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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO CAMPUS DE SINOP BRUNA DE OLIVEIRA BORBA ELAISE GABRIEL EMÍLIA GARCEZ DA LUZ ÚRSULA MAÍRA MACIEL RIGON PROJETO DE MADEIRAS SINOP- MT 2016 1 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 2 2 MUNICÍPIO ESCOLHIDO .................................................................................................... 3 3 MADEIRA UTILIZADA ......................................................................................................... 3 4 SEÇÕES ADOTADAS E VERIFICADAS ............................................................................ 4 5 CARGA PERMANENTE CONSIDERADA ......................................................................... 5 6 CARGA VARIÁVEL CONSIDERADA ................................................................................ 6 7 VELOCIDADE CARACATERÍSTICA DO VENTO .......................................................... 7 7.1 FATOR TOPOGRÁFICO (S1) ............................................................................................ 7 7.2 RUGOSIDADE DO TERRENO (S2).................................................................................. 7 7.3 FATOR ESTATÍSTICO (S3) .............................................................................................. 7 7.4 DETERMINAÇÃO DAS FORÇAS ESTATÍSTICAS DEVIDAS AO VENTO ............... 8 7.5 COEFICIENTES DE PRESSÃO INTERNA...................................................................... 8 7.6 COEFICIENTES DE PRESSÃO EXTERNA .................................................................... 8 7.7 COMBINAÇÃO DE COEFICIENTES DE PRESSÃO ..................................................... 9 8 PROCEDIMENTO PARA O CÁLCULO ............................................................................. 9 9 MEMORIAL DE CÁLCULO ............................................................................................... 11 9.1 VERIFICAÇÕES DE SEGURANÇA .............................................................................. 12 9.1.1 Compressão ................................................................................................................ 12 9.1.2 Tração ......................................................................................................................... 14 10 REFERÊNCIAS ................................................................................................................... 16 2 1 INTRODUÇÃO A madeira é um material muito utilizado na área de construção civil. Dentre suas utilizações, uma muito comum é a estrutura de cobertura de edificações (tesoura, terças, caibros e ripas). Para a construção dessa estrutura é preciso fazer previamente dimensionamento da mesma, afim de assegurar sua capacidade de suportar os futuros esforços que serão aplicados ao material. Neste trabalho, apresentaremos o local e o tipo de madeira escolhido, as dimensões adotadas para cada elemento da estrutura, e os cálculos de cargas permanentes e variáveis. Após definição desses aspectos que são informações primárias para o dimensionamento, é detalhado na sequência o memorial de cálculo, que tem por objetivo verificar se os elementos de madeiras serão apropriados para suportar ou não os esforços que serão solicitados. O memorial de cálculo será baseado nas premissas da ABNT NBR 7190:1997 e da ABNT NBR 6123:1998, sendo todos os cálculos e fatores adotados compatível com os parâmetros da mesma. 3 2 MUNICÍPIO ESCOLHIDO Para realização do projeto em questão, foi escolhido o município de Sinop – MT. Devido ao fato da região ser o principal foco de estudos dos projetos elaborados no curso de engenharia civil no campus universitário de Sinop. A cidade apresenta como principais características de construção: solo laterítico segundo a classificação MCT; ventos predominantes com velocidade no intervalo de 1m/s a 3m/s, com ventos críticos de 30 m/s; e de relevo plano. 3 MADEIRA UTILIZADA A madeira escolhida para o projeto foi o cedro (cedro-amargo), uma madeira abundante na região e que apresenta durabilidade moderada ao ataque de organismos xilófagos. A madeira de cedro é fácil de aplainar, serrar, lixar, furar, pregar, colar e tornear, além de apresentar bom acabamento. A secagem ao ar é rápida com pouca ocorrência de defeitos e a secagem em estufa é fácil, não ocorrendo empenamentos e rachaduras. O cedro é uma madeira dicotiledônea e a classe de resistência é C 30. De acordo com essas propriedades, são apresentadas as características de resistência da madeira escolhida, de acordo com a norma NBR 7190: Resistência à compressão paralela às fibras: 𝑓𝑐0,𝑘= 30,0 MPa; Resistência ao cisalhamento: 𝑓𝑣𝑘= 5,0 MPa; Resistência à compressão paralela às fibras de projeto: 𝑓𝑐0,𝑑 = Módulo de elasticidade à compressão paralela às fibras: 𝐸𝑐0,𝑚= 14 500 MPa; Massa específica aparente: 𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒= 800 kg/m³; 12% de umidade; Kmod=0,56; Ec0,ef=8120 MPa. As peças de madeira utilizadas na estrutura devem ser serradas e não apresentar defeitos, como desvios dimensionais, arqueamento, encurvamento, nós, rachaduras, 4 fendas, perfuração por insetos ou podridão além dos limites tolerados para cada categoria. Visando maior segurança no dimensionamento da estrutura, a madeira será classificada como de 2ª categoria. 4 SEÇÕES ADOTADAS E VERIFICADAS Para a estrutura em questão, é necessário dimensionar e verificar as seções de cada elemento da tesoura e da cobertura, sendo eles: ripas, caibros, terças e a treliça. Para efeitos de cálculos, consideramos as seguintes medidas segundo orientação em sala: Beiral de 60,00 cm Tesoura biapoiada Pé Direito 3,00 m Dimensões da estrutura 10,00x6,90 m De acordo com as construções locais, adotamos as dimensões dos elementos estruturais geralmente utilizadas para a telha Portuguesa (material escolhido), estas são: Ripas: o Seção de 1,00x5,00 cm; o Espaçamento de 0,50 m; o Comprimento de 4,5 m; Caibros: o Seção de 5,00x6,00 cm; o Espaçamento de 0,50 m; o Comprimento de 5 m; Terças: o Seção de 6,00x12,00 cm; o Espaçamento de 2 m; o Comprimento de 5 m; Treliça o Seção de 6,00x16,00 cm; o Espaçamento de 2,50 m; 5 o Comprimento 8,1 m. Por fim, foi feita a verificação das peças através do cálculo do índice de esbeltez. Para isso, foram encontradas as seguintes propriedades geométricas: área da seção da treliça (96 cm²), momento de inércia (2048 cm4), raio de giração mínimo (4,62 cm), e índice de esbeltez (64,94), classificando a peça como medianamente esbelta. Esse resultado indica que as seções adotadas são satisfatórias para esse projeto. 5 CARGA PERMANENTE CONSIDERADA Para este aspecto, a carga permanente considerada foi a somatória dos pesos dos caibros, ripas e terças da estrutura. Parafusos e telhas não foram contabilizados conforme o acordo feito em sala. Para se calcular a carga permanente, foi necessário calcular o volume de cada elemento. Depois multiplicamos o volume pelo peso específico da madeira escolhida afim de encontrar a carga em Kg. Ainda, calculamos a quantidade de cada material que seria utilizado no projeto. Por fim, multiplicamos a carga (Kg) pela quantidade de material e somamos todos os valores. Segue abaixo os cálculos: 1° Ripas: 0,01 𝑥 0,05 𝑥 4,5 = 2,25𝑥10−3 𝑚3 2,25𝑥10−3 𝑚3 𝑥 800𝑘𝑔𝑚3 = 1,80 𝑘𝑔 4,68 𝑥 2 0,50 = 18,72 ≈ 19 𝑟𝑖𝑝𝑎𝑠 1,80 𝑘𝑔 𝑥 19 𝑟𝑖𝑝𝑎𝑠 = 34,20 𝑘𝑔 2° Caibros 0,05 𝑥 0,06 𝑥 5 = 0,015 𝑚3 0,015 𝑚3 𝑥 800𝑘𝑔 𝑚3 = 12,00 𝑘𝑔 6 10 𝑥 2 0,50 = 40 𝑐𝑎𝑖𝑏𝑟𝑜𝑠 12,00 𝑘𝑔 𝑥 40 𝑐𝑎𝑖𝑏𝑟𝑜𝑠 = 480,00 𝑘𝑔 3° Terças 0,06 𝑥 0,12 𝑥 5 = 0,036 𝑚3 0,036 𝑚3 𝑥 800𝑘𝑔 𝑚3 = 28,80 𝑘𝑔 4,68 𝑥 2 2 = 4,68 ≈ 5 𝑡𝑒𝑟ç𝑎𝑠 28,80 𝑘𝑔 𝑥 5 𝑡𝑒𝑟ç𝑎𝑠 = 144,00 𝑘𝑔 4° Somatório 34,20 + 480 + 144 = 658,20 𝑘𝑔 → 658,20 𝑑𝑎𝑁 Sendo assim, o valor adotado para a carga permanente total da estrutura considerada é de 658,20 daN. 6 CARGA VARIÁVEL CONSIDERADA Para a carga variável será considerada apenas o efeito dos ventos. Como citado anteriormente, a velocidade média dos ventos predominantes em Sinop se encontra no intervalo de 1m/s a 3m/s. Entretanto, conforme o gráfico de isopletas da velocidade básica de ventos no Brasil, apresentada no item 5.1 da norma NBR 6123 – Forças devidas ao vento em edificações, a velocidade crítica do vento na região do município de Sinop – MT a ser adotada é de 30 m/s, portanto, a velocidade adotada para esse projeto. 7 7 VELOCIDADE CARACATERÍSTICA DO VENTO Para caracterizar a velocidade do vento no município de Sinop, levando em consideração as particularidades do projeto, foi seguido os parâmetros da NBR 6123. Essa etapa consiste em obter os seguintes valores: fator topográfico (S1), rugosidade do terreno (S2), e fator estatístico (S3). Após, foi possível calcular a velocidade característica do vento e a pressão dinâmica. Por fim, foi encontrado os valores dos coeficientes de pressão interna e de pressão externa. 7.1 FATOR TOPOGRÁFICO (S1) O fator topográfico S1 leva em consideração as variações do relevo do terreno. O município de Sinop é um município com terrenos predominantemente planos ou fracamente acidentados, logo, adota-se S1 = 1,0. 7.2 RUGOSIDADE DO TERRENO (S2) O fator S2 leva em consideração o efeito combinado da rugosidade do terreno, da variação da velocidade do vento com a altura acima do terreno e das dimensões da edificação ou parte da edificação em consideração. Em relação à rugosidade do terreno, o município se enquadra na categoria IV, que abrange terrenos cobertos por obstáculos numerosos e pouco espaçados, em zona florestal, industrial ou urbanizada, segundo a NBR 6123. No que se refere às dimensões da edificação, a classificação correspondente é a Classe A, que inclui todas as unidades de vedação, seus elementos de fixação e peças individuais de estruturas sem vedação, e na qual a maior dimensão vertical ou horizontal não excede 20 metros. Por fim, de acordo com a tabela do fator S2 do item 5.3.3 da norma, encontrou-se o valor de S2 = 0,79. 7.3 FATOR ESTATÍSTICO (S3) O fator estatístico considera, estatisticamente, o grau de segurança requerido e a vida útil da edificação. Segundo a tabela de valores mínimos do fator estatístico S3, do item 5.4 da norma, a edificação se enquadra no Grupo 2, de edificações para comércio e indústria, com alto fator de ocupação, cujo valor é S3 = 1,0. 8 7.4 DETERMINAÇÃO DAS FORÇAS ESTATÍSTICAS DEVIDAS AO VENTO As forças estatísticas devidas ao vento são determinadas pela velocidade característica do vento (Vk), que é obtida pela multiplicação da velocidade básica do vento (V0) com os fatores S1, S2 e S3, que é obtida pela seguinte equação: 𝑉𝐾 = 𝑉0 ∗ 𝑆1 ∗ 𝑆2 ∗ 𝑆3 𝑉𝐾 = 30 𝑚/𝑠 ∗ 1,0 ∗ 0,79 ∗ 1,0 𝑉𝑘 = 23,70 𝑚/𝑠 Em seguida, pode-se determinar a pressão dinâmica, obtida pela expressão: 𝑞 = 0,613 ∗ 𝑉𝑘 2 𝑞 = 0,613 ∗ 23,702 𝑞 = 344,316 𝑁/𝑚2 7.5 COEFICIENTES DE PRESSÃO INTERNA A abertura dominante é uma abertura cuja área é igual ou superior à área total das outras aberturas que constituem a permeabilidade considerada sobre toda superfície externa da edificação (incluindo a cobertura, se houver forro permeável ao ar ou na ausência de forro). Para edificações com paredes internas permeáveis, a pressão interna pode ser considerada uniforme. Neste trabalho, foi adotado o valor para quatro faces igualmente permeáveis, com valor de cpi = -0,3 ou 0. 7.6 COEFICIENTES DE PRESSÃO EXTERNA De acordo com a tabela de coeficientes de pressão e de forma, externos, para telhados com duas águas, simétricos, em edificações de planta retangular, do item 6.2.11 da norma NBR 6123, para θ = 30°, os valores de EF e GH são 0 e -0,4; e os valores de EG e FH, -0,7 e -0,6; respectivamente. Para vento a 0°, nas partes I eJ o coeficiente de forma Ce apresenta o valor de IJ = -0,2. 9 7.7 COMBINAÇÃO DE COEFICIENTES DE PRESSÃO Para a obtenção dos coeficientes de pressão mais críticos para a estrutura, deve- se subtrair os coeficientes de pressão interna dos de pressão externa (Ce – Ci). Portanto: Visando o máximo valor negativo: −0,7 − 0 = −0,7 Visando o máximo valor positivo: 0 − (−0,3) = +0,3 Portanto, para o cálculo de 𝐶𝑒 − 𝐶𝑖, obtiveram-se os valores de -0,7 (sucção) e +0,3 (sobrepresão). Com esses valores, foram calculados os dois componentes críticos da força global. 8 PROCEDIMENTO PARA O CÁLCULO A força do vento sobre um elemento plano de edificação de área A atua em direção perpendicular e ele. A área de influência é a distância média entre duas terças multiplicada pela distância média entre duas treliças, logo, A= 5,0 m². O cálculo da força de vento pode ser calculado pela seguinte equação: 𝐹 = (𝐶𝑒 − 𝐶𝑖) ∗ 𝑞 ∗ 𝐴 Dessa maneira, obtém-se as forças de: Sucção: 𝐹 = −0,7 ∗ 344,316 𝑁 𝑚2 ∗ 5,0 𝑚² 𝐹 = −1,20511 𝑘𝑁 Sobrepressão: 𝐹 = +0,3 ∗ 344,316 𝑁 𝑚2 ∗ 5,0 𝑚² 𝐹 = +0,51647 𝑘𝑁 10 Foram encontradas, respectivamente, as forças de -1,20511 kN e +0,51647 kN. Com a utilização do software Ftool, foram obtidos os diagramas de força normal solicitante à treliça. As figuras 1 e 2 abaixo, ilustram as forças solicitantes aplicadas em cada barra da treliça. Figura1: Diagrama de esforços referente ao vento de sucção. Fonte: Acervo próprio, 2016. Figura 2: Diagrama de esforços referente ao vento de sobrepressão. Fonte: Acervo próprio, 2016. Para este caso, os maiores valores obtidos foram 3,39264 kN e -1,45397 kN. 11 9 MEMORIAL DE CÁLCULO Na figura abaixo estão representadas as barras e a solicitação de ações dos ventos de sobrepressão e sucção combinadas com o peso próprio da estrutura (desconsiderando o peso das telhas). O valor das solicitações para cada barra se encontra na Tabela 1. Para o cálculo das combinações das solicitações de ações permanentes e variáveis, foi utilizada a equação de combinações normais, da norma NBR 7190, descrita abaixo: 𝐹𝑑 = ∑ 𝛾𝐺𝑖 𝑚 𝑖=1 𝐹𝐺𝑖,𝑘 + 𝛾𝑄 [𝐹𝑄1,𝑘 + ∑ 𝜓0𝑗𝐹𝑄𝑗,𝑘 𝑛 𝑗=2 ] Tabela 1 Solicitação de ações referente às cargas permanentes e variáveis para cada barra da treliça Fonte: Acervo próprio, 2016. Barra Peso Próprio Vento Sobrepressão Vento Sucção Peso Próprio+ Vento Sobrepressão Peso Próprio+ Vento Sucção 1 10,344 0,844 -1,969 15,37 7,24242 2 -10,775 -1,396 3,258 -16,55 12,73077 3 10,332 0,847 -1,977 15,35 7,23402 4 -0,033 -0,017 0,040 -0,06 9,35187 5 10,332 0,847 -1,977 15,35 7,23402 6 -3,417 -0,457 1,067 -5,26 10,43022 7 1,963 0,279 -0,651 3,04 8,62632 8 10,344 0,844 -1,969 15,37 7,24242 9 -0,033 -0,017 0,04 -0,06 9,35187 10 -3,417 -0,457 1,067 -5,26 10,43022 11 -7,339 -1,454 3,393 -11,80 12,87252 12 -10,775 -1,396 3,258 -16,55 12,73077 13 -7,339 -1,454 3,393 -11,80 12,87252 129.1 VERIFICAÇÕES DE SEGURANÇA 9.1.1 Compressão Devido ao índice de esbeltez da peça utilizada ter valor entre 40 e 80 (64,94), pode-se verificar o atendimento da condição de segurança relativa ao estado limite último de instabilidade pela condição: 𝜎𝑁𝑑 𝑓𝑐0,𝑑 + 𝜎𝑀𝑑 𝑓𝑐0,𝑑 ≤ 1 Calcula-se primeiramente o ea (excêntricidade acidental mínima) devido às imperfeições geométricas das peças: 𝑒𝑎 = 𝐿0 300 Como um exemplo, calcularemos para a barra 10: 𝑒𝑎 = 2 300 𝑒𝑎 = 0,0066 Adota-se excentricidade inicial para treliças igual a zero, ei =0. Após, calcula-se e1 (excentricidade de primeira ordem): 𝑒1 = 𝑒𝑖 + 𝑒𝑎 𝑒1 = 0 + 0,0066 𝑒1 = 0,0066 Para o cálculo do Fe, força crítica de flambagem: 𝐹𝐸 = 𝜋2 ∗ 𝐸𝑐0,𝑒𝑓∗ 𝐼 𝐿0² 𝐹𝐸 = 𝜋2 ∗ 8120 ∗ 10−6 ∗ 2,88 ∗ 10−6 2² 𝐹𝐸 = 57,70 𝑘𝑁 Para a excentricidade de cálculo: 𝑒𝑑 = 𝑒1 ( 𝐹𝐸 𝐹𝐸 − 𝑁𝑑 ) 𝑒𝑑 = 0,0066 ( 57,70 57,70 − 5,26 ) 𝑒𝑑 = 0,0073 Para o Momento Fletor: 𝑀𝑑 = 𝑁𝑑 ∗ 𝑒𝑑 13 𝑀𝑑 = 5,26 ∗ 0,0073 𝑀𝑑 = 0,0384 𝑘𝑁 Para a tensão de compressão devida ao Momento Fletor: 𝜎𝑀𝑑 = 𝑀𝑑 ∗ 𝑥 𝐼𝑦 𝜎𝑀𝑑 = 0,00384 ∗ 0,03 2,88 ∗ 10−6 𝜎𝑀𝑑 = 0,162 𝑘𝑁/𝑚² Para o cálculo da tensão de compressão devida à força normal de compressão: 𝜎𝑁𝐷 = 𝑁𝐷 𝐴 𝜎𝑁𝐷 = 5,26 0,0096 𝜎𝑁𝐷 = 547,917 𝑘𝑁/𝑚² Para a verificação de segurança: 𝜎𝑀𝑑 𝑓𝑐,0𝑑 + 𝜎𝑁𝑑 𝑓𝑐,0𝑑 ≤ 1 0,162 12000 + 547,917 12000 ≤ 1 0,046 ≤ 1 𝑂𝐾! Seguindo o procedimento de cálculo, obteve-se os seguintes valores para as outras barras: Tabela 2 Valores para obtenção e verificação de segurança à compressão nas barras Barra Nd,c (kN) ea,y (cm) e1y (cm) FE (kN) ed (cm) Md (kNm) σm,d (kN/m²) σn,d (kN/m²) Verificação 1 0,000 0,575 0,575 77,566 0,575 0,000 0,000 0,000 0,000 2 -16,550 0,667 0,667 57,702 0,935 0,155 0,650 1723,958 0,144 3 0,000 0,575 0,575 77,566 0,575 0,000 0,000 0,000 0,000 4 -0,060 0,167 0,167 923,226 0,167 0,000 0,000 6,250 0,001 5 0,000 0,575 0,575 77,566 0,575 0,000 0,000 0,000 0,000 6 -5,260 0,667 0,667 57,702 0,734 0,039 0,162 547,917 0,046 7 0,000 0,333 0,333 230,807 0,333 0,000 0,000 0,000 0,000 8 0,000 0,575 0,575 77,566 0,575 0,000 0,000 0,000 0,000 14 9 -0,060 0,167 0,167 923,226 0,167 0,000 0,000 6,250 0,001 10 -5,260 0,667 0,667 57,702 0,734 0,039 0,162 547,917 0,046 11 -11,800 0,667 0,667 57,702 0,838 0,099 0,416 1229,167 0,102 12 -16,550 0,667 0,667 57,702 0,935 0,155 0,650 1723,958 0,144 13 -11,800 0,667 0,667 57,702 0,838 0,099 0,416 1229,167 0,102 Fonte: Acervo próprio, 2016. 9.1.2 Tração Para a obtenção da verificação da condição de segurança à tração, foram calculados: 𝜎𝑇𝐷 ≤ 𝑓𝑐,0𝑑 𝜎𝑇𝐷 = 𝑁𝑑 𝐴 Como exemplo, para a barra 10 obteve-se: 𝜎𝑇𝐷 = 𝑁𝑡,𝑑 𝐴 𝜎𝑇𝐷 = 10,43022 0,0096 𝜎𝑇𝐷 = 1086,48 𝑘𝑃𝑎 1086,48 ≤ 12000 𝑂𝐾! Seguindo o procedimento de cálculo, obteve-se os seguintes valores para as outras barras: Tabela 3 Valores para obtenção e verificação de segurança à compressão nas barras Barra Nt,c (kN) σt,d (kN/m²) Verificação 1 15,37 1601,042 0,133 2 12,73 1326,042 0,111 3 15,35 1598,958 0,133 4 9,35 973,958 0,081 5 15,35 1598,958 0,133 6 10,43 1086,458 0,091 7 8,62 897,917 0,075 8 15,37 1601,042 0,133 9 9,35 973,958 0,081 10 10,43 1086,458 0,091 15 11 12,87 1340,625 0,112 12 12,73 1326,042 0,111 13 12,87 1340,625 0,112 Fonte: Acervo próprio, 2016. De acordo com as especificações das normas NBR 6123/2013 e NBR 7190/1997 e os valores apresentados nas tabelas acima, a madeira escolhida está em conformidade com as solicitações exigidas pela estrutura e com as condições de segurança. 16 10 REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 7190: Projeto de estruturas de madeira. Rio de Janeiro – RJ – Brasil – 1997. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 6123: Forças devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro – RJ – Brasil – 2013. SANCHES, João Carlos Machado; SANTOS, Lucas Hilleshein dos. Direção e Velocidade dos Ventos Como Parâmetros de Projetos Arquitetônicos em Sinop/MT. SHIS 2013, p. 3, Mato Grosso. Disponível em: <http://docslide.com.br/documents/direcao-e-velocidade-dos-ventos-como-parametro- de-projetos-arquitetonicos.html>. Acesso em: 10 jun. 2016.
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