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• INTRODUÇÃO •AÇÕES E SEGURANÇA DAS ESTRUTURAS •ESTADOS LIMITES UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO DEPARTAMENTO DE ESTRUTURAS •ESTADOS LIMITES •COMBINAÇÕES Profa. Dra. Rosilene de Fátima Vieira 2011 Introdução ESTRUTURA CONCRETO ARMADO ou AÇO é igual a: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 2 é igual a: Resistência dos Materiais + Estática das Estruturas Processos normatizados! MORFOLOGIA E CLASSIFICAÇÃO DAS ESTRUTURAS •Elementos lineares (Barras - uma dimensão preponderante em relação as outras): viga, arco, pilar, tirante… “Teoria de RM” ARCO VIGA ARCO PILAR Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira TIRANTE (Só aceita tração) MORFOLOGIA E CLASSIFICAÇÃO DAS ESTRUTURAS Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira •Elementos de superfície (Folhas - duas dimensões preponderantes em relação a uma): chapa (viga-parede), placa (laje) e cascas… “ Teoria das cascas, chapas ou placas” MORFOLOGIA E CLASSIFICAÇÃO DAS ESTRUTURAS Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 5 VIGA PAREDE (Altura não desprezível) PLACA CASCA Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 6 •Elementos de volume (Blocos – todas as dimensões de mesma grandeza ): bloco de fundação… “Teoria da Elasticidade” MORFOLOGIA E CLASSIFICAÇÃO DAS ESTRUTURAS Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 7 BLOCO MORFOLOGIA E CLASSIFICAÇÃO DAS ESTRUTURAS Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 8 Ações e Segurança Conceitos gerais: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 9 Ações e Segurança Projeto Estrutural: 1ª. ETAPA → Idealização do arranjo estrutural 2ª. ETAPA → Análise Estrutural 1º. Passo: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 10 1º. Passo: Determinação das Ações que atuarão na edificação! Ações e Segurança Arranjo estrutural – Piso elementar Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 11 Ações e Segurança Arranjo estrutural possível: distribuição das ações: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 12 Ações e Segurança Ação é toda influência exercida sobre um corpo capaz de produzir um estado de tensão, ou modificar o estado já existente. Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 13 Ações e Segurança Segundo a norma NBR 8681 – Ações e Segurança das Estruturas, as ações estão classificadas segundo sua variabilidade no tempo em três categorias: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 14 tempo em três categorias: •1)Ações permanentes •2)Ações variáveis •3)Ações excepcionais Ações e Segurança 1) Ações permanentes: são as que ocorrem com valores constantes ou de pequena variação em torno de sua média, durante praticamente Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 15 sua média, durante praticamente toda a vida da construção. As ações permanentes subdividem-se em: •Diretas •Indiretas Ações e Segurança Ações permanentes diretas: consideram-se como ações permanentes diretas os pesos próprios dos elementos da construção, incluindo-se o peso próprio da estrutura e de todos os elementos construtivos permanentes, os pesos dos equipamentos fixos e Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 16 permanentes, os pesos dos equipamentos fixos e empuxos devido ao peso próprio de terra não removível. Ações e Segurança Ações permanentes indiretas: consideram-se como ações permanentes indiretas os recalques de apoio, a protensão e a retração dos materiais. Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 17 dos materiais. Ações e Segurança Ações variáveis: ocorrem com valores que apresentam variações significativas em torno de sua média, durante a vida da construção. Consideram-se como ações variáveis as cargas acidentais das construções, efeitos do vento, das Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 18 acidentais das construções, efeitos do vento, das variações de temperatura, do atrito nos aparelhos de apoio e, em geral, as pressões hidrostáticas e hidrodinâmicas. Ações variáveis que atuam nas construções em função de seu uso (pessoas, mobiliário, veículos, materiais diversos, etc.) são chamadas cargas acidentais ou sobrecargas. Ações e Segurança Em função de sua probabilidade de ocorrência durante a vida da construção, as ações variáveis são classificadas em: •Normais •Especiais. Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 19 •Especiais. Ações e Segurança Ações variáveis normais: são ações variáveis com probabilidade de ocorrência suficientemente grande para que sejam obrigatoriamente consideradas no projeto das estruturas de um dado tipo de construção. Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 20 construção. Ações e Segurança Ações variáveis especiais: são ações sísmicas ou cargas acidentais de natureza ou intensidade especiais. Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 21 Ações e Segurança 3)Ações excepcionais: possuem duração extremamente curta e muito baixa probabilidade de ocorrência durante a vida da construção, mas devem ser consideradas nos projetos de determinadas estruturas. São as ações decorrentes de causas tais como explosões, choques de veículos, incêndios, enchentes ou sismos excepcionais. Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 22 veículos, incêndios, enchentes ou sismos excepcionais. Projeto Estrutural 1º. Passo → Idealização da estrutura 2º. Passo → Dimensionamento a) Ações b) Economia x Segurança Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 23 SEGURANÇA DE UMA ESTRUTURA... ...é a capacidade que a estrutura apresenta de suportar as diversas ações que vierem a solicitá-la durante a sua vida útil, preenchendo as condições funcionais para as quais foi destinada... Ações e Segurança A finalidade do cálculo é garantir uma segurança apropriada contra a ruína da estrutura e de seus elementos construtivos e assegurar a utilização normal durante sua vida útil. Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 24 Ações e Segurança Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 25 Estados Limites A segurança de uma estrutura pode ser definida como a capacidade que ela apresenta de suportar diversas ações que Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 26 apresenta de suportar diversas ações que vierem a solicitá-la durante sua vida útil, sem atingir qualquer estado limite. Estados limites: são situações tais que, ao serem ultrapassadas por uma estrutura ou por uma de suas partes, colocam esta estrutura fora de utilização normal, ou seja, são estados a partir dos quais a Estados Limites Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 27 estrutura apresenta desempenho inadequado às finalidades da construção. Os estados limites apresentam a seguinte classificação: •Estados limites últimos (ELU) •Estados limites de serviço (ELS) Estados limites últimos: estados que pela sua simples ocorrência determinam a paralisação, no todo ou em parte, do uso da construção. Correspondem ao valor máximo da capacidade de Estados Limites Últimos Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 28 Correspondem ao valor máximo da capacidade de suporte da estrutura. 1. Perda de equilíbrio, global ou parcial, admitida a estrutura como corpo rígido; 2. Ruptura ou deformação plástica excessiva dos materiais; 3. Transformação da estrutura, no todo ou em parte, Estados Limites Últimos Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 29 3. Transformação da estrutura, no todo ou em parte, em sistema hipostático; 4. Instabilidade por deformação; 5. Instabilidade dinâmica; 6. Outros, em função da peculiaridade da obra e a critério do projetista. Estados Limites de Serviço Estados limites de serviço: estados que por sua ocorrência, repetição ou duração causam efeitos estruturais que não respeitam as condições especificadas para o uso normal da construção, ou Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 30 especificadas para o uso normal da construção, ou que são indícios de comprometimentoda durabilidade da estrutura. Decorrem de critérios de utilização normal ou de durabilidade. 1. Danos ligeiros ou localizados, que comprometem o aspecto estético da construção ou a durabilidade da estrutura; 2. Deformações excessivas que afetem a utilização Estados Limites de Serviço Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 31 2. Deformações excessivas que afetem a utilização normal da construção ou seu aspecto estético; 3. Vibração excessiva ou desconfortável; Valor Característico Valor característico: é um valor associado a uma determinada probabilidade de não ser ultrapassado no sentido mais desfavorável. Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 32 sentido mais desfavorável. Ações e Segurança Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 33 Ações e Segurança Valor de cálculo: o valor de cálculo das ações, solicitações e da resistência dos materiais, são os valores a serem adotados para o cálculo no estado limite. Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 34 1)Valores característicos a) Ações permanentes: para as ações permanentes Para os Estados Limites Últimos Valores representativos das ações - ELU Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 35 a) Ações permanentes: para as ações permanentes o valor característico é o valor médio: Fk = Fm Onde: Fk → Ação característica; Fm → valor médio da ação. b) Ações variáveis: os valores característicos das ações variáveis, estabelecidos por consenso e indicados em normas específicas, correspondem a valores que tem 25% a 35% de probabilidade de serem ultrapassados no sentido desfavorável, Valores representativos das ações - ELU Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 36 serem ultrapassados no sentido desfavorável, durante um período de 50 anos. Valores representativos das ações - ELU Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 37 2)Valores característicos nominais: são utilizados para as ações que não tenham sua variabilidade adequadamente expressa por distribuições de probabilidade ou quando não há dados experimentais suficientes para estabelecer a distribuição Valores representativos das ações - ELU Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 38 experimentais suficientes para estabelecer a distribuição de probabilidade. Os valores característicos Fk são substituídos por valores nominais convenientemente escolhidos. 3)Valores reduzidos de combinação: os valores reduzidos de combinação são determinados a partir dos valores característicos pela expressão ψoFk, e são empregados quando existem ações variáveis de diferentes naturezas. Valores representativos das ações - ELU Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 39 diferentes naturezas. A probabilidade de atuação simultânea de duas ações variáveis diferentes, com seus valores característicos, é muito baixa. O dimensionamento de estruturas, considerando-se eventos dessa natureza, leva a exageros inúteis, com grande desperdício de recursos, sem que fique melhorada a qualidade real das construções. 4)Valores convencionais excepcionais: São valores arbitrados para as ações excepcionais, estes valores devem ser estabelecidos por consenso entre o proprietário da construção e as Valores representativos das ações - ELU Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 40 consenso entre o proprietário da construção e as autoridades governamentais que nela tenham interesse. Para o Estado Limite de Serviço 1)Valores reduzidos de serviço: os valores reduzidos de serviço são determinados a partir dos valores característicos pelas expressões ψ1Fk e ψ2Fk, e são empregados na verificação da segurança em relação aos estados limites de serviço. Valores representativos das ações - ELS Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 41 da segurança em relação aos estados limites de serviço. Os valores reduzidos ψ1Fk são designados por valores freqüentes e os valores reduzidos ψ2Fk por valores quase permanentes das ações variáveis. Nas estruturas de concreto, os valores ψ1Fk são empregados na verificação da segurança em relação aos estados limites de fissuração e os valores ψ2Fk em relação ao estado limite de deformações excessivas. 2)Valores raros de serviço: os valores raros de serviço quantificam as ações que podem acarretar estados limites de serviço, mesmo que atuem com duração muito curta sobre a estrutura. Valores representativos das ações - ELS Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 42 duração muito curta sobre a estrutura. Valores representativos das resistências 1)Resistência média: a resistência média, fm, é dada pela média aritmética das resistências dos elementos que compõem o lote considerado Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 43 dos elementos que compõem o lote considerado do material. 2) Resistências características: os valores característicos, fk, das resistências são os que, num lote de material, têm uma determinada probabilidade de não serem ultrapassados, no sentido mais Valores representativos das resistências Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 44 desfavorável para a segurança. Resistência característica inferior: a resistência característica inferior é admitida como sendo o valor que tem apenas 5% de probabilidade de não ser atingido pelos elementos de um dado lote de material, e é definida pela seguinte expressão: Valores representativos das resistências D e n s i d a d e d e p r o b a b i l i d a d e Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 45 RESISTÊNCIA fk 5% Valores representativos das resistências fk = fm – u (P%) σf Onde: fk→ Resistência característica; f → Valor médio da resistência; Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 46 fm→ Valor médio da resistência; u (P%) → valor correspondente à probabilidade (P%) de ocorrência (5%→ z=1,645); σf→ desvio padrão. fk = fm – 1,645 σf Valores representativos das resistências AÇO: •fyk→ Resistência característica à tração do aço; •fyck→ Resistência característica à compressão do aço; Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 47 aço; fyk = fyck Categorias: CA 25 → fyk = 25 kN/cm2 = 250MPa = 2500kgf/cm2 CA 50 → fyk = 50 kN/cm2 = 500MPa = 5000kgf/cm2 CA 60 → fyk = 60 kN/cm2 = 600MPa = 6000kgf/cm2 Valores representativos das resistências CONCRETO: •fck→ Resistência característica à compressão do concreto; Classes: C15; C20; C25; C30; C35; C40; C45; C50 Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 48 Classes: C15; C20; C25; C30; C35; C40; C45; C50 C20 → fck = 20MPa= 2kN/cm2 Valores representativos das resistências Resistência característica à tração do concreto: •fctk,inf = 0,7 fctm → fctm em MPa •fctk,sup= 1,3 fctm → fctm em MPa Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 49 •fctm= 0,3 fck2/3 → fck em MPa Onde: fctm → Resistência média à tração do concreto; fctk,inf→ Resistência característica à tração do concreto (valor inferior); fctk,sup→ Resistência característica à tração do concreto (valor superior); Valores de cálculo das ações Os valores de cálculo, Fd, das ações são obtidos a partir dos valores representativos, Fk, multiplicando- os pelos respectivos coeficientes de ponderação γf . Esses valores podem ser expressos, de forma genérica, pela expressão: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 50 genérica, pela expressão: Fd = γf . Fk Valores de cálculo das ações •Para os estados limites últimos: γf = γf1 .γf2 .γf3 Onde: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 51 Onde: γf1 → Leva em conta a variabilidade intrínseca das ações; γf2 → É o próprio ψ0 , leva em conta o fato de ser muito baixa a probabilidade de ocorrência simultânea de duas ações com seus respectivos valores característicos; γf3 → Leva em conta todas as imperfeições de execução ou de cálculo. Valores de cálculo das ações Tendo em vista as diversasações levadas em conta no projeto o índice do produto de γf1 .γf3 pode ser alterado para: γg→ Ações permanentes (Tabela 1 - NBR8681);γg→ Ações permanentes (Tabela 1 - NBR8681); γq→ Ações variáveis (Tabela 4 - NBR8681); γp→ Protensão; γε→ Efeitos de deformação imposta; Valores de cálculo das ações •Para estados limites de serviço: Os coeficientes de ponderação das ações são tomados com valor γ = 1,0, salvo exigência emtomados com valor γf = 1,0, salvo exigência em contrário expressa em norma especial. Valores de cálculo das resistências Resistência de cálculo é dada por: fd = fk / γm Onde: fk→ Resistência característica inferior; γm→ Coeficiente de ponderação das resistências. γm = γm1 .γm2 .γm3 Valores de cálculo das resistências Onde: γm1 → Leva em conta a variabilidade das resistências dos materiais envolvidos ; γm2 → Considera as diferenças entre a resistência efetiva do material da estrutura e a resistência medida Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 55 efetiva do material da estrutura e a resistência medida nos corpos de prova padronizados; γm3 → Considera as incertezas existentes na determinação das solicitações resistentes, seja em decorrência dos métodos construtivos seja em virtude do método de cálculo empregado. Valores de cálculo das resistências Coeficientes de ponderação das resistências no estado limite último (ELU) Valores de cálculo das resistências CONCRETO: •Na compressão fcd = fck / γc Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 57 Onde: fcd→ Resistência de cálculo do concreto à compressão; fck→ Resistência característica do concreto à compressão; γc→ Coeficiente de minoração do concreto; Valores de cálculo das resistências CONCRETO: •Na tração fctd = fctk / γc Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 58 Onde: fctd→ Resistência de cálculo do concreto à tração; fctk→ Resistência característica do concreto à tração; γc→ Coeficiente de minoração do concreto; Valores de cálculo das resistências Observações: 1)Para execução de peças nas quais estejam previstas condições desfavoráveis (por exemplo más condições de transporte, adensamento manual, ou concretagem deficiente por Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 59 manual, ou concretagem deficiente por concentração de armadura) o coeficiente γc deve ser multiplicado por 1,1. Para γc = 1,4→ γc = 1,4.1,1=1,54 2) Para peças pré-moldadas e pré-fabricadas ver NBR 9062. Valores de cálculo das resistências AÇO: •Na tração fyd = fyk / γs Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 60 Onde: fyd→ Resistência de cálculo do aço à tração; fyk→ Resistência característica do aço à tração; γs→ Coeficiente de minoração do aço; Valores de cálculo das resistências AÇO: •Na compressão fycd = fyck / γs Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 61 Onde: fycd→ Resistência de cálculo do aço à compressão; fyck→ Resistência característica do aço à compressão; γs→ Coeficiente de minoração do aço; Valores de cálculo das resistências Observação: 1) Admite-se, nas obras de pequena importância, o emprego do aço CA 25, sem que seja necessária a realização do controle de qualidade (estabelecido pela NBR 7480), desde que o Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 62 (estabelecido pela NBR 7480), desde que o coeficiente de segurança para o aço seja multiplicado por 1,1. Estados Limites D e n s i d a d e d e p r o b a b i l i d a d e Devido às solicitações Devido às resistências Cálculoγx f γm Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 63 Tensão Real Cálculo Real Risco real de ruínaRisco fictício de ruína Tipos de carregamento Um carregamento é definido pela combinação das ações que têm probabilidade não desprezíveis de atuarem simultaneamente sobre a estrutura, durante um período preestabelecido. Durante o período de vida da construção, podem Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 64 Durante o período de vida da construção, podem ocorrer os seguintes tipos de carregamento: • Carregamento normal; • Carregamento especial; • Carregamento excepcional; • Carregamento de construção. Combinações das ações Na verificação da segurança, em relação aos possíveis estados limites, para cada tipo de carregamento devem ser consideradas todas as combinações de ações que possam acarretar os Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 65 combinações de ações que possam acarretar os efeitos mais desfavoráveis nas seções críticas da estrutura. Combinações das ações ELU )()( ,0 2 ,11, 1 kjQj n j jqkQqkGi m i gid FFFF ψγγγ ∑∑ == ++= •Combinações últimas normais: •Combinações últimas especiais ou de construção: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 66 )()( ,,0 2 ,11, 1 kjQefj n j jqkQqkGi m i gid FFFF ψγγγ ∑∑ == ++= )()( ,,0 1 ,, 1 kjQefj n j jqexcQkGi m i gid FFFF ψγγ ∑∑ == ++= •Combinações últimas especiais ou de construção: •Combinações últimas excepcionais: Combinações das ações ELS )( ,2 11 , kjQj n j m i kGiser FFF ψ∑∑ == += •Combinações quase permanentes de serviço: •Combinações freqüentes de serviço: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 67 )( ,2 2 ,11 1 , kjQj n j kQ m i kGiser FFFF ψψ ∑∑ == ++= )( ,1 2 ,1 1 , kjQj n j kQ m i kGiser FFFF ψ∑∑ == ++= •Combinações raras de serviço: Exercício Exemplo: Combinação ultima normal Qual é a combinação mais critica? Dados: Estrutura concreto armado, edifício industrial. Ações: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 68 Ações: •Peso próprio = 80 kN •Equipamentos apoiados = 20 kN •Sobrecarga = 25 kN •Vento = 40 kN •Vento = -90 kN Exercício Ações Valor (kN) Classificação γg γq ψo Peso próprio 80 Perm. 1,4 (1,0) - - gγqγ oψ Resposta: Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 69 Equipamentos 20 Perm. 1,50 (1,0) - - Sobrecarga 25 Var. - 1,50 0,7 Vento (+) 40 Var. - 1,4 0,6 Vento (-) -90 Var. - 1,4 0,6 TABELA 1 TABELA 4 TABELA 6 NBR 8681: 2003 – Ações e segurança nas estruturas Exercício 1ª Combinação: Sobrecarga como ação variável principal Fd1 = 1,40 . 80 + 1,50 . 20 + 1,5 . 25 + 1,40 . 0,6 . 40 = 213,1 kN Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 70 2ª Combinação: Vento positivo como ação variável principal Fd2 = 1,40 . 80 +1,50 . 20 + 1,4 . 40 + 1,50 . 0,7 . 25 = 224,25 kN Exercício 3ª Combinação: Vento negativo alivia as demais ações, podendo inverter o comportamento da estrutura (usar γg relativo a efeitos favoráveis) Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 71 Fd3 = 1,0 . 80 + 1,0 . 20 + 1,40 . (-90) = -26 kN Nesse caso as combinações críticas são: Fd2 = +224,25 kN Fd3 = - 26 kN ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, Rio de Janeiro. NBR 6118: projeto de estruturas de concreto – procedimento. Rio de Janeiro, 2003, 221 p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Ações e segurança nas estruturas - NBR 8681. Rio de Janeiro, 2003. Referências Bibliográficas Profa. Dra. Rosilene de F. Vieira 72 segurança nas estruturas - NBR 8681. Rio de Janeiro, 2003. SILVA, M.C.A.T. PALERMO Jr., L. Ações, carregamentos e combinações. Universidade Estadual de Campinas, Unicamp, Campinas, 2007 ( P – GR – 601 – 700 )
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