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UNIVERSIDADE REGIONAL INTEGRADA DO ALTO URUGUAI E DAS MISSÕES
CAMPUS SANTO ÂNGELO
ELTON GIOVANI KUNTZ
COMPARATIVO ENTRE SOFTWARES DE DIMENSIONAMENTO EM
CONCRETO ARMADO
Santo Ângelo RS
2013
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COMPARATIVO ENTRE SOFTWARES DE DIMENSIONAMENTO EM CONCRETO ARMADO, Teses (TCC) de Engenharia Civil
Nos programas de cálculo estrutural que serão estudados neste trabalho abrangendo o subsetor dimensionamento de edifícios em concreto armado, será avaliada a usabilidade destes softwares, e com os resultados do dimensionamento da estrutura será comparado o quantitativo de material necessário (concreto e forma). Posteriormente, analisar as possíveis diferenças dos esforços nos elementos estruturais em comparação com o software de análise estrutural SAP2000.
Tipologia: Teses (TCC)
2021
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UNIVERSIDADE REGIONAL INTEGRADA DO ALTO URUGUAI E DAS MISSÕES
CAMPUS SANTO ÂNGELO
ELTON GIOVANI KUNTZ
COMPARATIVO ENTRE SOFTWARES DE DIMENSIONAMENTO EM
CONCRETO ARMADO
Santo Ângelo RS 2013
ELTON GIOVANI KUNTZ
COMPARATIVO ENTRE SOFTWARES DE DIMENSIONAMENTO EM
CONCRETO ARMADO
Trabalho de Conclusão de Curso realizado no Departamento das Engenharias e Ciência da Computação como requisito para formação no curso Engenharia Civil da Universidade Regional Integrada do alto Uruguai e das Missões Campus Santo Ângelo Orientador: Msc. Denizard Batista de Freitas Santo Ângelo RS 2013
AGRADECIMENTOS
A Deus, o qual foi sustento, dando coragem para questionar realidades e propor sempre novos desafios. Aos meus pais, Eliseu e Vilma, minhas irmãs, irmão, cunhados e demais familiares que, com muito carinho e apoio, não mediram esforços para que eu chegasse até esta etapa de minha vida. Ao professor Msc. Denizard Batista de Freitas, pela paciência na orientação, conhecimento transmitido e incentivo que tornaram possível a conclusão desta monografia. A todos os professores do curso, que foram tão importantes na minha vida acadêmica e no desenvolvimento desta monografia. Ao João A. Farezin, Andréia Araújo e demais amigos da Cambucá-RJ, pela amizade, auxilio na elaboração deste trabalho convivência durante o período de estágio. Aos demais amigos e colegas, pelo incentivo e pelo apoio constantes.
Figura 6 – Modelo de pórtico espacial, pórtico plano e elemento contínuo para estudo de
ELU- Estado Limite Último ELS- Estado Limite de Serviço C.A.- Concreto Armado Ecs - Módulo de Elasticidade Tangente Inicial Eci - Módulo de Elasticidade Secante Fa – Força de arrasto Ca – Coeficiente de arrasto Ae – Área frontal efetiva
LISTA DE ABREVIATURAS
1 INTRODUÇÃO
Com o desenvolvimento de aplicativos para a análise estrutural, o engenheiro estrutural conta com poderosos aliados, que são os softwares de análise e dimensionamento estrutural. Esses softwares , a cada dia com mais recursos, nos fornecem inúmeros benefícios e por isso estão sendo empregados pelas empresas aperfeiçoando-as e mantendo-as competitivas no mercado da construção. A utilização de ferramenta computacional proporciona benefícios como qualidade, segurança e produtividade, e também o dimensionamento de um edifício em pouco tempo. Um projeto pode ser simulado de diversas formas, resultando em eficiência e otimização estrutural. Um software nunca substituirá a atribuição do engenheiro, pois o mesmo serve somente para automatizar os cálculos e refinar as análises. Pertence ao engenheiro toda a responsabilidade em relação a qualquer problema estrutural, seja causado por um erro de cálculo ou má utilização de um software. Segundo Kimura (2007), os softwares devem ser transparentes e os resultados intermediários, antes do detalhamento final da estrutura, devem estar disponíveis para o Engenheiro Projetista, analisar, conferir e validar os resultados. Deste modo, é necessário que o profissional da área da engenharia que atua na área de projeto de estruturas de concreto armado saiba como as estruturas são idealizadas nos programas e as considerações que fazem. Para isso, é importante que se tenha o conhecimento teórico necessário, para a solução de possíveis problemas que possam acontecer durante a etapa de elaboração do projeto estrutural. A necessidade de o projetista estrutural ter conhecimento do software que melhor atenda suas necessidades e as exigências do mercado são indispensáveis, desta forma, este trabalho visa um aprofundamento no conhecimento dos softwares comerciais CAD/TQS e Eberick, bem como sua utilização e métodos de dimensionamento. Nos programas de cálculo estrutural que serão estudados neste trabalho abrangendo o subsetor dimensionamento de edifícios em concreto armado, será avaliada a usabilidade destes softwares , e com os resultados do dimensionamento da estrutura será comparado o quantitativo de material necessário (concreto e forma). Posteriormente, analisar as possíveis diferenças dos esforços nos elementos estruturais em comparação com o software de análise estrutural SAP2000.
O trabalho está dividido basicamente em quatro etapas. A primeira será a revisão bibliográfica, onde temos a base do conhecimento sobre o tema para o entendimento da segunda etapa que é o estudo de caso, onde será modelado um edifício em concreto armado para comparar os resultados dos softwares comerciais de dimensionamento com o SAP2000. Na terceira etapa será realizada a apresentação dos resultados, sendo os valores dos esforços apresentados graficamente e os quantitativos tabelados separadamente por elemento para devida comparação, onde chegamos em fim, na última etapa que é a conclusão.
de cinco metros de comprimento, mas a sua construção foi-se aperfeiçoando e ainda no século XVII era possível utilizar réguas de cálculo circulares, cilindro/espirais e retangulares com ou sem cursor. Um exemplo de régua de cálculo pode-se verificar na figura 1. Figura 1 - Régua de Cálculo Circular Fonte:http://lh3.ggpht.com/_M-SlxNhWc8/TKzNJuvQLiI/AAAAAAAAA ZM/ZzfLInCtSYg/Rguadeclculocircular_thumb.jpg?imgmax= No país, sua utilização deve ter inicio por volta de 1910, e adquiriu rapidamente as proporções de um vício. Não era raro observar em obras, nos anos 40, engenheiros realizando verificações expeditas, alterando armaduras, substituindo bitolas e às vezes até mesmo calculando peças novas (VASCONSELOS apud BUENO, 1992). Neste período, os cálculos levavam dias para serem processados e somente modelos mais simples podiam ser analisados. A invenção da máquina de calcular de engrenagens, um aperfeiçoamento da máquina de Pascal (1642), propiciou uma aceleração enorme do trabalho numérico. Eram comuns nas escolas de engenharia as famosas máquinas de manivela Ohner e bem mais tarde as máquinas Curta, fabricadas no principado de Lichtenstein. Esta ferramenta de precisão da época tinha a forma de um pequeno cilindro negro que cabia na mão, podendo, com alguma habilidade, ser manuseado com a mão esquerda, reservando a direita apenas para girar a minúscula manivela e registrar no papel os resultados (VASCONSELOS apud BUENO, 1992). Um modelo pode ser visto na figura 2. Figura 2 - Máquina de Calcular de Engrenagens
Fonte: https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQOj8Sn9Ob Zy7uDtxmx 9Ny5YWQzn v6DbxuxTWeyu0rbOh8n7Zh5qw Os primeiros registros de computadores ou máquinas para realizar cálculos vêm de 1834 quando Charles Babbage (1791-1871) construiu a máquina analítica que é considerada o ponto de partida para os computadores modernos, mesmo não sendo criada efetivamente por questões políticas e financeiras. Antes disso algumas máquinas de calcular foram criadas, porém elas não são consideradas computadores pelo simples fato de não serem programáveis (CHIAVENATO, 1989). Em 1890 o americano Hermann Hollerith (1869-1929) construiu uma máquina capaz de processar dados através de leitura de cartões perfurados, foi também a primeira máquina nestas configurações a utilizar energia elétrica em seu funcionamento (LOLLINI apud MATOS, 2009). Durante a Segunda Guerra Mundial o alemão Konrad Zuse desenvolveu o projeto do conhecido como Z1, uma máquina que executava cálculos através de relés que liam cálculos e dados gravados em uma fita perfurada. Esse projeto foi engavetado por que o governo alemão não enxergava o computador como um aliado na guerra que estava encabeçando na época. Neste mesmo período, a marinha americana juntamente com a Universidade de Haward construiu o primeiro grande computador, seu idealizador Howard Ainken (1900-1973) construiu o Haward Mark com base na máquina analítica de Charles Babbage, este computador ocupava 120m³ e era capaz de realizar a multiplicação de dois números com dez dígitos em extraordinários 3 segundos com tecnologia suficiente para acelerar a construção da bomba atômica (COLCHER apud MATOS, 2009). Paralelamente a isso o exército americano estava trabalhando em uma máquina capaz de realizar quinhentas multiplicações por segundo e foi a primeira a usar válvulas, o ENIAC ( Eletronic Numeric Integrator And Calculator ) foi criado para a indústria de balística que o utilizava para calcular trajetos de projéteis durante a guerra. O ENIAC era composto de unidade
linguagem Basic e utilizava cartões magnéticos. Os cálculos de vigas contínuas, por exemplo, eram realizados em duas etapas (dois cartões magnéticos) e posteriormente os desenhos dos diagramas de momentos fletores e esforços cortantes eram realizados à mão. Os cálculos das cargas verticais em edifícios, levando em conta o efeito do vento, também eram feitos em duas etapas (dois cartões magnéticos): sendo que primeiramente calculava-se o momento devido ao vento em cada pavimento e depois, este efeito era somado com a carga vertical de cada pilar em cada pavimento (VERGUTZ et al, 2010 ). Com o desenvolvimento do AutoCAD (o termo CAD vem do inglês computer aided design) em 1982, pela Autodesk, os projetos passaram por uma revolução, pois começavam a ser elaborados em computadores. Arquitetos, engenheiros de instalações e calculistas foram aos poucos utilizando esta ferramenta e a partir dai, não custou muito em se fazer a integração de programas de análise estrutural com o desenho. Atualmente, o engenheiro projetista pode utilizar diversos softwares comerciais para auxiliar seus trabalhos, Kimura (2007) os classifica da seguinte forma: Software de análise – Desenvolvidos para calcular os esforços, deslocamentos e as tensões de uma estrutura, geralmente não geram o dimensionamento e nem geram as plantas finais. Ex: Ansys, SAP2000. Software de desenho: são utilizados para criar desenhos, não são direcionados exclusivamente para a engenharia civil, são chamados como CAD. Ex: AutoCad. Software de dimensionamento/verificação de elemento isolado: São softwares que calculam os elementos (vigas, pilares, lajes) de uma estrutura de forma isolada, como uma viga ou um pilar, são muito úteis na verificação de uma estrutura. Ex: PDOP 2.0. Sistema integrado: Englobam a análise estrutural e também dimensionam toda a estrutura de uma forma conjunta, ou seja, a estrutura toda é calculada de uma só vez. Ex: TQS, Eberick e CypeCad. Nos softwares de sistema integrado, as etapas do projeto de um edifício, o lançamento dos dados, a análise estrutural, dimensionamento e detalhamento dos elementos, até a impressão de desenhos, são influenciadas pela rapidez e precisão que a informática proporciona. O processamento, dimensionamento pode ser processado em minutos e todos dados armazenados em memorias virtuais. Esta crescente informatização com a utilização de softwares esta cada vez mais presente nas empresas de engenharia, proporciona as facilidades e produtividade de cálculos. Pode-se afirmar que a melhora na qualidade dos processos construtivos depende muito do
auxilio desta ferramenta, pois é possível verificar detalhes de qualquer elemento estrutural, mesmo antes de executá-los, é possível também a visualização do elemento como base a visão 3D (três dimensões X, Y e Z). Estes programas têm a capacidade de apontar boa parte das interfaces que serão encontradas no processo construtivo fazendo deles uma importante ferramenta que ajuda até a minimizar custos evitando demolições depois de construído. Um levantamento feito em 2009, pela ABECE ( Associação Brasileira de Engenharia e Consultoria Estrutural ) em diversos escritórios de projeto estrutural, mostrou que a utilização de ferramentas computacionais proporciona uma redução de cerca de 40% do tempo de desenvolvimento dos projetos (comparado a 1982), e que também foi, aproximadamente, a redução do valor real do projeto estrutural. Demonstrando que o investimento inicial para obter licença de software é recuperado com os benefícios de sua utilização. Todo projeto estrutural envolve um alto grau de responsabilidade e de especialização por parte do engenheiro devido à sua complexidade. O engenheiro pode atuar na modelagem, análise, dimensionamento, detalhamento e desenho final de execução, pois produzir engenharia é atividade essencialmente mental intelectual. A máquina de engenhar, de produzir ideias, é a mente humana (KIMURA, 2007). Para produzir soluções de engenharia trabalham-se as informações com os conhecimentos adquiridos com projetos já executados, e experiências vividas. E é ao longo desse processo que o profissional se capacita e dá soluções rápidas e eficazes aos diversos problemas. O verdadeiro produto da engenharia é a solução. Com a grande evolução da informática na engenharia acredita-se que em pouco tempo haverá programas que fornecerão todos os projetos integrados para construção de residências, prédios e quaisquer construções. Com um arquiteto, engenheiro civil e instalador trabalhando conjuntamente num escritório, poderá sair dali um único disquete, ou envio de e-mail com os projetos de arquitetura, estrutura e instalações (KIMURA, 2007). 2.2 ESTRUTURA USUAL DE UM EDIFICIO EM C.A.
Czerny), grelhas lineares ou não lineares e elementos finitos, sendo que nestes dois últimos é possível realizar o cálculo considerando-se as aberturas de fissuras no concreto (VERGUTZ e CUSTÓDIO, 2010 ). Vigas As vigas são elementos estruturais projetados para suportar diversas cargas em sua extensão, geralmente verticais, o que submete a estrutura predominantemente à esforços de flexão e cisalhamento, podendo também ser submetidas à compressão, tração, e torção, sendo que o dimensionamento das armaduras da viga deve levar em conta todos esses esforços. Quando cargas não verticais são aplicadas a estrutura, surgirão forças axiais que tornará mais complexa a análise estrutural. A NBR 6118/03, no item 18.3 contém diversas considerações a serem observadas para o cálculo das armaduras longitudinais (compressão e tração), transversais (esforços cortantes), armaduras para combater a torção, além de armaduras de pele (combate a fissuração), suspensão, dentre outras. Em edifícios comercias e residenciais, as principais ações que atuam na viga são as provenientes das reações das lajes, de cargas como parede. O posicionamento da viga na estrutura pode ser horizontal, inclinada, curvas ou em forma de arco. Pilares São os elementos de barra sujeitos predominantemente à flexo-compressão que suportam as cargas das vigas, lajes, caixas de água, ventos, transferindo-as as fundações. Além de transmitir as cargas verticais das vigas para as fundações, os pilares apresentam mais uma função importante: a de resistir aos carregamentos horizontais (ações do vento), por meio da formação de pórticos juntamente com as vigas ou por meio da utilização de pilares com grande rigidez. Os pilares devem ser dimensionados e executados com muito cuidado, pois qualquer erro pode levar a estrutura ao colapso (LONGO apud WEBER, 2000). Dentre os elementos que compõem a estrutura, são os pilares os que devem receber maior atenção, pois podem romper por esmagamento do concreto de forma brusca e sem aviso prévio e qualquer falha na execução ou mesmo um simples erro de cálculo poderá provocar a queda de uma edificação. Podem ser classificados de acordo com sua posição na estrutura (FUSCO apud WEBER, 2011):
Pilares de canto: são submetidos a uma flexão oblíqua composta, visto que existe força normal de compressão e momentos fletores nas duas direções. Pilares de extremidade: submetidos à flexão normal composta, pois além de força normal de compressão existe ligação da viga com pilar. Pilares intermediários: submetidos à compressão centralizada. A figura 5 nos mostra a classificação dos pilares quanto a sua posição na estrutura. Figura 5 - Classificação dos pilares quanto a posição na estrutura Fonte: Fusco ( apud WEBER, 2011 ) Em termos mecânicos, os pilares de uma estrutura podem ainda ser classificados de acordo com o seu índice de esbeltez, segundo Aufieri: Os pilares podem ser subdivididos, também, de acordo com a esbeltez que apresentam. Quando o seu índice de esbeltez (λ) for menos ou igual a 40, têm-se os chamados pilares curtos, ou seja, não há necessidade da consideração das excentricidades de segunda ordem locais. Se 40 < λ < 80, os pilares são chamados de medianamente esbeltos e a consideração dos esforços de segunda ordem locais se faz necessário. O pilar com λ > 80, é chamado de esbelto e deve-se considerar no seu dimensionamento os esforços adicionais provocados pela fluência (1997, p.1). A escolha do modelo de cálculo para o pilar vai depender do tipo de edificação e dos carregamentos, bem como das suas dimensões. Nas estruturas esbeltas e naquelas em que a ação do vento é considerável, o pilar pode ser considerado como um elemento de um pórtico tridimensional ou bidimensional. Nos edifícios usuais em que a ação do vento às vezes é desprezível, pode-se usar um modelo de elemento contínuo vertical apoiado nas vigas do pavimento ou de um elemento isolado. Tais considerações podem ser vistas na figura 6.