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Análise de Estruturas

Contraventamento de Edifícios

série ESTRUTURAS

francisco carneiro

joão guerra martins 1ª edição / 2008

Apresentação

Este texto resulta, genericamente, o repositório da Monografia do Eng.º Francisco Carneiro.

Pretende, contudo, o seu teor evoluir permanentemente, no sentido de responder quer à especificidade dos cursos da UFP, como contrair-se ainda mais ao que se julga pertinente e alargar- se ao que se pensa omitido.

Embora o texto tenha sido revisto, esta versão não é considerada definitiva, sendo de supor a existência de erros e imprecisões. Conta-se não só com uma crítica atenta, como com todos os contributos técnicos que possam ser endereçados. Ambos se aceitam e agradecem.

João Guerra Martins

II

Índice Geral

Apresentação ............................................................................................................................. II

Sumário .......................................................................................................................................I

Índice Geral ............................................................................................................................... II

Índice de Figuras ...................................................................................................................... IV

Índice de Quadros..................................................................................................................... IX

Introdução................................................................................................................................... 1

1. Generalidades ..................................................................................................................... 1
2. Razão de ser dos contraventamentos.................................................................................. 2
3. Organização do texto.......................................................................................................... 3
4. As acções................................................................................................................................ 5

1.1. Generalidades .................................................................................................................. 5

1.2. Acções verticais............................................................................................................... 7

1.3. Acções horizontais ........................................................................................................ 11

1.3.1. Vento ...................................................................................................................... 16

1.3.2. Sismo...................................................................................................................... 17

1.4. Acções indirectas........................................................................................................... 20

1.4.1. Assentamento dos apoios ....................................................................................... 20

1.4.2. Efeitos de 2.ª ordem ............................................................................................... 21

2. Contraventamentos............................................................................................................... 31

III

2.4.2. Contraventamentos a forças horizontais (sismos e ventos) em edifícios industriais

V

Figura 2.1 – Tipos de contraventamento: a) Parede cheia ou cega; b) Idem mas com pequenas

Figura 2.29 – Esquema de funcionamento do contraventamento vertical para edifícios baixos

• 2.1. Contraventamentos tipo.................................................................................................
  • 2.1.1. Pórticos (Moment-resisting frames).......................................................................
  • 2.1.2. Paredes (Shear-walls).............................................................................................
  • 2.1.3. Paredes associadas a pórticos.................................................................................
  • 2.1.4. Núcleos e tubos (Tubes).........................................................................................
  • 2.1.5. Reticulada contraventada (Braced structures)........................................................
  • 2.1.6. Contraventamentos mais utilizáveis.......................................................................
• 2.2. Contraventamentos em edifícios de grande altura
• 2.4. Contraventamentos específicos em estruturas metálicas
  • 2.4.1. Contraventamentos a forças horizontais (sismos e ventos) em edifícios urbanos
• 3. Análise de sistemas de contraventamento............................................................................
• Conclusão
• Bibliografia...............................................................................................................................
• Figura 1.18 – Situações de energia potencial de um corpo [4]
• contraventamento [4]................................................................................................................ Figura 1.19 – De pórtico deslocável para indeslocável por introdução de um
• contraventamento [4]................................................................................................................ Figura 1.20 – De pórtico deslocável para indeslocável por introdução de um
• Figura 1.21 – Hipótese de consideração da deformada para o cálculo do momento [13]
• Figura 1.22 – Hipótese de consideração da deformada para o cálculo do momento [5]
• a pórticos; f) Núcleo................................................................................................................. aberturas; c) Idem mas com uma ou várias filas de abertura; d) Pórticos, e) Paredes associadas
• Figura 2.2 – Estrutura de pórticos rígidos [22].
• Figura 2.2 – Estrutura em parede com pisos rígidos [7]
• Figura 2.3 – Estrutura com parede de contraventamento ao corte [22]
• Figura 2.4 – Deformações parede/pórtico [11]
• Figura 2.5 – Núcleo estrutural (normalmente caixa de escadas ou elevadores) [22]...............
• Figura 2.6 – Rigidez relativa da união viga padieira com o núcleo [15]
• Figura 2.7 – Estrutura tubular [15]...........................................................................................
• Figura 2.8 – Estrutura tubular [22]...........................................................................................
• Figura 2.9 -Empenamento da secção do núcleo [15]
• Figura 2.10 – Funcionamento diferenciado entre paredes unidas ou independentes [15]
• Figura 2.11 – Contraventamento em “Cruz de St.º André” [7]................................................
• Figura 2.12 – Tipo de contraventamento comuns [7]
• Figura 2.13 – Contraventamento planos conjuntos com resultante espacial [7] e [26]
• Figura 2.14 – Travamento realizado pelo contraventamento [7] VI
• Figura 2.15 – Contraventamento planos conjuntos com resultante espacial [4]......................
• Figura 2.16 – Contraventamento em V (ou K), em Y e em X [26]..........................................
• horizontal e vertical [26] Figura 2.17 – Composição dos sistemas estruturais de edificações elevadas pelo subsistema
• Figura 2.18 – Composição dos pórticos planos e paredes do núcleo na direcção x [26].........
• Figura 2.19 – Composição dos pórticos planos e paredes do núcleo na direcção y [26].........
• b) tubular treliçado + tubular central; c) tubular treliçado + núcleo central [26]..................... Figura 2.20 – Estruturas de contraventamento para mega edifícios altos: a) tubular periférico;
• Figura 2.21 – Petronas Towers (modelo tubular circular) [26] e novo World Trade Centre...
• Figura 2.22 – Discretização de uma face do edifício em superfícies elementares...................
• Figura 2.23 – Comparação de sistemas estruturais [3, adaptado do original]..........................
• Figura 2.24 – Deformabilidade por insuficiência do contraventamento
• Figura 2.25 – Solução de solidarização e uniformidade de desdobramentos...........................
• Figura 2.26 – Forma eficiente de dissipação de energia com barras em K aberto ou fechado
• Figura 2.27 – Chapas laterais nos perfis dos pisos mais baixos...............................................
• Figura 2.28 – Esquema de contraventamento vertical para edifícios baixos
• Figura 2.30 – Esquema de pórtico metálico contraventado com núcleo rígido
• Figura 2.31 – Esquema de pórtico metálico contraventado de formas diversas
• Figura 2.32 – Esquema de pórtico metálico contraventado de formas diversas

VIII

Figura 3.1 – Assimetrias e irregularidades a evitar nos edifícios............................................. 68

Figura 3.2 – Ensaios no túnel de vento. ................................................................................... 70

IX

Índice de Quadros

Tabela 1.1 – Relações de distribuição em planta entre rigidez e massa [18]........................... 19

Tabela 2.1 - Consequências da regularidade estrutural na análise e dimensionamento sísmico [27] ........................................................................................................................................... 69

Portanto, o comportamento estrutural depende das características dos materiais, das dimensões da estrutura, das ligações entre os diferentes elementos, das condições do terreno, etc. O comportamento real de uma construção é normalmente tão complexo que obriga a que seja representado através de um “esquema estrutural” simplificado, ou seja, através de uma idealização da construção que mostre, com o grau de precisão adequado, como é que esta resiste às diversas acções. O esquema estrutural ilustra o modo como a construção transforma acções em tensões e como garante a estabilidade. Uma construção pode ser representada através de diferentes esquemas, com diferente complexidade e diferentes graus de aproximação à realidade [21].

O papel do engenheiro de estruturas, frente a essa perspectiva, é elaborar projectos seguros e que resultem em edifícios com custos de construção e manutenção relativamente baixos. Para tal finalidade é necessário a utilização de procedimentos e técnicas de cálculo que permitam uma boa aproximação ao comportamento real da estrutura. Como veremos, sendo as estruturas de contraventamento substruturas que visam assegurar a absorção de alguns tipos de forças e/ou diminuir deslocamentos de grandeza significativa da estrutura principal, constituem uma tarefa de grande interesse para a engenharia estrutural.

2. Razão de ser dos contraventamentos

O presente trabalho tem como finalidades principais estudar os diversos subsistemas de contraventamento de edifícios, pretendendo-se estudar os principais sistemas estruturais utilizáveis em edifícios contraventados e avaliar as suas possibilidades e limitações, elegendo o recomendável a cada um dos fundamentais casos tipo.

Proceder-se-á à análise dos diversos sistemas estruturais sob o ponto de vista da resistência a acções verticais e da resistência a acções horizontais.

Duas definições básicas devem ser consideradas:

· A estrutura de um edifício é um sistema tridimensional, formado pela associação de elementos estruturais lineares e laminares, dispostos, em geral, em planos horizontais e em planos verticais;

· O contraventamento é uma estrutura auxiliar organizada para resistir a solicitações extemporâneas que podem surgir nos edifícios. A sua principal função é aumentar a

rigidez da construção, permitindo-a resistir às acções horizontais, sendo os grandes responsáveis pela segurança das estruturas tridimensionais de edifícios altos [24].

Contudo, mesmo em edifícios de baixo porte estes sistemas podem ser ainda mais importantes, como em naves, em que uma grande área é apenas coberta por uma estrutura bastante esbelta, dado o reduzido valor das cargas permanentes.

Resumidamente, poderemos afirmar que os contraventamentos têm sua razão de ser:

• Na necessidade de limitar os deslocamentos das estruturas, quer por restringir ou inibir o aparecimento de efeitos de 2.ª ordem, quer por verificação de Estados Limites de Utilização;
• Na necessidade de absorver forças excepcionais (sismo e vento) para as quais a estruturas principal não está habilitada, ou outras forças secundárias cuja natureza é indirecta (como o travamento lateral de pescas comprimidas).

Portanto, a função dos contraventamentos tem pertinência quer em termos da mobilidade da estrutura como da sua resistência.

3. Organização do texto

O trabalho é constituído por três capítulos, a presente e uma breve conclusão. A estrutura utilizada, bem como o nível de desenvolvimento dado a cada assunto, procuram contribuir para tornar este trabalho uma referência útil e atractiva para futuros interessados pela área abordada.

No primeiro capítulo faz referência às acções e aos materiais intervenientes nas estruturas numa forma generalizada, abordam-se as acções horizontais (directas e indirectas) e verticais, mencionando a sua natureza e o modo de interferência com as estruturas.

No segundo capítulo descrevem-se os tipos de contraventamentos: planos, não planos e de edifícios altos (torres), abordando-se os mais utilizados.

No terceiro capítulo realiza-se uma breve sistematização do modo de análise dos sistemas de contraventamento, bem como se referem alguns métodos construtivos aos quais os edifícios devem obedecer, de forma a existir uma melhor distribuição dos esforços pela estrutura.

1. As acções

1.1. Generalidades

A primeira preocupação do Engenheiro que vai projectar um edifício é a escolha de uma solução estrutural adequada, que consiga conciliar a resolução dos problemas arquitectónicos e funcionais com a necessidade de garantir resistência à estrutura actuada pelas acções a que irá estar sujeita [24].

As “acções” são definidas como qualquer agente (forças, deformações, etc.) que produza tensões e deformações na estrutura e qualquer fenómeno (químico, biológico, etc.) que afecte os materiais, normalmente reduzindo a sua resistência. As acções originais, que ocorrem desde o início da construção até à sua conclusão (por exemplo, o peso próprio), podem ser modificadas durante a sua vida e é frequente que estas mudanças produzam danos e degradações.

As acções têm naturezas diversas, com efeitos muito diferentes na estrutura e nos materiais. Frequentemente, a estrutura é afectada por várias acções (ou modificações das acções originais), as quais devem ser claramente identificadas antes de se decidirem as medidas de reparação.

As acções podem ser classificadas em acções mecânicas, que afectam a estrutura, e acções químicas e biológicas, que afectam os materiais. As acções mecânicas são estáticas ou dinâmicas, sendo as primeiras directas ou indirectas [21].

No caso de contraventamento de edifícios, o caso que nos interessa em especial, os contraventamentos são sobretudo pensados tendo em conta as acções horizontais, como o vento e os sismos. Estas servem de travamento aos deslocamentos da estrutura principal, mas também absorvem esforços induzidos por estas acções.

Na figura 1.1 encontra-se esquematizadas as acções genéricas que podem solicitar uma estrutura, sendo de salientar, para o efeito deste estudo, as de carácter dinâmico, como o vento e o sismo. Na verdade tratam-se acções de sentido horizontal, predominantemente, em termos de do seu significado condicionante de dimensionamento da estrutura, em oposição às forças gravíticas tradicionais, como o peso próprio e a sobrecarga.

Figura 1.1 – Classificação dos diferentes tipos de acções em estruturas e seus materiais.

Acções

(actuam sobre a estrutura)Acções Mecânicas Acções Físicas (actuam sobre osi i )

Acções Químicas (actuamsobre os materiais) Acções Biológicas(actuam sobre os materiais)

Acções Estáticas (^) (acelerações impostas)Acções Dinâmicas

Acções Directas (cargas aplicadas)

(acelerações impostas)Acções Indirectas

Acções gravíticas

Acções acidentais

Assentamento dos Apoios

Efeitos de 2.ª Ordem

Acção dos sismos

Acção do Vento

• Os sistemas em pórticos treliçados;
• Painéis tipo parede (toda a estrutura em paredes resistentes) e pórtico-parede;
• Os sistemas com núcleos rígidos em betão armado ou em aço e os pilares isolados;
• Os sistemas tubulares.

Esta classificação não é estanque e pode variar com o autor. As lajes e as vigas integram este grupo sendo denominadas de elementos horizontais de contraventamento [15].

Figura 1.2 – Alguns subsistemas verticais [15]

Os sistemas estruturais resistentes às acções verticais podem-se subdividir em sistemas horizontais, correspondentes aos pisos, e sistemas verticais, correspondentes aos pilares e paredes, que fazem a transmissão de cargas entre pisos ou para o solo. Os sistemas estruturais verticais serão descritos quando nos referirmos à resistência de acções horizontais [24].

Estabilidade

O cálculo e dimensionamento de estruturas, e no caso particular de estruturas porticadas, tende a ser condicionado pelos fenómenos de instabilidade global, ao nível do elemento pilar, ou mesmo da secção local. Sendo tal verdade para qualquer material, torna-se mais premente

no caso de estruturas metálicas. Contudo, a avaliação do comportamento de um pórtico, em termos de estabilidade global, é substancialmente diferente caso se trate de um pórtico com deslocamentos laterais ou de um pórtico sem deslocamentos laterais, ou seja: a mobilidade de uma estrutura é condicionante na verificação da sua estabilidade.

A maior ou menor mobilidade depende do carregamento aplicado numa estrutura lhe gerar deslocamentos laterais significativos, sendo o conceito de significativo o aparecimento de efeitos de segunda ordem não negligenciáveis.

Num pórtico sem deslocamentos laterais, ao que se convencionou designar por pórtico de nós fixos, a verificação da segurança em termos de estabilidade (excepto na situação de fenómenos de instabilidade local), passa por verificar a encurvadura por flexão das barras comprimidas (normalmente os pilares) no plano do pórtico, no plano perpendicular e ainda a encurvadura lateral em barras submetidas a esforços de flexão (vulgarmente as vigas).

Contudo, a verificação da segurança dos elementos depende, essencialmente, de uma correcta definição dos comprimentos de encurvadura no caso de elementos à compressão e dos comprimentos entre secções contraventadas lateralmente, no caso de elementos submetidos à flexão.

Num pórtico com deslocamentos laterais, designado vulgarmente por pórtico de nós móveis, ao contrário da noção anterior, em que a preocupação se situa exclusivamente ao nível das peças individualmente, depende incondicionalmente da estabilidade global para se apreciar a sua segurança estrutural. De facto, para as estruturas de nós móveis o modo de encurvadura fundamental corresponde a um modo de instabilidade global da estrutura enquanto que para as estruturas de nós fixos, sendo desprezáveis os efeitos dos deslocamentos relativos de andar, os modos de encurvadura relevantes correspondem a modos de instabilidade local dos pilares da estrutura, pelo que serão distintas as metodologias a adoptar num e noutro caso [3].

Neste caso, a avaliação da carga critica global do pórtico, ou eventualmente do parâmetro de carga (λcr) no caso de carregamentos proporcionais, é a base para a verificação da estabilidade global da estrutura. Para tal, existem vários métodos para a sua determinação, com maior ou menor exactidão. Dos modelos simplificados refira-se o Método de Horne que, apesar de ser somente aplicável a pórticos regulares e ortogonais não contraventados, é o mais utilizado nos pórticos correntes [12].