ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS -INTRODUÇÃO AO PROJECTO – João F. Almeida IST, MESTRADO EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS EDIFÍCIOS DE BETÃO, Fevereiro 2012
ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS-INTRODUÇÃO AO PROJECTO –
João F. AlmeidaIST, MESTRADO EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS
EDIFÍCIOS DE BETÃO, Fevereiro 2012
ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS – INTRODUÇÃO AO PROJECTO
ÍNDICEIntrodução ao Projecto de Estruturas de Edifícios
O Processo de ProjectoCondicionamentos
Localização do Edifício (Acções, Geotecnia, Agressividade Ambiental, .....)Utilização / Função do Edifício
Exigências de DesempenhoTempo de Vida Útil de ProjectoEficiência Estrutural (ELS, ELU, Robustez)DurabilidadeEstética / Integração no Local
Betão ArquitectónicoBetão ArquitectónicoConcepção Arquitectónica ↔ Concepção EstruturalOs Novos Betões (UHPC, BAC)
EconomiaOs Edifícios Altos – Realizações
Considerações finais
ArquitecturaEngenharia 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 daconstrução ; no entanto, ela é responsável pela segurança da generalidade dosmateriais e equipamentos referentes às diversas especialidades.
O Processo de PROJECTO
fib Model Code 2010
Os Condicionamentos do PROJECTO
fib Model Code 2010
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 próximoSismo afastado
NP EN1998-1 , 2010
Natureza dos TERRENOS de fundação ↔ Fundações, Concepção Global
Eventual AGRESSIVIDADE do meio ↔ DURABILIDADE
Eventual existência de risco elevado de INCÊNDIO ou ACIDENTE
Utilização / Função do Edifício ↔ Sobrecargas
NP EN1991-1-1 , 2009
Utilização / Função do Edifício ↔ SobrecargasNP EN1991-1-1 , 2009
Utilização / Função do Edifício ↔ Sobrecargas
6 Sobrecargas em edifícios
6.3.1.2 Valores das acções
NP EN1991-1-1 , 2009
Utilização / Função do Edifício ↔ Sobrecargas
NP EN1991-1-1 , 2009
Utilização / Função do Edifício ↔ Sobrecargas NP EN1991-1-1 , 2009
Utilização / Função do Edifício ↔ Sobrecargas
NP EN1991-1-1 , 2009
Utilização / Função do Edifício ↔ Sobrecargas
NP EN1991-1-1 , 2009
; ϕ = 1.40
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 UtilizaçãoI HabitaçãoII EstacionamentoIII AdministrativoIV EscolarV HospitalaresVI Espectáculos e Reuniões PúblicasVII 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 VII Hoteleiros e RestauraçãoVIII Comerciais e Gares de TransportesIX Desportivos e de LazerX Museus e Galerias de ArteXI Bibliotecas e ArquivosXII 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 REI 60 REI 90 REI 120 REI 180 suporte e compartimentação
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
Exigências de Desempenho – Tempo de Vida Útil de Projecto
NP EN1990 - 2009
“Período durante o qual se pretende que uma estrutura ou parte damesma poderá ser utilizada para as funções a que se destina, coma manutenção prevista mas sem necessidade de grandesreparações.”
2.3 (1) O tempo de vida útil de projecto deverá ser especificado.
DURABILIDADE
Aptidão de uma estrutura para desempenhar, durante o período de vida previsto, as funçõespara que havia sido concebida, sem que para tal seja necessário incorrer em intervenções /custos de manutenção e reparação imprevistos
Pantheon , Roma(≈ 2000 Anos)
Designação daclasse 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 elementosmetálicos embebidos : todas as exposiçõesexcepto em situação de gelo/degelo, abrasão ouataque químicoPara betão com armadura ou elementos metálicosembebidos: muito seco
Betão no interior de edifícios com umahumidade do ar ambiente muito baixa
NP EN1992 - 1 - 2010
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 cloretostransportados pelo ar
XD2 Húmido, raramente secoPiscinasElementos de betão expostos a águasindustriais contendo cloretos
XD3 Alternadamente húmido e seco
Elementos de pontes expostos apulverizações contendo cloretosPavimentosLajes de parques de estacionamento
4 Corrosão induzida por cloretos presentes na água do mar
XS1 Exposto ao sal transportado pelo ar masnão em contacto directo com a água do mar Estruturas próximas da costa ou na costa
XS2 Permanentemente submerso Elementos de estruturas marí timas
XS3 Zonas sujeitas aos efeitos das marés, darebentação e da neblina marítima Elementos de estruturas marítimas
ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL
↔ Projectar / Construir contribui para transformar os locais
↔ O resultado permanece para o futuro como nossa herança cultural
Cúpula do Pantheon e Basílica de S. Pedro, Roma
ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL
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. Ybien, ellas no son, ni la obra de un genio, ni el resultado de una idea maravillosa o de unamomentánea inspiración, son simplemente el resultado de un estudio de la evoluciónanterior de las formas del hormigón armado”
Eduardo Torroja (1899-1961)
ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL
O Betão é um material estrutural e pode ser também arquitectónicoBetão à vistaBetão coloridoBetão texturadoBetão transparente Templo de Lótus , India, 1986
ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL
O Betão é, cada vez mais, também um material arquitectónicoBetão à vistaBetão coloridoBetão texturadoBetão transparente
ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL
EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural
Laje dos pisos elevados
Blocos suspensos
Art´s Business & Hotel Center , Lisboa, 2005
ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL
EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural
22.14m
Torres de S. Gabriel e S. Rafael , Lisboa, 2000
Pavilhão de Portugal , Lisboa, 1998
ESTÉTICA / INTEGRAÇÃO NO LOCAL
EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural
Rolex Learning Centre , Lausanne, 2010
OS NOVOS BETÕESA EVOLUÇÃO DOS BETÕES DE CIMENTO
????
Os NOVOS BETÕES – Realizações
NOVA PISTA DO AEROPORTO HANEDA, TOKYO, 2010
Ultra High Strenght Fibre Concrete – UHSFC C180
Os NOVOS BETÕES – Realizações
NOVO JEAN BOUIM STADIUM, PARIS, .....2013
Rede (0.35m de espessura), constituída por módulos triangulares (2.40m x 8.30m), em Ultra High triangulares (2.40m x 8.30m), em Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete – UHPFRC
BETÕES AUTOCOMPACTÁVEIS
Diferenças genéricas entre a composição dos BAC / Betões Correntes(Manuel Vieira, PhD, IST, 2008)(Manuel Vieira, PhD, IST, 2008)
Ensaios de Espalhamento
ART’S BUSINESS & HOTEL CENTER, Lisboa, 2005Blocos Suspensos
Devido à geometria complexa das vigas de suspensão e à sua importância estrutural, estas foram betonadas com um betão autocompactável C40/50.
Pormenores das vigas antes e após betonagem
ART’S BUSINESS & HOTEL CENTER
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
BAC Pigmentado
A Engenharia Civil tem que promover a valorização e A Engenharia Civil tem que promover a valorização e reconhecimento público da sua actividade
A EVOLUÇÃO DOS “ EDIFÍCIOS ALTOS “
????
EDIFÍCIOS ALTOS – Realizações
Burj Khalifa , Dubai (Janeiro 2010)William Baker, Skidmore Owings & MerillStruct. Design Tall Spec. Build. 16, (2007)
H 828 m
C80 / C60BAC colocado a ≈ 600 m (Tmáx. ≈ 50ºC)
Agressividade ambiental / DurabilidadeProtecção catódica na laje de fundação
EDIFÍCIOS ALTOS – Realizações
Council on Tall Buildings and Urban Habitat. “Tall Buildings in Numbers - Tall Buildings, Structural Systems and Materials.” 2010
www.gpbe.pt
ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS- CONCEPÇÃO
C'-C
C
T
C
C'-C
T
C' {
T' {
- PRÉ-DIMENSIONAMENTO
João F. AlmeidaIST, MESTRADO EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS
EDIFÍCIOS DE BETÃO, Fevereiro 2012
ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS – CONCEPÇÃO E PRÉ-DIMENSIONAMENTO
ÍNDICESolução Estrutural do Projecto
A Fase de ConcepçãoModelação da Estrutura (Modelos Globais, Locais e Regiões Particulares)Análise e Verificação da Segurança
Comportamento Estrutural de Edifícios – Caminhos das CargasAcções VerticaisAcções HorizontaisSistemas em Pórtico, Sistemas Parede e Pórtico / ParedeDisposição em Planta dos Núcleos
Sistemas Estruturais de Pavimentos – Pré-dimensionamentoCritérios de Pré-dimensionamento de lajesPavimentos Vigados e Fungiformes
Pilares – Pré-dimensionamentoCritérios de Pré-dimensionamento
FundaçõesProspecção GeotécnicaSoluções de Fundações
Considerações finais
Solução Estrutural do PROJECTO
• CONCEPÇÃO
• PRÉ-DIMENSIONAMENTO
• MODELAÇÃO - Modelos Globais
- Modelos Locais
gP g + P
- Regiões particulares
• ANÁLISE
• VERIFICAÇÃO DA SEGURANÇA
g + P
C'-C
C
T
C
C'-C
T
C' {
T' {
A fase de CONCEPÇÃO
fib Model Code 2010
A fase de CONCEPÇÃO é a primeira actividade do PROJECTO:
......... as relações entre a função, a forma, os materiais e os processos construtivos, do que deverá resultar oconjunto das melhores soluções possíveis para o problema em estudo; é essencial compreender ofuncionamento dos sistemas estruturais e exercitar os caminhos das cargas através da estrutura,por forma a saber julgar a adequabilidade do conceito estrutural e avaliar as dimensões dos vários elementosestruturais.
“ Las teorías rara vez dan más que una comprobación de la bondad o del desacierto delas formas y proporciones que se imaginan para la obra. Estas han de surgir primero deun fondo intuitivo de los fenómenos, que ha quedado como un poso íntimo de estudiosy experiencias a lo largo de la vida profesional........y el caso es que en las escuelas hay tanto que aprender que rara vez quedatiempo para pensar.......Porque es absurdo descender a la concreción cuantitativa sin la seguridad de tener
Eduardo Torroja Miret 2007 : “RAZÓN E SER DE LOS TIPOS ESTRUCTURALES”, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos.
“The conceptual design stage is the most important phase of a project. Without an idea, without a proper solution to the problem under study there is no established safety concept, no adequately defined behaviour and essentially no solution to the defined problem, without which a successful construction project cannot be realized.Conceptual design is a creative act for which it is not easy to establish a methodology….”.
......Porque es absurdo descender a la concreción cuantitativa sin la seguridad de tenerencajado el conjunto en sus acertados dominios. Es um erro demasiado corrienteempezar a calcular la viga número 1 sin haber antes meditado si la construcción debellevar vigas o no”;“....tan inútil es aprender sin meditar, como es peligroso pensar sin antes haberaprendido de outros.” Eduardo Torroja (1899-1961)
fib : “Model Code 2010” 2011, Lausanne.
Emil Mörsch (1872-1950)
A fase de CONCEPÇÃO tem que ser a primeira actividade do Projecto
Mörsch 1922
Robert Maillart (1872-1940)
A fase de CONCEPÇÃO tem que ser a primeira actividade do Projecto
Eugène Freyssinet (1879-1962)
p = g + ψψψψ q
qP = P (1/Rcabo)
(p – qP)
Fritz Leonhardt(1909 - 1999)
COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS – Caminhos das Cargas
Acções Verticais ↔ Os pavimentos equilibram (flexão) as cargas no plano,repartindo-as pelos elementos verticais, de formaaproximadamente 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]
COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS – Caminhos das Cargas
Acções Verticais ↔ Os pavimentos equilibram (flexão) as cargas no plano,repartindo-as pelos elementos verticais, de formaaproximadamente proporcional à sua área de influência.
∆ NiJ ∆ Ng,Pilar
Pilar J
∆ NiJ = AJ . qi
N J
COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS – Caminhos das Cargas
Acç. Horizontais ↔ Os pavimentos distribuem (diafragma) as acções horizontais, peloselementos verticais, de forma aproximadamente proporcional àsua rigidez.
NúcleoParede
Pilar
COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS – Caminhos das Cargas
Acç. Horizontais ↔ Sistemas em Pórtico - em geral apenas adequado para estruturasde porte e níveis de acções horizontais muito moderados
Iv
Ip ↓ ⇔
Mcont. ↓ ; Np ↓Mp ↑δh ↑
FH
F/2
FH≈ 0
F/2
F
Mp
FM cont.
L
EQUÍLIBRIO
F × H = 2 Mp + N × L
FH2 ≈ 0
FH2≈ 0
N
F/2
MpMp
NF/2
L
p
pF
F F
F
F/2
F/2
3 FH2
3 FH2
COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIOS – Caminhos das Cargas
Acç. Horizontais ↔ Sistemas Parede e Pórtico/Parede
EQUÍLIBRIO
2 2
H
F /2
MpMp
F /2
F
v
p
2
F1
F1F
P F1 + F2 = F
F × H = MP + (2 Mp + N L)
N N
LMP
N
MpMp
N
F2
F1
MP
F1
F
p p
F ≈ 03
≈ 0
≈ 0
PLANTA
NÚCLEOS PÓRTICOS DECONTORNO
PILARES INTERIORES
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 !
Concepções inadequadas (inaceitáveis)
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 osaspectos referentes aos efeitos das deformações impostas / impedidas.
? Juntas ?Ver:- ∆Junta ≥ δH
- Manutenção .... Concepções possíveis – a analisar
Pontos fixosVer efeitos:- Retracção- Var. Temperatura
Duplicação de elementos estruturais nas juntas
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• 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
• protecção ao fogo ↔ principalmente, lajes fungiformes aligeiradas
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
SOLUÇÕES ESTRUTURAIS DE PAVIMENTOS
Lajes Vigadas
4.0 < l ≤ 7.5m → h = 0.15 a 0.25 m
h ≈ L
30 a 35 h ≈
L35 a 40
Maciças: h ≈ L
25 a 30
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 DeformabilidadeExemplo : L = 8.10mh = 0.20mhcap = 0.35m
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
20 a 25
PILARES – Pré-dimensionamento
• Funcionalidade e Exploração (Arquitectura) (+)• Resistência (+)• Ductilidade (+)
ω = As
bh × fyd
fcd
ρ = As
Ac ≈ 1,5% → (ω ≈ 0,4)
νmáx ≈ 1,2
C1 - 1.5 [ g + q ] ↔ ( NSd,máx ; MSd ≈ 0 )C2 - [ g + ψ2q ; E ] ↔ ( Ng+ψ2q ; MSd,máx= ?)
Exemplo:↔ g≈ 9kN/m2 ; q= 3kN/m2
↔ [ (g/q)≈ 3; pSd≈ 16 a 18 kN/m2]↔ ( Ng+ψ2q / NSd,máx )≈ 0.50 / 0.60
νSd νg+ψ q νmáxRd ≈ 1,2 νSd νg+ψ2 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% ≤ ρρρρsL ≤ 3%↔ (Taxas entre 100 e 300kg aço/m3 de betão)
C1
C2
FUNDAÇÕES
A análise das condições de fundação de um edifício requer:
↔ Realização de Estudo Geológico-Geotécnico específico (caso não exista parainício dos estudos, pode ser necessário desenvolver o Plano de Prospecção).
↔ O estudo deve também procurar reunir toda a informação geológica da zona, emparticular:
• existência de aterros (a consulta de levantamentos topográficos antigos e suacomparação 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.
FUNDAÇÕES - Estudo Geológico-Geotécnico - Exemplo
FUNDAÇÕES
Estudo Geológico-Geotécnico - Exemplo
FUNDAÇÕES - Estudo Geológico-Geotécnico - ExemploS4
FUNDAÇÕES Directas - Exemplos
Viga de Fundação no Contorno
Viga de Fundação no Contorno
Viga de Fundação no Interior
FUNDAÇÕES Indirectas - Exemplos
Estacas betonadas “in-situ”
Microestacas
FUNDAÇÕES – Ex: Des. Planta de Fundações