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treliçadas, treliças espaciais, blocos de alvenaria estrutural, vigas, pilares, lajes, grelhas e cascas cilíndricas. Além dos sistemas estruturais, ...
Tipologia: Notas de estudo
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Não perca as partes importantes!
Marta Francisca Suassuna Mendes de Souza RA: 063060; Rafael Bezerra Rodrigues RA: 063777.
Orientador: Prof. Dr. Nilson Tadeu Mascia
Campinas (SP), Julho de 2008 Revisão 2021
Esta apostila tem por objetivo dar ao aluno que frequenta cursos que contemplem Sistemas Estruturas um material complementar, que o auxilie no acompanhamento das aulas regulares. Não tem por objetivo substituir livros nem
1- Introdução
As estruturas se caracterizam por serem as partes mais resistentes de uma construção. São elas que absorvem e transmitem os esforços, sendo essenciais para a manutenção da segurança e da solidez de uma edificação. Uma estrutura é formada por elementos estruturais, que combinados dão origem aos sistemas estruturais. A finalidade de uma estrutura é receber e transmitir os efeitos das ações sofridas para o solo. Dessa forma, as estruturas devem ser construídas com materiais que não são perfeitamente rígidos, chamados materiais estruturais. A execução de uma construção, seja ela de grande ou pequeno porte, implica obrigatoriamente na construção de uma estrutura suporte, que necessita de um projeto, planejamento e execução própria. Desta forma, a estrutura em uma construção tem como finalidade assegurar a forma espacial idealizada garantindo integridade à edificação por vários anos. Durante o período de atividades do presente projeto, foi possível estudar a fundo vários importantes sistemas estruturais, sistemas esses que foram encontrados nas estruturas analisadas. São eles: treliças planas, vigas treliçadas, treliças espaciais, blocos de alvenaria estrutural, vigas, pilares, lajes, grelhas e cascas cilíndricas. Além dos sistemas estruturais, foi possível também estudar importantes materiais, dentre eles: o aço estrutural (em especial, os aços patináveis), a madeira e o concreto armado (material do qual são feitos os blocos de alvenaria estrutural, lajes e vigas).
2 - Ações Ações são as causas que provocam o aparecimento de esforços ou deformações nas estruturas. Quando há aplicação de forças, diz-se que estas forças são ações diretas e quando há deformações impostas a uma estrutura e estas originam esforços na estrutura diz-se que estas deformações geram ações indiretas. Em relação ao tempo, as ações podem ser dos seguintes tipos: · ações permanentes: são aquelas que ocorrem com valores constantes ou de pequena variação em torno de um valor médio, durante toda a vida da construção, como por exemplo o peso próprio da estrutura;
longa duração, podendo ter duração igual ao período de referência (ou vida útil) da estrutura. No carregamento normal, as eventuais ações de curta ou média duração terão seus valores atuantes reduzidos a fim de que a resistência do material possa ser considerada como correspondente apenas às ações de longa duração. (ex: projeto de uma casa de madeira, onde serão levados em consideração os carregamentos comuns: peso próprio, sobrecarga etc). 2.3.2 - Carregamento especial Um carregamento é dito especial quando inclui a atuação de ações variáveis de natureza especial, cujos efeitos superam em intensidade os efeitos produzidos pelas ações consideradas no carregamento normal. Corresponde à classe de carregamento definida pela duração acumulada prevista para a ação variável especial considerada (ex:neve). 2.3.3 - Carregamento excepcional Um carregamento é dito excepcional quando inclui ações excepcionais que podem provocar efeitos catastróficos (ex:explosão). 2.3.4 - Carregamento de construção Um carregamento é dito de construção quando é transitório e deve ser definido em cada caso particular em que haja risco de ocorrência de estados limites últimos já durante a construção. Corresponde à classe de carregamento definida pela duração acumulada da situação de risco (ex.: içamento de uma tesoura por um guindaste). 2.4 - Situações de projeto As seguintes ações devem ser consideradas no projeto: situações duradouras, situações transitórias e situações excepcionais. Para cada estrutura particular devem ser especificadas as situações de projeto a considerar, não sendo necessário levar em conta as três possíveis situações de projeto em todos os tipos de construção. 2.4.1 - Situações duradouras Situações duradouras são aquelas que podem ter duração igual ao período de referência da estrutura. São consideradas no projeto de todas as estruturas. Nas situações duradouras, para a verificação da segurança em relação aos estados limites últimos consideram-se apenas as combinações últimas normais de carregamento e, para os estados limites de utilização, as
combinações de longa duração ou de média duração (ex:placa de propaganda sobre um beiral). 2.4.2 - Situações transitórias Situações transitórias são aquelas que têm duração muito menor que o período de vida da construção. São consideradas apenas para as estruturas de construções que podem estar sujeitas a algum carregamento especial, que deve ser explicitamente especificado para o seu projeto. Em casos especiais, pode ser exigida a verificação da segurança em relação a estados limites de utilização, considerando combinações de ações de curta duração (combinações raras) ou combinações de duração média (combinações especiais) (ex: conserto de um telhado). 2.4.3 - Situações excepcionais Situações excepcionais são aquelas que têm duração extremamente curta. São consideradas somente na verificação da segurança em relação a estados limites últimos. Devem ser consideradas somente quando a segurança em relação às ações excepcionais contempladas não puder ser garantida de outra forma, tal como o emprego de elementos físicos de proteção da construção, ou a modificação da concepção estrutural adotada. Devem ser explicitamente especificadas para o projeto das construções particulares para as quais haja necessidade dessa consideração. 3 - Materiais estruturais Um material estrutural para ser considerado como tal, deve possuir outras características, que não sejam somente a resistência à tração e/ou compressão, ele deve apresentar características como plasticidade e elasticidade. Quando tensionado, um material estrutural pode apresentar comportamento elástico ou plástico. Possui comportamento elástico quando retorna a sua posição original após sofrer uma tensão, sem deixar, portanto, deformações residuais. Em contrapartida, um material estrutural apresenta comportamento plástico quando fica com alguma deformação residual após sofrer um esforço de tensão. Os principais materiais estruturais aplicados à construção civil são: o aço, concreto e a madeira.
Quando se ultrapassa o limite de proporcionalidade (fp), tem lugar a fase plástica, onde ocorrem deformações crescentes sem variação de tensão, o chamado patamar de escoamento. O valor constante dessa tensão é a mais importante característica dos aços estruturais e é denominada resistência ao escoamento. Após o escoamento, a estrutura interna do aço se rearranja e o material passa pelo encruamento, em que a tensão varia novamente com a deformação específica, porém de forma não-linear. O valor máximo da tensão antes da ruptura é denominado resistência à ruptura do material. A resistência à ruptura do material é obtida dividindo-se a carga máxima que ele suporta, antes da ruptura, pela área da seção transversal inicial do corpo de prova. Observa-se que fu é calculado em relação à área inicial, apesar de o material sofrer uma redução de área quando solicitada à tração. Embora a tensão verdadeira deva ser calculada considerando-se a área real, a tensão tal como foi definida anteriormente é mais importante para o engenheiro, pois os projetos são feitos com base nas dimensões iniciais. Em um ensaio de compressão, sem a ocorrência de flambagem, obtém- se um diagrama tensão-deformação similar ao do ensaio de tração.
Figura 3 - Diagrama de tensão-deformação dos aços estruturais em escala deformada.
Uma peça de aço, sob efeito de tensões de tração ou de compressão sofre deformações, que podem ser elásticas ou plásticas. Tal comportamento
deve-se à natureza cristalina dos metais, pela presença de planos de escorregamento ou de menor resistência mecânica no interior do reticulado. A elasticidade de um material é a sua capacidade de voltar à forma original em ciclo de carregamento e descarregamento. A deformação elástica é reversível, ou seja, desaparece quando a tensão é removida. A deformação elástica também é consequência da movimentação dos átomos constituintes da rede cristalina do material, desde que a posição relativa desses átomos seja mantida. A relação entre os valores da tensão e da deformação linear específica, na fase elástica, é o módulo de elasticidade, cujo valor é proporcional às forças de atração entre os átomos. Nos aços, o módulo de elasticidade vale aproximadamente 20 500 KN/cm^2. A deformação plástica é a deformação permanente provocada por tensão igual ou superior à fp - resistência associada ao limite de proporcionalidade (fig. 3). É o resultado de um deslocamento permanente dos átomos que constituem o material, diferindo, portanto, da deformação elástica, em que os átomos mantêm as suas posições relativas. A deformação plástica altera a estrutura interna do metal, tornando mais difícil o escorregamento ulterior e aumentando a dureza do metal. Esse aumento na dureza por deformação plástica, quando a deformação supera s (vide fig. 3), é denominado endurecimento por deformação a frio ou encruamento e é acompanhado de elevação do valor da resistência e redução da ductilidade do metal. As diferentes velocidades de resfriamento, após a laminação, conforme o grau de exposição, da chapa ou perfil laminado, levam ao aparecimento de tensões que permanecem nas peças, denominadas de tensões residuais (r).
Figura 4 - Diagrama de tensão-deformação teórico para aço virgem e aço com tensão residual, respectivamente.
Os aços patináveis apresentam boa aderência ao revestimento com desempenho duas vezes maior que o aço-carbono comum. Além da excelente soldabilidade, os aços patináveis podem apresentar alta ou média resistência mecânica. No primeiro caso, proporcionam economia no peso da estrutura, pela redução da espessura da chapa. Quanto maior a quantidade de carbono na liga, maior a resistência esperada para o aço, porém diminui a sua ductilidade. Na tabela a seguir são mostradas as propriedades mecânicas dos aços patináveis brasileiros: Tabela 2 - Propriedades Mecânicas dos Aços Patináveis. Siderúrgica Designação comercial
Limite de escoamento (MPa)
Limite de Ruptura (MPa)
Dobramento Longitudinal 180º (Calço)
Usiminas USI (USI-SAC-SAC-^250 - 41) U (USISI-SAC-SAC- (^300) - 41) USI (USI-SAC-SAC- (^350) - 50)
≥ 250 ≥ 300 ≥ 373
402 a 510 402 a 510 490 a 608
1,5(e) 1,5(e) 1,5(e)
Cosipa COS COS E --ARAR--CORCOR--^400400 COS-AR-COR- 500
≥ 250 ≥ 300 ≥ 375
380 a 520 380 a 520 490 a 630
1,0(e) 1,0(e) 3,0(e)
CSN CSN COR 420 CSN COR 500^ ≥ 300 ≥ 380 420520 1,5(e) 1,5(e)
3.1.3 - Vantagens e desvantagens dos aços estruturais Como vantagens das estruturas de aço podemos citar: Alta resistência do material nos diversos estados de tensão (tração, compressão, flexão etc.), o que permite aos elementos estruturais suportarem grandes esforços apesar da área relativamente pequena das suas seções; por isso, as estruturas do aço, apesar da sua grande densidade, são mais leves do que os elementos constituídos em concreto armado, permitindo assim vencer grandes vãos. Manutenção das dimensões e propriedades dos materiais. Material resistente a choques e vibrações.
Os elementos de aço oferecem uma grande margem de segurança no trabalho, o que se deve ao fato de o material ser único e homogêneo, com limite de escoamento, ruptura e módulo de elasticidade bem definido. Os elementos de aço podem ser desmontados e substituídos com facilidade, o que permite reforçar ou substituir facilmente diversos elementos da estrutura. Possibilidade de reaproveitamento do material que não seja mais necessário à construção (valores que chegam a 100% de aproveitamento). Como desvantagens das estruturas de aço pode-se citar: Limitação na execução em fábrica em função do transporte até o local de sua montagem final. Necessidade de tratamento superficial das peças contra oxidação devido ao contato com o ar atmosférico. Necessidade de mão-de-obra e equipamentos especializados para sua fabricação e montagem. Limitação de fornecimento de perfis estruturais. 3.2 - Madeira A madeira é um dos materiais estruturais mais antigos utilizados pelo homem em edificações. Acrescente-se ainda o fato de a madeira possuir um vasto campo de aplicação em construções, como por exemplo, pontes, residências, igrejas, passarelas, curtumes, cimbramento e em edificações inseridas em ambientes altamente corrosivos, etc. Apesar da madeira ter qualidades estruturais bastante apreciáveis, ainda há muito preconceito em relação a sua utilização como material estrutural. Em grande parte, devido à falta de conhecimento adequado a respeito deste material, da falta de projetos específicos, assim como da cultura da construção civil brasileira. Como a maioria dos materiais estruturais, a madeira apresenta vantagens e desvantagens em relação a sua utilização. Segue abaixo uma tabela comparativa entre as vantagens e desvantagens da aplicação de madeiras em estruturas de edificações:
que tais procedimentos melhoram as boas características deste material e eliminam ou minoram os inconvenientes citados na tabela 2. A madeira é um material que não possui homogeneidade e tem muitas variações. Ademais, há diversas espécies com propriedades distintas. Desta forma, é necessário o conhecimento das características para o melhor aproveitamento possível do material. Os procedimentos necessários para caracterização das espécies de madeira e a definição de parâmetros a serem seguidos são dados pela Norma Brasileira para Projeto de Estruturas de Madeira, NBR 7190/97. A Tabela 4 apresenta as seções e dimensões mínimas exigidas pela norma para peças usadas em estruturas. Tabela 4 - Dimensões mínimas exigidas pela norma para elementos de madeira. Seção mínima (cm^2 )
Dimensão mínima (cm)
Peça simples
Vigas e barras principais 50 5.
Peças secundárias 18 2.
Peças isoladas das seções múltiplas
Peças principais 35 2.
Peças secundárias 18 1.
As madeiras estruturais apresentam características que lhes são bem peculiares dentro do grupo dos materiais estruturais utilizados na construção civil. Essas características dizem respeito à anisotropia da madeira e ao fato desta sofrer variações nas suas dimensões devido sua característica higroscópica.
3.2.2 - Anisotropia da madeira Diz-se que um material é anisotrópico quando as propriedades físicas ou químicas não apresentam as mesmas características nas diversas direções em que se pode analisar tal material. O processo de crescimento da árvore determina uma simetria axial e uma direção predominante das células que constituem o lenho. Este arranjo
resulta na anisotropia da madeira. Devido à constituição da árvore, as suas propriedades físicas, mecânicas e tecnológicas não são as mesmas nos três sentidos principais de análise: axial, radial e tangencial. Portanto a madeira é um material anisotrópico. 3.2.3 - Características Higroscópicas da madeira Por ser um material higroscópico, a madeira absorve umidade da atmosfera quando está seca e a libera quando está úmida, procurando atingir um equilíbrio com as condições de vapor de água da atmosfera circunvizinha. Ao absorver água, as dimensões da peça de madeira aumentam, fenômeno conhecido por inchamento, e, ao liberar água, as dimensões diminuem, fenômeno denominado retração. Por ser um material anisotrópico, a madeira apresenta diferentes variações dimensionais, com a variação no teor de umidade da madeira, nas diferentes direções principais. A diferença entre as retrações nas três direções: tangencial, radial e axial, explica a maior parte dos defeitos que ocorrem com a secagem da madeira: rachaduras e empenamentos. Dependendo da regularidade ou não da direção das fibras de certas espécies de madeira, os empenamentos são ainda mais acentuados. 3.2.4 - Propriedades físicas da madeira 3.2.4.1 - Umidade É dada pela quantidade de água infiltrada na madeira. A umidade da madeira é medida através da porcentagem relativa de água infiltrada na madeira em relação a massa seca. 3.2.4.2 - Massa Específica De um modo geral, a madeira apresenta uma massa específica bastante reduzida, se comparada com outros tipos de materiais estruturais. Tal característica é bastante relevante, na etapa de especificações de materiais que constituirão uma dada estrutura. A massa específica pode ser básica ou aparente: a básica é calculada através do quociente entre a massa seca e o volume saturado da peça. Por outro lado, a massa específica aparente é calculada considerando- se o volume de uma peça de madeira com umidade de 12%. 3.2.4.3 - Retrabilidade
A fissuração do concreto pode surgir devido, principalmente, a retração acelerada do concreto, quando se permite rápida evaporação da água na mistura, assim como devido às tensões de tração produzidas por solicitações atuantes. 3.3.2 - Vantagens e desvantagens do concreto armado Vantagens do uso do concreto armado como material de construção: São materiais econômicos e abundantes no planeta; É de fácil moldagem, permitindo adoção das mais variadas formas; Emprego extensivo de mão-de-obra não qualificada e equipamentos simples; Elevada resistência à ação do fogo; Elevada resistência ao desgaste mecânico Grande estabilidade, sob ação de intempéries, dispensando trabalhos de manutenção; Aumento da resistência à ruptura com o tempo; A principal desvantagem do concreto armado é sua massa específica elevada (aproximadamente 2,5 t/m^3 ). Em obras com grandes vãos, as solicitações de peso próprio se tornam excessivas, resultando em uma limitação prática dos vãos das vigas em concreto armado. 4 - Elementos Estruturais As estruturas ou sistemas estruturais são constituídas através da disposição racional e adequada de diversos elementos estruturais. Os elementos estruturais são os responsáveis por receber e transmitir as solicitações na estrutura, sofrendo como consequência deformações. Os elementos estruturais podem ser: Barras: possuem dimensões da seção transversal da mesma ordem de grandeza, e menores em relação ao seu comprimento e cujo eixo é uma linha reta ou curva aberta. As barras podem constituir diversos sistemas estruturais. Dentre os principais estão: Viga: estrutura formada por barras alinhadas; Arco: estrutura formada por barra cujo eixo é uma curva única; Pórtico: estrutura formada de barras não-alinhadas;
Cabo: formado por uma barra flexível, sem resistência à flexão (resiste bem a esforços de tração); Treliça: estrutura constituída por barras dispostas de modo a formar uma rede de triângulos. Folhas ou estruturas de superfície - São elementos estruturais que apresentam grandes superfícies em relação a sua espessura. Nesta classe de elementos podemos ter as seguintes estruturas: Chapas: são estruturas formadas por dois planos paralelos muito próximos um do outro, estando as forças situadas no plano médio. Como exemplo prático podemos citar as vigas-parede. Quando a chapa é muito fina tem-se uma estrutura laminar; Placas: estruturas planas nas quais as cargas agem em planos diferentes da superfície (normalmente perpendiculares); Membranas: são placas ou cascas que não possuem resistência à flexão; Cascas: São estruturas limitadas por duas superfícies curvas. Exemplo: cúpulas. Blocos: Os blocos possuem as três dimensões com a mesma ordem de grandeza. Para os blocos não se pode desprezar nenhuma das três dimensões, por este motivo não deve ser considerado uma estrutura linear (barra) nem estrutura superficial (folha). Como exemplo de estrutura formada por bloco pode-se citar os blocos de fundações. 5 – Sistemas estruturais 5.1-Estruturas Lineares 5.1.1-Vigas
As vigas são estruturas lineares. Podem ser dispostas horizontalmente ou inclinadas, com um ou mais apoios (móvel ou fixo), engastes etc, de tal forma a garantir que tais barras sejam no mínimo isostáticas. Podem ser confeccionadas de madeira, aço, ferro fundido, concreto (armado ou protendido) e alumínio, com aplicações nos mais diversos tipos de construções. As figuras a seguir ilustram algumas das aplicações mais comuns do uso de vigas.
