91 𝟑 + 195,01 𝟔 ) ∗ 0,542 = 30,66 𝑘𝑁 ∗ 𝑚 Parte IV– Cálculo do dimensionamento da armadura de flexão 4.4 Calcular a área de aço necessária 𝑨𝒔𝟏 = ( 𝑀𝑑 𝑆1𝑥 0,85 ∗ 𝑑 ∗ 𝑓𝑦𝑑 ) = 𝑐𝑚² Resposta 4.4.1: Encontrado 𝑨𝒔𝟏 = ( 30,66 0,85 ∗ 0,51 ∗ 50 1,15 ) = 1,63 𝑐𝑚² 𝑨𝒔𝒎í𝒏 = 𝜌𝑚í𝑛 ∗ 𝐵. ℎ = 𝑐𝑚² 𝑨𝒔𝒎í𝒏 = 0,15% ∗ 110 ∗ 55 = 9,08 𝑐𝑚² UTILIZAR : 8 barras Ø12,5 mm , espaçados a cada 14 cm Parte IV– Cálculo do dimensionamento da armadura de flexão 4.5 Calcular os esforços para direção y considerando sessão de referência S1y posicionada na seção transversal utilizando os esforços atuantes de momento em x. Considerando os seguinte valores para: a) γf = 1,4 b) N’k = Nk + Pp = 150 + 18,91 = 168,91 kN c) Mk.x = 3,00 kN*m d) Wx = 0,252 m³ e) A= 1,38 m² d) L = Lw = 1,25 m e) Ly = 0,50 m 𝑁′𝑑 = 𝛾𝑓 ∗ 𝑁′𝑘 𝑀𝑑. 𝑥 = 𝛾𝑓 ∗ 𝑀𝑘. 𝑥 𝑁′𝑑 = 1,4 ∗ (150 +18,91) = 236,47 kN 𝑀𝑑𝑥 = 1,4 ∗ 3,00 = 4,20 kN*m 𝛔𝑚á𝑥 = N′d 𝐴 + Md. x 𝑊𝑥 = 𝑘𝑁/𝑚² 𝛔𝑚í𝑛 = N′d 𝐴 − Md. x 𝑊𝑥 = 𝑘𝑁/𝑚² Resposta 4.5.1: Encontrado 𝛔𝑚á𝑥 = 236,47 1,38 + 4,20 0,252 = 188,02 𝑘𝑁/𝑚² 𝛔𝑚í𝑛 = 236,47 1,38 − 4,20 0,252 = 154,69 𝑘𝑁/𝑚² Parte IV– Cálculo do dimensionamento da armadura de flexão 4.6 Calcular as peso distribuído máxima e mínima 𝐏𝐁𝑚á𝑥 = 𝛔𝑚á𝑥 ∗ 𝐿 = 𝑘𝑁/𝑚 𝐏𝐁𝑚í𝑛 = 𝛔𝑚í𝑛 ∗ 𝐿 = 𝑘𝑁/𝑚 Resposta 4.6.1: Encontrado 𝐏𝐁𝑚á𝑥 = 188,02 ∗ 1,25 = 235,02 𝑘𝑁/𝑚 𝐏𝐁𝑚í𝑛 = 154,69 ∗ 1,25 = 193,36 𝑘𝑁/𝑚 4.7 Calcular ao peso distribuído na sessão de referência S1 , y 𝐏𝐁 𝑆1. 𝑦 = 𝐏𝐁𝑚í𝑛 + (𝐏𝐁𝑚á𝑥 − 𝐏𝐁𝑚í𝑛) ∗ ( 𝐴 − 𝐿𝑦 𝐴 ) = 𝑘𝑁/𝑚 Resposta 4.6.1: Encontrado 𝐏𝐁 𝑆1. 𝑦 = 193,36 + (235,02 − 193,36 ) ∗ ( 1,38 − 0,50 1,38 ) = 219,93 𝑘𝑁/𝑚 4.7 Calcular os momento solicitante na seção de referência S1.y 𝑴𝒅 𝑺𝟏𝒚 = ( 𝐏𝐁𝑚á𝑥 𝟑 + 𝐏𝐚 𝑆1. 𝑦 𝟔 ) ∗ 𝐿𝑦2 = 𝑘𝑁 ∗ 𝑚 Resposta 4.7.1: Encontrado 𝑴𝒅 𝑺𝟏𝒚 = ( 235,02 𝟑 + 219,93 𝟔 ) ∗ 0,502 = 28,75 𝑘𝑁 ∗ 𝑚 Parte IV– Cálculo do dimensionamento da armadura de flexão 4.8 Calcular a área de aço necessária 𝑨𝒔𝟐 = ( 𝑀𝑑 𝑆1𝑦 0,85 ∗ 𝑑 ∗ 𝑓𝑦𝑑 ) = 𝑐𝑚² Resposta 4.8.1: Encontrado 𝑨𝒔𝟐 = ( 28,75 0,85 ∗ 0,51 ∗ 50 1,15 ) = 1,53 𝑐𝑚² 𝑨𝒔𝒎í𝒏 = 𝜌𝑚í𝑛 ∗ 𝐿. ℎ = 𝑐𝑚² 𝑨𝒔𝒎í𝒏 = 0,15% ∗ 125 ∗ 55 = 10,31 𝑐𝑚² UTILIZAR : 9 barras Ø12,5 mm , espaçados a cada 14 cm
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