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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL RAFAEL LUKACHESKI ANTUNES DA SILVA DIMENSIONAMENTO E DETALHAMENTO DE ESTRUTURA EM CONCRETO ARMADO PARA RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR FLORIANÓPOLIS 2019 RAFAEL LUKACHESKI ANTUNES DA SILVA DIMENSIONAMENTO E DETALHAMENTO DE ESTRUTURA EM CONCRETO ARMADO PARA RESIDÊNCIA UNIFAMILIAR Trabalho apresentado ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina, como requisito parcial exigido pelo curso de Graduação em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Lourenço Panosso Perlin, Dr. FLORIANÓPOLIS 2019 Agradecimentos Agradeço primeiramente à minha mãe, Bianca, por sempre incentivar e dar apoio aos meus estudos. Aos meus irmãos, Anderson e Tayná, por fazerem piadas e não deixar que eu me preocupe apenas com as coisas da faculdade. Agradeço à minha namorada Amanda, pelo apoio emocional e por entender o meu comprometimento com o TCC nos últimos meses. À Luciane e sua família, por todo o apoio que me deram durante a graduação. Agradeço ao meu professor orientador, Lourenço, por toda a ajuda prestada, mesmo após o horário do expediente quando necessário, e pela disponibilidade em responder as minhas dúvidas. Também aos demais professores do departamento de engenharia civil da UFSC, pelo conhecimento passado. Em especial, ao professor Humberto, pelas oportunidades e conhecimentos passados através das bolsas de iniciação científica e tecnológica. Gostaria de agradecer também aos amigos que me acompanharam durante a graduação e em especial aos colegas Adriano, Rodrigo e Miryan, pela parceria para realizar os trabalhos e estudar para as provas. Por fim, agradeço aos colegas de estágio na AltoQi e na Canteiro AEC, que me ajudaram a dar os primeiros passos na vida profissional e a entender um pouco mais sobre o ambiente empresarial. Resumo Este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo o desenvolvimento de um projeto estrutural em concreto armado para uma residência unifamiliar, a fim de empregar os conhecimentos adquiridos na área estrutural durante a graduação em engenharia civil. As plantas de formas do projeto estrutural foram concebidas a partir do projeto arquitetônico da residência, o qual foi criado pelo autor. Foi realizado o dimensionamento e detalhamento de alguns elementos estruturais por meio de cálculos manuais, efetuando-se a verificação dos elementos ao Estado Limite Último e ao Estado Limite de Serviço. Além disso, foram utilizadas planilhas eletrônicas e um programa de análise estrutural para auxílio aos cálculos manuais. Os cálculos foram realizados seguindo as recomendações das normas e das bibliografias adotadas. Palavras-chave: concreto armado, projeto estrutural, cálculo estrutural. Lista de tabelas Tabela 1: Classes de agressividade ambiental (CAA) .......................................................... 21 Tabela 2: Correspondência entre a classe de agressividade e a qualidade do concreto ...... 21 Tabela 3: Correspondência entre a classe de agressividade ambiental e o cobrimento nominal para Δc = 10 mm .................................................................................................... 22 Tabela 4: Valores do coeficiente adicional ɣn para pilares e pilares-parede ......................... 23 Tabela 5: Vãos efetivos na direção X ................................................................................... 35 Tabela 6: Vãos efetivos na direção Y ................................................................................... 35 Tabela 7: Tipo de armação .................................................................................................. 36 Tabela 8: Peso específico dos materiais utilizados .............................................................. 37 Tabela 9: Cálculo das cargas de parede em kN/m² ............................................................. 40 Tabela 10: Cargas permanentes .......................................................................................... 41 Tabela 11: Cargas acidentais .............................................................................................. 41 Tabela 12: Carga total de cálculo p em kN/m² - combinação última de cálculo .................... 42 Tabela 13: Momentos fletores máximos de cálculo - lajes unidirecionais ............................. 43 Tabela 14: Momentos fletores máximos de cálculo – lajes bidirecionais .............................. 44 Tabela 15: Compatibilização dos momentos fletores negativos ........................................... 46 Tabela 16: Correção dos momentos fletores positivos ......................................................... 47 Tabela 17: Posição da linha neutra na direção X ................................................................. 54 Tabela 18: Armaduras positivas na direção X ...................................................................... 55 Tabela 19: Posição da linha neutra na direção Y ................................................................. 56 Tabela 20: Armadura positiva na direção Y ......................................................................... 56 Tabela 21: Armadura de distribuição na direção Y ............................................................... 57 Tabela 22: Posição da linha neutra nas continuidades ........................................................ 58 Tabela 23: Armadura negativa nas continuidades ............................................................... 58 Tabela 24: Armaduras negativas de borda das lajes............................................................ 59 Tabela 25 : Carga total de cálculo p em kN/m² - combinação frequente .............................. 60 Tabela 26: Momentos fletores de fissuração ........................................................................ 62 Tabela 27: Momentos fletores de serviço - lajes unidirecionais ............................................ 63 Tabela 28: Momentos fletores de serviço – lajes bidirecionais ............................................. 64 Tabela 29: Altura equivalente de Branson para a L5 ........................................................... 66 Tabela 30 : Carga total de cálculo p em kN/m² - combinação quase permanente ................ 67 Tabela 31: Flechas imediatas – lajes unidirecionais ............................................................ 68 Tabela 32: Flechas imediatas – lajes bidirecionais .............................................................. 69 Tabela 33: Verificação das flechas elásticas finais ao limite sensorial visual ....................... 70 Tabela 34: Verificação das flechas elásticas finais ao limite sensorial de vibração .............. 71 Tabela 35: Verificação dos deslocamentos nas alvenarias .................................................. 72 Tabela 36: Espaçamento das barras de armadura positiva na direção X ............................. 74 Tabela 37: Espaçamento das barras de armadura positiva na direção Y ............................. 75 Tabela 38: Quantidade de barras da armadura positiva na direção X .................................. 76 Tabela 39: Quantidade de barras da armadura positiva na direção Y .................................. 77 Tabela 40: Comprimento das armaduras positivas na direção X .......................................... 78 Tabela 41: Comprimento das armaduras positivas na direção Y .......................................... 79 Tabela 42: Resumo das armaduras positivas na direção X .................................................. 79 Tabela 43: Resumo das armaduras positivas na direção Y .................................................. 79 Tabela 44: Espaçamento entre as barras negativas das continuidades ............................... 81 Tabela 45: Quantidade de barras de armadura negativa nas continuidades ........................ 82 Tabela 46: Comprimento das armaduras negativas nas continuidades ................................ 83 Tabela 47: Resumo das armaduras negativas nas continuidades ........................................ 84 Tabela 48: Espaçamento das armaduras negativas das bordas sem continuidade .............. 84 Tabela 49: Quantidade de barras negativas nas bordas – armaduras na direção X ............. 85 Tabela 50: Quantidade de barras negativas nas bordas – armaduras na direção Y ............. 86 Tabela 51: Comprimento das armaduras negativas de borda – barras na direção X ........... 87 Tabela 52: Comprimento das armaduras negativas de borda – barras na direção Y ........... 87 Tabela 53: Resumo amaduras negativas de borda – direção X ........................................... 88 Tabela 54: Resumo armaduras negativas de borda – direção Y .......................................... 88 Tabela 55: Reações das lajes bidirecionais nas vigas ......................................................... 96 Tabela 56: Verificação ao cisalhamento no ELU .................................................................. 99 Tabela 57: Carga linear das alvenarias nas vigas em kN/m ............................................... 103 Tabela 58: Reações das lajes nas vigas do pavimento “Cobertura” ................................... 104 Tabela 59: Carga de peso próprio dos pilares em kN ........................................................ 105 Tabela 60: Carregamentos nas vigas no ELS e no ELU .................................................... 108 Tabela 61: Dimensões das vigas no Ftool ......................................................................... 110 Tabela 62: Dimensões dos pilares no Ftool ....................................................................... 110 Tabela 63: Valores do coeficiente α0t para emenda de barras tracionadas ........................ 137 Tabela 64: Determinação dos momentos atuantes nas seções do pilar P11 ...................... 164 Tabela 65: Determinação dos momentos atuantes nas seções do pilar P12 ...................... 165 Tabela 66: Relação de ábacos para flexão oblíqua ............................................................ 168 Lista de figuras Figura 1: Modelo 3D da arquitetura ...................................................................................... 19 Figura 2: Concepção estrutural no pavimento Baldrame ...................................................... 25 Figura 3: Concepção estrutural no pavimento Superior ....................................................... 26 Figura 4: Concepção estrutural no pavimento Cobertura ..................................................... 27 Figura 5: Concepção estrutural no pavimento Reservatório ................................................. 28 Figura 6: Concepção estrutural no pavimento Cobertura do reservatório ............................. 28 Figura 7: Modelo 3D da estrutura......................................................................................... 29 Figura 8: Casos de Bares para as vinculações das lajes isoladas ....................................... 31 Figura 9: Vinculações das lajes do pavimento superior ........................................................ 33 Figura 10: Arranjos de paredes de alvenaria em lajes unidirecionais ................................... 39 Figura 11: Carga de alvenaria na L4 .................................................................................... 40 Figura 12: Momentos fletores máximos para as lajes isoladas em kN*m/m ......................... 45 Figura 13: Momentos fletores finais de cálculo para as lajes em kN*m/m ............................ 48 Figura 14: Diagrama parábola-retângulo e diagrama retangular de tensões ........................ 49 Figura 15: Domínios do estado limite último de uma seção transversal ............................... 50 Figura 16: Detalhamento das armaduras positivas das lajes do pavimento superior ........... 80 Figura 17: Detalhamento das armaduras negativas das lajes do pavimento superior .......... 89 Figura 18: Áreas de influência da L4 .................................................................................... 91 Figura 19: Áreas de influência da L7 .................................................................................... 93 Figura 20: Vigas e pilares escolhidos para dimensionamento e detalhamento .................. 101 Figura 21: Carregamentos no Pórtico 01 – combinação última normal .............................. 111 Figura 22: Carregamentos e reações no Pórtico 02 – combinação última normal .............. 111 Figura 23: Carregamentos no Pórtico 03 – combinação última normal .............................. 112 Figura 24: Carregamentos no Pórtico 04 – combinação última normal .............................. 112 Figura 25: Carregamentos e reações no Pórtico 02 – combinação frequente de serviço ... 113 Figura 26: Carregamentos no Pórtico 03 – combinação frequente de serviço ................... 113 Figura 27: Carregamentos e reações no Pórtico 02 – combinação quase permanente de serviço ........................................................................ 114 Figura 28: Carregamentos no Pórtico 03 – combinação quase permanente de serviço ..... 114 Figura 29: Momentos fletores no pórtico 03 ....................................................................... 115 Figura 30: Esforços cortantes no pórtico 03 ....................................................................... 122 Figura 31: Cobertura do diagrama de força de tração solicitante pelo diagrama resistente 131 Figura 32: Comprimento total das barras no trecho V12-a ................................................. 132 Figura 33: Comprimento total das barras no apoio P11 ..................................................... 132 Figura 34: Comprimento total das barras no apoio P7 ....................................................... 133 Figura 35: Bielas de compressão no balanço ..................................................................... 135 Figura 36: Armaduras transversais nas emendas de barras tracionadas ........................... 139 Figura 37: Armaduras transversais nas emendas de barras comprimidas ......................... 139 Figura 38: Detalhamento final das vigas V11 e V12 ........................................................... 142 Figura 39: Momentos fletores de serviço no Pórtico 03 ...................................................... 143 Figura 40: Momentos atuantes na seção do pilar P11 ....................................................... 152 Figura 41: Esforços axiais no Pórtico 1 - análise para o P11 ............................................. 153 Figura 42: Esforços axiais no Pórtico 3 – análise para o P11 ............................................. 153 Figura 43: Momentos fletores no pórtico 1 – análise para o P11 na direção X ................... 154 Figura 44: Momentos fletores no pórtico 3 – análise para o P11 na direção Y ................... 154 Figura 45: Momentos atuantes na seção do pilar P12 ....................................................... 155 Figura 46: Esforços axiais no Pórtico 1 - análise para o P12 ............................................. 156 Figura 47: Esforços axiais no Pórtico 4 - análise para o P12 ............................................. 156 Figura 48: Momentos fletores no pórtico 1 – análise para o P12 na direção X ................... 157 Figura 49: Momentos fletores no pórtico 4 – análise para o P12 na direção Y ................... 157 Figura 50: Arranjos das barras na seção transversal ......................................................... 166 Figura 51: Proteção contra flambagem das barras ............................................................. 178 Figura 52: Detalhamento final para o pilar P11 .................................................................. 179 Figura 53: Detalhamento final para o pilar P12 .................................................................. 180 Figura 54: Envoltória de momentos resistentes no pilar P11 .............................................. 182 Figura 55: Envoltória de momentos resistentes no pilar P12 .............................................. 183 Figura 56: Zonas de aplicação da carga com excentricidades em duas direções .............. 186 Figura 57: Momento fletor na direção X para a sapata do P12 (com veículos) ................... 188 Figura 58: Momento fletor na direção X para a sapata do P12 (sem veículos) ................... 188 Figura 59: Momento fletor na direção Y para a sapata do P12 ........................................... 189 Figura 60: Dimensões das sapatas e cálculo das reações ................................................. 191 Figura 61: Detalhamento das sapatas com armadura de arranque .................................... 193 Figura 62: Detalhamento das armaduras da sapata ........................................................... 195 Sumário 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 17 1.1. OBJETIVOS ........................................................................................................... 17 1.1.1. Objetivo Geral ................................................................................................ 17 1.1.2. Objetivos Específicos ....................................................................................... 17 1.2. LIMITAÇÕES ......................................................................................................... 17 1.3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ................................................................. 18 2. DEFINIÇÃO DO PROJETO ARQUITETÔNICO .......................................................... 19 3. CARACTERÍSTICAS E CONCEPÇÃO DO PROJETO ESTRUTURAL ........................ 21 3.1 MATERIAIS E DURABILIDADE ............................................................................ 21 3.2 CONCEPÇÃO ESTRUTURAL E PRÉ-DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS ..... 23 3.2.1 Pilares ............................................................................................................. 23 3.2.2 Vigas ............................................................................................................... 24 3.2.3 Lajes ............................................................................................................... 24 4. LAJES .......................................................................................................................... 31 4.1 VÃOS EFETIVOS ................................................................................................... 34 4.1.1 Vãos efetivos na direção X ............................................................................... 34 4.1.2 Vãos efetivos na direção Y ............................................................................... 35 4.1.3 Tipo de armação .............................................................................................. 36 4.2 CARREGAMENTOS ............................................................................................... 37 4.2.1 Carregamentos permanentes............................................................................ 37 4.2.1.1 Peso Próprio .................................................................................................... 37 4.2.1.2 Revestimentos ................................................................................................... 38 4.2.1.3 Alvenarias ........................................................................................................ 38 4.2.1.4 Soma total das cargas permanentes ..................................................................... 40 4.2.2 Carregamentos acidentais ................................................................................ 41 4.3 MOMENTOS FLETORES ........................................................................................ 42 4.3.1 Cargas totais - ELU ......................................................................................... 42 4.3.2 Momentos fletores máximos – lajes unidirecionais ............................................ 42 4.3.3 Momentos fletores máximos – lajes bidirecionais .............................................. 43 4.3.4 Compatibilização dos momentos negativos ....................................................... 46 4.3.5 Correção dos momentos positivos ..................................................................... 47 4.4 DIMENSIONAMENTO DAS ARMADURAS LONGITUDINAIS ............................... 49 4.4.1 Cálculo das armaduras positivas na direção X .................................................. 51 4.4.1.1 Armaduras mínimas .......................................................................................... 53 4.4.2 Cálculo das armaduras positivas na direção Y .................................................. 55 4.4.3 Cálculo das armaduras de distribuição na direção Y ......................................... 56 4.4.4 Cálculo das armaduras negativas nas continuidades das lajes ............................ 57 4.4.4.1 Armaduras mínimas........................................................................................... 57 4.4.5 Cálculo das armaduras negativas nas bordas sem continuidade ......................... 59 4.5 VERIFICAÇÕES NO ESTADO LIMITE DE SERVIÇO – ELS .................................... 60 4.5.1 Cargas totais – ELS ......................................................................................... 60 4.5.2 Momento fletor de fissuração ........................................................................... 60 4.5.3 Momentos fletores atuantes de serviço .............................................................. 62 4.5.3.1 Lajes unidirecionais .......................................................................................... 62 4.5.3.2 Lajes bidirecionais ............................................................................................ 63 4.5.4 Cálculo da altura equivalente para a L5 ........................................................... 64 4.5.5 Flechas imediatas ............................................................................................ 67 4.5.5.1 Lajes unidirecionais .......................................................................................... 67 4.5.5.2 Lajes bidirecionais ............................................................................................ 68 4.5.6 Fluência e flechas finais ................................................................................... 69 4.5.6.1 Limite de aceitabilidade sensorial visual .............................................................. 70 4.5.6.2 Limite de aceitabilidade sensorial de vibração...................................................... 71 4.5.6.3 Limite de aceitabilidade para elementos não estruturais (alvenarias) ...................... 71 4.6 DETALHAMENTO DAS ARMADURAS .................................................................. 73 4.6.1 Armaduras positivas ........................................................................................ 73 4.6.1.1 Espaçamento das armaduras .............................................................................. 73 4.6.1.2 Quantidade de barras ........................................................................................ 75 4.6.1.3 Comprimento das barras .................................................................................... 77 4.6.1.4 Resumo das armaduras positivas ........................................................................ 79 4.6.2 Armaduras negativas ....................................................................................... 80 4.6.2.1 Espaçamento das armaduras .............................................................................. 80 4.6.2.2 Quantidade de barras ........................................................................................ 81 4.6.2.3 Comprimento das barras .................................................................................... 82 4.6.2.4 Resumo das amaduras negativas ......................................................................... 83 4.6.3 Armaduras negativas nas bordas sem continuidade .......................................... 84 4.6.3.1 Espaçamento das armaduras .............................................................................. 84 4.6.3.2 Quantidade das barras ...................................................................................... 85 4.6.3.3 Comprimento das barras .................................................................................... 86 4.6.3.4 Resumo das amaduras negativas ......................................................................... 88 4.7 REAÇÕES DAS LAJES NAS VIGAS ........................................................................ 90 4.7.1 Lajes unidirecionais ......................................................................................... 90 4.7.2 Lajes bidirecionais ........................................................................................... 94 4.8 VERIFICAÇÃO AO CISALHAMENTO DAS LAJES ................................................. 97 5. ANÁLISE ESTRUTURAL ........................................................................................... 101 6. VIGAS ........................................................................................................................ 115 6.1 DIMENSIONAMENTO DAS ARMADURAS .......................................................... 115 6.1.1 Armaduras longitudinais ............................................................................... 115 6.1.1.1 Armaduras mínimas e armaduras efetivas .......................................................... 119 6.1.2 Armaduras transversais ................................................................................. 121 6.1.2.1 Armaduras mínimas ........................................................................................ 126 6.1.2.2 Espaçamentos máximos ................................................................................... 127 6.2 DETALHAMENTO DAS ARMADURAS ................................................................ 128 6.2.1 Ancoragem das barras ................................................................................... 128 6.2.2 Decalagem do diagrama de momentos fletores ................................................ 131 6.2.3 Ancoragem da armadura de tração nos apoios ................................................ 133 6.2.4 Ganchos ........................................................................................................ 136 6.2.5 Emendas por traspasse .................................................................................. 137 6.2.5.1 Barras tracionadas .......................................................................................... 137 6.2.5.2 Barras comprimidas ........................................................................................ 138 6.2.5.3 Armadura transversal na região de emenda ....................................................... 138 6.2.6 Armadura de suspensão ................................................................................. 141 6.3 VERIFICAÇÃO AO ESTADO LIMITE DE SERVIÇO ............................................. 143 6.3.1 Momento fletor de fissuração ......................................................................... 143 6.3.2 Cálculo da inércia equivalente ........................................................................ 144 6.3.3 Flechas imediatas, fluência e flechas finais ...................................................... 147 6.3.3.1 Limite de aceitabilidade sensorial visual ............................................................ 148 6.3.3.2 Limite de aceitabilidade sensorial de vibração ................................................... 148 6.3.3.3 Limite de deslocamento em paredes de alvenaria ................................................ 149 7. PILARES .................................................................................................................... 151 7.1 DIMENSIONAMENTO DAS ARMADURAS .......................................................... 152 7.1.1 Esforços solicitantes de primeira ordem ......................................................... 152 7.1.2 Imperfeições geométricas locais...................................................................... 158 7.1.3 Índice de esbeltez dos pilares .......................................................................... 159 7.1.4 Índice de esbeltez limite e classificação dos pilares segundo a esbeltez .............. 160 7.1.5 Momento local de segunda ordem .................................................................. 162 7.1.6 Momento fletor crítico e situações de cálculo .................................................. 163 7.1.6.1 Pilar intermediário .......................................................................................... 163 7.1.6.2 Pilar de extremidade ....................................................................................... 163 7.1.6.3 Pilar de canto ................................................................................................. 164 7.1.7 Ábacos de flexão oblíqua ................................................................................ 166 7.1.8 Cálculo da área de aço ................................................................................... 168 7.1.9 Armaduras mínimas e máximas ..................................................................... 171 7.2 DETALHAMENTO DAS ARMADURAS ................................................................ 173 7.2.1 Armaduras longitudinais ............................................................................... 173 7.2.1.1 Quantidade das barras .................................................................................... 173 7.2.1.2 Espaçamento das armaduras ............................................................................ 174 7.2.1.3 Comprimento de traspasse ............................................................................... 175 7.1.2 Armaduras transversais ................................................................................. 176 7.1.2.1 Diâmetro dos estribos ...................................................................................... 176 7.1.2.2 Quantidade e espaçamento das barras ............................................................... 177 7.1.2.3 Estribos suplementares .................................................................................... 178 7.1.2.4 Detalhamento final dos pilares ......................................................................... 178 7.3 ENVOLTÓRIAS DOS MOMENTOS RESISTENTES ............................................... 181 8. SAPATAS ................................................................................................................... 185 8.1 CÁLCULO DAS DIMENSÕES ............................................................................... 185 8.2 DIMENSIONAMENTO E DETALHAMENTO DAS ARMADURAS ......................... 191 8.3 VERIFICAÇÃO AO CISALHAMENTO .................................................................. 196 9. CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................ 197 10. REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 199 17 1. INTRODUÇÃO 1.1. OBJETIVOS 1.1.1. Objetivo Geral Conceber um projeto estrutural em concreto armado para uma residência unifamiliar, a partir de projeto arquitetônico criado pelo autor. 1.1.2. Objetivos Específicos Elaborar o projeto estrutural em concreto armado de uma residência unifamiliar de dois pavimentos, incluindo o dimensionamento e detalhamento de alguns dos elementos estruturais (lajes, vigas, pilares e sapata), reforçando assim o que foi aprendido nas disciplinas da área estrutural. Será realizado o dimensionamento manual dos elementos com a ajuda de planilhas eletrônicas e de programa de análise estrutural. 1.2. LIMITAÇÕES A análise de esforços do vento, de desaprumo global e de efeitos globais de segunda ordem não foi realizada para esta residência, uma vez que a concepção realizada resultou em uma estrutura com boa estabilidade global e de nós fixos, conforme verificado em software específico. Além disso, a edificação possui apenas dois pavimentos habitáveis e foi observado que a consideração dos esforços de vento não causa impacto significativo no dimensionamento dos elementos estruturais. 18 1.3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS O projeto arquitetônico da residência será criado pelo autor no Autodesk Revit 2018. A partir das plantas arquitetônicas, será feita a modelagem estrutural. O dimensionamento manual da estrutura será realizado através da verificação do Estado Limite Último e de Serviço. Este processo será executado manualmente com a ajuda de planilhas eletrônicas e programa de análise estrutural, sempre seguindo as orientações das bibliografias adotadas e prescrições normativas. 19 2. DEFINIÇÃO DO PROJETO ARQUITETÔNICO O projeto arquitetônico foi criado pelo autor no Autodesk Revit 2018. Trata-se de uma residência unifamiliar de dois pavimentos habitáveis, além do pavimento do reservatório. No pavimento térreo, estão dispostas uma sala de estar, uma sala de jantar, uma cozinha, uma área de serviço, uma garagem para dois carros e um lavabo. No pavimento superior, há três dormitórios, sendo um deles suíte, um banheiro principal, uma sala íntima, um pequeno escritório e uma sacada. O terceiro pavimento contém apenas o reservatório. A área total da residência é de aproximadamente 190 metros quadrados. A Figura 1 exibe o modelo arquitetônico da residência. As plantas arquitetônicas estão em anexo no final do trabalho. Figura 1: Modelo 3D da arquitetura Fonte: Autor A altura dos pavimentos térreo e superior é de 3 metros. O reservatório está elevado a 1 metro da laje de cobertura e possui 1,50 metros de altura. As paredes de vedação internas possuem 15 cm de largura e serão construídas com blocos cerâmicos furados de dimensões 12 x 14 x 19 cm e revestimento argamassado e pintura com 1,5 cm de espessura em cada lado, com exceção das paredes dos banheiros, as quais possuem revestimento cerâmico em um dos lados, com altura que vai do piso ao teto. 20 As paredes de vedação externas possuem 18 cm de largura e serão construídas com blocos cerâmicos furados de 14 x 14 x 19 cm, com revestimento argamassado e pintura de 1,5 cm de espessura no lado interno e de 2,5 cm de espessura no lado externo. Todos os ambientes possuem piso com revestimento cerâmico com espessura de 1,5 cm sobre contrapiso de argamassa de cimento e areia com 2 cm de altura. Na sala de estar, no lavabo do pavimento térreo e nos banheiros do pavimento superior será aplicado forro, reduzindo o pé-direito para 2,50 metros. No restante dos ambientes, haverá revestimento argamassado e pintura no teto, com 2 cm de espessura. O revestimento argamassado usado é feito a partir da mistura de cal, cimento e areia. O projeto arquitetônico não possui detalhes construtivos do telhado. No entanto, sabe-se que o telhado será feito de madeira com telhas cerâmicas e que possui inclinação de 20 graus. 21 3. CARACTERÍSTICAS E CONCEPÇÃO DO PROJETO ESTRUTURAL 3.1 MATERIAIS E DURABILIDADE A residência ficará localizada no município de Ijuí-RS, pertencendo à classe de agressividade II da tabela 6.1 da NBR 6118:2014. Tabela 1: Classes de agressividade ambiental (CAA) Fonte: Tabela 6.1 da NBR 6118:2014 Será adotada a resistência característica de 25 MPa para o concreto, estando de acordo com a tabela 7.1 da norma. Além disso, de acordo com esta tabela a relação água-cimento deverá ser menor ou igual a 0,6. Tabela 2: Correspondência entre a classe de agressividade e a qualidade do concreto Fonte: Tabela 7.1 da NBR 6118:2014 22 O cobrimento nominal adotado será de 2,5 cm para as lajes e de 3,0 cm para as vigas e pilares, conforme a tabela 7.2 da norma. Para as lajes e vigas nos ambientes internos, no entanto, como haverá revestimento com argamassa de contrapiso e acabamento de piso cerâmico, o cobrimento superior será reduzido para 1,5 cm, conforme permitido pela NBR 6118:2014. Nos elementos em contato com o solo, o cobrimento nominal deverá ser de 3,0 cm. Já para trechos de pilares em contato com o solo, nos elementos de fundação, o cobrimento nominal deverá ser no mínimo 4,5 cm. Tabela 3: Correspondência entre a classe de agressividade ambiental e o cobrimento nominal para Δc = 10 mm Fonte: Tabela 7.2 da NBR 6118 De acordo com a mesma norma, a dimensão máxima característica do agregado não deverá superar em 20% a espessura nominal do cobrimento. Portanto, a dimensão máxima do agregado não deve ser superior a 2,5 x 1,2 = 3,0 cm. O agregado utilizado será brita 1 com dimensão máxima de 19 mm e do tipo basáltico. O tempo de escoramento das lajes será de 14 dias para cada pavimento. A partir da retirada do escoramento, a estrutura já deverá resistir ao seu peso próprio e às solicitações de uso previstas na construção. Além disso, a tensão admissível no solo será de 0,15 MPa. 23 3.2 CONCEPÇÃO ESTRUTURAL E PRÉ-DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS A concepção estrutural consiste na escolha do sistema estrutural e no posicionamento dos elementos estruturais (lajes, vigas e pilares) a partir do projeto arquitetônico. A escolha do posicionamento dos elementos estruturais de concreto armado iniciou-se pelo pavimento superior e de cobertura, sendo posteriormente posicionados os elementos do pavimento baldrame e do reservatório. Na modelagem estrutural, foi observada a posição do reservatório para a locação dos pilares e evitada a criação de estrutura de transição entre os pavimentos, compatibilizando a posição das vigas e pilares. Além disso, foi evitado que os elementos estruturais ficassem visíveis, sempre que possível embutindo-os nas paredes. 3.2.1 Pilares Os pilares foram posicionados embutidos nas paredes e preferencialmente nos cantos da edificação. A concepção estrutural também teve como objetivo manter o alinhamento entre os pilares, a fim de evitar excentricidades nos carregamentos. Além disso, também foi evitado o lançamento de vigas apoiadas em outras vigas, a fim de que a carga seja distribuída para as fundações da forma mais direta possível. De acordo com o item 13.2.3 da NBR 6118:2014, os pilares não devem apresentar dimensão menor que 19 cm. No entanto, permite-se a consideração entre 14 e 19 cm, desde que as ações consideradas no dimensionamento sejam multiplicadas por um coeficiente adicional ɣn, exibido na Tabela 4 abaixo. Em qualquer caso, a área não deverá ser inferior a 360 cm². Tabela 4: Valores do coeficiente adicional ɣn para pilares e pilares-parede Fonte: Tabela 13.1 da NBR 6118:2014 Para esta edificação, como as paredes internas possuem 15 cm de largura, adotou-se 14 cm para o menor lado de todos os pilares e, portanto, as ações 24 deverão ser multiplicadas por 1,25. Para a maior dimensão dos pilares, foram utilizadas medidas múltiplas de 10 cm, com o objetivo de simplificar os cálculos e a execução em obra. Inicialmente, foi adotada a dimensão de 30 cm, a fim de garantir a área mínima de 360 cm². Já para os pilares mais carregados, adotou-se 40 cm de lado. 3.2.2 Vigas As vigas foram posicionadas embutidas nas paredes, sempre que possível, para que não ficassem visíveis ou intervissem no projeto arquitetônico. Também procurou-se posicionar as vigas de forma que as lajes não ficassem muito grandes, necessitando de estruturas muito robustas para passar na verificação do ELS, ou muito pequenas, encarecendo a estrutura na montagem das formas. Foi adotada largura de 14 cm para as vigas de paredes externas com 18 cm de largura, dimensão equivalente à largura dos pilares e à largura dos blocos cerâmicos nessas paredes. Para as vigas das paredes internas de 15 cm, foi adotada largura de 12 cm, prevendo 1,5 cm de revestimento em cada lado, medida equivalente à largura de 12 cm dos blocos nessas paredes. No geral, a altura das vigas foi adotada no intervalo de l/10 a l/12, em que l é o vão livre das vigas. Nas vigas contínuas, manteve-se a mesma altura para todos os tramos. Além disso, para facilidades construtivas das fôrmas e do escoramento e para evitar quebra de blocos cerâmicos na última fiada, foram adotadas alturas múltiplas de 20 cm para as vigas, considerando a altura de 19 cm dos blocos e 1 cm de altura das juntas longitudinais preenchidas com argamassa. Para as vigas baldrame, foi adotada uma altura uniforme de 30 cm para todas as vigas. 3.2.3 Lajes A altura para as lajes unidirecionais foi inicialmente estimada no intervalo de lx/45 e lx/35 e para as lajes bidirecionais no intervalo entre lx/50 e lx/40, em que lx é o comprimento do vão na menor direção. Também foram obedecidos os limites mínimos de 7 cm de altura para lajes de cobertura não em balanço e de 8 cm de altura para lajes de piso não em balanço, conforme estabelecidos pela NBR 6118:2014 no item 13.2.4.1. 25 No pavimento baldrame foi escolhido não incluir lajes, sendo considerada apenas a execução de um contrapiso de 12 cm de espessura de concreto armado com tela soldada, após a devida limpeza e compactação do solo. As figuras a seguir apresentam a concepção estrutural realizada para todos os pavimentos, indicando o posicionamento dos elementos e a sua seção. Figura 2: Concepção estrutural no pavimento Baldrame Fonte: Autor 26 Figura 3: Concepção estrutural no pavimento Superior Fonte: Autor 27 Figura 4: Concepção estrutural no pavimento Cobertura Fonte: Autor 28 Figura 5: Concepção estrutural no pavimento Reservatório Fonte: Autor Figura 6: Concepção estrutural no pavimento Cobertura do reservatório Fonte: Autor 29 Figura 7: Modelo 3D da estrutura Fonte: Autor 30 31 4. LAJES A seguir, será feito o dimensionamento e detalhamento das lajes pertencentes ao pavimento superior, conforme a Figura 3. O cálculo das lajes será feito pelo método elástico, considerando a seção íntegra das lajes e desconsiderando a fissuração. Este método, também conhecido como teoria das placas, foi desenvolvido com base nas equações de equilíbrio para um elemento infinitesimal em qualquer ponto da laje e na compatibilidade das deformações no mesmo ponto. A equação diferencial fundamental das placas delgadas submetidas a uma carga p (x,y) está escrita a seguir: Equação 1 em que: w – deslocamento vertical; x,y – coordenadas de um ponto genérico da placa; p – carga uniforme distribuída atuante; D – rigidez da placa à flexão, dada por em que h é a altura da laje e ν é o coeficiente de Poisson; E – módulo de deformação longitudinal do concreto. Figura 8: Casos de Bares para as vinculações das lajes isoladas Fonte: Notas de aula da disciplina ECV 5262 - UFSC (Perlin e Pinto, 2017) 32 A utilização de séries, normalmente compostas por funções trigonométricas, é um dos métodos possíveis para resolver a equação fundamental e determinar os esforços e deslocamentos em um ponto qualquer (x,y) das placas. O cálculo por séries é adequado para a obtenção de quadros, a partir dos quais, considerando as condições de vinculação de uma laje e sua geometria, é possível determinar de maneira prática o momento fletor máximo e deslocamento máximo atuantes na laje. Neste trabalho serão usados os quadros desenvolvidos por Bares (1972), adaptados para o coeficiente de Poisson do concreto de 0,2. Bares divide as possíveis vinculações para lajes retangulares isoladas nos 9 casos dispostos na Figura 8. Para a utilização dos quadros de Bares é necessário discretizar o pavimento em lajes retangulares isoladas e determinar as suas vinculações. A vinculação das lajes foi determinada de acordo com os critérios a seguir: 1. As lajes foram consideradas engastadas entre si quando obedecidas as seguintes condições: Diferença entre as alturas das lajes vizinhas menor ou igual a 2 centímetros. Comprimento de continuidade entre as lajes igual a no mínimo 2/3 do comprimento do vão da laje na mesma direção. Vãos semelhantes entre as lajes vizinhas na direção considerada (diferença entre os vãos das lajes menor ou igual a 1/3 do comprimento do maior vão). 2. Nos demais casos, foi considerado apoio simples entre as lajes. O pavimento superior foi discretizado em sete lajes isoladas, com vinculações conforme a Figura 9. Nota-se que a laje L4 foi dividida em duas áreas, devido à presença de uma alvenaria na direção do menor vão, conforme está justificado no item 4.2.1.3. 33 Figura 9: Vinculações das lajes do pavimento superior Fonte: Autor 34 4.1 VÃOS EFETIVOS Segundo o item 14.7.2.2 da NBR6118, quando os apoios das lajes forem suficientemente rígidos quanto à translação vertical, seu vão efetivo deve ser calculado de acordo com a equação seguinte: Equação 2 em que é o vão livre na direção calculada e e em cada extremidade são o menor valor entre 0,3 vezes a altura da laje (h) e a metade da largura (t) da alma do apoio, conforme as equações: Equação 4 Ao longo deste capítulo, os cálculos serão demonstrados para as lajes L4 e L5. Para as lajes restantes, os resultados serão apresentados em forma de tabela. 4.1.1 Vãos efetivos na direção X Cálculo para a L4: A altura estimada inicialmente para a L4 é de 8 cm. Cálculo para a L5: A altura estimada inicialmente para a L5 é de 9 cm. Os vãos efetivos na menor direção (x) para todas as lajes seguem na Tabela 5. Equação 3 35 Tabela 5: Vãos efetivos na direção X Laje h (cm) l0x (cm) t1/2 (cm) 0,3h (cm) a1 (cm) t2/2 (cm) 0,3h (cm) a2 (cm) lef x (cm) L1 8 335 7 2,4 2,4 6 2,4 2,4 339,8 L2 9 335 7 2,7 2,7 6 2,7 2,7 340,4 L3 8 201 6 2,4 2,4 6 2,4 2,4 205,8 L4 8 220,5 6 2,4 2,4 6 2,4 2,4 225,3 L5 9 390 6 2,7 2,7 7 2,7 2,7 395,4 L6 8 347 7 2,4 2,4 6 2,4 2,4 351,8 L7 8 118,5 7 2,4 2,4 7 2,4 2,4 123,3 Fonte: Autor 4.1.2 Vãos efetivos na direção Y Cálculo para a L4: A altura estimada inicialmente para a L4 é de 8 cm. Cálculo para a L5: A altura estimada inicialmente para a L5 é de 9 cm. Os vãos efetivos na maior direção (y) para todas as lajes seguem na Tabela 6. Tabela 6: Vãos efetivos na direção Y Laje h (cm) l0y (cm) t1/2 (cm) 0,3h (cm) a1 (cm) t2/2 (cm) 0,3h (cm) a2 (cm) lef y (cm) L1 8 344,5 9 2,4 2,4 6 2,4 2,4 349,3 L2 9 479,5 6 2,7 2,7 7 2,7 2,7 484,9 L3 8 405 7 2,4 2,4 6 2,4 2,4 409,8 L4 8 560 7 2,4 2,4 6 2,4 2,4 564,8 L5 9 479,5 6 2,7 2,7 7 2,7 2,7 484,9 L6 8 405 7 2,4 2,4 6 2,4 2,4 409,8 L7 8 405 7 2,4 2,4 7 2,4 2,4 409,8 Fonte: Autor 36 4.1.3 Tipo de armação A partir dos vãos efetivos calculados nas duas direções da laje, é possível calcular o índice λ dado pela Equação 5 a seguir: Equação 5 A laje é considerada unidirecional quando o maior vão efetivo é maior do que o dobro do menor vão efetivo , ou seja, o índice λ é maior do que 2. Nesses casos, considera-se que a laje é suportada apenas na direção do menor vão e, portanto, ela é armada apenas na direção do vão , sendo considerada apenas uma armadura de distribuição secundária na outra direção. Quando o índice λ é menor ou igual a 2, a laje é considerada bidirecional e é armada em cruz, nas duas direções contendo armaduras principais. Cálculo para a L4: Cálculo para a L5: A Tabela 7 apresenta o índice de esbeltez e a classificação de todas as lajes. Tabela 7: Tipo de armação Laje lef y (cm) lef x (cm) λ Tipo de armação L1 349,3 339,8 1,03 bidirecional L2 484,9 340,4 1,42 bidirecional L3 409,8 205,8 1,99 bidirecional L4 564,8 225,3 2,51 unidirecional L5 484,9 395,4 1,23 bidirecional L6 409,8 351,8 1,16 bidirecional L7 409,8 123,3 3,32 unidirecional Fonte: Autor 37 4.2 CARREGAMENTOS Serão estimados os carregamentos atuantes nas lajes do pavimento superior, os quais são responsáveis pelas tensões e deformações nesses elementos. Os carregamentos são determinados através dos dados fornecidos pela arquitetura quanto aos materiais utilizados e ao uso dos ambientes. Os carregamentos atuantes de dividem entre cargas permanentes e cargas acidentais. As cargas serão calculadas por metro quadrado de laje. 4.2.1 Carregamentos permanentes As cargas permanentes são aquelas que são praticamente constantes durante toda a vida da construção. Entende-se como carga permanente o peso próprio da estrutura, o peso dos revestimentos fixos e das vedações de alvenaria permanentes. Os pesos específicos dos materiais de construção utilizados estão na Tabela 8 a seguir e foram obtidos da tabela 1 da NBR 6120:1980. Tabela 8: Peso específico dos materiais utilizados Materiais de construção ɣ (kN/m³) Concreto armado 25 Argamassa de cimento e areia 21 Argamassa de cal, cimento e areia 19 Lajotas cerâmicas 18 Tijolos furados 13 Fonte: Tabela 1 da NBR 6120:1980 4.2.1.1 Peso Próprio O peso próprio por metro quadrado de laje é calculado multiplicando a altura da laje pelo peso específico do concreto armado, o qual admite-se como sendo 2500 kg/m³ ou 25 kN/m³. Cálculo para a L4: Cálculo para a L5: 38 4.2.1.2 Revestimentos Os revestimentos considerados como cargas permanentes incluem o contrapiso e piso cerâmico em todas as lajes, o reboco de teto nas lajes L1, L2, L5 e L7 e forro de gesso suspenso nas lajes L3, L4 e L6. O contrapiso terá 2 cm de altura e será feito com argamassa de cimento e areia, conforme projeto arquitetônico. O piso com lajotas cerâmicas possui 1,5 cm de altura. O reboco de teto terá 2 cm de altura e será feito com argamassa de cal, cimento e areia. Para os ambientes com forro de gesso suspenso foi adotada carga de 0,125 . 4.2.1.3 Alvenarias As lajes L3, L4 e L5 possuem paredes de alvenaria. Para as lajes bidirecionais L3 e L5, a carga da parede será distribuída uniformemente em toda a área da laje. A L4, por ser unidirecional e possuir vedação paralela à direção do menor vão, será dividida em duas regiões L4 (1) e L4 (2), uma considerando e a outra desconsiderando o carregamento da alvenaria, respectivamente. Para facilitar os cálculos, a região da L4 que considera o carregamento de alvenaria será aquela que faz divisa com a L3 e a região que o desconsidera será aquela que faz divisa com a L6. Na laje L4, o carregamento da parede, calculado a partir do seu peso específico e volume, será divido em uma área retangular com comprimento igual ao menor vão da L4 e largura igual à metade desse, conforme o primeiro caso da Figura 10. 39 Figura 10: Arranjos de paredes de alvenaria em lajes unidirecionais Fonte: Notas de aula da disciplina ECV 5262 - UFSC (Perlin e Pinto, 2017) No cálculo da carga das paredes de alvenaria foram consideradas as dimensões das paredes. O comprimento foi obtido em planta. Como tais alvenarias estão sobre a laje, a altura foi considerada diminuindo a espessura da laje do pavimento de cobertura sob a qual a parede se encontra da altura de 3 metros do pavimento superior. A largura da parede foi dividida entre as camadas dos materiais utilizados, a fim de calcular a carga total da parede a partir dos pesos específicos de cada material, conforme a Tabela 8. Na parede da L5, que pertence a um dormitório, foi considerada a largura de 12 cm para os tijolos furados e de 3,0 cm de revestimento argamassado (1,5 em cada lado na parede). Nas paredes das lajes L3 e L4, que pertencem aos banheiros, foi considerada a largura de 12 cm para os tijolos furados, de 1,5 cm para revestimento argamassado em um dos lados da parede e de 1,5 cm de revestimento cerâmico para o outro lado. Além disso, para simplificação de cálculo, as aberturas das portas nas paredes não serão descontadas. Cálculo para a L4(1): A Figura 11 exibe a alvenaria na região L4(1) e a área com hachura que foi considerada para o cálculo da carga por metro quadrado. 40 Figura 11: Carga de alvenaria na L4 Fonte: Autor O comprimento da parede é 2,205 m e a altura da parede é , logo: A Tabela 9 apresenta os resultados encontrados para todas as lajes com paredes. Tabela 9: Cálculo das cargas de parede em kN/m² Laje Largura1 (m) Rev. Arg.2 (m) Rev. Cer.3 (m) Altura (m) Comp. (m) Carga total (kN) Área (m²) K Carga (kN/m²) L3 0,120 0,015 0,015 2,90 3,07 18,81 8,14 1,20 2,77 L4 (1) 0,120 0,015 0,015 2,91 2,21 13,57 2,43 Unidirecional 5,58 L5 0,120 0,030 0,000 2,88 3,90 23,92 18,70 1,50 1,92 1) γ kN m³ 2) γ 9 kN/m³; 3) γ 8 kN/m³; Fonte: Autor 4.2.1.4 Soma total das cargas permanentes A soma total das cargas permanentes é feita de acordo com a Equação 6. Equação 6 Cálculo para a L4 (1): 41 Cálculo para a L4 (2): Cálculo para a L5: O resumo e soma das cargas permanentes para todas as lajes está exibido na Tabela 10. Tabela 10: Cargas permanentes Laje Pp (kN/m²) Ppar (kN/m²) Preb (kN/m²) Pforro (kN/m²) Pcer (kN/m²) Pcp (kN/m²) G (kN/m²) L1 2,00 0,00 0,38 0 0,27 0,42 3,07 L2 2,25 0,00 0,38 0 0,27 0,42 3,32 L3 2,00 2,77 0 0,125 0,27 0,42 5,59 L4 (1) 2,00 5,58 0 0,125 0,27 0,42 8,40 L4 (2) 2,00 0,00 0 0,125 0,27 0,42 2,82 L5 2,25 1,92 0,38 0 0,27 0,42 5,24 L6 2,00 0,00 0 0,125 0,27 0,42 2,82 L7 2,00 0,00 0,38 0,000 0,27 0,42 3,07 Fonte: Autor 4.2.2 Carregamentos acidentais As cargas acidentais incluem as solicitações de uso da edificação de acordo com o projeto arquitetônico e as solicitações da ação do vento e da chuva. Devido à pequena altura da edificação, a ação do vento será desconsiderada. As cargas acidentais foram obtidas da Tabela 2 - “Valores mínimos das cargas verticais” da NBR 6120:1980. Para efeitos de cálculo, essas cargas verticais serão consideradas distribuídas uniformemente em toda a área da laje. Tabela 11: Cargas acidentais Laje Ambiente Q (kN/m²) L1 Sala 1,5 L2 Dormitório 1,5 L3 Banheiro 1,5 L4 Banheiro 1,5 L5 Dormitório 1,5 L6 Dormitório 1,5 L7 Sacada 1,5 Fonte: Tabela 2 da NBR 6120:1980. 42 4.3 MOMENTOS FLETORES A seguir serão calculados os momentos fletores máximos atuantes para o ELU por faixa de um metro das lajes isoladas. 4.3.1 Cargas totais - ELU Para o dimensionamento dos elementos no ELU é usada a combinação última normal para determinar a carga total de cálculo p a partir das cargas permanentes (g) e acidentais (q), segundo a equação: Equação 7 A carga total de cálculo no ELU para todas as lajes se encontra na Tabela 12. Tabela 12: Carga total de cálculo p em kN/m² - combinação última de cálculo Laje L1 L2 L3 L4 (1) L4 (2) L5 L6 L7 g (kN/m²) 3,07 3,32 5,59 8,40 2,82 5,24 2,82 3,07 q (kN/m²) 1,50 1,50 1,50 1,50 1,50 1,50 1,50 1,50 p (kN/m²) 6,40 6,75 9,92 13,86 6,04 9,43 6,04 6,40 Fonte: Autor 4.3.2 Momentos fletores máximos – lajes unidirecionais Os momentos fletores em lajes unidirecionais são calculados da mesma forma que para vigas, de acordo com o tipo de vinculação de cada apoio. As equações para o momento positivo Mx e para o momento negativo Mx’, estão dispostas a seguir. Vinculação do tipo engaste – apoio (E – A): Equação 8 Equação 9 Vinculação do tipo engaste – engaste (E – E): Equação 10 43 Equação 11 Cálculo para a L4 (1) (E – E): Cálculo para a L4 (2) (E – A): A Tabela 13 apresenta o resumo dos momentos fletores máximos calculados para as lajes unidirecionais. Tabela 13: Momentos fletores máximos de cálculo - lajes unidirecionais Laje L4 (1) L4 (2) L7 Condição de apoio E - E E - A E - A p (kN/m²) 13,86 6,04 6,40 lx (m) 2,25 2,25 1,23 Mx (kN*m/m) 2,93 2,16 0,68 Mx' (kN*m/m) 5,86 3,83 1,22 Fonte: Autor 4.3.3 Momentos fletores máximos – lajes bidirecionais Os momentos fletores em lajes bidirecionais são calculados a partir de valores tabelados para os momentos unitários positivos e e para os momentos unitários negativos e , de acordo com as seguintes equações: Equação 12 Equação 13 Equação 14 Equação 15 44 Cálculo para a L5: A L5 corresponde ao caso 3 dos quadros de Bares. A Tabela 14 apresenta os valores dos momentos fletores máximos para todas as lajes bidirecionais. Tabela 14: Momentos fletores máximos de cálculo – lajes bidirecionais Laje L1 L2 L3 L5 L6 Caso na tabela de Bares 2 4 3 3 1 λ 1,03 1,42 2 1,23 1,16 μx 3,21 4,57 6,51 4,96 5,63 μx' 0,00 10,12 12,34 10,11 0,00 μy 3,91 2,58 1,48 2,54 4,49 μy' 8,63 7,96 0,00 0,00 0,00 p (kN/m²) 6,40 6,75 9,92 9,43 6,04 lx (m) 3,40 3,40 2,06 3,95 3,52 Mx (kN*m/m) 2,37 3,57 2,74 7,31 4,21 Mx' (kN*m/m) 0,00 7,91 5,19 14,92 0,00 My (kN*m/m) 2,89 2,01 0,62 3,75 3,36 My' (kN*m/m) 6,37 6,23 0,00 0,00 0,00 Fonte: Autor A Figura 12 apresenta todos os valores de momentos positivos e negativos calculados para as lajes. 45 Figura 12: Momentos fletores máximos para as lajes isoladas em kN*m/m Fonte: Autor 46 4.3.4 Compatibilização dos momentos negativos Uma vez que os momentos fletores foram calculados de forma isolada para as lajes nos itens anteriores, na Figura 12 pode ser observado que a região de encontro de algumas lajes possui momentos fletores negativos diferentes, o que não acontece na realidade devido à continuidade das lajes. Dessa forma, é necessário compatibilizar os momentos fletores nessas regiões. Quando os vãos teóricos e a rigidez das lajes são similares e os carregamentos permanentes são superiores aos acidentais, a seguinte equação pode ser adotada na compatibilização dos momentos: Equação 16 Na fórmula, Ma corresponde ao maior valor dos momentos fletores e Mb ao menor. O valor corresponde ao momento fletor negativo compatibilizado. Cálculo para o encontro L4(1) - L5: Para simplificar o detalhamento da armadura e a execução em obra, será considerada a aplicação do momento negativo calculado de 5,86 kN*m/m na L4 (1) para todo o comprimento de continuidade entre a L4 e a L5, desconsiderando para esse encontro a divisão da L4 nas regiões L4 (1) e L4 (2). kN m m A Tabela 15 apresenta os momentos fletores negativos compatibilizados para todos os encontros de lajes. Tabela 15: Compatibilização dos momentos fletores negativos Encontro das lajes L1 - L2 L3 - L4 L4 - L6 L4 - L5 L2 - L5 L3 - L6 L6 - L7 Ma (kN*m/m) 6,37 5,86 3,83 5,86 14,92 5,19 1,22 Mb (kN*m/m) 6,23 0,00 0 0 7,91 0,00 0,00 0,8*Ma 5,10 4,69 3,07 4,69 11,93 4,15 0,97 (Ma + Mb)/2 6,30 2,93 1,92 2,93 11,41 2,59 0,61 M- (kN*m/m) 6,30 4,69 3,07 4,69 11,93 4,15 0,97 Fonte: Autor 47 4.3.5 Correção dos momentos positivos Nas lajes em que o momento fletor negativo compatibilizado é menor do que o momento negativo inicialmente calculado, faz-se uma correção dos momentos fletores positivos, acrescentando a metade da diferença entre os momentos negativos ao momento positivo inicialmente calculado, segundo a equação: Equação 17 Nas lajes em que o momento fletor negativo compatibilizado é maior do que o momento negativo inicialmente calculado, não é feita a correção dos momentos positivos, a favor da segurança. Cálculo para a L4(1): 5 8 5 8 kN m m Cálculo para a L4(2): Embora será adotado o momento negativo compatibilizado de 4,13 kN*m/m para toda a continuidade entre as lajes L4 e L5, a vinculação da L4(2) foi considerada como do tipo engaste - apoio e, portanto, o momento fletor positivo nessa região da laje será corrigido apenas considerando o engastamento da L4(2) com a L6 à esquerda. kN m m A Tabela 16 apresenta os novos valores do momento fletor positivo nos casos em que a correção se fez necessária: Tabela 16: Correção dos momentos fletores positivos Laje L1 L3 L4 (1) L4 (2) L5 L7 Ma (kN*m/m) 6,37 5,19 5,86 3,83 14,92 1,22 M- (kN*m/m) 6,30 4,15 4,69 3,07 11,93 0,97 (Ma - M-)/2 0,04 0,52 0,59 0,38 1,49 0,12 Mi (kN*m/m) 2,89 2,74 2,93 2,16 7,31 0,68 M+ corr. (kN*m/m) 2,92 3,25 4,10 2,54 8,80 0,81 Fonte: Autor A Figura 13 apresenta todos os valores de momentos positivos e negativos calculados para as lajes, após as devidas compatibilizações e/ou correções. 48 Figura 13: Momentos fletores finais de cálculo para as lajes em kN*m/m Fonte: Autor 49 4.4 DIMENSIONAMENTO DAS ARMADURAS LONGITUDINAIS A seguir será feito o dimensionamento da área das armaduras longitudinais para todas as lajes nas direções X e Y. A armadura das lajes será calculada considerando tensões de flexão simples por faixa unitária de um metro, com o mesmo procedimento de cálculo utilizado para o cálculo de armadura de flexão em vigas. Serão utilizados os momentos fletores máximos de cálculo achados para o ELU no item 4.3, a partir dos carregamentos majorados por 1,4. No Estado Limite Último, as ações são majoradas e as resistências são minoradas. Além disso, entre as hipóteses básicas de cálculo está a consideração de que a seção transversal se mantém plana após a deformação e a de que a deformação nas barras passivas aderentes é a mesma do concreto em seu entorno. Determina-se que na situação de ruína, a laje está atuando no Estádio III, caracterizado por fissuração aproximando-se da linha neutra, reduzindo a área de concreto comprimida. As tensões de tração no concreto são desprezadas no ELU, sendo resistidas apenas pela armadura cujo alongamento último é de 10‰. Além disso, as fibras comprimidas no concreto são aproveitadas ao máximo, estando praticamente todas em escoamento com deformação superior a 2‰ até o encurtamento último de ruptura do concreto de 3 5‰. Admite-se que a distribuição das tensões de compressão no concreto siga o diagrama parábola-retângulo da Figura 14, sendo que na região do retângulo todas as fibras estão em escoamento. Por simplificação, para concretos com resistência característica à compressão até 50 MPa, é permitido que o diagrama parábola retângulo seja substituído por um retângulo com altura igual a 0,8x, em que x é a altura da linha neutra. Figura 14: Diagrama parábola-retângulo e diagrama retangular de tensões Fonte: Pinheiro (2007) 50 No estádio III, são definidos seis domínios de deformação a partir dos conjuntos de deformações possíveis no aço e no concreto, considerando uma seção retangular com armadura simples. Os domínios ajudam a determinar o comportamento da seção na ruína. A Figura 15 apresenta todos os domínios. Figura 15: Domínios do estado limite último de uma seção transversal Fonte: NBR 6118:2014 Segue abaixo uma breve explicação de cada um dos domínios: Domínio 1 – A seção sofre apenas tração e a linha neutra é externa à seção. A ruína é caracterizada pela ruptura no aço com deformação de 10‰ e o concreto não tem participação na resistência da seção, estando todo tracionado. Domínio 2 – A linha neutra corta a seção transversal e há compressão e tração. O concreto não alcança a ruptura com deformações menores que 3 5‰ e a ruína acontece por tração no aço com deformação de 10‰. Domínio 3 – A linha neutra corta a seção transversal e há compressão e tração. A ruína é caracterizada por compressão no concreto que alcança a ruptura, com deformação de 3 5‰. Na ruptura do concreto o aço está em escoamento e há aproveitamento máximo dos dois materiais. O domínio 3 varia entre x = 0,259*d e x = 0,6283*d para aço do tipo CA-50. Domínio 4 – A linha neutra corta a seção transversal e há compressão e tração. A ruína é caracterizada por compressão no concreto que alcança a ruptura, 51 com deformação de 3 5‰. No entanto na ruptura do concreto o aço não está em escoamento e, portanto, não há advertência para a ruína com grandes deformações. Domínio 4a – A linha neutra corta a seção transversal na região de cobrimento da armadura e tanto concreto quanto aço estão comprimidos. A ruína é caracterizada por compressão no concreto que alcança a ruptura, com deformação de 3 5‰ e é sem aviso uma vez que na ruptura do concreto há encurtamento da armadura. Domínio 5 – A linha neutra não corta a seção transversal, a qual está inteiramente comprimida. A ruína é caracterizada por compressão no concreto que alcança a ruptura, com deformação de 2,0‰ e é sem aviso. No caso das lajes, caso a ruptura estimada aconteça no domínio 4, é necessário aumentar sua altura, para que a ruína aconteça com avisos. Enquanto que a ruptura no domínio 3 caracteriza-se por melhor aproveitamento dos materiais, a ruptura no domínio 2 é aceitável. Além dos domínios de deformação, a NBR 6118, item 14.6.4.3, também solicita que seja respeitado o limite de ductilidade de . 4.4.1 Cálculo das armaduras positivas na direção X Primeiramente é necessário calcular a posição da linha neutra na seção transversal para determinar o domínio de deformação em que a laje se encontra e determinar a área de aço necessária de acordo com as equações de equilíbrio. A posição da linha neutra x é determinada em função da altura útil da laje dx, da resistência de cálculo fcd do concreto e do momento de cálculo Md para cada laje no ELU. Neste item, serão utilizados os momentos fletores finais Mx para determinar as áreas das armaduras positivas da direção X. x M Equação 18 A altura útil da laje na direção x é calculada pela seguinte equação: Equação 19 52 O valor x é a bitola da armadura longitudinal na direção x, levando em consideração que a bitola máxima deverá ser igual a um oitavo da altura da laje. Equação 20 O valor fcd é a resistência de cálculo do concreto à compressão, a qual em obras usuais e situações normais é calculada dividindo o fck do concreto por 1,4, ou seja, minorando a resistência, de acordo com o quadro 1.3 da NBR 6118:2014. A partir da posição da linha neutra x, é possível calcular a área de aço necessária usando a equação a seguir: Equação 21 O valor fyd é a resistência de cálculo do aço, a qual corresponde a resistência característica do tipo de aço utilizado minorada por 1,15, também para situações normais, de acordo com o quadro 1.3. Cálculo para a L4 (1): mm m x m m Cálculo para a L4 (2): m 53 m Cálculo para a L5: mm m x m m 4.4.1.1 Armaduras mínimas A principal função das armaduras mínimas nas lajes é controlar a fissuração do concreto e evitar rupturas bruscas (frágeis) na seção. Para as duas armaduras principais positivas das lajes bidirecionais, a armadura mínima é calculada pela Equação 22. Equação 22 Já para a armadura principal positiva das lajes unidirecionais, a armadura mínima é calculada pela Equação 23. Equação 23 O valor ρmin é a taxa mínima da área de armadura passiva em relação à área de concreto da seção . Para seções retangulares de concreto com fck igual a 25 MPa, aço CA-50 e ɣc igual a 1,4, ρmin é igual a 0,150%. Cálculo para a L4: 54 Para a região L4(2), a armadura calculada anteriormente de 1,16 cm² é menor do que a armadura mínima de 1,20 cm². Logo, deverá ser adotada a armadura mínima para essa região da laje. Cálculo para a L5: A área de armadura de 3,64 cm² calculada para a L5 está dentro dos limites definidos pela norma. A Tabela 17 e Tabela 18 apresentam respectivamente a posição da linha neutra para todas as lajes e a área de armadura positiva longitudinal calculada na direção X, incluindo a verificação da armadura mínima. Tabela 17: Posição da linha neutra na direção X Laje h (cm) cobrim. (cm) φx (cm) dx (cm) fck (kN/cm²) fcd (kN/cm²) Mx (kN*cm/m) b (cm) x (cm) x/d Domínio L1 8,00 2,50 0,630 5,185 2,50 1,786 237,14 100,00 0,39 0,07 2 L2 9,00 2,50 0,630 6,185 2,50 1,786 357,33 100,00 0,49 0,08 2 L3 8,00 2,50 0,630 5,185 2,50 1,786 325,47 100,00 0,54 0,10 2 L4 (1) 8,00 2,50 0,630 5,185 2,50 1,786 410,29 100,00 0,69 0,13 2 L4 (2) 8,00 2,50 0,630 5,185 2,50 1,786 253,97 100,00 0,42 0,08 2 L5 9,00 2,50 0,800 6,100 2,50 1,786 880,47 100,00 1,30 0,21 2 L6 8,00 2,50 0,630 5,185 2,50 1,786 420,78 100,00 0,71 0,14 2 L7 8,00 2,50 0,630 5,185 2,50 1,786 80,56 100,00 0,13 0,02 2 Fonte: Autor 55 Tabela 18: Armaduras positivas na direção X Laje h (cm) dx (cm) Mx (kN*cm/m) x (cm) fyd (kN/cm²) As calc. (cm²/m) As min (cm²/m) Asx (cm²/m) L1 8,00 5,185 237,14 0,39 43,48 1,08 0,80 1,08 L2 9,00 6,185 357,33 0,49 43,48 1,37 0,90 1,37 L3 8,00 5,185 325,47 0,54 43,48 1,51 0,80 1,51 L4 (1) 8,00 5,185 410,29 0,69 43,48 1,92 1,20 1,92 L4 (2) 8,00 5,185 253,97 0,42 43,48 1,16 1,20 1,20 L5 9,00 6,100 880,47 1,30 43,48 3,63 0,90 3,63 L6 8,00 5,185 420,78 0,71 43,48 1,97 0,80 1,97 L7 8,00 5,185 80,56 0,13 43,48 0,36 1,20 1,20 Fonte: Autor 4.4.2 Cálculo das armaduras positivas na direção Y A posição da linha neutra na direção Y é calculada da mesma maneira que na direção X, utilizando os momentos fletores de cálculo My para as armaduras positivas da direção Y. No entanto, existe diferença no cálculo da altura útil dy na direção Y, que é feita de acordo com a Equação 24. Equação 24 Além disso, a área de armadura longitudinal na direção Y é calculada apenas para as lajes bidirecionais, enquanto que para as lajes unidirecionais é utilizada apenas uma armadura de distribuição nessa direção. Cálculo para a L5: mm m x m m 56 A Tabela 19 e Tabela 20 apresentam respectivamente a posição da linha neutra para todas as lajes e a área de armadura positiva longitudinal calculada na direção Y, incluindo a verificação da armadura mínima. Tabela 19: Posição da linha neutra na direção Y Laje h (cm) cobrim. (cm) φx cm φy cm dy (cm) fck (kN/cm²) fcd (kN/cm²) My (kN*cm/m) b (cm) x (cm) x/d Domínio L1 8,00 2,50 0,630 0,630 4,555 2,50 1,786 292,37 100,00 0,56 0,12 2 L2 9,00 2,50 0,630 0,630 5,555 2,50 1,786 201,42 100,00 0,31 0,05 2 L3 8,00 3,50 0,630 0,630 3,555 2,50 1,786 62,20 100,00 0,15 0,04 2 L5 9,00 2,50 0,800 0,630 5,385 2,50 1,786 374,95 100,00 0,60 0,11 2 L6 8,00 2,50 0,630 0,630 4,555 2,50 1,786 335,55 100,00 0,64 0,14 2 Fonte: Autor Tabela 20: Armadura positiva na direção Y Laje h (cm) dy (cm) My (kN*cm/m) x (cm) fyd (kN/cm²) As calc. (cm²/m) As min (cm²/m) Asy (cm²/m) L1 8,00 4,555 292,37 0,56 43,48 1,55 0,80 1,55 L2 9,00 5,555 201,42 0,31 43,48 0,85 0,90 0,90 L3 8,00 3,555 62,20 0,15 43,48 0,41 0,80 0,80 L5 9,00 5,385 374,95 0,60 43,48 1,68 0,90 1,68 L6 8,00 4,555 335,55 0,64 43,48 1,80 0,80 1,80 Fonte: Autor 4.4.3 Cálculo das armaduras de distribuição na direção Y As lajes unidirecionais possuem apenas uma armadura mínima de distribuição na direção Y. De acordo com a tabela 9.1 da NBR 6118:2014, a área Asy da armadura de distribuição deve possuir o maior valor dentre as opções da Equação 25. Equação 25 Cálculo para a L4(1): 57 Cálculo para a L4(2): A Tabela 21 apresenta os resultados para a armadura de distribuição das lajes unidirecionais. Tabela 21: Armadura de distribuição na direção Y Laje h (cm) Asx (cm²/m) 20% As 0,075% 0,9 Asy (cm²/m) L4 (1) 8,00 1,92 0,38 0,60 0,900 0,90 L4 (2) 8,00 1,20 0,24 0,60 0,900 0,90 L7 8,00 1,20 0,24 0,60 0,900 0,90 Fonte: Autor 4.4.4 Cálculo das armaduras negativas nas continuidades das lajes O cálculo da área de armadura negativa segue o mesmo procedimento realizado para as armaduras positivas. Para o cálculo da posição da linha neutra, em casos de lajes vizinhas com alturas diferentes, a altura útil deve ser obtida com relação a menor altura, para considerar a situação mais crítica. O cobrimento superior será adotado de 1,5 cm para todas as lajes, uma vez que possuem revestimento de piso cerâmico e revestimento argamassado, conforme permitido pela NBR 6118:2014. A altura útil é calculada pela Equação 26. Equação 26 4.4.4.1 Armaduras mínimas A armadura mínima para armaduras negativas de continuidade é calculada pela Equação 27, de acordo com a tabela 9.1 da NBR 6118:2014. Equação 27 Cálculo para o encontro L4-L5: mm 58 m x m m A Tabela 22 e Tabela 23 apresentam respectivamente a posição da linha neutra para todas as lajes e a área de armadura negativa longitudinal nos encontros das lajes, incluindo a verificação da armadura mínima. Tabela 22: Posição da linha neutra nas continuidades Laje h (cm) cob. (cm) φx (cm) dx (cm) fck (kN/cm²) fcd (kN/cm²) Mx (kN*cm/m) b (cm) x (cm) x/d Domínio L1 - L2 8,00 1,50 0,800 6,100 2,50 1,786 630,05 100,00 0,90 0,15 2 L3 - L4 8,00 1,50 0,630 6,185 2,50 1,79 468,90 100,00 0,65 0,11 2 L4 - L5 8,00 1,50 0,630 6,185 2,50 1,79 468,90 100,00 0,65 0,11 2 L4 - L6 8,00 1,50 0,630 6,185 2,50 1,79 306,64 100,00 0,42 0,07 2 L2 - L5 9,00 1,50 1,000 7,000 2,50 1,79 1193,23 100,00 1,54 0,22 2 L3 -L6 8,00 1,50 0,630 6,185 2,50 1,79 414,90 100,00 0,57 0,09 2 L6 - L7 8,00 1,50 0,630 6,185 2,50 1,79 97,27 100,00 0,13 0,02 2 Fonte: Autor Tabela 23: Armadura negativa nas continuidades Laje h (cm) dx (cm) Mx (kN*cm/m) x (cm) fyd (kN/cm²) As calc. (cm²/m) As min (cm²/m)* As (cm²/m) L1 - L2 8,00 6,100 630,05 0,90 43,48 2,53 1,35 2,53 L3 - L4 8,00 6,185 468,90 0,65 43,48 1,82 1,20 1,82 L4 - L5 8,00 6,185 468,90 0,65 43,48 1,82 1,35 1,82 L4 - L6 8,00 6,185 306,64 0,42 43,48 1,17 1,20 1,20 L2 - L5 9,00 7,000 1193,23 1,54 43,48 4,30 1,35 4,30 L3 -L6 8,00 6,185 414,90 0,57 43,48 1,60 1,20 1,60 L6 - L7 8,00 6,185 97,27 0,13 43,48 0,36 1,20 1,20 *Calculado considerando a maior espessura. Fonte: Autor 59 4.4.5 Cálculo das armaduras negativas nas bordas sem continuidade Nos encontros das lajes sem continuidade ou bordas das lajes que possuem viga como apoio, a NBR 6118:2014 recomenda o uso da armadura mínima calculada de acordo com a Equação 28. Equação 28 O resumo das áreas de aço para as armaduras de bordas de todas as lajes está exibido na Tabela 24.
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