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PEF 2303 ESTRUTURAS DE CONCRETO I
INTRODUÇÃO À
SEGURANÇA DAS ESTRUTURAS
Introdução à Segurança das Estruturas
Introdução à Segurança das Estruturas
Conceito de Segurança
Métodos de Verificação da Segurança
• Método das Tensões Admissíveis
• Métodos Probabilísticos
• Método Semi-Probabilístico
Método dos Estados Limites
• Estado Limite Último
• Estado Limite de Serviço
Introdução à Segurança das Estruturas
Conceito de Segurança
“ Segurança de uma estrutura é
a capacidade que ela apresenta de
suportar,sem atingir um estado limite,
as ações mais desfavoráveis ao longo
da vida útil da obra em condições
adequadas de funcionalidade. ”
Introdução à Segurança das Estruturas
Conceito de Segurança
qualitativo e de difícil quantificação !
insegurança x desperdício.
fatores que influenciam a segurança:
variabilidade das ações e resistências,
importância da estrutura – custo dos danos,
imprecisões geométricas,
imprecisões de projeto relativas às
resistências e solicitações, ...
“ Segurança é o afastamento que uma estrutura
apresenta entre as situações previstas para seu
uso e a situação de ruína. ”
Introdução à Segurança das Estruturas
Conceito de Segurança
O engenheiro é justamente aquele profissional
que adquire a habilidade de conduzir o carro numa
estrada relativamente estreita, entre dois precipícios:
o da insegurança e o do desperdício.
Lauro Modesto dos Santos Cálculo de Concreto Armado – vol.1
Introdução à Segurança das Estruturas
Conceito de Segurança
Segurança é obtida através de concepções baseadas
na intuição dos projetistas e construtores.
Método Intuitivo
Intuição: pode ser pura, ou, mais comumente,
condicionada por sucessos e insucessos de
construções similares anteriormente feitas,
inclusive de modelos.
Introdução à Segurança das Estruturas
Conceito de Segurança
Segurança é obtida através de concepções baseadas
na intuição dos projetistas e construtores.
Método Intuitivo
anti-econômicas;
grau de insucesso elevado;
obrigatoriedade, face ao desconhecimento das
teorias quantitativas do comportamento estrutural.
Introdução à Segurança das Estruturas
Conceito de Segurança
Teorias quantitativas mecânica das estruturas
• comportamentos estruturais
• comportamento reológico
• determinação dos esforços internos, deformações
e deslocamentos produzidos por ações
• critérios de resistência dos materiais
métodos experimentais
Hipótese fundamental:
comportamento estrutural determinístico
Como
Quantificar ?
Introdução à Segurança das Estruturas
• aplicação de um coeficiente de segurança interno:
• condição de segurança:
Métodos de Verificação da Segurança
Método das Tensões Admissíveis
i
rup
1i
rup
..... tensões admissíveis
..... tensões atuantes
..... tensões de ruptura
• o coeficiente i que avalia a segurança, varia
conforme o material, para garantir a mesma segurança.
54
7,1
amadeira
aço
Introdução à Segurança das Estruturas
• i grande não significa necessariamente grande segurança,
portanto i não quantifica segurança.
• i tem mais significado como coeficiente de ignorância em relação ao
comportamento do material.
• não levam em consideração a combinação prevista de ações.
• em problemas não-lineares, i conduz a uma idéia falsa,
levando muitas vezes a soluções anti-econômicas.
• não quantifica a segurança, encontra-se definitivamente superado.
Método das Tensões Admissíveis
principais críticas:
Introdução à Segurança das Estruturas
PROBABILIDADE DE RUÍNA
Métodos de Verificação da Segurança
Métodos Probabilísticos
coeficientes de segurança: i e e probabilidade de ruína
RUÍNA
R (resistência) é alcançada por S (solicitação)
SRpp
Introdução à Segurança das Estruturas
Métodos Probabilísticos
não há segurança absoluta (p=0) !
o risco sempre existe, ainda que com projeto, execução
e controle dentro dos mais rigorosos padrões.
faz-se a distinção entre o insucesso aleatório, sem culpados,
e os desastres por imperícia ou irresponsabilidade.
o risco é inerente à vida – não se adota um coeficiente de
segurança, também nas estruturas assume-se um risco.
Introdução à Segurança das Estruturas
Métodos Probabilísticos
uma probabilidade p pode ser concebida de duas maneiras:
• limite para o qual tende a frequência relativa da ocorrência do
evento, para um número n grande de repetições;
• medida subjetiva do grau de confiança na ocorrência do evento.
quantificar a segurança é quantificar p.
(1-p) mede a confiança no sucesso da estrutura.
índice de segurança: colog p.
quantificar p é tarefa extremamente complexa, que envolve
problemas técnicos, éticos, políticos e econômicos.
é muito difícil estabelecer números quando há vidas em jogo.
Introdução à Segurança das Estruturas
Métodos Probabilísticos
a escolha de p é ditada fundamentalmente por razões econômicas.
menor a
probabilidade
de ruína p
maior o
nível de
segurança
mais cara
a estrutura
teoricamente, deve-se utilizar o valor de p que compatibilize custo
com segurança adequada da obra.
por exemplo: p=0,001=1/1000, o custo total destas obras é dado por:
DCC 1tot 1000
DpCDCC 111000
1
p
p
p.D
C1
C1 + p.D
custo
unitário
determinação da probabilidade de ruína p
mais indicada – menor custo unitário
Introdução à Segurança das Estruturas
Métodos Probabilísticos
Método probabilístico condicionado
• quase tudo é ALEATÓRIO:
ações, solicitações, resistências, geometria da estrutura.
• teoria que fornece a configuração de ruína:
continua DETERMINÍSTICA.
Método probabilístico puro
• a consideração de todas as configurações de ruína
possíveis pela aleatoriedade das propriedades mecânicas
e dos parâmetros geométricos constitui a essência do
método probabilístico puro.
• é muito complexo – constitui sonho dos pesquisadores.
Introdução à Segurança das Estruturas
Método Semi-Probabilístico
a verificação da segurança consiste,
basicamente, no seguinte procedimento:
• ações e resistências características
variáveis aleatórias - 5% de probabilidade de serem
ultrapassados para o lado mais desfavorável
• ações e resistências de cálculo
majoram-se as ações e solicitações (f) e reduzem-se as
resistências (m, s para o aço e c para o concreto)
• segurança : situação de ruína
determinística, valores de cálculo. dd RS
Introdução à Segurança das Estruturas
Método Semi-Probabilístico
constitui um progresso em relação aos anteriores, pois:
• introduz dados estatísticos e conceitos probabilísticos de
maneira racional e sistemática (c> s, variabilidade maior no concreto);
• aborda estruturas de comportamento não-linear sem se deixar falsear;
• a crítica mais séria é que, em se tratando de método híbrido, não é
possível determinar-se um coeficiente global de segurança e nem
conhecer a probabilidade de ruína;
“a única perda havida realmente foi a perda da ilusão de
que a segurança estrutural era conhecida e medida” Décio Leal de Zagottis
Introdução à Segurança das Estruturas
Métodos dos Estados Limites
(semi-probabilístico)
ESTADOS LIMITES:
quando uma estrutura deixa de preencher uma
qualquer das finalidades de sua construção, diz-
se que ela atingiu um estado limite
Introdução à Segurança das Estruturas
Métodos dos Estados Limites
(semi-probabilístico)
ESTADO LIMITE ÚLTIMO – ELU esgotamento da capacidade portante,
associados ao colapso provocando a paralização do uso:
• ruptura de seções críticas da estrutura,
• colapso da estrutura,
• perda da estabilidade do equilíbrio,
• deterioração por fadiga;
Introdução à Segurança das Estruturas
Métodos dos Estados Limites
(semi-probabilístico)
ESTADO LIMITE DE SERVIÇO – ELS associados à durabilidade, aparência, conforto do
usuário e bom desempenho funcional
• deformações excessivas para utilização normal da estrutura,
•fissuração prematura ou excessiva,
•danos indesejáveis (corrosão),
•deslocamentos excessivos sem perda da estabilidade,
• vibrações excessivas.
Introdução à Segurança das Estruturas
Ações
• características Fk,sup = Fk
valor característico superior, 5% de probabilidade de ser ultrapassado.
valor da carga (F)
Fk,sup
densidade de
probabilidade
distribuição
normal
5%
• cálculo Fd = f . Fk
reduzindo a probabilidade de ser ultrapassado.
Método Semi-Probabilístico
Introdução à Segurança das Estruturas
Combinações Usuais das Ações
Em edifícios:
• para verificações de estados limites últimos
(fg = fq = 1,4); (e = 1,2)
Fd = 1,4 Fgk + 1,4 Fqk + 1,2 Fek (desfavorável)
Fd = 0,9 Fgk + 1,4 Fqk + 1,2 Fek (favorável)
• para verificações de estados limites de utilização
(fg = 1 e fq = 0,7); (e = 1)
Fd = Fgk + 0,7 Fqk + Fek
Método Semi-Probabilístico
Introdução à Segurança das Estruturas
Simultaneidade das Ações
Cargas variáveis: naturezas distintas e probabilidades de ocorrências simultâneas
Quando existirem ações variáveis de naturezas diferentes com pouca probabilidade de ocorrência simultânea, com Fqk1 Fqk2 Fqk3 ... , adotam-se as seguintes ações de cálculo (combinação de ações):
para verificações de estados limites últimos
Fd = 1,4 Fgk + 1,4 [Fqk1 + 0,8 (Fqk2 + Fqk3 + ...)] + 1,2 Fek
para verificações de estados limites de serviço em edifícios
Fd = Fgk + 0,7 [Fqk1 + 0,8 (Fqk2 + Fqk3 + ...)] + Fek
Método Semi-Probabilístico
Introdução à Segurança das Estruturas
Resistências
• características fk,inf = fk
valor característico inferior, 5% de probabilidade de ser ultrapassado
• cálculo fd = fk / m
reduzindo a probabilidade de ser inferior
fk,inf
densidade de
probabilidade
distribuição
normal
5%
Método Semi-Probabilístico
Introdução à Segurança das Estruturas
Coeficientes de Ponderação das Resistências
m = m1 x m2 x m3
m1 : considera a variabilidade da resistência dos materiais envolvidos
m2 : considera a diferença entre a resistência do material no corpo de
prova e na estrutura
m3 : considera os desvios gerados na construção e as aproximações
feitas em projeto do ponto de vista das resistências
Método Semi-Probabilístico
Introdução à Segurança das Estruturas
Coeficientes de Ponderação das Resistências
Combinações
Concreto (c)
Aço (s)
Normais 1,4 1,15
Especiais ou
de construção 1,2 1,15
Excepcionais
1,2
1,0
ELS ELU
m = 1,0
Método Semi-Probabilístico
Introdução à Segurança das Estruturas
Coeficientes de Ponderação
Método Semi-Probabilístico
Introdução à Segurança das Estruturas
• estados limites últimos (ELU)
Concreto: c = 1,4 fcd = fck / 1,4
Aço: s = 1,15 fyd = fyk / 1,15
• estados limites de serviço (ELS) Concreto: c = 1
Aço: s = 1
Coeficientes de Ponderação das Resistências
Usuais em Edifícios:
Método Semi-Probabilístico
Introdução à Segurança das Estruturas
o concreto quando bem executado, é um material estável;
e quando exposto as intempéries, sua resistência mecânica
cresce lentamente com o tempo;
o aço é um material sujeito à corrosão eletroquímica, essa
corrosão ou ferrugem reduz a seção resistente do aço, limitando
a sua durabilidade;
as barras de aço (armadura) são protegidas contra a corrosão
pelo fato de o concreto ser um meio alcalino, e essa proteção é
mantida mesmo com o concreto fissurado moderadamente;
por isso, as estruturas de concreto armado têm uma grande
durabilidade quando expostas ao meio ambiente
Durabilidade do Concreto Estrutural
Introdução à Segurança das Estruturas
Exigências de Durabilidade
As estruturas de concreto devem ser projetadas e
construídas de modo que sob as condições
ambientais previstas na época do projeto e quando
utilizadas conforme preconizado em projeto
conservem suas segurança, estabilidade e aptidão
em serviço durante um período mínimo de 50 anos,
sem exigir medidas extras de manutenção e reparo.
Durabilidade do Concreto Estrutural (Diretrizes do Projeto de Revisão da NBR6118/2000)
Introdução à Segurança das Estruturas
Vida Útil (50 anos)
por vida útil de projeto, entende-se o período de
tempo durante o qual se mantêm as características
das estruturas de concreto sem exigir medidas extras
de manutenção e reparo, isto é, é após esse período
que começa a efetiva deterioração da estrutura, com
o aparecimento de sinais visíveis como: produtos de
corrosão da armadura, desagregação do concreto,
fissuras, etc.
o conceito de vida útil aplica-se à estrutura como um
todo ou às suas partes.
Durabilidade do Concreto Estrutural (Diretrizes do Projeto de Revisão da NBR6118/2000)
Introdução à Segurança das Estruturas
Mecanismos de Envelhecimento e Deterioração
Mecanismos preponderantes de deterioração relativos ao concreto;
lixiviação, expansões, reações deletérias superficiais de agregados
Mecanismos preponderantes de deterioração relativos à armadura;
despassivação por carbonatação e por elevado teor de cloretos
Mecanismos de deterioração da estrutura propriamente dita
São todos aqueles relacionados às ações mecânicas, movimentações de
origem térmica, impactos, ações cíclicas, deformação lenta (fluência),
relaxação, etc.
Durabilidade do Concreto Estrutural (Diretrizes do Projeto de Revisão da NBR6118/2000)
Introdução à Segurança das Estruturas
Durabilidade do Concreto Estrutural (Diretrizes do Projeto de Revisão da NBR6118/2000)
Classe de agressividade
Agressividade
Risco de deterioração da estrutura
I fraca insignificante
II média pequeno
III forte grande
IV muito forte elevado
Agressividade do Ambiente
(ações físicas e químicas que atuam sobre as estruturas)
Introdução à Segurança das Estruturas
Para evitar envelhecimento prematuro e satisfazer as exigências de
durabilidade devem ser observados os seguintes critérios do conjunto de
projetos relativos à obra:
prever drenagem eficiente;
evitar formas arquitetônicas e estruturais inadequadas;
garantir concreto de qualidade apropriada, particularmente nas regiões
superficiais dos elementos estruturais;
garantir cobrimentos de concreto apropriados para proteção às
armaduras;
detalhar adequadamente as armaduras;
controlar a fissuração das peças;
prever espessuras de sacrifício ou revestimento protetores em regiões sob
condições de exposição ambiental muito agressivas;
definir um plano de inspeção e manutenção preventiva.
Durabilidade do Concreto Estrutural (Critérios de Projeto)