Aula 03 - Prédimensionamento Estrutural e Concepção de Estruturas de Concreto

Disciplina Sistemas Estruturais Concreto Universidade Federal de Alagoas UFAL Faculdade de Arquitetura e Urbanismo FAU Aula 03 Prof Paulo César Correia Gomes Aula 03 Prédimensionamento estrutural Concepção Estrutural Durabilidade material e estrutura Vigas Lajes Pilares Elementos especiais Elétrico Arcondicionado Hidráulico Incêndio Telefonia Gás Redeinternet Dimensionamento Propriedades Mecânicas do Concreto e do Aço Comportamento dos Elementos Estruturais Estrutural ESTRUTURA DE CONCRETO ARMADO Tipo de edificação Arquitetônico Projetos Transporte Lançamento Compactação Acabamento Produção Propriedades no Estado Fresco Execução Vida útil Durabilidade Utilização Cura Concepção Estrutural ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO TIPO DE EDIFICAÇÃO Edifícios Obras Especiais Resid Comer Hosp Pontes Hidrelétrica Outras Pequeno até 4 Pav Médio 5 Pav 12 Grande Pav 13 ARQUITETURA Subsolo ARQUITETURA PILOTIS Planta Baixa Estrutura Pilotis ARQUITETURA TIPO Planta Baixa Estrutura Tipo Planta de carga e Locação dos Pilares Formas do Pavimento Tipo Concepção Estrutural CONCEPÇÃO DE UM PROJETO ESTRUTURAL A concepção estrutural ou simplesmente estruturação também chamada de lançamento da estrutura consiste em escolher um sistema estrutural que constitua a parte resistente do edifício Essa etapa implica em escolher os elementos a serem utilizados e definir suas posições de modo a formar um sistema estrutural eficiente capaz de absorver os esforços oriundos das ações atuantes e transmitilos ao solo de fundação A transferência de cargas deve ser a mais direta possível evitando que cargas importantes sejam apoiadas em vigas e a necessidade de vigas de transição CONCEPÇÃO DE UM PROJETO ESTRUTURAL A concepção estrutural deve levar em conta a finalidade da edificação e atender tanto quanto possível às condições impostas pela arquitetura 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 Evidentemente a estrutura deve também ser coerente com as características do solo no qual ela se apoia CONCEPÇÃO DE UM PROJETO ESTRUTURAL Buscar segurança durabilidade e economia Uniformização da estrutura Compatibilidade entre vãos materiais e métodos utilizados Sistemas Estruturais aporticados Uso de simetria 1 Atender às condições estéticas definidas no projeto arquitetônico sempre que possível Vigas e pilares embutidos na alvenaria Evitar pilares e vigas em vãos abertos Evitar excesso de vigas aparentes Verificar se a locação dos pilares não interfere na garagem Evitar balanços geram estruturas mais robustas PROJETO ESTRUTURAL Lançamento 2 Compatibilizar o projeto de estruturas com projetos complementares Evitar dutos e tubulações vazando vigas Reforçar elementos em caso de grandes orifícios Altura total deve contemplar viga dutos e forro PROJETO ESTRUTURAL CONCEPÇÃO DIRETRIZES 3Arranjo adequado dos elementos estruturais básicos de modo a atender simultaneamente as restrições impostas pelos projetos arquitetônico e de instalações prediais Elementos Estruturais Básicos lajes vigas e pilares Fundação sapata blocos e tubulões Complementares escadas muro de arrimo caixas dágua PROJETO ESTRUTURAL CONCEPÇÃO DIRETRIZES 4 transferência de cargas o mais direta possível Evitar viga importante apoiada em viga Evitar viga de transição 5 elementos estruturais devem ser os mais uniformes possíveis geometria e solicitações Vigas com vãos compatíveis Elementos estruturais com geometria simples e regular PROJETO ESTRUTURAL CONCEPÇÃO DIRETRIZES 6 dimensões contínuas da estrutura em planta limitadas a 30 m Maiores utilização de juntas 7 Em função do vento devem existir pórticos ortogonais que resistam adequadamente Recomendase Orientar pilares buscando distribuir rigidezes Estabelecer alinhamento entre eles Prever estruturas de contraventamento PROJETO ESTRUTURAL CONCEPÇÃO DIRETRIZES 8verificar a locação dos pilares na garagem 9 evitar pilares nos limites do terreno para não ter fundação excêntrica 10 balanços geram estruturas mais robustas Evitar Balanços muito grandes Janelas em cantos 11 Prever dimensões maiores para pilares com pé direito duplo PROJETO ESTRUTURAL CONCEPÇÃO DIRETRIZES LANÇAMENTO O posicionamento dos elementos estruturais deve ser definido em função do caminho normal das cargas 1 A transferência de cargas deve ser a mais direta possível evitando que vigas com cargas importantes sejam apoiadas em vigas e a necessidade de vigas de transição 2 Os elementos estruturais devem ser os mais uniformes possíveis na sua geometria e solicitações preferencialmente figuras geométricas conhecidas simples e regular 3 As dimensões contínuas em planta da estrutura devem ser limitadas a 30m senão devem ser previstas juntas de dilatação 4 Os balanços geram estruturas mais robustas Assim devem se evitar balanços muito grandes e janelas em cantos 5 Devese ainda prever dimensões maiores para pilares com pédireito duplo 6 Evitar pilares nos limites do terreno para não ter fundação excêntrica PROJETO ESTRUTURAL Lançamento CONCEPÇÃO PÓRTICOS FRENTE ÀS AÇÕES HORIZONTAIS Existência de pórticos planos ortogonais Orientação criteriosamente dos pilares buscando distribuir rigidezes estabelecendo alinhamento entre eles CONCEPÇÃO PÓRTICOS FRENTE ÀS AÇÕES HORIZONTAIS Concepção de pilares de grande inércia estruturas de contraventamento em lugares estratégicos por exemplo em escadas e fosso de elevadores e pilaresparede PILARES Durabilidade das estruturas de concreto Vida útil Mecanismo de envelhecimento e deterioração Concreto Lixiviação Expansão por sulfatos Reação álcaliagregado Aço Despassivação por carbonatação Despassivação por ação de cloretos NBR 61182014 Seção 06 Diretrizes para durabilidade das estruturas de concreto Durabilidade das estruturas de concreto Agressividade do Ambiente NBR 61182014 Seção 06 Durabilidade das estruturas de concreto Projeto Drenagem Formas arquitetônicas e estruturais Qualidade do concreto de cobrimento NBR 61182014 Seção 07 Critérios de projeto que visam a durabilidade Durabilidade das estruturas de concreto Durabilidade das estruturas de concreto Prédimensionamento de elementos estruturais Básicos Vigas Lajes Pilares O prédimensionamento dos elementos estruturais é necessário para que se possa calcular as ações incluindo o peso próprio da estrutura que é a primeira parcela considerada no cálculo das ações O conhecimento das dimensões permite determinar os vãos equivalentes e as rigidezes necessários no cálculo das ligações entre os elementos Prédimensionamento de elementos estruturais Prédimensionamento de elementos estruturais Vigas VIGA biapoiada VIGA contínua VIGA em balanço VIGA Gerber lado superior sofre tração e no inferior com a compressão Trecho Flutuante Trecho Estático Pédireito Péesquerdo Vigas Altura Altura da Viga Seção com armadura longitudinal em uma única camada Relação entre a altura total e a altura útil é dada pela expressão Prédimensionamento de elementos estruturais bw Armadura de pele Em vigas com d 60 cm armaduras com aço CA 50 ou 60 devese dispor longitudinalmente e próxima a cada face lateral da viga na zona tracionada uma armadura de pele com aço de resistência igual ou superior a do aço da armadura de tração As pele 010 bwh em cada face o espaçamento entre barras não deve ultrapassar d3 e 30 cm a barra mais próxima da armadura de tração deve distar entre 6 e 20 cm desta armadura Vigas Detalhes de seção transversal e armadura de pele Uma estimativa para largura da viga bw o A seção transversal das vigas não pode apresentar largura bw menor que 12 cm e a das vigasparede menor que 15 cm o Espessura final da parede Vigas Vigas bw A espessura bw descontandose as espessuras de revestimento crev da ordem de 05 cm a 15 cm da espessura da parede acabada ealv bw ealv 2 crev Normalmente os tijolos cerâmicos e os blocos de concreto tem espessuras etij de 9 cm14 cm e 19 cm ealv etij 2 crev E O vão efetivo pode ser calculado por lef l0 a1 a2 com a1 igual ao menor valor entre t12 e 03h e a2 igual ao menor valor entre t22 e 03h conforme esquema Uma estimativa para altura de vigas Vigas ef ef ef CONCRETO ARMADO II Viga V1 Viga V3 Altura h Pegar o maior tramo 410 cm tramo interno h Lef12 41012 3416 35 cm Largura bw Largura da parede 15 cm Largura mínima de viga NBR 61182014 12 cm Inicialmente bw 15 cm acompanhando a parede Instabilidade Lateral Bw Lo50 38550 77 cm Bw 04 h 04 35 14 cm Bw 15 cm PASSA NA INSTABILIDADE LOGO V115x35e V315x35 Detalhe de Viga VT02 25x65 N5 2 Ø 63 716 N5 2 Ø 16 30 N1 29 Ø 63 C 18 N1 15 Ø 63 C 11 CORTE AA N4 N4 N3 N2 N1 15 Ø 63 N1 41 Ø 63 55 25 21 Prédimensione a viga biapoiada bw e h de sustentação da parede A indicada na Figura Esta viga faz parte do pavimento tipo de um edifício construído na zona de agressividade III Mostrar a seção transversal da viga detalhada considere 2 ferros de bitola de 16 mm e estribo de 5 mm Exercício Vigasparede São consideradas vigasparede as vigas altas em que a relação entre o vão e a altura lh é inferior a 2 em vigas biapoiadas e inferior a 3 em vigas contínuas Elas podem receber carregamentos superior ou inferior As chapas de concreto em que o vão for menor que três vezes a maior dimensão da seção transversal são usualmente denominadas vigasparede Vigasparede Lajes Maciças Lajes são peças estruturais com superfície média plana espessura pequena em relação às outras dimensões e carregadas predominantemente na direção normal ao plano médio Muitas vezes as lajes também suportam cargas atuantes em seu plano médio Exemplos cargas horizontais devidas ao vento nos edifícios cargas térmicas Lajes Maciças Procedimento geral Prédimensionamento de elementos estruturais Lajes Maciças As lajes geralmente são apoiadas em vigas paredes ou pilares que proporcionam condições de vinculação de bordas variadas As bordas podem ser consideradas Simplesmente Apoidas Engastadas Livres ou com Continuidade Lajes Maciças CLASSIFICAÇÃO DAS LAJES 1 QUANTO AO TIPO DE APOIO Borda Simplesmente Apoiada Borda Engastada Borda Livre Engastamentos Elásticos são frequentes e dependem da rigidez dos apoios Exemplos Laje Simplesmente Apoiada nas quatro bordas Laje Simplesmente Apoiada em Três Bordas e com uma borda Livre Laje em Balanço Laje Simplesmente Apoiada em Três Bordas com Uma Borda Engastada Em geral para facilidade do cálculo é usual considerar os vãos teóricos até os eixos dos apoios Lajes Vão livre e vão teórico Conhecidos os vãos teóricos considerase lx o menor vão ly o maior e λ lylx De acordo com o valor de λ é usual a seguinte classificação λ 2 laje armada em duas direções λ 2 laje armada em uma direção Vãos teóricos lx menor vão e ly maior vão Lajes Armadas em Cruz 1 2a 2b 3 4a 4b 5a 5b 6 Caso específico de vinculação Critério para bordas com uma parte engastada e outra parte apoiada Lajes Critério para considerar bordas engastadas 5 QUANTO À VIZINHANÇA Lajes Isoladas Quando não apresentam ligações com lajes vizinhas Lajes Contínuas Quando um ou mais lados são interligados a lados de lajes vizinhas de mesmo nível e com continuidade material OBS Lajes em Balanco Limites mínimos para a espessura h da laje a 7 cm para cobertura não em balanço b 8 cm para lajes de piso não em balanço c 10 cm para lajes em balanço d 10 cm para lajes que suportem veículos de peso total menor ou igual a 30kN e 12 cm para lajes que suportem veículos de peso total maior que 30 kN f 15 cm para lajes com protensão apoiadas em vigas com o mínimo de l42 para lajes de piso biapoiadas e l50 para lajes de piso contínuas g 16 cm para lajes lisas e 14 cm para lajescogumelo fora do capitel Lajes Maciças 13241 Lajes Processo 1 Machado 1983 A altura útil de uma laje retangular apoiada pode ser estimada para fins de prédimensionamento a partir do critério prático dado por h 25 l onde l corresponde ao menor vão da laje retangular indicado na Figura Lajes Processo 2 NB178 L é o menor vão Processo 2 NB178 Lajes armadas em duas direções l y vão menor l x vão maior número superior ψ 2 para l x l y 1 número inferior ψ 2 para l x l y 2 podendo usarse para razão entre os lados maior que 2 exceto nos casos assinalados com asterisco Para 1 l x l y 2 interpolar linearmente Processo 2 NB178 TABELA 21 VALORES DE ψ2 Lajes Processo 2 NB178 lajes maciças 35 25 20 Processo 3 CEB124125F Para o CEB a verificação das flechas é dispensada quando as deformaçōes não excedem determinados valores e não ofereçam danos aos revestimentos A verificação das deformaçōes pode ser dispensada quando a lajes com vãos que não excedam 5 m b lajes com α ℓ 30 h onde h espessura da laje ℓ vão da laje α valor tabelado que depende do tipo de vinculação da laje Para lajes que suportam paredes ou divisórias que podem ser afetadas pelas deformaçōes a razão α ℓ não deve ser maior que 150 ℓ em α ℓ em metro Determinar segundo os procedimentos apresentados a espessura h das lajes de piso L1 e L2 indicadas na figura abaixo conforme o tipo de apoio indicado e a situação de continuidade entre as lajes informadas As lajes estão no pavimento tipo de um edifício construído na zona de agressividade IV Lajes Exercício a Lajes biapoiadas nos quatro lados b Lajes engastada nos quatro lados c Laje engastada nos lados menores d Laje engastada nos lados maiores e Laje engastada em um dos lados maiores f Laje engastada em um dos lados menores Comprimento equivalente NBR 6118 PILARES O comprimento equivalente le do elemento comprimido pilar suposto vinculado em ambas as extremidades deve ser o menor dos seguintes valores le lo h ou l onde lo é a distância entre as faces internas dos elementos estruturais supostos horizontais que vinculam o pilar h é a altura da seção transversal do pilar medida no plano da estrutura em estudo l é a distância entre os eixos dos elementos estruturais aos quais o pilar está vinculado No caso de pilar engastado na base e livre no topo le 2l PILARES Quanto a posição Iniciase o prédimensionamento dos pilares estimandose sua carga por exemplo através do processo das áreas de influência Este processo consiste em dividir a área total do pavimento em áreas de influência relativas a cada pilar e a partir daí estimar a carga que eles irão absorver A área de influência de cada pilar pode ser obtida dividindose as distâncias entre seus eixos em intervalos que variam entre 045l e 055l dependendo da posição do pilar na estrutura conforme o seguinte critério Pilar PRÉDIMENSIONAMENTO DOS PILARES 045ℓ pilar de extremidade e de canto na direção da sua menor dimensão 055ℓ complementos dos vãos do caso anterior 050ℓ pilar de extremidade e de canto na direção da sua maior dimensão No caso de edifícios com balanço considerase a área do balanço acrescida das respectivas áreas das lajes adjacentes tomandose na direção do balanço largura igual a 050l sendo l o vão adjacente ao balanço Convém salientar que quanto maior for a uniformidade no alinhamento dos pilares e na distribuição dos vãos e das cargas maior será a precisão dos resultados obtidos Há que se salientar também que em alguns casos este processo pode levar a resultados muito imprecisos Após avaliar a força nos pilares pelo processo das áreas de influência é determinado o coeficiente de majoração da força normal α que leva em conta as excentricidades da carga sendo considerados os valores Pilar PRÉDIMENSIONAMENTO DOS PILARES A seção abaixo do primeiro andartipo é estimada então considerandose compressão simples com carga majorada pelo coeficiente α utilizandose a seguinte expressão Pilares PRÉDIMENSIONAMENTO DOS PILARES A existência de caixa dágua superior casa de máquina e outros equipamentos não pode ser ignorada no pré dimensionamento dos pilares devendose estimar os carregamentos gerados por eles os quais devem ser considerados nos pilares que os sustentam Para as seções dos pilares inferiores o procedimento é semelhante devendo ser estimadas as cargas totais que esses pilares suportam Pilares A seção transversal dos pilares qualquer que seja a sua forma não deve apresentar dimensão menor que 19 cm Em casos especiais permitese a consideração de dimensões entre 19 cm e 12 cm desde que no dimensionamento se multipliquem as ações por um coeficiente adicional γn onde γn 195005b b é a menor dimensão da seção transversal do pilar em cm Dimensões mínimas NBR 6118 Todas as recomendações referentes aos pilares são válidas nos casos em que a maior dimensão da seção transversal não exceda cinco vezes a menor dimensão h 5b Quando esta condição não for satisfeita o pilar deve ser tratado como Pilar parede Em qualquer caso não se permite pilar com seção transversal de área inferior a 360 cm² Características Geométricas PILARES Dimensões mínimas NBR 6118 Exercício Dimensione os pilares P1 P2 P4 e P5 da planta baixa de um pavimento tipo Tomar como exemplo o cálculo do Pilar P5 Como exemplo considerase o Pilar P5 no Térreo e concreto utilizado é o 20 MPa com Área de influência no andar tipo Ai5 3 m x 3 m 90 m² Número de Andares n 10 fck 200 MPa 20 kNcm² Seção Retangular com b 25 cm valor arbitrado Cálculo Ac 30 x α x A n 07 fck 001692 fck Ac5 30 x 13 x 09 10 07 1405 cm² Logo a seção do Pilar P5 do térreo será h Acb 1405 25 562 cm A seção do pilar deve ser mantida constante ao longo de um lance entre pisos consecutivos e pode variar ao longo de sua altura total Esta variação pode ser feita a cada grupo de 2 ou 3 andares