UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
FERNANDO RODRIGUES PILLON
ANÁLISE TÉCNICA DE ESTRUTURAS EM CONCRETO ARMADO, DE
3 A 21 PAVIMENTOS, COM LAJE COGUMELO (RELAÇÃO
GEOMÉTRICA, EM PLANTA, DE 1:1 – 20 METROS x 20 METROS).
Sinop
2017/1
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
FERNANDO RODRIGUES PILLON
ANÁLISE TÉCNICA DE ESTRUTURAS EM CONCRETO ARMADO, DE
3 A 21 PAVIMENTOS, COM LAJE COGUMELO (RELAÇÃO
GEOMÉTRICA, EM PLANTA, DE 1:1 – 20 METROS x 20 METROS).
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof. Orientador: Dr. Roberto Vasconcelos Pinheiro.
Sinop
2017/1
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas Caixa – Caixa Econômica Federalfck – Resistência característica à compressão do concreto, aos 28 dias
fyd – Resistência de cálculo de escoamento do aço
fyk – Resistência característica de escoamento do aço
IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística kg – Quilograma
m – metros
MPa – Mega Pascal NBR – Norma Brasileira
SINAPI – Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da Construção Civil
V0 – Velocidade básica do vento: velocidade de uma rajada de 3 s, excedida
na média uma vez em 50 anos, a 10 m acima do terreno, em campo aberto e plano. α – parâmetro de instabilidade
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Análise técnica de estruturas em concreto armado, de 3 a 21 pavimentos, com laje cogumelo (relação geométrica, em planta, de 1:1 – 20 metros x 20 metros).
2. Tema: Estruturas de Concreto Armado
3. Delimitação do Tema: Engenharia de custos 4. Proponente(s): Fernando Rodrigues Pillon 5. Orientador(a): 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 ... I LISTA DE ABREVIATURAS ... II DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... III
1 INTRODUÇÃO ... 5 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 7 3 JUSTIFICATIVA... 8 4 OBJETIVOS ... 9 4.1 OBJETIVO GERAL ... 9 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 9 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 10 5.1 NORMATIZAÇÃO ... 10
5.2 PROPRIEDADE DOS MATERIAIS ... 10
5.2.1 Concreto ... 11
5.2.2 Aço para Concreto Armado ... 11
5.2.3 Concreto Armado ... 12
5.2.3.1 Propriedades do Concreto Armado ... 13
5.3 CONCEPÇÃO ESTRUTURAL ... 14
5.4 AÇÕES ATUANTES NA ESTRUTURA ... 15
5.5 SEGURANÇA E ESTADOS LIMITES ... 16
5.6 ANÁLISE ESTRUTURAL E ESTABILIDADE GLOBAL DE EDIFÍCIOS ... 17
5.7 DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS ... 18
5.8 SOFTWARE PARA PROJETO ESTRUTURAL ... 19
5.9 COMPOSIÇÃO DE CUSTO ... 19
5.10ASPECTOS GERAIS DA ANÁLISE ESTRUTURAL TÉCNICO-ECONÔMICA 20 6 METODOLOGIA ... 23
6.1.1 Primeira Etapa: projeto arquitetônico ... 23
6.1.2 Segunda Etapa: concepção estrutural, ações e carregamentos .. 24
6.1.3 Terceira Etapa: análise, dimensionamento e verificação estrutural 25 6.1.4 Quarta Etapa: mapeamento dos quantitativos e composição de custo dos insumos ... 25
6.1.5 Quinta Etapa: parâmetros técnico-financeiros ... 26
7 CRONOGRAMA ... 27
1 INTRODUÇÃO
No Brasil o setor da Construção Civil vem passando por uma grande transformação, saindo de uma época de poucos investimentos para um período de fortes investimentos imobiliários. Hoje os bancos veem o crédito imobiliário como uma importante forma de fidelização dos clientes em longo prazo, e o que antes era escasso e pouco atrativo para o sistema financeiro, trona-se cada vez mais acessível.
O desenvolvimento econômico do Brasil nas últimas décadas aliado com o fácil acesso ao crédito imobiliário desencadeou um processo de urbanização acelerado, inviabilizando financeiramente a construção de edificações horizontais devido a demasiada valorização imobiliária provocada pelo aumento na demanda de moradias.
O crescimento territorial das cidades e sua ocupação horizontal não tem atendido a demanda do crescimento populacional que com o passar do tempo exige mais espaço, provocando grandes deslocamentos da população em busca dos serviços e empregos oferecidos pela zona central das cidades.
A verticalização é uma alternativa para a solução da grande demanda de espaço horizontal, uma vez que permite o melhor aproveitamento dos espaços urbanos de forma que reúne um numero maior de pessoas no mesmo espaço. Tal união facilita o acesso à infraestrutura e trás consigo melhores formas de locomoção.
Este é um processo de desenvolvimento das zonas urbanas que promove diversos benefícios, como os citados acima, com isso, Santos e Videira (2010) citam que mesmo em cidades que ainda possuem espaços horizontais para o crescimento, este tem sido feito de forma vertical.
Atualmente tem-se construído edifícios cada vez mais altos e esbeltos, isso é devido às inovações tecnológicas na área da engenharia, principalmente em softwares de cálculo estrutural e concretos com resistência característica à compressão (fck) mais
elevada.
O aumento do fck proporciona uma redução na seção transversal dos elementos
estruturais (pilares, vigas e lajes) reduzindo o volume de concreto a ser utilizado, podendo proporcionar também uma redução na quantidade de armaduras e maior agilidade no processo de execução. Porém, a adoção de concretos mais resistentes com a intenção de reduzir custos pode ser questionada devido o preço mais elevado destes concretos.
Para que o empreendimento seja executado é necessário que haja não apenas viabilidade técnica, mas também viabilidade econômica. O fator que mais pesa na decisão de compra de um imóvel é o preço, por isso a redução do seu custo de
execução é importante para o sucesso do empreendimento. A concepção estrutural e as decisões tomadas pelo projetista são os grandes influenciadores do custo de uma edificação. Cabe a ele buscar as formas mais econômicas e seguras sem impactar na qualidade do produto final.
Analisando as características do custo de execução das obras o presente trabalho tem como finalidade estudar determinada geometria de uma edificação associando a ela concretos com diferentes resistências características à compressão, a fim de verificar qual a resistência que trará consigo melhor desempenho econômico e executivo.
Para tanto, este estudo trás no seu desenvolvimento, análise do quantitativo de insumos da superestrutura que será necessário para um edifício hipotético, de três a vinte e um pavimentos, relacionado à sua forma geométrica.
Tal analise permitirá a aplicação deste método para todas as regiões brasileiras que possuem velocidade básica do vento (V0) não superior a 30 m/s.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
Para o projeto de pesquisa em questão, têm-se os seguintes questionamentos:
Qual o valor da resistência característica à compressão (fck) técnica e
economicamente viável para cada elemento da superestrutura no que se diz respeito a edifícios de 3 a 21 pavimentos, com relação geométrica, em planta, equivalente a 1:1?
Qual valor da resistência característica à compressão (fck) tecnicamente viável
para a superestrutura de maneira global em edifícios de 3 a 21 pavimentos, com relação geométrica, em planta, equivalente a 1:1?
Quais são os índices técnicos – kgaço/m3concreto; m2fôrma/m3concreto; espessura
média do pavimento tipo, custo R$/m2área edificação; custo R$/m3concreto para distintos
valores de resistência característica à compressão (fck) em edifícios de 3 a 21
3 JUSTIFICATIVA
O acelerado processo de urbanização que o Brasil vem passando nas últimas décadas provocou uma demasiada valorização imobiliária nas zonas centrais das cidades, essa valorização está inviabilizando financeiramente a construção de edificações horizontais. A alternativa é a verticalização, pois permite o melhor aproveitamento dos espaços urbanos de forma a reunir um número maior de pessoas no mesmo espaço.
O fator que mais influencia o cliente na hora da compra de um imóvel é o preço. O valor final de um apartamento é composto por variáveis, sendo algumas delas a qualidade do acabamento, tamanho do apartamento, localização do edifício entre outras. O principal objetivo de todo empreendedor é obter lucro e uma das principais formas é a redução de custos sem impactar na qualidade do produto final e consequentemente no preço final.
No caso de edifícios de concreto armado, a utilização de concretos com resistências características à compressão mais elevadas proporcionam uma redução na seção transversal dos elementos da superestrutura, reduzindo o volume de concreto a ser utilizado. Porém, a adoção de concretos com resistências características a compressão mais elevadas com a intenção de reduzir custos da superestrutura pode ser questionada devido ao preço mais elevado destes concretos.
O presente trabalho tem como finalidade estudar um edifício hipotético com relação geométrica em planta de 1:1 associando a ele concretos com diferentes resistências características à compressão (25, 30, 35 e 40 MPa), a fim de verificar o quantitativo de insumos (concreto, aço e formas). O edifício hipotético em estudo é composto por pavimentos tipo, variando-se o número de repetições (3, 5, 7, 10, 13, 15, 18 e 21).
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Estudar o comportamento estrutural de edifícios de múltiplos andares, variando a resistência característica à compressão (fck), a partir dos elementos da superestrutura,
principalmente as lajes e pilares.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos da presente pesquisa abrangem os seguintes itens:
Elaborar projetos estruturais para edifícios residenciais hipotéticos com superestrutura de concreto armado, com 3, 5, 7, 10, 13, 15, 18 e 21 pavimentos tipo, com valores de resistência característica à compressão de 25, 30, 35 e 40 MPa e com relação geométrica em planta de 1:1 (20m x 20m);
Determinar os quantitativos dos insumos (aço, concreto e fôrma) e a composição dos custos, para os elementos da superestrutura;
Definir parâmetros técnicos: espessura média do pavimento tipo; kgaço/m³concreto e m²fôrma/m³concreto;
Definir parâmetros financeiros: R$/m³concreto executado e R$/m²área construída;
Analisar qual fck apresenta maior custo/benefício para todos os edifícios com
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O desafio de projetar algo de grande valor e que vai durar décadas torna o trabalho com projetos estruturais uma atividade fascinante, mas, exige sensibilidade do projetista para encontrar a solução mais adequada para cada obra, garantindo por todos esses anos a segurança, durabilidade e desempenho.
Como pré-requisitos para atuar na elaboração de projetos estruturais de qualidade, é preciso ter conhecimento técnico e científico, sensu crítico exercido com grande responsabilidade técnica, aliado a experiência teórica e prática na Engenharia de Estruturas.
O conhecimento do comportamento dos materiais e os parâmetros que o constituem, bem como seu arranjo como um todo é primordial a fim de garantir o desenvolvimento de um projeto estrutural apropriado para uma edificação.
5.1 NORMATIZAÇÃO
Dentro do universo do projetista, é imprescindível saber das normas técnicas vigentes, destacando principalmente:
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 8681:2003 – Ações e segurança nas estruturas – Procedimento;
ABNT NBR 14931-2004 - Execução de Estruturas de Concreto – Procedimento.
5.2 PROPRIEDADE DOS MATERIAIS
O dimensionamento estrutural de uma edificação só é possível quando se conhece perfeitamente as propriedades mecânicas dos materiais que vão ser utilizados na sua construção. De uma forma muito simples, pode-se afirmar que o cálculo estrutural de um edifício consiste na definição de seções capazes de resistir a uma determinada solicitação (REIS E MOREIRA, 2009).
Primeiramente é necessário conhecer as características e as propriedades dos principais materiais que constituem a estrutura para compreender o comportamento, poder projetar e dimensionar. No caso do Concreto Armado, os dois principais materiais que o compõe são o concreto e o aço, sendo necessário conhece-los separadamente e, na sequencia, o trabalho conjunto e solidário dos dois materiais.
5.2.1 Concreto
O concreto é um compósito e deve ser dosado para atender condições tanto no estado fresco quanto no estado endurecido. No estado fresco o concreto deve apresentar trabalhabilidade que possibilite o transporte, lançamento e adensamento para cada caso de aplicação, já no estado endurecido deve atender as propriedades mecânicas, físicas e de durabilidade necessárias à obra.
O engenheiro estrutural toma como parâmetro básico no cálculo dos elementos estruturais a resistência característica à compressão aos 28 dias, o fck.
Segundo Bastos (2014), a resistência à tração do concreto varia ente 8 e 15% de sua resistência à compressão. O conhecimento da resistência à tração é particularmente importante para determinação da fissuração, no dimensionamento à força cortante nas vigas e na determinação da resistência de aderência entre as barras de aço e o concreto.
O módulo de elasticidade do concreto é importante para a determinação das deformações da estrutura, sendo este, um importante parâmetro utilizado pelo projetista. As características dos materiais componentes do concreto influenciam muito no módulo de elasticidade. Segundo Bastos (2014), os concretos com maiores resistências à compressão, normalmente, possuem módulos de elasticidade maiores que concretos de baixa resistência.
A retração é definida como a diminuição do volume do concreto provocado pela evaporação da água não utilizada nas reações químicas de hidratação do cimento. Segundo Bastos (2014), a retração de peças de concreto de pequenas espessuras é considerada concluída em um período de dois a quatro anos.
Já a fluência é a deformação do concreto provocada pelos carregamentos externos, que ocasionam tensões de compressão. Bastos (2014) define fluência como o aumento da deformação no concreto ao longo do tempo, quando submetido à tensão de compressão permanente e constante.
5.2.2 Aço para Concreto Armado
Os aços para concreto armado são representados pelas letras CA em seguida do valor característico de sua resistência de escoamento (fyk) em kgf/mm².
São classificadas as barras em CA-25 e CA-50 e os fios em CA-60. Segundo Bastos (2014) o teor de carbono para aços fabricados para concreto armado varia de 0,4 a 0,6%.
A aderência dos vergalhões com o concreto é muito importante e depende da rugosidade da superfície do produto. Esta pode ser lisa, nervurada ou entalhada, cada tipo resulta em um coeficiente de aderência diferente disponível na Tabela 8.3 da ABNT NBR 6118:2014.
Quanto as propriedades mecânicas dos aços para concreto armado a ABNT NBR 6118:2014 diz que pode ser adotado um módulo de elasticidade de 210 GPa na falta de ensaios ou na falta de valor fornecido pelo fabricante. A ABNT NBR 6118:2014 também diz que as barras podem ser consideradas de alta ductilidade enquanto os fios podem ser considerados de ductilidade normal.
Os aços laminados a frio (CA-25 e CA-50) possuem um diagrama de tensão x deformação diferente dos aços trefilados a frio (CA-60). Os aços CA-25 e CA-50 possuem um patamar de escoamento bem definido e sua resistência de início de escoamento é bem evidente, já os aços CA-60 não possuem essa característica. Segundo Bastos (2014) adota-se para aços CA-60 a resistência de escoamento como sendo a tensão que resulta em uma deformação residual de 2 ‰.
Bastos (2014) diz que usualmente procura-se aplicar no aço a tensão máxima permitida (fyd), pois qualquer deformação menor que a de início de escoamento
caracteriza um sub-aproveitamento ou uso antieconômico do aço.
5.2.3 Concreto Armado
O concreto armado é um material composto, obtido pela associação do concreto com barras de aço, convenientemente colocadas no seu interior. Em virtude da baixa resistência à tração do concreto, as barras de aço cumprem a função de absorver os esforços de tração na estrutura (ARAÚJO, 2014).
Bastos (2014) diz que não basta apenas juntar o concreto e o aço, é essencial que exista aderência entres esses materiais, pois é a solidariedade que garante que o trabalho seja realizado de forma conjunta.
O Concreto Armado alia as qualidades do concreto (baixo custo, durabilidade, boa resistência à compressão, ao fogo e à água) com as do aço (ductilidade e excelente resistência à tração e à compressão), o que permite construir elementos com as mais variadas formas e volumes, com relativa rapidez e facilidade, para os mais variados tipos de obra (BASTOS, 2014).
O concreto também envolve e protege o aço contra a corrosão e altas temperaturas provocadas por incêndios, pelo menos por certo tempo, desde que tenha o cobrimento adequado.
Araújo (2014) destaca como vantagens do concreto armado a economia, facilidade de execução em diversos tipos de formas, resistência ao fogo, aos agentes atmosféricos e ao desgaste mecânico, praticamente não requer manutenção ou conservação e permite facilmente a construção de estruturas hiperestáticas. Dentre as desvantagens estão o elevado peso da estrutura e as dificuldades em realizar reformas ou demolições.
5.2.3.1 Propriedades do Concreto Armado
Segundo a ABNT NBR 6118:2014 pode ser adotada a massa específica para o concreto armado como sendo 2.500 kg/m³, caso se conheça a massa específica do concreto a ser utilizado, pode-se considerar como massa específica para o concreto armado aquela do concreto simples acrescida de 100 kg/m³ a 150 kg/m³.
O concreto armado é a união de um material dúctil (aço) com um material frágil (concreto) e uma característica muito importante de elementos de concreto armado é como se dá sua ruína, que pode ocorrer por ruptura do concreto ou deformação excessiva da armadura. O tipo de ruína de uma estrutura de concreto armado se dá de acordo com a distribuição das deformações ao longo da altura de uma seção transversal.
Quando se atinge a tensão de escoamento do aço antes de se atingir a tensão de ruptura do concreto, o elemento tem um comportamento dúctil, deformando excessivamente, emitindo um tipo de aviso prévio, em virtude da intensa fissuração que precede a ruptura. Este é o comportamento típico de peças com baixas taxas de armadura, consideradas subarmadas.
Quando se atinge a tensão de ruptura do concreto antes de se atingir a tensão de escoamento do aço, o elemento tem um comportamento frágil, com ruptura brusca, sem aviso prévio. Este comportamento é típico de peças com altas taxas de armadura, consideradas superarmadas. Essas peças devem ser evitadas, pois, além do aço não ser integralmente aproveitado, caracterizando um sub-aproveitamento, ela não dá aviso prévio da ruptura.
Já, quando se atinge a tensão de escoamento do aço junto com a tensão de ruptura do concreto, a peça tem um comportamento semelhante ao das peças
subarmadas, mas com um melhor aproveitamento dos materiais, tanto do concreto quanto do aço.
5.3 CONCEPÇÃO ESTRUTURAL
Segundo Rebello (2001), conceber uma estrutura é ter consciência da possibilidade da sua existência; é perceber a sua relação com o espaço gerado; é perceber o sistema ou sistemas capazes de transmitir as cargas ao solo, da forma mais natural, é identificar os materiais que, de maneira mais adequada, se adaptam a esses sistemas.
A eficiência da solução de uma estrutura, tanto em termos de segurança, desempenho em serviço e economia, é completamente dependente de uma concepção estrutural bem feita e adequada às necessidades de cada edificação (KOERICH, 2015).
Esta deve proporcionar resistência e equilíbrio necessários, para as ações verticais e para as ações horizontais atuando simultaneamente ou não. Podemos analisar o arranjo estrutural em dois planos, o horizontal (piso) e o vertical (pórticos), este último essencial para se garantir a estabilidade global do edifício.
O pavimento é formado pelas lajes e vigas, que são responsáveis por receberem as cargas de utilização, sendo estas as principais ações de uma edificação. O conjunto pilar, viga e laje compõe o sistema de contraventamento da estrutura, responsável por garantir a estabilidade global da mesma.
Os pilares devem ser dispostos inicialmente no contorno do pavimento e posteriormente no interior no edifício de maneira alinhada, a fim de formar pórticos com as vigas que os unem, contribui significativamente na estabilidade global do edifício (Pinheiro, 2009).
A locação das vigas depende muito do tipo de laje a ser utilizada. O método convencional é composto por lajes, vigas e pilares onde as vigas são locadas não apenas nas bordas do pavimento, mas também no interior do edifício. Quando o tipo de laje a ser utilizada é a laje cogumelo (lisa ou nervurada), o uso de vigas internas é dispensado, sendo possível o emprego apenas no entorno do pavimento.
Segundo Goulart (2008), a laje apresenta rigidez à flexão para resistir a esforços oriundos do vento além de ser um elemento com rigidez infinita no seu plano. Assim, lajes, vigas e pilares constituem o pórtico espacial onde todos os elementos formam a estrutura de contraventamento.
É cada vez maior o número de projetos cujo sistema estrutural é de lajes nervuradas ou lisas devido a imposições arquitetônicas e o cobrimento das armaduras, que muitas vezes impossibilitam que o projetista utilize vigas com altura desejável ou forme pórticos com vigas e pilares.
Para o presente projeto de pesquisa serão utilizadas lajes lisas ou nervuradas e a escolha da laje será feita no momento do dimensionamento.
Segundo a ABNT NBR 6118:2014 as lajes lisas são apoiadas nos pilares sem capitéis.
A grande vantagem das lajes lisas é a ausência de vigas, que permite uma maior liberdade no layout do pavimento, além de redução no tempo de execução e economia de fôrmas. Mas se comparadas às lajes maciças apoiadas em vigas, as lajes sem vigas exigem uma maior espessura.
Normalmente, a capacidade resistente das lajes lisas é ditada pelo cisalhamento, e não pela flexão. A ABNT NBR 6118:2014 descreve o dimensionamento de lajes sujeitas à punção em seu item 19.5.
Segundo Figueiredo Filho e Carvalho (2004) lajes nervuradas são consideradas uma evolução da laje maciça. Em estruturas de concreto armado o concreto não tem função estrutural na área tracionada e, o papel de resistir aos esforços de tração é do aço. Portanto, o concreto serve apenas para proteger e manter a armadura tracionada em sua posição e garantir a altura útil da laje. Este pode ser retirado e substituído por outros materiais inertes com menor peso próprio, já que na zona tracionada ele já atua como material inerte só que com grande peso próprio.
Segundo a ABNT NBR 6118:2014 as lajes nervuradas são moldadas no local ou com nervuras pré-moldadas, cuja zona de tração para momentos positivos esteja localizada nas nervuras entre as quais pode ser colocado material inerte.
Para aumentar a resistência das lajes aos momentos fletores negativos e à punção na região de encontro da laje com os pilares, no caso das nervuradas sem vigas, é necessário fazer a região em torno do pilar em concreto maciço.
5.4 AÇÕES ATUANTES NA ESTRUTURA
A ABNT NBR 8681:2003, ABNT NBR 6120:1980 e ABNT NBR 6123:1988 trazem as definições de ações atuantes e a quantificação das ações e resistências a serem consideradas em uma estrutura, a fim de verificar sua segurança.
A ABNT NBR 8681:2003 define como ações permanentes as que durante praticamente toda a vida da edificação se mantenham constantes ou que variam pouco em torno de sua média.
As ações permanentes serão estabelecidas com base na ABNT NBR 6120:1980 onde se definirá o peso específico dos elementos estruturais e não estruturais que compõe o peso próprio da edificação. No caso de lajes e vigas, estas receberão apenas as cargas referentes ao pavimento em questão, além do peso próprio para vigas serão consideradas as cargas das paredes situadas acima das mesmas, já para as lajes além das paredes serão consideradas o peso dos revestimentos.
As ações variáveis segundo a ABNT NBR 8681:2003 são definidas como sendo aquelas que variam significativamente em torno de sua média durante a vida de uma edificação.
A ABNT NBR 6120:1980 trata as ações variáveis como cargas acidentais, que são decorrentes da ocupação do edifício, estas cargas são aplicadas sobre o piso das edificações (lajes) e seu valor depende do tipo e da utilização da edificação. No caso de edificações residenciais esse carregamento varia de 1,5 a 2 kN/m².
As ações excepcionais segundo a ABNT NBR 8681:2003 são as que têm muito baixa probabilidade de ocorrência e duração extremamente curta durante a vida da construção.
A ABNT NBR 6123:1988 fixa as condições exigíveis na consideração das forças devidas à ação estática e dinâmica do vento, que são as ações horizontais na qual uma edificação está sujeita. A pressão dinâmica do vento é tratada como uma ação variável na combinação de ações da ABNT NBR 8681:2003. A ABNT NBR 6123:1988 traz um mapa com as isopletas da velocidade básica do vento no Brasil, onde o município de Sinop - MT se encontra na zona com V0 igual a 30 m/s.
5.5 SEGURANÇA E ESTADOS LIMITES
Segundo Bastos (2014), a possibilidade de uma estrutura entrar em colapso configura-se geralmente numa situação muito perigosa, por envolver vidas humanas e danos materiais de grande valor, por isso a questão da segurança das estruturas é de extrema importância para todos os profissionais da área de construção, e especialmente para aqueles do projeto estrutural.
A segurança das estruturas deve ser analisada através de dois aspectos. O aspecto mais importante é relativo ao colapso da estrutura, o outro aspecto é relativo a ampla utilização e conforto da edificação. A ABNT NBR 6118:2014 trata esses dois aspectos da segurança apresentando situações limites em que as estruturas não devem ultrapassar, os “Estados Limites”.
Segundo a ABNT NBR 6118:2014, a segurança do usuário na plena utilização da estrutura, conforto, durabilidade e aparência relacionam-se aos “Estados Limites de Serviço” e a segurança da estrutura contra o colapso ou qualquer forma de ruina estrutural que determine a paralisação do uso da edificação relaciona-se ao chamado “Estado Limite Último”.
Segundo Bastos (2014) o dimensionamento de estruturas de concreto armado é feito no Estado Limite Último, onde teoricamente estão prestes a romper. Para evitar a ruptura, as estruturas são dimensionadas com uma margem de segurança, isto é, uma folga de resistência relativa aos carregamentos aplicados. Essa margem de segurança se dá a partir da adoção de coeficientes chamados de coeficientes de segurança ou coeficientes de ponderação.
Segundo Pinheiro (2009), se durante a sua vida útil uma estrutura suportar todas as ações possíveis sem atingir um estado limite, esta estrutura é considerada segura.
5.6 ANÁLISE
ESTRUTURAL
E
ESTABILIDADE
GLOBAL
DE
EDIFÍCIOS
Segundo Giongo (2007), os edifícios estão sujeitos às cargas verticais e horizontais simultaneamente, estas cargas podem provocar deslocamentos laterais que por sua vez provocam esforços adicionais aos elementos estruturais, esses deslocamentos são chamados de não linearidade geométrica e seus efeitos são tratados como efeitos de segunda ordem.
Segundo a ABNT NBR 6118:2014, deve-se analisar a estabilidade das estruturas considerando os efeitos de primeira e segunda ordem. A verificação para os efeitos de primeira ordem são analisados com a estrutura indeformada, ou seja, configuração inicial da estrutura. Já a verificação para os efeitos de segunda ordem consideram os deslocamentos da estrutura e os esforços adicionais provocados pelo deslocamento.
Segundo Giongo (2007), a não linearidade entre as ações e deformações do concreto é chamada de não linearidade física e também deve ser analisada já que
também se trata de um efeito de segunda ordem. Giongo (2007) também diz que a análise da não linearidade física e do comportamento tridimensional da estrutura permite ao projetista ter a percepção quanto à “sensibilidade” da estrutura de acordo com sua rigidez global.
Segundo Araújo (2014), uma estrutura aporticada em que seus nós sofrem deslocamentos pequenos, que não chegam a introduzir esforços globais de segunda ordem significativos podem ser consideradas indeslocáveis. A ABNT NBR 6118:2014 apresenta dois processos aproximados que permitem verificar ai indeslocabilidade do edifício: o parâmetro de instabilidade conhecido como parâmetro α e o coeficiente γz.
A ABNT NBR 6118:2014 considera indeslocável a estrutura que apresente um parâmetro de instabilidade menor ou igual a um parâmetro de instabilidade limite, que depende da altura do edifício e dos elementos de contraventamento.
Araújo (2014) diz que as equações para obtenção do parâmetro de instabilidade limitam os efeitos globais de segunda ordem a um máximo de 10% dos esforços de primeira ordem na estrutura, sendo, portanto desnecessária sua consideração nos cálculos de esforços solicitantes.
O critério de sensibilidade da estrutura que estima a magnitude dos esforços de segunda ordem em relação aos esforços de primeira ordem é o coeficiente γz.
Este coeficiente é obtido observando o Item 15.5.3 da ABNT NBR 6118:2014. A norma considera indeslocável a estrutura que apresente um coeficiente γz menor ou igual a
1,10.
A análise deve proceder de acordo com o item 15.6 da ABNT NBR 6118:2014 caso seja constatado que a estrutura pode ser considerada indeslocável, caso contrário, a análise deverá seguir o Item 15.7 da mesma norma.
5.7 DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS
Segundo a ABNT NBR 6118:2014 devem ser adotadas três etapas para garantir a segurança, tanto em relação aos estados limites últimos quanto em relação aos estados limites de serviço da estrutura como um todo e de cada uma de suas partes. Estas etapas se desenvolvem logo após a análise estrutural e são elas: dimensionamento, verificação e detalhamento dos elementos estruturais.
Conforme a ABNT NBR 6118:2014 a segurança da estrutura exige que sejam respeitadas condições analíticas, onde se impõe que as solicitações de cálculo sejam inferiores às resistências de cálculo para todos os estados-limites considerados importantes para a estrutura em questão. Camacho (2008) diz que essas condições são
garantidas através da majoração dos esforços atuantes na estrutura e minoração das resistências dos componentes dos elementos estruturais.
A etapa de dimensionamento consiste primeiramente em definir seções transversais dos elementos de acordo com características do projeto arquitetônico e métodos de pré-dimensionamento dos elementos, como o processo das áreas de influência para pilares, por exemplo. Em seguida são definidas as dimensões finais dos elementos estruturais juntamente com as armaduras a serem empregadas observando os estados limites, conforme pressupostos na norma ABNT NBR 6118:2014.
Segundo a ABNT NBR 6118:2014, a disposição das armaduras dentro dos elementos estruturais deve atender não só à sua função estrutural, como também às condições que possibilitem a sua execução, particularmente com relação ao lançamento e ao adensamento do concreto. A disposição das armaduras deve permitir a introdução do vibrador de modo a impedir a segregação dos agregados e a ocorrência de vazios no interior do elemento estrutural.
5.8 SOFTWARE PARA PROJETO ESTRUTURAL
Para buscar do arranjo estrutural que garanta a melhor solução técnica e econômica, é indispensável realizar várias interações levando em consideração informações como propriedades dos materiais, carga estrutural, carga não estrutural, geometria da edificação, orientação dos elementos, dentre outros. No entanto, esta etapa pode se tornar extremamente complexa e exaustiva para o projetista.
Estão sendo disponibilizados no mercado relacionado à engenharia civil uma gama de softwares voltados a elaboração de projetos com alta produtividade, pois permite uma análise de diferentes soluções para o mesmo projeto de maneira mais rápida e prática.
O software escolhido para os projetos deve ser aquele que satisfaça as necessidades do projetista, deve ser de fácil aprendizagem, boa produtividade e que possa ser personalizável de acordo com o perfil do projeto. Sendo assim, optou-se pela utilização de um software cujos recursos de dimensionamento e detalhamento dos elementos são atendidos de acordo com a NBR 6118:2014.
5.9 COMPOSIÇÃO DE CUSTO
O art. 13, § 1º do Decreto Lei nº 1598/77 define como custo os gastos com a produção de bens e serviços. Estes gastos podem ser da aquisição de matérias
primas, com pessoal aplicado na produção e os gastos de locação de equipamentos utilizados, por exemplo.
Segundo González (2008), o orçamento é a previsão do custo de uma obra, que é a soma de todos os gastos necessários para sua execução. Para auxiliar a tomada de preços para que o orçamento realizado seja o mais parecido possível com o mercado existem Tabelas de Custo Padrão onde são definidos valores unitários dos insumos.
Segundo a PINI (2011) as Tabelas de Custo Padrão são constituídas por modelos quantitativos, genéricos e isolados, que apresentam os insumos necessários para a execução dos serviços de construção, seus respectivos coeficientes de consumo, nas respectivas especificações e unidades. As Tabelas de Custos padrão mais utilizadas em obras convencionais são a SINAPI, a SICRO e a TCPO da PINI.
O custo da estrutura em concreto armado moldado no local para edifícios convencionais resulta da ordem de 20% a 25% do custo total considerando a obra pronta para utilização (Giongo, 2007). Giongo (2007) ainda diz que na composição dos custos das estruturas de concreto armado estão envolvidos os insumos que compõe o concreto, o aço que compõe as armaduras, as fôrmas, a mão-de-obra e os equipamentos utilizados na execução da obra.
Giongo (2007) também afirma que os custos para construção dos planos horizontais correspondem a 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.
Para a composição dos custos pode-se utilizar as tabelas SINAPI que são compartilhadas entre Caixa e IBGE. A Caixa é responsável pelas especificações dos insumos, composições de serviços, orçamentos de referência e pelo processamento dos dados, e o IBGE, pela pesquisa mensal de preço, tratamento dos dados e formação dos índices.
5.10 ASPECTOS GERAIS DA ANÁLISE ESTRUTURAL
TÉCNICO-ECONÔMICA
Visando à análise técnico-econômica em edifícios de concreto armado de múltiplos pavimentos, Silva (2011) realizou um estudo onde através da variação doa
resistência característica à compressão e da área ocupada em planta pelos pilares pode constatar que com o aumento do 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.
Costa (2012) elaborou um estudo para comparar dois edifícios residenciais com concepções estruturais distintas, um deles com vão na ordem de 6,50 metros e o outro com vão na ordem de 4 metros. Ao fazer a análise do consumo de materiais e seus respectivos custos aplicados às estruturas o pesquisador observou que o edifício residencial com concepção composta por vãos maiores consumia 28% a mais de aço se comparado ao edifício de concepção estrutural composta por vãos menores. O pesquisador também constatou uma redução de 12% no custo dos insumos – aço, concreto e fôrma – se comparada à com vãos superiores.
Um estudo realizado por Spohr (2008) constatou uma redução no custo total do sistema estrutural quando comparado às estruturas de lajes nervuradas e sistemas estruturais convencionais. Lajes lisas nervuradas apresentaram um custo na ordem de 18,1% menor se em comparação com lajes maciças. O autor também constata que o uso de lajes nervuradas torna flexível o layout dos pavimentos por meio da ausência de vigas altas em seu interior.
Santos (2015) realizou em estudo onde comparou os sistema de lajes convencionais com lajes nervuradas em um edifício de 13 pavimentos e constatou um aumento no custo dos pilares no sistema de lajes nervuradas devido a ausência de vigas internas formando pórticos exigindo maior rigidez dos mesmos para contribuir para a estabilidade global do edifício.
Tendo como objetivo à análise técnico-econômica em edifícios de concreto armado de 3 a 21 pavimentos no município de Sinop - MT, Lanini e Pinheiro (2016) realizaram um estudo onde através da variação do fck para um edifício com relação
geométrica em planta de 1:4 constatou que para os elementos horizontais, o consumo de aço se manteve praticamente constante com o aumento do fck, já para os pilares
houve uma redução significativa. O mesmo foi observado por Sá e Pinheiro (2015) na análise de edifícios de 10 a 21 pavimentos com relação geométrica em planta de 1:3 também para o município de Sinop – MT.
Ainda quanto aos estudos realizados por Lanini e Pinheiro (2016) e por Sá e Pinheiro (2015) constatou-se uma importante redução dos insumos por meio do
aumento da resistência do concreto, de modo a somar na economia global das estruturas.
Vêm sendo desenvolvidos na Universidade do Estado de Mato Grosso, campus de Sinop, orientados pelo professor Dr. Roberto Vasconcelos Pinheiro, estudos correlatos do qual fazem parte os estudos de Lanini e Pinheiro (2016) e Sá e Pinheiro (2015) que avaliam os custos da elaboração de edifícios em concreto armado, bem como o desenvolvimento técnico do mesmo. Outros desses estudos já realizados são Pagno e Pinheiro (2015), Hermes e Pinheiro (2015), Nascimento e Pinheiro (2015), Witkowski e Pinheiro (2014), Loss Junior e Pinheiro (2014) e Barbosa e Pinheiro (2014).
As variáveis relevantes para tais projetos são a quantidade de linhas de pilares que podem classificar o edifício quanto a sua rigidez, a variação da resistência à compressão do concreto, a relação geométrica em planta, o número de repetições do pavimento tipo.
6 METODOLOGIA
A pesquisa se desenvolverá em cinco etapas sendo elas: definição do projeto arquitetônico respeitando a relação geométrica em planta de 1:1 (20m x 20m); Concepção da estrutura, respeitando a rigidez intermediária (seis linhas de pilares) definida para este projeto e definição das ações atuantes na estrutura; Dimensionamento e verificação dos elementos estruturais junto com a verificação da estabilidade global do edifício; Determinar o quantitativo dos insumos – concreto, aço e fôrma – bem como sua composição de custo e, por final; definir os parâmetros técnicos e econômicos do projeto em estudo.
6.1.1 Primeira Etapa: projeto arquitetônico
Os edifícios objetos desse estudo serão válidos para toda região das isopletas (ABNT NBR 6113:1988), com velocidade básica igual a 30m/s e, seus projetos arquitetônicos contêm as seguintes características: relação geométrica em planta em torno de 1:1, com dimensões aproximadas de 20m x 20m, conforme a Figura 1; altura entre pavimentos de três metros e, a única diferença entre os edifícios, será a quantidade de pavimentos tipo de cada um, que vai variar de 3 a 21 repetições.
Figura 1 – Projeto Arquitetônico Fonte: Acervo Particular, 2017.
6.1.2 Segunda Etapa: concepção estrutural, ações e carregamentos
A concepção estrutural deve respeitar o projeto arquitetônico e atender a todas as exigências quanto à transferência de ações e estabilidade do edifício. A fim de possibilitar um contraventamento mais eficaz, evitando grandes deslocamentos provenientes das ações horizontais provocadas pelo vento. A estrutura será disposta de modo que possibilite a formação de pórticos planos em direções ortogonais.
A concepção estrutural iniciará pelo posicionamento dos pilares, posteriormente, das vigas externas e das lajes. Os pilares serão dispostos inicialmente no contorno do pavimento e, posteriormente, no interior no edifício. Quanto às vigas, estas serão locadas apenas nos contornos do pavimento, pois o uso de lajes lisas ou nervuradas dispensa a utilização de vigas internas. As vigas locadas no contorno do pavimento delimitam o contorno da laje.
Tendo em vista que a quantidade de linhas de pilares influencia diretamente da estabilidade global do edifício, na etapa de concepção estrutural será definida a formação de seis linhas de pilares de modo a propiciar maior rigidez ao mesmo.
O tipo de laje a ser utilizado (lisa ou nervurada) será decidido durante o dimensionamento dos elementos estruturais a fim de se obter a opção mais econômica para os edifícios em estudo.
Respeitando as indicações da ABNT NBR 6118:2014 e as limitações do projeto arquitetônico, as seções transversais dos elementos estruturais serão incialmente definidas.
Segundo as disposições das normas ABNT NBR 6120:1980 e ABNT NBR 6118:2014 serão definidas as ações verticais atuantes. Com base na ABNT NBR 6120:1980 será definido o peso específico dos elementos estruturais e não estruturais que compõem o peso próprio da edificação.
Para os elementos estruturais será considerado o peso específico do concreto armado em unidade de força por metro cúbico, para compor o peso próprio do revestimento sobre as lajes será considerado o peso do contrapiso e do revestimento em unidade de força por metro quadrado, já para compor o peso próprio das paredes sobre lajes ou vigas será considerado o peso dos blocos cerâmicos, da argamassa de assentamento e do reboco em unidade de força por metro linear.
Para ações horizontais, a ABNT NBR 6123:1988 define os parâmetros de cálculo das forças devidas ao vento na edificação. A velocidade básica do vento a ser utilizada para o cálculo das ações do vento será de 30 m/s, com base no mapa de isopletas da velocidade básica do vento da ABNT NBR 6123:1988 para o município de Sinop – MT.
Na estrutura não serão consideradas ações excepcionais, apenas as ações consideradas permanentes e variáveis.
As combinações de ações tanto para o Estado Limite Último quanto para o Estado Limite de Serviço serão dadas a partir das prescrições da norma ABNT NBR 8681:2003 e ABNT NBR 6118:2014.
6.1.3 Terceira Etapa: análise, dimensionamento e verificação estrutural
Alguns parâmetros foram anteriormente fixados para o grupo maior de projetos do qual este projeto de pesquisa faz parte para que a análise de tal estudo e comparativo aos demais elaborados seja coerente.
Diâmetro do agregado 19 mm;
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 II;
Velocidade básica do vento (V0) não superior a 30 m/s;
Depois de efetuado o lançamento dos elementos estruturais para os edifícios de 3 à 21 pavimentos tipo, serão realizadas as verificações recomendadas pela ABNT NBR 6118:2014. Com base nos estados limites últimos serão realizadas as verificações do concreto, o dimensionamento das armaduras e a análise da estabilidade (global e local). Já com base no estado limite de serviço serão verificados os deslocamentos verticais e horizontais dos elementos estruturais.
6.1.4 Quarta Etapa: mapeamento dos quantitativos e composição de custo
dos insumos
Após o dimensionamento e verificação dos elementos estruturais, serão gerados, pelo software estrutural os quantitativos de aço, concreto e fôrmas.
Com base na tabela SINAPI/MT e no levantamento de preços realizado na cidade de Sinop – MT será efetuada a composição de custos dos edifícios tendo em mão os quantitativos de insumos, os índices de custo de equipamentos e produtividade da mão-de-obra.
6.1.5 Quinta Etapa: parâmetros técnico-financeiros
Após a realização do mapeamento dos quantitativos e da composição de custos dos insumos, será definido os parâmetros técnico-financeiros de cada edifício (de 3 a 21 repetições do pavimento tipo) com cada resistência característica a compressão do concreto utilizado no projeto (25 a 40 MPa), afim de se obter a melhor relação para cada caso.
Os parâmetros técnico-financeiros serão apresentados conforme as seguintes relações:
Espessura média do pavimento tipo;
kgaço/m3concreto ;
m2fôrma/m3concreto;
R$/m2área edificação;
R$/m3concreto executado
Será utilizado software de planilha eletrônica para apresentação dos dados na forma de tabelas e gráficos.
7 CRONOGRAMA
ATIVIDADES
ANO
JUL SET OUT NOV DEZ
Encontros com o orientador Entrega do projeto de pesquisa Revisão bibliográfica complementar Coleta de dados complementares Redação da monografia Revisão e entrega oficial do trabalho Apresentação do trabalho em banca
8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
ALTOQI. SOBRE O ALTOQI EBERICKV9. Disponível em:
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