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Ações e Análise de Estruturas MÉTODO DOS ESTADOS LIMITES Professor: Mateus Zimmer Dietrich Fonte: https://www.edilportale.com 1- Informações Básicas; 2- Método dos Estados Limites: Estado Limite Último; Estado Limite de Serviço; Combinações Últimas; Combinações de Serviço. Conteúdo (I) AÇÕES PERMANENTES E VARIÁVEIS As ações permanentes podem ser determinadas a partir dos pesos específicos dos materiais de construção. A ABNT NBR 6120:2019 fornece, para os casos em que não houver determinação experimental, valores de muitos materiais constantemente utilizados (Tabela 1 da norma). 1- Informações Básicas (I) AÇÕES PERMANENTES E VARIÁVEIS Entre as ações variáveis, as mais comuns são as de sobrecargas nos pisos e coberturas das edificações, referentes a pessoas, móveis, utensílios e veículos. Supõe-se que as sobrecargas sejam uniformemente distribuídas e seus valores mínimos são previstos pela ABNT NBR 6120:2019, para algumas situações usuais. 1- Informações Básicas (I) AÇÕES PERMANENTES E VARIÁVEIS A ABNT NBR 8800:2008, anexo B, também fornece prescrições em relação às ações variáveis, estabelecendo, por exemplo, que: • Nas coberturas comuns, não sujeitas a acúmulos de quaisquer materiais, deve-se prever uma sobrecarga mínima de 0,25 kN/m2, valor que pode englobar as cargas decorrentes de instalações elétricas e hidráulicas, de isolamentos térmico e acústico e de pequenas peças fixadas na cobertura, até o limite de 0,05 kN/m2; 1- Informações Básicas (I) AÇÕES PERMANENTES E VARIÁVEIS • Em lajes, na fase de construção, deve-se prever uma sobrecarga mínima de 1 kN/m2; • Em pisos, coberturas e outros, deve-se considerar, não cumulativamente com as demais ações variáveis, uma força concentrada aplicada na posição mais desfavorável, de intensidade compatível com o uso da edificação (a ABNT NBR 6120:2019 prescreve o valor de 1 kN para ripas, terças e banzo superior de treliças, e de 2,5 kN para degraus isolados em balanços ou biapoiados de escadas, valor que não deve ser considerado na composição das ações que atuam nas vigas que suportam os degraus); 1- Informações Básicas (I) AÇÕES PERMANENTES E VARIÁVEIS • A ação aplicada apenas a uma parte da estrutura ou da barra, se o efeito assim produzido for mais desfavorável que o resultante da aplicação da ação sobre toda a estrutura ou toda a barra. 1- Informações Básicas Exemplo: viga contínua com dois tramos de comprimentos iguais a L, a sobrecarga uniformemente distribuída q atuante em apenas um dos tramos provoca momento fletor positivo máximo cerca de 37% maior nesse tramo que a sobrecarga aplicada simultaneamente nos dois tramos. (II) SIGNIFICADO DOS VALORES DAS AÇÕES Os valores das ações, fornecidos por normas e especificações, são , de modo geral, característicos. O valor característico é definido assim: Permanente (AG,k): é o valor médio, que difere muito pouco do máximo; 1- Informações Básicas (II) SIGNIFICADO DOS VALORES DAS AÇÕES Variáveis (AQ,k): valor que tem entre 25% e 35% de probabilidade de ser ultrapassado durante a vida útil da edificação. 1- Informações Básicas (II) SIGNIFICADO DOS VALORES DAS AÇÕES Nas ações variáveis, definem-se ainda: Valor frequente (AQ,fr=y1AQ,k): valor que se repete por volta de 10 5 vezes na vida útil da estrutura; Valor quase permanente (AQ,qp=y2AQ,k): o que pode ocorrer por um tempo da ordem da metade da vida útil da estrutura. 1- Informações Básicas 2- Método dos Estados Limites 𝝈𝑹 = 𝑭𝑹 𝑨 RESISTÊNCIA ≥ SOLICITAÇÃO 𝑅 ≥ 𝑆 𝑅 2 ≥ 𝑆 𝑅 ≥ 1,5 ∙ 𝑆 ? ? ? COMO PONDERAR RESISTÊNCIA E SOLICITAÇÕES PARA GARANTIR A SEGURANÇA? 2- Método dos Estados Limites 2- Método dos Estados Limites 2- Método dos Estados Limites 2- Método dos Estados Limites 𝑦 = 1 𝝈 2𝜋 𝑒 − 𝑥−𝝁 2 2𝝈2 𝜇: MÉDIA 𝜎: DESVIO PADRÃO 𝝁𝟏 < 𝝁𝟐 𝝈𝟏 > 𝝈𝟐 2- Método dos Estados Limites PROBABILIDADE ~ ÁREA 2- Método dos Estados Limites Probabilidade do valor ser inferior a Fi 2- Método dos Estados Limites Probabilidade do valor ser inferior a Fj 2- Método dos Estados Limites PROBABILIDADE ~ ÁREA P(Fi) > P(Fj) 2- Método dos Estados Limites 2- Método dos Estados Limites 2- Método dos Estados Limites 2- Método dos Estados Limites OBJETIVO: DIMENSIONAR A ESTRUTURA DE FORMA A AFASTAR AS CURVAS DE SOLICITAÇÃO E RESISTÊNCIA 𝑹 𝜸𝑹 ≥ 𝜸𝑺 ∙ 𝑺 𝛾: COEFICIENTES DE PONDERAÇÃO SEGURANÇA 2- Método dos Estados Limites 𝑅𝑑: RESISTÊNCIA DE CÁLCULO 𝑆𝑑: SOLICITAÇÃO DE CÁLCULO ÍNDICE 𝑑 → “DE CÁLCULO” (design) 𝑹𝒅 ≥ 𝑺𝒅 𝜽 𝑹𝒅, 𝑺𝒅 ≥ 𝟎 ou... ABNT NBR 8681 (2004) Ações e segurança nas estruturas - Procedimento Portanto é necessário determinar: • Ações de cálculo; • Resistências de cálculo; • Coeficientes (ponderação e redução); 2- Método dos Estados Limites SEGURANÇA OBJETIVO: EVITAR A FALHA. COMO SE DEFINE “FALHA”? 2- Método dos Estados Limites ESTÉTICA, DURABILIDADE, CONFORTO RUPTURA, DESEQUILÍBRIO, HIPOSTATICIDADE ESTADO LIMITE DE SERVIÇO (ELS) ESTADO LIMITE DE ÚLTIMO (ELU) 2- Método dos Estados Limites OBJETIVO DO DIMENSIONAMENTO: SEGURANÇA SEGURANÇA: EVITAR OCORRÊNCIA DE ELU & ELS ABORDAGEM: PONDERAÇÃO DAS SOLICITAÇÕES E DAS RESISTÊNCIAS PROBLEMA: NATUREZA PROBABILÍSTICA (INCERTEZA) Resumo: 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES 𝑆𝑘: VALOR CARACTERÍSTICO DA SOLICITAÇÃO 𝑆𝑑: VALOR DE CÁLCULO DA SOLICITAÇÃO 𝑅𝑘: VALOR CARACTERÍSTICO DA RESISTÊNCIA 𝑅𝑑: VALOR DE CÁLCULO DA RESISTÊNCIA 𝑺𝒌 → 𝑷 𝑺𝒌 = ? 𝑹𝒌 → 𝑷 𝑹𝒌 = 5% P (Sk) Rk P (Rk) Sk 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES 𝑷 → 𝑴,𝑽,𝑵,… DE ONDE VEM A CARGA P? ? 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES AÇÕES: Peso Próprio Equipamentos fixos Empuxos de Terra Protensão Recalques Vento Pessoas Mobília Temperatura Empuxos de Água Explosões Incêndios Sismos VARIÁVEIS (Q) EXCEPCIONAIS (E) classificação quanto à variabilidade: 𝝈𝑮 ↓ ∴ 𝜸𝑮 ↓ 𝝈𝑸 ↑ ∴ 𝜸𝑸 ↑ Não serão estudadas nesta disciplina. PERMANENTES (G) INDIRETAS 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES COMO SOMAR AS AÇÕES PARA OBTER AS SOLICITAÇÕES DE CÁLCULO? ? 𝑭𝒅 = 𝑭𝑮 + 𝑭𝑸 PERMANENTES (G) VARIÁVEIS (Q) Ações: 𝑭𝒅 = 𝑭𝑮,𝒌 + 𝑭𝑸,𝒌 ? 𝑭𝒅 = 𝜸𝑮𝑭𝑮,𝒌 + 𝜸𝑸𝑭𝑸,𝒌 ? 𝑭𝒅 = 𝜸𝒈𝒊 ∙ 𝑭𝑮𝒊,𝒌 𝒎 𝒊=𝟏 + 𝜸𝒒𝒋 ∙ 𝑭𝑸𝒋,𝒌 𝒏 𝒋=𝟏 ? 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES COMO SOMAR AS AÇÕES PARA OBTER AS SOLICITAÇÕES DE CÁLCULO? PERMANENTES (G) VARIÁVEIS (Q) Ações: 𝑭𝒅 = 𝜸𝒈𝒊𝑭𝑮𝒊,𝒌 𝒎 𝒊=𝟏 + 𝜸𝒒𝟏𝝍𝒑𝑭𝑸𝟏,𝒌 + 𝜸𝒒𝒋𝝍𝒂𝑭𝑸𝒋,𝒌 𝒏 𝒋=𝟐 FÓRMULA BÁSICA PARA COMBINAÇÃO DE CARGAS: 𝜸: COEFICIENTE DE PONDERAÇÃO 𝝍: FATORES DE REDUÇÃO E COMBINAÇÃO 𝑭𝒌: VALOR CARACTERÍSTICO DA AÇÃO 𝑭𝒅: VALOR DE CÁLCULO 𝝍𝑝: PRINCIPAL 𝝍𝑎: DE ACOMPANHAMENTO 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES COMO SOMAR AS AÇÕES PARA OBTER AS SOLICITAÇÕES DE CÁLCULO? PERMANENTES (G) VARIÁVEIS (Q) Ações: Caso atuem na estrutura mais de uma ação variável, é bastante improvável que todas elas estejam com valor igual ou superior ao característico ao mesmo tempo, durante o período de vida útil da edificação. 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES 𝐶1: 𝐴𝐺,𝑘 + 𝐴𝑄,𝑠𝑐,𝑘 + 𝐴𝑄,𝑣𝑒,𝑟𝑒𝑑 𝐶2: 𝐴𝐺,𝑘 + 𝐴𝑄,𝑣𝑒,𝑘 + 𝐴𝑄,𝑠𝑐,𝑟𝑒𝑑 { 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES 𝑭𝒅 = 𝜸𝒈𝒊𝑭𝑮𝒊,𝒌 𝒎 𝒊=𝟏 + 𝜸𝒒𝟏𝝍𝒑𝑭𝑸𝟏,𝒌 + 𝜸𝒒𝒋𝝍𝒂𝑭𝑸𝒋,𝒌 𝒏 𝒋=𝟐 FÓRMULA BÁSICA PARA COMBINAÇÃO DE CARGAS: 𝜸: COEFICIENTE DE PONDERAÇÃO 𝝍: FATORES DE REDUÇÃO E COMBINAÇÃO 𝑭𝒌: VALOR CARACTERÍSTICO DA AÇÃO 𝑭𝒅: VALOR DE CÁLCULO 𝝍𝑝: PRINCIPAL 𝝍𝑎: DE ACOMPANHAMENTO(ELU) NORMAIS ESPECIAIS DE CONSTRUÇÃO EXCEPCIONAIS (ELS) QUASE PERMANENTES FREQUENTES RARAS 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES (ELU) NORMAIS 𝐹𝑑 = 𝛾𝑔𝑖𝐹𝐺𝑖,𝑘 𝑚 𝑖=1 + 𝛾𝑞1𝐹𝑄1,𝑘 + 𝛾𝑞𝑗𝜓0𝑗𝐹𝑄𝑗,𝑘 𝑛 𝑗=2 ESPECIAIS OU DE CONSTRUÇÃO EXCEPCIONAIS 𝐹𝑑 = 𝛾𝑔𝑖𝐹𝐺𝑖,𝑘 𝑚 𝑖=1 + 𝛾𝑞1𝐹𝑄1,𝑘 + 𝛾𝑞𝑗𝜓0𝑗,𝑒𝑓𝐹𝑄𝑗,𝑘 𝑛 𝑗=2 𝐹𝑑 = 𝛾𝑔𝑖𝐹𝐺𝑖,𝑘 𝑚 𝑖=1 + 𝐹𝑄,𝑒𝑥𝑐 + 𝛾𝑞𝑗𝜓0𝑗,𝑒𝑓𝐹𝑄𝑗,𝑘 𝑛 𝑗=1 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES (ELS) QUASE PERMANENTE FREQUENTES RARAS 𝐹𝑑 = 𝐹𝐺𝑖,𝑘 𝑚 𝑖=1 + 𝜓2𝑗𝐹𝑄𝑗,𝑘 𝑛 𝑗=1 𝐹𝑑 = 𝐹𝐺𝑖,𝑘 𝑚 𝑖=1 + 𝜓1𝐹𝑄1,𝑘 + 𝜓2𝑗𝐹𝑄𝑗,𝑘 𝑛 𝑗=2 𝐹𝑑 = 𝐹𝐺𝑖,𝑘 𝑚 𝑖=1 + 𝐹𝑄1,𝑘 + 𝜓1𝑗𝐹𝑄𝑗,𝑘 𝑛 𝑗=2 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES COMO OBTER OS COEFICIENTES DE PONDERAÇÃO (𝛾) E DE REDUÇÃO (𝜓)? ESTRUTURAS DE AÇO → ABNT NBR 8800:2008 Tabela 1, Tabela 2 𝝍0 > 𝝍1 > 𝝍2 𝝍 < 1 𝜸 ≥ 1 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES COMO OBTER OS COEFICIENTES DE PONDERAÇÃO (𝛾) E DE REDUÇÃO (𝜓)? a Os valores entre parênteses correspondem aos coeficientes para as ações permanentes favoráveis à segurança; ações variáveis e excepcionais favoráveis à segurança não devem ser incluídas nas combinações. 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES COMO OBTER OS COEFICIENTES DE PONDERAÇÃO (𝛾) E DE REDUÇÃO (𝜓)? 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES DETALHES IMPORTANTES A RESPEITO DE COMBINAÇÕES DE CARGA: AÇÃO FAVORÁVEL vs. AÇÃO DESFAVORÁVEL AÇÃO DO VENTO Atenção na escolha dos coeficientes de ponderação. Deve haver no máximo uma hipótese de vento em cada combinação de carga. 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES DETALHES IMPORTANTES A RESPEITO DE COMBINAÇÕES DE CARGA: AÇÃO VARIÁVEL PRINCIPAL & AÇÕES VARIÁVEIS SECUNDÁRIAS 𝑭𝒅 = 𝑭𝑮𝒊,𝒌 𝒎 𝒊=𝟏 + 𝑭𝑸𝟏,𝒌 + 𝝍𝟏𝒋𝑭𝑸𝒋,𝒌 𝒏 𝒋=𝟐 Gerar n combinações de forma que em cada uma seja escolhida uma ação principal distinta. 2- Método dos Estados Limites RESISTÊNCIAS SOLICITAÇÕES 𝒇𝒅 = 𝒇𝒌 𝜸 ESTRUTURAS DE AÇO → ABNT NBR 8800:2008 Tabela 3 valores dos coeficientes de ponderação: 2- Método dos Estados Limites Terças e travessas de fechamento: DESLOCAMENTOS MÁXIMOS Fonte: Fakury et al (2016) 2- Método dos Estados Limites Vigas de piso e cobertura: DESLOCAMENTOS MÁXIMOS Fonte: Fakury et al (2016) 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: 1) Na treliça de cobertura, pertencente a uma edificação de uso comercial, atuam as ações indicadas (em valores característicos) originadas de: • Peso próprio de estrutura; • Sobrecarga; • Equipamento móvel (ora solicita a treliça, ora não); • Vento com sentido de A para C. Os esforços solicitantes nas barras para as respectivas ações estão disponíveis em tabela, assim como o deslocamento vertical verificado no nó F. Sendo assim, pede-se: a) Os esforços axiais solicitantes de cálculo de tração e compressão máximas em todas as barras, para uso normal da estrutura; b) Verificação do estado-limite de serviço para combinações frequentes. 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: Sobrecarga (N sc,k ) Equipamento (N eq,k ) Vento (N ve,k ) AD -33.56 -67.11 -67.11 95.00 DB -22.37 -44.74 -67.11 65.00 BE -22.37 -44.74 -67.11 70.00 EC -33.56 -67.11 -67.11 84.99 AF 30.00 60.00 60.00 -93.87 FC 30.00 60.00 60.00 -71.54 BF 10.00 20.00 60.00 -33.53 DF -11.19 -22.37 0.00 50.00 FE -11.19 -22.37 0.00 25.00 1 O sinal (-) indica força axial de compresão. Carga permanente (N cp,k ) Ações variáveis Forças axiais causadas pelas ações características (kN) 1 Barra 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: Sobrecarga (N sc,k ) Equipamento (N eq,k ) Vento (N ve,k ) F 0.8(1) 1.6(1) 2(1) 1.8(2) (1) Sentido de cima para baixo (2)Sentido de baixo para cima Nó Deslocamento vertical medido no nó F (cm) Carga permanente (N cp,k ) Ações variáveis 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: 2) O piso mostrado a seguir, pertencente a um edifício industrial, é constituído pelas vigas V1, V2 e V3, todas birrotuladas, sobrepostas por uma laje de concreto armado maciça, moldada no local, sem revestimento, de 10 cm de espessura. Sobre o piso atua uma sobrecarga de 6 kN/m2, além de uma carga devida a um equipamento móvel, que eventualmente passa pelo piso, igual a 14 kN/m2. Sabendo disso, determine: a) As combinações de ações possíveis para uso normal da estrutura; b) Momentos fletores solicitantes de cálculo máximos das vigas V1 e V2; c) Os deslocamentos máximos das vigas V1 e V2. Não há pesos ou equipamentos que permaneçam fixos por longos períodos de tempo, nem elevadas concentrações de pessoas. 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: 3) A partir dos dados do exercício anterior, determine o momento fletor máximo de cálculo da viga V2 para as seguintes situações: a) Combinações normais, com ações agrupadas; b) Combinações de construção, com ações agrupadas. Considerar que nessa etapa deve-se considerar uma sobrecarga de construção igual a 1,0 kN/m², lembrando que não haverá equipamento móvel passando pelo piso. 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: 4) A partir do exercício para entrega (galpão de uma água), proposto na Aula PEA001- Parte02, escolheu-se uma terça de fechamento lateral e um pórtico interno 1, para vento a 0°, conforme mostra a planta abaixo. 2- Método dos Estados Limites Exercício de Aplicação: 4) Determine: (a) os momentos fletores máximos solicitantes de cálculo, para a terça; e (b) as combinações possíveis para o pórtico PI-1. Considere o uso normal da estrutura. Dados: • Telha trapezoidal simples, TR40, com massa superficial de 4,2 kg/m²; • Elementos do pórtico: viga treliçada com 39,0 kg/m e pilar com perfil laminado W200x35,1; • Peso permanente das terças e agulhas igual a 7,0 kg/m²; • Distância entre linhas de terças do fechamento lateral igual a 1500 mm; • Vão das terças de fechamento lateral igual a 5,0 m; • Sobrecarga na cobertura igual a 0,25 kN/m²; • Pressão dinâmica do vento (q) igual a 295,3 N/m². ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios. Rio de Janeiro, 2008. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 8681: Ações e segurança nas estruturas - procedimento. Rio de Janeiro, 2004. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 6120: Ações para o cálculo de estruturas de edificações. Rio de Janeiro, 2019. FAKURY, R.H., CASTRO E SILVA, A.L.R., CALDAS, R.B. Dimensionamento de elementos estruturais de aço e mistos de aço e concreto. São Paulo: Pearson, 2016. DREHMER, G.A., JÚNIOR, E.M., PRAVIA, Z,M,C. Galpões para usos gerais. 4. ed. Centro Brasileiro da Construção em Aço. Rio de Janeiro, 2018. 3- Referências 4- Exercícios Exercício para entrega (1): A partir do exercício de aplicação resolvido na aula PEA001-Parte02 (galpão de duas águas), escolhe-se uma terça de cobertura, mostrada na planta baixa a seguir, para a qual deve-se determinar: (a) as combinações possíveis para o uso normal da estrutura; e (b) os respectivos esforços máximos de cálculo, para os eixos x e y. Dados: • Analisar apenas a situação para o vento a 0°; • Distância entre terças igual a 1625 mm; • Peso próprio da telha termoacústica igual a 0,10 kN/m²; • Peso próprio da terça, sabendo que se trata de um perfilUe 200x75x25x2,65 mm; • Força concentrada na posição mais desfavorável igual a 1 kN; • Sobrecarga de utilização nas coberturas igual a 0,25 kN/m². 4- Exercícios Exercício para entrega (1): 4- Exercícios Exercício para entrega (1): 4- Exercícios Exercício para entrega (2): A partir do exercício de aplicação resolvido na aula PEA001-Parte02 (galpão de duas águas), escolhe-se um pórtico interno, para o qual deve-se determinar as combinações possíveis para o uso normal da estrutura. Dados: • Vento a 0° (carga dinâmica igual a 287,6 N/m²); • Peso próprio da telha termoacústica igual a 0,10 kN/m²; • Taxa de aço para a terça e os elementos de travamento da cobertura igual a 8,0 kg/m²; • Sobrecarga de utilização nas coberturas igual a 0,25 kN/m². A planta baixa a seguir mostra a região onde se encontra o pórtico e o situação para vento a 0°, com os respectivos valores resultantes da combinação dos coeficientes de pressão. 4- Exercícios Exercício para entrega (2):
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