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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


6 Sobrecargas em edifícios

6.3.1.2 Valores das acções

NP EN1991-1-1 , 2009


NP EN1991-1-1 , 2009

Utilização / Função do Edifício ↔ Sobrecargas NP EN1991-1-1 , 2009


NP EN1991-1-1 , 2009


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


↔ 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


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)


O Betão é um material estrutural e pode ser também arquitectónicoBetão à vistaBetão coloridoBetão texturadoBetão transparente Templo de Lótus , India, 1986


O Betão é, cada vez mais, também um material arquitectónicoBetão à vistaBetão coloridoBetão texturadoBetão transparente


EDIFÍCIOS - Concepção Arquitectónica ↔ Concepção Estrutural

Laje dos pisos elevados

Blocos suspensos

Art´s Business & Hotel Center , Lisboa, 2005



22.14m

Torres de S. Gabriel e S. Rafael , Lisboa, 2000

Pavilhão de Portugal , Lisboa, 1998



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]


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


Acç. Horizontais ↔ Os pavimentos distribuem (diafragma) as acções horizontais, peloselementos verticais, de forma aproximadamente proporcional àsua rigidez.

NúcleoParede

Pilar


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


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

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