Módulo 1: Introdução a Sistemas Estruturais em Arquitetura, Notas de aula de Resistência dos materiais

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SISTEMAS ESTRUTURAIS 1 – RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS

Prof. José Antonio Wengerkiewicz (Tite)

MÓDULO 1 - Introdução aos Sistemas Estruturais

Definição dos Elementos Estruturais

Objetivo do módulo: mostrar a relação entre Engenharia e Arquitetura e a definição dos elementos de uma estrutura A Engenharia e a Arquitetura não devem ser vistas como duas profissões distintas, separadas, independentes uma da outra. Na verdade elas devem trabalhar como uma coisa única. Um Sistema Estrutural definido pelo conjunto de Elementos Estruturais (lajes, vigas, pilares, fundações) deve ter presente em sua concepção tanto uma visão Técnica (Engenharia) como também uma Expressão Arquitetônica (Arquitetura).

1. Definição dos Elementos Estruturais

Laje: estrutura laminar, onde duas dimensões são da mesma ordem de grandeza e a terceira acentuadamente de menor dimensão.

As lajes em um Sistema Estrutural estão, na maioria das vezes, apoiadas em vigas, podando também, em certos casos, estarem apoiadas diretamente sobre pilares.

Viga: estrutura reticular, onde uma das dimensões é preponderante em relação às outras duas.

As vigas em um Sistema Estrutural podem estar apoiadas diretamente sobre os pilares como também sobre outras vigas.

Pilar: estrutura reticular, onde uma das dimensões é preponderante às outras duas.

Os pilares em um Sistema Estrutural estão apoiados nas fundações.

Qual seria o limite de altura para edifícios em:

Alvenaria: chega-se até 20 pavimentos mas com uma limitação, a espessura das paredes no pavimento térreo que podem chegar até 1,50 metros.

Concreto armado: chega-se até 60 pavimentos com a limitação nas dimensões e na quantidade de pilares no pavimento térreo.

Aço: chega-se até 190 pavimentos com limitações quanto à necessidade de travamento e também, dependendo da eficiência do travamento, limitações devido à possíveis oscilações que possam ocorrer devido ao vento (podendo chegar até 40 cm no topo de um edifício para ventos muito fortes)

MÓDULO 2 - Estática: Princípio Básico da Arquitetura

Objetivo do módulo: mostrar a relação entre estética e estática e os problemas que podem ocorrer quando os princípios da estática não são observados

1. Estática : Princípio Básico da Arquitetura

A fórmula a seguir é para você, que gosta de Arquitetura e não sabe o que está fazendo nesta disciplina.

PROJETO = ESTÉTICA + ESTÁTICA + OUTROS

ESTÉTICA: responsável pela "arte" de um projeto. A estética é dada pela expressão arquitetônica através de várias disciplinas, sendo a principal delas a disciplina de Planejamento Arquitetônico.

ESTÁTICA: responsável pela "técnica" de um projeto. A estática se encarrega de fazer com que uma estrutura fique "em pé", suportando as cargas e as transportando sem deformações excessivas até o terreno. A palavra ESTÁTICA, vem do grego "statikos" e quer dizer imóvel como estátua, parado.

OUTROS: alguns itens também devem ser considerados na execução de um projeto. Projeto elétrico, projeto hidráulico, projeto de conforto ambiental, paisagismo, integração com o entorno, definição dos materiais a serem utilizados, definição dos processos construtivos, entre outros.

A principal função, do ponto de vista estrutural, para uma edificação é ser estática, porém:

Ela pode se "inclinar", por não estar bem travada ou por problemas de fundação.Ela pode se deformar e/ou fissurar excessivamente, em partes ou como um todo, devido a excesso de carga ou travamento inadequado.

Partes da estrutura podem ser afastadas uma da outra devido a falhas nas juntas (para estruturas metálicas ou de madeira).

Um ou mais pilares de um edifício sujeitos a carga de compressão podem flexionar ao máximo até que, a menos que o carregamento seja retirado, eles rompem.

Os materiais podem estar sobrecarregados gerando ruptura

Após um período de tempo, pode haver decomposição dos materiais devido à fatores externos.

MÓDULO 4 - Tipos de Carregamentos

Objetivo do módulo: definir os tipos de carregamento concentrado, distribuído/m e distribuído/m².

1. Carregamentos (Carregamento: qualquer influência que causa forças ou deformações em uma estrutura).

Sabe-se que na antiguidade não havia o cálculo ou o projeto estrutural. A evolução acontecia de uma obra para outra na base da tentativa e do erro. Muitas vezes uma obra que demorara até centenas de anos para chegar até um determinado estágio não suportava os carregamentos impostos até mesmo pelo próprio peso da estrutura e desabava. Então, não restava nada a fazer senão aprender com o erro ocorrido e recomeçar a construção.

Um fator que colaborou com a evolução de uma obra do ponto de vista estrutural, foi a observação das forças da natureza. Esta observação permitiu que os elementos estruturais tivessem dimensões cada vez menores e também permitiu que os vãos se tornassem cada vez maiores.

Exemplo: uma árvore e suas raízes poderiam perfeitamente servir de exemplo para a construção de um pilar com sua fundação.

Com o surgimento da Revolução Industrial, foram surgindo novas técnicas e novos materiais. Com estas técnicas e materiais, alguns modelos teóricos, ou seja, explicações, para as forças da natureza foram descobertos. Baseados nestes modelos teóricos surgiram então os projetos mostrando que uma obra poderia ser construída sem a necessidade de experimentos com obras anteriores (acabou o processo de tentativa e erro). O primeiro fator a ser considerado quando da execução do projeto estrutural de uma obra são os carregamentos nela atuantes.

2. Tipos de Carregamentos

Existem três tipos de carregamentos: concentrado, distribuído/m e distribuído/m².

Concentrado: Representa uma força aplicada em um único ponto da estrutura. Unidade (SI): N, e pode acontecer nos seguintes elementos estruturais:

sobre uma laje: sobre uma viga:

sobre um pilar: sobre a fundação:

Distribuído/m: Representa uma força distribuída sobre uma linha da estrutura. Unidade(SI): N/m, e pode acontecer nos seguintes elementos estruturais: lajes, vigas.

sobre uma laje: sobre uma viga:

Distribuído/m²:

Representa uma força distribuída sobre uma superfície da estrutura. Unidade(SI): N/m², e pode acontecer no seguinte elemento estrutural: laje.

sobre uma laje:

Pilares:

Fórmula

para seção retangular:

Peso específico ( ) de alguns materiais mais utilizados:

►concreto armado: 25 kN/m³

►madeira: varia de 5 kN/m³ (pinho) até 10 kN/m³ (ipê)

►aço: 78 kN/m

2. Alvenaria :

O peso das paredes de alvenaria de uma obra deve ser considerado sobre os elementos estruturais em que elas se apóiam. Estes elementos podem ser vigas, caso mais comum ou lajes. O peso da alvenaria é função do peso/m² da alvenaria, que varia de acordo com sua espessura.

Fórmula

O peso/m² dos principais tipos de alvenaria são os seguintes:

• alvenaria de cutelo: 0,95 kN/m^2
• alvenaria de 1/2 vez: 1,70 kN/m^2
• alvenaria de 1 vez: 3,20 kN/m^2

Notas:

a - Os valores de peso/m² da alvenaria acima foram calculados para tijolo de barro furado com argamassa de 1,5 cm entre tijolos, e 1 cm de reboco.

b - Os vazios que podem aparecer em uma parede de alvenaria não devem ser considerados, proporcionando assim uma maior segurança.

3. Revestimento

O peso dos revestimentos de uma obra deve ser considerado sobre aquelas lajes em que eles se apóiam. Um valor básico é utilizado como peso de revestimento:

rev = 0,50 kN/m^2 (carregamento distribuído/m^2 )

Notas:

O valor acima é considerado somente para revestimentos mais comumente utilizados, como por exemplo: taco, tapete, borracha, paviflex, etc.

Para outros tipos de revestimento devem ser consultadas tabelas especiais ou devem ser feitas consultas ao próprio fabricante.

4. Cobertura

O peso da cobertura deve ser considerado naquelas lajes em que se apóiam algum tipo de cobertura, entendo-se por cobertura toda a estrutura que suporta as telhas mais o peso das próprias telhas. O peso da cobertura é função do peso/m² do telhado.

MÓDULO 6 - Classificação dos Carregamentos com Relação ao Tempo de Atuação

Objetivo do módulo: mostrar os carregamentos acidentais que podem atuar em uma estrutura. Exemplo de cálculo de carregamentos em uma estrutura.

Os carregamentos acidentais, ao contrário dos permanentes, nem sempre estão presentes em um Sistema Estrutural. Há épocas em que eles são atuantes e há épocas em que eles não aparecem. Devido a esta sazonidade, eles devem ser considerados durante todo o tempo, não podendo nunca ser esquecidos.

1. Vento

Este tipo de carregamento é considerado somente para edificações muito altas ou edificações especiais, como por exemplo, torres, caixas d'água elevadas, galpões, etc.

2. Empuxo

Empuxo é a força proveniente da ação da água nas piscinas ou caixas d'água ou do solo nos sub-solos sobre as paredes verticais.

CASO 1

Caso de empuxo d'água sobre as paredes laterais de uma piscina ou caixa d'água:

O valor do carregamento é triangular variando desde zero na superfície até q na parte mais profunda.

Fórmula

CASO 2

Caso de empuxo de terra sobre uma cortina de concreto, que aparece quando da utilização de sub- solos:

O valor do carregamento é triangular variando desde zero na superfície até q na parte mais profunda.

Fórmula

3. Frenagem

Provavelmente em uma de suas viagens você já deve ter observado cena parecida: em um daqueles grandes viadutos que tem uma grande inclinação, um caminhão daqueles enormes resolveu ultrapassá-lo. Porém, lá embaixo, no final do viaduto, estavam atravessando a pista uma mãe de mãos dadas com uma criança. Você só olhou para o lado e ouviu uma grande freada do caminhão. Felizmente nada aconteceu, o caminhão conseguiu parar a tempo!!!

Sala de Ginástica

Biblioteca

5. Terremoto, neve

Tanto o terremoto como a neve são tipos de carga acidental que devem ser considerados. Felizmente, no Brasil, não há a necessidade da consideração deste tipo de carregamento, uma vez que eles não ocorrem nem com intensidade nem com frequência suficiente que justifique sua consideração.

6. Cargas Móveis

Logicamente a carga é dita móvel porque se mexe. E o que se mexe é um veículo. Portanto, a carga a ser considerada é o peso dos veículos se deslocando sobre pontes e viadutos. O efeito da carga móvel é função do peso e da localização do veículo sobre a estrutura. Normalmente, o peso do veículo é conhecido, sendo utilizados veículos padrões. Mas a localização do veículo se modifica a cada momento, sendo necessários então métodos especiais para a consideração deste fator, dificultando a consideração deste tipo de carga quando do cálculo de pontes e viadutos.

7. Exemplos de carregamento

Baseado no esquema seguinte definir a carga na laje L1, nas vigas V2 e V5 e no pilar P.

Dados:

piso de escritório
revestimento da laje: taco
alvenaria: 1 vez
material: concreto armado
reação da laje L1 nas vigas V1, V3, V4 e V5: 6,25 KN/m
reação da viga V1 sobre os pilares P1 e P2: 42,68 KN
reação da viga V2 sobre a viga V5 e o pilar P5: 2,19 KN
reação das vigas V3 e V4 sobre os pilares P1,P3 e P4: 43,93 KN
reação da viga V5 sobre o pilar P2: 43,33 KN
reação da viga V5 sobre o pilar P4: 44,21KN