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Tipologia: Esquemas
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UNESP - CAMPUS DE BAURU/SP FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Processo n. 07/50606- Período: 01/08/07 a 10/08/
Bauru/SP Agosto/
R E S U M O
A evolução dos modelos de análise estrutural de edifícios vem ocorrendo de maneira muito rápida, após o surgimento dos microcomputadores na década de 80, e a tendência atual e futura é cada vez mais analisar a estrutura de forma global, considerando a interação dos diversos elementos, até com o solo. Seguindo essa tendência, as normas brasileiras e os programas computacionais comerciais vêm introduzindo teorias cada vez mais complexas e refinadas de análise e dimensionamento. Embora existam vários trabalhos sobre o projeto estrutural de edifícios, eles encontram-se esparsos, cada um tratando de um item específico. Procurando contribuir nessa questão, este trabalho reúne informações necessárias à concepção e ao projeto estrutural de edifícios, tais como a concepção estrutural, abrangendo os diferentes tipos de sistemas estruturais para os pavimentos dos edifícios, a estruturação vertical, necessária para garantir a estabilidade global, com a descrição dos conceitos relativos aos parâmetros α e γz , modelos de análise de deslocamentos e esforços solicitantes dos elementos estruturais do pavimento (lajes maciças isoladas, grelhas, etc.), e consideração de pórticos planos e espaciais para análise de vigas e pilares, sob as ações verticais e horizontais. São mostrados também como são determinados os esforços solicitantes nas vigas e pilares, advindos do pórtico espacial.
Outra melhoria significativa na análise dos pavimentos foi a possibilidade de aplicação do Método dos Elementos Finitos, ainda mais preciso que o modelo de grelha. Com os Modelos de Grelha e Elementos Finitos, a interação existente entre as vigas, lajes e pilares passaram a interagir, produzindo resultados mais próximos à realidade (FONTES, 2006). Também no caso da análise do edifício sob a ação do vento a evolução dos procedimentos trouxe uma solução muito mais eficiente, com a estrutura de contraventamento sendo composta por um pórtico tridimensional, permitindo avaliar a interação entre os elementos estruturais de forma mais precisa. A evolução dos modelos de análise estrutural foi tão grande que, hoje, o computador é um equipamento imprescindível no projeto de edifícios. A tendência atual e futura é cada vez mais analisar a estrutura de forma global, considerando a interação dos diversos elementos, até mesmo com o solo, o que já vem sendo muito pesquisado. Seguindo essa tendência, a NBR 6118/03 e os programas computacionais comerciais para projeto de estruturas de concreto armado, vêm introduzindo teorias cada vez mais complexas e refinadas de análise e dimensionamento. Conforme a NBR 6118/03 (item 11.4.1.2), “ Os esforços devidos à ação do vento devem ser considerados e recomenda-se que sejam determinados de acordo com o prescrito pela ABNT NBR 6123 ”. Como não existem itens simplificadores que permitam desprezar a ação do vento em situações específicas, como existiam na NB 1/78, a consideração da ação do vento passou a ser obrigatória, independentemente do número de pavimentos (altura do edifício), área construída, etc., o que impõe alterações importantes na determinação dos esforços solicitantes nos elementos. O modelo clássico de viga contínua, simplesmente apoiada nos pilares e virtualmente separada dos demais elementos, não permite considerar de forma adequada os esforços ocasionados pelo vento, devendo ficar restrito a construções de pequeno porte (baixa altura). De outro lado, os modelos que consideram a não-linearidade física e geométrica vêm ganhando espaço, com um número significativo de teses e dissertações já publicadas. Os programas computacionais comerciais já estão possibilitando o projeto com análises não- lineares. Porém, nos cursos de graduação em Engenharia Civil normalmente é ensinada apenas a análise linear. O ensino do projeto de estruturas de edifícios nos cursos de Engenharia Civil tem estado sob pressão nos últimos anos. É comum verificar que as novas metodologias de análise estrutural ainda não estão inseridas nos programas das disciplinas, fazendo parte somente de disciplinas de pós-graduação. Por isso, várias disciplinas necessitam ter seu programa alterado e modernizado, contemplando principalmente a análise de pavimentos como grelha, os
conceitos relativos a pórtico espacial, para determinação dos esforços solicitantes e da estabilidade global do edifício, e os conceitos de não-linearidade física e geométrica. As apostilas de BITTENCOURT et al. (2003), CAMACHO (2004), LONGO (2000), PAPPALARDO JR. (2004), PINHEIRO et al. (2003), MARINO (2005), BASTOS¹ (2006), entre várias outras, confirmam este fato. É comum encontrar as lajes sendo analisadas e dimensionadas individualmente, segundo as tabelas de Marcus, Czerny, Bares, etc., vigas calculadas com o modelo de viga contínua, e pilares sem consideração da ação do vento, modelos esses hoje admissíveis somente para construções de pequeno porte, mas não indicados para edifícios de vários pavimentos. Algumas Universidades resolvem o problema oferecendo disciplinas optativas, porém, a maioria têm dificuldades para implementar essa solução. Devido à carência de tempo, uma forma de contornar tais dificuldades é adotar, nas disciplinas obrigatórias, materiais na forma de apostilas ou livros, que contemplem os novos conceitos e modelos de análise, mesmo que apresentados sem a mesma profundidade dos cursos de pós-graduação, mas que permitam ao aluno de graduação acompanhar a significativa evolução que está ocorrendo no projeto estrutural de edifícios. Com este trabalho pretendeu-se trazer uma contribuição nessa área, com o desenvolvimento de um material que possa ser utilizado pelo meio técnico e em disciplinas da graduação, preenchendo uma lacuna hoje existente.
Este trabalho teve como objetivo apresentar os conceitos, as análises e os conhecimentos necessários ao projeto estrutural de edifícios, com a abordagem dos seguintes tópicos: a concepção estrutural dos edifícios nas direções horizontal e vertical, modelos de análise de deslocamentos e esforços solicitantes dos elementos estruturais do pavimento e consideração de pórticos planos e espaciais para análise das vigas e pilares sob as ações verticais e horizontais (vento).
CAPÍTULO 2
Neste capítulo apresentam-se as características e vantagens e desvantagens dos principais sistemas estruturais aplicados aos pavimentos de edifícios.
Ao concluir o curso de graduação muitos engenheiros encontram dificuldades ao conceber estruturas de edifícios de concreto. As disciplinas oferecidas nas faculdades de engenharia civil se limitam a ensinar o estudante a dimensionar os elementos estruturais discretizados, deixando de estimular a percepção global dos esforços. A concepção estrutural é a fase mais importante do projeto, pois nesta fase define-se o sistema estrutural, os materiais que serão empregados e as ações a serem consideradas, tendo como objetivo pré-dimensionar os elementos estruturais e prever seu comportamento. Inicialmente é importante definir o que significa “estrutura”. “Estrutura é tudo aquilo que sustenta, tal qual o esqueleto humano. Está em tudo que nos rodeia, nas plantas, no ar e nas pessoas, nos objetos e nas idéias” (REBELLO, 2001). Nas edificações a estrutura é o conjunto de elementos (lajes, vigas, pilares, etc.) que dela faz parte e tem a função de manter o edifício estável, imóvel, seguro durante a sua construção e utilização. Tem também a função de possibilitar as diferentes formas arquitetônicas e de criar espaços livres para a utilização das pessoas. Como se pode perceber a estrutura é imprescindível nas construções. A sua concepção tem início no projeto arquitetônico, pois segundo (REBELLO, 2001), “Não se pode imaginar uma forma que não necessite de uma estrutura, ou uma estrutura que não tenha uma forma. A concepção de uma forma implica na concepção de uma estrutura e, em conseqüência, dos materiais e processos para materializá-la. A estrutura e a forma são um só objeto, e, assim
sendo, conceber uma implica em conceber a outra e vice-versa”. Ou, em outras palavras, pode-se afirmar que a “forma e a estrutura nascem juntas e, quem cria a forma cria a estrutura”. O projeto arquitetônico representa, de fato, a base para a elaboração do projeto estrutural. Este deve prever o posicionamento dos elementos de forma a respeitar a distribuição dos diferentes ambientes nos diversos pavimentos. Mas não se deve esquecer de que a estrutura deve também ser coerente com as características do solo no qual ela se apóia. (PINHEIRO et al., 2004). Conforme aumenta a complexidade do empreendimento, cresce a necessidade da integração entre as atividades técnicas de projeto (arquitetura, estrutura, instalações prediais, iluminação, comunicação visual, paisagismo, impermeabilização, entre outras) para a construção de um edifício. Esta integração permite a troca de informações entre os projetistas a fim de otimizar soluções técnicas e econômicas. Geralmente, a forma da integração entre essas atividades técnicas varia de equipe para equipe, de empreendimento para empreendimento, de escritório para escritório. A concepção da estrutura de um edifício consiste no estabelecimento de um arranjo ou combinação adequada dos diversos elementos estruturais existentes, com o objetivo de atender simultaneamente os requisitos de segurança, durabilidade, estética, funcionalidade, entre outros que as construções devem apresentar (CORRÊA e NAVEIRO, s/d). CORRÊA e NAVEIRO (s/d) afirmam ainda que “ Dentre as diversas integrações entre projetos de edifícios, a interface entre arquitetura e estrutura requer uma atenção maior, pois a estrutura representa a maior percentagem de gastos na execução (cerca de 19% a 26% do custo total do edifício) e os erros cometidos na execução da estrutura são os mais difíceis de serem corrigidos”. E complementam: “ Um fator que interfere na integração entre esses dois projetos é a comunicação entre dois projetistas de formação diferenciada: arquiteto e engenheiro civil. Conhecimento técnico, capacidade de trabalho em equipe e experiência de cada projetista atuam diretamente na qualidade de integração entre os projetos de arquitetura e estrutura”. Esses conceitos são muito importantes para aqueles que desenvolvem a forma, ou seja, é necessário pensar o projeto arquitetônico pensando também na estrutura, pois dessa interação dependem diversos fatores que a construção deve atender. A perfeita noção das condições iniciais do projeto é um fator importantíssimo para que ele seja concebido de uma maneira abrangente e não fragmentada. Se possível, o projetista deve visitar o local da obra com o intuito de verificar os problemas que podem ficar mascarados diante da análise realizada em uma sala fechada de um escritório. A idéia não é
Segundo REBELLO (2001), “ Conceber uma estrutura é ter consciência da possibilidade da sua existência; é perceber a sua relação com o espaço gerado; é perceber o sistema ou sistemas capazes de transmitir as cargas ao solo, da forma mais natural, é identificar os materiais que, de maneira mais adequada, se adaptam a esses sistemas ”. A concepção da estrutura de um edifício consiste no estabelecimento de um arranjo ou combinação adequada dos diversos elementos estruturais existentes e definição das ações a serem consideradas, com o objetivo de atender simultaneamente os requisitos de segurança, durabilidade, estética, funcionalidade, entre outros, que as construções devem apresentar. Implica em escolher um ou mais arranjos estruturais para o conjunto da construção. Na concepção da estrutura de um edifício algumas diretrizes são importantes, como por exemplo:
a) O conjunto da estrutura deve atender tanto quanto possível a forma, a estética, as condições impostas pelo projeto arquitetônico;
b) Deve-se procurar embutir os elementos estruturais, geralmente as vigas e os pilares nas paredes de alvenaria de vedação;
c) O posicionamento dos elementos estruturais na estrutura da construção pode ser feito com base no comportamento primário dos mesmos;
d) A transmissão das cargas deve ser feita de forma mais direta possível, pelo caminho mais curto. Deve-se evitar, sempre que possível, transmitir as cargas de vigas importantes sobre outras vigas (apoios indiretos), e apoio de pilares sobre vigas (chamadas vigas de transição);
e) As dimensões da estrutura em planta devem ser limitadas (geralmente a 30 m no máximo), a fim de diminuir os efeitos da retração e da variação de temperatura, principalmente. Isso pode ser obtido pela especificação de juntas de separação (também chamadas juntas de dilatação), que resultam em blocos de estruturas independentes, que não interagem entre si;
f) Em edifícios de múltiplos pavimentos a verificação da estabilidade global da estrutura assume grande importância, porque a ação horizontal do vento alcança valores significativos. A especificação da seção transversal das vigas, e principalmente dos pilares, deve ser feita de maneira muito criteriosa e a estrutura de contraventamento deve ser avaliada cuidadosamente;
g) Em edifícios com garagens o posicionamento dos pilares deve ser feito cuidadosamente a fim de possibilitar o maior número possível de vagas e facilitar o fluxo dos veículos.
Com a modernização da construção civil, diversas técnicas construtivas surgiram com o intuito de deixar as construções mais econômicas e atender as exigências do consumidor. Uma das tendências é o uso de pavimentos com layout flexível que permite aos usuários organizar o espaço conforme a sua preferência. Este tipo de pavimento apresenta algumas particularidades quanto ao projeto estrutural. Para propiciar ao usuário liberdade em dispor os compartimentos internos, o engenheiro não deve lançar pilares e vigas internas que prejudiquem a estética ou que impeçam o consumidor de lançar as divisórias (que podem ser de alvenaria, painéis wall, etc.). A ausência de elementos estruturais no interior do pavimento faz com que o engenheiro opte por sistemas construtivos capazes de vencer grandes vãos. Estes grandes vãos também são comumente solicitados em garagens, visando obter o maior número de vagas possível. Em geral, os edifícios de layout flexível são compostos por vãos superiores a 10 m, o que obriga os engenheiros a optar por estruturas que tenham algumas características:
Os elementos que usualmente compõem as estruturas são as lajes, as vigas e os pilares. A seguir apresenta-se uma breve descrição de cada elemento, apresentada em BASTOS² (2006).
Laje: As lajes são os elementos planos que se destinam a receber a maior parte das ações aplicadas numa construção, como de pessoas, móveis, pisos, paredes, e os mais variados tipos de carga que podem existir em função da finalidade arquitetônica do espaço físico que a laje faz parte. As ações são comumente perpendiculares ao plano da laje (Figura 2.1), podendo ser divididas em: distribuídas na área (peso próprio, revestimento de piso, etc.), distribuídas linearmente (paredes) ou forças concentradas (pilar apoiado sobre a laje). As ações são geralmente transmitidas para as vigas de apoio nas bordas da laje, mas eventualmente também podem ser transmitidas diretamente aos pilares;
CORTE A
LAJE 2
PLANTA DE FÔRMA
V 102
P 4
A
V 103 V 101
LAJE 1
P 1 (^) V 100
V 104
P 3
A
P 2
Figura 2.1 – Laje maciça.
Viga: Pela definição da NBR 6118/03 (item 14.4.1.1), vigas “ são elementos lineares em que a flexão é preponderante ”. As vigas são classificadas como barras e são normalmente retas e horizontais, destinadas a receber ações das lajes, de outras vigas, de paredes de
alvenaria, e eventualmente de pilares (Figura 2.2). A função das vigas é basicamente vencer vãos e transmitir as ações nelas atuantes para os apoios, geralmente os pilares. As ações são geralmente perpendicularmente ao seu eixo longitudinal, podendo ser concentradas ou distribuídas. Podem ainda receber forças normais de compressão ou de tração, na direção do eixo longitudinal. As vigas, assim como as lajes e os pilares, também fazem parte da estrutura de contraventamento responsável por proporcionar a estabilidade global dos edifícios às ações verticais e horizontais;
PILARES
p1 p2^ F
VIGA
VIGA TRANSVERSAL
Figura 2.2 – Viga reta de concreto.
Pilar: Pilares são “ elementos lineares de eixo reto, usualmente dispostos na vertical, em que as forças normais de compressão são preponderantes ” (NBR 6118/03, item 14.4.1.2). São destinados a transmitir as ações às fundações, embora possam também transmitir para outros elementos de apoio. As ações são provenientes geralmente das vigas, bem como de lajes também (Figura 2.3).
PILAR VIGA
Figura 2.3 – Pilar.
com ações preponderantemente perpendiculares ao seu plano médio, em que a dimensão perpendicular à superfície, usualmente chamada espessura, é relativamente pequena frente às demais (largura e comprimento) .” (FIGUEIREDO FILHO e CARVALHO, 2004). Na definição da estrutura para um edifício é no piso que se encontram as maiores possibilidades de variação do tipo de sistema estrutural. De modo geral os sistemas estruturais de um pavimento de edifício são formados por lajes, vigas e pilares, ou somente por lajes apoiadas diretamente nos pilares. Cada um deles apresenta várias alternativas, pois cada tipo de laje (maciça, nervurada, protendida, etc.) e cada tipo de viga (armada, protendida, etc.) apresentam características que devem ser analisadas ao serem combinadas. Em geral atuam dois tipos de ações: as verticais e as horizontais. Ambas as ações devem percorrer a estrutura e atingir a base da construção, e finalmente o solo. As cargas de utilização que ocorrem nas construções, como as pessoas, móveis, equipamentos fixos ou móveis, peso próprio dos elementos que compõe a construção, etc., em função das forças gravitacionais, são classificadas como ações verticais. A estrutura da construção será o caminho pelo qual as ações caminharão para o solo. Por uma questão de simplicidade e economia deve-se oferecer às ações verticais o caminho mais curto possível até o solo, o que nem sempre é fácil e possível de obter. Outro aspecto a se considerar é que se a estrutura for composta por uma maior quantidade de elementos, como vigas e pilares, cada elemento poderá ter seções transversais menores, se comparada a uma estrutura para a mesma construção, mas com menor quantidade de elementos. A escolha do sistema estrutural mais adequado para o piso depende de diversos fatores, variáveis em função das características de cada construção. Entre os fatores podem ser citados: finalidade da construção, magnitude dos carregamentos, vãos, facilidade e rapidez de execução, disponibilidade e qualidade da mão-de-obra, localização, estética, funcionalidade, disponibilidade de equipamentos, e principalmente o custo. Quando diferentes sistemas estruturais são possíveis sem vantagens técnicas significativas entre eles, o custo torna-se o fator principal na escolha do sistema. No custo leva-se em conta a mão-de-obra, os materiais, os equipamentos necessários, etc.
“ Diversos métodos de cálculo estrutural e processos executivos foram desenvolvidos nas últimas décadas, mas apesar disso o que prevalece no mercado de edifícios residenciais, por efeito cultural, são estruturas formadas por vigas e lajes” (CALDURO e LEME, s/d). Entende-se como estrutura convencional aquela em que as lajes se apóiam em vigas e as vigas sobre pilares (tipo laje-viga-pilar). Os sistemas estruturais formados por lajes, vigas e pilares são os mais comuns na prática, tanto para as construções de pequeno porte, como casas e sobrados, como as de grande porte, como edifícios de múltiplos pavimentos, escolas, hospitais e tantas outras. As lajes podem variar segundo vários tipos. As cargas de utilização das construções geralmente são aplicadas sobre as lajes do pavimento, por onde devem “caminhar” até as bordas para serem transmitidas para as vigas de apoio, geralmente dispostas nas quatro bordas das lajes retangulares e quadradas. As vigas transmitem aos pilares as ações que nelas atuam diretamente, além daquela proveniente das lajes que estão nela apoiada. Os pilares transmitem os carregamentos verticalmente até as fundações, e estas, por sua vez, ao solo (Figura 2.5).
