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Estabelecer a relação entre os índices de consumo de materiais e os respectivos custos, dentre vários sistemas estruturais do concreto armado.
Tipologia: Teses (TCC)
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Aos meus pais, pelo apoio total e irrestrito em todas as fases da minha vida, pela educação e pelo exemplo de vida.
À minha esposa Luciana, que esteve ao meu lado, sempre incentivadora, em todos os momentos.
Ao professor Libânio Miranda Pinheiro, pela orientação objetiva e dedicada, pela confiança depositada e pela amizade.
Aos engenheiros Adízio Lima, Argemiro Brito Monteiro da Franca, Carlos Fujita, Dácio Carvalho, Hélder Martins e Luis Alberto Carvalho, pelas valiosas contribuições.
Aos professores, colegas e funcionários, em especial à bibliotecária Maria Nadir Minatel, do Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP.
Ao professor Francisco Fausto de Albuquerque (tio Fausto), pela zelosa e atenciosa correção gramatical.
Aos amigos Alex Sander Clemente de Souza, Flávio Craveiro Cunto e Osvaldo Gomes de Holanda Junior, pelo apoio desde minha chegada a São Carlos.
À CAPES e à FAPESP, pelas bolsas de mestrado.
ALBUQUERQUE, A.T. (1998). Análise de alternativas estruturais para edifícios em concreto armado. São Carlos, 1998. 97p. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.
Embora muitas vezes a escolha do sistema estrutural de um edifício seja influenciada por imposições arquitetônicas, por rotinas construtivas ou ainda pela infra-estrutura da região, cabe ao engenheiro de estruturas buscar, dentro das condições impostas, a alternativa estrutural que garanta maior economia. Com este trabalho pretende-se estabelecer uma relação entre os índices de consumo de materiais (concreto, aço e forma) e os respectivos custos, dentre vários sistemas estruturais em concreto armado. Para tal será analisado um edifício residencial, adotando-se várias opções, entre as quais: estrutura convencional com lajes maciças, lajes nervuradas e lajes pré-fabricadas, estrutura com laje lisa nervurada e estrutura com laje protendida, utilizando monocordoalhas engraxadas. Para que o levantamento de custos de cada alternativa seja o mais real possível, serão levados em consideração: materiais, mão-de-obra, tempo de execução e equipamentos necessários.
Palavras-chave: concreto armado; sistemas estruturais; projeto - custos.
Os primeiros edifícios com estrutura de concreto armado foram concebidos utilizando-se lajes maciças e, posteriormente, lajes pré-moldadas. Apresentavam distâncias relativamente pequenas entre pilares, da ordem de quatro metros. Agiam como fatores limitantes: a resistência do concreto, várias hipóteses simplificadoras na modelagem estrutural e o comportamento do próprio sistema estrutural. Com a evolução da tecnologia de construção e da informática, foi possível o emprego de concretos mais resistentes, análises mais refinadas para o cálculo e a utilização de novas opções estruturais: lajes nervuradas, lajes lisas e protensão em estruturas usuais de edifícios, por exemplo. Essas evoluções permitiram uma diversificação maior das peças de concreto e possibilitaram soluções mais arrojadas para os edifícios. Ao fazer a concepção estrutural, o engenheiro tem de ter em mente vários aspectos, tais como: manter a estética e a funcionalidade do projeto arquitetônico, idéia aproximada dos esforços atuantes na estrutura, métodos construtivos e custos. A escolha do sistema estrutural de um edifício, em geral, é influenciada por imposições arquitetônicas, por rotinas construtivas ou ainda pela infra-estrutura da região. Mesmo assim, o engenheiro de estruturas tem de buscar, entre todas as possibilidades, a estruturação mais econômica para o seu projeto. De acordo com COSTA (1997), a evolução do processo construtivo começa pela qualidade dos projetos, e entre os projetos elaborados para a construção civil, destaca-se o estrutural. O projeto estrutural, individualmente, responde pela etapa de maior representatividade no custo total da construção (15% a 20% do custo total). Justifica-se então um estudo prévio para a escolha do sistema estrutural a ser adotado, pois sabe-se que uma redução de 10% no custo da estrutura pode representar, no custo total, uma diminuição de 2%. Em termos práticos, 2% do custo total corresponde à execução de toda etapa de pintura ou a
todos os serviços de movimento de terra, soleiras, rodapés, peitoris e coberta juntos. O conceito de estrutura econômica também evoluiu ao longo dos anos. Em um primeiro instante, havia uma preocupação de se trabalhar com as seções mais esbeltas possíveis; hoje em dia a atenção está voltada para a padronização das formas, que facilita a produtividade da mão-de-obra e o reaproveitamento, e para os processos construtivos que serão usados. Isso porque houve uma conscientização dos projetistas de que o custo de uma estrutura não se resume ao do concreto e do aço, tendo de ser levados em consideração também a forma (representa em média 30% do custo da estrutura), o tempo de execução (retorno financeiro), outros materiais necessários e ainda a mão-de-obra empregada. Segundo AALAMI (1994), “a economia é alcançada através de repetições, simplicidade dos detalhes, formas razoáveis e provisões para uma fácil instalação.” Segundo ABECE (1998), “a padronização dos materiais é, sem dúvida, pré-requesito importantíssimo para a otimização dos processos construtivos. No contexto internacional, ela é condição básica para o alcance de menores custos, alta produtividade e melhor qualidade. Além disso, é através dela que atingiremos alto grau de industrialização nas obras, transformando-as, como ocorre em outros setores da economia, em uma linha de montagem, obtendo-se a partir daí ganho de escala, melhor produtividade da mão-de-obra e mais competitividade. Especificamente nas estruturas de concreto armado, a padronização de elementos traz benefícios intrínsecos que propiciam grandes ganhos, não só na execução da estrutura, mas também para o contexto global da obra. Isso ocorre porque com a estrutura padronizada, todos os outros elementos que serão construídos sobre ela seguem automaticamente o padrão pré-estabelecido no projeto estrutural.” Vários trabalhos têm sido feitos isoladamente sobre os sistemas estruturais usuais. Nota-se porém uma carência na literatura técnica de comparações entre eles, que sirvam de subsídio aos profissionais e ao meio acadêmico, para a concepção estrutural. Nota-se também que vários trabalhos abordam fatores econômicos apenas em função dos consumos de um determinado sistema estrutural, quando na realidade o custo tem de ser composto de uma
O edifício-exemplo foi cedido gentilmente pelo escritório Dácio Carvalho Projetos Estruturais S/C Ltda. Trata-se do projeto do Condomínio Costa Marina, de autoria do escritório Roger Freire Arquitetura e Engenharia, e de propriedade da construtora Colmeia Ltda, todos situados em Fortaleza/CE. Trata-se de um edifício residencial, com dois apartamentos por pavimento (cada um com área útil de 105 m^2 ), e, a partir da arquitetura do pavimento-tipo, foram feitas pequenas modificações, com o intuito de deixar os apartamentos simétricos, como se indica na figura 1.1. Para o estudo foi considerado hipoteticamente que o edifício tem vinte pavimentos, todos iguais ao tipo, e com uma distância de piso a piso igual a 2,88m, resultando em uma edificação com altura total de 57,6m. Embora tenha importância considerável para a concepção estrutural, não foi considerada a existência de outros pavimentos como: coberta, mezanino, pilotis e subsolo. Esses pavimentos influenciam principalmente a posição dos pilares, que atravessam todos os pavimentos, e definem, por exemplo, a disposição das vagas de garagem, do hall de entrada, do salão de festas e da caixa-d’água.
De acordo com a revisão da NB-1 (1997), devem ser consideradas todas as ações que possam produzir efeitos significativos para a segurança da estrutura em questão, levando-se em conta os possíveis estados limites últimos e os de serviço. “Ações permanentes são as que ocorrem com valores praticamente constantes durante toda a vida da construção. Também são consideradas como permanentes as ações que crescem no tempo tendendo a um valor limite constante. As ações permanentes são consideradas com seus valores representativos mais desfavoráveis para a segurança.” “As ações permanentes diretas são constituídas pelo peso próprio da estrutura e pelos pesos dos elementos construtivos fixos e das instalações permanentes.”
FIG. 1.1 - Pavimento-tipo do Condomínio Costa Marina (unidades: cm).
De acordo com a prática já exercida em vários escritórios, utilizou-se em todas as lajes uma carga permanente de 1 kN/m^2 referente a revestimento e pavimentação. As ações do vento foram avaliadas de acordo com a NBR 6123 (1987) - Forças Devidas ao Vento em Edificações, e, para o cálculo da velocidade característica do vento, adotou-se:
e 5 da norma, ventos de baixa e alta turbulência respectivamente, adotaram-se valores médios: Ca=1,20 (direção Y, direção principal) e Ca=1,0 (direção x, direção secundária), figura 1.2.
FIG. 1.2 - Direções de atuação do vento.
Alguns aspectos sobre as etapas de um projeto estrutural serão abordados no capítulo 2, apresentando-se comentários sobre pontos que foram considerados no desenvolvimento do trabalho, entre os quais: estruturação, pré-
dimensionamento, parâmetros de instabilidade, sistema de contraventamento e avaliação da estrutura. O capítulo 3 apresenta o edifício-exemplo concebido com uma estrutura convencional formada por lajes maciças, além de comentários e indicações de vantagens e desvantagens desse sistema. Os capítulos 4 a 6 são semelhantes ao capítulo 3, considerando-se respectivamente os seguintes sistemas estruturais: estrutura convencional formada por lajes nervuradas, estrutura formada por laje lisa com viga de borda e estrutura formada por laje lisa protendida com monocordoalhas engraxadas. O capítulo 7 apresenta um quadro comparativo entre os consumos e os custos de todas as estruturas analisadas. O capítulo 8 acrescenta à analise o consumo e os custos das fundações. E por fim o capítulo 9 apresenta as conclusões do trabalho.
fundações. Além de tudo isso, deve-se verificar se os pilares não estão interferindo na arquitetura dos outros pavimentos (garagem, pilotis, mezanino etc), por exemplo, se permitem a realização de manobras e estacionamento dos carros ou se não afetam as áreas sociais. A colocação das vigas vai depender do tipo de laje que será adotada, já que as vigas delimitam o contorno das lajes. Devem-se colocar as vigas no alinhamento das alvenarias e começar definindo as vigas externas do pavimento. Além daquelas que ligam os pilares que constituem os pórticos, outras vigas podem ser necessárias, para dividir um painel de laje com grandes dimensões. Com o posicionamento das vigas as lajes ficam praticamente definidas, faltando apenas, caso existam, as lajes em balanço.
Depois da estrutura concebida, colocam-se as ações verticais atuantes nos pavimentos, conforme exposto no capítulo 1.
Depois da estrutura carregada, passa-se ao pré-dimensionamento dos elementos estruturais principais: lajes, vigas e pilares. Vale salientar que, nessa fase, normalmente se considera a estrutura submetida apenas ao carregamento vertical.
2.3.1 Lajes
Deve-se calculá-las de início, já que elas só serão dimensionadas para os carregamentos conhecidos (cargas verticais).
2.3.2 Vigas
Procura-se deixar uma certa folga, principalmente naquelas vigas onde se sabe que vão absorver maiores esforços do vento. É importante lembrar que a situação ideal de projeto é o domínio 3.
2.3.3 Pilares
Ao se fazer o pré-dimensionamento dos pilares, também se deve deixar uma reserva para os esforços do vento. No edifício calculado neste trabalho, como os esforços do vento seriam bastante significativos, a porcentagem máxima admitida para armadura fora da região de traspasse foi de 2,3 %.
2.4 VERIFICAÇÃO DOS PARÂMETROS DE INSTABILIDADE
Com o pré-dimensionamento concluído, processa-se o pórtico espacial e calculam-se os parâmetros “gama” e “alfa”; se os valores não forem aceitáveis, volta-se para a fase de concepção ou de pré-dimensionamento e aumenta-se a rigidez do edifício. Para aumentar a rigidez pode-se rever a posição dos pilares ou aumentar as dimensões das vigas e dos pilares que formam os pórticos; caso não seja suficiente podem-se inserir núcleos rígidos ou pilares- parede. Segundo PRADO (1995), a simples inclusão de núcleos rígidos ou pilares-parede como a solução mais rápida não deve ser feita antes do estudo das demais alternativas, por eles terem um grande consumo de concreto e de aço, além da dificuldade de execução. Se os valores dos parâmetros estiverem satisfatórios, faz-se a envoltória de esforços (verticais e horizontais) para vigas e pilares e passa-se para a próxima fase. É importante lembrar que os parâmetros de instabilidade têm de ser verificados nas duas direções, isso porque a direção secundária muitas vezes, devido à falta de pórticos, apresenta resultados piores que os da direção principal.
Estruturas de contraventamento
As peças que suportam os esforços horizontais são ditas de contraventamento, sendo responsáveis principalmente por receber os esforços do vento. Em geral exercem esse papel: pilares, pilares-parede e pórticos. Pórticos são conjuntos formados por vigas e pilares, conectados de modo a permitir a interação de forças e momentos (CORRÊA, 1991). Aparecem em todos os sistemas estruturais apresentados no desenvolvimento deste trabalho. Nos sistemas estruturais que apresentam lajes apoiadas diretamente sobre os
n : número de andares; Htot : altura total da estrutura; Nk : somatório de todas as forças verticais; EcΙc : rigidez equivalente.
O coeficiente γz classifica uma estrutura como de nós fixos se:
γ (^) Z tot d tot d
1
, ,
∆Mtot,d : soma dos produtos de todas as forças verticais atuantes na estrutura, com seus valores de cálculo, pelos deslocamentos horizontais dos respectivos pontos de aplicação, obtidos da análise de 1a. ordem; M1,tot,d : momento de tombamento, ou seja, a soma dos momentos de todas as forças horizontais, com seus valores de cálculo, em relação à base da estrutura.
VASCONCELOS (1987) propõe que o valor limite para α seja calculado pela expressão:
O valor de αlim calculado por essa expressão converge para 0, quando n≥13, que coincide com os resultados apresentados em vários edifícios projetados pelo escritório Dácio Carvalho Projetos Estruturais S/C Ltda, que, por diversas vezes, quando o edifício apresentava o valor de γz próximo a 1,1, o valor de α se encontrava próximo de 0,8. Esta prática já vem sendo aceita em vários escritórios, aparecendo mesmo como recomendação nos cadernos de critérios de projeto da construtora ENCOL. Durante vários anos, muitos projetistas usaram a relação flecha- altura para aferir a estabilidade global das estruturas. De acordo com as conclusões apresentadas por CARMO (1995), essa relação é o valor máximo para que não seja afetado o funcionamento dos elementos estruturais, não podendo ser
utilizada como parâmetro de instabilidade já que não apresenta nenhuma relação com eles. Entretanto, segundo o ACI 435.3R-68 (1984), diversos projetistas e pesquisadores, o valor limite para a relação flecha-altura (a/H) 1/500 é satisfatório.
2.5 DETALHAMENTO DO PROJETO
Com as envoltórias obtidas do item 2.4, serão detalhadas as vigas e os pilares. Pode-se nesta fase encontrar alguma dimensão de viga ou de pilar que não satisfaça o esforço solicitante; volta-se neste caso para o item 2.3 e continua- se a rotina de cálculo.
Para se fazer uma avaliação da estrutura, serão calculados os seus quantitativos (volume de concreto, massa de aço e área de forma) e os índices: espessura média, taxa de aço, taxa de aço II e taxa de forma.
2.6.1 Espessura média
É a relação entre o consumo total de concreto e a área estrutural (somatório das áreas das plantas de forma) do edifício.
V m A m
3 2 (2.6)
A=20x254 m^2 (área estrutural do edifício-exemplo).
2.6.2 Taxa de aço
É a relação entre o consumo total de aço e o consumo total de concreto.
= P kg V m^3
