2380_895

13

Facear – Concreto Estrutural II

Aula – Concepção Estrutural

Prof. Kirke Andrew Wrubel Moreira

1. ASSUNTOS DA AULA

Concepção de lajes, vigas e pilares em concreto armado.

2. INTRODUÇÃO:

A concepção da estrutura de um edifício consiste no estabelecimento de um arranjo adequado dos vários elementos estruturais do edifício (figura abaixo), de modo a assegurar que o mesmo possa atender às finalidades para as quais foi projetado. Em virtude da complexidade das construções, uma estrutura requer o emprego de diferentes tipos de peças estruturais adequadamente combinadas para a formação do conjunto resistente.

Um arranjo estrutural adequado consiste em atender, simultaneamente, os aspectos de segurança, economia (custo), durabilidade e os relativos ao projeto arquitetônico (estética e funcionalidade). Em particular, a estrutura deve garantir a segurança contra os Estados Limites, nos quais a construção deixa de cumprir suas finalidades.

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 apóia.

3. SISTEMAS ESTRUTURAIS PARA EDIFÍCIOS:

Os sistemas estruturais devem ser entendidos como disposições racionais e adequadas de diversos elementos estruturais – vigas, pilares, lajes, paredes estruturais, entre outros. Os sistemas estruturais, portanto, consistem na reunião de elementos estruturais de concreto, de aço, mistos e outros, de maneira que estes trabalhem de forma conjunta para resistir às ações atuantes no edifício e garantir sua estabilidade.

No caso de edifícios de múltiplos andares, quanto maior a altura e a esbeltez da edificação maior será a responsabilidade de uma escolha apropriada da forma estrutural. No Brasil, pode-se dizer que os sistemas estruturais mais empregados para edifícios em concreto de 15 a 20 pavimentos são:

• Estruturas de pórticos

• Estruturas de pórticos com núcleos de rigidez ou paredes estruturais

13




Os sistemas em pórticos podem ser entendidos como a associação de pórticos planos, os quais são constituídos por vigas e pilares conectados rigidamente. A estabilidade global do edifício é conferida por pórticos planos dispostos nas duas direções ortogonais, constituindo um pórtico tridimensional.

Além dos pórticos, o sistema pode apresentar um núcleo estrutural rígido - composto por pilares de grande inércia das caixas de escadas e ou de elevadores– ou por pilares-parede colocados em posições adequadas para melhor enrijecimento lateral do edifício (figuras abaixo).

13




4. DIRETRIZES BÁSICAS PARA A CONCEPÇÃO ESTRUTURAL DE EDIFICIOS

O lançamento dos elementos estruturais é realizado sobre o projeto arquitetônico. Ao lançar a estrutura deve-se ter em mente vários aspectos básicos:

Estética: Deve-se atender as condições estéticas definidas no projeto arquitetônico. Este geralmente requer que se esconda a estrutura dentro das paredes. Como em geral, nos edifícios correntes, a estrutura é revestida, procura-se embutir as vigas e os pilares nas alvenarias, na medida do possível.

Economia: deve-se lançar a estrutura pensando em minimizar o custo da estrutura. A economia pode vir da observação de vários itens:

• Uniformização da estrutura, gerando formas mais simples e permitindo maior reaproveitamento das fôrmas de madeira (redução de custos e maior velocidade de execução);

• Compatibilidade entre vãos, materiais e métodos utilizados (ex.: o vão econômico para estruturas protendidas é maior do que o de estruturas de concreto armado);

• Caminhamento o mais uniforme possível das cargas para as fundações. Apoios indiretos, de vigas sobre vigas e transições devem ser evitadas ao máximo, pois acarretam um maior consumo de material.

13




Funcionalidade: um aspecto funcional importante é o posicionamento dos pilares na garagem. Em virtude da necessidade crescente de vagas para estacionamento, deve ser feita uma análise minuciosa dos pavimentos de garagem, de modo a aumentar ao máximo a quantidade de vagas, sempre procurando obter vagas de fácil estacionamento.

Resistência às ações horizontais: ao se lançar a estrutura deve-se procurar estabelecer um sistema estrutural adequado para resistir às ações horizontais atuantes na estrutura (vento, desaprumo, efeitos sísmicos).

Com relação às decisões que influenciam o comportamento dos elementos estruturais, merecem ser destacadas as seguintes considerações:

• O posicionamento dos elementos estruturais na estrutura da construção pode ser feito com base no comportamento primário dos mesmos. Assim, as lajes são posicionadas nos pisos dos compartimentos para transferir a carga dos mesmos para as vigas de apoio. As vigas são utilizadas para transferir as reações das lajes e o peso das alvenarias para os pilares em que se apóia (ou, eventualmente, vigas de apoio), vencendo os vãos entre os mesmos. E os pilares são utilizados para transferir as cargas das vigas para as fundações.

• A transferência de carga deve ser a mais direta possível. Desta forma, deve-se evitar, na medida do possível, a utilização de vigas importantes sobre outras vigas (chamadas apoios indiretos), bem como o apoio de pilares em vigas (chamadas de vigas de transição).

• Os elementos estruturais devem ser os mais uniformes possíveis, quanto à geometria e quanto às solicitações. Desta forma, as vigas devem, em princípio, apresentar vãos comparáveis entre si.

• As dimensões contínuas da estrutura, em planta, devem ser, em princípio, limitadas a cerca de 30 m para minimizar os efeitos da variação da temperatura e da retração do concreto. Assim, nas construções com dimensões em planta acima de 30 m, é desejável a utilização de juntas estruturais ou juntas de separação que decompõem

a estrutural original em um conjunto de estruturas independentes entre si, para minimizar estes efeitos.

• Conforme já mencionado, as ações horizontais atuantes em uma edificação são normalmente resistidas por pórticos planos ortogonais entre si, os quais devem apresentar resistência e rigidez adequadas. Para isso, é importante a orientação criteriosa das seções transversais dos pilares (em planta). Também é importante que a estrutura ofereça adequada estabilidade à construção, conseguida geralmente através da imposição de rigidez mínima às seções transversais dos pilares e das vigas. Lançar a estrutura de um edifício em concreto é basicamente escolher o posicionamento adequado para pilares,

13




vigas e lajes, bem como determinar as dimensões iniciais (pré-dimensionamento) de tais elementos estruturais. O bom lançamento estrutural é diretamente proporcional à vivência prática do projetista. Dessa forma, recomenda-se aos alunos que iniciem o assunto pelo lançamento de pequenas estruturas, com formas simples, procurando gradualmente um melhor domínio do assunto.

A escolha da estrutura de um edifício de andares múltiplos começa pelo pavimento tipo, fixando-se a posição de vigas e pilares, levando sempre em consideração a posição da caixa d'água, a qual coincide, em boa parte dos casos, com a caixa de escadas.

Com a estrutura do pavimento tipo resolvida, deve-se verificar se a posição dos pilares pode ser mantida nos outros pavimentos. Nesta análise são considerados aspectos estéticos e funcionais das garagens, pilotis, salões de festas, "play-grounds", etc. Caso não seja possível manter a posição dos pilares, tenta-se reformular a estrutura do pavimento tipo até compatibilizar a posição dos pilares com os outros pavimentos.

As recomendações que se seguem são aplicáveis a edificações em concreto armado com concepção estrutural usual (sistema estrutural com laje, viga e pilar) e com pequenas sobrecargas de utilização, tais como os edifícios comerciais e residenciais:

1) Posicionar os pilares, de preferência, nos cantos das edificações e nos encontros das vigas.

2) Procurar distanciar os pilares entre 2,5 e 6 m.

3) Escolher regiões não muito nobres no pavimento tipo da edificação para o posicionamento dos pilares (cantos dos armários embutidos, atrás das portas, etc.) evitando que os mesmos fiquem aparentes em salas e dormitórios.

4) Verificar se as posições lançadas no pavimento tipo são aceitáveis ao térreo e nas garagens (subsolos). Por sua vez, essa preocupação de cunho estético é menos importante para o térreo, uma vez que a sua arquitetura pode ficar um pouco prejudicada em favor de um melhor posicionamento dos pilares no pavimento tipo. Quanto às garagens, verifica-se que é mais difícil compatibilizar as melhores posições estruturais dos pilares com a melhor distribuição dos boxes (espaços reservados para os automóveis), sendo primordial, nesta etapa, o entendimento entre calculistas e arquitetos na busca da melhor posição estrutural para os pilares.

5) Procurar, sempre que possível, o posicionamento das vigas de tal forma que as mesmas formem pórticos com os pilares, a fim de enrijecer a estrutura frente às

13




ações horizontais (vento), principalmente na direção da menor dimensão em planta do edifício.

6) Procurar lançar vigas onde existam paredes, evitando que as mesmas fiquem aparentes, contribuindo para o aspecto estético. Entretanto, não é obrigatório lançar vigas sob todas as paredes. Eventualmente, uma parede poderá apoiar-se diretamente na laje, devendo-se fazer as devidas verificações na laje em virtude do carregamento introduzido pela parede. Quando existirem paredes leves, como por exemplo paredes de gesso acartonado e divisórias, a tarefa do lançamento de vigas torna-se mais flexível.

7) Verificar a real necessidade de rebaixamento de uma laje em relação à outra. Às vezes o rebaixamento é necessário quando se tem que embutir as tubulações de esgoto nas lajes (lajes de banheiro ou das áreas de serviço). Atualmente, para esconder as tubulações de esgoto, há a preferência pela utilização de forros falsos em contrapartida à opção pelo rebaixamento. Isso se deve principalmente à facilidade de eventuais consertos nas tubulações.

Quanto aos limites dos vãos das lajes de concreto armado, apresentam-se as seguintes recomendações:

8) Em geral, pode-se adotar: a) 2 a 5 m para o menor vão de lajes armadas em uma direção; b) 3 a 6 m para o maior vão de lajes armadas em duas direções.

9) Lajes de vãos muito pequenos resultam em grande quantidade de vigas, tornando elevado o custo com as fôrmas.

10) Lajes com vãos muito grandes podem requer espessuras elevadas e grande quantidade de armaduras. Além disso, a verificação do estado limite de deformações excessivas pode ser crítico. Para vencer grandes vãos, torna-se mais viável a utilização da protensão.

5. PRÉ DIMENSIONAMENTO

LAJES:

A espessura da laje (h) pode ser estimada por:

13




VIGAS:

Em geral, a altura da seção transversal da viga (h) pode ser estimada por:

onde L é o vão da viga. Para fins de pré-dimensionamento, L pode ser tomado como sendo a distância entre os eixos dos pilares em que a viga se apóia.

Algumas considerações adicionais sobre a escolha das dimensões devem ser destacadas:

• No caso de vigas contínuas com vãos comparáveis (relação entre vãos adjacentes entre 2/3 a 3/2), costuma-se adotar uma altura única estimada a partir da média dos vãos. No caso de vãos muito diferentes entre si, deve-se adotar uma altura própria para cada vão como se fossem independentes.

13




No caso de apoios indiretos (viga apoiada em outra viga), recomenda-se que a viga de apoio tenha uma altura maior ou no mínimo igual à viga apoiada.

• Costuma-se adotar alturas de seção múltiplas de 5 cm, com um mínimo de 25 cm. Tal critério de altura mínima induz a utilização de vãos maiores ou iguais a 2,5 m. A altura máxima está condicionada ao espaço disponível para a viga e para as aberturas de portas. Logo, as alturas das vigas dos pavimentos não devem ultrapassar a distância de piso a piso menos a altura das portas e caixilhos. Dessa, forma não devem ser utilizados, em geral, vãos de vigas superiores a 6 m, face aos valores usuais de pé-direito (em torno de 2,8 m).

A largura da viga é, em geral, definida pelo projeto arquitetônico e pelos materiais e técnicas utilizados pela construtora. Desta forma, quando a viga ficar embutida em paredes de alvenaria, sua largura deve levar em conta o tipo de tijolo, o revestimento utilizado e a espessura final definida pelo arquiteto. Normalmente, os tijolos cerâmicos e os blocos de concreto têm espessuras de 9 cm, 14 cm e 19 cm.

Como recomendação prática para definir a largura das vigas, pode-se considerar uma espessura de 3 cm para o revestimento (em cada face da parede) em paredes de 25 cm de espessura e 1,5 cm de espessura de revestimento em paredes de 15 cm de espessura.

Segundo a NBR 6118, a largura mínima para vigas é de 12cm e para vigas-parede 15cm. No também, é importante frisar que a mínima largura permitida para a viga também está condicionada ao bom alojamento das armaduras, devendo-se respeitar o espaçamento mínimo livre (ah) entre as barras e o cobrimento mínimo (c) em função da classe de agressividade ambiental prescritos pela NBR 6118.

13




PILARES:

Os pilares de concreto armado são normalmente de seção retangular, sendo posicionados nos cruzamentos das vigas (permitindo apoio direto das mesmas) e nos cantos da estrutura da edificação. Os espaçamentos dos pilares definem os vãos das vigas, resultando em geral espaçamentos entre 2,5 a 6 m.

Nos pilares de seção retangular, recomenda-se que a menor dimensão não seja inferior a 20cm, embora a norma brasileira de projeto permita dimensões de até no mínimo 12 cm em troca de uma majoração adicional das solicitações. As seções dos pilares também podem ser compostas por retângulos, em forma de “L”, “T”, etc.

Em edifícios pode ocorrer uma incompatibilidade entre a posição dos pilares em dois pavimentos diferentes. Essa situação pode existir em função de diferenças no layout dos pavimentos, como no caso nos edifícios residenciais, que possuem garagem e pavimento tipo. Nesses casos, utiliza-se uma estrutura de transição como a mostrada na figura 17.

As estruturas de transição, na grande maioria das vezes, são caras e de grande responsabilidade estrutural. Dessa forma, deve-se procurar compatibilizar o posicionamento dos pilares nos diversos pisos, mantendo a continuidade vertical dos mesmos até a fundação, de modo a se evitar, o quanto possível, a utilização de vigas de transição (pilar apoiado em viga).

Pré-dimensionamento dos pilares: processo das áreas de influência

O pré-dimensionamento de pilares pode ser realizado com base no processo das área de influência. A área de influência de um pilar pode ser entendida

13




como a parcela (quinhão) da carga total do pavimento transferida a esse pilar. Portanto, com o processo das áreas de influência, procura-se estimar as cargas verticais (forças normais) nos pilares.

A área de influência é calculada a partir da região compreendida entre as mediatrizes dos segmentos de reta que unem os pilares. Alternativamente, a fim levar em conta as diferenças de rigidez entre os pilares, pode-se obter as áreas de influência segundo a proposta de PINHEIRO (1995).

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. Em alguns casos, dependendo da complexidade da geometria dos pavimentos, este processo pode levar a resultados muito imprecisos.

Pré-dimensionamento dos pilares: Força normal de pré-dimensionamento

As seções transversais dos pilares são inicialmente avaliadas imaginando-se que os pilares estejam submetidos à uma força normal de compressão equivalente, que acabe levando em conta os efeitos de flexão que inevitavelmente aparecem nos pilares. As solicitações de flexão são consideradas multiplicando-se a força normal nominal Nk (estimada pelo processo das áreas de influência) por coeficientes (β) adotados em função da

13




posição dos pilares e que já levam em conta o coeficiente de segurança (γf). BACARJI (1993) indica os seguintes valores para o coeficiente β:

Nk é a força normal nominal do pilar no pavimento analisado. Esta força normal pode ser obtida calculando-se as reações de apoio das vigas sobre o pilar em questão;

n é o número de pavimentos acima da seção do pilar analisada (incluindo a cobertura).

Na fase de pré-dimensionamento, a força normal Nk pode ser estimada a partir de um valor médio de carga por m2 de área de influência do pilar. Nos edifícios de múltiplos andares usuais, essa carga pode ser adotada entre 10 kN/m2 a 12 kN/m2 (por pavimento).

Tais limites são valores médios e foram identificados pela observação de projetos de edifícios realizados pelo meio técnico – GIONGO (1996). Dentro desse critério, a força normal de dimensionamento seria calculada por:

onde

Ai é a área de influência do pilar;

(g+q) é a soma das cargas nominais (permanentes e acidentais) por unidade de área - entre 10 kN/m2 e 12 kN/m2 nos edifícios correntes.

Pré-dimensionamento de pilares: Cálculo da área da seção

Sob a situação de carga centrada no pilar, a área da seção transversal na fase de pré-dimensionamento é calculada no estado limite último (Domínio 5 – reta b) por:

onde

13




ρ é a taxa de armadura longitudinal total no pilar. Para efeito de pré-dimensionamento, pode-se adotar valores em torno de 2%.

σs é a tensão de compressão nas barras das armaduras para uma deformação de 0,2%. Em se tratando de aço CA-50, essa tensão corresponde a 42kN/cm2

Menor e maior dimensão das seções dos pilares

Em geral, a menor dimensão dos pilares é conhecida ou determinada pelas condições do projeto arquitetônico. Quando se deseja esconder a estrutura, a menor dimensão do pilar acaba sendo definida em função da espessura das paredes.

A menor dimensão permitida pela NBR 6118 para pilares é de 19cm. Em casos especiais, a norma brasileira permite valores mínimos entre 12cm e 19cm, desde que as solicitações sejam majoradas pelo coeficiente adicional γn contido na tabela 13.1 da norma. Entretanto, em nenhum caso, a NBR 6118 permite pilares com área de seção menores que 360 cm².

EXEMPLOS:

A planta arquitetônica do pavimento tipo é indicada na figura abaixo. As paredes internas apresentam espessura de 15 cm e as paredes externas, de 25 cm. Deseja-se embutir todas as vigas nas alvenarias e os pilares nas alvenarias externas.

13




A posição das paredes no pavimento tipo, indicada na figura abaixo, fornece uma orientação inicial para o lançamento das vigas e, conseqüentemente, para a definição das lajes. Uma primeira solução possível (solução A) seria a apresentada na figura abaixo, lançando-se vigas sob todas as paredes do pavimento.

A primeira solução em vermelho embora não esteja incorreta, apresenta algumas desvantagens. Uma delas é a formação de lajes muito recortadas, ou seja, a solução apresenta um grande número de vigas, levando a um elevado consumo de madeira para a execução das fôrmas das vigas. Além disso, esta solução conduz a lajes com dimensões significativamente menores que as recomendadas na prática, induzindo ao sub-aproveitamento desses elementos estruturais.

13




A próxima solução procurou-se lançar as vigas de tal forma que os vãos das lajes estejam compreendidos entre os valores recomendados na prática. Além disso, a solução abaixo apresenta lajes menos recortadas que as lajes da solução A. Logo, embora surjam paredes que se apóiam diretamente em lajes (L1, L2 e L3) na solução abaixo, pode-se afirmar que esta última solução resultará em maior economia de materiais para as fôrmas em relação à solução A.

13




2380_895

Documents