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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE - FURG ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA CIVIL PROJETO DE EDIFICAÇÃO DE CONCRETO ARMADO MEMÓRIA DE CÁLCULO VERIFICAÇÃO DA INDESLOCABILIDADE E AÇÃO DO VENTO EDIFÍCIO UTEPILS Higor Lemos Cardoso – 80849 Lucas Duarte Roballo – 79731 Neimar Bisognin – 75962 Pâmela Cristina Bortoleti Domingues – 79687 RIO GRANDE 2019 1 Higor Lemos Cardoso – 80849 Lucas Duarte Roballo – 79731 Neimar Bisognin – 75962 Pâmela Cristina Bortoleti Domingues – 79687 MEMÓRIA DE CÁLCULO VERIFICAÇÃO DA INDESLOCABILIDADE E AÇÃO DO VENTO EDIFÍCIO UTEPILS A presente memória de cálculo descreve os procedimentos realizados para o cálculo da indeslocabilidade e da ação do vento sobre o Edifício Utepils, sob responsabilidade da Construtora e Incorporadora Nephal Engenharia. RIO GRANDE 2019 2 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 6 2. ANÁLISE DA INDESLOCABILIDADE ..................................................................... 7 3. MÉTODO DO PARÂMETRO DE INSTABILIDADE ............................................. 9 3.2. Cálculo da rigidez equivalente dos pórticos na direção X .................................. 10 3.3. Cálculo da rigidez equivalente dos pórticos na direção Y .................................. 15 3.2. Cálculo do parâmetro ...................................................................................... 20 4. AÇÃO DO VENTO SOBRE A ESTRUTURA ........................................................ 21 4.1. Velocidade característica do vento ..................................................................... 21 4.2. Força de Arrasto ................................................................................................. 24 4.2.1. Cálculo do coeficiente de arrasto ................................................................. 25 4.2.2. Cálculo da pressão dinâmica ....................................................................... 26 4.2.3. Área de exposição ....................................................................................... 26 4.2.4. Exemplo de cálculo da força de arrasto ....................................................... 28 5. DISTRIBUIÇÃO DAS FORÇAS DO VENTO SOBRE A ESTRUTURA ................. 31 5.1. Determinação do centroide de cada pórtico ....................................................... 32 5.2. Determinação das excentricidades ..................................................................... 32 5.3. Distribuição das forças em cada pórtico ............................................................. 33 6. CARREGAMENTO DE VENTO NOS PÓRTICOS ................................................ 35 6.1. Carregamentos do vento no Pórtico P1x ............................................................ 36 6.2. Carregamentos do vento no Pórtico P2x ............................................................ 37 6.3 Carregamentos do vento no Pórtico P3x ............................................................. 38 6.4. Carregamentos do vento no Pórtico P4x ............................................................ 39 6.5. Carregamentos do vento no Pórtico P1Y ............................................................ 40 6.6. Carregamentos do vento no Pórtico P2Y ............................................................ 41 6.7. Carregamentos do vento no Pórtico P3Y ............................................................ 42 3 7. MÉTODO DO COEFICIENTE Z ........................................................................... 43 Referências ............................................................................................................... 47 4 ÍNDÍCE DE FIGURAS Figura 3.1 - Deslocamento do Pórtico 1 - x ....................................................................... 11 Figura 3.2 - Deslocamento do Pórtico 2 - x ....................................................................... 12 Figura 3.3 - Deslocamento do Pórtico 3 - x ....................................................................... 13 Figura 3.4 - Deslocamento do Pórtico 4 - x ....................................................................... 14 Figura 3.5 - Deslocamento do Pórtico 1 - y ....................................................................... 17 Figura 3.6 - Deslocamento do Pórtico 2 - y ....................................................................... 18 Figura 3.7 - Deslocamento do Pórtico 3 - y ....................................................................... 19 Figura 4.1 - Gráfico de Isopletas ....................................................................................... 22 Figura 4.2 - Parâmetros meteorológicos ........................................................................... 22 Figura 4.3 - Coeficiente de arrasto Ca para vento de baixa turbulência ........................... 26 Figura 4.4 - Área de exposição para vento à 0º, cotas em cm .......................................... 27 Figura 4.5 - Área de exposição para vento à 90º, cotas em cm ........................................ 27 Figura 5.1 - Exemplo de estrutura de contraventamento .................................................. 32 Figura 6.1 - Carregamento de vento no Pórtico P1X ........................................................ 36 Figura 6.2 - Carregamento de vento no Pórtico P2X ........................................................ 37 Figura 6.3 - Carregamento de vento no Pórtico P3X ........................................................ 38 Figura 6.4 - Carregamento de vento no Pórtico P4X ........................................................ 39 Figura 6.5 - Carregamento de vento no Pórtico P1Y ........................................................ 40 Figura 6.6 - Carregamento de vento no Pórtico P2Y ........................................................ 41 Figura 6.7 - Carregamento de vento no Pórtico P3Y ........................................................ 42 Figura 7.1 - Deslocamentos no pilar de rigidez equivalente dos pórticos x ....................... 44 Figura 7.2 - Deslocamentos no pilar de rigidez equivalente dos pórticos y ....................... 44 5 ÍNDÍCE DE TABELAS Tabela 3.1 - Parâmetros de entrada no ftool para os pórticos de contraventamento na direção x ............................................................................................................................ 10 Tabela 3.2 - Rigidez equivalente dos pórticos na direção x .............................................. 15 Tabela 3.3 - Parâmetros de entrada no ftool para os pórticos de contraventamento na direção y ............................................................................................................................ 16 Tabela 3.4 - Rigidez equivalente dos pórticos na direção y .............................................. 20 Tabela 4.1 - Fator estatístico S3 ........................................................................................ 23 Tabela 4.2 - Velocidade Característica do vento vk em cada pavimento ........................... 24 Tabela 4.3 - Força de arrasto do vento à 0º ...................................................................... 29 Tabela 4.4 - Força de arrasto do vento à 90º .................................................................... 30 Tabela 5.1 - Centróide dos pórticos de contraventamento ................................................ 32 Tabela 5.2 - Porcentagem de carga de vento absorvida por cada pórtico de contraventamento ............................................................................................................. 34 Tabela 5.3 - Maiores forças atuantes em cada pórticode contraventamento ................... 34 Tabela 6.1 - Esforços de vento dispostos nos pórticos ..................................................... 35 Tabela 6.2 - Comparação entre carregamento utilizado e correto .................................... 35 Tabela 7.1 - Acréscimo de momentos no pilar da direção x .............................................. 45 Tabela 7.2 - Acréscimo de momentos no pilar da direção y .............................................. 45 6 1. INTRODUÇÃO O presente memorial descreve a verificação da indeslocabilidade do edifício Utepils por meio de um procedimento simplificado que considera os esforços de vento resistidos por alguns pórticos de contraventamento estabelecidos. Também é demonstrada a distribuição dos esforços de vento sobre esses pórticos. Os cálculos apresentados foram realizados de acordo com os livros Curso de Concreto Armado, 4ª edição, do autor José Milton de Araújo e com a norma técnica NBR 6118:2014 – Projeto de Estruturas de Concreto e NBR 6123:1988 – Forças devidas ao vento em edificações. 7 2. ANÁLISE DA INDESLOCABILIDADE A estrutura do edifício é formada por um pórtico tridimensional que resiste aos esforços verticais e horizontais. Entretanto, a análise do edifício como um todo implica em dimensionar os elementos, vigas e pilares, considerando os efeitos globais de segunda ordem que são gerados pelos deslocamentos do edifício. Logo, para simplificar o dimensionamento considera-se a estrutura do edifício dividida em duas: estrutura contraventada e de contraventamento. A primeira resiste, teoricamente, apenas aos esforços verticais. A segunda resiste aos esforços verticais e horizontais, além de possuir rigidez suficiente para os nós dos pórticos serem considerados indeslocáveis. Assim, os efeitos de segunda ordem globais podem ser desprezados desde que se garanta o edifício indeslocável. A estrutura de contraventamento deve ser formada por pilares e vigas de grande rigidez. Estes pórticos estão dispostos nas duas direções horizontais, denominadas x e y, para garantir a indeslocabilidade em qualquer direção. Especificaram-se os seguintes pórticos: DIREÇÃO X • PÓRTICO 1 - x É composto pelos pilares P1, P2 e P3 e pelas vigas V201a, V201b, V201c, V301a, V301b, V301c, V401a, V401b, V401c, V501a, V501b, V501c, V601a, V601b, V601c, V701a, V701b, V701c, V801a, V801b, V801c, V901a, V901b e V901c. • PÓRTICO 2 - x É composto pelos pilares P8 e P9 e pelas vigas V205, V305, V404, V504, V604, V704, V804, V904. • PÓRTICO 3 – x É composto pelos pilares P16, P17 e P18 e pelas vigas V210a, V210b, V310a, V310b, V407a, V407b, V507a, V507b, V607a, V607b, V707a, V707b, V807a, V807b, V906a, V906b. • PÓRTICO 4 – x É composto pelos pilares P20, P21 e P22 e pelas vigas V212a, V212b, V312a, V312b, V408a, V408b, V507a, V508b, V608a, V608b, V708a, V708b, V808a, V808b, V908a e V908b. 8 DIREÇÃO Y • PÓRTICO 1 - y É composto pelos pilares P20, P16, P11 e P6 e pelas vigas V215a, V215b, V215c, V315a, V315b, V315c, V409a, V409b, V409c, V509a, V509b, V509c, V609a, V609b, V609c, V709a, V709b, V709c, V809a, V809b, V809c, V909a, V909b, V909c. • PÓRTICO 2 - y É composto pelos pilares P17, P12 e P7 e pelas vigas V217a, V217b, V317a, V317b, V411a, V411b, V511a, V511b, V611a, V611b, V711a, V711b, V811a, V811b, V911a, V911b. • PÓRTICO 3 – y É composto pelos pilares P22, P13, P10 e P3 e pelas vigas V221a, V221b, V221c, V321a, V321b, V321c, V415a, V415b, V415c, V515a, V515b, V515c, V615a, V615b, V615c, V715a, V715b, V715c, V815a, V815b, V815c, V916a, V916b, V916c. O Anexo A evidencia os pórticos de contraventamento escolhidos demonstrados no 3º pavimento. 9 3. MÉTODO DO PARÂMETRO DE INSTABILIDADE O método do parâmetro dado pela NBR 6118/2014 permite considerar uma estrutura como de nós fixos se o parâmetro for menor que 0,5. Este limite é dado para uma estrutura de contraventamento exclusivamente formada por pórticos e com número de andares maior ou igual a 4 como é o caso do edifício em questão. O parâmetro é dado por: 𝛼 = ℎ𝑡𝑜𝑡√ 𝐹𝑉 𝐸𝐶𝑆𝐼𝐶 ≤ 0,5 Onde: htot é a altura total da estrutura, medida de um nível indeslocável; ECSIC é a soma das rigidezes à flexão das seções dos elementos na direção considerada; Fv é a soma de todas as cargas verticais de serviço. A altura total da estrutura htot é tomada da cota 0 até a altura da laje do 9º pavimento, totalizando 23,05m. Esta altura será a mesma para todos os pórticos de contraventamento. O somatório das cargas verticais de serviço do edifício foi estimada na etapa 1 desta memória como 15770kN. Este somatório é dado como a soma das áreas de cada pavimento multiplicado por 12kN/m², uma estimativa à favor da segurança, além de somar a carga correspondente ao volume do reservatório multiplicado por 2. O parâmetro ECSIC é calculado com a soma da rigidez equivalente EIequiv. de cada pórtico na direção considerada. Assim, para auxiliar neste cálculo, os pórticos são inseridos no software Ftool com suas respectivas inércias e com o módulo secante do concreto. Este módulo é dado por: 𝐸𝐶𝑆 = 0,85 × 21500 × ( 𝑓𝑐𝑘 + 8 10 ) 1/3 𝐸𝐶𝑆 = 0,85 × 21500 × ( 30 + 8 10 ) 1/3 𝐸𝐶𝑆 = 28518 𝑀𝑃𝑎 Aplica-se uma força de 1000kN no topo de cada pórtico e mede-se os deslocamentos causados. 10 A partir do deslocamento causado pela força de 1000kN, utiliza-se da fórmula da resistência dos materiais que determina o deslocamento de uma viga engastada na base com força aplicada no topo. Entretanto, isola-se a rigidez nesta fórmula, obtendo: 𝐸𝐼𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣. = 𝐻𝑙³ 3𝐷𝑥 Onde: -H é a força aplicada no topo da viga; -l é o comprimento da viga; -a é o deslocamento medido no topo. 3.2. CÁLCULO DA RIGIDEZ EQUIVALENTE DOS PÓRTICOS NA DIREÇÃO X Os pórticos na direção x foram inseridos no programa ftool com os parâmetros dados na Tabela 3.1. Onde a inércia é dada pela expressão: 𝐼 = 𝑏ℎ³ 12 Tabela 3.1 - Parâmetros de entrada no ftool para os pórticos de contraventamento na direção x Pórticos Elementos b(mm) h(mm) I(mm^4) Pórtico 1-x Pilar P1 200 600 3,60E+09 Pilar P2 200 600 3,60E+09 Pilar P3 400 250 5,21E+08 VIGAS 200 600 3,60E+09 Pórtico 2-x Pilar P8 600 200 4,00E+08 Pilar P9 200 700 5,72E+09 VIGAS 200 600 3,60E+09 Pórtico 3 -x Pilar P16 600 25 7,81E+05 Pilar P17 200 700 5,72E+09 Pilar P18 800 200 5,33E+08 VIGAS 200 600 3,60E+09 Pórtico 4 -x Pilar P20 200 600 3,60E+09 Pilar P21 800 200 5,33E+08 Pilar P22 200 600 3,60E+09 VIGAS 200 600 3,60E+09 As Figura 3.1, Figura 3.2 e Figura 3.3 e Figura 3.4 ilustram os pórticos com os deslocamentos devido à força aplicada. 11 Figura 3.1 - Deslocamento do Pórtico 1 - x 12 Figura 3.2 - Deslocamento do Pórtico 2 - x 13 Figura 3.3 - Deslocamento do Pórtico 3 - x 14 Figura 3.4 - Deslocamento do Pórtico 4 - x 15 Com os deslocamentos determinados obtém-se a rigidez equivalente de cada pórtico como será demonstrado em exemplo para o pórtico 1-x. 𝐸𝐼𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣. = 𝐻𝑙³ 3𝐷𝑥 𝐸𝐼𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣. = 1000 × 23,05³ 3 × ( 235,765 1000 ) 𝐸𝐼𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣. = 1,73 × 10 7𝑘𝑁𝑚2 Os demais valores são demonstrados na Tabela 3.2. Tabela 3.2 - Rigidez equivalente dos pórticos na direção x 3.3. CÁLCULO DA RIGIDEZ EQUIVALENTE DOS PÓRTICOS NA DIREÇÃO Y Os pórticos na direção y foram inseridos no programa ftool com os parâmetros dados na Tabela 3.3. Onde a inércia é dada pela expressão: 𝐼 = 𝑏ℎ³ 12 Pórticos EIeq(kNm²) Dx(mm) Pórtico 1 - x 1,73E+07 235,77 Pórtico 2 - x 7,07E+06 577,50 Pórtico 3 - x 1,72E+07 237,92 Pórtico 4 - x 1,17E+07 348,30 SOMA 5,33E+07 - 16 Tabela 3.3 - Parâmetros de entrada no ftool para os pórticosde contraventamento na direção y Pórticos Elementos b(mm) h(mm) I(mm^4) Pórtico 1 - y Pilar P20 600 200 4,00E+08 Pilar P16 250 600 4,50E+09 Pilar P11 300 700 8,58E+09 Pilar P6 600 200 4,00E+08 VIGAS 200 600 3,60E+09 Pórtico 2 - y Pilar P17 700 200 4,67E+08 Pilar P12 600 200 4,00E+08 Pilar P7 200 700 5,72E+09 VIGAS 200 400 1,07E+09 Pórtico 3 - y Pilar P22 600 200 4,00E+08 Pilar P13 250 600 4,50E+09 Pilar P10 600 200 4,00E+08 Pilar P3 250 400 1,33E+09 VIGAS 200 600 3,60E+09 As,Figura 3.5, Figura 3.6 e Figura 3.7 ilustram os pórticos com os deslocamentos devido à força aplicada. 17 Figura 3.5 - Deslocamento do Pórtico 1 - y 18 Figura 3.6 - Deslocamento do Pórtico 2 - y 19 Figura 3.7 - Deslocamento do Pórtico 3 - y 20 A Tabela 3.4 demonstra os valores encontrados para a rigidez equivalente dos pórticos de contraventamento na direção y e a soma das rigidezes. Tabela 3.4 - Rigidez equivalente dos pórticos na direção y 3.2. CÁLCULO DO PARÂMETRO A partir do somatório das rigidezes equivalentes dos pórticos em ambas as direções, dados nas Tabela 3.2 e Tabela 3.4, pode-se calcular o parâmetro de instabilidade em cada direção. Direção X 𝛼 = ℎ𝑡𝑜𝑡√ 𝐹𝑉 𝐸𝐶𝑆𝐼𝐶 ≤ 0,5 𝛼𝑥 = 23,05√ 15770 5,33 × 107 𝛼𝑥 = 0,40 O edifício é considerado indeslocável na direção x. Direção Y 𝛼 = ℎ𝑡𝑜𝑡√ 𝐹𝑉 𝐸𝐶𝑆𝐼𝐶 ≤ 0,5 𝛼𝑦 = 23,05√ 15770 5,61 × 107 𝛼𝑦 = 0,39 O edifício é considerado indeslocável na direção y. Logo, a estrutura pode ser considerada de nós fixos de acordo com a NBR 6118/2004 e seus efeitos globais de segunda ordem podem ser desprezados. Pórticos EIeq(kNm²) Dy(mm) Pórtico 1 - y 2,68E+07 152,39 Pórtico 2 - y 1,05E+07 387,16 Pórtico 3 - y 1,87E+07 217,78 SOMA 5,61E+07 - 21 4. AÇÃO DO VENTO SOBRE A ESTRUTURA Após escolhidos os pórticos que resistem aos esforços horizontais, deve-se determinar a magnitude destes esforços e a fração de carregamento que cada pórtico de contraventamento irá absorver. As forças geradas devido ao vento são calculadas seguindo o procedimento da norma NBR 6123/1988. 4.1. VELOCIDADE CARACTERÍSTICA DO VENTO Para a determinação da distribuição dos esforços do vento sobre os pórticos de contraventamento é necessário determinar, inicialmente, a velocidade atuante do vento na região em que está localizada a edificação. Esta velocidade característica vk é dada por: 𝑣𝑘 = 𝑣0 × 𝑆1 × 𝑆2 × 𝑆3 Onde: V0 é a velocidade básica do vento; S1 é o fator topográfico; S2 é um fator que depende da rugosidade do terreno e altura da edificação; S3 é o fator estatístico que depende da finalidade da edificação. A velocidade básica do vento v0 é a máxima velocidade média medida sobre 3s, que pode ser excedida em média uma vez em 50 anos, a 10m sobre o nível do terreno em lugar aberto e plano. É dada no gráfico de isopletas na Figura 4.1 e determinada para a presente edificação como 48 m/s. O fator S1 considera as variações no relevo e foi atribuído como 1 para a edificação que está em terreno plano ou fracamente acidentado. Para o fator S2 considera-se o efeito da rugosidade do terreno, dimensões da edificação e altura sobre o terreno. O edifício em questão foi classificado como pertencente à categoria III no primeiro critério, onde a cota média dos obstáculos é considerada igual a 3m. Também, considerou-se a edificação pertencente à classe B, devido a maior dimensão da edificação estar entre 20m a 50m. Logo, o fator S2 é dado pela expressão: 𝑆2 = 𝑏𝐹𝑟(𝑧/10) 𝑝 Na expressão anterior o fator de rajada Fr sempre corresponde à categoria II. Ainda, o fator de rajada e os parâmetros b e p são encontrados na Figura 4.2. 22 Figura 4.1 - Gráfico de Isopletas Fonte: NBR 6123/1988 Figura 4.2 - Parâmetros meteorológicos Fonte: NBR 6123/1988 Assim, para a edificação em questão temos: 23 𝑆2 = 0,94 × 0,98 × (𝑧/10) 0,105 O fator S3 depende do grau de segurança requerido para a edificação e será tomado como 1 devido a edificação estar enquadrada no grupo 2 conforme demonstra a Tabela 4.1. Tabela 4.1 - Fator estatístico S3 Fonte: NBR 6123/1988 Assim, a velocidade característica do vento vk pode ser calculada para cada altura do edifício. Entretanto, a fim de simplificar o projeto, opta-se por considerar a velocidade constante em cada pavimento. Esta velocidade será a maior encontrada em cada trecho o que garante a segurança do procedimento. Para exemplificar calcula-se a velocidade característica no topo do edifício, na cota 32,90m em relação ao nível da rua. Esta velocidade será a adotada para o pavimento do reservatório. -Velocidade básica 𝑣0 = 48𝑚/𝑠 −Fator S1: 𝑆1 = 1 −Fator S2: 𝑆2 = 0,94 × 0,98 × (𝑧/10) 0,105 𝑆2 = 0,94 × 0,98 × (32,90/10) 0,105 𝑆2 = 1,044 24 −Fator S3: 𝑆3 = 1 -Velocidade característica do vento no topo do edifício: 𝑣𝑘 = 𝑣0 × 𝑆1 × 𝑆2 × 𝑆3 𝑣𝑘 = 48 × 1 × 1,044 × 1 𝑣𝑘 = 50,11 𝑚/𝑠 Os demais valores das velocidades características do vento nos pavimentos estão dispostos na Tabela 4.2, juntamente com a altura em que foram calculados. Tabela 4.2 - Velocidade Característica do vento vk em cada pavimento 4.2. FORÇA DE ARRASTO A força de arrasto Fa é o carregamento resultante do vento sobre uma edificação e é dada pela expressão: 𝐹𝑎 = 𝐶𝑎𝑞𝑘𝐴𝑒 Onde: Ca é o coeficiente de arrasto; qk é a pressão de obstrução; Ae é a área de exposição da edificação sobre um plano perpendicular à direção do vento. Pavimento Vk(m/s) Z(m) D z (m) S1 S2 S3 Térreo 39,54 3,45 3,45 1,00 0,824 1,00 2 Pav. 42,09 6,25 2,80 1,00 0,877 1,00 3 Pav. 43,76 9,05 2,80 1,00 0,912 1,00 4 Pav. 45,01 11,85 2,80 1,00 0,938 1,00 5 Pav. 46,03 14,65 2,80 1,00 0,959 1,00 6 Pav. 46,88 17,45 2,80 1,00 0,977 1,00 7 Pav. 47,62 20,25 2,80 1,00 0,992 1,00 8 Pav. 48,27 23,05 2,80 1,00 1,006 1,00 9 Pav. 48,81 25,65 2,60 1,00 1,017 1,00 Casa máq. 49,45 29,00 3,35 1,00 1,030 1,00 Barrilete 49,80 31,00 2,00 1,00 1,037 1,00 Reservatório 50,11 32,90 1,90 1,00 1,044 1,00 25 4.2.1. Cálculo do coeficiente de arrasto O coeficiente de arrasto depende das dimensões da edificação e se ela encontra-se em zona de alta ou baixa turbulência. A norma NBR 6123/88 fornece dois ábacos, alta e baixa turbulência, para a determinação deste coeficiente. Utilizaram-se os valores mais elevados, encontrados para o vento de baixa turbulência, em que o cálculo é demonstrado a seguir. Ainda, estes cálculos utilizam as dimensões do pavimento tipo como representativo da edificação. Vento à 90º Calculam-se alguns parâmetros para o vento, denominado vento à 90º, incidindo na menor dimensão da edificação como mostra o esquema inferior esquerdo da Figura 4.3. 𝑙1 𝑙2 = 10 13,13 = 0,76 ℎ 𝑙1 = 32,90 10 = 3,29 Inserem-se estes parâmetros no ábaco da Figura 4.3 e obtém-se o coeficiente de arrasto: 𝐶𝑎 = 1,3 Vento à 0º Para o vento à 0º, que incide sobre a maior dimensão da edificação e solicita os pórticos dispostos na direção y temos: 𝑙1 𝑙2 = 13,13 10 = 1,31 ℎ 𝑙1 = 32,90 13,13 = 2,51 Logo, inserindo estes valores no ábaco da Figura 4.3 temos: 𝐶𝑎 = 1,4 26 Figura 4.3 - Coeficiente de arrasto Ca para vento de baixa turbulência Fonte: NBR 6123/1988 4.2.2. Cálculo da pressão dinâmica A pressão dinâmica q é a pressão que o vento aplica sobre a edificação ou parte dela, ela é baseada no Teorema de Bernoulli e expressa por: 𝑞 = 0,000613 × (𝑣𝑘)² Para esta expressão é inserida a velocidade característica vk em m/s e obtém-se a pressão dinâmica q em kN/m². 4.2.3. Área de exposição A área de exposição da edificação é a superfície perpendicular ao vento,em que ele incide. As áreas de exposição para o vento à 0º e para o vento à 90º estão demonstradas, respectivamente nas Figura 4.4 e Figura 4.5. Observa-se que a parte da marquise sobressalente à edificação foi desconsiderada devido a pequena contribuição em área de exposição. 27 Figura 4.4 - Área de exposição para vento à 0º, cotas em cm Figura 4.5 - Área de exposição para vento à 90º, cotas em cm 28 4.2.4. Exemplo de cálculo da força de arrasto As forças de arrasto são consideradas aplicadas nas lajes entre os pavimentos como demonstrado na Figura 4.4 e Figura 4.5 para ambas as direções. Ainda cada força destas, exceto a primeira e a última, equivale à metade da pressão aplicada no pavimento acima somada a metade da pressão aplicada no pavimento abaixo. A primeira força F1-2, aplicada na laje que separa o térreo do segundo pavimento, possui todo o carregamento de vento proveniente do primeiro pavimento nela somada à metade do segundo pavimento. A última força F8-9, aplicada na laje que separa o 8º do 9º pavimento, possui todo o carregamento de vento do 9º pavimento, casa de máquinas, barrilete e reservatório somada à metade da carga de vento do 8º pavimento. Será demonstrado o cálculo para a força de arrasto F8-9 do vento à 0º. -Coeficiente de arrasto Ca Para vento à 0º, como determinado no item 4.2.1: 𝐶𝑎 = 1,4 - Pressão dinâmica 𝑞 = 0,000613 × (𝑣𝑘)² 8º Pavimento: 𝑞8º𝑝𝑎𝑣. = 0,000613 × (48,27)² 𝑞8º𝑝𝑎𝑣. = 1,43 𝑘𝑁/𝑚² 9º Pavimento: 𝑞9º𝑝𝑎𝑣. = 0,000613 × (48,81)² 𝑞9º𝑝𝑎𝑣. = 1,46𝑘𝑁/𝑚² Casa de máquinas: 𝑞𝐶𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑎𝑞. = 0,000613 × (49,45)² 𝑞𝐶𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑎𝑞. = 1,50𝑘𝑁/𝑚² Barrilete: 𝑞𝐵𝑎𝑟𝑟𝑖𝑙. = 0,000613 × (49,80)² 𝑞𝐵𝑎𝑟𝑟𝑖𝑙. = 1,52𝑘𝑁/𝑚² 29 Reservatório: 𝑞𝑅𝑒𝑠𝑒𝑟𝑣. = 0,000613 × (50,11)² 𝑞𝑅𝑒𝑠𝑒𝑟𝑣. = 1,54𝑘𝑁/𝑚² -Cálculo da força de arrasto 𝐹𝑎 = 𝐶𝑎𝑞𝑘𝐴𝑒 A partir das áreas de exposição dadas na Figura 4.4, multiplica-se cada área pela pressão correspondente aplicada e pelo coeficiente de arrasto. Após somam-se os produtos. Assim: 𝐹𝑎 = 1,4 × (1,43 × 18,38 + 1,46 × 30,57 + 1,50 × 23,49 + 1,52 × 8,96 + 1,54 × 7,37) 𝐹𝑎 = 183,50𝑘𝑁 As demais forças de arrasto são dadas nas Tabela 4.3 e Tabela 4.4. Tabela 4.3 - Força de arrasto do vento à 0º F1-2 144,81 1,40 0,96 73,93 1,09 30,00 F2-3 83,99 1,40 1,09 30,00 1,17 23,36 F3-4 62,16 1,40 1,17 18,38 1,24 18,38 F4-5 65,38 1,40 1,24 18,38 1,30 18,38 F5-6 68,08 1,40 1,30 18,38 1,35 18,38 F6-7 70,43 1,40 1,35 18,38 1,39 18,38 F7-8 72,52 1,40 1,39 18,38 1,43 18,38 1,40 1,43 18,38 1,46 30,57 1,40 - - 1,50 23,49 1,40 - - 1,52 8,96 1,40 - - 1,54 7,37 F8-9 183,50 qk (kN/m²) Força Ae (m²) Abaixo Ae (m²) Acima qk (kN/m²) Vento 0 Fa(kN) Ca 30 Tabela 4.4 - Força de arrasto do vento à 90º F1-2 62,75 1,30 0,96 34,50 1,09 14,00 F2-3 41,12 1,30 1,09 14,00 1,17 14,00 F3-4 43,97 1,30 1,17 14,00 1,24 14,00 F4-5 46,24 1,30 1,24 14,00 1,30 14,00 F5-6 48,15 1,30 1,30 14,00 1,35 14,00 F6-7 49,82 1,30 1,35 14,00 1,39 14,00 F7-8 51,29 1,30 1,39 14,00 1,43 14,00 1,30 1,43 14,00 1,46 26,00 1,30 - - 1,50 25,88 1,30 - - 1,52 13,60 1,30 - - 1,54 7,51 qk (kN/m²) Ae (m²) Acima 167,69 Força F8-9 Fa(kN) Ca Ae (m²) Abaixo Vento 90 qk (kN/m²) 31 5. DISTRIBUIÇÃO DAS FORÇAS DO VENTO SOBRE A ESTRUTURA A distribuição das forças do vento entre os pórticos de contraventamento da edificação será realizada empregando um procedimento simplificado, visto que os elementos que resistem aos esforços do vento comportam-se de maneira similar. Neste procedimento será desprezada a interação entre os diversos andares da estrutura, admitindo as lajes como diafragmas rígidos. Ainda, o problema será resolvido com o método da rigidez, devido a ser uma estrutura hiperestática. Para esta, torna-se necessário conhecer a rotação e os deslocamentos da laje em seu próprio plano. Cada laje será admitida como uma mola de rigidez K. Esta rigidez é definida como a força horizontal necessária para um deslocamento unitário na direção da maior rigidez do pórtico de contraventamento. Ela pode ser obtida pela expressão abaixo, admitindo o topo da estrutura para a aplicação da força. 𝐾 = 3𝐸𝐼𝑒𝑞. ℎ𝑡𝑜𝑡 3 Onde: EIeq foi calculado para cada pórtico na seção 3, dado nas Tabela 3.2 e Tabela 3.4; htot é a altura total do pórtico de contraventamento. A partir das rigidezes K dos painéis e das forças aplicadas na edificação determinam-se os deslocamentos da laje. Então, dada uma estrutura de contraventamento com n painéis como a exemplificada na Figura 5.1 determina-se que a força atuante Fi em cada painel é dada por: 𝐹𝑖 = 𝐾𝑖𝑈𝑜 Onde: Uo é a matriz de deslocamentos de corpo rígido da laje; Ki é a matriz de rigidez do painel i. Para o cálculo utilizou-se uma planilha automática fornecida pelo professor Mauro Real, que realiza a repartição das forças do vento para cada pórtico. Os dados de entrada nesta planilha são o centroide de cada pórtico de contraventamento, rigidez e excentricidades. 32 Figura 5.1 - Exemplo de estrutura de contraventamento 5.1. DETERMINAÇÃO DO CENTROIDE DE CADA PÓRTICO O centroide de cada pórtico de contraventamento foi determinado com o auxílio do programa Autocad no desenho ilustrativo demonstrado no Anexo A. Escolheu-se para origem do sistema de coordenadas um vértice da edificação. O centroide de cada pórtico, juntamente com sua respectiva rigidez K estão demonstrados na Tabela 5.1. Tabela 5.1 - Centróide dos pórticos de contraventamento 5.2. DETERMINAÇÃO DAS EXCENTRICIDADES A norma NBR 6123/1988 prevê a aplicação das forças dos ventos em 3 situações para cada direção. Em cada situação é dada a excentricidade em relação à origem da aplicação da força como demonstrado na Figura 5.1. Elas são dadas nas expressões abaixo: Direção Pórtico Eieq (kNm²) K (kN/m) x(m) y(m) 1 1,73E+07 5568,88 14,70 9,89 0 2 7,07E+06 2273,55 13,87 6,18 0 3 1,72E+07 5518,56 9,51 3,33 0 4 1,17E+07 3769,67 11,97 0,12 0 1 2,68E+07 8615,89 5,53 4,15 90 2 1,05E+07 3391,30 10,15 5,47 90 3 1,87E+07 6028,91 18,41 4,90 90 Direção X Direção Y 33 𝑒𝑥 { 𝑎 2 − 0,0075𝑎 𝑎 2 𝑎 2 + 0,0075𝑎 𝑒𝑦 { 𝑏 2 − 0,0075𝑏 𝑏 2 𝑏 2 + 0,0075𝑏 Onde, a e b são, respectivamente, a maior e menor dimensão da edificação. Logo, para a edificação em questão temos: 𝑒𝑥 { 21,53 2 − 0,007521,53 21,53 2 21,53 2 + 0,007521,53 𝑒𝑥 { 9,15𝑚 10,77𝑚 12,38𝑚 𝑒𝑦 { 10,00 2 − 0,007510,00 10,00 2 10,00 2 + 0,007510,00 𝑒𝑦 { 4,25𝑚 5,00𝑚 5,75𝑚 5.3. DISTRIBUIÇÃO DAS FORÇAS EM CADA PÓRTICO Com os dados anteriormente calculados procedeu-se a uma planilha automática fornecida pelos orientadores. Nela determinou-se a porcentagem de carga absorvida por cada pórtico para cada excentricidade do vento. Estes valores estão dispostos na Tabela 5.2, onde também se indica a maior porcentagem de carga de vento absorvida por estes 34 pórticos dentre as 3 excentricidades. Esta maior porcentagem é o caso crítico, o qual será utilizado para o dimensionamento das vigas e pilares de contraventamento. Tabela 5.2 - Porcentagem de carga de vento absorvida por cada pórtico de contraventamento Depois de calculados, multiplica-se a maior porcentagem de força absorvida por cada pórtico pelas respectivas forças de arrasto em cada andar, dadas na Tabela 4.3 e Tabela 4.4. Obtêm-se as maiores forças atuantes em cada pórtico de contraventamento por andar dispostas na Tabela 5.3. Tabela 5.3 - Maiores forças atuantes em cada pórtico de contraventamento ey1 ey2 ey3 ex1 ex2 ex3 1 2 3 4 5 6 1 0,2969 0,3208 0,3447 0,0495 -0,0021 -0,0534 0,3447 2 0,1302 0,1323 0,1345 0,0044-0,0002 -0,0048 0,1345 3 0,3327 0,3238 0,3148 -0,0186 0,0008 0,0201 0,3327 4 0,2402 0,2231 0,2060 -0,0354 0,0015 0,0381 0,2402 5 -0,0475 -0,0072 0,0330 0,5611 0,4742 0,3878 0,5611 6 -0,0020 -0,0003 0,0014 0,1915 0,1879 0,1842 0,1915 7 0,0495 0,0075 -0,0344 0,2474 0,3380 0,4280 0,4280 Direção i Px Py Fmaior (%) Pórticos em X Pórticos em Y Pórtico F1-2(kN) F2-3(kN) F3-4(kN) F4-5(kN) F5-6(kN) F6-7(kN) F7-8(kN) F8-9(kN) P1x 21,63 14,18 15,16 15,94 16,60 17,17 17,68 57,80 P2x 8,44 5,53 5,91 6,22 6,48 6,70 6,90 22,55 P3x 20,88 13,68 14,63 15,39 16,02 16,58 17,07 55,80 P4x 15,07 9,88 10,56 11,11 11,57 11,96 12,32 40,28 P1y 81,25 47,13 34,88 36,68 38,20 39,52 40,69 102,96 P2y 27,74 16,09 11,91 12,52 13,04 13,49 13,89 35,15 P3y 61,98 35,95 26,60 27,98 29,14 30,14 31,04 78,54 35 6. CARREGAMENTO DE VENTO NOS PÓRTICOS A seguir serão demonstrados os pórticos com os carregamentos oriundos do vento agindo em cada pavimento. Entretanto, os carregamentos são levemente diferentes dos apresentados na Tabela 5.3. Isto se deve ao fato de que os esforços de vento anteriores, dados na Tabela 6.1, foram inicialmente calculados para pórticos com elementos cujas seções eram menores que as atuais. Como ao longo do projeto julgou-se necessário aumentar as seções dos elementos para resistir aos esforços acabou se modificando as rigidezes dos pórticos. Tabela 6.1 - Esforços de vento dispostos nos pórticos Assim, recalcularam-se as parcelas de distribuição do vento sobre os pórticos para determinar se os elementos inicialmente projetados com o esforço de vento deveriam ser recalculados. Como a variação do esforço do vento, dada na Tabela 6.2, é pequena, optou- se por manter os esforços de vento atuantes antigos nos pórticos. Tabela 6.2 - Comparação entre carregamento utilizado e correto As forças de vento atuantes nos pórticos estão dadas nas Figura 6.1, Figura 6.2, Figura 6.3, Figura 6.4, Figura 6.5, Figura 6.6 e Figura 6.7. Pórtico F1-2(kN) F2-3(kN) F3-4(kN) F4-5(kN) F5-6(kN) F6-7(kN) F7-8(kN) F8-9(kN) P1x - Anterior 22,10 14,48 15,48 16,29 16,96 17,54 18,06 59,06 P2x - Anterior 8,71 5,71 6,10 6,42 6,68 6,91 7,12 23,27 P3x - Anterior 19,52 12,79 13,68 14,38 14,98 15,50 15,95 52,16 P4x - Anterior 15,60 10,22 10,93 11,49 11,97 12,38 12,75 41,68 P1y - Anterior 80,71 46,81 34,64 36,44 37,94 39,25 40,42 102,27 P2y - Anterior 27,79 16,12 11,93 12,55 13,07 13,52 13,92 35,22 P3y - Anterior 62,82 36,43 26,96 28,36 29,53 30,55 31,46 79,60 P1x P2x P3x P4x P1y P2y P3y -0,20% -1,34% -2,13% -3,08% 6,97% -3,36% 0,67% Pórtico Carreg. Utilizado (kN) (Correto - Utilizado)/ Utilizado 36 6.1. CARREGAMENTOS do vento NO PÓRTICO P1X Figura 6.1 - Carregamento de vento no Pórtico P1X 37 6.2. CARREGAMENTOS DO VENTO NO PÓRTICO P2X Figura 6.2 - Carregamento de vento no Pórtico P2X 38 6.3 CARREGAMENTOS DO VENTO NO PÓRTICO P3X Figura 6.3 - Carregamento de vento no Pórtico P3X 39 6.4. CARREGAMENTOS DO VENTO NO PÓRTICO P4X Figura 6.4 - Carregamento de vento no Pórtico P4X 40 6.5. CARREGAMENTOS DO VENTO NO PÓRTICO P1Y Figura 6.5 - Carregamento de vento no Pórtico P1Y 41 6.6. CARREGAMENTOS DO VENTO NO PÓRTICO P2Y Figura 6.6 - Carregamento de vento no Pórtico P2Y 42 6.7. CARREGAMENTOS DO VENTO NO PÓRTICO P3Y Figura 6.7 - Carregamento de vento no Pórtico P3Y 43 7. MÉTODO DO COEFICIENTE Z A NBR 6118/2014 prevê um método alternativo para a análise da indeslocabilidade do edifício denominado método do coeficiente z. Este avalia se a contribuição do momento de segunda ordem pode ser desprezada de acordo com sua magnitude em relação ao momento de primeira ordem. Ele é expresso por: 𝛾𝑧 = 1 1 − ∆𝑀𝑡𝑜𝑡,𝑑 𝑀1,𝑡𝑜𝑡,𝑑 Onde: M1,tot,d é o momento de tombamento, dado pela soma dos momentos das forças horizontais em relação à base da estrutura; DMtot,d é o momento originado pelo somatório das cargas verticais multiplicadas pelos seus respectivos deslocamentos dos pontos de aplicação, obtidos da análise de 1ª ordem. A estrutura é admitida sem efeitos de segunda ordem globais se o coeficiente z for menor que 1,10. Utilizou-se o software Ftool para calcular os respectivos deslocamentos na estrutura devido às cargas horizontais aplicadas. A estrutura foi representada de maneira simplificada por um pilar com o somatório das rigidezes equivalentes na direção considerada, encontradas na Tabela 3.2 e Tabela 3.4 e dadas à seguir: 𝐸𝐼𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣.(𝐷𝑖𝑟𝑒çã𝑜 𝑥) = 5,33 × 10 7𝑘𝑁𝑚² 𝐸𝐼𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣.(𝐷𝑖𝑟𝑒çã𝑜 𝑦) = 5,61 × 10 7𝑘𝑁𝑚² Sobre a estrutura aplicou-se as forças do vento em cada andar, encontradas na Tabela 4.3 e Tabela 4.4, resultando nos respectivos deslocamentos dados na Figura 7.1 e Figura 7.2. 44 Figura 7.1 - Deslocamentos no pilar de rigidez equivalente dos pórticos x Figura 7.2 - Deslocamentos no pilar de rigidez equivalente dos pórticos y 45 As cargas verticais, estimadas na Etapa 1 desta memória, passam a gerar momentos devido aos deslocamentos provocados pelas cargas horizontais. Estes acréscimos de momentos são demonstrados nas Tabela 7.1 e Tabela 7.2. Tabela 7.1 - Acréscimo de momentos no pilar da direção x Tabela 7.2 - Acréscimo de momentos no pilar da direção y Translação(mm) DMtot,d(kN.m) 9 3582 167,69 22,60 80,95 8 1470 51,29 18,72 27,52 7 1470 49,82 14,91 21,92 6 1470 48,15 11,26 16,55 5 1470 46,24 7,89 11,60 4 1470 43,97 4,92 7,23 3 1965 41,12 2,51 4,93 2 2873 62,75 0,82 2,36 SOMA 15770 - 173,06 PÓRTICO NA DIREÇÃO X - VENTO À 90 Nível Carga Vertical (kN) Carga Horizontal(kN) Direção X Translação(mm) DMtot,d(kN.m) 9 3582 183,50 26,77 95,89 8 1470 72,52 22,22 32,66 7 1470 70,43 17,75 26,09 6 1470 68,08 13,46 19,79 5 1470 65,38 9,47 13,92 4 1470 62,16 5,94 8,73 3 1965 83,99 3,05 5,99 2 2873 144,81 1,00 2,87 SOMA 15770 - - 205,95 PÓRTICO NA DIREÇÃO Y - VENTO À 0 Nível Carga Vertical (kN) Carga Horizontal(kN) Direção Y 46 Logo, calcula-se o coeficiente z para ambas as direções. DIREÇÃO X 𝛾𝑧 = 1 1 − ∆𝑀𝑡𝑜𝑡,𝑑 𝑀1,𝑡𝑜𝑡,𝑑 𝛾𝑧 = 1 1 − 173,06 7897,99 𝛾𝑧 = 1,02 DIREÇÃO Y 𝛾𝑧 = 1 1 − ∆𝑀𝑡𝑜𝑡,𝑑 𝑀1,𝑡𝑜𝑡,𝑑 𝛾𝑧 = 1 1 − 205,95 10286,41 𝛾𝑧 = 1,02 Assim, a estrutura é determinada como de nós fixos em ambas as direções de acordo com o método do coeficiente z. 47 REFERÊNCIAS ARAÚJO, J. M. Projeto Estrutural de Edifício de Concreto Armado, 3. ed. Rio Grande: Dunas, 2014. ARAÚJO, J. M. Curso de Concreto Armado.V1, 4. ed. Rio Grande: Dunas, 2014. ARAÚJO, J. M. Curso de Concreto Armado.V2, 4. ed. Rio Grande: Dunas, 2014. ARAÚJO, J. M. Curso de Concreto Armado.V3, 4. ed. Rio Grande: Dunas, 2014. ARAÚJO, J. M. Curso de Concreto Armado.V4, 4. ed. Rio Grande: Dunas, 2014. NBR 6118 – Projeto de estruturas de concreto — Procedimento, 2014. NBR 6120 – Cargas para o cálculo de estruturas de edificações,1980. NBR 6123 – Forças devidas ao vento em edificações,1988. 48 ANEXO A
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