Slide - Conceitos Introdutórios - Concreto Armado 1

EES150 Concreto Armado I Conceitos Introdutórios Prof. Leandro Lopes da Silva leandro@dees.ufmg.br Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) Departamento de Engenharia de Estruturas (DEEs) Versão 01 Conceitos Introdutórios Concreto Armado O concreto armado é um material de construção composto, constituído de concreto e barras de aço nele imersas. O concreto é uma mistura em proporção adequada (dito traço) dos materiais cimento, agregados (areia e brita) e água. As barras de aço são associadas ao concreto devido à baixa resistência à tração deste. Mecanicamente, no comportamento conjunto concreto e aço, o concreto é responsável por resistir aos esforços de compressão, ao passo que o aço tem por função absorver os esforços de tração, podendo ainda ser empregado para aumentar a capacidade resistente de peças (ou regiões) comprimidas. P concreto Conceitos Introdutórios Concreto Armado O concreto armado é um material de construção composto, constituído de concreto e barras de aço nele imersas. O concreto é uma mistura em proporção adequada (dito traço) dos materiais cimento, agregados (areia e brita) e água. As barras de aço são associadas ao concreto devido à baixa resistência à tração deste. Mecanicamente, no comportamento conjunto concreto e aço, o concreto é responsável por resistir aos esforços de compressão, ao passo que o aço tem por função absorver os esforços de tração, podendo ainda ser empregado para aumentar a capacidade resistente de peças (ou regiões) comprimidas. P concreto fissuras Conceitos Introdutórios Concreto Armado O concreto armado é um material de construção composto, constituído de concreto e barras de aço nele imersas. O concreto é uma mistura em proporção adequada (dito traço) dos materiais cimento, agregados (areia e brita) e água. As barras de aço são associadas ao concreto devido à baixa resistência à tração deste. Mecanicamente, no comportamento conjunto concreto e aço, o concreto é responsável por resistir aos esforços de compressão, ao passo que o aço tem por função absorver os esforços de tração, podendo ainda ser empregado para aumentar a capacidade resistente de peças (ou regiões) comprimidas. P concreto fissuras barras de aço sob tração Conceitos Introdutórios Concreto Armado O concreto armado é um material de construção composto, constituído de concreto e barras de aço nele imersas. O concreto é uma mistura em proporção adequada (dito traço) dos materiais cimento, agregados (areia e brita) e água. As barras de aço são associadas ao concreto devido à baixa resistência à tração deste. Mecanicamente, no comportamento conjunto concreto e aço, o concreto é responsável por resistir aos esforços de compressão, ao passo que o aço tem por função absorver os esforços de tração, podendo ainda ser empregado para aumentar a capacidade resistente de peças (ou regiões) comprimidas. P concreto fissuras barras de aço sob tração barras de aço sob compressão Conceitos Introdutórios Concreto Armado O funcionamento conjunto do composto concreto-aço somente é viabilizado em virtude de: • Aderência concreto-aço; • Coeficiente de dilatação térmica praticamente iguais (≈ 10−5/ oC); • Proteção da armadura contra a corrosão. Conceitos Introdutórios Concreto Armado As principais vantagens do concreto armado são: • Economia; • Adaptação a “qualquer” forma e facilidade de execução; • Estrutura monolítica; • Manutenção e conservação praticamente nulas; • Resistência a efeitos térmico-atmosféricos (furacões, tufões, tornados etc. ⇒ grandes massas, pequenas vibrações) e a desgastes mecânicos. As principais desvantagens do concreto armado são: • Peso próprio: a massa específica do concreto armado dada pelas NBRs 6118:2014 e 6120:2019 é de 2.500 kg/m3; • Dificuldade de reforma e demolições; • Baixo grau de proteção térmica; • Fissuração. Conceitos Introdutórios Aços para Concreto Armado A armadura empregada em peças de concreto armado é dita passiva, isto é, sem pré-alongamento. Para a massa específica do aço da armadura passiva, pode ser adotado o valor de 7.850 kg/m3. Segundo a NBR 7480:2007, o aço empregado nos projetos de estruturas de concreto armado são classificados nas seguintes categorias: • CA-25 − fyk = 25 kN/cm2 (superfície lisa) • CA-50 − fyk = 50 kN/cm2 (superfície nervurada) • CA-60 − fyk = 60 kN/cm2 (superfície entalhada) em que CA - Concreto Armado; fyk - resistência característica do aço ao escoamento. É de se observar que o tipo de superfície está intimamente ligado à maior ou menor capacidade de aderência concreto-aço. Conceitos Introdutórios Aços para Concreto Armado Os aços CA-25 e CA-50 são produzidos por laminação a quente, constituindo barras, com bitola nominal ϕ ≥ 6, 3 mm e apresentam diagrama tensão versus deformação com patamar de escoamento bem definido. O aço CA-60 é produzido por laminação a frio, por trefilação ou equivalente, constituindo fios, com bitola nominal ϕ ≤ 10, 0 mm e apresenta diagrama tensão versus deformação sem patamar de escoamento bem definido. Conceitos Introdutórios Aços para Concreto Armado Por ser o aço mais flexível, o CA-25 é o menos utilizado em construções, sendo às vezes empregado em pisos industriais. Pelo fato de ter a superfície lisa, apresenta menos aderência ao concreto. Figura: Aço CA-25 (barras) - Superfície lisa Conceitos Introdutórios Aços para Concreto Armado O aço CA-50 é o mais utilizado em obras, em especial, quando se necessita de grandes áreas de armadura. Os principais fatores que o levam a ser escolhido são o fato de apresentar padrões superiores aos exigidos na NBR 7480:2007 e por possuir nervuras, o que garante ótima aderência ao concreto. O CA-50 é empregado em todo tipo de estrutura, tais como vigas, pilares, arrimos, blocos de fundação etc. Figura: Aço CA-50 (barras) - Superfície nervurada Conceitos Introdutórios Aços para Concreto Armado Quando se necessita de pequenas áreas de armadura, o aço CA-60 é o mais utilizado. Desta forma, são bastante utilizados em lajes, estribos, estruturas pré-moldadas etc. Figura: Aço CA-60 (fios) - Superfície entalhada Conceitos Introdutórios Aços para Concreto Armado Características das barras (CA-25 e CA-50): Conceitos Introdutórios Aços para Concreto Armado Características dos fios (CA-60): Conceitos Introdutórios Concretos Estruturais Por concreto estrutural, consideram-se aqui as seguintes classes de concreto, abrangidas pela NBR 6118:2014: • Grupo I: C20, C25, C30, C35, C40, C45, C50 • Grupo II: C55, C60, C65, C70, C75, C80, C85, C90 em que, em C25, por exemplo, C - Concreto; 25 - resistência característica do concreto à compressão (fck) em MPa. Os concretos aqui considerados são os concretos normais, identificados por massa específica seca maior do que 2.000 kg/m3, não excedendo 2.800 kg/m3. Dentre os concretos especiais aqui excluídos estão: • concreto-massa: concreto aplicado em peças de grande volume, que requer cuidados especiais para reduzir fissurações decorrentes de seu comportamento térmico; • concreto sem finos: concreto com densidade superior a 2.800 kg/m3, alcançada por meio da adição de materiais pesados como magnetita, hematita e barita. Conceitos Introdutórios Concretos Estruturais O concreto apresenta duas características reológicas a saber, de potencial atenção ao dimensionamento estrutural: • retração: é uma deformação independente do carregamento que ocorre devido à perda de parte da água dissociada quimicamente do processo de produção do concreto; • fluência: é uma deformação dependente do carregamento, no entanto, caracterizada pelo aumento da deformação imediada (inicial) sob tensão constante. Conceitos Introdutórios Premissas da Concepção Estrutural A concepção da estrutura de uma edificação consiste no estabelecimento de um arranjo adequado dos vários elementos estruturais do edifício, de modo a assegurar que o mesmo atenda às finalidades para as quais foi projetado. Em virtude da complexidade das construções, a estrutura de uma edificação requer o emprego de diferentes tipos de peças estruturais adequadamente combinadas para a formação do conjunto resistente. Conceitos Introdutórios Premissas da Concepção Estrutural Um arranjo estrutural adequado consiste em atender, simultaneamente, os aspectos de segurança, economia, durabilidade, bem como aqueles relativos ao projeto arquitetônico (estética e funcionalidade). Em particular, a estrutura deve garantir a segurança contra os Estados Limites de Serviço (ELS) e Último (ELU), nos quais a construção deixa de cumprir suas finalidades. • ELU - estado limite relacionado ao colapso, ou a qualquer outra forma de ruína estrutural, que determine a paralisação do uso da estrutura; • ELS - estado limite relacionado ao conforto do usuário e à durabilidade, aparência e boa utilização da estrutura. A concepção estrutural deve considerar a finalidade da edificação e atender, tanto quanto possível, às condições impostas pela arquitetura. O projeto arquitetônico impõe, de fato, as bases para a elaboração do projeto estrutural. Desta maneira, o projeto estrutural deve prever o posicionamento dos elementos de forma a respeitar a distribuição dos diferentes ambientes. Evidentemente, a estrutura deve também ser coerente com as características do solo no qual ela se apoia. Conceitos Introdutórios Premissas da Concepção Estrutural Na concepção estrutural, é importante considerar o comportamento primário dos elementos estruturais, que podem ser resumidos como se indica a seguir: Lajes: Elementos planos, apoiados em vigas em seu contorno, constituindo os pisos dos pavimentos; Recebem as cargas (ações gravitacionais) do piso transferindo-as para as vigas de apoio; Submetidas predominantemente à flexão simples nas duas direções ortogonais. Vigas: Elementos de barra sujeitos predominantemente à flexão simples, apoiados em pilares (ou em outras vigas); Geralmente, embutidas nas paredes; Transferem para os apoios o peso da alvenaria que nelas se apoiam e as reações das lajes. Pilares: Elementos de barra sob flexo-compressão; São responsáveis por resistir às cargas gravitacionais cumulativas e às cargas horizontais (vento), essas por meio da formação de pórticos com as vigas; Transferem as cargas para as fundações. Conceitos Introdutórios Etapas do Projeto Estrutural 1a. Etapa: Projeto Arquitetônico Conceitos Introdutórios Etapas do Projeto Estrutural 2a. Etapa: Pré-dimensionamento Estrutural O pré-dimensionamento estrutural consiste no lançamento estrutural, isto é, na definição da disposição dos elementos estruturais, bem como de suas dimensões brutas. Não existem normas/regras para o pré-dimensionamento. As recomendações encontradas na bibliografia resultam da experiência dos calculistas e/ou são fruto de estudos aprofundados sobre o assunto. Ao lançar a estrutura, deve-se ter em mente vários aspectos básicos, como: • Estética; • Economia; • Funcionalidade; • Resistência às ações horizontais. A fim de orientar a etapa de pré-dimensionamento, apresentam-se a seguir algumas recomendações práticas que constituem uma boa estimativa inicial para a disposição e para as dimensões de lajes, vigas e pilares em estruturas convencionais de edifícios de concreto armado. Conceitos Introdutórios Etapas do Projeto Estrutural 2a. Etapa: Pré-dimensionamento Estrutural (i) Lajes A espessura, h, de uma laje maciça pode ser estimada como ℓ 40 ≤ h ≤ ℓ 36 em que ℓ é o menor vão da laje. Devem ser respeitados ainda os seguintes limites mínimos para a espessura das lajes maciças (NBR 6118:2014): _ 7 cm p/ lajes de forro não em balanço; _ 8 cm p/ lajes de piso não em balanço; _ 10 cm p/ lajes em balanço; _ 10 cm p/ lajes que suportem veículos de peso total menor ou igual a 30 kN; _ 12 cm p/ lajes que suportem veículos de peso total maior que 30 kN. Embora em alguns casos não seja interessante, é conveniente definir uma espessura comum a todas as lajes de um pavimento. Conceitos Introdutórios Etapas do Projeto Estrutural 2a. Etapa: Pré-dimensionamento Estrutural (ii) Vigas • dispor as vigas onde existam alvenarias, no entanto, não é obrigatório lançar vigas sob todas as alvenarias; • distanciar as vigas entre 2,5 m a 6,0 m; • a largura das vigas é, em geral, quando possível, definida em função da espessura da alvenaria, observada a largura mínima de vigas de 12 cm (NBR 6118:2014); • a altura, h, da viga pode ser estimada como ℓ 12 ≤ h ≤ ℓ 10 em que ℓ é a dimensão média dos vãos (tramos) da viga, se forem comparáveis (relação entre vãos adjacentes entre 2/3 a 3/2). Conceitos Introdutórios Etapas do Projeto Estrutural 2a. Etapa: Pré-dimensionamento Estrutural (iii) Pilares • dispor pilares nos cantos do edifício; • distanciar os pilares entre 2,5 m a 6,0 m; • dispor pilares nos cruzamentos de vigas, com algumas exceções. A seção bruta dos pilares pode ser estimada por meio de áreas de influência, observada a dimensão mínima de pilares de 19 cm (NBR 6118:2014). Conceitos Introdutórios Etapas do Projeto Estrutural 2a. Etapa: Pré-dimensionamento Estrutural Conceitos Introdutórios Etapas do Projeto Estrutural 2a. Etapa: Pré-dimensionamento Estrutural Conceitos Introdutórios Etapas do Projeto Estrutural 2a. Etapa: Pré-dimensionamento Estrutural Conceitos Introdutórios Etapas do Projeto Estrutural 2a. Etapa: Pré-dimensionamento Estrutural Conceitos Introdutdrios Etapas do Projeto Estrutural 3a. Etapa: Andalise Estrutural Dentre as estratégias de analise estrutural prescritas na NBR 6118:2014, destaca-se a analise estrutural linear elastica, em que se consideram: e elementos estruturais com segao bruta de concreto, homogénea, isto é, sem considerar a armadura, sendo a armadura considerada nesta etapa somente como peso proprio; e elementos estruturais com material linear elastico regido pelo médulo de deformagao secante do concreto, dado por Eos = 0;Eci, sendo a; =0,8 +0,2408 <1,0 (fer em MPa), e em que Ei; € 0 médulo de elasticidade tangente inicial do concreto, dado por _Grupol: Fea = ag 5.600 V fer (fen em MPa) _Grupoll: 2; = 21,5 x 10% ag #/ fee +1,25 (fer em MPa) Conceitos Introdutórios Etapas do Projeto Estrutural 3a. Etapa: Análise Estrutural O parâmetro αE é função do agregado graúdo, isto é, • αE = 1, 2 para concreto produzido com brita de basalto ou diabásio; • αE = 1, 0 para concreto produzido com brita de granito ou gnaisse; • αE = 0, 9 para concreto produzido com brita de calcário; • αE = 0, 7 para concreto produzido com brita de arenito. 4a. Etapa: Dimensionamento Estrutural O dimensionamento estrutural consiste no cálculo da armadura a ser disposta nos elementos estruturais, bem como realizar verificações de comportamento estrutural, isto é, as verificações de serviço. Deve-se observar que o processo de conceber e projetar uma estrutura é uma tarefa iterativa, pois busca um refinamento constante das soluções propostas. O uso de softwares, desde que de forma responsável, agiliza esta tarefa, tornando possível a análise de mais de uma solução, otimizando a estrutura.