Fundamentos de Segurança das Estruturas de Concreto Armado -> Para Entender e Gostar - João netto
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Fundamentos de Segurança das Estruturas de Concreto Armado -> Para Entender e Gostar
admin 26 de outubro de 2017 Comente! Sem categoria
Para começar a falar de Segurança das Estruturas de Concreto Armado. Quero te fazer uma pergunta!
Quando uma estrutura pode ser considerada SEGURA?
As estruturas, no seu conjunto ou em parte, devem resistir com uma conveniente margem de segurança a todas as solicitações oriundas de carregamentos aplicados (estabilidade), além de não apresentarem deformações ou vibrações excessivas (conforto) ou fissuração indesejável (durabilidade) que possam comprometer sua utilização e durabilidade.
Objetivos da verificação da segurança
Qualquer construção apresenta um conjunto de partes resistentes e outro, de partes não-resistentes. O primeiro é denominado estrutura. A verificação da segurança da estrutura visa à garantia de:
capacidade de carga e estabilidade da estrutura;
boas condições de utilização, para os fins a que se destina;
durabilidade, durante a vida útil prevista.
Para certos tipos de estruturas, são fixadas condições específicas, como a exigência de resistência ao fogo, à explosão, ao impacto ou às ações sísmicas, ou exigências relativas à estanqueidade, ao isolamento térmico ou acústico. Além disso, podem ser fixadas exigências referentes ao impacto ambiental.
Não existe estrutura 100% segura. Segurança é a capacidade que uma estrutura apresenta de suportar diversas ações, mantendo-se as condições funcionais para as quais a estrutura foi construída, por isso é muito importante estudar a Segurança das Estruturas de Concreto Armado.
A finalidade do cálculo é garantir uma segurança contra ruína estrutural (e outros elementos da construção),assegurando sua utilização normal durante a vida da estrutura. Quando uma estrutura torna-se imprópria para seu uso normal por deixar de cumprir suas funções ou não mais satisfaz as condições para as quais ela foi concebida, dizemos que foi atingido um estado limite.
Assim, em função dos requisitos estabelecidos são definidos os estados limites: Estado limite último e e estado limite de utilização.
As estruturas devem apresentar condições adequadas de segurança, funcionalidade e durabilidade.Sendo assim, devem existir situações limites correspondentes aos três fatores acima. Essas situações denominam-se Estados-Limites. Existem dois grupos: Estados-Limites Últimos e Estados-Limites de Serviço.
Os ensaios para determinação de uma dada resistência f de um material qualquer verificam que tal valor é uma variável aleatória contínua, que deve ser analisada em uma distribuição de probabilidade. A segurança dos materiais, portanto, não deve ser determinada apenas com a utilização de coeficientes próprios, uma vez que a própria variação destas resistências provoca uma maior ou menor segurança.
Os coeficientes são então substituídos por probabilidades de ruína – assume-se um risco. A probabilidade de ruína de uma estrutura fica entre 1:10000 e 1:1000000.
Não se conhece o comportamento estrutural com perfeição suficiente e não se tem informações completas de todos os fatores que podem influir na segurança das estruturas. Desenvolveu-se então, o método dos estados limites, considerado semi-probabilístico.A idéia de se majorar cargas e reduzir resistências por meio de coeficientes ainda permanece,mas recorre-se a dados estatísticos e conceitos de probabilidade.Para se entender o principio do método dos estados limites deve-se ter em mente as seguintes definições:
Valor característico (Fk): valor associado a uma determinada probabilidade de não ser ultrapassado em seu sentido mais desfavorável.
Valor de cálculo (Fd): são os valores de cálculo para ações, solicitações e resistência dos materiais a serem adotados no estado limite.
Tomam-se então valores característicos para resistências dos materiais e para as ações e solicitações e utilizam-se valores de cálculo para cada uma das partes envolvidas. O dimensionamento é então feito em um nível intermediário, da seguinte forma:
Desenvolveu-se então, o método dos estados limites, considerado semi-probabilístico
Estado Limite Último (de ruína)
Estado limite último (ou de ruína) são aqueles relacionados ao colapso, ou a qualquer outra forma de ruína estrutural que determine a paralisação, no todo ou em parte, do uso da estrutura. No projeto das estruturas de concreto armado, deve-se verificar a segurança em relação aos seguintes estados limites últimos:
a)ruptura ou deformação plástica excessiva dos materiais;
b)instabilidade do equilíbrio, considerando os efeitos de segunda ordem;
c)perda de equilíbrio da estrutura, admitida como um corpo rígido;
d)estado limite último provocado por solicitações dinâmicas;
e)transformação da estrutura, no todo ou em parte, em um sistema hipostático.
Estados limites de utilização (ou de serviço): correspondem aos estados em que a utilização da estrutura torna-se prejudicada, por apresentar deformações excessivas (incluindo vibrações indesejáveis), ou por um nível de fissuração que comprometa a sua durabilidade. Embora não seja atingida a capacidade resistente da estrutura, esta não oferece condições adequadas de uso, ou tem sua durabilidade comprometida. Dentre outros, podemos ter:
Estado-limite de formação de fissuras: estado em que há uma grande possibilidade de iniciar-se a formação de fissuras de flexão.
Estado-limite de abertura das fissuras: estado em que as fissuras se apresentam com abertura máxima admissível, sem prejuízo ao uso ou à durabilidade da peça.
Estado-limite de deformação excessiva: estado em que as deformações atingem os limites aceitáveis para a utilização normal da estrutura.
Estado de vibrações excessivas: estado em que as vibrações atingem os limites estabelecidos para a utilização normal da construção.
Assim, no projeto das estruturas usuais de concreto armado, são considerados o estado limite de deformações excessivas e o estado limite de abertura das fissuras. Observa-se que o requisito da segurança está relacionado com os estados limites últimos, enquanto a durabilidade, a aparência e o conforto estão ligados aos estados limites de utilização.
Valores Característicos e de Cálculo da resistência dos materiais
As resistências características do concreto (fck) e do aço (fyk) são obtidas com uma probabilidade de ocorrência de 95% (nível de confiança). As resistências de cálculo são obtidas dividindo-se as resistências características (fk) pelo coeficiente de ponderação (minoração) das resistências (𝛾𝑚). No Estado Limite Último, estes coeficientes são:
Tabela adaptada da NBR61182014
Assim, a resistência de cálculo do concreto à compressão em situações normais será, no Estado limite último: 𝑓𝑐𝑑 = 𝑓𝑐𝑘⁄𝛾𝑐 => 𝑓𝑐𝑑 = 𝑓𝑐𝑘/1,4
Nota: "A norma fixa como obter o valor de (𝑓𝑐𝑑) no caso de verificações que se façam necessárias num adata "j", inferior aos 28 dias."
A resistência de cálculo à tração do aço em situações normais será, no estado limite último: 𝑓𝑦𝑑 = 𝑓𝑦𝑘⁄𝛾𝑠 => 𝑓𝑦𝑑 = 𝑓𝑦𝑘/1,15
Para os Estados Limites de Serviço, não se reduzem as resistências dos materiais, ou seja, adota-se (𝛾𝑚= 1,0).
Ações Diretas: as forças ;
Ações indiretas: as deformações impostas ;
1.Ações permanentes (Fg): ocorrem com valores constantes ou de pequena variabilidade, durante praticamente toda a vida útil da construção.
a)Ações permanentes diretas: peso próprio da estrutura, alvenarias, revestimentos, peso de equipamentos fixos, etc.
b)Ações permanentes indiretas: recalques de apoio, retração e fluência do concreto, protensão, imperfeições geométricas de pilares.
2.Ações variáveis(Fq): ocorrem com valores que sofrem significativas variações durante a vida da construção. Exemplos: cargas acidentais (peso das pessoas, móveis, veículos, etc.), forças de frenação, de impacto e centrífugas, efeitos do vento e das variações de temperatura, pressões hidrostáticas e hidrodinâmicas.
3.Ações excepcionais: possuem uma duração muito curta e uma probabilidade de ocorrência muito pequena durante a vida da construção (explosões, choques de veículos, incêndios, enchentes, sismos).
Valores característicos das ações (Fk): são definidos em função de suas variabilidades.
Cargas acidentais de edifícios: valores característicos fornecidos na NBR-6120.
Ação do vento: valores fornecidos na NBR-6123.
Peso específico dos materiais de construção: valores médios fornecidos na NBR-6120.
Valores reduzidos de combinação: levam em conta a pequena probabilidade de ocorrência simultânea dos valores característicos de ações variáveis de origens diferentes. Os coeficientes são dados na NBR-6118.
Tabela adaptada da NBR61182014 Fatores de combinação no estado limite último
Combinação de ações no Estado limite ultimo
Numa estrutura podem atuar ações permanentes e ações variáveis de diversas origens. Há previsão normativa, no estado-limite último, de três possibilidades de combinações de ações:
Combinações últimas normais;
Combinações últimas especiais ou de construção;
Combinações últimas excepcionais
Nos pavimentos de edificações, entretanto, geralmente são consideradas somente as cargas permanentes, as cargas de utilização normais e eventuais deformações impostas, na combinação última normal.
𝐹𝑑 = 𝛾𝑔 . 𝐹𝑔𝑘 + 𝛾𝜖𝑔 . 𝐹𝜖𝑔𝑘 + 𝛾𝑞1 . 𝐹𝑞1𝑘
Os coeficientes adotados são (item 11.7.1 da norma):
𝐹𝑑 = 1,4 . 𝐹𝑔𝑘 + 1,2 . 𝐹𝜖𝑔𝑘 + 1,4 . 𝐹𝑞1,𝑘
Caso os esforços devidos à carga permanente sejam favoráveis, o coeficiente altera:
𝐹𝑑 = 1,0 . 𝐹𝑔𝑘 + 1,2 . 𝐹𝜖𝑔𝑘 + 1,4 . 𝐹𝑞1,𝑘
Para combinações últimas de construção e excepcionais estes coeficientes têm valores diferenciados, geralmente inferiores aos aplicados às combinações normais.
Combinação é uma cálculo simples, basta multiplicar o coeficiente e somar com as outras cargas que também foram majoradas ou minoradas, porém é necessário bastante atenção na hora de defini-los, isso está diretamente ligado a segurança da estrutura.
No caso de se ter que considerar cargas acidentais de diferentes origens, tendo em vista a baixa probabilidade de que todas atuem simultaneamente com intensidade máxima, podem ser aplicados coeficientes de ponderação (𝜓0) nas ações variáveis secundárias.
𝐹𝑑 = (𝛾𝑔 . 𝐹𝑔𝑘) + (𝛾𝜖𝑔 . 𝐹𝜖𝑔𝑘) + (𝛾𝑞1 . 𝐹𝑞1,𝑘) + ∑ (𝛾𝑞𝑗 . 𝜓0 . 𝐹𝑞𝑗,𝑘) + (𝛾𝜖𝑞 . 𝜓𝑜𝜀 . 𝐹𝜖𝑞𝑘)
Observe que as incógnitas são identificadas de forma bem detalhada.
Exemplo: 𝐹𝑔𝑘 = Ação permanente característica
Há previsão normativa, no estado-limite de serviço, de três possibilidades de combinações de ações:
Combinações quase permanentes de serviço – ações atuam durante grande parte do período de vida da estrutura, usadas na verificação do estado-limite de deformações excessivas as cargas acidentais são afetadas por um coeficiente (𝜓2 – Tabela logo abaixo);
𝐹𝑑,𝑠𝑒𝑟 = ∑𝐹𝑔𝑖,𝑘 + ∑𝜓2 . 𝐹𝑞𝑗,𝑘
Combinações frequentes de serviço – ações que se repetem muitas vezes durante o período de vida da estrutura, usadas na verificação do estado-limite de abertura de fissuras e de vibrações excessivas as cargas acidentais principais são afetadas por um coeficiente (𝜓1, na tabela logo abaixo), e as cargas acidentais secundárias, se existentes, são afetadas por um coeficiente (𝜓2 , na tabela logo abaixo);
𝐹𝑑,𝑠𝑒𝑟 = ∑𝐹𝑔𝑖,𝑘 + 𝜓1 . 𝐹𝑞1,𝑘 + ∑𝜓2 . 𝐹𝑞𝑗,𝑘
Combinações raras de serviço – ocorrem algumas vezes durante o período de vida da estrutura e sua consideração pode ser necessária na verificação do estado limite de formação de fissuras, havendo cargas acidentais principais e secundárias, teremos:
𝐹𝑑,𝑠𝑒𝑟 = ∑𝐹𝑔𝑖,𝑘 + 𝐹𝑞1,𝑘 + ∑𝜓1 . 𝐹𝑞𝑗,𝑘
Tabela adaptada da NBR61182014 – Valores do coeficiente
üCondições de segurança no estado limite último:
R=(Rc /𝛾c , Rs /𝛾s ) > 𝛾f.Sk
A resistência interna (R) de uma seção, que é função das resistências
(Rc e Rs) oferecidas pelo concreto e pelo aço, deve ser maior ou igual à solicitação de cálculo (𝛾f Sk) nela atuante.
𝛾f.Sk – Solicitação de Cálculo
8 passos usuais para o processo de dimensionamento de estruturas
1 – Definição do esquema estrutural (lançamento da estrutura), fixando a disposição geral, condições de apoio, dimensões, etc.
2 – Estabelecimento das hipóteses de carga: combinação das ações que atuam na estrutura, de modo a se alcançar as situações mais desfavoráveis. Cuidado especial com interferências externas à estrutura.
3 – Definição do contraventamento e consideração da ação do vento na edificação, se for o caso.
4 – Determinação dos esforços solicitantes nos diversos elementos estruturais.
5 – Dimensionamento (via de regra, apenas as seções críticas).
6 – Verificação dos estados limites de serviço (fissuração, flechas etc).
7 – Elaboração e entrega dos documentos de projeto (especificações, memórias de cálculo, desenhos de fôrmas e de armação etc).
8 – Avaliação de conformidade e termo de aceitação do projeto (itens 5.3 e 25.1 da norma), que deve ser feita antes da fase de construção, e, de preferência, simultaneamente com a fase de projeto.
Não é raro surgirem problemas graves em estruturas, por falta de conhecimento adequado de seu funcionamento por parte dos engenheiros projetistas, especialmente no que diz respeito ao seu adequado contraventamento (capacidade de suportar não só as ações horizontais, mas também as próprias ações verticais), assim você estará a favor da Segurança das Estruturas de Concreto Armado.
As recomendações aqui apresentadas, indicam os principais cuidados a serem tomados no desenvolvimento de um projeto estrutural de qualidade. Cabe ao projetista estrutural analisar, para cada empreendimento específico, cuidados adicionais a serem tomados. Nesse sentido, a leitura atenta das Normas Técnicas e a obediência às suas prescrições são de fundamental importância para embasar as decisões técnicas de projeto, garantindo adicionalmente proteção jurídica ao projetista e ao contratante em eventuais problemas futuros.
Referências – Editora Dunas, ABNT, Paulo Bastos
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João Neto, 23 anos, Engenheiro Civil. Apaixonado por "O poder que a internet tem de impactar a vida das pessoas". Gosto de aprendizagem, engenharia, empreendedorismo e filme. Acredito que minha missão é aprender e ensinar cada vez melhor.