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SISTEMAS ESTRUTURAIS III Diego da Luz Adorna Sistemas estruturais — definições de estrutura Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: � Definir sistemas estruturais e seus elementos estruturais principais. � Caracterizar as estruturas lineares e os elementos estruturais de superfície. � Reconhecer os elementos estruturais de fundações. Introdução Os sistemas estruturais são formados por elementos estruturais devida- mente interligados, de modo a formar arranjos estruturais. De acordo com Hibbeler (2013), tais arranjos têm a função de resistir aos carregamentos incidentes na estrutura e transmiti-los ao solo. De acordo com a disposição dos elementos construtivos, os sistemas estruturais podem ser planos ou espaciais. Cada sistema estrutural tem características próprias de carregamento e transmissão de esforços, e os arquitetos e engenheiros devem saber reconhecer os tipos de sistema, de modo a prever o comportamento estrutural de uma edificação. Neste capítulo, você estudará os sistemas estruturais e verá como são formados. Também lerá sobre como se comportam estruturas lineares e elementos estruturais de superfície, além de ver quais são os elementos estruturais de fundações. Sistemas estruturais As primeiras tribos humanas sobreviviam da caça, pesca e coleta de frutos, e, em função da disponibilidade de recursos para a subsistência, precisavam mudar constantemente de região. A partir da descoberta da agricultura e da pecuária, o homem pode residir em um local fixo, surgindo, assim, a neces- sidade de construção de edificações. Ao longo da história da humanidade, muitas concepções construtivas foram desenvolvidas, permitindo a construção de monumentos que perduram até os tempos atuais, como as pirâmides de Gizé e o Coliseu de Roma. Essas estruturas foram construídas por meio de técnicas empíricas, decorrentes da observação do comportamento e do arranjo dos materiais. Atualmente, existem inúmeros software de cálculo estrutural, que permi- tem a análise do comportamento de uma estrutura sob diferentes condições ambientais e a realização de simulações, auxiliando o projetista na escolha da estrutura de melhor desempenho e custo-benefício. Entre os vários software de cálculo estrutural disponíveis, destacam-se o REVIT, o TQS e o EBERICK. No link a seguir, você encontra um texto sobre os prin- cipais software utilizados na construção e na elaboração de projetos estruturais. https://qrgo.page.link/DF5gP Elementos e sistemas estruturais O objetivo do cálculo estrutural é dimensionar os elementos estruturais que formam uma estrutura, de modo a garantir que ela resista aos carregamentos decorrentes da edificação e do meio ambiente. Ao conjunto de elementos estruturais que formam uma estrutura é dado o nome de sistema estrutural. Sistemas estruturais — definições de estrutura2 Santos (2017) define sistema estrutural como um conjunto de elementos interco- nectados cuja função é suportar os carregamentos incidentes sobre a estrutura e transmiti-los, de forma segura, para o solo. Os sistemas estruturais podem ser formados por elementos lineares, ele- mentos de superfície ou elementos de volume. A NBR 6118, de 26 de abril de 2014, da Associação Brasileira de Normas Técnicas (2014), define esses três tipos de elementos estruturais da seguinte maneira: � Elementos lineares: consistem em elementos unidimensionais, cujo comprimento longitudinal é, pelo menos, três vezes superior às dimen- sões da seção transversal. Os principais tipos de elementos lineares são: os tirantes, que consistem em elementos submetidos à tração axial; as colunas, que consistem em elementos submetidos à compressão axial; e as vigas, que consistem em elementos submetidos à flexão transversal e cisalhamento. � Elementos de superfície: consistem em elementos bidimensionais, cuja espessura é relativamente pequena, quando comparada as outras duas dimensões. Os principais tipos de elementos de superfície são as placas, as chapas e as cascas. As placas são elementos submetidos a carregamentos perpendiculares ao plano principal, como, por exemplo, as lajes. As chapas são elementos submetidos a carregamentos paralelos ao plano principal, como, por exemplo, as vigas-parede. As cascas, por fim, são elementos de superfície curvos, submetidos a carregamentos perpendiculares e dimensionados de modo a sofrer apenas esforços de compressão axial. Podem ser muito flexíveis, assumindo a forma de tendas (HIBBELER, 2013). � Elementos de volume: consistem em elementos tridimensionais, que possuem as três dimensões equivalentes. O principal tipo de elemento estrutural de volume é o bloco, utilizado, normalmente, na construção de fundações. 3Sistemas estruturais — definições de estrutura Sistemas estruturais planos e espaciais O comportamento de uma estrutura está condicionado ao arranjo espacial dos seus componentes. A disposição dos elementos estruturais governa a forma de carregamento e de transmissão dos esforços. Os sistemas estruturais podem, portanto, ser classificados de acordo com o seu arranjo espacial e a consequente forma de absorção e transmissão de esforços. Do ponto de vista do arranjo espacial, os sistemas estruturas podem ser classificados em sistemas estruturais planos e sistemas estruturais espaciais. No sistema estrutural plano, representado na Figura 1a, os elementos estru- turais são dispostos de maneira a formar um único plano, vertical, horizontal ou inclinado, de modo que os carregamentos estejam distribuídos em duas direções. No sistema estrutural espacial, representado na Figura 1b, os elementos estruturais são dispostos nos três planos do espaço, formando elementos tridimensionais. Neste tipo de estrutura, o carregamento pode estar disposto em qualquer direção. Figura 1. (a) Pórtico plano e (b) pórtico espacial. Fonte: Adaptada de Kimura (2007, p. 121-122). Sistemas estruturais — definições de estrutura4 Os elementos estruturais absorvem os carregamentos incidentes na estrutura e os transferem até o solo por meio dos elementos de fundação. Arquitetos e engenheiros devem, portanto, compreender a importância do arranjo espacial dos elementos estruturais, de modo a idealizar estruturas que permitam a transferência de cargas de forma segura e eficiente. Os software de cálculo estrutural auxiliam no projeto, contudo não idealizam a estrutura por conta própria. Essa responsabilidade é do projetista. Estruturas lineares e elementos de superfície Estruturas lineares Estruturas lineares são formadas, de acordo com Hibbeler (2013), em decorrên- cia da associação de elementos unidimensionais, ou seja, a partir da interação entre tirantes, colunas e vigas. A disposição dos elementos rege a forma com que os carregamentos serão aplicados e como os esforços serão transmitidos, definindo o comportamento da estrutura. As principais estruturas lineares são: vigas Gerber, pórticos, treliças, grelhas, cabos e arcos. A seguir, serão apresentadas as características com- portamentais desses sistemas estruturais. 5Sistemas estruturais — definições de estrutura Vigas Gerber As vigas Gerber, assim denominadas em homenagem ao engenheiro alemão Heinrich Gerber (1822–1912), são sistemas estruturais formados pela associação sucessiva de vigas (SORIANO, 2010). Neste tipo de estrutura, vigas não estáveis são apoiadas em vigas estáveis, como pode ser visto na Figura 2, por meio de apoios denominados dentes Gerber. São muito utilizadas na construção de estruturas pré-fabricadas, como galpões industriais e pontes. Assim como as vigas comuns, as vigas Gerber estão submetidas a carregamentos transversais, estando, portanto, submetidas a esforços de flexão transversal e cisalhamento. Figura 2. Viga Gerber em ponte. Fonte: Frederico Fazzini/Shutterstock.com. Sistemas estruturais — definições de estrutura6 Pórticos Os pórticos são estruturas rígidas formadas pela associação de vigas epilares. Os elementos construtivos podem ser retos, curvos ou inclinados, e o sistema estrutural pode ser plano ou espacial, conforme observado anteriormente, na Figura 1. As vigas, submetidas a carregamentos transversais, transmitem esforços de flexão e compressão para os pilares, que, por sua vez, os transmitem para os elementos de fundação. Os pórticos podem ser submetidos, ainda, a carregamentos horizontais, decorrentes de efeitos de segunda ordem e vento. Eles são utilizados em estruturas corriqueiras de concreto armado ou aço, conforme observado na Figura 3. Figura 3. Pórtico em estrutura de concreto armado. Fonte: Dmitrii Iarusov/Shutterstock.com. 7Sistemas estruturais — definições de estrutura Treliças As treliças são estruturas formadas por elementos lineares interligados entre si pelas extremidades, dispostos, normalmente, em padrões triangulares. De acordo com Leet, Uang e Gilbert (2010), os carregamentos são aplicados, obrigatoriamente, nos pontos de conexão entre barras retas, denominados nós. Desse modo, a estrutura fica submetida, unicamente, a esforços de tração e compressão axiais. Assim como os pórticos, as treliças podem ser planas ou espaciais, conforme a disposição espacial dos elementos lineares. Veja, na Figura 4, um exemplo de treliça espacial, utilizado na construção de uma estrutura de ponte. Figura 4. Treliça utilizada em estrutura de ponte. Fonte: Takaeshiro/Shutterstock.com. Sistemas estruturais — definições de estrutura8 Grelhas As grelhas são estruturas compostas por vigas, dispostas de modo a formar uma malha ao longo do plano horizontal. Os elementos lineares podem ser retos ou curvos, e a ligação entre eles pode ser rígida ou articulada, de acordo com Salles et al. (2015). As vigas são elementos submetidos a carregamentos transversais, portanto transmitem esforços internos de cisalhamento e de flexão transversal. Em função do arranjo espacial da estrutura, isso acarreta a transmissão de esforços de torção entre os elementos lineares, conforme indicado na Figura 5. Figura 5. Deformações e esforços internos em uma barra de grelha. Fonte: Kimura (2007, p. 118). 9Sistemas estruturais — definições de estrutura Cabos Os cabos são elementos estruturais formados por cordoalhas de fio de aço ou por barras rígidas de aço, associadas de modo a se comportarem como uma cordoalha. São elementos submetidos a carregamentos transversais distribu- ídos ou concentrados, transmitindo, contudo, apenas esforços de tração axial. O formato que os cabos assumem depende do caminho que as forças percorrem até atingir os apoios, e esse caminho é denominado funicular (REBELLO, 2000). Os cabos são muito utilizados na construção de pontes suspensas do tipo pênsil ou estaiada, como a mostrada na Figura 6. Figura 6. Cabos de suspensão em ponte estaiada. Fonte: Christine Bird/Shutterstock.com. Sistemas estruturais — definições de estrutura10 Arcos Os arcos são elementos rígidos submetidos a carregamentos transversais. O formato dos arcos é semelhante ao funicular dos cabos, porém seu sentido é inverso e está submetido apenas a esforços axiais de compressão, de acordo com Rebello (2000). Os arcos foram estruturas muito utilizadas pelos romanos na construção de aquedutos e do Coliseu de Roma, em função da estabilidade que conferem à estrutura. Hoje, os arcos são utilizados, principalmente, na construção de pontes, como a apresentada na Figura 7. Figura 7. Ponte construída com estrutura em arco. Fonte: Veerababu Achanta/Shutterstock.com. 11Sistemas estruturais — definições de estrutura Elementos de superfície Os elementos de superfície são aqueles que possuem uma dimensão, normal- mente denominada espessura, muito inferior às outras duas dimensões, que formam um plano. Podem ser construídos com materiais rígidos, como concreto e aço, ou com materiais flexíveis, como tecidos e lonas. Os principais tipos de estruturas de superfície são: as placas, as chapas e as cascas. Placas As placas são elementos de superfície, normalmente horizontais, cujo car- regamento se dá de maneira perpendicular ao plano, como apresentado na Figura 8. Portanto, as placas são estruturas submetidas a esforços de flexão transversal e cisalhamento, de maneira semelhante às vigas; contudo esses esforços se distribuem em toda a área do plano, diferentemente das vigas, cuja distribuição dos esforços é linear. Figura 8. Carregamentos incidentes sobre uma placa. Fonte: Salles et al. (2005, p. 11). Sistemas estruturais — definições de estrutura12 Chapas As chapas são elementos de superfície semelhantes às placas, ou seja, com a espessura muito inferior às outras duas dimensões, que formam um plano. Contudo, nas chapas, o carregamento incide paralelamente ao plano, con- forme mostrado na Figura 9. As chapas são elementos submetidos a esforços transversais de flexão e cisalhamento. A principal utilização das chapas é na construção de reservatórios constituídos por vigas-parede. Figura 9. Carregamentos incidentes sobre uma chapa do tipo viga-parede. Fonte: Salles et al. (2005, p. 11). 13Sistemas estruturais — definições de estrutura Cascas As cascas são elementos superficiais carregados transversalmente. Os carre- gamentos aplicados às cascas resultam em esforços internos de compressão, que atuam no plano do elemento (LEET; UANG; GILBERT, 2010). Podem ser construídas com materiais rígidos ou com materiais flexíveis, dando origem a uma categoria de estrutura denominada estrutura tipo membrana, na qual tecidos ou lonas tensionadas são dispostas na forma de uma casca em curva, como você pode ver Figura 10. Figura 10. Elemento de superfície em casca em estrutura do tipo membrana. Fonte: francesco cepolina/Shutterstock.com. Elementos estruturais de fundações As fundações são sistemas estruturais cuja função é transmitir, de forma segura, os esforços provenientes do carregamento incidente na estrutura para o solo. As fundações, de acordo com a forma de transmissão das cargas para o solo, podem ser classificadas em: Sistemas estruturais — definições de estrutura14 � Fundações superficiais: também denominadas fundações diretas ou rasas, transmitem os esforços provenientes da estrutura diretamente para o solo em contato com a fundação (REBELLO, 2008). A transmissão de cargas é realizada pela base do elemento de fundação. � Fundações profundas: também denominadas fundações indiretas, de acordo com Rebello (2008), transmitem os esforços provenientes da estrutura indiretamente para o solo, por meio de estacas de grande comprimento, de modo a atingir camadas mais profundas e resistentes do solo. A transmissão da carga é realizada por meio do atrito da lateral da estaca de fundação e pela ponta da estaca. Assim como os demais sistemas estruturais, o comportamento das funda- ções depende do tipo de elemento estrutural utilizado na sua concepção. Entre os diversos tipos de fundação, merecem especial destaque, do ponto de vista do arranjo espacial, os radiers, os blocos e sapatas e as estacas. Radier A fundação superficial do tipo radier consiste em uma laje apoiada sobre o solo, que transmite, por meio de sua base, os carregamentos provenientes da edificação para o solo. O radier é um elemento de superfície do tipo placa, como você pode ver na Figura 11. Os carregamentos são transmitidos per- pendicularmente ao plano, gerando esforços internos de flexão e compressão, que são transmitidos ao solo. Figura 11. Fundação do tipo radier. Fonte: LALS STOCK/Shutterstock.com. 15Sistemas estruturais — definições de estrutura Blocos e sapatas Os blocos e as sapatas são fundações do tipo superficial, ou seja, transmitem as cargas para o solo através da sua base. Os blocos são utilizados também como ancoragem entre os pilares e as estacas de fundação. Blocos e sapatas consistem em elementos de volume, pois têm todas as dimensões equivalentes, conforme observado na Figura 12. São submetidos a carregamos concentrados de compressãoe a momentos de flexão, provenientes dos pilares da estrutura, transmitindo esses esforços ao solo. Figura 12. Bloco de fundação. Fonte: Worakit Sirijinda/Shutterstock.com. Sistemas estruturais — definições de estrutura16 Estacas As estacas são fundações profundas. São classificadas como elementos line- ares, visto que apresentam comprimento muito superior à seção transversal. As estacas recebem os carregamentos transmitidos pela estrutura por meio do bloco de coroamento e as transmitem ao solo por meio da ponta inferior e do atrito lateral (SANTOS, 2017). Existem diversos tipos de estacas, cada um com suas vantagens e desvantagens, sendo responsabilidade do projetista identificar qual o tipo ideal de estaca a ser utilizado no projeto. Na Figura 13, são apresentadas estacas de concreto cravadas no solo. Figura 13. Estacas de concreto cravadas no solo. Fonte: minorva52/Shutterstock.com. Os sistemas estruturais apresentam características e comportamentos próprios, decorrentes do arranjo espacial e do tipo de elementos estruturais utilizados na sua concepção. Arquitetos e engenheiros devem reconhecer os aspectos referentes a cada tipo de sistema estrutural, de modo a conceber estruturas com as características necessárias para garantir segurança, fun- cionalidade e economicidade para a obra. 17Sistemas estruturais — definições de estrutura Os links para sites da Web fornecidos neste capítulo foram todos testados, e seu fun- cionamento foi comprovado no momento da publicação do material. 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. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: projeto de estruturas de concreto: procedimento. Rio de Janeiro: ABNT, 2014. HIBBELER, R. C. Análise das estruturas. 8. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2013. KIMURA, A. Informática aplicada em estruturas de concreto armado: cálculos de edifícios com o uso de sistemas computacionais. São Paulo: PINI, 2007. LEET, K. M.; UANG, C. H.; GILBERT, A. M. Fundamentos da análise estrutural. 3. ed. Porto Alegre: AMGH, 2010. REBELLO, Y. C. P. A concepção estrutural e a arquitetura. São Paulo: Zigurate, 2000. REBELLO, Y. C. P. Fundações: guia prático de projeto, execução e dimensionamento. 3. ed. São Paulo: Zigurate, 2008. SALLES, J. J. et al. Sistemas estruturais: teoria e exemplos.São Carlos: EESC-USP, 2005. SANTOS, J. S. Desconstruindo o projeto estrutural de edifícios: concreto armado e proten- dido. São Paulo: Oficina de Textos, 2017. SORIANO, H. L. Estática das estruturas. 2. ed. Rio de Janeiro: Ciência Moderna, 2010. Sistemas estruturais — definições de estrutura18
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