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Kleverton R. Costa Estruturas de concreto armado I Catalogação elaborada pelo Setor de Referência da Biblioteca Central Uniube Costa, Kleverton R. C823e Estruturas de concreto armado I / Kleverton R. Costa. – Uberaba: Universidade de Uberaba, 2018. 220 p. : il. Programa de Educação a Distância – Universidade de Uberaba. Inclui bibliografia. ISBN 1. Concreto armado. 2. Estrutura de concreto armado. 3. Vigas. 4. Lajes. I. Universidade de Uberaba. Programa de Educação a Distância. II. Título. CDD 624.18341 © 2018 by Universidade de Uberaba Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Universidade de Uberaba. Universidade de Uberaba Reitor Marcelo Palmério Pró-Reitor de Educação a Distância Fernando César Marra e Silva Coordenação de Graduação a Distância Sílvia Denise dos Santos Bisinotto Editoração e Arte Produção de Materiais Didáticos-Uniube Editoração Márcia Regina Pires Revisão textual Stela Maria Queiroz Dias Diagramação Douglas Silva Ribeiro Projeto da capa Agência Experimental Portfólio Edição Universidade de Uberaba Av. Nenê Sabino, 1801 – Bairro Universitário Kleverton R. Costa Especialista no ensino da Física, pela Universidade Cândido Mendes (Ucam). Bacharel em Engenharia Civil e bacharel em Administração de Empresas, pela Uniube. Professor no curso de Engenharia Civil, nas modalidades EAD e presencial, na Universidade de Uberaba (Uniube). Engenheiro Calculista de empresa de engenharia, Uberaba, MG. Engenheiro Civil responsável por empresa de montagem de estruturas metálicas para arquibancadas e palcos para eventos, Uberaba e região, MG. Sobre o autor Sumário Apresentação .............................................................................................................VII Capítulo 1 Lajes maciças – prescrições e determinação dos esforços solicitantes............................................................................................... 1 1.1 Definição .................................................................................................................. 3 1.1.1 Classificação das lajes maciças ................................................................... 3 1.1.2 Vão efetivo ..................................................................................................... 6 1.1.3 Vinculações das lajes maciças ...................................................................... 7 1.2 Ações a serem consideradas ................................................................................ 10 1.2.1 Carregamento proveniente do peso próprio ................................................ 11 1.2.2 Carregamento proveniente da regularização/contrapiso ............................ 11 1.2.3 Carregamento proveniente do reboco do teto ............................................. 11 1.2.4 Carregamento proveniente do piso assentado ............................................ 12 1.2.5 Carregamento proveniente de paredes ....................................................... 12 1.2.6 Carregamento acidental ............................................................................... 16 1.3 Valores máximos e mínimos .................................................................................. 16 1.4 Pré-dimensionamento ............................................................................................ 19 1.5 Dimensionamento: determinação das reações de apoio ...................................... 19 1.5.1 Reações de apoio em lajes armadas em uma direção - ........ 20 1.5.2 Reações de apoio em lajes armadas em duas direções - ...... 22 1.6 Dimensionamento: determinação dos momentos fletores .................................... 23 1.6.1 Momentos fletores em lajes armadas em uma direção - .........23 1.6.2 Momentos Fletores em lajes armadas em duas direções - .....24 1.6.3 Compatibilização entre os momentos fletores obtidos .................................35 1.6.4 Condições de vinculação ..............................................................................39 1.7 Conclusão .............................................................................................................. 42 Capítulo 2 Lajes maciças – dimensionamento das armaduras de flexão e verificação do cisalhamento e flechas ................. 45 2.1 Dimensionamento: dimensionamento das armaduras .......................................... 46 2.1.1 Cálculo das armaduras com utilização da tabela de Pinheiro .................... 51 2.1.2 Área de aço mínima na flexão ..................................................................... 53 2.1.3 Área de aço máxima na flexão .................................................................... 56 2.1.4 Diâmetro máximo das barras fletidas .......................................................... 56 2.1.5 Espaçamento máximo e mínimo entre as barras ........................................ 57 2.1.6 Comprimento e disposição das armaduras de flexão. ................................ 57 2.1.7 Armadura para combate aos momentos volventes ..................................... 58 2.2 Dimensionamento: dimensionamento da armadura transversal .......................... 58 2.3 Dimensionamento: flecha ...................................................................................... 60 2.3.1 Flecha imediata segundo a NBR 6118/2014 ............................................... 61 2.3.2 Flecha diferida no tempo.............................................................................. 67 2.4 Conclusão .............................................................................................................. 68 Capítulo 3 Lajes maciças – exemplo prático de dimensionamento .... 71 3.1 Exemplo prático de dimensionamento ...................................................................72 3.2 Conclusão ...............................................................................................................90 Capítulo 4 Vigas – Flexão simples na ruína ........................................ 93 4.1 Definição ............................................................................................................... 95 4.2 Classificação das vigas ........................................................................................ 95 4.3 Modelo de vinculação permitido para vigas contínuas ......................................... 96 4.3.1 Vão efetivo ................................................................................................... 99 4.4 Estimativa de altura ............................................................................................. 100 4.5 Ações a serem consideradas .............................................................................. 102 4.5.1 Carregamento proveniente do peso próprio .............................................. 102 4.5.2 Carregamento proveniente de paredes ..................................................... 103 4.5.3 Carregamento proveniente das lajes ......................................................... 103 4.5.4 Carregamento proveniente de outras vigas .............................................. 104 4.6 Comportamento resistente das vigas sob flexão simples ................................... 104 4.7 Deformação nos materiais que compõem a viga de concreto armado ..............106 4.7.1 Altura da linha neutra ................................................................................. 106 4.7.2 Domínios de deformação em função da posição da linha neutra ............. 107 4.8 Equações de dimensionamento .......................................................................... 109 4.8.1 Cálculo da altura útil e da área de aço em função dos coeficientes Kc e Ks ....................................................................................................... 113 4.8.2 Área de aço mínima na flexão ................................................................... 115 4.8.3 Área de aço máxima na flexão .................................................................. 116 4.8.4 Armadura de pele ....................................................................................... 117 4.8.5 Disposições construtivas ............................................................................ 117 4.9 Dimensionamento: flecha .................................................................................... 118 4.9.1 Flecha imediata segundo a NBR 6118/2014 ............................................. 120 4.9.2 Flecha imediata para vigas de concreto armado ....................................... 123 4.9.3 Flecha diferida no tempo............................................................................ 124 4.10 Contraflecha ....................................................................................................... 126 4.11 Exemplos de dimensionamento e verificação ................................................... 126 4.12 Conclusão .......................................................................................................... 138 Capítulo 5 Vigas seção “t” e “l” – flexão simples na ruína .................141 5.1 Definição .............................................................................................................. 143 5.2 Considerações necessárias para o dimensionamento ..................................... 144 5.2.1 Largura da mesa colaborante (bf).............................................................. 145 5.2.2 Espessura da mesa colaborante (hf) ......................................................... 146 5.3 Modelo de vinculação permitido para vigas contínuas ....................................... 147 5.3.1 Vão efetivo ................................................................................................. 147 5.4 Estimativa de altura ............................................................................................. 148 5.5 Ações a serem consideradas .............................................................................. 149 5.6 Comportamento resistente das vigas “t” e “l” sob flexão simples ....................... 149 5.6.1 Altura da linha neutra ................................................................................. 149 5.6.2 Determinação da profundidade da linha neutra em seções “t” e “l” .......... 150 5.6.3 Verificação do comportamento, se viga “T” falsa ou verdadeira ............... 151 5.6.4 Utilização dos coeficientes tabelados para determinação da seção......... 154 5.7 Equações de dimensionamento .......................................................................... 158 5.7.1 Cálculo da área de aço em função dos coeficientes Kc e Ks ................... 159 5.7.2 Áreas de aço mínima, máxima e armaduras de pele ................................ 161 5.8 Exemplos de dimensionamento .......................................................................... 161 5.9 Conclusão ............................................................................................................ 165 Capítulo 6 Vigas – Cisalhamento ......................................................167 6.1 Definição .............................................................................................................. 168 6.2 Modelo clássico da treliça de ritter-morch ( ) ..................................... 170 6.3 Modelo de treliça generalizada ( )VARIÁVELθ = . ............................................ 171 6.4 Análise dos tipos de ruptura por cisalhamento .................................................... 173 6.5 Modelo de cálculo I, NBR 6118/2014 .................................................................. 174 6.5.1 Verificação da compressão das bielas ...................................................... 175 6.5.2 Cálculo da armadura de cisalhamento – estribos ..................................... 176 6.6 Disposições construtivas ..................................................................................... 181 6.6.1 Diâmetros máximo e mínimo do estribo vertical ........................................ 182 6.6.2 Espaçamentos máximo e mínimo entre estribos verticais ........................ 182 6.6.3 Determinação do número de ramos do estribo ......................................... 183 6.7 Armadura de suspensão ...................................................................................... 183 6.8 Exemplos de dimensionamento .......................................................................... 184 6.9 Conclusão ............................................................................................................ 188 Prezado(a) Aluno(a). A disciplina de Estruturas de Concreto Armado I é basicamente o estudo das componentes horizontais, em que a flexão é o esforço preponderante, existentes nas edificações usuais. Seu emprego é largo, e, no Brasil, basta olhar a sua volta: é o método construtivo mais utilizado com larga vantagem sobre os demais métodos. O estudo do comportamento dos elementos de concreto armado, mais especificamente, neste material, lajes e vigas, parte de princípios da Física mecânica clássica, com algumas peculiaridades que as fazem diferentes de todos os outros materiais comumente empregados na construção civil: não possuem comportamento isótopo, ou seja, é um material de construção composto, no qual há uma ligação possível entre o concreto e o aço devido a suas características químicas e físicas. Este material visa trazer estratégias para que o aluno possa conhecer as etapas de verificação do comportamento estrutural e dimensionamento das lajes e vigas. Assim, pautados pelos princípios normativos, e sob as luzes das maiores publicações a este respeito, o aluno encontrará mais do que as rotinas e formulários necessários ao dimensionamento; ele encontrará o motivo pelo qual as equações são empregadas, pois em toda obra há a dedução das suas fórmulas: o motivo de sê-las. Em 1972, o professor Dr. Fritz Leonhardt, provavelmente o maior expoente e estudioso sobre o concreto armado do mundo, escreveu: “Os princípios básicos do dimensionamento de estruturas de concreto Apresentação X UNIUBE armado e protendido são, basicamente, de fácil compreensão, desde que se obtenha, através do estudo da Mecânica e da Resistência dos Materiais, uma imagem material, dando origem às tensões.” E, ainda, “No concreto armado existe uma pequena dificuldade – o fato de que se deve levar em conta o conjunto de dois materiais de construção – o aço e o concreto – e o comportamento não-linear desses materiais devido às solicitações.” (LEONHARDT, 1972, prefácio). É importante ressaltar que o colapso de uma viga ou laje poderá trazer graves consequências e que a responsabilidade é dividida entre o engenheiro executor e o engenheiro calculista. Construções pautadas nos “costumes antigos” devem perder espaço no meio urbano para projetos calculados e com Assinatura de Responsabilidade Técnica - ART. Compreender o comportamento de uma estrutura poderia parecer simples, e passível de ser feita por qualquer um que tenha conhecimento empírico, porém após a leitura deste material, espero que o alerta sobre o tamanho da responsabilidade de dimensionar elementos portantes da construção tenha lhe ocorrido. Introdução Lajes maciças – prescrições e determinação dos esforços solicitantes Capítulo1 Entende-se por lajes, aos elementos em forma de placas com dimensões distintas, em que a espessura é a menor delas. Há uma gama de soluções, quando do lançamento estrutural, possíveis para o engenheiro utilizar com o intuito de compor o elemento laje. Neste capítulo, abordarememos de maneira mais aprofundada as lajes maciças de concreto armado. O modelo mais simples e mais empregado na construção de pequenos edifícios é a laje premoldada, composta por vigotas de concreto armado em forma de treliças. Porém este modelo será estudado em outro momento. As lajes mais robustas e que normalmente resistem a carregamentos mais elevados são o objetivo de nosso estudo nesse momento. As lajes maciças apoiadas sobre quatro bordas (vigas) são as mais comumente empregadas na construção civil e o seu processo de cáclulo será demonstrado de acordo com as recomendações da NBR 6118/2014. Ao final dos estudos propostos neste capítulo, esperamos que seja capaz de: • explicar o elemento laje e classificá-lo segundo suas vinculações; Objetivos 2 UNIUBE 1.1Definição 1.1.1 Classificação das lajes maciças 1.1.2 Vão Efetivo 1.1.3 Vinculações das lajes maciças 1.2 Ações a serem consideradas 1.2.1 Carregamento proveniente do peso próprio 1.2.2 Carregamento proveniente da regularização/ contrapiso 1.2.3 Carregamento proveniente do reboco do teto 1.2.4 Carregamento proveniente do piso assentado 1.2.5 Carregamento proveniente de paredes 1.2.6 Carregamento acidental 1.3 Valores máximos e minimos 1.4 Pré-Dimensionamento 1.5 Dimensionamento: Determinação das reações de apoio 1.5.1 Reações de apoio em lajes armadas em uma direção - λ=lx/ly≥2 1.5.2 Reações de apoio em lajes armadas em duas direções - λ=lx/ly<2 1.6 Dimensionamento: Determinação dos momentos fletores Esquema • determinar as ações e os quinhões de carga em que o elemento terá em serviço; • determinar as reações de apoio das lajes às vigas de borda; • aplicar os processos de determinação de momentos fletores e sua origem numérica; • calcular os momentos fletores atuantes através do processo mais apropriado; • compatibilizar os momentos fletores calculados entre lajes adjacentes; • determinar as vinculações das lajes pelas diferenças entre suas rigidezes. UNIUBE 3 1.6.1 Momentos fletores em lajes armadas em duas direções - λ=lx/ly<2 1.6.2 Momentos Fletores em lajes armadas em duas direções - λ=lx/ly<2 1.6.3 Compatibilização entre os momentos fletores obtidos 1.6.4 Condições de vinculação 1.7 Conclusão Definição1.1 As lajes maciças são elementos planos bidimensionais em que o comprimento e a largura são de mesma ordem de grandeza e muito superiores à espessura. São destinadas a receber a maior parte das ações de um edifício, podendo ser suscetíveis a cargas provenientes de pessoas, móveis, paredes, pisos e acabamentos e as mais variadas possibilidades de carregamentos em função da utilização do edifício. São placas rígidas que funcionam como um diafragma de rigidez infinita quando solicitadas ao contraventamento. Imagine o edifício sendo solicitado por cargas laterais, perpendiculares a maior fachada do edifício, provenientes da ação do vento. Neste cenário a laje maciça funciona como uma viga de travamento com altura igual ao vão que a mesma cobre e uma rigidez (EI) alta o bastante para absorver grande parte dos momentos fletores e deflexões provocadas por esta última ação. 1.1.1 Classificação das lajes maciças As lajes maciças podem ser classificadas de acordo com distintos critérios, em relação à forma geométrica, vinculações direção das ações, etc. Neste livro, deteremo-nos em classificá-las de acordo com a direção ou as direções da armadura principal. Uma laje maciça pode trabalhar (ser armada) em uma ou duas direções. Quando do primeiro caso, calculamos a mesma como uma viga com 4 UNIUBE largura (bw) igual a 100 cm e dispomos de armadura de distribuição no sentido perpendicular. Quando armada em duas direções precisamos conhecer o quinhão de carga que atuará em cada sentido. Este quinhão de carga será responsável pela determinação dos momentos fletores máximos e mínimos, os quais são de suma importância para o cálculo das armaduras de flexão. As lajes serão determinadas, quanto ao sentido do trabalho (armadura), segundo a relação abaixo: a) Laje armada em uma direção Para que se considere a laje unidirecional, a relação entre seus comprimentos “L” deverá ser superior a dois. Ou seja, o maior lado deverá ter o dobro, ou mais, do comprimento do menor lado. Figura 1: Laje unidirecional. Fonte: Bastos (2015, p.2) UNIUBE 5 b) Laje armada em duas direções As lajes armadas em duas direções terão a relação entre os dois comprimentos considerados menor ou igual a dois. Isto implica em dizer que o carregamento não agirá em uma única direção. Nas lajes unidirecionais, o cálculo é feito como se todo o carregamento agisse no sentido de menor direção “Lx” – esta fração do carregamento que agirá em cada sentido perpendicular é denominado como quinhão de carga. Quinhões de carga são parcelas correspondentes do carregamento total “Q”, onde , são determinadas em função do teorema utilizado e diretamente proporcionais aos comprimentos “Lx” e “Ly”. Observe a Figura 2: Figura 2: Laje armada em duas direções. Fonte: Bastos (2015, p.2). 6 UNIUBE 1.1.2 Vão efetivo Para cálculo do vão efetivo, ou seja, do comprimento efetivo na direção considerada, usa-se o comprimento de centro geométrico de aplicação de apoio da laje na viga. Para tanto, deve-se tomar o comprimento da laje neste sentido, acrescido da metade da largura da viga de borda. Este modelo (ABNT_NBR 6118/2014, item 14.6.2.4) embasa-se na prática de utilização de vigas prismáticas retangulares – paralelepípedos retângulos – em que o centro geométrico da mesma em qualquer face será a exata metade desta face. Observe a Figura 3: Figura 3: Vão teórico. Como é possível observar na Figura 3, o apoio da laje se dá efetivamente no centro de gravidade das vigas de borda, neste caso V1 e V2. Assim sendo, o comprimento efetivo será: Onde: = Vão teórico para determinação dos esforços solicitantes. = Comprimento medido do painel de lajes. (Sem considerar as vigas nas bordas). UNIUBE 7 1.1.3 Vinculações das lajes maciças As lajes podem apoiar-se em vigas, paredes, pilares, ou ter sua borda livre. Os casos mais comuns se referem ao apoio em vigas, comumente chamadas de vigas de borda. Os tipos de vínculo existentes são: simplesmente apoiadas, livres, engaste perfeito e engaste elástico. a) Bordas simplesmente apoiadas As lajes interrompidas ou que não possuam continuidade são consideradas, para efeito de cálculo, como simplesmente apoiadas. Eis que surge, neste momento, um aspecto muito importante para análise. As lajes, independentemente da sua configuração, classificação ou material, quando em serviço, tendem a levantar as bordas. Este fato é fácil de ser explicado: o momento positivo máximo encontra-se próximo ao centro da laje. A deflexão máxima positiva (para baixo) também se dará no ponto onde o momento é máximo positivo, fazendo com que haja tendência ao levantamento da borda. Este fato, aliado à alta rigidez (EI) à torção do elemento da borda (paredes, vigas de grande altura e pilares), fará aparecerem momentos volventes. Os momentos volventes ou momentos de fissuração serão tratados mais adiante neste mesmo livro. Nos edifícios mais comuns, as lajes têm, como delimitação, vigas de pequeno e médio portes; deste modo, vigas de baixa rigidez (EI), possibilitando, ao conjunto, uma rotação síncrona; garantindo, ao conjunto estrutural, a condição de simplesmente apoiada e menor fissuração. É importante lembrar que esta rotação é pequena, dada pela terceira integral do quinhão de carga do carregamento na direção considerada ou da derivada da equação da linha elástica – Rotação Angular. Observe a Figura 4: 8 UNIUBE Figura 4: Rotação do elementode apoio em função da deflexão da laje. b) Bordas Livres As lajes que possuem uma ou mais bordas sem nenhum tipo de apoio são classificadas, para fim de cálculo dos esforços solicitantes, como bordas livres. É pouco comum encontramos bordas livres em construções de edifícios correntes, portanto não nos aprofundaremos neste modelo. Um exemplo visualizável é a laje de muros de arrimo sem viga de respaldo. c) Engaste Perfeito Lajes perfeitamente engastadas são aquelas em que o giro é completamente impedido pela rigidez da viga que a suporta. São as lajes em balanço. Aplicáveis em casos como sacadas, marquises, varandas, etc. UNIUBE 9 Observe a Figura 5: Figura 5: Laje em balanço engastada na viga de borda. Fonte: Bastos (2015, p.4). Outra situação em que consideramos uma laje com um engaste perfeito se dá quando há grandes diferenças de espessura ou de comprimentos entre duas lajes adjacentes. Este caso será mais bem explicado no exemplo resolvido no final do Capítulo. d) Engaste elástico Este tipo de engaste é muito comum em lajes em que haja continuação. Para fins de cálculo, considera-se cada painel de laje isolado, nos pontos de continuidade são engastados perfeitamente e depois compatibilizados de modo a tentar alcançar o valor real do engaste elástico. É sabido que um engaste elástico depende de um fator de mola e este fator depende de uma série de variáveis complexas. As equações que solucionam estes problemas de engaste elástico dependem da teoria utilizada e serão demonstrados mais à frente neste capítulo. No momento nos importa entender como dois momentos de engastamentos perfeitos de intensidades distintas serão compatibilizados. 10 UNIUBE Figura 6: Momentos de engastamento elástico. Fonte: Bastos (2015, p.5). Ações a serem consideradas1.2 As ações são as cargas que a laje deve resistir, atendendo ao – E.L.U – Estado de Limite Último à ruptura e ao – E.L.S – Estado de Limite de Serviço, conforme disposto na ABNT_NBR 6118/2014. O primeiro trata da verificação quanto à ruptura/colapso e o último quanto à sensibilidade visual, deflexão. Estes estados serão mais bem estudados quando estivermos dimensionando as lajes. Estes carregamentos provêm de várias ações distintas: peso próprio, acabamentos, paredes, móveis, pessoas, etc. Os valores de cada ação podem ser consultados na ABNT_NBR 6120/1980 – Cargas para o cálculo de estruturas de edificações. É fato que o conhecimento do calculista acerca da densidade dos materiais dispostos sobre a laje também auxiliará na composição do carregamento final. A unidade final do carregamento será em unidade de força por unidade de área. UNIUBE 11 1.2.1 Carregamento proveniente do peso próprio O peso próprio da estrutura de concreto armado pode ser calculado em função da sua espessura. Através do item 3, Tabela 1 da NBR 6120/1980 temos que o concreto armado tem seu peso próprio na ordem de 25 KN/m³. ,q pp yc e= ∗ , Onde: 1.2.2 Carregamento proveniente da regularização/contrapiso De maneira análoga ao peso próprio, a Tabela 1 da ABNT_NBR 6120/1980 fornece as densidades das misturas em função do tipo de regularização, seja ela com areia, cimento e cal ou apenas com areia e cimento, etc. , Onde: q,pr=carga do peso próprio da regularização. Depende do tipo de combinação,em KN/m² γr=peso específico da regularização em função do tipo de combinação,em KN/m³ e=espessura da regularização,em metros 1.2.3 Carregamento proveniente do reboco do teto Note que, em uma laje de piso, a mesma servirá de piso para o pavimento “n” e teto para o pavimento “n-1”. Deste modo, devemos escolher o tipo 12 UNIUBE de material empregado no reboco/acabamento do teto e proceder como já nos é familiar: , Onde: 1.2.4 Carregamento proveniente do piso assentado Cada tipo de piso, os mais comumente utilizados na construção civil, estão listados na ABNT_NBR 6120/1980. Procederemos de maneira idêntica as anteriores: , Onde: 1.2.5 Carregamento proveniente de paredes Em alguns casos, a arquitetura dispõe de paredes sobre as lajes sem que haja a possibilidade de lançarmos sob as mesmas vigas para suportá-las. O modelo de cálculo mais conveniente dependerá do comprimento destas paredes, altura e espessura. A melhor solução, dentre as possibilidades arquitetônicas, deverá ser analisada pelo engenheiro calculista. UNIUBE 13 De todo modo, o carregamento destas paredes, quando houver, deverá ser calculado da seguinte maneira: a) Em lajes armadas em uma direção: Em lajes armadas em uma direção, temos dois casos possíveis: • Paredes longitudinais à menor direção da laje: estas paredes são as que a sua disposição acompanha o lado armado principal da laje, e seu carregamento será distribuído em uma faixa de .¹ Soma-se ao carregamento total da laje, o carregamento linear da parede (KN/m). De maneira geral podemos dizer que: Onde: Figura 7: Parede longitudinal à armação principal. Fonte: Bastos (2015, p.9). 14 UNIUBE É pertinente alertar que esta situação pode causar fissuras excessivas no acabamento da laje enquanto teto. O fato se justifica pela diferença de carregamento entre as faixas métricas da laje, onde, na faixa sob a parede, teremos um carregamento acentuado devido ao peso das mesmas. Partindo do pressuposto de que toda laje tenha uma única espessura, a flecha/deflexão sob a parede será maior, proporcionalmente ao acréscimo da carga proveniente da parede. • Paredes perpendiculares à menor direção da laje: estas paredes, pela disposição dos quinhões de carga e seu sentido de atuação, configurarão em uma carga pontual (KN) exatamente onde a mesma venha a passar. Ao contrário da situação anterior em que a parede exercerá o carregamento no mesmo sentido da armação principal, nesta situação, a carga da mesma será distribuída nas diversas faixas unitárias consideradas no dimensionamento. De maneira geral, podemos escrever: Onde: 1 – Cada autor atribui uma faixa de domínio para atribuição do carregamento da parede. A largura da faixa apresentada neste livro está de acordo com os estudos do Prof. Dr. Paulo Sérgio dos Santos Bastos (UNESP –SP). UNIUBE 15 Figura 8: Parede perpendicular à armação principal. Fonte: Bastos (2015, p.10). b) Paredes sobre lajes armadas em duas direções Neste caso, entende-se que a carga proveniente da parede será distribuída por toda a placa, somando-se às ações decorrentes do peso próprio, acabamentos etc. Como os carregamentos assumem a forma de unidade de força por unidade de área, o processo para cálculo deste carregamento será descrito a seguir: Onde: 16 UNIUBE 1.2.6 Carregamento acidental Entende-se por carregamento acidental, as cargas que não são provenientes da estrutura e seu acabamento. Dentro dessa gama, encontram-se os móveis, as pessoas, os equipamentos, maquinários, etc. De modo a facilitar a consideração destas cargas, o calculista pode consultar a ABNT_NBR 6120/1980, de modo a retirar de lá as ações pertinentes a cada tipo de utilização da laje. Valores máximos e mínimos1.3 No dimensionamento das lajes maciças de concreto armado, devemos observar as regulamentações impostas pela ABNT_NBR 6118/2014. Estas regulamentações atingem vários aspectos inerentes ao dimensionamento feito pelo engenheiro calculista. Dentre estes limites, os mais comuns são: • Altura mínima da laje maciça: No item 13.2.4.1, a ABNT_NBR 6118/2014 trata como sendo a menor altura permitida às lajes maciças, devido a sua disposição, os seguintes valores: a) 7 cm para cobertura não em balanço; b) 8 cm para lajes de piso não em balanço; c) 10 cm para lajes em balanço; d) 10 cm para lajes que suportem veículos com peso total menor que 30 kN; e) 12 cm para lajes que suportem veículos com peso total maior que 30 kN; f) 15 cm para lajes com protensão apoiadas em vigas, com no mínimo L/42 para lajes biapoiadas e L/50 para lajes de piso contínuas; g) 16 cm para lajes lisas e 14 cm para lajes-cogumelo, forado capitel. (ABNT, 2014) UNIUBE 17 • Cobrimento nominal mínimo: A tabela 7.2 da ABNT_NBR 6118/2014 traz os valores mínimos do cobrimento nominal as armaduras em função da classe de agressividade ambiental em que a laje esteja contextualizada. Tabela 1: Correspondência entre a classe de agressividade ambiental e o cobrimento nominal Fonte: ABNT_NBR 6118/2014 Para garantir o cobrimento mínimo exigido, soma-se ao valor do cobrimento nominal o valor da tolerância de execução, ∆c = 10 mm. Deste modo é possível escrever a equação do cobrimento mínimo como sendo: 18 UNIUBE ∆c É possível também recordar que a altura útil de uma peça fletida é a altura que realmente contribuirá para resistir às tensões provocadas pela flexão. No caso do concreto armado, a resistência à tração (tração decorrente da flexão) é desprezada; sendo assim, é descartada toda área abaixo do centro de gravidade da última barra longitudinal. Deste modo, é possível calcular a altura útil “d”, para laje de concreto armado, da seguinte maneira: e onde: Obs. Como não é possível conhecer as bitolas da armadura de flexão antes do dimensionamento, é comum utilizarmos de diâmetros médios para cálculo da altura útil. Como na maioria dos casos, as bitolas das armaduras estarão próximas de 8 mm, pode-se adotar este valor. Neste livro, o autor adota o diâmetro de 10 mm para este fim, pois será possivelmente a maior bitola a ser utilizada neste tipo de elemento. UNIUBE 19 Pré-dimensionamento1.4 O primeiro passo para dimensionar uma laje de concreto armado é a estimativa da altura final da laje, obedecendo sempre os limites mínimos de espessura conforme a ABNT_NBR 6118/2014, assunto já abordado. Existem algumas maneiras de fazer esta estimativa, porém o autor se limita a apontar a que ele utiliza em seu escritório de cálculo e defendida por dois renomes da área: prof. Dr. Libânio Pinheiro e prof. Dr. Paulo Bastos. (Vide Referências ao final do Capítulo) A altura final da laje pode ser estimada pela expressão: onde: Note que, ao pré-dimensionar as lajes, conseguimos a estimativa do peso próprio atuante devido à densidade do concreto empregado. Este pré-dimensionamento serve apenas para este fim: calcular o peso próprio do concreto armado. Não se dispensa a necessidade de verificar as flechas, constantes do E.L.S. Dimensionamento: determinação das reações de apoio1.5 Ao contrário de toda teoria demonstrada até o final deste capítulo, a determinação das reações de apoio, ou seja, a carga que a laje descarrega nos elementos de sustentação, sejam eles vigas de borda, paredes, pilares etc, serão calculados supondo um comportamento 20 UNIUBE plástico. O método admitido pela ABNT_NBR 6118/2014(item 14.7.6.1_ Reações de apoio) chama-se Método das Charneiras Plásticas. Quando a análise não for completa, admite-se: Para o cálculo das reações de apoio das lajes maciças retangulares com carga uniforme podem ser feitas as seguintes aproximações: a) as reações em cada apoio são as correspondentes às cargas atuantes nos triângulos ou trapézios determinados através das charneiras plásticas correspondentes à análise efetivada com os critérios de 14.7.4, sendo que essas reações podem ser, de maneira aproximada, consideradas uniformemente distribuídas sobre os elementos estruturais que lhes servem de apoio; b) quando a análise plástica não for efetuada, as charneiras podem ser aproximadas por retas inclinadas, a partir dos vértices, com os seguintes ângulos: - 45° entre dois apoios do mesmo tipo; - 60° a partir do apoio considerado engastado, se o outro for considerado simplesmente apoiado; - 90° a partir do apoio, quando a borda vizinha for livre. (ABNT, 2014, p. 96). 1.5.1 Reações de apoio em lajes armadas em uma direção - Para este caso específico, a metodologia de cálculo passa pela suposição de vigas paralelas com largura ( ) igual a 1m (100cm). Portanto, para a direção principal, o cálculo consiste em determinar a reação de apoio por metro de laje como já estudado diversas vezes nas disciplinas de Teoria das Estruturas. Para cargas distribuídas nas lajes: UNIUBE 21 Onde: Quanto mais próxima de 2 for a relação , mais haverá a tendência dos esforços se distribuírem em quinhões de carga, como será tratado no próximo item. Para consideração destas reações possíveis no sentido secundário, segundo o método das charneiras plásticas, tomamos a área do triangulo com ângulos internos com 30°, 30° e 120°, respectivamente. Figura 9: Área de influência das charneiras plásticas para lajes unidirecionais. Fonte: Bastos (2015, p.19). A favor da segurança, pode-se tomar: Para cálculo da reação na viga, por metro de viga, temos: 22 UNIUBE Conclui-se que: Com em KN/m² e em metros. 1.5.2 Reações de apoio em lajes armadas em duas direções - No caso de lajes em que tenhamos duas direções principais, devemos utilizar das aproximações permitidas pela norma, e traçarmos os triângulos e trapézios em função das vinculações. Figura 10: Esquema estático em relação aos triângulos e trapézios pelo método das charneiras plásticas. Fonte: Bastos (2015, p. 20). De maneira aproximada, é possível o cálculo das reações de apoio, em função da dedução apresentada para a área do triangulo na laje unidirecional, através de tabelas que correlacionam o valor de (sempre com ), com o tipo da laje segundo BARÉS, pela seguinte expressão: em que, UNIUBE 23 Dimensionamento: determinação dos momentos fletores1.6 1.6.1 Momentos fletores em lajes armadas em uma direção - O esquema de cálculo de laje armada em uma direção assemelha-se ao cálculo dos momentos fletores em barras, tal como visto exaustivamente nas disciplinas de análises das estruturas. É um processo análogo ao dimensionamento das vigas, em que as lajes tornam-se vigas com base/ largura de 1m (100cm). As fórmulas para determinação dos momentos fletores, de acordo com o tipo de carregamento aplicado (neste caso somente carregamento distribuído – kN/m²) e sua vinculação, podem ser resumidas a seguir: a) Lajes bi apoiadas: b) Lajes engaste/apoio: c) Lajes engaste/engaste: 24 UNIUBE onde: 1.6.2 Momentos fletores em lajes armadas em duas direções - Os momentos fletores em lajes armadas em duas direções distribuem- se de tal maneira que em função do seu quinhão de carga – parcela do carregamento que atuará no sentido “x” e a parcela do carregamento que atuará no sentido “y” – dispõem de uma complexidade de análise maior. Ao contrário das lajes armadas em uma única direção , estas lajes possuem algumas teorias clássicas para determinação do módulo destes momentos fletores. Tal comprennsão se dará após a análise do sentido de fissuração em placas retangulares de concreto armado à medida que a relação for diminuindo até assumir valores próximos de 1. A Figura 11, a seguir, demonstra como os momentos fletores tendem a desviar seu sentido nos cantos em função dos momentos volventes – momentos fletores existentes devido à tendência de levantamento das bordas das lajes. É possível notar, em seu comportamento, que os momentos fletores tendem a formar ângulos de 45 º com a borda horizontal à medida que as dimensões das lajes tendem a ser iguais. Enquanto isso, nas dimensões mais distintas , os momentos nos centros das placas se desenvolvem perpendicularmente às bordas. UNIUBE 25 Figura 11: Direção dos momentos fletores principais. Fonte: Leonhard Te Mönnig (1982, p.82). Isto posto, a análise empírica da distribuição dos momentos fletores, aliada a algumas teorias clássicas, permitem-nos determinar, com razoável precisão, os valores das reações verticais, do módulo dos momentos positivos e negativos, da flecha máxima e equação da linha neutra. Os métodos supracitados encontram-se sob a luz de dois métodos: o elástico e o plástico. Neste livro abordaremos o método elástico devido à possibilidade de utilização de tabelas para simplificação dos cálculos. Imagineuma laje em que os momentos fletores e as reações de apoio se distribuem nas duas direções, “x” e “y”. Agora imagine que as vinculações desta laje sejam do tipo simplesmente apoiadas para “y” e engaste/engaste para “x” (este fato se justifica pela laje como ausência de continuidade no sentido “y”). 26 UNIUBE Figura 12: Esquema estático de laje bi-direcional. Fonte: Bastos (2015, p.6). Obervando o esquema estático acima (Figura 12), podemos inferir o seguinte: - o carregamento total Q, atuante sobre a laje será distribuído nas duas direções “x” e “y”, conforme seu quinhão de carga. Assim sendo, podemos escrever o quinhão de carga atuante no sentido “x” da placa ( ) somado à parcela que atuará da carga no sentido “y” da placa ( ) tem igual intensidade ao carregamento total ( ). Considerando a placa como material prismático sujeito a deflexões elásticas máximas iguais, tanto em “x” como em “y”, podemos escrever: , montamos o seguinte sistema: Onde: = quinhão de carga atuante no sentido = quinhão de carga atuante no sentido = vão de cálculo no sentido x UNIUBE 27 = vão de cálculo no sentido y = Módulo de Elasticidade secante do concreto armado = Momento de Inércia da seção retangular do concreto armado Isolando , temos: Substituindo na segunda equação e chamando de λ, temos: Colocando em evidencia e isolando-no em função de Q, temos: Como , temos: Simplificando: Deste modo, para este tipo de vinculação, é possível determinar o quinhão de carga para cada sentido (“x” e “y”), conhecendo a relação e o valor do carregamento atuante . De maneira análoga, é possível determinar os quinhões de carga para todas as combinações possíveis de vinculações, desde a laje isolada (simplesmente apoiada em todas as bordas) como totalmente engastada. 28 UNIUBE Os valores de kx podem ser consultados na tabela de MARCUS anexa ao final deste livro, onde, deste modo, foram calculados: Este processo é mesmo usado nas tabelas de MARCUS, para cálculo dos momentos fletores negativos. Os momentos fletores positivos são aliviados pelo possível engastamento elástico parcial que a laje sofre. Os momentos fletores atuantes podem ser calculados sem uso de tabelas, para esta metodologia demonstrada acima, da seguinte maneira: Se o lado “x”, simplesmente chamado de , é engastado/engastado, o momento de engastamento perfeito, de uma forma geral, pode ser calculado da seguinte maneira para a faixa de um metro de laje: 2 1 kN kNQ m Q m m ∗ = Da segunda integral do carregamento, encontrando a condição de contorno para determinação das constates de integração, temos a equação do momento fletor: e Genericamente: E para este caso: Se 4 4 5 5 1 qx Q λ λ ∗ = ∗ ∗ + , então, UNIUBE 29 Exemplo: O esquema (Figura 13), a seguir, é a laje de um apartamento isolada no seu maior vão ly e possui lajes adjacentes no seu menor vão lx. Sabendo que ela será dimensionada para suportar um carregamento total de 10 kN/m², calcular os momentos fletores atuantes nesta laje: Veja a resolução, a seguir. Sabendo que a laje é do Tipo 4, conforme a classificação de MARCUS, pois se trata de engaste/engaste em lx e apoio/apoio em ly, temos: Figura 13: Esquema estático de laje bidirecional. Fonte: Bastos (2015, p.6). 30 UNIUBE Por fim, é necessário dizer que hoje existem diversas maneiras de analisar os momentos fletores atuantes nas lajes. Por este método, após o conhecimento dos quinhões de carga, é possível se atingir boa precisão analisando as continuidades por programas de cálculo e análise de estruturas planas, como o FTOOL, por exemplo. 1.6.1.1 Cálculo de momentos fletores com utilização da tabela de Marcus Com a dedução demonstrada no item anterior, lançando mão do sistema linear, é possível calcular com certa precisão os momentos fletores atuantes em todos os tipos de lajes, em função das vinculações e da relação . Porém, além de trabalhoso, esse método conta com uma precisão menor do que as observações feitas por alguns autores, baseados em conceitos físicos mais apurados. Em função deste problema é que iniciaremos os cálculos, utilizando as tabelas de Marcus disponibilizadas ao final desse livro. É possível comparar os valores dos momentos fletores obtidos pelas equações a seguir em função dos coeficientes Mx, My, Xx, Xy e λ com os obtidos através das deduções anteriores. Conforme as tabelas de MARCUS, os momentos fletores são calculados segundo as seguintes expressões: UNIUBE 31 onde: Para utilização destas fórmulas, é necessário classificar as lajes conforme suas vinculações. São seis tipos, conforme a Figura 14: Figura 14: Tipos de lajes. Para consultar esta tabela, além de classificar a laje segundo sua vinculação dentro dos seis tipos existentes, também é necessário identificar e . O critério consiste em observar qual o lado com o maior número de engastes, este sempre será . No caso de haver igual número de engastes entre os vãos, e , o primeiro será o que possui menor comprimento. 32 UNIUBE A determinação dos quinhões de carga passa pelas mesmas regras que a determinação dos momentos fletores. Exemplo de aplicação: Resolvendo o exemplo anterior com o auxílio das tabelas, temos: Da Tabela, tiramos: Note que o valor do momento de engastamento é exatamente igual ao calculado pelo autor através da dedução da igualdade entre as flechas. Nos momentos positivos, a margem de erro é pequena com relação aos valores encontrados através dos coeficientes das tabelas. Em suma, a utilização da tabela é mais vantajosa e a demonstração serve para ilustrar como se determinam as fórmulas utilizadas. 1.6.1.2 Cálculo de momentos fletores com utilização da Tabela de BARÉS Outro método para se calcular os esforços solicitantes em lajes de concreto armado em duas direções, supondo o comportamento elástico, o material homogêneo e isótropo é a Teoria das Placas, proposta por Lagrange em 1811. UNIUBE 33 Este método relaciona as deflexões ocorridas em cada sentido da placa (laje) com o quociente entre o carregamento distribuído total e a rigidez do material. A equação fundamental baseia-se na igualdade entre a derivada de quarta ordem de cada equação da linha elástica (“x” e “y”), somada à derivada parcial da mesma linha elástica. Esta equação pode ser descrita como segue: Onde: Sendo o módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson. É fácil de notar a complexidade de resolução da teoria das placas em função dos vários tipos de vinculação e λ existentes. Para a simplificação dos cálculos utilizaremos as tabelas de BARÉS, obtidas pelo processo de diferenças finitas e adaptadas por Pinheiro (2007). Tais tabelas encontram-se ao final do seu livro. A diferença na adaptação se dá na consideração do valor do coeficiente de Poisson, que antes era de e por Pinheiro (2007), . A utilização destas tabelas é muito semelhante à utilização das tabelas de MARCUS, exceto por um detalhe que segue: Conforme a Tabela de BARÉS adaptada por Pinheiro (2007), os momentos fletores são calculados segundo as seguintes expressões: 34 UNIUBE Para utilização destas fórmulas, é necessário classificar as lajes conforme suas vinculações. São seis tipos, conforme o que segue: Figura 15: Tipos de vinculações de lajes, segundo Barés. Fonte: Pinheiro (2007). Exemplo de aplicação: Utilizando o exemplo da metodologia anterior (item 1.6.1.1), vamos calcular os momentos fletores da mesma laje com a tabela de BARÉS adaptada por Pinheiro (2007). Neste caso, a laje é do tipo 4b (menor lado biengastado). ly lx λ = UNIUBE 35 Da tabela, tiramos: É possível notar que os valores calculados por este método, com relação aos dois métodos antes apresentados (Dedução e Processo de Marcus), são mais conservadores. Os valores, em módulo, são maiores do que os calculados outrora. Na resolução do caso prático, mais adiante, discutiremos sobre a relevância da diferençaentre os módulos dos valores dos momentos fletores. 1.6.3 Compatibilização entre os momentos fletores obtidos Na maciça maioria dos casos, as lajes de edifícios residenciais não são isoladas, ou seja, possuem continuidade. Isto implica dizer que não temos mais um caso de estrutura isostática nem tampouco um engastamento perfeito. Haver continuidade implica dizer que os momentos fletores negativos surgidos nas vinculações das bordas das lajes têm intensidade igual ao momento fletor surgido na borda adjacente. Surge, aí, um problema: Como analisar lajes com espessuras e comprimentos diferentes sucetíveis a momentos fletores negativos diferentes? Para resolver tal demanda, utilizaremos um processo há muito usado em escritórios de cálculo no Brasil e que já foi difundido nas literaturas específicas. Segundo a NBR 6118/2014 está compatibilização pode ser feita das seguintes maneiras: 36 UNIUBE Quando houver predominância de cargas permanentes, as lajes vizinhas podem ser consideradas isoladas, realizando a compatibilização dos momentos sobre os apoios de forma aproximada. No caso de análise plástica, a compatibilização pode ser realizada mediante a alteração entre as razões dos momentos de borda e vão, em procedimento iterativo, até obtenção de valores equilibrados nas bordas. Permite-se a adoção do maior momento negativo em vez de equilibrar os momentos das lajes diferentes sobre uma borda comum. (ABNT, 2014, p. 97). Da recomendação acima, tiramos as seguintes conclusões: O processo que utilizamos para cálculo dos momentos fletores é feito sob a ótica do comportamento elástico, portanto não nos cabe o processo iterativo. A adoção do maior momento fletor permite-nos uma margem alargada de segurança, margem esta que já é coberta pelos inúmeros coeficientes de majoração e minoração adotados no dimensionamento no E.L.U (Estado Limite Último). Deste modo, a compatibilização entre momentos fletores negativos de intensidades diferentes se dará sob as seguintes condições: 1º utiliza-se o maior valor entre a média aritmética simples ou oitenta por cento do maior valor de momento fletor. Para melhor entendimento, imagine duas lajes adjacentes que possuam dois momentos fletores distintos onde, : 2º não há compatibilização entre dois momentos onde um deles seja nulo. Neste caso, é necessário armar a laje para combater o momento fletor não-nulo em sua total intensidade. Imagine duas lajes adjacentes que possuam dois momentos fletores distintos onde, e , tem-se então: UNIUBE 37 3º em casos especiais de vinculação, em que uma das lajes pode assumir dois tipos de vínculo, em que um dos vínculos trará para a laje um momento nulo, armar a laje para a combinação mais desfavorável dentre a primeira e a segunda condição sobrescrita; 4ª também em casos especiais de vinculação, em que uma laje faça divisa com mais de uma laje, tomar a pior situação para cálculo da armadura de aço. Este fato parece controverso, pois admite, em certos casos, armaduras excessivas para um determinado comprimento de laje, porém facilita a compreensão do profissional responsável pela armação das barras de aço no canteiro de obras. As condições 3ª e 4ª serão melhores interpretadas no exemplo ilustrativo ao final deste capítulo. Estas condições implicam alteração dos diagramas de momentos fletores, há acréscimo no momento de menor intensidade e redução nos momentos de maior intensidade. Como as lajes em sua grande maioria são solicitadas por cargas distribuídas por área e posteriormente lineares (quando se considera as cargas por faixa de metro de laje kN/m, Kgf/m etc) o seu diagrama de momento fletor deverá responder a uma parábola advinda de uma equação quadrática, tipo , em que o vértice da parábola (equivalente ao momento máximo positivo) também deverá sofrer redução/inflação dependendo da compatibilização feita. Deste modo, uma maneira segura de rearranjar o diagrama é utilizar a seguinte prática: • para o momento máximo positivo cujo momento de engastamento perfeito tenha sido aumentado: neste caso, o momento positivo naturalmente sofreria redução, porém em função da segurança, manteremos o valor calculado; • para o momento máximo positivo cujo momento de engastamento perfeito tenha sido reduzido: neste caso, haverá acréscimo do momento máximo positivo e o mesmo será feito deste modo: 38 UNIUBE em que: Figura 16: Compatibilização dos momentos fletores negativos e consequente acréscimo no momento fletor máximo positivo. UNIUBE 39 1.6.4 Condições de vinculação Com exceção das lajes em balanço e casos raros de disposição construtiva (lajes com uma borda livre e três apoiadas), as lajes só serão consideradas engastadas nas bordas quando houver continuidade com outro painel de laje. Isto implica dizer que as lajes, nestes casos mais comuns, não são engastadas nas vigas ou elementos de borda e sim engastadas nas lajes adjacentes. Se esta situação não ocorrer, as lajes serão calculadas como simplesmente apoiadas nos elementos de suporte nas bordas (vigas, paredes, pilares etc.) 1.6.4.1 Condições especiais de vinculação Em alguns casos, não muito raros, as lajes têm continuidade interrompida no seu sentido considerado ou possuem grandes diferenças de comprimento (vão de cálculo) ou até mesmo grandes diferenças de espessuras. Para tratar de definir parâmetros para nossos estudos, o autor reserva-se o direito de apresentar os métodos por ele usados em seu escritório de cálculo. Veja a seguir. a) Lajes que possuam a continuidade interrompida ou continuidade parcial: as lajes maiores deverão ser consideradas como engastadas nas lajes menores caso a laje menor tenha o vão de cálculo maior que dois terços do comprimento da laje maior. Deste modo: . Independente desta condição, a laje menor será engastada na laje maior; as lajes menores que possuam comprimento entre dois terços da laje maior e um terço também da laje maior deverão ser calculadas como engastadas e apoiadas e tomar a pior combinação para cálculo das armaduras: . Independente desta condição, a laje menor será engastada na laje maior. 40 UNIUBE Caso as lajes menores possuam seu vão de cálculo no sentido considerado menor que um terço da laje maior, calcula-se a laje maior como simplesmente apoiada na laje menor. . Figura 17: Lajes interrompidas. b) Lajes com espessuras muito diferentes: Quando uma laje tem espessura muito diferente da outra, a propagação dos momentos fletores, sob a luz da Teoria dos Deslocamentos, tenderá à laje que possua maior rigidez. A rigidez (EI) é proporcional ao módulo de elasticidade e ao momento de inércia. Na maioria, o concreto bombeado na concretagem tem o mesmo Fck para todas as lajes. Então resta-nos o estudo do momento de inércia da seção retangular. O autor considera que uma diferença significativa para considerar uma laje apoiada em outra se dá quando uma laje possui o triplo da inércia da outra. Quando isto ocorrer, convém considerar a laje de maior inércia apoiada na laje de menor inércia. UNIUBE 41 em que: É importante lembrar que este é um critério pessoal e cada literatura adotará, ou não, seu próprio critério. Deste modo, para que se considere uma laje de maior espessura apoiada na de menor espessura, a primeira tem que ter 44% a mais de espessura. c) Lajes que possuam grandes diferenças de comprimento e momentos fletores. Este caso peculiar, ocorre na maioria das vezes com as lajes das sacadas ou dos corredores (hall de circulação). Quando uma placa é muito maior do que a sua continuidade poderão, devido à grande diferença de momentos fletores, ocorrer momentos negativos no centro da laje menor. No caso de lajes em balanço (sacadas), poderá haver levantamento desta laje. Portanto, cabe ao calculista analisar criteriosamente cada caso para que o mesmo tome a melhor medida para cada situação. Como medida paliativa razoável é, possível considerar a laje menor (do hall ou da sacada)engastada na maior e a maior laje apenas apoiada na laje menor. Quando se tem momentos fletores muito maiores , convém considerar a laje de maior momento fletor apoiada na de menor momento fletor. 42 UNIUBE Figura 18: Detalhe do levantamento imposto por vãos muito diferentes em lajes contínuas. Conclusão1.7 Após a leitura deste capítulo é possível observar que há duas verificações em que o engenheiro deverá se ater: Estado Limite último – ELU e Estado Limite de Serviço- ELS. Todas as prescrições estão presentes na NBR 6118/2014 e a rotina do dimensionamento poderá ser feita de acordo com a necessidade de cada caso, sendo o primeiro passo o lançamento estrutural. Resumo Neste primeiro capítulo, começamos o nosso estudo referente ao dimensionamento de lajes de concreto armado, sendo possível destacar: • a definição; • ações a serem consideradas; • valores máximos e mínimos; • pré-dimensionamento; • determinação das reações de apoio; • determinação dos momentos fletores. UNIUBE 43 Referências ABNT_NBR6118: 2014. Projeto de estruturas de concreto - Procedimento. Disponível em: <https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid...>. Acesso em: set. 2017. ABNT_NBR6120: Nov. 1980. Cargas para cálculo de estruturas de edificações. Disponível em: <https://engenhariacivilsp.files.wordpress.com/2014/02/nbr6120.pdf>. Acesso em: maio. 2018. BASTOS, Paulo Sérgio dos Santos. Lajes de Concreto - Notas de aula, Bauru, 2015. Disponível em: <wwwp.feb.unesp.br/pbastos>. Acesso em: 02 ago. 2017. LEONHARDT, F.; MÖNNIG, E. Construções de concreto. In: Princípios básicos do dimensionamento de estruturas de concreto armado, v. 1. Rio de Janeiro, Ed. Interciência, 1982. LEONHARDT, F.; MÖNNIG, E. Construções de concreto. In: Casos especiais de dimensionamento de estruturas de concreto armado, v. 2. Rio de Janeiro, Ed. Interciência, 1982, 305p. PINHEIRO, Libâneo. Fundamentos do Concreto e Projeto de Edifícios- v.l, São Carlos, 2007. Disponível: <wwwp.eesp_usp_pinheiro.usp.br>. Acesso em: 02 ago. 2017. SANTOS, L.M. Cálculo de Concreto Armado, v.l, São Paulo: Editora LMS, 1983. PFEIL, W. Concreto armado, v. 1/2/3, 5. ed. Rio de Janeiro: Editora Livros Técnicos e Científicos, 1989. Introdução Lajes maciças – dimensionamento das armaduras de flexão e verificação do cisalhamento e flechas Capítulo 2 O dimensionamento na flexão das lajes maciças depende basicamente do estádio em que o carregamento submeteu o elemento de concreto armado, bem como o domínio que a sua altura e largura possibilitem ao elemento. Como as lajes são placas, assemelham-se às vigas de comprimento váriável e largura de um metro. Dimensioná-las passa pelo crivo da ánalise da profundidade da linha neutra e como esta irá influenciar a deformação na armadura de aço e no concreto comprimido. Estes fatores serão analisados neste capítulo. Os esforços cortantes são, quase sempre, absorvidos pelos próprios mecanismos do concreto armado, no caso de lajes, e sua verificação é feita a partir da dispensa de armadura transversal (estribos). Em vigas, este efeito poderá levar ao colapso, e portanto, dedicaremos um capítulo para dissecar este assunto. No momento, em lajes maciças, apresentaremos os limites para dispensa de armadura transversal. Ao final dos estudos propostos neste capítulo, esperamos que seja capaz de: Objetivos 46 UNIUBE • esclarecer os possíveis domínios de cálculo das lajes maciças; • calcular as armaduras em função dos momentos fletores compatibilizados; • detalhar, em forma, as armaduras que compõem as lajes. • calcular as deflexões ocorridas, imediatas e diferidas. 2.1 Dimensionamento: dimensionamentos das armaduras 2.1.1 Cálculo das armaduras com utilização da tabela de Pinheiro 2.1.2 Área de aço mínima na flexão 2.1.3 Área de aço máxima na flexão 2.1.4 Diâmetro máximo das barras fletidas 2.1.5 Espaçamento máximo e mínimo entre as barras 2.1.6 Comprimento e disposições das armaduras de flexão 2.1.7 Armadura para combate dos momentos volventes 2.2 Dimensionamento: dimensionamento da armadura transversal 2.3 Dimensionamento: flecha 2.3.1 Flecha imediata segundo a NBR 6118/2014 2.4 Conclusão Esquema Dimensionamento: dimensionamento das armaduras2.1 O dimensionamento das lajes de concreto armado, sejam elas maciças, armadas em uma ou duas direções, nervuradas, treliças pré-fabricadas, todas são dimensionadas para trabalharem dentro de um determinado estádio e um determinado domínio. Ao contrário das vigas de concreto armado que são dimensionadas no estádio III, conhecido como cálculo na ruptura, as lajes são dimensionadas para trabalharem no estádio I e raramente atingem o estádio II. UNIUBE 47 Quando utilizamos a fórmula de pré-dimensionamento demonstrada neste capítulo, via de regra, garantimos que a laje esteja contida no estádio I. O que nos cabe verificar é se a altura da linha neutra realmente encontra-se dentro da seção de concreto. É razoável, para garantia de boa ductibidade, que os elementos estejam trabalhando abaixo do domínio 3, com altura de linha neutra . Vide item 17.2 – Elementos lineares sujeitos a solicitações normais – Estado Limite Último – E.L.U, da NBR 6118/2014. Tendo conhecimento dos momentos fletores solicitantes máximos e tendo calculado a altura útil da laje através da equação de equilíbrio dos momentos internos, é possível verificar esta condição ( ) e calcular a armadura, em cm²/m, para atender à tração ocorrida em virtude do binário de forças gerado pelo momento fletor. Equação de dimensionamento: Figura 1: Deformação sofrida pela seção transversal de concreto armado no Estado Limite Último. Fonte: ABNT_NBR 6118/2014, p.28. O equilíbrio da seção de concreto armado, no caso de lajes, dar-se-á no alongamento máximo de 10% na área tracionada (armadura de aço) e um encurtamento na seção comprimida de concreto que variará entre 0% a 3,5%. Este fato garantirá que a linha neutra se encontra dentro da seção transversal. 48 UNIUBE Sendo assim, Ou seja, a linha neutra variará de 0 a 0,259 d. Figura 2: Equilíbrio do binário de forças. Fonte: Bastos (2015, p. 13). Equilibrando a seção: A Resultante no concreto “Rc”, na área de aço tracionada “Rs” e na área de aço comprimida “R’s”, na iminência do dimensionamento na ruptura, considerando o diagrama parábola retângulo com sendo aproximadamente 80% da área de um retângulo de altura “x” e o aproveitamento de 85% da resistência de cálculo do concreto “Fcd”, temos: UNIUBE 49 Sendo a altura da linha neutra posicionada a partir do bordo superior e em função da altura “d”, escrevemos Substituindo “x” por , teremos: No diagrama retangular das tensões de compressão no concreto: Substituindo na equação , temos a equação para armadura de compressão: Para armadura simples (somente de tração, R’s = 0), temos: E para equilíbrio: Isolando a área de aço: 50 UNIUBE Finalmente: Exemplo de aplicação: Dimensionar a área de aço para uma laje com espessura “h” de 11 cm, cobrimento de 2,5 cm, fck de 25 Mpa, aço CA-50 e que possua momentos fletores nas seguintes ordens: Mx = 4,65 kN.m/m My = 1,55 kN.m/m M’x = 9,28 kN.m/m Resolução: 1º Supondo armadura longitudinal de 10 mm, calculamos a altura útil: 2º Descobrindo o domínio de cálculo, para Mx: , menor que 0,45, domínio 2, ok! UNIUBE 51 3º Descobrindo o domínio de cálculo, para My: , menor que 0,45, domínio 2, ok! 4º Descobrindo o domínio de cálculo, para M’x: , menor que 0,45, domínio 2, ok! 2.1.1 Cálculo das armaduras com utilização da tabela de Pinheiro Para facilitar ainda mais os cálculos das áreas de aço em função da altura da linha neutra, existe uma tabela criada por Pinheiro (2007), que correlaciona a resistência do concreto à compressão Fck com a resistência do aço à tração Fyk, condicionando os cálculos a simples consultas a coeficientes tabelados: Kc e Ks. O coeficiente que correlaciona a altura útil do elemento flexionado com a base,o Fck e a altura da linha neutra pode ser deduzido desta forma: 52 UNIUBE logo: Para cálculo da área de aço, de maneira análoga ao coeficiente Kc, deduziremos o coeficiente Ks. logo: Para demonstrar a utilidade desta Tabela, iremos refazer o último exemplo baseado nestes coeficientes. Para o momento Mx = 4,65 kN.m/m: Da Tabela de Pinheiro (2007), procuramos a coluna referente ao concreto utilizado, neste caso C-25, encontraremos entre os valores de Kc existentes o valor 10,6 e 8,6. Se olharmos na mesma linha a coluna mais à esquerda, retiraremos os valores dos domínios de cálculo (altura da linha neutra a partir do bordo comprimido), O UNIUBE 53 valor que encontramos com o cálculo manual completo foi de . Na mesma linha, procuramos a coluna à direita referente ao coeficiente de aço . Para aço CA-50, temos em ambas as alturas. Deste modo, a área de aço será calculada: Para o momento My = 1,55 kN.m/m: Para o momento M’x = 9,28 kN.m/m: 2.1.2 Área de aço mínima na flexão A ABNT_NBR 6118/2014 preconiza valores mínimos para as áreas de aço à flexão, em função da classe do concreto usado. O valor do momento fletor mínimo, ao qual a área de aço deve ser dimensionada, é calculado por: em que, 54 UNIUBE No item 17.3.5.2.1 - Valores Limites para armaduras longitudinais de vigas - ABNT_NBR6118/2014, o valor da taxa mínima admitida, em função da classe do concreto, é relacionado na tabela 17.3 desta mesma norma. Também há que se observar a tabela 19.1 que trata de taxas mínimas para lajes de concreto armado. Tabela 1: Valores mínimos para armadura passiva de flexão Fonte: NBR6118/2014, p. 158. UNIUBE 55 Tabela 2: Taxas mínimas para armaduras de flexão Fonte: NBR 6118/2014, p. 130. Deste modo, podemos conferir se nossos cálculos ficaram acima da armadura mínima preconizada por norma: Devemos armar a laje (nos momentos negativos) para um momento mínimo igual a 2,85 KN.m 0,15%*AC. Porém este valor tem que ser menor que o mínimo de Neste último caso (As,y), devemos dispor da armadura mínima de 1,11 cm²/m. 56 UNIUBE 2.1.3 Área de aço máxima na flexão Também segundo a ABNT_NBR 6118/2014 há que se respeitar uma taxa máxima de armadura na seção transversal. Este valor pode ser consultado no item 17.3.5.2.4, em que a mesma prega que: em que, Utilizando, como exemplo, a resolução anterior, temos: 2.1.4 Diâmetro máximo das barras fletidas Nenhuma barra de combate à flexão pode ter diâmetro maior que a oitava parte da espessura. Para o último caso: Conclui-se que, em uma laje de espessura de 11 cm, a bitola máxima possível a ser utilizada é a de meia polegada ( . UNIUBE 57 2.1.5 Espaçamento máximo e mínimo entre as barras A única preconização existente na ABNT_NBR 6118/2014 com relação às barras de distribuição (armadura secundária de distribuição) é que não devem ultrapassar a distância de 33 cm. Com relação às barras da armadura principal, estas não deverão ultrapassar um distanciamento de 2*h ou 20 cm. Com relação aos valores mínimos nada é disposto. Porém para que haja perfeição na concretagem, inclusive sobrando espaço para passagem do mangote vibratório, esta distância não deve ser menor que 2 cm. 2.1.6 Comprimento e disposição das armaduras de flexão. a) Armadura positiva: Para o comprimento das armaduras positivas a ABNT_NBR 6118/2014, em seu item 20.1, dispõe o seguinte: Nas lajes armadas em uma ou em duas direções, em que seja dispensada armadura transversal de acordo com 19.4.1, e quando não houver avaliação explícita dos acréscimos das armaduras decorrentes da presença dos momentos volventes nas lajes, toda a armadura positiva deve ser levada até os apoios, não se permitindo escalonamento desta armadura. A armadura deve ser prolongada no mínimo 4 cm além do eixo teórico do apoio. (ABNT_NBR_2014, p. 169). Deste modo, é possível concluir que, como na grande maioria das lajes de concreto maciço, não há necessidade de armadura transversal (estribos), como provaremos mais adiante. A área de aço calculada, após a escolha das bitolas e do espaçamento, deverá ser levada de apoio a apoio com um prolongamento de 4 cm além do eixo das vigas ou parede de borda. Ocorre muito pela facilidade, a dobra destes 4 cm para garantir a perfeita ancoragem. 58 UNIUBE b) Armadura negativa: Para as armaduras negativas, não há na ABNT_NBR 6118/2014 qualquer indicação do comprimento das barras. Porém a NB-1 de 1978 (Norma que regulamentou a maioria das construções de edifícios no Brasil, devido ao seu tempo de vigência) dispõe sobre o diagrama triangular admitido pelo momento fletor negativo. Este diagrama tem o comprimento aproximado de em cada lado de laje. Ou seja, o comprimento total da armadura negativa terá 50% do maior dos menores lados ( . 2.1.7 Armadura para combate aos momentos volventes Em cantos cujas duas bordas sejam apoiadas, e não disponham de armadura negativa, há a tendência de levantamento das mesmas pelo efeito do momento volvente ou momento torçor. Quando não forem feitos os cálculos específicos para esta situação, convém lançar armaduras para combate aos mesmos, no lado superior destes cantos com um comprimento igual 1/5 de lx. Para facilitar a execução, recomenda-se adotar malha ortogonal superior com seção transversal (bitola) em cada direção, não inferior a . 2.2 Dimensionamento: dimensionamento da armadura transversal Para elementos cuja relação base seja maior ou igual a cinco vezes a altura ( ), a verificação da necessidade de armadura transversal (estribos) é verificada conforme o item 19.4, da ABNT_NBR 6118/2014, p.158, que dispõe sobre a necessidade de armaduras transversais para os seguintes casos: As lajes maciças ou nervuradas, (conforme 17.4.1.1.2- b), podem prescindir de armadura transversal para resistir às forças de tração oriundas da força cortante, quando a força cortante de cálculo, a uma distância d da face do apoio, obedecer à expressão: UNIUBE 59 em que, Vrd,1= esforço cortante resistente de cálculo, admitindo o modelo 1 (treliças com bielas de inclinação Ø=45°também em kN) relativa a elementos sem armadura para força cortante. Para tanto, o valor do esforço cortante resistente de cálculo deve ser calculado através da seguinte expressão: onde: sendo: em que, 60 UNIUBE Como na maioria dos casos em que as lajes de concreto armado não são protendidas e a armadura se estende 4 cm além do vão teórico, considerando As, 1 como armadura mínima à flexão (a favor da segurança) a fórmula resumida fica deste modo: Utilizando dos exemplos já resolvidos, a resistência ao cisalhamento em um concreto de 25 MPA (2,5 kN/cm²) pela treliça de banzos paralelos com inclinação de 45°, conforme modelo 1 da ABNT_NBR 6118/2014, acima demonstrada, fica: Dimensionamento: flecha2.3 Como já havíamos citado anteriormente, a determinação das flechas máximas servem como parâmetro para o dimensionamento da laje de concreto armado em atendimento ao Estado Limite de Serviço – E.L.S. De maneira análoga ao demonstrado, quando deduzimos o cálculo do quinhão de carga, as flechas máximas ocorrem próximas da região central das placas (exceto para lajes em balanço e lajes com a borda livre) e através da equação da linha elástica podem ser determinadas levando em consideração o quinhão de carga admitido para cada sentido de trabalho ( ) da laje em questão. Ocorre que, em detrimento da grande variabilidade das cargas acidentais, acertar pontualmente o valor das flechas é trabalho quase impossível. UNIUBE 61 O que tentaremos é determinar o máximo deslocamento possível quando a laje estiver carregada com seu carregamento utilizado no dimensionamento e cálculo das armaduras. Novamente partimos do pressuposto de que as lajes têm um comportamento plástico. Neste contexto, admitimos que o comportamento do material concreto permite uma flecha imediata, em função das ações permanentes e uma flecha diferidaque contempla o efeito de fluência do concreto. É necessário citar que os valores encontrados através do modelo clássico, insistentemente estudado nas disciplinas de engenharia civil, a equação da linha elástica, quarta integral da função do carregamento traz valores um pouco acima da metodologia apontada pela ABNT_NBR 6118/2014. Como este material tem uma finalidade didática, deixaremos por hora de lado os cálculos e as demonstrações das deflexões baseadas no modelo clássico da linha elástica, no que tange às lajes armadas em duas direções, e nos deteremos em determinar as flechas – imediata e diferida no tempo – através da instrução da NBR 6118/2014. Porém, nada impede que o profissional, no âmbito do projeto, aplique a teoria que mais achar válida. Para lajes armadas em uma direção, a equação da linha elástica, caso a laje atenda as condições de fissuramento, ainda é a única maneira. 2.3.1 Flecha imediata segundo a NBR 6118/2014 Segundo o item 17.3.2 (Estado-limite de deformação) da ABNT_NBR 6118/2014, p.125, a determinação da flecha se dá na seguinte maneira: A verificação dos valores limites estabelecidos na Tabela 13.3 para a deformação da estrutura, mais propriamente rotações e deslocamentos em elementos estruturais lineares, analisados isoladamente e submetidos à combinação de ações conforme a Seção 11, deve ser realizada através de modelos que 62 UNIUBE considerem a rigidez efetiva das seções do elemento estrutural, ou seja, que levem em consideração a presença da armadura, a existência de fissuras no concreto ao longo dessa armadura e as deformações diferidas no tempo. A deformação real da estrutura depende também do processo construtivo, assim como das propriedades dos materiais (principalmente do módulo de elasticidade e da resistência à tração) no momento de sua efetiva solicitação. Em face da grande variabilidade dos parâmetros citados, existe uma grande variabilidade das deformações reais. Não se pode esperar, portanto, grande precisão nas previsões de deslocamentos dadas pelos processos analíticos prescritos. Ainda sobre a determinação destes deslocamentos verticais, o item 17.3.2.1 aponta: O modelo de comportamento da estrutura pode admitir o concreto e o aço como materiais de comportamento elástico e linear, de modo que as seções ao longo do elemento estrutural possam ter as deformações específicas determinadas no estádio I, desde que os esforços não superem aqueles que dão início à fissuração, e no estádio II, em caso contrário. Deve ser utilizado no cálculo o valor do módulo de elasticidade secante Ecs definido na Seção 8, sendo obrigatória a consideração do efeito da fluência. O texto supracitado infere sobre a mudança de comportamento que ocorre quando a intensidade das cargas aplicadas às placas faz com que a mesma deixe o estádio I e começe a trabalhar no estádio II. Recordando: O estádio I é aquele em que o material ainda não sofreu fissuração. O estádio II é o começo das fissurações no concreto armado. O valor do momento fletor limite do estádio I, ou seja, o máximo momento fletor em que a placa poderá sofrer, sem que fissure deve ser determinado da seguinte maneira: UNIUBE 63 sendo onde: = coeficiente que correlaciona a resistência à tração na flexão com a resistência à tração direta; = resistência à tração direta do concreto, conforme item 8.2.5 da ABNT_NBR_6118/201, com o quantil apropriado a cada verificação particular. Para determinação do momento de fissuração, deve ser usado o fctk,inf no estado-limite de formação de fissuras e o fct,m no estado- limite de deformação excessiva; Neste caso foi usado um quantil menor que 50% - Fct,m. = distância do centro de gravidade da seção à fibra mais tracionada. = momento de inércia da seção bruta de concreto, calcula-se: Também, de acordo com a norma, para concretos com classe de resistência até 55 Mpa: . O momento fletor a ser comparado com o momento de fissuração é o mometo fletor advindo da combinação rara de esforços. Ou seja, ações permanentes e ações variáveis (acidentais). 64 UNIUBE A partir do cálculo do momento de fissuração, existem duas possibilidades: 1ª O momento fletor atuante ser menor que o momento de fissuração: Neste caso, toma-se, para cálculo da flecha, o valor do momento de inércia da seção bruta de concreto . 2ª O momento fletor atuante é maior que o momento de fissuração: Neste caso, toma-se para cálculo da flecha o valor do momento de inércia equivalente, calculado da seguinte maneira: em que, = momento de fissuração do elemento estrutural, cujo valor deve ser reduzido à metade no caso de utilização de barras lisas; = momento fletor na seção crítica do vão considerado, ou seja, o momento máximo no vão para vigas biapoiadas ou contínuas e momento no apoio para balanços, para a combinação de ações consideradas nessa avaliação; = módulo de elasticidade secante do concreto. Calcula-se o módulo de elasticidade secante do concreto deste modo (para concretos até 55 Mpa): , sendo: UNIUBE 65 Obs. A favor da segurança, pode-se tomar o valor de (Concreto de 20 Mpa). Para calcular o momento de inércia no estádio 2 ( ), é necessário conhecer a posição da linha neutra ( ), que por dedução pode ser calculada pela seguinte expressão: E, finalmente, pela Teoria dos eixos paralelos: 2.3.1.1 Flecha imediata para lajes armadas em uma direção Para lajes armadas em uma direção, a análise elástica permite-nos o cálculo dos deslocamentos verticais através das seguintes fórmulas: a) Lajes biapoiadas: b) Lajes engaste/apoio: 66 UNIUBE c) Lajes engaste/engaste: d) Lajes em balanço: em que, = flecha imediata; = valor do carregamento na laje considerando a combinação quase permanente; = menor vão; = módulo de elasticidade secante do concreto. 2.3.1.2 Flecha imediata para lajes armadas em duas direções Para lajes armadas em duas direções, tal como o descrevemos acima, podemos calculá-las com o auxílio de tabelas em detrimento da equação da linha elástica em função de cada quinhão de carga. A fórmula para utilização das tabelas é: em que, = flecha imediata; UNIUBE 67 = valor do carregamento na laje considerando a combinação quase permanente = ; = menor vão; = largura unitária da laje; = coeficiente tabelado em função de λ. = módulo de elasticidade secante do concreto. 2.3.2 Flecha diferida no tempo Leva-se, para o cálculo deste incremento no deslocamento, a fluência do concreto. com Para cálculo do coeficiente em função do tempo, considerando o efeito da fluência no tempo infinito e a sobrecarga aplicada após 1 mês de concretagem: , a NBR 6118/2014 dispõe da seguinte Tabela 3: Tabela 3: Coeficiente em função do tempo Fonte: ABNT_NBR 6118/2014, p. 127. 68 UNIUBE Como em lajes não há armadura comprimida , então a flecha diferida fica como um coeficiente de majoração da flecha imediata, resultando na flecha total: Ao final dos cálculos, comparam-se os valores obtidos com os permitidos pela mesma norma (Tabela 4): Tabela 4: Limitação do deslocamento vertical Fonte: ABNT_NBR 6118(2014, p.77). Conclusão2.4 Após a leitura deste capítulo, você já consegue compreender as equações que correlacionam os esforços e discernir quais solicitações serão descarregadas na área de concreto e na área de aço. Deste modo, é possível dimensionar as lajes de concreto armado, bem como verificar seu funcionamento futuro através da previsão dos deslocamentos diferidos ao longo do tempo de uso. Resumo Neste segundo capítulo, continuamos o nosso estudo referente ao dimensionamento de lajes de concreto armado, sendo possível destacar: UNIUBE 69 • dimensionamentos das armaduras; • dimensionamento da armadura transversal; • flecha. Referências ASSOCIAÇÃO Brasileira de Normas Técnicas. Projeto de estruturas de concreto – Procedimento. In: ______NBR 6118. Rio de Janeiro, ABNT, 2014. BASTOS, P. Lajes de Concreto- Notas de aula,
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