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ESTUDO E AUTOMAÇÃO DE SISTEMAS ESTRUTURAIS PRÉ-MOLDADOS DE CONCRETO PARA FINS AGRO-INDUSTRIAIS Silva, M.C.A.T.(1); Almeida, P.P.N. (2); Silva, T.B. (3) (1) Prof. Dr, Maria Cecilia Amorim Teixeira da Silva, UNICAMP email:[email protected] (2) Eng. Paula Peraçoli Nogueira de Almeida (3) Eng. Tânia Bueno da Silva UNICAMP, Faculdade de Engenharia Civil,Arquitetura e Urbanismo, Departamento de Estruturas, Av. Albert Einstein 951, Caixa Postal 6021, Campinas –SP, CEP. 13083-852 Resumo O dimensionamento de edificações que tenham como finalidade de uso a criação de animais em escala industrial requer a interação de um número grande de variáveis tais como: os componentes da construção, os materiais utilizados, a idealização da estrutura, sua orientação, sua geometria, sua forma de ocupação e o conforto térmico que o animal ocupante necessita para ter um desempenho ideal. Na concepção construtiva desses criatórios, todos os aspectos mencionados são considerados importantes quando se tem em vista a relação custo-benefício. Assim, se mostra necessário estabelecer procedimentos que permitam agilizar análises comparativas de desempenho entre diferentes modelos de instalação com concepções previamente propostas. O presente trabalho tem como objetivo sistematizar e automatizar os procedimentos de cálculo e de dimensionamento de estruturas para galpões cuja finalidade de uso seja voltada preferencialmente para o meio rural. O padrão adotado é o de um galpão com cobertura de duas águas, composto de sucessivos pórticos planos em concreto pré-moldado. Numa primeira etapa, o pórtico-tipo é constituído de vigas e pilares de alma cheia, sendo os pilares rotulados nas fundações. Como ferramenta para a análise estrutural do pórtico é utilizado o pacote computacional SAP-2000. Para o dimensionamento dos elementos estruturais, rotinas de cálculo são estabelecidas e automatizadas em um programa de computador desenvolvido em linguagem DELPHI. Os resultados obtidos são ainda parciais. O presente trabalho faz parte das atividades propostas em um projeto temático financiado pela FAPESP, e que tem como objetivo geral estabelecer um pacote tecnológico que atenda às etapas de desenvolvimento do projeto de instalações agrícolas de abrigos a animais produzidos em escala industrial. Palavras-Chave: galpões, concreto pré-moldado, construções rurais, automação

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ESTUDO E AUTOMAÇÃO DE SISTEMAS ESTRUTURAIS PRÉ-MOLDADOS DE

CONCRETO PARA FINS AGRO-INDUSTRIAIS

Silva, M.C.A.T.(1); Almeida, P.P.N. (2); Silva, T.B. (3)

(1) Prof. Dr, Maria Cecilia Amorim Teixeira da Silva, UNICAMP email:[email protected]

(2) Eng. Paula Peraçoli Nogueira de Almeida

(3) Eng. Tânia Bueno da Silva

UNICAMP, Faculdade de Engenharia Civil,Arquitetura e Urbanismo, Departamento de Estruturas,

Av. Albert Einstein 951, Caixa Postal 6021, Campinas –SP, CEP. 13083-852 Resumo

O dimensionamento de edificações que tenham como finalidade de uso a criação de animais em escala industrial requer a interação de um número grande de variáveis tais como: os componentes da construção, os materiais utilizados, a idealização da estrutura, sua orientação, sua geometria, sua forma de ocupação e o conforto térmico que o animal ocupante necessita para ter um desempenho ideal. Na concepção construtiva desses criatórios, todos os aspectos mencionados são considerados importantes quando se tem em vista a relação custo-benefício. Assim, se mostra necessário estabelecer procedimentos que permitam agilizar análises comparativas de desempenho entre diferentes modelos de instalação com concepções previamente propostas. O presente trabalho tem como objetivo sistematizar e automatizar os procedimentos de cálculo e de dimensionamento de estruturas para galpões cuja finalidade de uso seja voltada preferencialmente para o meio rural. O padrão adotado é o de um galpão com cobertura de duas águas, composto de sucessivos pórticos planos em concreto pré-moldado. Numa primeira etapa, o pórtico-tipo é constituído de vigas e pilares de alma cheia, sendo os pilares rotulados nas fundações. Como ferramenta para a análise estrutural do pórtico é utilizado o pacote computacional SAP-2000. Para o dimensionamento dos elementos estruturais, rotinas de cálculo são estabelecidas e automatizadas em um programa de computador desenvolvido em linguagem DELPHI. Os resultados obtidos são ainda parciais. O presente trabalho faz parte das atividades propostas em um projeto temático financiado pela FAPESP, e que tem como objetivo geral estabelecer um pacote tecnológico que atenda às etapas de desenvolvimento do projeto de instalações agrícolas de abrigos a animais produzidos em escala industrial.

Palavras-Chave: galpões, concreto pré-moldado, construções rurais, automação

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1 Introdução A agro-industria no Brasil cumpre hoje um papel importante na economia do país. O bom desempenho do agro-negócio implica, contudo, na necessidade de avanços tecnológicos que possam contribuir para o aumento da produtividade e da qualidade dos produtos, face às exigências do mercado externo. Para atender tais exigências, a agro-indústria brasileira deve-se manter competitiva, aumentando os investimentos no setor. Dessa forma, cabe ao meio técnico-científico apresentar soluções que propiciem maior rendimento com menor custo. No que diz respeito aos sistemas construtivos, que podem ser colocados como uma alternativa economicamente viável para o meio rural, se encontram os galpões de concreto pré-moldado. Esse tipo de sistema se ajusta, de maneira geral, às necessidades funcionais das agro-indústrias e, em particular, às especificidades das instalações para a criação de animais, que podem variar de acordo com o tipo de animal e com a quantidade desejados pelo produtor e ainda com as condições climáticas e topográficas do local onde as instalações rurais serão construídas. Tendo em vista que uma das vantagens dos sistemas pré-moldados é a rapidez de execução, tomou forma a idéia de se agilizar também o cálculo e o dimensionamento de instalações rurais para criação de animais a fim de permitir ao produtor alternativas de projeto. Assim, o objetivo geral deste trabalho foi sistematizar procedimentos de cálculo e de dimensionamento de estruturas para galpões em concreto pré-moldado com finalidade agro-industrial e automatizá-los pela via computacional. Procurou-se dar maior ênfase às instalações que se destinam à criação de animais em escala industrial, tendo em vista o bom desempenho desse setor na economia nacional. O produto do trabalho poderá servir de subsídio a profissionais que atuam nessa área e que têm como tarefa avaliar concepções de edificações cuja finalidade de uso é a criação de animais. 2 Instalações rurais e suas especificidades

As instalações agro-industriais devem proporcionar aos animais confinados condições apropriadas para o bom desenvolvimento dos mesmos, de forma que se obtenha maior eficiência no processo produtivo. Assim, na estrutura que irá compor a edificação deverá ser considerada a utilização de elementos de cobertura, fechamento lateral, lanternins, aberturas, equipamentos fixos etc.

As dimensões da instalação são função do tipo de finalidade de uso. Assim, para instalações avícolas, as larguras ficam em torno de 8 a 10 metros para galpões a serem construídos em regiões de clima quente e úmido e larguras de 10 a 14 metros em regiões de clima quente e seco. O pé-direito pode ser estabelecido em função da largura do galpão e varia de 2,80m a 4,20m. Recomenda-se o uso de telhas de fibrocimento com duas águas e inclinação da cobertura não inferior a 15o . O uso de lanternim consiste em um mecanismo muito comum que favorece a renovação do ar no interior da instalação. Em regiões de clima quente as cargas de ventiladores nas tesouras devem ser consideradas no projeto.

As instalações para suínos classificam-se em quatro modelos: unilateral fechado, bilateral fechado, aberto e misto (OLIVEIRA e PERDOMO, 1990). As áreas das instalações variam de 30 a 280 m2, com larguras que vão de 5 a 9 m, e altura de pé direito de 1,90 a 2,30 m.

O uso de sistemas pré-moldados para a criação de gado de corte se aplica quando é utilizado o sistema intensivo, que consiste no confinamento dos bois de corte. Pesquisas recentes demonstram que animais tratados em instalações cobertas e pisos

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revestidos ganharam maior peso corporal por cabeça por dia, quando comparados com animais tratados do mesmo modo, em instalações sem coberturas e com pisos não revestidos. O confinamento pode ser feito em cercados a céu aberto, em currais parcialmente cobertos ou em galpões fechados. CAMARGO (1998) estabelece como dimensões usuais para galpões com capacidade para abrigar cinqüenta animais (4,0 m2 por cabeça) 8x25 metros ou 10x20 metros, com 1 metro de beiral e pé-direito de 4 metros. 3 Sistemas Construtivos pré-fabricados para o meio rural

Com base nas geometrias citadas no item anterior, são, a seguir, apresentados

os sistemas construtivos mais utilizados no meio rural com finalidade agro-industrial e seus correspondentes esquemas estáticos, tipos e dimensões dos elementos que compõem a estrutura (SILVA,2004; EL DEBS, 2000).

3.1 Pilares engastados na fundação e viga articulada nos pilares

O esquema estático composto de pilares engastados nas fundações e viga articulada nos pilares (figura 2) representa o pórtico composto de uma viga com seção duplo-tê articulada nos pilares por meio de consolos inclinados, mostrado na figura 1. O pilar geralmente tem seção quadrada e pode receber um condutor em PVC para saída de águas pluviais. A viga duplo-tê tem dimensões principais de 40x80 centímetros ou 40x90 centímetros, e possui pilaretes que servem para apoio das terças, também pré-moldadas, com seção duplo-tê, de dimensões 20x25 centímetros e vão máximo de 10 metros. Tais seções são apresentadas na figura 3. A inclinação do telhado depende do tipo de telha utilizada e é obtida pela variação das alturas dos pilaretes. Na maioria dos casos, utilizam-se inclinações em torno de 6% e o maior vão de apoio das vigas duplo-tê é de 20 metros para vigas de 40x80 centímetros e de 25 metros para vigas de 40x90 centímetros.

Figura 1 – Pórtico constituído de viga duplo-tê Figura 2 – Esquema estático de pilares com pilares. engastados nas fundações e

viga articulada nos pilares.

Figura 3 – Seções e dimensões usuais no pórtico.

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Outro tipo de pórtico que resulta neste esquema estático são os pórticos constituídos de vigas-tesoura (figura 4). Essas vigas são fabricadas com diversos tipos de seções, mas geralmente possuem seção maciça sobre o apoio do pilar, para garantir uma seção resistente aos esforços de cisalhamento, e seção reduzida ao longo da peça. A inclinação usual destas vigas é de aproximadamente 12% e o maior vão de apoio de que se tem notícia é de 25 metros.

Figura 4 – Pórtico constituído de viga-tesoura apoiada sobre pilares e seção da viga-tesoura.

3.2 Pilares engastados na fundação e dois elementos de cobertura articulados sem tirante

A figura 5 mostra um galpão com o pórtico constituído de dois pilares, vigas-tesoura com beiral e terças seção “L”, coberto com telhas de fibrocimento. A figura 6 ilustra o esquema estático correspondente.

Figura 5 – Fazenda Santa Gertrudes, Jacareí/SP (fonte: www.leonardi.com.br).

Figura 6 – Esquema estático de pilares engastados nas fundações e duas vigas articuladas.

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3.3 Pilares engastados na fundação e dois elementos de cobertura articulados com tirante

O sistema estrutural apresentado na figura 7 é uma variação do sistema citado no item anterior. O uso do tirante evita a flambagem dos pilares e auxilia o pórtico na obtenção de maiores vãos transversais. O esquema estático correspondente é apresentado na figura 8.

Figura 7 – Exemplo de pórtico constituído de pilares engastados nas fundações e duas vigas articuladas com tirante.

Figura 8 – Esquema estático de pilares engastados nas fundações e duas vigas articuladas, com tirante.

3.4 Um único pilar engastado na fundação e dois elementos de cobertura engastados

A figura 9 mostra um galpão com o pórtico constituído de um único pilar, vigas-

tesoura em balanço e terças seção “L”, coberto com telhas de fibrocimento. O esquema estático correspondente é apresentado na figura 10.

Figura 9 – Fazenda Santa Gertrudes, Jacareí/SP (fonte: www.leonardi.com.br)

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Figura 10 – Esquema estático de um único pilar engastado na fundação e duas vigas engastadas

4 Definição da estrutura modelo

Para o desenvolvimento deste trabalho foi proposta uma instalação genérica, que mediante alguns ajustes arquitetônicos, possibilitam a utilização da construção para a criação de bovinos, suínos ou frangos, conforme a necessidade. A geometria, dimensões, equipamentos e ações a serem impostos para a análise da estrutura devem ser admitidos conforme indicados na literatura corrente.

A cobertura adotada é em duas águas com telha ondulada de fibrocimento, com 6 mm de espessura, levando em conta o conforto termo-acústico, baixo peso-próprio e a possibilidade de vencer grandes vãos.

O esquema estrutural utilizado foi constituído de pórticos planos sucessivos em concreto pré-moldado. As ligações viga-pilar (engaste) e pilar-fundação (articulação) foram escolhidas dentre as opções encontradas na literatura corrente. A ligação rígida viga-pilar é uma das formas básicas utilizadas em galpões de um único vão com cobertura inclinada, como é o caso da configuração escolhida. A ligação articulada entre o pilar e a fundação, embora não seja a forma mais comumente utilizada, oferece uma alternativa de solução para situações onde, por problemas construtivos, a transmissão de momentos fletores é considerada limitada. A instalação adotada tem planta retangular, e as dimensões geométricas são variáveis, devendo ser respeitados os limites indicados nas figuras 11, 12 e 13.

Figura 11 – Fachada frontal da estrutura modelo

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Figura 12 – Planta dos pilares da estrutura modelo Figura 13 – Planta da cobertura da estrutura modelo 4.1 Carregamentos e combinações

As ações e combinações de carga foram consideradas de acordo com a classificação e as recomendações apresentadas na norma NBR 8681 - Ações e Segurança nas Estruturas (ABNT, 2003). Foram consideradas como ações permanentes o peso próprio da estrutura, equipamentos fixos, elementos de fechamento da construção etc. As ações acidentais foram estabelecidas em função da utilização da construção, seguindo as especificações apresentadas pela norma NBR 6120 - Cargas para o Cálculo de Estruturas de Edificações (ABNT, 1980). As ações devidas ao vento foram definidas de acordo com a NBR 6123 - Forças devidas ao vento em edificações (ABNT, 1988).

4.2 Cálculo dos esforços

Os esforços foram obtidos por meio do programa computacional SAP 2000. Inicialmente o pórtico plano é definido e em seguida cria-se a estrutura em 3D. As terças devem ser desenhadas ligando os pórticos entres si, formando a estrutura espacial. Os nós devem ser engastados de forma a impedir a rotação e translação. O desenho apresenta o aspecto mostrado na figura 14.

Com a geometria da estrutura definida, o carregamento é então estabelecido. Ele é composto pelas seguintes ações: ações permanentes (CP) com um coeficiente de 1,05 desse modo são consideradas as conexões e peso de vigas, pilares e terças; sobrecarga (SC) e os ventos (Vento1X, Vento2X, Vento1Y e Vento2Y).

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Figura 14 – Aspecto do pórtico no SAP 2000

A seguir são feitas as combinações desse carregamento na estrutura que resultam

nas seis combinações abaixo:

COMB 1: 1,4.CP + 1,4.SC COMB 4: 0,9.CP + 1,4.VENTO2Y COMB 2: 0,9.CP + 1,4.VENTO1X COMB 5: 1,4.CP + 1,4.SC + 1,4.0,6.VENTO2X COMB 3: 0,9.CP + 1,4.VENTO1Y COMB 6: 0,9.CP + 1,4.0,7.SC + 1,4.VENTO2X

Definidas as combinações do carregamento, o programa pode ser rodado A figura 15

ilustra o diagrama de momento e esforço normal para a COMB6.

Figura 15 - Diagrama de força normal e momento para COMB 6

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5 O Programa DIMENSIONA Para a etapa de dimensionamento dos elementos lineares de concreto armado, foi desenvolvido um programa computacional que automatiza os procedimentos de cálculo. Este programa, denominado DIMENSIONA, foi desenvolvido em linguagem de programação DELPHI (ALMEIDA, 2003).

Esses procedimentos foram estabelecidos a partir da teoria de cálculo de estruturas de concreto armado (SUSSEKIND,1987). O cálculo foi baseado nas especificações apresentadas nas normas de concreto NBR 6118 - Projeto e Execução de obras de concreto armado (ABNT, 1980) e NBR 9062 - Projeto e Execução de estrutura de concreto pré-moldado (ABNT, 1985).

A seguir, são apresentadas as telas que compõem o programa.

TELA DE INTRODUÇÃO (figura 16): esta é a tela inicial do programa. Basta apertar a tecla “ENTER” para prosseguir.

Figura 16 – Tela de introdução

TELA PROGRAMA PRINCIPAL (figuras 17 e 18): funciona como uma espécie de Menu Principal. Todos os dados da viga e do pilar são fornecidos nesta tela. O botão CALCULA VALORES DA VIGA só será habilitado quando forem inseridos todos os dados da viga, seja ela retangular ou em “T”. O botão CALCULA VALORES DO PILAR também só será habilitado quando forem inseridos todos os dados do pilar.

TELA DE INFORMAÇÃO VIGA CORTANTE (figura 19) : quando, no Menu Principal, o botão CALCULA VALORES DA VIGA é acionado, caso a viga não resista ao esforço cortante, será apresentada esta tela. O programa retornará ao Menu Principal, devendo-se inserir novos dados para a viga de acordo com o solicitado.

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Figura 17 – Tela Programa Principal – dados para a viga

Figura 18 – Tela Programa Principal – dados para o pilar

Figura 19 - Tela de informação sobre o esforço cortante na viga

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TELA DE INFORMAÇÃO VIGA (figura 20) : quando, no Menu Principal, o botão CALCULA VALORES DA VIGA é acionado, caso a viga necessite de uma armadura superior ao limite máximo, será apresentada esta tela e o programa retornará ao Menu Principal, devendo-se inserir novos dados.

Figura 20 - Tela de informação sobre a viga

TELA DIMENSIONA – VIGA (figura 21): quando o botão CALCULA VALORES DA VIGA do Menu Principal é acionado, não havendo nenhuma restrição, será apresentada esta tela de resultados, que contém todos os dados da viga como dimensões, esforços, altura da linha neutra e armadura de flexão e cisalhamento.

Figura 21 - Tela Dimensiona - viga

TELA ÁBACO ROSETA (figura 22): quando o botão CALCULA VALORES DO PILAR do Menu Principal é acionado e o aço é CA 50-A, esta tela é apresentada. O valor de ω deve ser inserido de acordo com os dados do problema. TELA DE INFORMAÇÃO PILAR (figura 23): quando, na TELA ÁBACO, o botão Ok é acionado, caso o pilar necessite de uma armadura superior ao limite máximo, será apresentada esta tela. O programa retornará ao Menu Principal, devendo-se inserir novos dados para o pilar de acordo com o solicitado. TELA DIMENSIONA – PILAR (figura 24): quando, na TELA ÁBACO ROSETA, o botão Ok for acionado, e não ocorrer nenhuma restrição, será apresentada esta tela, que contém todas os dados do pilar como dimensões, esforços e armadura.

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Figura 22 – Tela Ábaco de Roseta

Figura 23 – Tela de informação sobre o pilar

Figura 24 - Tela Dimensiona - Pilar

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7. CONCLUSÕES

A proposta de sistematizar procedimentos de cálculo e de dimensionamento de estruturas para galpões em concreto pré-moldado com finalidade agro-industrial e automatizá-los pela via computacional foi desenvolvida, mas não está concluída, já que o procedimento apresentado ainda apresenta várias limitações. O programa DIMENSIONA, quando concluído, poderá resultar em uma ferramenta bastante útil aos profissionais que atuam no setor agro-industrial que têm como tarefa avaliar concepções de edificações cuja finalidade de uso é a criação de animais.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALMEIDA, P.P.N. Estudo e automação de estruturas para galpões em concreto pré-moldado. . Relatório de iniciação científica/FAPESP (não publicado), 2003. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Ações e segurança nas estruturas – NBR 8681. ABNT, Rio de Janeiro, 1984. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Cargas para o cálculo de estruturas de edificações – NBR 6120. ABNT, Rio de Janeiro, 1980. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Forças devidas ao vento em edificações – NBR 6123. ABNT, Rio de Janeiro, 1990. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS . Projeto e Execução de obras de concreto armado - NBR-6118. ABNT, Rio de Janeiro, 1980. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Projeto e Execução de estrutura de concreto pré-moldado - NBR-9062.ABNT, Rio de Janeiro, 1985. CAMARGO, M.L.R.M.C. Diretrizes gerais para o projeto estrutural de construções rurais. Dissertação (Mestrado). FEAGRI-UNICAMP, Campinas,1998. EL DEBS, M. K. Concreto pré-moldado: fundamentos e aplicações. EESC-USP, 441p, São Carlos, 2000. OLIVEIRA, P. A.; PERDOMO, C. C. Modelos de edificações usadas em criação de suínos no sul do Brasil. In: ENCONTRO NACIONAL DE TÉCNICOS E PESQUISADORES DE CONSTRUÇÕES RURAIS, 1., 1990, São Paulo. Anais. São Paulo, Associação Brasileira de Cimento Portland, 1990. SILVA, T. B. Estudo e automação de sistemas estruturais pré-moldados para fins agro-industriais. Relatório interno (não publicado), 2004. SUSSEKIND, J.C. Curso de Concreto. Vol.1. Globo, 5a edição, 376 p, 1987. Site: http://www.leonardi.com.br