APOSTILA Sistemas Estruturais, Notas de estudo de Urbanismo

Baixe APOSTILA Sistemas Estruturais e outras Notas de estudo em PDF para Urbanismo, somente na Docsity! Estruturas Arquitetônicas Composição & Modelagem as do E RIR UFRRJ NOTA Todas as informações, ilustrações e tabelas referendadas nesta apostila foram extraídas do livro A CONCEPÇÃO ESTRUTURAL E A ARQUITETURA Yopanan C. P. Rebello, Ed. Zigurate, São Paulo, 2000 Para detalhes complementares e maiores informações consultar o livro em sua íntegra LILIANA FAY RIO DE JANEIRO 2006 15. RELAÇÃO ENTRE OS MATERIAIS E OS ESFORÇOS ATUANTES 56 15.1. Madeira 15.2. Aço 15.3. Concreto armado 16. RELAÇÃO ENTRE OS MATERIAIS E AS SEÇÕES 60 16.1 Madeira 16.2. Aço 16.3. Concreto armado 17. TABELA DE AVALIAÇÃO DE MATERIAIS 63 18. SISTEMAS ESTRUTURAIS BÁSICOS 64 18.1.CABO 64 18.1.1 Comportamento 18.1.2.Materiais e seções usuais 18.1.3.Aplicações e limites de utilização 18.1.4. Pré-dimensionamento 18.2. ARCO 69 18.2.1. Comportamento 18.2.2. Materiais e seções 18.2.3. Aplicações e limites de utilização 18.2.4. Pré-dimensionamento 18.3. VIGA DE ALMA CHEIA 74 18.3.1. Comportamento 18.3.2. Materiais e seções usuais 18.3.3. Aplicações e limites de utilização 18.3.4. Pré-dimensionamento 18.4. TRELIÇA 78 18.4.1. Comportamento 18.4.2. Materiais e seções usuais 18.4.3. Aplicações e limites de utilização 18.4.4. Pré-dimensionamento 18.5. VIGA VIERENDEEL 83 18.5.1. Comportamento 18.5.2. Materiais e seções usuais 18.5.3. Aplicações e limites de utilização 18.5.4. Pré-dimensionamento 18.6. PILAR 85 18.6.1. Comportamento 18.6.2. Materiais e seções 18.6.3. Aplicações e limites de utilização 18.6.4. Pré-dimensionamento 19. TABELA DE AVALIAÇÃO DA RELAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS ESTRUTURAIS E OS MATERIAIS 89 20. ASSOCIAÇÕES DE SISTEMAS ESTRUTURAIS BÁSICOS 90 20.1. Diversos tipos de associações 20.2. Associações de associações 20.3. Associações de materiais 21. TABELA DE AVALIAÇÃO DE ASSOCIAÇÕES 93 22. CONCLUSÃO 94 23. BIBLIOGRAFIA 95 1 1. INTRODUÇÃO Na natureza, todos os corpos estão sob a ação do meio ambiente. Essa ação é representada pela gravidade, agindo sobre a massa do corpo. A temperatura faz com que o corpo aumente ou diminua de tamanho. O empuxo hidrostático exerce forças quando o corpo está parte ou totalmente submerso. Os sismos e o vento são adicionados aos fenômenos da gravidade. Alguns desses fatores são facilmente perceptíveis, outros não. A concepção estrutural não pode ser algo aleatório ou apenas o produto da vontade de cada um. Ela depende de fatores externos tais como: estética, custos, possibilidades construtivas, materiais e tantas outras variáveis. Saber coordenar essas variáveis, achando uma maneira adequada de harmonizá-las, é o que conduz a soluções estruturais criativas e bem embasadas. A solução original provém do profundo conhecimento do já existente aliado a muitas tentativas e, não de uma iluminação mágica. As possíveis soluções estão estritamente correlacionadas com a inter-relação entre estrutura, forma e material. 2. DEFINIÇÃO - ESTRUTURA Estrutura é um conjunto, ou um sistema, composto de elementos que se inter- relacionam para desempenhar uma função. Estrutura está em tudo que nos rodeia, nas plantas, no ar e nas pessoas, nos objetos e nas idéias. O conceito é amplo e encontra-se em todas as áreas do conhecimento. No caso das edificações, a estrutura é também um conjunto de elementos – lajes, vigas e pilares – que se inter-relacionam - laje apoiando em viga, viga apoiando em pilar – para desempenhar uma função: criar um espaço em que as pessoas exercerão suas diversas atividades. A noção de estrutura é parte integrante do inconsciente coletivo. Todo ser humano tem no subconsciente a noção de equilíbrio. Uma maneira de se aprimorar no entendimento do comportamento das estruturas é a observação da natureza. A natureza tende a resolver seus problemas de ordem física e biológica da maneira mais simples, econômica e bela. 4 A cobertura projetada por Santiago Calatrava para um restaurante apresenta solução semelhante. Cada braço do pilar comporta-se como um galho de árvore. Para se obter uma solução mais econômica, em termos de consumo material, fez-se a sua seção variável ao longo do comprimento. 5 3.2. Asa da libélula A asa da libélula é um exemplo bastante evidente do conceito de estrutura como caminho de forças. À medida que se aproxima do tronco do inseto a malha vai diminuindo e afunilando, diminuindo a quantidade de caminhos e aumentando as suas espessuras. O sistema estrutural denominado grelha obedece o mesmo conceito. Projetado por Nervi para o edifício Hall of Labor é composto por barras – nervuras - que se cruzam e que estão apoidas em seus extremos em outras barras – as vigas principais – que, por sua vez, apoiam-se sobre os pilares. As vigas se tornam os únicos caminhos para levar as cargas até os pilares, em vista disso, são bem mais robustas do que as nervuras. 6 3.3. O galho da palmeira O galho da palmeira apresenta uma quantidade de material aproximadamente constante, da extremidade ao tronco. Para aumentar a resistência da seção ao giro causado pelo momento fletor, a natureza modificou a distribuição de material em relação ao centro de gravidade. No extremo do galho, onde o esforço é menor, a massa da seção se concentra junto ao centro de gravidade. Quanto mais se aproxima do tronco, mais o material se afasta do centro. Em outras palavras: quanto mais próxima do tronco maior é o momento de inércia da seção do galho. A marquise projetada por Félix Candela faz analogia a este sistema estrutural. 9 3.6. O pé de chuchu O pé de chuchu ao se fixar na parede apresenta ao lado da hastes razoavelmente rígidas, hastes flexíveis em forma de mola que absorve considerável deformação sem se romper. O vento causa vibrações na planta, que se romperia facilmente caso não possuísse as hastes flexíveis para amortecer os esforços. Tal fenômeno é idêntico ao que faz um fio de arame romper-se sem aplicação de grande esforço quando submetido ao dobramento alternado, provocando em suas fibras esforços de compressão e tração - fenômeno denominado fadiga. Amortecedores são colocados em estruturas para que absorvam vibrações e não entrem em ressonância. A ressonância é um fenômeno que ocorre quando um determinado objeto sofre uma vibração externa, cuja freqüência é igual a sua própria freqüência. Se as estruturas vibrarem na mesma freqüência da fonte emissora podem entrar em estado de ruína. Freqüência própria é o potencial de vibração que todos os elementos da natureza possuem em função de sua forma, do seu material e de outras propriedades. 10 3.7. O ninho do tinhorão O ninho do tinhorão é executado com toda a espécie de materiais tais como: capim seco, fios artificiais etc, numa forquilha do galho de uma árvore. Usa seu corpo como gabarito e a fêmea faz a inspeção para avaliar a resistência do ninho antes da postura. O ninho é um exemplo típico de estrutura em que a correta disposição de frágeis elementos isolados podem resultar em um sistema com grande capacidade de carga. Tijolos dispostos de maneira em que cada fiada tenha um pequeno balanço em relação à fiada anterior podem executar uma cobertura com um vão relativamente grande. 11 3.8.A casa do joão-de-barro A casa do João de barro é construída com fibras vegetais misturadas com barro úmido da beira de córregos. A forma final do ninho é uma cúpula, onde predomina o esforço de compressão simples. Como o barro é um material que resiste bem a essa modalidade de esforço, seu uso torna-se adequado. Se a concepção da estrutura parte do tipo de material disponível no local, o sistema estrutural a ser adotado deverá desenvolver esforços que sejam compatíveis com ele. Se a concepção parte do sistema estrutural, os esforços deverão ser bem conhecidos e o material deverá ser escolhido entre os que absorvam bem esses esforços. Exemplo de construção onde a forma é adequada ao material (mistura de argamassa de cal e pozolana) é a cobertura em cúpula (maior vão da época) do Panteon de Adriano, construída em Roma por volta do ano 118 d.C. 14 3.10. O casulo da lagarta A lagarta faz seu abrigo enrolando a folha em seu corpo. A primeira parte a ser enrolada é a mais larga por possuir menor rigidez (mantida a seção transversal, quanto mais longo for o elemento estrutural menos rígido será). Após ser tensionada pelos fios a folha torna-se mais rígida e portanto mais protegida. Obras que apresentam analogia com o casulo são as chamadas estruturas tencionadas compostas de cabos e lonas. Abaixo, cobertura projetada por Frei Otto feita com lona e cabos na forma de parabolóide hiperbólico. 15 3.11. A casa do cupim Os cupins, que habitam sob o solo, constroem ninhos em forma de cômoros em terra misturada à sua saliva. A parede muito resistente é executada em duas frentes de trabalho que no final se encontram no meio, ou seja, no topo do montículo. As pontes em concreto protendido utilizam processo construtivo semelhante inventado pelo brasileiro Emílio Baumgart denominado processo dos balanços sucessivos. Sua execução ocorre dos apoios para o meio do vão, em duas frentes de trabalho que se encontram no centro, dispensando o cimbramento (armações para o molde em arco). Podem ser utilizados elementos pré-moldados, que vão sendo incorporados sucessivamente ao corpo da ponte de ambos os lados denominados de aduelas. A ponte Eusébio Matoso em São Paulo, projetada por Ernani Dias foi construída pelo processo de balanços sucessivos e com concretagem “in-loco”. 16 3.12. A teia da aranha A teia da aranha é construída inicialmente por fios radiais fixados em pontos rígidos e tecida posteriormente com os anelares até completar a malha. Obras executadas na direção dos esforços principais, que seguem a geometria das teias, tornam o sistema mais resistente e econômico. Aviário, em Ludwigsburg – Alemanha, projetado por Frei Otto, em 1973, tem uma cobertura de malha de cabos de aço que acompanha a geometria das teias. 19 3.15. O pé de oliveira O tronco do pé de oliveira é muito sinuoso e quando velho parte-se em dois, cada um desenvolvendo um sistema radicular próprio. É como se houvessem duas plantas independentes que, com o passar do tempo, vão se afastando. É comum a ocorrência de árvores duplas, primitivamente próximas, que com o tempo podem separar-se cerca de dois metros. Nesta fase, os troncos tomam a forma de K, para garantir a estabilidade à árvore. Solução análoga foi utilizada nos edifícios durante o movimento modernista, onde a forma em K dos pilares do térreo permitia a transição de pilares dos pavimentos superiores sem o uso de vigas. Os pavimentos térreos ficavam mais livres e a solução era mais econômica. 20 3.16. O bambu Algumas espécies de bambu podem chegar a medir 45 m de altura. O caule, cilíndrico, longo e de consistência lignosa, é oco apresentando nós eqüidistantes. Tem grande flexibilidade e resiste a grandes rajadas de vento. A garantia da forma da seção transversal é mantida pelos nós (sob ação do vento o bambu sofre flexão, tendo parte de suas fibras submetidas a esforços de tração e parte de compressão). Os nós funcionam como diafragmas, impedindo a deformação da seção do caule e mantendo sua resistência. As abóbodas e placas dobradas são exemplos de aplicação desse princípio físico. Essas estruturas tem necessidade de usar diafragmas, principalmente nos apoios, para que mantenham suas seções indeformadas, possam vencer grandes vãos e resistir a grandes cargas. Outro exemplo de aplicação de diafragmas são os pilares de sustentação de uma ponte pênsil projetada por Nervi para o estreito de Messina, que são feitos com uma fina casca de concreto enrijecida por diafragmas horizontais. 21 3.17. A casca do ovo A casca do ovo é formada por cálcio, material de boa resistência à compressão e baixa resistência à tração. Quando sujeita predominantemente à compressão simples, sua resistência é muito grande, mas quando é tracionada ou flexionada (tração e compressão concomitantes) sua resistência cai muito. Se a casca for comprimida por uma força concentrada na direção do seu eixo maior, o ovo oferece uma resistência muito grande, entretanto se for comprimida na direção do menor eixo, quebra-se com facilidade. Arcos mais pontiagudos, com formas que se aproximam do funicular de uma única força, apresentam boa resistência à compressão uma vez que estarão pouco sujeitos à flexão, predominando a força de compressão simples. Arcos mais abatidos, o funicular se afastará bem da forma do arco e ocorrerá grande flexão, comprometendo a resistência da casca. Conclui-se que arcos sujeitos a cargas concentradas no meio do vão devem ter sua conformação alterada, aproximando-a da forma triangular, mais próxima do funicular isolada. 24 3.20. O osso dos vertebrados O osso é formado pelo cálcio fixado a uma matriz que lhe dá a forma. Essa matriz pode ser deslocada, diminuída ou ampliada pela movimentação de material através do sangue que circula nas veias e artérias. A densidade do osso é variável, sendo maior nas regiões solicitadas pelas forças externas e menor nas menos solicitadas. Com isso o osso que deixa de ser solicitado perde massa nessa direção, que migra para outra região. Desta forma o oso passa a ter a sua forma interna adaptada às modalidades de esforços a que se expõe. Seções circulares são comuns em regiões submetidas a esforços de compressão simples, seções elípticas ocorrem em ossos que além de estarem submetidos à compressão estão também submetidos à flexão. Outra característica notável é que os ossos são formados por paredes finas convenientemente dispostas e travadas, o que permite que sejam leves e muito resistentes. O fenômeno de migração de massa nos ossos é ilustrativo do princípio de distribuição de massas nas seções de peças estruturais. A escolha da forma da seção deverá ser coerente com o esforço a ela aplicado. a) Esforços de tração simples devem ser absorvidos por seções em que a massa se concentre nas proximidades do centro de gravidade. b) Seções sujeitas à compressão simples devem possuir a massa uniformemente distribuída e afastada do centro de gravidade, para que seja estável à flambagem. c) Seções submetidas à flexão devem ter a massa distribuída longe do centro de gravidade e na direção de atuação do momento fletor. 25 3.21. A caixa toráxica humana A caixa toráxica é composta de costelas em forma de arco fixadas na coluna vertebral e no esterno protegendo vários órgãos vitais do ser humano. A ligação rígida entre os arcos das costelas e o esterno garantem a elas maior capacitação a esforços de flexão, além dos de compressão. O mesmo princípio físico é utilizado em várias obras que se apropriam também esteticamente das suas formas. A obra ilustrada é de Santiago Calatrava. 26 3.22. O sistema radicular das árvores Enquanto a árvore tem pouca dimensão, a raiz se desenvolve como um pino. Quando cresce e não pode mais agüentar os efeitos do vento desenvolve outras raízes – radiais e mais superficiais - e a raiz pivotante pára de crescer. Normalmente o círculo abrangido pelas raízes superficiais é igual ao círculo da copa, garantido a estabilidade da árvore. Existem analogias entre o sistema de raízes das árvores e soluções adotadas em fundações de edificações como se vê abaixo. 29 Fig. A – Proposta simples e direta Fig. B – Permite a passagem de pessoas por baixo Fig.C – Passagem mais ampla possível Para orientar a escolha é necessário estabelecer uma hierarquia de quesitos aos quais a solução deverá atender, de maneira que se estabeleçam categorias de importância, de forma que a solução encontrada atenda muito bem os mais importantes e bem os menos importantes. É função de quem concebe a estrutura fazer com que, apesar de hierarquizados, os requisitos sejam atendidos da forma mais eficiente possível. Uma questão que preocupa a quem concebe um novo projeto é o de ser o mais criativo e original possível. Na realidade, uma obra, para ser criativa, não precisa ser necessariamente inédita. A criação do novo passa pela releitura do existente, vendo-o com novos olhos. Portanto, o conhecimento profundo de soluções já utilizadas em projetos semelhantes é de capital importância. “Nenhuma solução é tão original que não tenha um precedente parecido” (Torroja). “Original é o que volta às origens” (Gaudí). 30 5. QUEM CONCEBE A ESTRUTURA? Conceber é compreender, entender e ser capaz de explicar. A concepção da estrutura é anterior ao seu dimensionamento, ou seja, à sua quantificação. Conceber uma estrutura é ter consciência da possibilidade de sua existência, é: § perceber a sua relação com o espaço gerado, § perceber o sistema ou sistemas de forças capazes de transmitir as cargas ao solo, da forma mais natural, § identificar os materiais que, de maneira mais adequada, se adaptam a esses sistemas. A estrutura e a forma são um só objeto, e, assim sendo, conceber uma implica em conceber outra e vice-versa. A forma e a estrutura nascem juntas, logo, quem cria a forma cria a estrutura. 6. O PAPEL DO CÁLCULO ESTRUTURAL O cálculo estrutural existe para comprovar e corrigir o que se intuiu. Não é o cálculo que concebe uma forma, mas sim o esforço idealizador da mente humana. O cálculo é uma ferramenta com a qual se manipula um modelo físico, e por mais precisos que sejam os cálculos, nem sempre conseguem descrever com precisão a realidade. 31 7. A GEOMETRIA DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS Fio de aço Quando colocado de pé não é capaz de suportar a si próprio, nem capaz de manter-se reto quando suspenso por seus extremos, mas bastante eficiente para suportar cargas aplicadas na direção do seu eixo. Folha de papel Quando projetada fora da mão não é capaz de suportar a si mesma, mas quando submetida à pequena curvatura passa a ter rigidez maior e ser capaz de suportar forças perpendiculares a seu plano. Não é só a resistência do material que garante a um elemento estrutural a capacidade de suportar cargas, na maioria das vezes sua forma é que é a determinante da capacidade de suporte. 34 3. A lâmina: duas de suas dimensões, comprimento e largura, prevalecem em relação à espessura. Exemplos de lâminas são as lonas e as lajes. As lâminas que apresentam características semelhantes à lona são denominadas membranas. São muito finas e apresentam resistência apenas no seu plano. Cargas perpendiculares ao seu plano provocam alteração na sua forma. A membrana tende a adquirir a forma do carregamento que a solicita. As lâminas que apresentam características semelhantes à laje são denominadas placas. Devido à sua maior rigidez, suportam cargas transversais ao seu plano, apresentando a capacidade de vencer vãos. A resistência transversal é conseguida devido a curvaturas ou dobraduras aplicadas em seu plano. 35 8. FORÇAS QUE ATUAM NAS ESTRUTURAS 8.1. Conceito de direção e sentido Para garantir que um objeto esteja em movimento é necessário que esse movimento esteja relacionado a um referencial. Como o movimento, a direção também exige um referencial. Definida uma direção, para se caracterizar corretamente o movimento deve-se informar também o sentido. É muito comum haver uma certa confusão nos conceitos de direção e sentido. 8.2. Conceito de força A idéia de força está ligada às noções de massa, aceleração (alteração na velocidade), direção e sentido. γ⋅= MF Força é uma grandeza vetorial, porque para definí-la corretamente não é necessário apenas quantificá-la, mas, também, indicar sua direção e sentido. É absolutamente necessário que as forças que atuam nas edificações sejam muito bem conhecidas, na sua intensidade, direção e sentido, pra que a concepção estrutural seja coerente com o caminho que essas forças devem percorrer até o solo e para que os elementos estruturais sejam adequadamente dimensionados. As forças externas são denominadas cargas. As cargas permanentes são as que ocorrem ao longo da vida útil da estrutura e cargas acidentais as que ocorrem eventualmente. As cargas permanentes são devidas exclusivamente a forças gravitacionais, ou pesos. As cargas acidentais podem variar, de tipo: peso das pessoas, do mobiliário, dos carros, força do vento, etc. 36 9. DISTRIBUIÇÃO DAS CARGAS A distribuição de cargas sobre uma estrutura pode ser diferente de um ponto para outro. As cargas que têm a mesma intensidade ao longo do elemento estrutural são denominadas cargas uniformes, as que variam são denominadas cargas variáveis. Quanto à geometria as cargas podem ser: § Distribuídas sobre uma área, denominadas cargas superficiais § Distribuídas sobre uma linha, denominadas cargas lineares § Localizadas sobre um ponto, denominadas cargas pontuais ou concentradas 39 São vínculos as ligações: § entre uma laje e uma viga, § uma viga e um pilar, § uma viga e outra viga, § entre barras que formam uma malha estrutural. Os vínculos podem ser: § articulado móvel; permite giro e deslocamento em uma direção § articulado fixo; permite giro e § engastado; impede giro e deslocamentos chapa metálico pilar Articulado Móvel chapa metálica pilar — Articulado Fixo * rolete trava de aço Neoprene — N " N = Articulado Fixo  41 Uma estrutura hiperestática é sempre menos solicitada do que uma estrutura isostática, resultando em estruturas com menor consumo de material. Além disso, as estruturas hiperestáticas, por estarem em condições de estabilidade acima das mínimas, são estruturas com um grau de segurança maior. As estruturas de concreto armado moldadas “in-loco”, devido ao próprio processo construtivo, são em sua grande maioria hiperestáticas. As estruturas metálicas, de madeira e os pré-moldados de concreto, devido ao processo mais industrializado, são normalmente estruturas isostáticas. 11.2. Equilíbrio estático interno Para que ocorra o equilíbrio interno, também é necessário que as seções que compõem o elemento estrutural não se desloquem na vertical, na horizontal e nem girem. A ruptura de um elemento estrutural dá-se pela perda de equilíbrio interno, ou seja, as tensões do material provocam algum deslocamento relativo entre as seções. Existe uma relação direta entre o que acontece dentro do elemento estrutural e as deformações externas visíveis. 11.2.1 Tração simples ou axial Uma barra quando submetida a forças externas normais à sua seção, sofre um aumento no seu tamanho, na direção do seu eixo. A força de tração simples se distribui ao longo de toda a seção e o equilíbrio interno será obtido quando o material for suficientemente resistente para reagir às tensões de tração simples. 44 O equilíbrio interno é obtido quando a barra é suficientemente rígida, a ponto de não girar sob o efeito de flambagem, ou quando o material é suficientemente resistente para reagir às tensões que tendem a aproximar as seções provocadas pelas forças de compressão simples. 11.2.3. Força cortante A força cortante ocorre paralela às seções da barra e pode variar ao longo do seu comprimento. É sempre máxima junto aos apoios. 45 Outro tipo de força cortante é aquela onde ocorre a possibilidade de escorregamento entre as fatias horizontais da peça. É a força cortante horizontal. Sempre que ocorrer a possibilidade de escorregamento vertical, haverá o escorregamento horizontal. Esses escorregamentos combinados resultam em forças inclinadas de tração e compressão. No caso da força cortante, o equilíbrio interno se dá quando o material é suficientemente resistente para reagir às tensões de tração e de compressão inclinadas devidas à tendência de escorregamentos verticais e horizontais das seções. 11.2.4. Momento fletor Quando um par de forças de mesma direção e sentido contrário, chamado de binário, atua, ocorrerá um giro. A esse giro dá-se o nome de momento. Alguns binários são produzidos por um par de forças ativas, outros, por um par de forças ativa e reativa. 46 Quanto mais afastadas estiverem as forças do binário, maior a intensidade do giro, que depende da intensidade das forças e da distância entre as linhas de ação, expresso pela relação: M = F x D onde: M = valor do momento F = valor da força devida ao binário D = distância entre as linhas de ação das forças, também chamada de braço do binário ou braço do momento 49 Os binários de forças formados pela resultante das tensões de cisalhamento na seção é que equilibram o momento torçor. Logo, quanto mais afastadas do centro de gravidade estiverem essas resultantes menos solicitada será a seção, daí serem mais eficientes as seções que apresentem material longe do centro de gravidade e igualmente afastado em todas as direções. As seções de tubos circulares são as mais eficientes para absorver torção. 50 O equilíbrio interno se dá quando o material tiver resistência o suficiente para reagir às tensões de tração e de compressão resultantes da tendência de escorregamento transversal e longitudinal das seções. 12. OBSERVAÇÕES IMPORTANTES A aplicação de forças externas a um elemento estrutural (carregamentos e reações dos vínculos) provoca a ocorrência de forças internas. As primeiras são denominadas esforços externos ativos e reativos. As forças internas (tração simples, compressão simples, etc) são denominadas esforços internos ativos que provocam tensões, denominados de esforços internos reativos. A interação entre os esforços internos ativos e os reativos é que vai resultar no equilíbrio ou desequilíbrio das seções, ou seja, na sua resistência ou não. Os esforços internos foram divididos em cinco tipos: • tração simples, • compressão simples, • força cortante, • momento fletor e • momento torçor. Esses esforços resultam em tensões normais ou tangenciais, que são as que interessam. É por meio da comparação dessas tensões com aquelas a que os materiais estruturais suportam que se pode dizer se as dimensões das seções de um elemento estrutural são ou não suficientes para suportar cargas e vencer vãos. A forma como se distribui o material na seção transversal de uma peça estrutural pode determinar o seu melhor ou pior aproveitamento e, em conseqüência, a sua capacidade e o espaço ocupado. Diminuir o espaço ocupado pode ser desejável, entretanto não é só a economia que define a boa escolha. Em algumas situações a maior ou menor facilidade de execução pode ser preponderante. 51 13. PRINCÍPIO DA DISTRIBUIÇÃO DAS MASSAS NA SEÇÃO 13.1. Tração simples ou axial Como a tração simples ou axial desenvolve tensões uniformes na seção de uma barra, qualquer que seja a forma da seção, a ruptura da peça sempre se dará quando é atingido o limite de resistência do material. Conclui-se que a quantidade de material, e não a forma como ele é distribuído na seção, é o fator determinante na resistência de uma barra submetida à tração simples ou axial. Se interessar, como resultado, o menor espaço ocupado pelos elementos estruturais, pode-se escolher, dentre todas as possíveis seções, aquela que concentre material bem próximo do seu centro de gravidade (seção circular cheia). Devido a essa propriedade – de os esforços de tração serem bem absorvidos por seções com massa concentrada – pode-se concluir que os elementos estruturais submetidos à tração simples serão os que ocuparão menor espaço no ambiente e que resultarão mais leves física e visualmente. 54 13.3. Momento fletor – flexão Ocorrem tensões de tração e compressão ao mesmo tempo. A intensidade dessas tensões depende não só da altura da seção, o que corresponde a uma variação no braço do binário tração-compressão, ou seja, a uma variação na intensidade dessas forças, como também do momento de inércia da seção, ou seja, da maior ou menor tendência de giro da seção. Quanto maior o módulo de resistência de uma seção, menores serão as tensões devidas ao momento fletor e, portanto, mais resistente será a seção. As tensões devidas ao momento fletor não se distribuem de maneira uniforme e variam ao longo da seção, de um máximo à tração, passando por um zero junto ao centro de gravidade, a um máximo de compressão. As massas devem se concentrar em pontos mais afastados do centro de gravidade e diminuir nas suas proximidades. Na prática as seções que respondem bem aos esforços de flexão são as mostradas abaixo 55 14. CONCEITO DE HIERARQUIA DOS ESFORÇOS Tanto o fenômeno da flambagem como o da flexão exige uma distribuição de massas longe do centro de gravidade da seção. A flexão exige, além de uma distribuição adequada, maior quantidade e melhor qualidade de material. Conforme o esforço aplicado há uma exigência diferente em relação à quantidade, à forma de distribuição e à qualidade de material. Alguns esforços exigem menos, outros mais, o que resulta numa hierarquia de esforços, ou seja, existem esforços mais econômicos do que outros quanto ao consumo de material e ao espaço ocupado pelas seções. Os efeitos de tração simples são aqueles que exigem a menor quantidade de material e resultam em seções mais esbeltas e leves, tanto física como visualmente. Os esforços de compressão simples, por exigirem certa rigidez, conduzem a seções com maior consumo de material e mais robustas do que as submetidas à tração simples, enfim, a peças estruturais mais pesadas, tanto física como visualmente. A flexão exige seções com uma distribuição adequada de material e, ainda, que esse material tenha grande resistência e seja em quantidade considerável. Se a intenção é procurar por soluções estruturais objetivando a economia de materiais deve-se fazer com sejam solicitadas predominantemente por esforços de tração, pois exclusivamente é impossível, porque sempre haverá a necessidade de pontos de apoio, no qual ocorrerão outros esforços. 56 Devem ser escolhidas as estruturas que evitem ser solicitadas por esforços de flexão tais como: os cabos, arcos, treliças planas e espaciais, e outras, nas quais predominam os esforços de tração e/ou compressão simples. 15. RELAÇÃO ENTRE OS MATERIAIS E OS ESFORÇOS ATUANTES O concreto apresenta grande resistência à compressão e baixa resistência à tração. O aço apresenta resistência igual à tração e à compressão. As propriedades físicas dos materiais podem variar conforme a direção e nos pontos em que sejam analisados. São denominados: • isótropos os materiais que apresentam propriedades iguais em todas as direções, • ortótropos os materiais que apresentam propriedades iguais em duas direções, • anisótropos os materiais que apresentam propriedades diferentes em todas as direções e • homogêneos os materiais que apresentam propriedades iguais em todos os pontos. O melhor material será o que, além de isótropo seja também homogêneo. O aço é um material isótropo e homogêneo, já a madeira exige atenção quanto à direção em que é solicitada. As propriedades mais importantes dos materiais, do ponto de vista estrutural, são: 1. Tensões de ruptura ou admissíveis de tração e de compressão simples, de flexão e de cisalhamento, 2. Módulo de elasticidade, 3. Coeficiente de dilatação térmica. A tensão de ruptura indica o limite máximo de utilização do material A tensão admissível indica o limite seguro do uso do material O módulo de elasticidade mostra como se deforma o material quando sujeito a esforços, se é muito ou pouco deformável; mostra, ainda, como os materiais se deformam quando associados e como distribuí-los na seção de modo que trabalhem como se fossem um terceiro e único material. 59 Para solucionar o problema pode-se aumentar as seções ou criar travamentos de modo a diminuir o seu comprimento livre, o que resulta em aumento de consumo de material. O uso de seções tubulares minimiza essa desvantagem. Quando submetido à flexão, o aço apresenta um bom desempenho, já que tem resistências iguais à tração e à compressão. Como esforços de tração exigem concentração de material afastada do centro de gravidade da seção o uso de perfis em I soluciona a questão. Concluindo, o aço é um material que aceita muito bem esforços de tração simples e flexão, sendo melhor no primeiro. O problema da flambagem, em decorrência da esbeltez das peças estruturais, diminui a vantagem de utilização de peças quando submetidas a esforços de compressão simples. 15.3. Concreto armado O concreto é um material resultante da mistura de outros materiais. Dentro de certos limites, pode ser considerado isótropo e homogêneo. Suas resistências à tração e à compressão são muito diferentes sendo aquela da ordem de 1/10 desta, em conseqüência criou-se a sua associação com o aço de modo a torná-lo mais versátil. A resistência do concreto armado à tração simples é dada apenas pela armação, já que o concreto sozinho apresenta uma resistência muito baixa a esse esforço. Devido à boa resistência do concreto e do aço à compressão, o concreto armado responde de maneira perfeita a esforços de compressão simples. Como as peças de concreto armado são muito robustas, o problema da flambagem é reduzido ao mínimo. Os esforços de flexão são bem absorvidos pelo concreto armado, já que ele apresenta boa resistência à tração e ã compressão. Como a seção I é trabalhosa devido às formas, a seção retangular é mais usual apesar de menos eficiente. Concluindo, o concreto armado não apresenta vantagens quando solicitado à tração simples, mas bastante vantajoso quando submetido a esforços de compressão simples e a momento fletor. 60 16. RELAÇÃO ENTRE OS MATERIAIS E AS SEÇÕES Seções submetidas a esforço de tração simples podem ter sua massa concentrada próximo ao seu centro. Seções submetidas a esforços de compressão simples devem ter sua massa igualmente afastada do centro de gravidade da seção Seções submetidas a esforços de flexão devem ter sua massa igualmente afastada do centro de gravidade contido no plano ortogonal ao de ocorrência desse esforço. 16.1 Madeira A madeira adapta-se bem as diversas necessidades de seções, apresentando um pequeno acréscimo de mão de obra nas seções compostas, o que não chega a inviabilizar o seu uso. As seções comerciais são bastante variadas: ripa, sarrafo, caibro, pontalete, viga, tábua e prancha. 61 Com o uso de pinos de madeira ou de aço, de parafusos ou até mesmo cola, pode- se obter uma série de outras seções, as seções compostas. 64 18. SISTEMAS ESTRUTURAIS BÁSICOS Os sistemas estruturais básicos são compostos pelos seguintes tipos: 18.1. CABO 18.1.1. Comportamento O esforço de tração simples é o mais favorável, resultando em elementos estruturais muito esbeltos, portanto leves física e visualmente. O cabo é predominantemente comprido, portanto torna-se flexível e apresenta resistência apenas quando tracionado. As estruturas de cabos, também chamadas estruturas suspensas ou pênseis, são estruturas que podem vencer grandes vãos com pequeno consumo de material. O cabo é um sistema estrutural que tende a adquirir a forma diretamente ligada à posição, direção, sentido, quantidade e intensidade das forças que atuam sobre ele. Torna-se uma estrutura pouco estável quando sujeito a variações de cargas acidentais, principalmente o vento. Para ser estável, deverá estar sempre associado a outros sistemas estruturais. Para entender o comportamento de um cabo deve-se supor um fio que tenha em seus extremos anéis que o prendam a uma barra fixa. Uma carga P aplicada em seu ponto médio fará os anéis se juntarem no meio da barra, solicitados por uma força horizontal. P 65 Para evitar o escorregamento deve-se fixar os anéis, então o cabo adquirirá uma forma triangular. A altura do triângulo será a flecha. Aumentando o número de cargas o cabo apresentará diferentes formas de equilíbrio. As diferentes formas que o cabo adquire em função do carregamento denominam-se funiculares das forças. A forma funicular apresentada pelo cabo é análoga ao gráfico de variação do momento fletor ao longo de uma viga de mesmo vão e de mesmo carregamento do cabo. 66 Para um determinado carregamento e vão, a força horizontal necessária para dar o equilíbrio ao cabo aumenta com a diminuição da flecha. Quanto menor a flecha, maior será a solicitação no cabo. A relação entre flecha e vão que resulte em menor volume de material, depende do tipo de carregamento e encontra-se entre os limites: 5 1 10 1 〈〈 L f onde: f: flecha do cabo L : vão do cabo 69 18.2 ARCO 18.2.1.Comportamento Se as formas obtidas pelo cabo forem rebatidas, usando um elemento rígido, resultarão em arcos que estarão solicitados apenas por esforços de compressão simples. Deve-se procurar dar aos arcos formas que correspondam aos funiculares das cargas que atuam sobre eles, garantindo dessa maneira a não ocorrência de flexão. Cada vez que o funicular das cargas desvia-se do eixo do arco, origina esforços de flexão. Como no cabo, o arco também apresenta reação horizontal nos apoios. Quanto maior a flecha, menor o empuxo horizontal e vice-versa, de onde se conclui que quanto maior a flecha menor é a solicitação do arco. Arcos abatidos são mais curtos, mas apresentam maior seção transversal; arcos com grande flecha são mais longos, mas têm seção maior. A relação ideal entre flecha e vão que permite o menor volume e, portanto arco mais leve e econômico é: 5 1 10 1 〈〈 L f onde: f: flecha do cabo L : vão do cabo 70 A estabilização do arco contra a flambagem fora do seu plano pode ser feita por travamentos perpendiculares ao seu plano. Para flambagem no plano do arco, deve-se aumentar sua rigidez através do aumento vertical da seção transversal. O número máximo de articulações que podem ocorrer num arco é três. Acima desse número o arco torna-se hipostático. Arco triarticulado Arco biarticulado Arco biengastado 71 Os empuxos horizontais podem ser absorvidos diretamente pelos apoios, exigindo desse um dimensionamento maior, ou por tirantes, que fazem com que apenas as cargas horizontais sejam depositadas nos apoios. 18.2.2. Materiais e seções O aço, a madeira e o concreto armado são materiais que apresentam resistência adequada às estruturas em arco. Seções com material distribuído predominantemente longe do centro de gravidade são as mais indicadas. 18.2.3. Aplicações e limites de utilização O arco é, depois do cabo, o sistema estrutural que vence maiores vãos com as menores quantidades de material. Coberturas com vãos de 120 m são atingidas com certa facilidade em hangares de avião e de 500 m em pontes metálicas. 74 18.3. VIGA DE ALMA CHEIA 18.3.1. Comportamento Viga de alma cheia é aquela que não apresenta vazios em sua alma. Quando, apoiada em seus extremos, é solicitada por cargas transversais, e se deforma. As seções transversais giram em torno do eixo horizontal e tendem a escorregar uma em relação à outra. A tendência de escorregamento denomina-se força cortante. Portanto, uma viga é um sistema estrutural sujeito a dois esforços: momento fletor e força cortante. É o sistema estrutural que exige maior consumo de material e maior resistência. Conforme a posição e a quantidade de apoios, as vigas podem ser classificadas em: § Vigas biapoiadas; solicitadas por tensões de compressão nas partes superiores e tração nas fibras inferiores § Vigas em balanço; solicitadas por tensões de tração nas partes superiores e compressão nas fibras inferiores § Vigas contínuas; solicitadas por tensões de compressão nas partes superiores e tração nas fibras inferiores dos vãos e o inverso nos apoios 75 As relações favoráveis entre balanços e vãos são as que apresentam valores de momentos negativos iguais aos positivos para um carregamento uniformemente distribuído. 18.3.2. Materiais e seções usuais O aço, a madeira e o concreto armado são materiais que respondem bem a esforços de flexão, ou seja, esforços concomitantes de tração e compressão. Sendo as vigas submetidas a esforços de flexão, suas seções deverão apresentar uma concentração de material longe do centro de gravidade. Assim a seção ideal para vigas é a I. 76 Devido à concentração de tensões, a mesa, parte horizontal da seção I deve ser mais espessa do que a alma. 18.3.3. Aplicações e limites de utilização A viga é um elemento estrutural que se caracteriza por transmitir cargas ao longo de um vão através de um eixo horizontal. Graças a essa virtude, a viga é o sistema estrutural mais usado. Os vãos vencidos ficam em torno de 20 m, quando considerado o aço e o concreto armado. No concreto protendido, esses vãos podem atingir 200 m, principalmente quando são usadas vigas caixão. As vigas de alma cheia de madeira ficam limitadas pelos seus comprimentos disponíveis no mercado, ou pela possibilidade de emenda. 18.3.4. Pré-dimensionamento 79 Ao se colocar duas treliça dessas lado a lado e se retirar o apoio central, as duas treliças tenderão a se aproximar. Para evitar essa aproximação, pode-se colocar entre as duas uma nova barra e o vão vencido será maior. Prosseguindo com esse raciocínio, vão-se formando treliças cada vez maiores e que vencem vãos também maiores. Duas são as características mais importantes da treliça: 1. Em todas as situações, as treliças estarão sempre com suas barras submetidas a esforços de tração e compressão simples. 2. As barras sempre formarão triângulos. As cargas sobre as treliças devem ser sempre aplicadas aos nós. Cargas fora dos nós fazem com que as barras trabalhem à flexão, exigindo maior dimensionamento. A inclinação das diagonais é outra preocupação, pois diagonais muito abatidas desenvolvem grandes esforços e diagonais muito inclinadas aumenta o número de peças. A inclinação ideal fica entre 300 e 600. 18.4.2. Materiais e seções usuais O aço e a madeira apresentam boa resistência aos esforços de tração e compressão simples. O aço apresenta duas vantagens: maior facilidade de execução dos nós de ligação das barras e menor peso. As seções das barras devem ser escolhidas entre aquelas que respondam bem a esforços de tração e compressão. Cabos podem ser usados para barras tracionadas e tubos e cantoneiras para barras tracionadas e comprimidas. As barras mais longas (diagonais) deverão trabalhar à tração. 80 18.4.3. Aplicações e limites de utilização A treliça é um sistema estrutural muito econômico e útil para vencer grandes vãos, sendo muito empregada em coberturas e pontes. A treliça de banzos paralelos pode ser utilizada em substituição da viga de alma cheia. Os limites de vãos utilizados nas treliças podem chegar a 120 m, em coberturas ou a 300 m, em pontes. 18.4.4 Pré-dimensionamento TRELIÇAS MET IT LLER UA | | + Juca 4 hn beeem À gerem o so 180 270 340 450 540 640 720 BIO 00 | 81  84 18.5.2. Materiais e seções usuais O aço e o concreto armado moldado “in-looco”são apropriados. Para as seções das barras, devem ser escolhidas as que tenham capacidade de absorver ao mesmo tempo esforços de tração ou de compressão simples e momento fletor. Ou seja, seções que tenham material distribuído longe do centro de gravidade, em duas direções, e com maior concentração na direção do esforço de flexão. No caso do aço, as seções tubulares retangulares são as ideais’podendo-se ainda utilizar o perfil H e o I. 18.5.3. Aplicações e limites de utilização A viga Vierendeel é utilizada quando se exigem grandes vazios na alma. Os limites de utilização são os mesmos da viga de alma cheia. 18.5.4. Pré-dimensionamento 85 18.6. PILAR 18.6.1. Comportamento O pilar sofre apenas compressão simples Em situações especiais, quando sujeito a cargas devidas ao vento ou freagem sofre flexão. A compressão simples, dependendo da seção do pilar e do seu comprimento, pode provocar a flambagem. 18.6.2. Materiais e seções O aço seria o material mais indicado, mas as seções por serem esbeltas são suscetíveis à flambagem. O pilar de concreto armado apresenta, em termos de área de projeção, um valor 50% maior do que o correspondente de aço, mas um custo inferior da ordem de 1/3 do aço. A madeira apresenta uma área de projeção 70% maior do que a do concreto e um custo 50% superior. Sua opção depende de fatores estéticos. Como as seções dos pilares são submetidas à compressão simples deverão ter distribuição de material igualmente espaçada em relação ao seu centro de gravidade. No aço, as seções tubulares seriam as ideais, mas apresentam dificuldade de execução de vínculos. Seguem as seções tubulares quadradas e as retangulares, com maior facilidade de vínculos. Quando o fator manutenção for determinante deve-se optar pelo perfil H. No concreto armado, as seções não podem ser vazadas por problemas de ordem construtiva. As seções circulares são as ideais seguidas das quadradas e das retangulares. 86 Na madeira, a seção circular é naturalmente obtida e as seções quadradas e retangulares são encontradas no mercado. A seção H pode ser obtida pela composição de peças. 18.6.3. Aplicações e limites de utilização No aço e no concreto, o espaçamento de 4 em 4 m é o ideal, na madeira fica entre 3 e 4 m. Os limites em termos de altura livre são dados pela possibilidade construtiva e pela relação entre seu comprimento e seção. É interessante saber que para edifícios acima de 50 pavimentos, 80% da seção dos pilares de concreto é usada para suportar o seu peso próprio e que o custo dos pilares fica em torno de 20% do custo total da estrutura. 18.6.4. Pré-dimensionamento 89 19. TABELA DE AVALIAÇÃO DA RELAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS ESTRUTURAIS E OS MATERIAIS SISTEMAS ESTRUTURAIS AÇO CONCRETO MADEIRA CABO 5 1 1 ARCO 4 4 4 VIGA DE ALMA CHEIA 4 4 3 TRELIÇA 5 2 4 VIGA VERENDEEL 4 4 2 TOTAL 22 15 14 Notas: 1 = péssimo; 2 = ruim; 3 = regular; 4 = bom; 5 = ótimo 90 20. ASSOCIAÇÕES DE SISTEMAS ESTRUTURAIS BÁSICOS Associações de sistemas estruturais básicos ocorrem como resultado natural da concepção arquitetônica: das funções, dos espaços e intenções formais. A criação de linhas e planos que se harmonizam na criação das formas arquitetônicas e que se integram ao meio em que se inserem, está intimamente ligada às possibilidades de associações entre os sistemas estruturais básicos. Os processos de associação de sistemas estruturais básicos são dois: processo de associação discreta e processo de associação contínua. A associação discreta ocorre quando os sistemas estruturais básicos se inter- relacionam originando um novo sistema, formado por barras e no qual se pode distinguir e até separar os sistemas básicos. Exemplo na figura abaixo: A associação contínua ocorre quando se repete infinitamente o sistema básico, dando origem a formas contínuas como as lâminas. Exemplo na figura abaixo: 91 20.1. Diversos tipos de associações Os mais diversos tipos de associações, sejam elas: discretas ou contínuas, podem ser executados de acordo com as possíveis combinações relacionadas abaixo: § cabo x cabo § cabo x arco § cabo x treliça § cabo x viga de alma cheia § cabo x viga de Vierendeel § cabo x pilar § arco x arco § arco x treliça § arco x viga de alma cheia § arco x viga de Vierendeel § arco x pilar § treliça x treliça § treliça x viga de alma cheia § treliça x viga de Vierendeel § treliça x pilar § viga de alma cheia x viga de alma cheia § viga de alma cheia x viga de Vierendeel § viga de alma cheia x pilar § viga de Vierendeel x viga de Vierendeel § viga de Vierendeel x pilar § pilar x pilar