UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
KARINI GINELI ALVES
Análise e dimensionamento de um edifício em estrutura
pré-fabricada em concreto armado
Sinop
2016/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
KARINI GINELI ALVES
Análise e dimensionamento de um edifício em estrutura
pré-fabricada em concreto armado
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: Me. Maicon José Hillesheim.
Sinop
2016/2
LISTA DE TABELAS
LISTA DE EQUAÇÕES
𝐸𝐼𝑠𝑒𝑐= 0.8 ∗ 𝐸𝑐𝑖∗ 𝐼𝑐 Equação 1...26 𝐸𝑐𝑖 = 5600 ∗ 𝑓𝑐𝑘0.5 Equação 2...26
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Sistema estrutural formado por viga-pilar articulado ... 13
Figura 2: Sistema estrutural formado por viga-pilar rígida ou semirrígida ... 14
Figura 3: Seções de vigas ... 15
Figura 4: Exemplos de pilares pré-fabricados ... 16
Figura 5: Cálice de fundação ... 17
Figura 6: Ligação isostática ... 18
Figura 7: Ligação rotulada ... 19
Figura 8: Ligação semirrígida - por concretagem vertical ... 20
Figura 9: Ligação semirrígida - por binário ... 20
Figura 10: Ligação rígida ... 21
LISTA DE ABREVIATURAS
BNH – Banco Nacional da Habitação
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnica m – metros
m² – metro quadrado m³ – metro cúbico cm – centímetros
αr – fator de restrição á rotação PVC – policloreto de vinil kg – quilograma
fck – Resistência característica à compressão do concreto CA – aço para concreto armado
EPS – poliestireno expandido P-Δ – processo de cálculo
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Análise e dimensionamento de um edifício em estrutura
pré-fabricada em concreto armado
2. Tema: Estruturas de concreto
3. Delimitação do Tema: estruturas pré-fabricada 4. Proponente(s): Karini Gineli Alves
5. Orientador(a): Me. Maicon José Hillesheim
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 TABELAS ... I LISTA DE EQUAÇÕES ... II LISTA DE FIGURAS ... III LISTA DE ABREVIATURAS ... IV DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... V 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 SISTEMA ESTRUTURAL ... 13 5.2 ELEMENTOS ESTRUTURAIS ... 15 5.2.1 Vigas ... 15 5.2.2 Pilares ... 15 5.2.3 Lajes ... 16 5.2.4 Elementos de fundação ... 17 5.3 LIGAÇÕES ... 17 5.3.1 Ligações isostáticas ... 18 5.3.2 Ligações rotuladas ... 18 5.3.3 Ligações semirrígidas ... 19 5.3.4 Ligação rígida ... 20
5.4 LIGAÇÕES ENTRE ELEMENTOS ESTRUTURAIS ... 21
5.4.1 Ligação entre lajes e vigas ... 21
5.4.2 Ligação entre viga e pilar ... 21
5.4.3 Ligação entre pilar e fundação ... 22
5.5 ANÁLISE ESTRUTURAL ... 22
5.5.1 Ações ... 22
5.5.2 Efeitos de segunda ordem ... 24
5.5.3 Avaliação do efeito de segunda ordem através do processo P-Δ 24 5.5.4 Não linearidade física ... 25
5.6 ESTADO DA ARTE ... 26
6 METODOLOGIA ... 28
6.2 PARÂMETROS ESTRUTURAIS E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS .. 28 6.3 AÇÕES E CARREGAMENTOS ... 28 6.4 DIMENSIONAMENTO ... 29 6.5 QUANTIFICAÇÃO DE MATERIAL ... 30 7 CRONOGRAMA ... 31 8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO ... 32
1 INTRODUÇÃO
A falta de tecnologia no setor da construção civil brasileira é indicada como um dos fatores que contribuem para os diversos problemas que o mercado apresenta, como por exemplo, a falta de planejamento, os desperdícios de materiais que ocasionam acúmulo de resíduos sem destinação correta e atrasos na entrega de obras. Uma forma de industrialização neste mercado é o sistema construtivo de pré-fabricação, a técnica gera economia, eficiência, desempenho técnico, condições favoráveis de trabalho e sustentabilidade, de acordo com Spadeto (2011).
O pré-fabricado teve grande utilização após o fim da Segunda Guerra Mundial, devido a necessidade de se construir em grande escala, (Serra et al. 2005). Nos anos de 1970 a 1980, teve uma queda na utilização do pré-moldado, devido alguns acidentes com edifícios que foram construídos com paneis pré-fabricado.
No Brasil o pré-fabricado chegou em 1926, foi utilizado na obra de um hipódromo no Rio de Janeiro, construído por uma empresa dinamarquesa. Conforme Serra et al. (2005), a empresa utilizou de estacas fabricadas e cercas pré-fabricadas na obra do hipódromo. Porém somente no final da década de 50 se tem uma preocupação com a racionalização e industrialização dos sistemas construtivos. Na década de 70 o Banco Nacional da Habitação – BNH, que tinha como objetivo impulsionar o mercado da construção civil e diminuir o déficit habitacional adotou o sistema de pré-fabricado organizando alguns canteiros experimentais que utilizavam do sistema construtivo, porém os edifícios construídos apresentaram muitos problemas patológicos e funcionais, alguns desses edifícios tiveram que ser destruídos. Por esta razão a pré-fabricação na década de 80 praticamente deixa de existir, somente na década de 90 volta sua utilização, devido a grandes investimentos na área de serviço na cidade de São Paulo, impulsionando o mercado da construção civil com obras de shopping center, hotéis e outros.
Em alguns estados brasileiros, como São Paulo, há uma grande utilização do sistema construtivo de pré-fabricados, mas utilização no país todo é bem reduzida. Outro fato relevante sobre o sistema construtivo é a carência que se tem de bibliografia nessa área no Brasil, conforme Spadeto (2011). Desta forma este projeto pretende contribuir nos estudos em pré-fabricado, em especial a respeito do
comportamento referente à estabilidade de estruturas destinadas ao município de Sinop, localizada no estado de Mato Grosso.
Na cidade de Sinop, o pré-fabricado é utilizado em construções de barracões, e alguns edifícios de múltiplos pavimentos. O presente trabalho pretende-se estudar um edifício de 4 pavimentos, em estrutura pré-fabricada de concreto armado, de forma a obter a influência dos esforços de segunda ordem sobre a estrutura.
Para alcançar os resultados serão utilizados documentos normativos que regulamentam o sistema construtivo, como Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT NBR 9062:2006, ABNT NBR 6118:2014. Também a utilização de planilhas eletrônicas para organizar os resultados e do software Ftool.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
Em um edifício de quatro pavimentos com ligações viga pilar rotulada e contraventamento obtido com pilares engastado na fundação, qual será a magnitude dos efeitos de segunda ordem considerando a não linearidade física e geométrica, e as dimensões desses pilares, já que apresentaram grande esbeltez, e de quanto será os índices técnicos, kgaço/m³concreto, m³concreto/m²área (espessura média do pavimento).
3 JUSTIFICATIVA
A indústria da construção civil comparada com outras indústrias, é considerada atrasada (FARENZENA e BOSSE, 2014). Na construção civil praticamente em todas as etapas necessita-se de mão de obra, isso mostra a falta de industrialização no setor.
O crescente aumento da competitividade e a falta de tecnologia, fez com que o mercado da construção civil buscasse novas técnica, técnicas que gere economia, eficiência e praticidade. O mercado busca reduzir custos e aumenta a qualidade dos processos produtivos, com isso se incrementou o uso do concreto pré-fabricado, pois é uma forma de industrialização do setor da construção civil e tem aplicação praticamente em todos os campos da construção, porém no Brasil a sua utilização em alguns setores ainda é bem escassa, se utiliza muito em galpões, estacas, postes, pontes, e outros, mas ainda sua utilização em estruturas de edifícios de múltiplos pavimentos é bem restrita.
Dentro do município de Sinop a realidade não deixa de ser outra, assim o projeto pretende fornecer informações sobre o sistema construtivo, como por exemplo: analise linear de primeira e segunda ordem, efeitos de segunda ordem, dimensionamento de elementos estruturais.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Estudar o comportamento de estruturas de um edifício de quatro pavimentos em concreto pré-fabricado.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Utilizando-se de estrutura do tipo esqueleto, com ligações pilar-fundação engastada e viga-pilar rotulada, no qual, a estabilidade do edifício é obtida pelos elementos estruturais verticais, pretende-se:
Avaliar os feitos de segunda ordem nesse tipo de estrutura. Quantificar consumo de material dos edifícios.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 SISTEMA ESTRUTURAL
Na indústria do pré-fabricado existem inúmeros sistemas e técnicas de construção, sendo que os mais utilizados são os sistemas estruturais em esqueletos, estruturas aporticadas, estruturas em painéis estruturais, sistemas para fachada, sistemas para piso e sistemas celulares (Acker, 2002). Dentro dessas possíveis soluções, cada projeto se adapta a melhor opção, dependendo das especificações que cada um possui, como o número de pavimentos, a utilização, a forma, a esbeltez entre outros fatores. O presente trabalho adota o sistema construtivo tipo esqueleto, estas estruturas são compostas basicamente por vigas, lajes e pilares. Permite que se obtenha grandes vãos, assim é utilizado em construções de shopping center, edifícios de escritórios e estacionamentos, pois é um sistema que possui alta flexibilidade arquitetônica (Brito e Gantois, 2014).
As estruturas em esqueletos podem ser com pilares engastados na fundação, com ligação viga-pilar articulada (figura 1) ou engastada (figura 2). Geralmente o sistema em esqueleto se utiliza em edifícios de múltiplos pavimentos, dependendo da altura da edificação pode ser necessário um sistema de contraventamento composto por núcleos rígido, como caixas de escadas ou poços de elevadores, para garantir a estabilidade horizontal da estrutura (Santis, 2009).
Figura 1: Sistema estrutural formado por viga-pilar articulado Fonte: (MARIN, 2009)
Figura 2: Sistema estrutural formado por viga-pilar rígida ou semirrígida Fonte: (MARIN, 2009)
Os motivos que levaram a estudar edifícios com ligações rotuladas invés de rígidas ou semirrígidas, está vinculada ao fato de a maioria dos edifícios projetados com estruturas de concreto pré-moldado têm a concepção estrutural de ligações entre pilares e vigas totalmente articulados devido a maior facilidade de execução desta ligação em comparação com ligações rígidas, que são mais difíceis e possuem custo maior para se conseguir transmitir integralmente os momentos entre os elementos conectados. Entretanto nesse tipo de concepção estrutural, os pilares apresentam dimensões maiores que aqueles utilizados em construções moldadas in loco. Isso se deve ao fato de ter que aumentar a quantidade de inercia dos pilares, pois a rigidez estrutural necessária para limitar os deslocamentos, devido às ações horizontais, é responsabilidade apenas dos mesmos.
Em caso de edifícios de pequena altura, a utilização de ligações articuladas é uma solução economicamente viável, em edifícios que possuem maiores alturas, geralmente há ocorrência de maiores ações verticais devido ao maior número de pavimentos e de maiores deslocabilidades em razão do efeito da maior altura juntamente com a ação horizontal do vento, isso pode tornar uma opção não viável do ponto de vista econômico, pois a estabilidade global do edifício não pode ser obtida apenas com pilares robustos (Tomás, 2010).
Como na proposta de projeto não será considerado sistemas de núcleos rígidos, limitou-se a um edifício de pequena altura, pois em edifícios de múltiplos pavimentos de maior altura, as forças horizontais passam a causar efeitos mais significativos, assim é necessário ter um modelo que se comporte bem sob esses efeitos, uma das formas é executar ligações enrijecidas entre os elementos estruturais ou a utilização de sistemas de contraventamento mais bem elaborado. Sendo que a utilização de
sistemas contraventados é uma opção adotada na maioria dos casos. Pois a utilização de ligações rígidas ou semirrígidas, ou seja, ligações que busque o efeito monolítico, além de ter um custo alto pode reduzir as vantagens de se utilizar a pré-fabricação, segundo El Debs (2000).
5.2 ELEMENTOS ESTRUTURAIS
Os componentes do pré-fabricado são os elementos que integram o sistema construtivo, como as vigas, pilares, fundações, entre outros.
5.2.1 Vigas
As vigas pré-moldada podem ter seções em “L”, seções “I”, seções “T” invertida, seção “T”, seção caixão e as seções retangulares que são as mais utilizadas (Spadeto, 2011). As vigas pré-moldada podem ser de concreto armado como também em concreto protendido, em alguns casos as vigas possuem em sua extensão apoios conhecidos como dente Gerber. Às terças são vigas menores utilizadas para fixar as telhas de cobertura, podem ter diversas seções, as mais utilizadas são as retangulares e em “I”. As vigas para os apoios das lajes de piso, geralmente são utilizados os formatos em “T” invertido e “L” (Tomás, 2010). A figura 3 apresenta algumas seções de vigas pré-fabricadas.
Figura 3: Seções de vigas Fonte: (SPADETO, 2011)
5.2.2 Pilares
Os pilares nas estruturas pré-moldada podem ser uma única peça, podendo ter até 24 metros de altura segundo Acker, (2002), ou pode ser formado por várias
peças ligadas entre si. Geralmente os pilares pré-moldado possuem elementos estruturais projetados em sua lateral, chamados de consolos, este serve como apoio para outros elementos estruturais. Podem possui diversas formas e dimensões, são as peças mais complexas e de maiores dificuldades de execução. Segundo Spadeto, (2011) em geral a menor dimensão utilizada é de 30 centímetros devido a questões de manuseio e ligações com outras peças, o que também fornece uma resistência ao fogo de 2 horas. Na figura 3 pode ser visto várias opções geométricas para pilares pré-fabricado.
Figura 4: Exemplos de pilares pré-fabricados Fonte: (TOMÁS, 2010)
5.2.3 Lajes
As lajes de concreto pré-moldado podem ser alveolares, nervuradas, maciças ou de vigotas pré-fabricada. Lajes alveolares protendida pré-moldada possuem baixo peso próprio, o que permite seu uso em grandes vãos. Seu baixo peso próprio é devido aos alvéolos na seção transversal. Esse tipo de laje pode ser utilizado como pavimento em edifícios comerciais, habitacionais e industriais. As lajes alveolares possuem em torno de 1,20 m de largura, 0,15 m a 0,40 m de altura, os vãos mais utilizados no Brasil são de 12 metros, (Costa, 2009). As lajes nervuradas são protendidas, podendo ter formatos de duplo “T” ou “U” invertido, as espessuras variam de 15 a 80 centímetros e seu comprimento pode chegar a 40 metros (Spadeto, 2011). As lajes maciças pré-moldada, são utilizadas em coberturas e para obras residenciais. O concreto utilizado geralmente é o celular ou leve, para reduzir o peso e aprimorar as características térmicas. As lajes de vigotas pré-fabricadas são constituídas de elementos lineares pré-fabricado dispostos espaçadamente, podem ser preenchidas por blocos cerâmicos vazados, blocos de concreto vazado, ou blocos de poliestireno expandido – EPS.
5.2.4 Elementos de fundação
Os elementos de fundação em concreto pré-moldado podem ser utilizados tanto para fundações diretas, quanto para indiretas (Spadeto, 2011). Para as fundações indiretas já se utiliza bastante as estacas pré-moldada, mas também pode se utiliza os blocos de coroamento das estacas em elementos pré-moldado. Para as fundações diretas pode se utilizar as vigas baldrames pré-moldada, as sapatas e elementos para ligações de pilares.
Figura 5: Cálice de fundação Fonte: (SPADETO, 2011)
5.3 LIGAÇÕES
O estudo de um sistema estrutural pré-moldado se diferencia de um sistema estrutural monolítico, devido as ligações entre os elementos estruturais, (Ferreira, 1993). Com o avanço tecnológico das estruturas pré-moldada, os estudos das ligações tiveram um grande desenvolvimento, atingindo níveis de rigidez quase que igualáveis com das estruturas monolíticas. Quanto mais rígida uma ligação, mais se aproxima do engastamento. Porém quanto maior a rigidez, menor a possibilidade de flexibilidade, as ligações são classificadas em isostáticas, rotuladas, semirrígidas e rígidas.
A ABNT NBR 9062/2006 traz o fator de restrição á rotação – αr, que é uma restrição a rotação das ligações, que varia de 0 a 1 e refere-se a porcentagem de momento que a ligação transmite. Se a ligação for capaz de transmiti todo o momento seu parâmetro αr é 1, mas se a ligação for hipoteticamente livre, ela não for capaz de transmiti momento nenhum seu parâmetro αr será 0.
5.3.1 Ligações isostáticas
Em ligações isostáticas as peças trabalham isoladamente, sem a transferências de esforços horizontais e momentos entre si (Santis, 2009). Desta forma, não há o efeito de pórtico. Os deslocamentos nesses casos são bem restritos, pois os deslocamentos causa contato físico entre as peças, logo a estrutura começa trabalhar como pórtico, ou seja, começa a transmitir esforços entre os elementos não considerados em projeto. Essas ligações são conseguidas apoiando as peças sobre neoprene de 1 centímetro de espessura, e para que não haja tombamento das vigas e para ajudar no posicionamento dos elementos, são utilizados pinos de aço. A figura 5 apresenta como é a composição da ligação isostática.
Figura 6: Ligação isostática Fonte: (SANTIS, 2009)
5.3.2 Ligações rotuladas
Essas ligações transmitem esforços horizontais e verticais, a transferência de esforços horizontais é considerada através do neoprene, ou pela combinação de neoprene e graute (Santis, 2009). Nessa ligação também se usa um pino de aço, onde o furo é preenchido com graute (figura 6), e o cano de policloreto de vinil – PVC usado como molde é retirado para que haja perfeita aderência entre o concreto
da peça e o graute. O parâmetro αr é abaixo de 0,15, pois a transferência de momento é mínima.
Figura 7: Ligação rotulada Fonte: (SANTIS, 2009
5.3.3 Ligações semirrígidas
Essas ligações possuem parâmetro αr entre 0,15 e 0,85, pois parte do momento de engastamento pode ser resistida pelas peças. Dependendo do método como é construída essa ligação, ela pode ser classificada de três formas, conforme Santis (2009) cita: Ligação por binário formado pelos pinos, ligação por concretagem vertical e ligação por concretagem vertical e solda.
A ligação por binário é formada por pinos, um ou mais pinos trabalha a tração, isso exige que ele seja muito bem ancorado, e parte da região do console trabalha compressão (figura 8). Não é uma ligação muito eficiente e seu αr é baixo. Na ligação por concretagem vertical, é feita uma concretagem entre a viga e o pilar, assim a transferência de esforços horizontais é realizada diretamente entre os dois elementos (figura 7). A ligação por concretagem vertical e solda, se diferencia da ligação por concretagem vertical pois no lugar do neoprene se utiliza chapas de aço, que são soldadas entre si, desta forma as chapas fazem a transferência de esforços, é considerada uma ligação mais nobre.
Figura 8: Ligação semirrígida - por concretagem vertical Fonte: (SANTIS, 2009)
Figura 9: Ligação semirrígida - por binário Fonte: (SANTIS, 2009)
5.3.4 Ligação rígida
Esta ligação possui αr superior a 0,85, e é moldada no local, é realizada uma concretagem do nó entre pilar e viga, podem ter seus arranques deixados e após a montagem com a consolidação da ligação, se obtém uma ligação engastada (figura 9). Esse tipo de ligação justifica-se quando precisa-se diminuir a deslocabilidade lateral do edifício e quando se quer uma melhor distribuição dos esforços (Santis, 2009).
Figura 10: Ligação rígida Fonte: (SANTIS, 2009)
5.4 LIGAÇÕES ENTRE ELEMENTOS ESTRUTURAIS
5.4.1 Ligação entre lajes e vigas
Essas ligações se dividem em dois grupos, de acordo com a posição da viga: ligação laje-viga de extremidade e ligação laje-viga central (Santis, 2009).
Nas ligações laje-viga de extremidade, geralmente essas ligações são articuladas. Devido a flexão que a lajes causa nas vigas, as vigas ficam submetidas a esforços de torção. Geralmente as lajes são ligadas as vigas por meio de insertos metálicos ou por meio de concretagem. As ligações laje-viga centrais é mais simples se tratando de esforços, pois não ocorre torção. A ligação da laje pode ser feita por intermédio de apoios das vigas ou por concretagem.
5.4.2 Ligação entre viga e pilar
As ligações entre vigas e pilares, quando articuladas, podem ser classificadas de três formas: Ligação com consolo de concreto, ligação de topo de pilar, ligação com insertos metálicos.
As ligações com consolo de concreto apresentam baixo custo operacional e produtivo. Segundo Santis (2009), elas podem ser divididas de acordo com o tamanho do consolo. As ligações de topo de pilar, como o nome já diz, a viga é apoiada no topo do pilar sem a presença de consolo. Como a viga está apoiada no pilar, a viga pode sofrer rotações, isso pode causar esforços de tração no plano horizontal do pilar, assim deve-se prever uma armadura de tração no pilar para resistir a este esforço. Também deve-se verificar o nível de compressão que a viga
causará no topo do pilar. As ligações viga-pilar com insertos metálicos, segundo Santis (2009) é uma ligação pouca utilizado no Brasil, e só se justifica utiliza-la, quando tem cargas inferiores a 200 kN, quando a muitas vigas apoiadas no mesmo pilar ou por questões estéticas. A montagem do inserto no pilar deve ser feita com concreto de mesma resistência que a do pilar ou superior e deve-se utilizar aditivos para evitar a retração desse concreto.
5.4.3 Ligação entre pilar e fundação
As ligações entre pilares e fundações basicamente as mais utilizadas são por meio de cálice e por meio de chapa metálica.
A ligação pilar-fundação por meio de cálice é o embutimento por parte do pilar pré-moldado em uma cavidade na base do elemento de fundação (Campos, 2010). Para o prumo e o posicionamento do pilar em planta, após o encaixe do pilar, são utilizadas cunhas de madeira, para centralizar e fixar temporariamente. Para preencher o espaço vazio entre o pilar e o colarinho se utiliza graute ou concreto moldado no local. A ligação pilar-fundação com chapa metálica, consiste em ligar o pilar ao bloco de fundação por meio de chapas metálicas. O bloco de fundação pode ser pré-moldado ou moldado no local. Depois de posicionar os blocos, ou se for moldado no local, depois de executado, deve-se fazer um nivelamento da parte superior do bloco com graute, depois posicionar o pilar, que será fixado por meio de chapas metálicas parafusadas ou soldadas. Deve-se fazer o escoramento dos pilares, pois apenas as chapas não são suficientes para resistir os momentos criados na base do pilar.
5.5 ANÁLISE ESTRUTURAL
Quando utiliza de estruturas pré-fabricadas, nos projetos deve se considerar os esforços provenientes da fase de fabricação, transporte, manuseio, armazenamento e montagem, segundo a ABNT NBR 9062:2006. Também deve considerar os estados limites últimos e de serviço. No que se refere ao estado limite de serviço, busca limita as deformações e a fissuração. Deve se considerar as possíveis mudanças que a peça pode sofrer devido as etapas de montagem.
Para o dimensionamento de qualquer edificação deve se levar em consideração todas as possíveis ações que possam vim a atuar na estrutura. Segundo a ABNT NBR 9062:2006 no dimensionamento de estruturas de concreto pré-fabricada devem ser consideradas as ações decorrentes de carga permanente, carga acidental, vento, choques, vibrações, variações de temperaturas, esforços repetidos e deslocamentos de apoio.
Em edifícios de estruturas em concreto leva-se em consideração a ABNT NBR 6118:2014 que defini os estados limites que se deve dimensionar uma estrutura em concreto, sendo os estados limites últimos e de serviço. A norma também defini que deve-se levar em consideração as possíveis combinações das ações, a norma defini um carregamento pela combinação das ações que têm probabilidade não desprezíveis de atuarem simultaneamente sobre a estrutura, durante um período preestabelecido.
A ABNT NBR 6120:1980 traz as cargas a serem consideradas no cálculo de estruturas de edificações, tais cargas a norma classificam em permanentes e acidentais, sendo as permanentes aquelas devido ao peso próprio da estrutura, peso de equipamentos de construção e peso de instalações permanentes, as variáveis são classificadas em diretas e indiretas, sendo as diretas as ações devido ao vento, ação da água, cargas acidentais previstas para o uso da edificação, e as indiretas são devido à variação da temperatura e ações dinâmicas. Em estruturas com ligação viga-pilar articulada e pilares engastados na fundação, deve-se considerar um carregamento horizontal de no mínimo 0,005 vezes o valor total das cargas verticais majoradas pelos respectivos coeficientes de amplificação, segundo a ABNT NBR 9062:2006.
A ABNT NBR 6123:1988 defini como considerar a ação do vento na edificação. Para determinar as pressões na edificação causada pela ação do vento é necessário conhecer a localização da edificação, para classificar a rugosidade do terreno e a topografia e as dimensões e aberturas da edificação vão fazer com que a velocidade característica do vento varie, além da posição geográfica que definirá a velocidade básica do vento. A utilização do edifício também é um parâmetro para obter a velocidade característica do vento. As variáveis que defini a força do vento é a área de influência considerada, a pressão dinâmica do vento que é obtido através da velocidade característica do vento, e os dos coeficientes de forma interna e externa, que são obtidos de acordo com a metodologia da norma.
5.5.2 Efeitos de segunda ordem
Os efeitos de segunda ordem são os que se somam com os efeitos de primeira ordem (que são os efeitos avaliados na configuração não deformada), assim os efeitos de segunda ordem são considerando a configuração deformada da estrutura. Eles se dividem em efeitos globais, locais e localizados (ABNT NBR 6118:2014).
Os efeitos globais ocorrem devido aos deslocamentos horizontais dos nós da estrutura, isso ocorre devido ação de cargas verticais e horizontais. Os deslocamentos horizontais que provocam os efeitos de segunda ordem global, são devidos ao vento ou desaprumo, no caso de edifícios de estruturas pré-fabricadas os deslocamentos são na maioria devido a ação do vento, pois os pilares normalmente são contínuos, o que elimina o desaprumo entre os andares. Os efeitos de segunda ordem local, ocorre em barras da estrutura, como por exemplo o lance de um pilar. Estes efeitos surgem quando a barra não se mantém retilínea, o que afeta principalmente os esforços solicitantes ao longo da barra. A respeito da consideração dos efeitos de segunda ordem em estruturas articuladas a ABNT NBR 9062:2006 diz:
No caso dos sistemas estruturais onde a estabilidade é proporcionada pela ação de pilares engastados na fundação com vigas articuladas, onde o fator de restrição à rotação é menor ou igual que 0,15, é obrigatória a verificação dos efeitos de 2ª ordem, considerando a não linearidade física.
Conforme a ABNT NBR 9062:2006, em estruturas que é composta por ligação viga-pilar articulada e pilar-fundação engastada, deve-se considerar os efeitos de segunda ordem no dimensionamento da estrutura considerando a não linearidade física.
5.5.3 Avaliação do efeito de segunda ordem através do processo P-Δ
Obtido os esforços e deslocamentos da análise elástica linear de primeira ordem, o processo P- Δ é uma alternativa para avaliar os efeitos da não linearidade geométrica (consideração da posição deformada da estrutura). A sistemática do processo consiste em aplicar a cada nó uma força horizontal fictícia equivalente ao efeito das cargas verticais associada aos deslocamentos horizontais. Com as forças
horizontais fictícias aplicadas, novamente avaliam-se os deslocamentos horizontais e recalculam-se as forças horizontais equivalentes decorrentes dos deslocamentos obtidos com as forças fictícias anteriores completando a primeira iteração. O processo continua nas iterações seguintes até que os novos deslocamentos horizontais obtidos se aproximem de zero e a estrutura se estabiliza. Vale dizer que se os novos deslocamentos não se aproximarem de zero e pelo contrário, aumentarem a cada iteração, significa que a estrutura é instável e não alcançará o equilíbrio. A figura 4 ilustra a evolução dos deslocamentos ao longo das iterações inerente ao processo.
Figura 11: Iterações do processo P- Δ Fonte: (MONCAYO, 2011)
5.5.4 Não linearidade física
Como visto anteriormente em sistemas estruturais onde a estabilidade é conseguida por pilares engastados na fundação e com vigas articuladas a ABNT NBR 9062:2006 diz que é obrigatório a consideração de efeitos de segunda ordem levando em consideração a não linearidade física, “a não linearidade física dos pilares pode ser considerada por meio de uma aproximação linear do problema com o uso da rigidez secante da relação momento-curvatura dos pilares conforme a ABNT NBR 6118”(ABNT NBR 9062:2006).
A não linearidade física é causada pelo comportamento do material, no concreto armado alguns efeitos que ocorrem no material, pode conferir ao concreto um efeito não linear, isso interfere no módulo de elasticidade, pois quando o material possui linearidade física o módulo de elasticidade é constante, porém se não possuir
linearidade física o módulo de elasticidade vai variando. A ABNT NBR 6118/2014, sugere obter a rigidez de pilares que compõem estruturas reticuladas com no mínimo quatro pavimentos de uma forma aproximada.
Para Pilares fica:
𝐸𝐼𝑠𝑒𝑐= 0.8 ∗ 𝐸𝑐𝑖∗ 𝐼𝑐 Equação (1) 𝐸𝑐𝑖 = 5600 ∗ 𝑓𝑐𝑘0.5 Equação (2)
Onde:
Elsec é a rigidez secante.
lc é o momento de inércia da seção bruta de concreto. fck é a resistência característica á compressão do concreto. Eci é o módulo de elasticidade.
5.6 ESTADO DA ARTE
Migliore Junior (2005), estudou a viabilidade econômica de edifício pré-moldado com ligação rígida, sendo construído na cidade de Ribeirão Preto – SP, constituído de um subsolo e mais cinco pavimentos, concluiu que houve viabilidade técnica e econômica na redução da seção dos pilares, em comparação com ligações articulada convencional. Moncayo (2011), fez uma análise de segunda ordem global em edifícios de concreto armado, chegou à conclusão que apenas utilização do ˠz como majorado dos esforços de segunda ordem gera resultados melhores que 0,95 ˠz, também destaca que o processo P-Delta sempre considera os esforços de segunda ordem, mesmo que seja menor que 10% dos esforços de primeira ordem. Catumbaiala (2012) também fez uma análise dos efeitos de segunda ordem em edifícios, mas ele estudou em edifícios industriais pré-fabricado em concreto armado, estudou um edifício localizado na cidade de Torres Vedras – Lisboa, considerou três hipóteses, o edifício sem sistema de contraventamento e ligação viga-pilar articulada, com sistema de contraventamento e ligação viga-pilar articulada e sem sistema de contraventamento mas com ligação viga-pilar semirrígida, nos três casos considerou pilar engastado na fundação, o edifício considerado possui 15,50m
de altura. Conclui-se que o terceiro caso apresentou esforços menores que os dois primeiros casos. Marin (2009), estudou a estabilidade global de estruturas em concreto pré-moldado de múltiplos pavimentos com ligação semirrígida entre vigas e pilares e, pilares engastados na fundação. Jeremias Júnior (2007) também fez uma análise da estabilidade de estruturas pré-moldadas de concreto levando em consideração a influência de ligações semirrígidas, fez a simulação em uma configuração estrutural de um edifício de quatro pavimentos, teve como resultado a redução do momento fletor na base do pilar, houve uma redução significativa no deslocamento do topo de pilares. As estruturas deixam de atuar como pórticos e passando atuar como estruturas com ligações articuladas e pilares isolados quando a deslocabilidade de primeira ordem se torna significativa, para manter o efeito de pórtico o grau de engastamento nas ligações deve-se aumentar.
6 METODOLOGIA
Como base de referência será utilizada bibliografias que tratam do assunto descrito no trabalho, também normativas que norteiam o tema. A obtenção dos esforços solicitantes e deslocamentos da estrutura será através do software livre Ftool, também se fará uso do Excel para gerar tabelas e gráficos para organização de dados encontrados.
6.1 ARQUITETURA
O projeto arquitetônico do edifício terá relação em planta de 2:1, sendo que as dimensões serão de 24 x 12 metros. O edifício será considerado como residencial e construído no município de Sinop – MT.
6.2 PARÂMETROS
ESTRUTURAIS
E
PROPRIEDADES
DOS
MATERIAIS
Sendo o edifício com as dimensões citadas acima, será estudado com 4 linhas de pilares, obtendo vãos de 4 metros na direção da menor dimensão do prédio. O edifício será calculado em estrutura de concreto pré-fabricado, sendo que o sistema estrutural adotado será do tipo esqueleto, as ligações entre vigas e pilares serão articuladas, e as ligações pilares e fundações serão do tipo engastada, as lajes serão consideradas treliçadas. Não será considerado núcleos rígidos como sistema de contraventamento, somente os pilares vão compor o sistema de contraventamento, ou seja, todos os pilares serão partes da subestrutura de contraventamento. A resistência característica a compressão do concreto – fck, será de 30 MPa, aço para concreto armado – CA será o CA 50 e aço para estribos CA 60.
6.3 AÇÕES E CARREGAMENTOS
As ações permanentes consideradas serão as diretas do peso próprio de cada elemento estrutural, das paredes de vedação que serão consideradas de alvenaria, do revestimento das paredes e do piso. De acordo com ABNT NBR 6120:1980:
Tabela 1 – Peso específico dos materiais
Cargas Permanentes
Material Peso Específico Aparente kN/m³
Concreto armado 25
Tijolos Furados 13
Argamassa de Revestimento 21 Fonte: Acervo pessoal (2016)
As ações variáveis serão a carga acidental vertical de uso da construção, para sala, dormitórios, cozinha e banheiro possuem valor de 1,5 kN/m² e para lavanderia, área de serviço e despensa com valor de 2,0 kN/m². A ação variável direta do vento será dimensionada de acordo com as condições impostas pela ABNT NBR 6123/1988. A ação variável direta durante a construção, a movimentação das peças durante a construção faz com que surja esforços diferentes daqueles considerados nos cálculos de dimensionamento da peça, assim será levada em consideração esses possíveis esforços. As combinações serão consideradas de acordo com a ABNT NBR 8681:2003 – Ações e segurança nas estruturas.
Todos os carregamentos serão majorados de acordo com os coeficientes da ABNT NBR 6118/2014, todas as possíveis combinações serão calculadas para chegar às piores situações que o edifício poderá estar submetido. Serão considerados os estados limites últimos normais, de construção e excepcionais, e o estado limite de serviços.
6.4 DIMENSIONAMENTO
Determinado as piores solicitações que a estrutura pode estar submetida, utilizaremos do software ftool para lançar os carregamentos e obtermos os esforços de momento fletor, normal e cortante, assim também como deslocamentos. Os efeitos de segunda ordem serão obtidos através do processo P-Δ considerando precisão de 1%, para admitir a convergência, a não linearidade física será considerado através da adoção da rigidez secante de acordo com a equação 1 e 2. Os cálculos que envolvem o processo P-Δ serão executados com o auxílio de planilha eletrônica.
Com os esforços solicitantes determinados, segue com o dimensionamento dos elementos estruturais, sendo que o dimensionamento de pilares e vigas pré-fabricado são os mesmos métodos de estruturas monolíticas, ou seja, aplica-se os
métodos de concreto armado convencional. O que surge de diferente no dimensionamento, é o dimensionamento de dentes Gerbers e consolos.
6.5 QUANTIFICAÇÃO DE MATERIAL
Para obter os parâmetros técnicos kgaço/m³concreto, m³concreto/m²área, será feito um levantamento de todo concreto e aço previsto nos elementos estruturais, com ajuda do software Excel, para obtermos gráficos e tabelas que ajudarão a visualizar os parâmetros técnicos alcançados do edifício estudado.
7 CRONOGRAMA
.
ATIVIDADES
ANO
JAN FEV MAR ABR MAIO JUN JUL Entrega do projeto de pesquisa Revisão bibliográfica complementar Elaboração das planilhas Dimensionamento Redação do artigo Revisão e entrega oficial do artigo Apresentação do artigo em banca
8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
Acker, A. V. Manual de Sistemas Pré-fabricados de Concreto. Tradução: Marcelo Ferreira, ABCIC, 2002.
Araújo, J. M. (Maio de 2014). Curso de concreto armado. Rio grande: Dunas. v.4, 4.ed.
ASSOCIAÇAO BRASILEIRA DE NORMAS TECNICAS. NBR 6118 – Projeto de
estruturas de concreto – procedimento. Rio de Janeiro, 2014.
ASSOCIAÇAO BRASILEIRA DE NORMAS TECNICAS. NBR 6123 – Forças
devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro, 1988.
ASSOCIAÇAO BRASILEIRA DE NORMAS TECNICAS. NBR 6120 – Cargas para o
cálculo de estruturas de edificações. Rio de Janeiro, 1980.
ASSOCIAÇAO BRASILEIRA DE NORMAS TECNICAS. NBR 8681 – Ações e
segurança nas estruturas. Rio de Janeiro, 2003.
ASSOCIAÇAO BRASILEIRA DE NORMAS TECNICAS. NBR 9062 -Projeto e
Execução de estruturas de concreto pré-moldado. Rio de Janeiro, 2008.
Campos, G. M. (2010). Recomendações para o projeto de cálices de fundação. Dissertação de mestrado, escola de engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. São Carlos/SP.
Catumbaiala, A. A. F. (setembro de 2012). Análise dos efeitos de segunda ordem
em edifícios industriais pré-fabricados em betão armado. Dissertação de
mestrado, faculdade de ciências e tecnologias, Universidade Nova de Lisboa. Lisboa/Portugal.
COSTA, O. O. (2009). Avaliação de desempenho de elementos de lajes
alveolares protendidas pré-fabricadas. Dissertação (Mestrado em Construção
Civil) , Programa de Pós-Graduação em Construção Civil, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos.
EL DEBS, Mounir K. Concreto pré-moldado: fundamentos e aplicações. São Carlos: EESC-USP, 2000.
FARENZENA. A; BOSSE. R. M. (2014). Proposta de soluções em estrutura pré-
convencional (moldado in loco). 2014. 161 f. Trabalho de conclusão de curso,
Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco/ PR.
Ferreira. M. A. (1993). Estudo de Deformabilidades de Ligações para Análise
Linear em Pórticos Planos de Elementos Pré-moldado de Concreto. Dissertação
de mestrado, escola de engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. São Carlos/SP.
Jeremias Júnior. A. C. J. (2007). Análise da estabilidade de estruturas
pré-moldadas de concreto: influência das ligações semi-rígidas. Dissertação de
mestrado, programa de pós-graduação em construção civil, Universidade Federal de São Carlos. São Carlos/SP.
Marin, M. C. (2009). Contribuição à análise da estabilidade global de estruturas
em concreto pré-moldado de múltiplos pavimentos. Dissertação de mestrado,
escola de engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. São Carlos/SP.
Moncayo, W. J. Z. (2011). Análise de segunda ordem global em edifício com
estrutura de concreto armado. Dissertação de mestrado, escola de engenharia de
São Carlos, Universidade de São Paulo. São Carlos/SP.
Santis, B. C. (junho de 2009). Principais Sistemas Estruturais para Edifícios de
Múltiplos Pavimentos em Concreto Pré-Fabricado. Trabalho de conclusão de
curso, graduação em engenharia civil, departamento de engenharia civil, Universidade Federal de São Carlos. São Carlos/SP.
SERRA, S. M. B.; FERREIRA, M. de A.; PIGOZZO, B. N. Evolução dos
pré-fabricados de Concreto. Núcleo de Estudos e Tecnologia em Pré-moldados
(NET-PRÉ), Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de SãoCarlos,
2005.
SILVA DE BRITO, Rafael; JORGE GANTOIS, Carlos Henrique. Estruturas de
concreto pré-fabricadas em edifícios de múltiplos pavimentos contraventados por núcleo de rigidez. Seminário Estudantil de Produção Acadêmica, v. 13, 2014.
Spadeto, T. F. (2011). Industrialização na Construção Civil – Uma Contribuição
à Política de Utilização de Estruturas Pré-Fabricadas em Concreto. Dissertação
de mestrado, programa de pós-graduação em engenharia civil, Universidade Federal do Espirito Santo. Vitória/ES.
Tomás, Q. J. J. (fevereiro de 2010). Concepção e Projecto de um Edifício de
Habitação com Estrutura em Betão Pré-Fabricado. Dissertação de mestrado,
