ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS

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ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS

-INTRODUÇÃO AO PROJECTO –

João F. Almeida

IST, ENGENHARIA CIVIL, ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS, Fevereiro 2011

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ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS – INTRODUÇÃO AO PROJECTO

ÍNDICE

Introdução ao Projecto de Estrututras 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

Betão Arquitectónico

Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural Os Novos Betões (BAC)

Economia

Os Edifícios Altos – Realizações

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Arquitectura Engenharia Estruturas Outras Especialidades ……… Construtor

Dono

de Obra Projecto O PROJECTO DE EDIFÍCIOS ……… Execução Fiscalização

A

Estrutura

representa, em geral,

apenas

15% a 25% do custo total da

construção ; no entanto, ela é responsável pela

segurança

da generalidade dos materiais e equipamentos referentes às diversas especialidades.

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O Processo de PROJECTO

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Os Condicionamentos do PROJECTO

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A LOCALIZAÇÃO do Edifício

Quantificação das ACÇÕES (que dependam da localização):

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

Sismo próximo

Sismo afastado

NP EN1998-1 , 2010

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

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Utilização / Função do Edifício ↔ Sobrecargas

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(10)

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Utilização / Função do Edifício ↔ Risco de Incêndio – (NP EN1991-1-2 , 2010)

↔ 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

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 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

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

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Exigências de Desempenho

fib Model Code 2010

Tempo de VIDA ÚTIL

EFICIÊNCIA ESTRUTURAL

- Qualidade de Comportamento em Serviço (ELS) - Segurança de Pessoas e Bens / Robustez (ELU) DURABILIDADE

ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL ECONOMIA

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Exigências de Desempenho – Tempo de Vida Útil de Projecto

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.”

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DURABILIDADE

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

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DURABILIDE ↔ Classes de Exposição

3 Corrosão induzida por cloretos

Superfícies de betão expostas a cloretos

NP EN1992 - 1 - 2010

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

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ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL

↔ Projectar / Construir contribui para transformar os locais

↔ O resultado permanece para o futuro como nossa herança cultural

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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”

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O Betão é um material estrutural e pode ser também arquitectónico Betão à vista

Betão colorido Betão texturado

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O Betão é, cada vez mais, também um material arquitectónico

Betão à vista

Betão colorido

Betão texturado

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EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural

Laje dos pisos elevados

Blocos suspensos

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22.14m

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

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(23)

OS

NOVOS

BETÕES

A EVOLUÇÃO DOS BETÕES DE CIMENTO

??

(24)

BETÕES AUTOCOMPACTÁVEIS

Diferenças genéricas entre a composição dos BAC / Betões Correntes

(Manuel Vieira, PhD, IST, 2008) (Manuel Vieira, PhD, IST, 2008)

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ART’S BUSINESS & HOTEL CENTER Blocos Suspensos

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

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

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BAC

ARQUITECTÓNICO

BAC

Pigmentado, Texturado

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

BAC

Pigmentado, Texturado

(28)

A

Engenharia Civil

tem que promover a valorização e A

Engenharia Civil

tem que promover a valorização e

(29)

A EVOLUÇÃO DOS “ EDIFÍCIOS ALTOS “

??

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EDIFÍCIOS ALTOS – Realizações

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

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EDIFÍCIOS ALTOS – Realizações

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ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS

- CONCEPÇÃO C'-C C T C C'-C T C' _{ T' _{ - PRÉ-DIMENSIONAMENTO

João F. Almeida

IST, ENGENHARIA CIVIL, ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS, Fevereiro 2011

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ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS –

CONCEPÇÃO E PRÉ-DIMENSIONAMENTO

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

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Solução Estrutural do PROJECTO

• CONCEPÇÃO

• PRÉ-DIMENSIONAMENTO

• MODELAÇÃO - Modelos Globais

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

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A fase de CONCEPÇÃO

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Emil Mörsch (1872-1950)

A fase de CONCEPÇÃO tem que ser a primeira actividade do Projecto

Mörsch 1922

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A fase de CONCEPÇÃO tem que ser a primeira actividade do Projecto Eugène Freyssinet (1879-1962) p = g + ψψψψ q q_P = P (1/R_cabo) (p – q_P) Fritz Leonhardt (1909 - 1999)

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COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS – Caminhos das Cargas

Acções Verticais ↔ Os pavimentos equilibram (flexão) as cargas no plano, repartindo-as pelos elementos verticais, de forma

aproximadamente proporcional à sua

área de influência

.

Área de Influência do Pilar Área de Influência da Parede

≈ [(5/8) Ly] ≈ [(3/8) Ly]

≈ [(5/8) Lx ; Lx/2]

[Lx] [Ly]

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Acções Verticais ↔ Os pavimentos equilibram (flexão) as cargas no plano, repartindo-as pelos elementos verticais, de forma

aproximadamente proporcional à sua

área de influência

.

∆ N_iJ _∆ _N

g

Pilar J

∆ N_iJ = A_J . q_i

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Acç. Horizontais ↔ Os pavimentos distribuem (diafragma) as acções horizontais, pelos elementos verticais, de forma aproximadamente proporcional à sua rigidez.

Núcleo Parede

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Acç. Horizontais ↔ Sistemas

em Pórtico

- em geral apenas adequado para estruturas de

porte e níveis de acções horizontais muito moderados

    Iv Ip ↓ ⇔   Mcont. ↓ ; Np ↓ Mp ↑ δh ↑ FH F/2 FH ≈ 0 F/2 F Mp F M_cont. L EQUÍLIBRIO

F

×

H = 2 M

p

+ N

×

L

FH 2 ≈ 0 FH 2 ≈ 0 N F/2 Mp Mp N F/2 L p p F F F F F/2 F/2 3 FH 2 3 FH 2

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Acç. Horizontais ↔ Sistemas Parede e Pórtico/Parede

EQUÍLIBRIO 2 ₂ H F /2 Mp Mp F /2 F v p 2 F₁ F₁ F P

F

₁

+ F

₂

= F

F

×

H = M

_P

+ (2 M

_p

+ N L)

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

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COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS – Acções Horizontais

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 !

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COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS – Acções Horizontais

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:

- ∆_Junta ≥ δ_H

- Manutenção .... _Concepções_possíveis _{– a analisar}

Pontosfixos

Ver efeitos: - Retracção

- Var. Temperatura

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SISTEMAS ESTRUTURAIS DE PAVIMENTOS

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

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SOLUÇÕES ESTRUTURAIS DE PAVIMENTOS Deformabilidade

- Aparência (visibilidade) ↔ δδδδ≤ [ L / (300 a 400) ]

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

Laje Fungiforme Maciça com (L / h) ≈ 40

(48)

SOLUÇÕES ESTRUTURAIS DE PAVIMENTOS Lajes Vigadas 4.0 < l ≤ 7.5m → h = 0.15 a 0.25 m

h

≈

_{30 a 35}

L

h

≈

L

35 a 40

(49)

Maciças: h

≈

_{25 a 30}

L

Lajes Fungiformes - Maciças

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

(50)

h

≈

L

Lajes Fungiformes – aligeiradas (moldes recuperáveis / moldes perdidos)

L < 7 m

→

h

≈

0.27 m

7 < L < 12 m

→

h = 0.30 a 0.50 m

h

≈

L

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PILARES – Pré-dimensionamento

• Funcionalidade e Exploração (Arquitectura) (+)

• Resistência (+) • Ductilidade (+) ω= As bh × fyd fcd ρ= As Ac ≈ 1,5% → (ω ≈ 0,4)

ν

máx

_≈

1,2

C1 - 1.5 [ g + q ] ↔( N_Sd,máx ; M_Sd ≈ 0 ) C2 - [ g + ψ₂q ; E ] ↔ ( N_g+_ψ_2q ; M_Sd,máx= ?) Exemplo: ↔ g≈ 9kN/m2 _{; q= 3kN/m}2 ↔ [ (g/q)≈ 3; p_Sd≈ 16 a 18 kN/m2_] ↔ ( N_g+_ψ_2q / N_Sd,máx )≈ 0.50 / 0.60 νSd νg+ψ q

ν

máx Rd

≈

1,2

νSd νg+ψ_{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% ≤ ρρρρ_sL ≤ 3%

↔(Taxas entre 100 e 300kg aço/m3 _{de betão)}

C1

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FUNDAÇÕES

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 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.

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(54)

FUNDAÇÕES

(55)

FUNDAÇÕES - Estudo Geológico-Geotécnico - Exemplo

(56)

FUNDAÇÕES Directas - Exemplos

Viga de Fundação no Contorno

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FUNDAÇÕES Indirectas - Exemplos

Estacas betonadas “in-situ”

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