UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
TAMIRIS LUIZA SOARES LANINI
ANÁLISE TÉCNICA DE ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS EM
CONCRETO ARMADO, DE 3 A 21 PAVIMENTOS, COM VARIAÇÃO
DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
(RELAÇÃO GEOMÉTRICA, EM PLANTA, DE 1:4)
Sinop
2015/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
TAMIRIS LUIZA SOARES LANINI
ANÁLISE TÉCNICA DE ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS EM
CONCRETO ARMADO, DE 3 A 21 PAVIMENTOS, COM VARIAÇÃO
DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
(RELAÇÃO GEOMÉTRICA, EM PLANTA, DE 1:4)
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso I.
Prof. Orientador: Dr. Roberto Vasconcelos Pinheiro.
Sinop
2015/2
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Trabalhos realizados no Campus de Sinop ... 26 Figura 2: Projeto Arquitetônico ... 29
LISTA DE ABREVIATURAS
ABCP – Associação Brasileira de Cimento Portland ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas Caixa – Caixa Econômica Federal
fck – Resistência característica à compressão do concreto, aos 28 dias
IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística kg – Quilograma
m – metros
MPa – Mega Pascal NBR – Norma Brasileira
PAC – Programa de Aceleração do Crescimento
SINAPI – Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da Construção Civil
α – parâmetro de instabilidade γz – parâmetro de instabilidade
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Análise técnica de estruturas de edifícios em concreto armado, de 3 a 21 pavimentos, com variação de resistência à compressão (relação geométrica, em planta, de 1:4).
2. Tema: Estruturas de Concreto Armado 3. Delimitação do Tema: Engenharia de custos 4. Proponente(s): Tamiris Luiza Soares Lanini 5. Orientador: Dr. Roberto Vasconcelos Pinheiro
6. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso - UNEMAT
7. Público Alvo: Estudantes, Pesquisadores e Profissionais da área de Engenharia e Arquitetura.
8. Localização: UNEMAT, Avenida dos Ingás; 3001; Jardim Imperial; Sinop-MT; 78550-000.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... 3 LISTA DE ABREVIATURAS ... 4 DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... 5 1 INTRODUÇÃO ... 8 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 10 3 JUSTIFICATIVA... 11 4 OBJETIVOS ... 12 4.1 OBJETIVO GERAL ... 12 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 12 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 13 5.1 NORMATIZAÇÃO ... 13 5.2 CONCRETO ARMADO ... 135.2.1 Propriedade dos Materiais ... 14
5.2.2 Deformações ... 15
5.2.3 Propriedades mecânicas do concreto armado ... 15
5.2.4 Escolha do fck do concreto ... 16
5.2.5 Vantagens e restrições do concreto armado ... 17
5.3 CONCEPÇÃO ESTRUTURAL ... 18
5.4 AÇÕES ATUANTES NA ESTRUTURA ... 18
5.5 SEGURANÇA E ESTADOS LIMITES ... 20
5.6 ANÁLISE ESTRUTURAL E ESTABILIDADE GLOBAL DE EDIFÍCIOS ... 20
5.7 DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS ... 22
5.8 SOFTWARE PARA PROJETO ESTRUTURAL – ALTOQI EBERICK V9 .. 23
5.9 COMPOSIÇÃO DE CUSTOS ... 24
5.10ASPECTOS GERAIS DA ANÁLISE ESTRUTURAL TÉCNICO – ECONÔMICA 25 6 METODOLOGIA ... 28
6.1 MATERIAIS ... 28
6.2 MÉTODOS ... 28
6.2.1 1ª Etapa – Projeto Arquitetônico ... 28
6.2.2 2ª Etapa – Concepção estrutural, ações e carregamentos ... 29
6.2.3 3ª Etapa – Análise, dimensionamento e verificação estrutural ... 30
6.2.4 4ª Etapa – Mapeamento dos quantitativos e composição de custo dos insumos 31 6.2.5 5ª Etapa – Parâmetros técnico-financeiros ... 31
7 CRONOGRAMA ... 32
1 INTRODUÇÃO
No Brasil, o mercado de trabalho – em suas mais diversas atividades - tem atravessado inúmeras transformações decorrentes das políticas públicas aplicadas ao setor da indústria. Neste contexto, pesquisas evidenciam o ramo da construção civil em relação ao desempenho econômico social desse setor para com o País na busca pelo desenvolvimento por meio da geração de empregos e melhoria na distribuição de renda do trabalhador.
Segundo Bazzo (2006), tais fatos ocorrem devido à intrínseca relação existente entre a construção civil e a evolução social, uma vez que o homem, ao longo do tempo, aprimorou sua capacidade de atribuir forma a objetos naturais e empregá-los para fins específicos. Como exemplo, têm-se as moradias, incialmente, constituídas por cavernas para fins de proteção das intempéries. Por sua vez, o conceito de moradia tornou-se essencial para com as exigências da sociedade, implicando no surgimento das primeiras técnicas construtivas e na criação do ramo da construção civil. As habitações, agora constituídas por madeiras, ossos de animais, barro cru e cozidos e ademais materiais naturais, evoluíram de modo a tornar-se destaque nas atividades socioeconômicas da população.
Esse avanço desencadeou diversas pesquisas quanto a materiais de construção civil que tornassem as moradias capazes de refletir os desafios proporcionados pelo desenvolvimento do homem. O uso do aço, do concreto armado e do concreto protendido na construção civil são exemplos do avanço técnico-econômico desse forte setor da indústria mundial.
Nas últimas décadas, o desenvolvimento do homem desencadeou um acelerado processo de urbanização e decorrente crescimento das grandes cidades. Tal fato, por sua vez, acarretou significativo aumento na demanda por moradias e, consequentemente, demasiada valorização imobiliária. Nesse contexto, a construção de edificações horizontais – com ocupação de grandes áreas - tem se tornado inviável financeiramente.
Para atender às necessidades imobiliárias, o setor da construção desenvolveu, com base nas tendências internacionais, o conceito de edificações verticalizadas no Brasil. Estas têm o intuito de melhor explorar os terrenos utilizados para reduzir o custo final da edificação.
Entretanto, a viabilidade da execução e o bom desempenho estrutural de tais empreendimentos estão intimamente vinculados à minuciosa concepção estrutural elaborada pelo técnico responsável. Segundo Araújo (2014), tais edificações devem ser projetados de modo a atender a aspectos estéticos e econômicos, bem como aos requisitos de bom desempenho em serviço, durabilidade e segurança contra os Estados Limites, nos quais a construção deixa de cumprir sua finalidade.
Para efeitos do cumprimento de tais requisitos, as indústrias apostaram no avanço da tecnologia dos materiais, como por exemplo, na produção de concretos com maiores capacidades de resistência. Para Silva (2011), essa inovação trouxe como vantagem, tanto para estruturas convencionais quanto especiais, a otimização de espaços internos por meio do aumento da durabilidade e da redução das seções dos elementos estruturais.
Nesse contexto, desenvolve-se na Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT – Campus de Sinop, um projeto de pesquisa que caracteriza a relevância do estudo das variações de resistência característica a compressão dos concretos durante a elaboração do projeto estrutural de edificações, objetivando a análise e comparação do quantitativo de insumos empregados – concreto, aço e fôrmas de madeira - das lajes, vigas e pilares, de edifícios de múltiplos pavimentos com distintas geometrias em plantas.
Sendo assim, este estudo se apresenta como parte constituinte deste projeto, no qual a análise do quantitativo de insumos da superestrutura será realizada para um edifício hipotético, de três (3) a 21 pavimentos com relação geométrica, em planta, equivalente a 1:4, considerando o número de pórticos na menor dimensão do edifício. Este estudo poderá ser aplicado para todas as regiões do Brasil, cuja velocidade básica do vento (V0) não seja superior a 30m/s.
E, entende-se que, apesar de manter a mesma relação geométrica de outros trabalhos já elaborados, a variação do número de “linhas” de pilares gerará influência nos resultados de quantitativos de insumo e, consequentemente, nos parâmetros técnicos.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
Para o projeto de pesquisa em questão, têm-se os seguintes questionamentos: a) No que se diz respeito à superestrutura – lajes, vigas e pilares – de edifícios
com três a 21 pavimentos, com relação geométrica, em planta, equivalente a 1:4, qual o valor da resistência característica à compressão (fck) é
tecnicamente aplicável?
b) Quanto à aplicação global em edifícios de três (3) a 21 pavimentos, com relação geométrica, em planta, de 1:4, qual valor da resistência característica à compressão (fck) é tecnicamente viável?
c) Utilizando-se de distintos valores de resistência característica à compressão (fck) em edifícios de três (3) a 21 pavimentos, com relação geométrica, em
planta, de 1:4, quais são os parâmetros técnicos – kgaço/m3concreto; m2fôrma/
3 JUSTIFICATIVA
Devido ao processo de urbanização, os grandes centros se tornaram alvos de superlotação e demasiado crescimento, acarretando a excessiva valorização imobiliária. Nesse sentido, os profissionais do setor da construção civil objetivaram a implantação do conceito de edificações verticalizadas com o intuito de viabilizar técnico e economicamente novos empreendimentos.
Para tanto, estudos com base nos materiais empregados ao ramo da construção proporcionaram aos projetistas a disposição de concretos com diferentes resistências característica à compressão em seus 28 dias – denominada fck. Tal feito
propicia maior liberdade quanto à arquitetura da edificação e, para maiores valores de fck, poderá variar as seções transversais de concreto e aço dos elementos que
compõem a superestrutura, podendo ocasionar redução do custo total da obra. Sendo assim, justifica-se a elaboração de um estudo que avalie o consumo de insumos (concreto, aço e fôrma) dos elementos estruturais da superestrutura (pilares, vigas e lajes) em edifícios de múltiplos andares, considerando os seguintes parâmetros: três (3) a 21 pavimentos; relação geométrica em planta (equivalente a 1:4); sete “planos” de pórticos (compostos por pilares e vigas) para a menor dimensão; resistência característica à compressão do concreto - 25, 30, 35 e 40 MPa; velocidade básica do vento (V0) não superior a 30m/s, onde se inclui a cidade
de Sinop – MT.
Vale ressaltar que, além disso, tal estudo também irá subsidiar a orçamentação da superestrutura.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo geral deste projeto de pesquisa é estudar, a partir dos elementos da superestrutura – lajes, vigas e pilares, o comportamento estrutural de edifícios de múltiplos andares, variando a resistência característica à compressão (fck).
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos da presente pesquisa abrangem, dentre outros, os seguintes itens:
Elaborar o projeto estrutural de um edifício com as seguintes características: três (3) a 21 pavimentos; relação geométrica, em planta, equivalente à 1:4; sete “planos” de pórticos de contraventamento para a menor dimensão; resistência característica à compressão (fck) - 25, 30,35 e 40 MPa;
Determinar os quantitativos dos insumos (aço, concreto e fôrma) e a composição dos custos, para os elementos da superestrutura – lajes, vigas e pilares;
Definir parâmetros técnicos: espessura média do pavimento tipo; kgaço/m³concreto e m²fôrma/m³concreto;
Definir parâmetros financeiros: R$/m³concreto executado e R$/m²áreaconstruída.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A propósito de assegurar a elaboração de um projeto estrutural técnico-economicamente viável para uma edificação – que satisfaça quesitos de conforto, durabilidade e segurança – é essencial o conhecimento quanto ao comportamento dos materiais e parâmetros constituintes à estrutura, bem como seu arranjo como um todo.
5.1 NORMATIZAÇÃO
A concepção e as considerações do projeto estrutural serão elaboradas em conformidade com as indicações propostas nas seguintes normativas:
· ABNT NBR 6118:2014 – Projeto de Estruturas de Concreto – Procedimento;
· ABNT NBR 6120:1980 – Cargas para o cálculo de estruturas de edificações;
· ABNT NBR 6123:1988 – Forças devidas ao vento em edificações;
· ABNT NBR 7480:1996 – Barras e fios de aço destinados a armaduras para concreto armado;
· ABNT NBR 8681:2003 – Ações e segurança nas estruturas – Procedimento;
· ABNT NBR 8953:2015 – Concreto para fins estruturais – classificação pela massa específica, por grupos de resistência e consistência.
· ABNT NBR 14931-2004 - Execução de Estruturas de Concreto – Procedimento.
5.2 CONCRETO ARMADO
O concreto simples é um material que apresenta elevada resistência a esforços de compressão e baixa resistência a esforços de tração – na ordem de 10% de sua resistência à compressão. Desse modo, para aumentar a capacidade estrutural do concreto é evidente a necessidade de juntá-lo a um material que
apresente elevada resistência à tração de modo a combater este efeito nos elementos estruturais. (BASTOS, 2006)
A união do concreto simples às armaduras de aço forma o elemento conhecido como “concreto armado”, em que as barras de aço presentes absorvem os esforços de tração e auxiliam o concreto na tarefa de absorver os esforços de compressão. Essa composição só é possível devido ao fenômeno da “aderência”, em que o concreto e a armadura transferem os esforços e trabalham de forma conjunta. (BASTOS, 2006)
5.2.1 Propriedade dos Materiais
A compreensão do projetista quanto ao comportamento de estruturas em concreto armado é possível através do conhecimento das características e dos materiais que o compõem. Desse modo, a ciência para com as propriedades do concreto simples e dos aços para concreto armado é primordial para o projetista na elaboração do projeto de estruturas em concreto armado. (BASTOS, 2006)
O concreto simples é o material composto pela mistura entre agregados – naturais ou britados – cimento, água e ar. Devido a necessidades específicas, este composto pode ainda ser acrescido de aditivos químicos, como aceleradores ou retardadores de pega, e adições minerais, como escórias de alto-forno e pozolanas. (ARAÚJO, 2014)
Esse material, em sua composição simples, caracteriza-se pela boa resistência à compressão, usualmente na ordem de 20 MPa a 50 MPa, e reduzida resistência à tração, em ordem usual inferior a um décimo de sua resistência à compressão. (FUSCO, 2008)
Segundo Araújo (2014), as armaduras presentes no elemento estrutural em concreto armado têm a função de absorver os esforços de tração que agem sobre as peças, e ainda aumentar a capacidade de carga destas quando submetidas à compressão.
Os aços empregados em estruturas de concreto armado são regulamentados segundo a ABNT NBR 7480:1996 conforme a seguinte classificação:
a) Barras: contemplam as categorias CA-25 E CA-50, com diâmetros variando entre cinco (5) mm a 40 mm. São obtidas pelo processo de laminação a quente;
b) Fios: abrangem a categoria CA-60, com diâmetros que variam de 2,4 mm a 10 mm. São obtidos pelo processo de trefilação ou laminação a frio.
5.2.2 Deformações
Ao se tratar de concreto armado e advindas análises estruturais, o comportamento reológico do concreto, ou seja, sua deformabilidade em função do tempo tem relevante importância. Esse comportamento é convencionalmente dividido entre fluência – acréscimo contínuo das deformações para uma tensão constante – e retração – redução do volume do material ainda que haja ausência de uma carga externa. (ARAÚJO, 2014)
Segundo Araújo (2014), as deformações em elementos estruturais de concreto armado são influenciadas ainda pela temperatura ambiente. “A elevação da temperatura acelera o processo de envelhecimento e também o fenômeno da fluência. Para temperaturas abaixo de 5oC, a fluência praticamente cessa”.
Nesse contexto, incluem-se ainda os tipos de cimentos, os aditivos e as propriedades dos materiais aos fatores que influenciam no comportamento reológico do concreto. Tais fatores – e ademais citados anteriormente – causam uma série de efeitos indesejáveis em estruturas aporticadas, como o aumento das flechas de lajes e vigas, e o aumento da curvatura de pilares devido à fluência, por exemplo. (ARAÚJO, 2014)
5.2.3 Propriedades mecânicas do concreto armado
O concreto armado tem como principais propriedades mecânicas a resistência à compressão, resistência à tração e o módulo de elasticidade. Tais propriedades são determinadas de acordo com ensaios realizados em condições específicas, para efeitos de controle de qualidade e de atendimento às especificações. (PINHEIRO, 2007)
Para Fusco (2008), a resistência característica à compressão é a propriedade mecânica com maior relevância e representatividade quanto à qualidade do concreto
e seu desempenho funcional. Araújo (2014) afirma que tal propriedade é dependente de diversos fatores, tais como: idade do concreto, velocidade de aplicação carga, condições de cura, e, essencialmente, sua composição – consumo/tipo de cimento e fator água cimento.
Os concretos para fins estruturais são normatizados pela ABNT NBR 8953:2015 e divididos entre os grupos I - 15 MPa a 50 MPa - e II - 55 MPa a 80 MPa - conforme sua resistência característica à compressão, definida como fck. Tal
propriedade é determinada a partir de corpos de prova moldados em conformidade com a ABNT NBR 5738 e rompidos segundo as disposições da ABNT NBR 5739.
Conforme Araújo (2014), a resistência do concreto no âmbito da tração, analogamente a resistência à compressão, apresenta significativa variação em torno de um valor médio. Para Bastos (2006), esse valor se encontra na faixa de 8% a 15% da resistência à compressão existente no elemento estrutural.
A determinação da resistência à tração do concreto pode ser realizada através de três ensaios distintos: ensaio de tração direta, indireta, ou ainda ensaio de tração na flexão. Os procedimentos referentes a tais ensaios estão dispostos no Item 8.2.5 da norma ABNT NBR 6118:2014.
Outro aspecto fundamental no projeto de estruturas em concreto armado é a relação entre tensões e deformações, denominada Módulo de Deformação Longitudinal e representada pela letra E. (PINHEIRO, 2007)
De acordo com Bastos (2006), o valor do módulo de elasticidade depende das características e dos materiais componentes dos concretos. “Os concretos com maiores resistências à compressão deformam-se menos que os concretos de baixa resistência, e por isso têm módulos de elasticidade maiores”. A importância da determinação dos módulos de elasticidades se dá pela definição das deformações nas estruturas de concreto armado.
5.2.4 Escolha do fck do concreto
O fck do concreto – sigla referente à resistência característica à compressão
do concreto aos seus 28 dias – é o valor agregado a uma massa de concreto tal que, para determinado valor de fck, no máximo 5% dos seus corpos de provas
romperam no teste de prensa com valores inferiores ao fixado. (BOTELHO & MARCHETTI, 2010)
Segundo a norma ABNT NBR 8953:2015, para estruturas em concreto armado, a classe do concreto a ser empregado deverá ser C20 ou superior, ou seja, com valor de fck maior ou igual a 20 MPa. Botelho & Marchetti afirmam que o uso de
concreto com maiores valores de resistência característica à compressão pode implicar na redução das seções dos elementos estruturais, diminuição da área de aço estimada para a estrutura e, ainda, aumento da durabilidade.
5.2.5 Vantagens e restrições do concreto armado
Pinheiro (2007), afirma que o concreto armado possui diversas vantagens se comparado aos demais elementos estruturais, tais como:
A estrutura é monolítica, ou seja, todo conjunto trabalha quando a peça é solicitada;
Baixo custo dos materiais componentes;
Para estruturas bem projetadas e construídas, os gastos quanto à manutenção são reduzidos;
O concreto é um material durável e protege a armadura contra o processo de corrosão;
É um material resistente a choques e vibrações, efeitos térmicos e desgastes mecânicos;
Quando executado em boas condições de adensamento, cura e plasticidade, o concreto é pouco permeável.
Nesse sentido, Pinheiro (2007) ainda aponta algumas restrições do concreto armado que devem ser analisadas de modo a atenuar suas consequências. Dentre tais restrições, as principias são:
Baixa resistência à tração;
Corrosão das armaduras;
Sua utilização implica no custo de fôrmas para moldagem;
Fissuração;
Fragilidade;
5.3 CONCEPÇÃO ESTRUTURAL
Concepção estrutural é o termo designado à etapa de projeto em que são definidos os elementos estruturais e seus posicionamentos de modo a formar um sistema estrutural capaz de absorver os esforços decorrentes das ações atuantes e transmiti-los ao solo de fundação. (CARDOSO, 2013)
De acordo com Pinheiro (2007), “A solução estrutural adotada no projeto deve atender aos requisitos de qualidade estabelecidos nas normas técnicas, relativos à capacidade resistente, ao desempenho em serviço e durabilidade da estrutura”. Assim, Giongo (2007) afirma que para efeitos de uma boa concepção estrutural, as posições ocupadas pelos elementos estruturais devem estar compatíveis às exigências arquitetônicas e dos demais projetos complementares, intimamente associadas às ações presentes no edifício.
Dessa forma, o sistema estrutural elaborado pode ser dividido em subsistemas horizontais e verticais. Os subsistemas horizontais são formados por lajes – componentes bidimensionais que trabalham como diafragmas e como elementos de ligação entre peças estruturais verticais. Já os subsistemas verticais recebem os esforços distribuídos pelos subsistemas horizontais e resistem às solicitações nesta direção – vento. (GIONGO, 2007)
Segundo Pinheiro (2007) o posicionamento inicial dos pilares deve partir dos cantos e áreas comuns aos demais pavimentos. Subsequente, posicionam-se os demais pilares de modo a mantê-los alinhados, formando pórticos – juntamente às vigas – que contribuem significativamente para estabilidade global do edifício.
Posteriormente, os elementos estruturais a serem locados no sistema estrutural são as vigas. O posicionamento destas, análogo aos pilares, deve ser realizado de modo a formar pórticos – através de ligação entre pilares -, bem como dividir painéis de lajes com grandes dimensões, ou ainda suportar uma parede de divisória. Assim, os painéis de lajes são delimitados por vigas que consideram o valor econômico do menor vão da laje. (PINHEIRO, 2007)
Os conceitos relacionados às ações atuantes nas estruturas devem manter conformidade com as indicações propostas nas normas ABNT NBR 8681:2003, ABNT NBR 6120:1980 e ABNT NBR 6123:1998.
Conforme a norma ABNT NBR 8681:2003, “Ações são causas que provocam esforços ou deformações nas estruturas. Do ponto de vista prático, as forças e as deformações impostas pelas ações são consideradas como se fossem as próprias ações”. É corrente ainda, a designação de ações diretas para as forças e ações indiretas para deformações impostas.
Essas ações, atuantes na estrutura, podem ser classificadas de acordo com sua variabilidade no tempo em permanentes, variáveis e excepcionais, listadas a seguir:
a) Ações Permanentes: são ações que ocorrem nas estruturas durante praticamente toda a vida da construção, sem que haja grandes variações em seu valor. Estas podem ser classificadas como diretas oriundas do peso próprio e dos elementos construtivos permanentes - pisos e revestimentos -, ou indiretas, causadas pelo processo de retração ou recalque de apoios. (GIONGO, 2007)
b) Ações variáveis: são ações que apresentam valores com variações significativas durante a vida da construção e representam as ações de uso da construção, bem como seus efeitos. Estas se dividem em ações variáveis normais, com probabilidade de ocorrência suficientemente alta para torná-las obrigatórias na concepção de projetos estruturais, e ações variáveis especiais, que compreendem ações sísmicas e cargas acidentais de intensidades especiais. (GIONGO, 2007)
c) Ações excepcionais: são ações cuja duração é extremamente curta e que possuem muito baixa probabilidade de ocorrência durante a vida da construção. Devem ser consideradas para elaboração de projetos de determinadas estruturas. (PINHEIRO, 2007)
Para tanto, a NBR 6118:2014 indica que a análise estrutural deve ser elaborada considerando a influência de todas as ações – conforme a classificação listada – e suas combinações que possam produzir efeitos significativos para segurança da estrutura em questão.
5.5 SEGURANÇA E ESTADOS LIMITES
O dimensionamento de um sistema estrutural deve ser realizado de modo a apresentar segurança satisfatória ao usuário. Tal segurança está condicionada à verificação dos estados limites, que compreendem os estágios nos quais a estrutura se encontra imprópria para uso. (PINHERO, 2007)
Na concepção de Mesquita Filho (2006), uma estrutura dita como segura é capaz de suportar todas as ações – até mesmo as mais desfavoráveis – durante sua vida útil, de modo a não inviabilizar sua utilização ou atingir a ruptura. Essa segurança está intimamente condicionada aos estados limites, atingidos quando uma estrutura deixa de atender a uma das três condições seguintes: segurança, funcionalidade e durabilidade, de ordem estrutural ou de ordem funcional.
Em decorrência do exposto, os estados limites se dividem em estados limites últimos e estados limites de serviço. Os estados limites últimos são aqueles que, por sua simples ocorrência, determinam a paralisação no todo ou em parte, do uso da construção. Estão relacionados ao colapso ou qualquer forma de ruína estrutural. (MESQUITA FILHO, 2006)
Os estados limites de serviço são os quais sua ocorrência, repetição ou duração, causam efeitos estruturais que desrespeitam as condições especificadas para o uso da estrutura. Estes estados ainda se referem ao comprometimento da durabilidade da estrutura. (SILVA, 2011)
5.6 ANÁLISE
ESTRUTURAL
E
ESTABILIDADE
GLOBAL
DE
EDIFÍCIOS
Edifícios em concreto armado sofrem, inevitavelmente, a ação simultânea de esforços verticais e horizontais que provocam deslocamentos laterais dos nós da estrutura. Esse efeito, denominado não linearidade geométrica, propõe à estrutura a busca por equilíbrio na posição deslocada, que implica no aparecimento de esforços adicionais aos elementos estruturais - denominados efeitos de segunda ordem. (GIONGO, 2007)
No caso de estruturas de elevada altura ou ainda que possuam grande relação entre esta e maior dimensão em planta, os efeitos de segunda ordem se
tornam mais importantes e podem desencadear situações de instabilidade ao edifício. (CARVALHO E PINHEIRO, 2009)
De acordo com a norma ABNT NBR 6118:2014, as verificações quanto à estabilidade das estruturas podem ser realizadas para efeito de primeira ordem, cuja análise da estrutura é feita em sua configuração geométrica inicial, e para efeitos de segunda ordem, cuja estrutura deformada passa a ser considerada para análise do equilíbrio estrutural.
Conforme Giongo (2007), em estruturas de concreto armado o comportamento tridimensional da estrutura e a não linearidade física – quanto ao módulo de elasticidade (Ec) do material, por exemplo – devem ser verificados. Essa análise permite ao projetista a percepção quanto à “sensibilidade” da estrutura de acordo com sua rigidez global.
A sensibilidade de estruturas em concreto armado é tradicionalmente medida por meio do coeficiente “α” – denominado parâmetro de instabilidade – regulamentado pelo Item 15.5.2 da norma ABNT NBR 6118:2014. Esse parâmetro é definido de acordo com a altura total da estrutura, somatória das cargas verticais atuantes e da somatória dos valores de rigidez dos pilares ou pórticos na direção considerada. (IBRACON, 2011)
Segundo Moncayo (2011), o parâmetro de instabilidade α é um meio de avaliar estruturas de concreto quanto à estabilidade global, considerando-as como um meio elástico, no qual os estados de fissuração dos elementos não são considerados. Quanto sua aplicação para fenômenos de instabilidade global, o valor de α é comparado ao valor de α1 para classificação da estrutura em nós fixos ou
móveis.
Para casos em que o valor de α é inferior a 0,60, as estruturas podem ser consideradas como indeslocáveis (para efeitos de cálculo) uma vez que os efeitos globais de segunda ordem são inferiores ao valor de 10% dos esforços de primeira ordem. Nos casos em que o valor de α é superior a 0,60, as estruturas podem ser notadas como deslocáveis para efeito de cálculo, o qual deve considerar os efeitos de segunda ordem. (CARVALHO E PINHEIRO, 2009)
O valor limite α1=0,6 prescrito para n ≥ 4 é, em geral, aplicável às estruturas usuais de edifícios. Pode ser adotado para associações de pilares-parede. Pode ser aumentado para α1= 0,7 no caso de contraventamento constituído exclusivamente por pilares-parede e deve ser reduzido para α1=0,5 quando só houver pórticos. (ABNT NBR 6118:2014)
De acordo com Ribeiro (2010), o segundo parâmetro capaz de avaliar a sensibilidade de estruturas de concreto quanto aos efeitos de segunda ordem é o coeficiente “Ɣz”, regulamentado pelo Item 15.5.3 da ABNT NBR 6118:2014.
Ainda segundo o autor, este parâmetro avalia as estruturas em concreto quanto à estabilidade global conforme a condição de que se o valor do coeficiente Ɣz
for igual ou inferior a 1,10, a estrutura é considerada indeslocável. Esse valor ainda fornece estimativas quanto às adições de solicitações relevantes, conforme prescreve a norma ABNT NBR 6118:2014:
Uma solução aproximada para a determinação dos esforços globais de 2a ordem consiste na avaliação dos esforços finais (1a ordem + 2a ordem) a partir da majoração adicional dos esforços horizontais da combinação de carregamento considerada por 0,95 Ɣz. Esse processo só é válido para Ɣz ≤ 1,3. (ABNT NBR 6118:2014)
Após a realização das verificações cabíveis – parâmetros α e Ɣz -, a análise
da estrutura considerada indeslocável (nós fixos) deve proceder conforme o item 15.6 na norma ABNT NBR 6118:2014. Caso a estrutura tenha sido constatada como deslocável (nós móveis), a análise deve ser feita em conformidade com o item 15.7 na mesma norma.
5.7 DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS
Conforme a ABNT NBR 6118:2014, após a análise estrutural é necessário realizar três etapas subsequentes: o dimensionamento, a verificação da estrutura e o detalhamento dos elementos estruturais. Esses estágios têm o intuito de promover e garantir a segurança da estrutura quanto aos estados limites, de serviço e últimos, avaliando-a separadamente-em relação aos elementos estruturais - e em conjunto, considerando a estrutura como um todo.
Para efeitos de cálculo a segurança quanto aos estados limites, considerando o método semi-probabilístico, é garantida através da majoração dos esforços atuantes na estrutura e minoração das resistências dos componentes dos elementos estruturais, impondo-se que os esforços solicitantes sejam inferiores às resistências de cálculo (MESQUITA FILHO, 2006).
A etapa de dimensionamento consiste em verificar as dimensões dos elementos estruturais adotadas na fase de anteprojeto de acordo com as
características do projeto arquitetônico e métodos de pré-dimensionamento dos elementos, como o processo das áreas de influência para pilares, por exemplo. Este estágio define as dimensões finais dos elementos estruturais a serem utilizados bem como as armaduras empregadas conforme os pressupostos e verificações dos estados limites da norma ABNT NBR 6118:2014.
Por fim, Mesquita Filho (2006) afirma que na última fase do projeto estrutural tem-se a etapa de detalhamento dos elementos estruturais dimensionados, que consiste em arranjar de modo conveniente as armaduras a serem utilizadas. Esta disposição deve atender a função estrutural do elemento, e ainda, condições de execução, particularmente quanto ao lançamento de adensamento do concreto prescrito pela norma ABNT NBR 6118:2014.
5.8 SOFTWARE PARA PROJETO ESTRUTURAL – ALTOQI EBERICK
V9
Conforme o item 5.7 do presente projeto de pesquisa, a etapa de análise estrutural e os estágios subsequentes a mesma são primordiais para realização do projeto estrutural de um edifício, uma vez que estas determinam os esforços solicitantes e a capacidade de resistência da estrutura.
Entretanto, esta etapa pode ser extremamente complexa e exaustiva para o projetista, uma vez que a busca pelo melhor arranjo estrutural engloba informações como as propriedades dos materiais, geometria da edificação, cargas atuantes na estrutura, orientação dos elementos, e demais informes que juntos, compõem diversas iterações de tentativa e erro. Dentre tais iterações, o profissional deve considerar a que possua relação técnica-econômica mais viável para a estrutura. (SÁ, 2015)
De modo a otimizar a elaboração e produtividade de soluções para projetos estruturais em concreto armado, diversas empresas disponibilizaram no mercado de engenharia civil softwares para cálculo e detalhamento de projetos estruturais.
O projeto das estruturas de concreto armado e protendido, acompanhando a evolução da informática, tornou-se fortemente dependente do emprego de sistemas computacionais voltados a esta finalidade. Praticamente em todo o país não mais se elaboram projetos estruturais sem o emprego e auxílio da informática. Um novo ambiente de trabalho foi criado e uma nova forma de projetar ainda está sendo descoberta e em curso. (Revista Concreto & Construção, 2007)
A preferência do projetista quanto ao software a ser utilizado em relação aos demais disponíveis no mercado varia conforme a sensibilidade deste e facilidade de adaptação ao programa. Assim sendo, para a elaboração do projeto proposto optou-se pelo uso do software Eberick V9, cujos recursos de dimensionamento e detalhamento dos elementos estruturais estão em conformidade com a norma ABNT NBR 6118:2014. (ALTOQI [1], S.d).
5.9 COMPOSIÇÃO DE CUSTOS
A composição de custos é o modelo quantitativo de determinado serviço de construção que relaciona, em determinada unidade, os insumos indispensáveis para sua execução. Tal definição é utilizada como instrumento para a estimativa de custos, referências de orçamentos, medições e pagamentos, e ainda, acompanhamentos e controle no que diz respeito à construção civil. (PINI, 2010)
Giongo (2007) afirma que o custo de uma estrutura convencional em concreto armado moldado in loco resulta na ordem de 20% a 25% do custo total do empreendimento – a obra pronta para utilização. Em contrapartida, condições específicas para determinados edifícios – soluções para fundação, por exemplo - resultam em um custo particular.
Em análise, os custos para construção dos planos horizontais totalizam 20% do custo total da obra, destinados à estrutura de concreto armado – lajes, vigas e fundações. Quanto aos planos verticais, 4% do custo total da obra são designados à estrutura resistente – pilares e paredes de contraventamento. (GIONGO, 2007)
Em referência ao custo do concreto armado, estão envolvidos os materiais componentes do concreto simples – água, agregados graúdos e miúdos, cimento, aditivos e adições -, as barras e fios de aço que compõe as armaduras, os materiais necessários para confecção de fôrmas, custos da confecção ou locação de andaimes, e ainda, os custos referentes à mão-de-obra para o preparo de fôrmas, lançamento, adensamento, cura e desforma. (GIONGO, 2007)
Segundo Sá (2015), a composição de tais custos pode ser feita através do uso das tabelas SINAPI – importante banco de dados quanto às especificações de insumos, composição de serviços, projetos referenciais e processamento de dados – e IBGE, responsável por pesquisas mensais de preço, metodologia e formação de
índices, titulado como divulgador mensal de custos e índices da construção civil. É relevante ainda, avaliar o custo dos insumos juntos a fabricantes, fornecedores, e prestadores de serviço atuantes na região de implantação do empreendimento.
5.10 ASPECTOS GERAIS DA ANÁLISE ESTRUTURAL TÉCNICO –
ECONÔMICA
A respeito da análise estrutural, existem estudos correlatos ao presente projeto – em fase de desenvolvimento na UNEMAT, Campus de Sinop – que avaliam os custos da elaboração de edifícios em concreto armado, bem como o desenvolvimento técnico do mesmo. Tais projetos consideram como relevantes os seguintes fatores:
Linha de pilares existentes no edifício classificando o mesmo quanto à rigidez:
o 1 – menor número de linhas de pilares existente (menor rigidez); o 2 – intermediário número de linhas de pilares (rigidez
intermediária);
o 3 – maior número de linhas de pilares (maior rigidez); Variação da resistência à compressão do concreto;
Relação geométrica em planta;
Números de pavimentos da edificação; A figura seguinte mostra essa relação:
Figura 1: Trabalhos realizados no Campus de Sinop
Tamiris Lanini. Acervo Particular, 2015.
No final de tal estudo, serão realizados 288 projetos – os quais 96 já foram feitos – com o intuito de estudar o comportamento estrutural de edifícios em concreto armado na região de Sinop – MT bem como promover maior viabilidade econômica de novos empreendimentos na região baseados nos dados obtidos pelo requerido estudo.
Ao se tratar de pesquisas concluídas, Silva (2011) realizou um estudo visando à análise técnica econômica em edifícios de concreto armado de múltiplos pavimentos, através da variação do fck e da área ocupada em planta pelos pilares. A princípio de um modelo estrutural simplificado, o pesquisador constatou que para o aumento do valor de fck, o custo dos pilares existentes diminuiu enquanto o custo das
lajes e vigas aumentou. Constatou-se ainda que o uso de concretos com maiores valores de resistência característica à compressão implica no ganho de área útil da edificação.
Quanto à análise do consumo de materiais e seus respectivos custos aplicados às estruturas em concreto armado, Costa (2012) elaborou um estudo comparativo para um edifício residencial com duas concepções estruturais distintas, – uma com maiores vãos, na ordem de 6,50 metros, e a outra composta por vãos menores, na ordem de quatro (4) metros. O pesquisador constatou que a estrutura composta por maiores vãos teve um acréscimo de 28% no consumo de aço se comparada à concepção estrutural com vãos menores. Verificou-se ainda que a estrutura composta por menores vãos proporciona economia de 12% no custos dos insumos – aço, concreto e fôrma – se comparada à com vãos superiores.
Ainda no que se refere à análise comparativa em edifícios em concreto armado, Spohr (2008) realizou um estudo no qual os sistemas estruturais convencionais e os sistemas estruturais de laje nervurada em concreto armado foram comparados e analisados economicamente para situação de um edifício composto por escritórios. Do estudo constatou-se que o emprego de lajes lisas nervuradas proporciona redução de 18,10% no custo total do sistema estrutural, além de tornar flexível o
6 METODOLOGIA
Tratar-se-á os Materiais e Métodos empregados no desenvolvimento bem como os procedimentos técnicos envolvidos na pesquisa.
6.1 MATERIAIS
A pesquisa será realizada com base em bibliografias que retratem o tema em questão, aliadas ao uso de softwares para projetos estruturais AltoQI Eberick V9 e planilha eletrônica.
A obtenção dos resultados – análises estruturais globais e locais, dimensionamento, verificação e quantitativo dos materiais – será feita através do software para projetos estruturais AltoQI Eberick V9.
A organização dos resultados será feita através de tabelas e gráficos demonstrativos realizadas com auxílio de software de planilha eletrônica.
6.2 MÉTODOS
A pesquisa se desenvolverá em cinco etapas:
· Primeira etapa: definição do projeto arquitetônico a ser utilizado;
· Segunda etapa: definição da concepção estrutural; definição das ações e carregamentos atuantes na estrutura;
· Terceira etapa: análise da estabilidade; dimensionamentos e verificações dos elementos estruturais;
· Quarta etapa: mapeamento dos quantitativos dos insumos – aço, concreto e fôrma – e composição de custo;
· Quinta etapa: definição dos parâmetros técnico-financeiros do projeto. 6.2.1 1ª Etapa – Projeto Arquitetônico
O projeto arquitetônico a ser utilizado será um edifício residencial supostamente construído na cidade de Sinop – MT, com as seguintes características: proporção geométrica, em planta, em torno de 1:4; altura entre
pavimentos - três metros; número de pavimentos tipo - de três (3) a 21, conforme a figura seguinte:
Figura 2: Projeto Arquitetônico
Tamiris Lanini. Acervo Particular, 2015.
6.2.2 2ª Etapa – Concepção estrutural, ações e carregamentos
A concepção estrutural será desenvolvida a fim de garantir a estabilidade do edifício em questão, de modo que, os elementos estruturais estejam compatibilizados à arquitetura preestabelecida. A disposição dos elementos estruturais promoverá a formação de pórticos planos nas duas direções ortogonais, proporcionado à existência de um contraventamento efetivo, de modo que, evite deslocamentos elevados da estrutura, provenientes, principalmente das ações horizontais oriundas dos efeitos do vento.
A concepção estrutural, quanto à análise global, se faz, inicialmente, a partir dos pilares e, em seguida, as vigas e, por último, a definição das lajes. Em princípio, os pilares serão dispostos no contorno do pavimento, de modo que a rigidez máxima do elemento, preferencialmente, esteja na direção mais desfavorável do edifício. Posteriormente serão dispostos os pilares internos ao edifício. Quanto às vigas, serão locadas entre os pilares ou apoiadas entre si. O posicionamento destas definirão as condições de contorno das lajes. Do ponto de vista local, as seções transversais dos elementos estruturais serão definidas, inicialmente, conforme as limitações impostas pelo projeto arquitetônico, bem como respeitando as indicações propostas pela ABNT NBR 6118:2014.
As ações verticais atuantes serão desenvolvidas conforme as disposições das normas ABNT NBR 6120:1980 e ABNT NBR 6118:2014. Para ações horizontais – vento – os parâmetros de cálculo serão definidos conforme a ABNT NBR 6123:1988. Para tanto, serão consideradas apenas ações permanentes e variáveis na estrutura, sem a interferência de ações excepcionais.
A definição dos carregamentos (Estados limites último e de utilização) será dada a partir das prescrições da norma ABNT NBR 8681:2003 e ABNT NBR 6118:2014.
Para tanto, na etapa de concepção estrutural será definida a formação de sete planos de pórticos (compostos por pilares e vigas) para a menor dimensão do edifício de modo a propiciar maior rigidez ao mesmo, uma vez que a inserção de novas linhas de pilares aumenta a rigidez do elemento como um todo. Assim, avaliar-se-á a parâmetro 𝛾𝑧 para quantificar o consumo de insumos necessários para manter tal estabilidade ao edifício se comparado ao estudo já realizado.
6.2.3 3ª Etapa – Análise, dimensionamento e verificação estrutural
Em virtude do presente projeto de pesquisa ser parte de um grupo maior de projetos, alguns parâmetros foram anteriormente fixados para que a análise de tal estudo comparativo aos demais elaborados seja coerente.
Diâmetro do agregado 19mm;
Peso específico do concreto em 25 kN/m3
;
Resistência à compressão do concreto de 25 MPa, 30 MPa, 35 MPa e 40 MPa;
Resistência à tração do aço na ordem de 500 MPa a 600 MPa (Aços CA-50 e CA-60 para pilares e CA-50 para vigas e lajes);
Classe de agressividade do ambiente I; Tensão admissível do solo equivalente a
Velocidade básica do vento (V0) não superior a 30m/s;
A partir do lançamento dos elementos estruturais, será analisada a estabilidade (global e local), bem como o dimensionamento e verificações dos elementos estruturais para edifícios com três, cinco, sete, 10, 15 e 21 pavimentos tipo, a partir das recomendações da ABNT NBR 6118:2014.
As verificações do concreto, o dimensionamento das armaduras e a análise da estabilidade (global e local) serão realizados com base nos estados limites últimos. Os deslocamentos verticais e horizontais serão avaliados de acordo com o estado limite de serviço.
6.2.4 4ª Etapa – Mapeamento dos quantitativos e composição de custo dos insumos
Após o cumprimento das etapas anteriores, serão gerados, pelo software estrutural AltoQI Eberick V9, os quantitativos de insumos – aço, concreto e fôrma – para os elementos da superestrutura.
Com a inclusão dos índices de custo de equipamentos e produtividade da mão-de-obra aos quantitativos de insumos gerados, será efetuada a composição de custos dos edifícios, embasada na tabela SINAPI/MT e no levantamento de preços realizados na cidade de Sinop-MT.
6.2.5 5ª Etapa – Parâmetros técnico-financeiros
Os parâmetros técnico-financeiros serão apresentados conforme as seguintes relações:
· Espessura média do pavimento tipo; · kgaço/m3concreto ; · m2 fôrma/m3concreto; · R$/m2 áreaedificação; · R$/m3 concreto executado
Ainda, será realizada uma análise estatística trivial dos resultados obtidos. Para tornar agradável a interpretação dos resultados desta pesquisa, os resultados obtidos serão apresentados em tabelas e gráficos gerados por software de planilha eletrônica.
7 CRONOGRAMA
ATIVIDADES
2015/2 (histórico) 2016/1 (cronograma)
AGO SET OUT NOV FEV MAR ABRI MAI
Escolha do tema e do orientador Encontros com o orientador Pesquisa bibliográfica preliminar Leituras e elaboração de resumos Elaboração do projeto de pesquisa Entrega do projeto de pesquisa Revisão bibliográfica complementar Coleta de dados complementares e desenvolvimento da monografia Redação da monografia Revisão e entrega oficial do trabalho Apresentação do trabalho em banca
8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
ARAÚJO, J. M. Curso de Concreto Armado. 4. ed. Rio Grande: Dunas, 2014. 2 v.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118 – Projeto de estruturas de concreto – Procedimento. Rio de Janeiro, maio 2014.
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______. NBR 6123 – Forças devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro, jun. 1988.
______. NBR 7480 – Barras e fios de aço destinados a armaduras para concreto armado. Rio de janeiro, fev. 1996.
______. NBR 8681 – Ações e segurança nas estruturas – Procedimento. Rio de Janeiro, mar. 2003.
______. NBR 8953 – Concreto para fins estruturais – classificação pela massa específica, por grupos de resistência e consistência. Rio de Janeiro, mar. 2015. ______. NBR 14931. Execução de estruturas de concreto – Procedimento. Rio de Janeiro, maio 2004.
ALTOQI. [1]. (S.d.). Sobre o ALTOQI Eberick V9. Acesso em: 10 de setembro de 2015. Disponível em: <http://www.altoqi.com.br/software/projeto-estrutural/eberick-v9#sobre-o-eberick>.
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