ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS

-INTRODUÇÃO AO PROJECTO –

João F. Almeida

Mestrado Integrado em ENGENHARIA CIVIL, ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS, Fevereiro 2014

ÍNDICE

Introdução ao Projecto de Estruturas de Edifícios

O Processo de Projecto Condicionamentos

Localização do Edifício (Acções, Geotecnia, Agressividade Ambiental, ...) Utilização / Função do Edifício

... Exigências de Desempenho

Tempo de Vida Útil de Projecto

Eficiência Estrutural (ELS, ELU, Robustez) Durabilidade

Estética / Integração no Local Betão Arquitectónico

Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural Os Novos Betões (UHPC, BAC)

Sustentabilidade Economia

Os Edifícios Altos – Realizações

ESTRUTURA

Outras Especialidades:

Arquitectura

Geotecnia

Instalações Técnicas

Ambiente

Hidrologia

………

Construtor

Dono de Obra

Gestão de Obra

PROJECTO

Art´s Business & Hotel Center , Lisboa, 2005

ela é responsável pela segurança da generalidade dos materiais e equipamentos referentes às diversas especialidades.

“ The conceptual design stage is the most important phase of a project.

Without an idea, without a proper solution to the problem under study there is no established safety concept, no adequately defined behaviour and essentially no solution to the defined

problem, without which a

successful construction project cannot be realized.

Conceptual design is a creative act for which it is not easy to establish a methodology…. “

fib Model Code 2010, Vol. 1 / 2, March 2012

4

A localização e a função da estrutura determinam em geral as suas condicionantes principais,

que, uma vez devidamente compreendidas e hierarquizadas, permitem dar início à concepção

Quantificação das ACÇÕES (que dependam da localização):

SISMOS (NP EN1998-1) , VENTO (NP EN1991-1-4) , NEVE (NP EN1991-1-3) , ...

Natureza dos TERRENOS de fundação ↔ Fundações, Concepção Global Eventual AGRESSIVIDADE do meio ↔ DURABILIDADE

Eventual existência de

risco elevado

de INCÊNDIO ou ACIDENTE

Sismo

próximo

Sismo

afastado

↔ O betão tem uma grande resistência ao fogo

↔ O betão tem excelentes características de isolamento térmico

↔

Moderadamente condicionante para Categorias de Risco Elevadas

Tipos de Utilização

I Habitação II Estacionamento III Administrativo IV Escolar V Hospitalares

VI Espectáculos e Reuniões Públicas VII Hoteleiros e Restauração

VIII Comerciais e Gares de Transportes IX Desportivos e de Lazer

X Museus e Galerias de Arte XI Bibliotecas e Arquivos

XII Industriais, Oficinas e Armazéns

Ex : tipo I (habitação)

Categoria Altura Nº de pisos abaixo do plano de referência 1 9 1 2 28 3 3 50 5 4 > 50 > 6 Exigências Funções do elemento

Estabilidade Estanquidade Isolamento térmico

Suporte R   E  Compartimentação  EI RE  Suporte e compartimentação REI

Resistência ao Fogo de Elementos Estruturais de Edifícios

Categorias de risco Utilizações-tipo 1ª 2ª 3ª 4ª Função do elemento estrutural R 30 R 60 R 90 R 120 apenas suporte I, III, IV, V, VI,

VII, VIII, IX e X _{REI 30 REI 60 REI 90 REI 120 suporte e compartimentação} R 60 R 90 R 120 R 180 apenas suporte

II, XI e XII

Tempo de VIDA ÚTIL

EFICIÊNCIA ESTRUTURAL

- Qualidade de Comportamento em Serviço (ELS) - Segurança de

Pessoas e Bens

/ Robustez (ELU) DURABILIDADE

ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL SUSTENTABILIDADE

ECONOMIA

NP EN1990 - 2009

“Período durante o qual se pretende que uma estrutura ou parte da mesma poderá ser utilizada para as funções a que se destina, com a manutenção prevista mas sem necessidade de grandes reparações.”

Aptidão de uma estrutura para desempenhar, durante o período de vida previsto, as funções para que havia sido concebida, sem que para tal seja necessário incorrer em intervenções / custos de manutenção e reparação imprevistos

Pantheon , Roma (≈ 2000 Anos)

Designação da

classe Descrição do ambiente

Exemplos informativos de condições em que podem ocorrer as classes de exposição

1 Nenhum risco de corrosão ou ataque

X0

Para betão sem armadura ou elementos metálicos embebidos: todas as exposições excepto em situação de gelo/degelo, abrasão ou ataque químico

Para betão com armadura ou elementos metálicos embebidos: muito seco

Betão no interior de edifícios com uma humidade do ar ambiente muito baixa

NP EN1992 - 1 - 2010 3 Corrosão induzida por cloretos

XD1 Humidade moderada Superfícies de betão expostas a cloretos transportados pelo ar

XD2 Húmido, raramente seco

Piscinas

Elementos de betão expostos a águas industriais contendo cloretos

XD3 Alternadamente húmido e seco

Elementos de pontes expostos a pulverizações contendo cloretos

Pavimentos

Lajes de parques de estacionamento 4 Corrosão induzida por cloretos presentes na água do mar

XS1 Exposto ao sal transportado pelo ar mas

não em contacto directo com a água do mar Estruturas próximas da costa ou na costa

XS2 Permanentemente submerso Elementos de estruturas marítimas

XS3 Zonas sujeitas aos efeitos das marés, da

↔ Projectar / Construir contribui para transformar os locais

↔ O resultado permanece para o futuro como

nossa

herança cultural

O Betão é um material

moldável

Hipódromo de la Zarzuela , Madrid, 1939

“Algunos me han preguntado cómo nacieron las cubiertas laminares del Hipódromo de Madrid. Y bien, ellas no son, ni la obra de un genio, ni el resultado de una idea maravillosa o de una momentánea inspiración, son simplemente el resultado de un estudio de la evolución

anterior de las formas del hormigón armado”

O Betão é um material estrutural e pode ser também

arquitectónico

Betão

à vista

Betão

colorido

Betão

texturado

Betão transparente

O Betão é, cada vez mais, também um

material arquitect

ónico

Betão

à vista

Betão

colorido

Betão

texturado

Betão

transparente

EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural

Art´s Business & Hotel Center , Lisboa, 2005 Laje dos pisos elevados

EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural LEVEL -3.0m LEVEL -6.0m Parking Parking 10 FLOOR LEVEL m46.5 LEVEL 0.0m LEVEL 3.0m LEVEL 6.0m LEVEL 9.0m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m 1 Parking Parking Parking 2 3 4 5 6 7 8 9 20.4 23.3 26.2 29.1 32.0 34.9 37.8 40.7 43.6 FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m FLOOR LEVEL m 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 49.4 52.3 55.2 58.1 61.0 63.9 66.8 69.7 72.6 75.5 78.4 81.3 84.2 87.1 90.0 m 22.14m

Torres de S. Gabriel e S. Rafael , Lisboa, 2000 Pavilhão de Portugal , Lisboa, 1998

EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural

CENTRO OVALE, CHIASSO, SWITZERLAND 2013 EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural

Muttoni, Lurati, M. Ruiz – “Concrete shells – towards efficient structures:

24  Conceber e construir com qualidade e elevado valor estético

 Controlo dos recursos

Reduzir consumos (materiais de alto desempenho e resistência)

 Utilizar desperdícios e reciclar produto da demolição produzindo inertes

 Conceber as construções com flexibilidade e capacidade de adaptação a novas

utilizações / funções, por forma a reduzir o volume de demolição e construção nova.

“ ……. environmental, social and economic requirements are fulfilled for the

present and future generations ...”

Edifício Van Nelle, Rotterdam, 1920 ↔ 2010

 Reduzir o consumo de energia / Reduzir a emissão de poluentes (CO₂, ...)

A EVOLUÇÃO DOS BETÕES DE CIMENTO

NOVA PISTA DO AEROPORTO HANEDA, TOKYO, 2010 Ultra High Strenght Fibre Concrete – UHSFC C180

NOVO JEAN BOUIM STADIUM, PARIS, ...2013 Rede (0.35m de espessura), constituída por módulos triangulares (2.40m x 8.30m), em Ultra High

Diferenças genéricas entre a composição dos BAC / Betões Correntes

(Manuel Vieira, PhD, IST, 2008)

Devido à geometria complexa das vigas de suspensão e à sua importância

estrutural, estas foram betonadas com um betão autocompactável C40/50.

D. Amago, Controlo da Retracção num Betão Arquitectónico Autocompactável, 2º Congresso Nacional de Pré-Fabricação em Betão, 2008

BAC

Pigmentado, Texturado

Burj Khalifa , Dubai (Janeiro 2010)

William Baker, Skidmore Owings & Merill Struct. Design Tall Spec. Build. 16, (2007) H 828 m

C80 / C60

BAC colocado a ≈ 600 m (Tmáx. ≈ 50ºC)

Agressividade ambiental / Durabilidade Protecção catódica na laje de fundação

O concurso “Prémio Jovens Mestres”, uma iniciativa do

BE2012

com o apoio da Secil,

tem os seguintes objetivos:

- Promover a apresentação pública, perante a comunidade técnica do

BE2012

,

das melhores Dissertações de Mestrado após implementação da reforma de

Bolonha, divulgando trabalhos de investigação no âmbito do Betão Estrutural

desenvolvidos por estudantes de Escolas de Engenharia Portuguesas.

- Incentivar a participação ativa de jovens mestres e finalistas em Engenharia

Civil em congressos ligados ao Betão Estrutural, incluindo a apresentação oral

de trabalhos com conteúdo relevante.

ELEGIBILIDADE

É elegível ao concurso “Prémio Jovens Mestres” uma Dissertação de Mestrado

(pós-Bolonha) que respeite cumulativamente as seguintes condições:

- Ter sido desenvolvida no âmbito do Betão Estrutural por um estudante de

uma Escola de Engenharia Portuguesa. ...

- Ter sido aprovada com uma classificação mínima de 16 valores após a

correspondente defesa pública.

- Ter sido finalizada nos anos letivos de

2010-11 ou 2011-12

.

- ...

ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS

- CONCEPÇÃO

- PRÉ-DIMENSIONAMENTO

João F. Almeida

C'-C T T T' _{

ÍNDICE

Solução Estrutural do Projecto

A Fase de Concepção

Modelação da Estrutura (Modelos Globais, Locais e Regiões Particulares) Análise e Verificação da Segurança

Comportamento Estrutural de Edifícios – Caminhos das Cargas

Acções Verticais Acções Horizontais

Sistemas em Pórtico, Sistemas Parede e Pórtico / Parede Disposição em Planta dos Núcleos

Sistemas Estruturais de Pavimentos – Pré-dimensionamento

Critérios de Pré-dimensionamento de lajes Pavimentos Vigados e Fungiformes

Pilares – Pré-dimensionamento Critérios de Pré-dimensionamento Fundações Prospecção Geotécnica Soluções de Fundações Considerações finais

• CONCEPÇÃO

• PRÉ-DIMENSIONAMENTO

• MODELAÇÃO - Modelos Globais

- Modelos Locais - Regiões particulares • ANÁLISE • VERIFICAÇÃO DA SEGURANÇA g P _{g + P} C'-C C T C C'-C T C' _{ T' _{

... as relações entre a função, a forma, os materiais e os processos construtivos, do que deverá resultar o conjunto das melhores soluções possíveis para o problema em estudo; é essencial compreender o

funcionamento dos sistemas estruturais e exercitar os caminhos das cargas através da estrutura,

por forma a saber julgar a adequabilidade do conceito estrutural e avaliar as dimensões dos vários elementos estruturais.

“The conceptual design stage is the most important phase of a project. Without an idea, without a proper solution to the problem under study there is no established safety concept, no adequately defined behaviour and

essentially no solution to the defined problem, without which a successful construction project cannot be realized. Conceptual design is a creative act for which it is not easy to establish a methodology….”.

“ Las teorías rara vez dan más que una comprobación de la bondad o del desacierto de las formas y proporciones que se imaginan para la obra. Estas han de surgir primero de un fondo intuitivo de los fenómenos, que ha quedado como un poso íntimo de estudios y experiencias a lo largo de la vida profesional.

...y el caso es que en las escuelas hay tanto que aprender que rara vez queda tiempo para pensar.

...Porque es absurdo descender a la concreción cuantitativa sin la seguridad de tener encajado el conjunto en sus acertados dominios. Es um erro demasiado corriente empezar a calcular la viga número 1 sin haber antes meditado si la construcción debe llevar vigas o no”;

“....tan inútil es aprender sin meditar, como es peligroso pensar sin antes haber aprendido de outros.”

Eduardo Torroja Miret 2007 : “RAZÓN E SER DE LOS TIPOS ESTRUCTURALES”, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos.

Eduardo Torroja (1899-1961)

Emil Mörsch (1872-1950)

Robert Maillart (1872-1940)

Eugène Freyssinet (1879-1962) Fritz Leonhardt (1909 - 1999) p = g + y q q_P = P (1/R_cabo) (p – q_P)

Acções Verticais ↔ Os pavimentos equilibram (flexão) as cargas no plano,

repartindo-as pelos elementos verticais, de forma

aproximadamente proporcional à sua

área de influência

.

≈ [(5/8) Ly] ≈ [(3/8) Ly]

≈ [(5/8) Lx ; Lx/2]

[Lx]

Área de Influência do Pilar Área de Influência da Parede

Acções Verticais ↔ Os pavimentos equilibram (flexão) as cargas no plano,

repartindo-as pelos elementos verticais, de forma

aproximadamente proporcional à sua

área de influência

.

Pilar J

D N_iJ = A_J . q_i

D N_iJ

N _J

Acç. Horizontais ↔ Os pavimentos distribuem (diafragma) as acções horizontais, pelos

elementos verticais, de forma aproximadamente proporcional à

sua rigidez.

Núcleo Parede

Acç. Horizontais ↔ Sistemas

em Pórtico

- em geral apenas adequado para estruturas

de

porte e níveis de acções horizontais muito moderados

EQUÍLIBRIO









I

v

I

p











M

cont.



; N

p



M

p





h



F



H = 2 M

p

+ N



L

FH 2  0 F/2 FH 2  0 F/2 F H N F/2 Mp Mp N F/2 F h M_cont. L p p F F F F F/2 F/2 3 FH 2 3 FH 2

Acç. Horizontais ↔ Sistemas Parede e Pórtico/Parede

EQUÍLIBRIO 2 2 H N F /2 Mp Mp N F /2 F v p L 2 F₁ M_P F₁ F P

F

₁

+ F

₂

= F

F



H = M

_P

+ (2 M

_p

+ N L)

N Mp Mp N F₂ F₁ M_P F₁ F p p F ₃  0  0  0 PLANTA NÚCLEOS PÓRTICOS DE CONTORNO PILARES INTERIORES

A disposição em planta das paredes e dos núcleos:

↔ é frequentemente (muito) condicionada por razões funcionais e de exploração

do edifício.

↔ pode ter muita importância para a concepção e comportamento estrutural.

↔ trata-se, em geral, de um aspecto que justifica um

diálogo importante

Engenharia / Arquitectura (Dono de Obra), logo nas fases iniciais do estudo.

↔ como indicação geral (mas

difícil

), procurar adoptar disposições em planta, tão

Simples, Compactas e Simétricas quanto possível.

! Efeitos das rotações em planta !

Concepções inadequadas (

inaceitáveis

)

Disposição em planta das paredes e dos núcleos:

↔ em edifícios extensos (dimensões em planta superiores a 60/100 metros), a

concepção para acções horizontais deve ser analisada conjuntamente com os

aspectos referentes aos efeitos das deformações impostas / impedidas.

? Juntas ? Ver: - D_Junta ≥ _H - Manutenção .... Pontos fixos Ver efeitos: - Retracção - Var. Temperatura Concepções

possíveis

– a analisar

Ex. de comportamento deficiente em juntas realizadas s/ duplicação de elementos estruturais

MUITA ATENÇÃO, TAMBÉM, AO MODELO PARA DIMENSIONAMENTO E

A

economia global

da solução pode ser muito condicionada pela espessura das lajes:

• quantidades de materiais nos pavimentos

• impacto

indirecto

sobre a influência da acção sísmica (M ↑)

• influência sobre os esforços nos pilares, fundações (e vigas)

A espessura é, essencialmente, condicionada por critérios:

• económicos (+)

• utilização (+): deformabilidade, isolamento sonoro, vibração, fendilhação, protecção ao fogo

• resistência (-) : flexão, esforço transverso, punçoamento • ductilidade (-)

• deformabilidade ↔ importante em geral (em particular para lajes fungiformes)

• punçoamento ↔ lajes fungiformes

Deformabilidade

-

Aparência

(

visibilidade

) ↔  ≤ [ L / (300 a 400) ]

- Limitação de danos em elementos não estruturais ↔  ≤ [ 15mm ; L / (500) ]

Laje Fungiforme Maciça com (L / h) ≈ 40

Lajes Vigadas

4.0 < l



7.5m



h = 0.15 a 0.25 m

h



L

30 a 35

h



_{35 a 40}

L

Maciças: h



_{25 a 30}

L

L < 5 m



h



0.18 m

5 < L < 7 m



h



0.18 a 0.25 m

Com Capitéis ↔ Punçoamento e Deformabilidade Exemplo : L = 8.10m

h = 0.20m h_cap = 0.35m

h



_{20 a 25}

L

L < 7 m



h



0.27 m

Altura do molde entre 100mm a 220mm

• Funcionalidade e

Exploração

(Arquitectura) (+) • Resistência (+) • Ductilidade (+)



=

A

s

bh



f

yd

f

cd = As Ac  1,5%  (  0,4)



máx Rd



1,2

C1 - 1.5 [ g + q ] ↔ ( NSd,máx ; MSd ≈ 0 ) C2 - [ g + y₂q ; E ] ↔ ( N_g+y2q ; M_Sd,máx= ?)

Exemplo:

↔ g≈ 9kN/m2 ; q= 3kN/m2 ↔ [ (g/q)≈ 3; p_Sd≈ 16 a 18 kN/m2] ↔ ( Ng+y2q / NSd,máx )≈ 0.50 / 0.60 Sd g+y_{2 q} 1,2 1,0 0,7 0,6

Pilares sem exigências ductilidade 0,85 0,7 0,5 0,4 Com exigências ductilidade

Objectivo:

1% ≤



_sL

≤ 3%

↔ (Taxas entre 100 e 300kg aço/m

3

de betão)

C1

C2 Pilares com

menores exigências de ductilidade Pilares com

A análise das condições de fundação de um edifício requer:

↔ Realização de Estudo Geológico-Geotécnico específico (caso não exista para

início dos estudos, pode ser necessário desenvolver o Plano de Prospecção).

↔ O estudo deve também procurar reunir toda a informação geológica da zona, em

particular:

• existência de aterros (a consulta de levantamentos topográficos antigos e sua

comparação com os actuais pode dar informações importantes);

• nível freático;

• visita ao local, observando taludes e construções vizinhas (das quais se deve

procurar obter informações sobre o tipo de fundações e observar se existem

sinais de assentamentos estruturais).

↔ A opção principal, consoante as codições geotécnicas, é a da execução de:

- fundações superficiais (Sapata

isolada

, Sapata

contínua

, Ensoleiramento)

- fundações profundas.

Viga de Fundação no Contorno

Viga de Fundação no Contorno

Estacas betonadas “in-situ”