ESTUDO DAS LIGAÇÕES DE MONTAGEM EM ESTRUTURAS PRÉFABRICADAS DE CONCRETO1
Carlos Henrique dos Santos2
Rogério Eustáquio Cirilo3
Ronilson Flávio Souza4
RESUMO: Um dos fatores mais importantes durante o processo de criação de uma
estrutura pré-fabricada são os conceitos relativos às ligações entre os diversos
elementos pré-fabricados.
Todos os detalhes possíveis devem ser levados em
consideração quando se projeta uma estrutura e suas ligações, para que seja
atingido o conceito da perfeita eficiência estrutural, atrelado ao sinônimo de rapidez
executiva que é inerente ao sistema pré-fabricado. Esse artigo tem por objetivo
realizar um estudo sobre as ligações entre estruturas pré-fabricadas de concreto
durante o processo de montagem, suas principais características técnicas e
executivas, além de fazer uma comparação com uma estrutura de concreto armado
convencional.
Palavras-chave: estrutura, pré-fabricado, ligações, montagem, concreto.
1
Artigo Científico do Curso de Engenharia Civil das Faculdades Kennedy.
Graduando em Engenharia Civil, [email protected].
3
Graduando em Engenharia Civil, [email protected].
4
Professor do curso de Engenharia Civil e orientador do Artigo Científico.
2
Revista Pensar Engenharia, v. 2, n. 1, jan. 2014
1 – INTRODUÇÃO
A construção civil é um dos ramos de atividade em que seus processos,
quase em sua totalidade, são executados de forma artesanal.
A industrialização da construção civil já é uma tendência irreversível
onde eficiência, racionalização e sustentabilidade andam atreladas ao maior
treinamento da mão de obra envolvida, facilidade do gerenciamento dos custos e ao
maior desempenho estrutural das construções.
Dentro desse contexto, pode-se afirmar que o que difere as estruturas
pré-moldadas das estruturas realizadas pelo método tradicional (moldado no local,
monolítico), com relação ao comportamento estrutural, é a presença de ligações
entre os elementos. Com isso, o estudo das ligações se torna muito importante,
estando ela proporcionalmente relacionada com o comportamento da estrutura,
sendo responsável pela transmissão e distribuição dos esforços na mesma .
.
2. ELEMENTOS ESTRUTURAIS PRÉ-FABRICADOS
As estruturas pré-fabricadas de concreto são peças executadas
industrialmente, com realização de inspeção em todos os processos de produção,
controle tecnológico e ensaios que atestam a qualidade da peça produzida.
Segundo a NBR 9062 – Projeto e Execução de Estruturas de Concreto
Pré-Moldado – a definição de estrutura pré-fabricada é a seguinte: “O elemento prémoldado executado industrialmente, em instalações permanentes de empresa
destinada para este fim, que se enquadram e atendem aos requisitos mínimos das
especificações” (NBR 9062, 2006, pg. 4).
Ebeling (2006) cita que uma característica importante das estruturas de
concreto pré-fabricado é a possibilidade de ser dividida em elementos. Essa divisão
se faz necessária para a realização das ligações, obtendo assim a configuração final
da estrutura. “Por estas razões, quando se fala em pré-fabricação, pensa-se nas
ligações entre os elementos pré-fabricados e na influência que estas têm no
comportamento da estrutura” (ALBARRAN, 2008, pg. 3).
Entre os principais elementos construtivos pré-fabricados se destacam os
pilares, as vigas de concreto armado e em concreto protendido e as lajes alveolares
protendidas.
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3. O CONCEITO DAS LIGAÇÕES
As ligações entre estruturas pré-fabricadas de concreto são de grande
importância na fase de projeto, onde há toda concepção do sistema estrutural.
O tipo de ligação escolhido para a realização da vinculação entre os
elementos terá grande influência na fase de montagem. Essa influência pode vir a
interferir no cronograma da obra e no comportamento final da estrutura. Devido a
essas particularidades, as ligações constituem uma das principais dificuldades a
serem enfrentadas pelos projetistas (EBELING, 2006).
Segundo Van Acker (2002), o papel das ligações é a de garantir a
interligação estrutural entre as peças, com o intuito de realizar um sistema estrutural
capaz de resistir a todos os esforços solicitantes, incluindo as ações indiretas
provenientes de retração, fluência, movimentação térmica, ação do fogo, etc.
4. LIGAÇÕES DE MONTAGEM EM ESTRUTURAS PRÉ-FABRICADAS DE
CONCRETO
Tecnicamente todos os projetos de produção das peças pré-fabricadas,
projetos executivos de montagem e tolerâncias de produção e montagem,
dependem de uma análise criteriosa de como serão realizadas as ligações entre os
elementos na estrutura.
As ligações entre as peças pré-fabricadas estão diretamente ligadas ao
bom desempenho estrutural da construção. Quanto mais eficiente e bem executada
for a ligação, melhor desempenho estrutural é atingido.
Em alguns casos, as ligações projetadas colocam obstáculos executivos
na fase de montagem dos elementos na obra, que podem gerar atrasos devido à
incompatibilidade entre as peças. Essas incompatibilidades podem ser causadas por
erros de projeto ou de produção. Caso a ligação não seja realizada conforme o
projeto, a estrutura não possuirá a sua capacidade estrutural esperada.
Todos os mínimos detalhes precisam ser levados em consideração nos
projetos de ligação que serão executados na fase de montagem. E é a existência
das ligações entre as peças que diferencia as estruturas pré-fabricadas das
estruturas de concreto convencionais, pois do ponto de vista estrutural, ambos são
parecidos.
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5. LIGAÇÕES DE MONTAGEM QUANTO A TIPOLOGIA
Segundo Albarran (1984, apud SANTOS, 2008), existem vários tipos de
ligações entre elementos pré-fabricados, que poderão ser utilizados de acordo com
a especificidade de cada obra. Os principais são:
 Ligação pilar-fundação, entre a base do pilar e a fundação;
 Ligação pilar-pilar, entre o topo do pilar e a base de outro, geralmente
realizado em elementos de grande altura;
 Ligação pilar-laje, entre a seção do pilar e a face transversal da laje;
 Ligação viga-pilar; entre as extremidades da viga e o apoio dos pilares,
geralmente na região dos consolos;
 Ligação viga-viga, entre extremidades de vigas ou vigas principais e
secundárias;
 Ligação laje-viga, entre as extremidades da laje e apoio das vigas que
recebem as lajes;
 Ligação laje-laje, entre painéis pré-fabricados.
5.1. Ligação Pilar – Fundação
Existem essencialmente três tipos de ligação pilar-fundação:
a) Ligação por meio de cálice: Corresponde à colocação (embutimento) de
determinado trecho do pé do pilar dentro de um nicho executado em um bloco de
fundação, conforme ilustrado na figura 1. Esse nicho é conhecido como cálice.
Após o encaixe do pilar, é feito o preenchimento da região vazia com graute ou
concreto estrutural determinado pelo projetista da estrutura, unindo os elementos
(MONTEIRO, 2011).
Segundo Albarran (2008), uma das principais vantagens do cálice de
fundação é a de oferecer uma folga dimensional utilizada para garantir a distância
dos eixos de montagem, ao mesmo tempo em que permite um processo simples de
execução do bloco de fundação, não implicando em modificações no pilar para a
execução da ligação. O autor ainda cita que para aumentar o engastamento
mecânico entre o pilar e o bloco de fundação, a superfície de ligação do pilar e do
bloco deve ser o mais rugosa possível. As paredes do cálice devem ser projetadas
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para resistir aos esforços normais que surgem devido aos momentos fletores
transmitidos pelo pilar.
Figura 1:– Ligação pilar-fundação por meio de cálice (CAMPOS, 2010).
b)
Ligações por meio de chapas de base: Outro tipo de ligação pilar-fundação
é por meio de chapas metálicas na base do pilar. As chapas possuem furos que são
utilizados para fixação entre os elementos. A ligação do pilar é executada por meio
de esperas rosqueáveis que se encontram embutidas na fundação e são
posteriormente parafusadas após correto posicionamento do elemento.
As chapas de base deverão ter dimensões superiores à seção dos pilares
para permitir a transmissão dos esforços provocados pelos momentos fletores
através da ligação. Este tipo de ligação se torna mais complexa se comparada a
ligação executada por meio de cálice, por necessitar de mais técnica por parte de
quem executa a fundação, garantindo o correto posicionamento das esperas do
bloco, além de um maior cuidado no processo de execução dos pilares na fábrica,
devido ao posicionamento da chapa metálica na base do pilar (ALBARRAN, 2008).
Figura 2: Detalhe da ligação pilar-fundação por meio de chapa de base (ALBARRAN, 2008).
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c) Ligação por meio de bainhas: A ligação por bainhas é realizada por barras de
aço ou esperas rosqueáveis que ficam na fundação ou na base do pilar, nos
quais encaixam nas bainhas que são posteriormente preenchidos com graute
(ALBARRAN, 2008).
Do ponto de vista executivo, a ligação por meio de bainhas é semelhante
à ligação por meio das chapas de base. A diferença consiste na troca da espera
rosqueável pela barra de aço convencional no bloco de fundação e da ausência da
chapa de base, substituída por furos que receberão as esperas no fundo do pilar.
5.2. Ligação Pilar – Pilar
Segundo Albarran (2008), existem praticamente dois tipos de ligação pilar
– pilar a serem projetados e executados. O primeiro tipo de ligação acontece na
região das vigas ou a meia altura entre pisos, sendo que nesse caso, há a
possibilidade de diminuir o número de ligações a serem efetuadas no local de
montagem, embora o tipo de ligação a ser realizada seja mais complicado. No
segundo caso, a ligação é feita na região em que os momentos fletores no pilar são
baixos, sendo, portanto a sua solicitação menos crítica para o comportamento da
estrutura.
O autor afirma ainda que a execução das ligações pilar - pilar parafusadas
é muito semelhante às ligações realizadas entre pilar-fundação. A ligação entre
pilares é realizada através de bainhas, que se encaixam nas barras de espera que
estão posicionadas no pilar inferior, sendo posteriormente grauteadas para
preencher a ligação. A continuidade das armaduras é garantida através de esperas
rosqueáveis, que são parafusadas à armadura dos pilares sendo depois o espaço
preenchido com graute.
Figura 3: Detalhe de ligação pilar-p ilar por meio de esperas rosqueáveis (ALBARRAN, 2008)
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5.3. Ligação Viga-Pilar
Os tipos clássicos de ligações viga-pilar são as ligações parafusadas ou
por meio de chumbadores mecânicos. Esses elementos podem ser colocados nos
pilares durante o processo de produção ou fixados nos elementos durante o
processo de montagem.
As vigas são apoiadas em consolos de concreto ou em apoios de
cantoneira metálica. Albarran (1998, apud SILVA, 2008), relata que no caso de
consolos de concreto aramado, ao ser montados, deve-se garantir um apoio mínimo
da viga, a fim de evitar o risco de ruptura ou de queda da própria viga durante a sua
colocação. Após a montagem dos elementos, os nichos são preenchidos com
graute.
Segundo Van Acker (2002), Quando se projeta com a intenção de permitir
os movimentos horizontais na estrutura, este nicho não será preenchido com graute,
mas sim com material betuminoso ou plástico, parafusado ao chumbador no topo da
viga para fornecer estabilidade à ligação. Nos apoios dos consolos de concreto
armado são utilizados aparelhos, conhecidos como almofadas de neoprene ou uma
camada de argamassa, que terá a função de distribuir as tensões de contato na
região do apoio.
Figura 4: Exemplo típico de ligação viga-pilar em consolo de concreto (VAN ACKER, 2002).
5.4. Ligação Pilar-Laje
O Manual Munte (2004) define que esse tipo de ligação é a mais difícil de ser
determinada pelos projetistas. Do ponto de vista executivo, não há o contato entre o
pilar e a laje devido à colocação de placas de isopor no alvéolo das lajes, onde se
cria uma junta entre a capa de consolidação (concreto de capeamento posterior) e o
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pilar. Apenas em alguns casos específicos, para eliminar a junta de concretagem e
para permitir a ligação entre o pilar e a laje, é realizado a ligação com a introdução
de uma armadura entre os elementos.
Figura 5: Desenho de ligação pilar-fundação. Não há contato entre os elementos. (ALBARRAN,
2008).
5.5. Ligação Viga-Viga
A solidarização entre vigas divide-se essencialmente em ligação entre
peças com o mesmo eixo e ligação entre vigas secundárias e vigas principais. “A
ligação entre vigas com o mesmo eixo ocorre, normalmente, quando se pretende
deslocar a ligação para fora da região crítica (nó entre a viga e o pilar), onde os
momentos fletores são mais baixos” (ALBARRAN 2008, pg. 18). O autor ainda cita
que a ligação entre viga secundária e viga principal é realizada com a continuidade
das armaduras superiores através de negativos deixados na viga principal e das
armaduras superiores, com a concretagem da parte superior da viga sendo realizada
“in loco”.
Figura 6: Esquema de ligação de continuidade viga-viga de mesmo eixo (ALBARRAN, 2008).
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5.6. Ligação Laje-Viga
Segundo Albarran (2008), a ligação entre laje-viga deve ser analisada em
dois sentidos: do ponto de vista construtivo e da continuidade estrutural a ser
projetada na viga de apoio.
“Nos modelos comuns, a laje alveolar pré-fabricada é considerada um
grande pano rígido e funciona como um diafragma na estrutura. O seu apoio
sobre a viga ocorre em grandes áreas e, em função do atrito, a aproximação
é aceitável” (MANUAL MUNTE, 2004, pg. 22).
A superfície de contato entre a laje, a viga e o concreto complementar
deve ser o mais rugosa possível, de modo a garantir uma melhor ligação entre os
elementos. As soluções típicas para a ligação entre laje e viga independem da
tipologia de laje a ser adotada. As vigas que possuem abas para apoio das lajes
alveolares, por exemplo, possuem estribos salientes ou esperas que se destinam
não só a resistir aos esforços cortantes, mas também a garantir a resistência ao
cisalhamento na junta entre a viga pré-fabricada e o concreto de complemento
(ALBARRAN, 2008).
Figura 7: Detalhe de ligação laje-viga (ALBARRAN, 2008 ).
5.7. Ligação Laje-Laje
Existem dois tipos de ligações de montagem laje – laje: ligações de topo
entre extremidades de duas peças de laje e ligações laterais entre dois painéis de
laje adjacentes.
A primeira ligação é normalmente utilizada em vigas ou abas de apoio de
lajes maciças onde é necessária a continuidade das lajes sobre os apoios. Já a
segunda ligação descrita está relacionada ao tipo de laje a ser adotada, onde as
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juntas longitudinais dos painéis serão solicitadas essencialmente aos esforços de
cisalhamento (ALBARRAN, 2008).
No caso das lajes alveolares, as juntas longitudinais deverão possuir uma
superfície rugosa ou dentada, conhecidas como chaves de cisalhamento, que
“trabalham como barreiras mecânicas que previnem qualquer deslizamento
significante ao longo da junta” (VAN ACKER, 2002, pg. 40).
Figura 8 – Detalhe de ligação de amarração de lajes alveolares (VAN ACKER, 2002).
6. ESTUDO COMPARATIVIO ENTRE A LIGAÇÃO DE UMA ESTRUTURA
CONVENCIONAL E UMA ESTRUTURA PRÉ-FABRICADA
Para desenvolvimento do estudo comparativo de uma ligação préfabricada em relação a uma estrutura convencional, foi considerado um pórtico
simples convencional e um pórtico pré-fabricado. Será realizado uma comparação
entre as ligações viga-pilar. A estrutura em concreto pré-fabricado deste pórtico é
composta por pilares, vigas e lajes alveolares. A estrutura possui um pavimento,
uma área de 20,00 m² e uma altura total de 3,70 metros.
Nas figuras 9, 10, 11, 12 e 13 estão apresentadas as perspectivas,
plantas baixas e vistas referentes a estrutura:
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Figura 9 – Perspectiva de um pórtico de concreto pré-fabricado.
Figura 10: Perspectiva de um pórtico de concreto armado convencional.
Figura 11: Planta baixa dos pórticos a serem estudados.
Figura 12: Vista do pórtico em concreto pré-fabricado.
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Figura 13: Vista do pórtico em concreto armado convencional.
7. METODOLOGIA DE CÁLCULO DO SISTEMA PROPOSTO
7.1. SISTEMA PRÉ-FABRICADO
7.1.1. Dimensionamento do Dente Gerber
O dente Gerber é uma saliência que se projeta na parte superior da
extremidade de uma viga, com o objetivo de apoiá-la em consolo criado na face de
um pilar ou na região inferior da extremidade de outra viga. Usualmente ambos,
consolo e dente Gerber, têm altura um pouco menor que metade da altura da viga.
Portanto:
d = 2a, onde:
d= altura útil do consolo do pilar
a = distância entre a face do pilar e o eixo do consolo
Figura 14: Detalhe de um consolo pré-fabricado.
As mesmas conceituações e limitações geométricas criadas para os
consolos valem também para os dentes Gerber.
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Os dentes Gerber têm um comportamento estrutural semelhante ao dos
consolos, podendo ser também descritos por um modelo biela-tirante. As diferenças
mais importantes são:
a) a biela é usualmente mais inclinada, porque deve procurar apoio na armadura de
suspensão, dentro da viga, na extremidade oposta ao ponto de aplicação da carga;
b) a armadura principal deve penetrar na viga, procurando ancoragem nas bielas
devidas ao cisalhamento na viga;
c) a armadura de suspensão deve ser calculada para a força total Ntd.
Figura 15: Detalhe do modelo biela-tirante.
Método da biela-tirante com d > 2a – d’
Neste caso considerar a altura útil d = 2a – d’
O momento é a reação de apoio das vigas multiplicado pela
excentricidade em relação ao eixo do pilar.
7.1.2. Cálculo da armadura As (tirante)


Pd  a
  d '  
 H d 1
Ntd 
  fyd  As
0,8d
0,8d



Onde Pd será o esforço vertical atuante no consolo.
7.1.3. Verificação da Biela comprimida
A largura b do consolo deve possuir no mínimo a seguinte dimensão:
b
Pd a  H d d'  2
 a  0,8d 2
2
0,12fcda d
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Onde Hd é uma força horizontal se houver.
O consolo deve possuir estribos (costura) de ± 0,5 x As, nas duas direções (gaiola).
Armadura mínima do tirante (0,003 x b x d).
7.2. SISTEMA CONVENCIONAL
Será utilizado o modelo clássico de viga contínua, simplesmente apoiada
nos pilares, para o estudo das cargas verticais.
Considerado no pilar um momento fletor igual ao de engastamento
perfeito multiplicado pelos coeficientes:
rsup
rvig  rinf  rsup
Sendo: r
(i)
I
 (i)
L(i)
Onde I(i) é o momento de inércia da seção na direção considerada e L (i) é
o vão livre da peça, igual “L” para vigas e “h/2” para pilares.
No caso específico do modelo acima o rsup é igual à zero, pois não há um
segundo pavimento. E o momento de engastamento perfeito é dado pela equação:
wL2/12
7.2.1. Cálculo da Armadura de Tração
Os esforços de tração junto aos apoios de vigas simples e contínuas
devem ser resistidos por armaduras longitudinais que satisfaçam as mais diversas
condições.
Para garantia de ancoragem em apoios extremos, o cálculo da armadura
se dá pela fórmula:
 a 
  Vd
d
As   
fyd
Onde: al é a decalagem do diagrama de momento fletor ( pode ser usado
0,5d), d é a altura útil da seção e Vd a cortante máxima no apoio.
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8. ANÁLISE DOS MOMENTOS FLETORES TRANSMITIDOS AO PILAR E
COMPARAÇÃO DE ARMADURA TOTAL
GASTA NOS
DOIS MODELOS
PROPOSTOS
Dados do Modelo:
a) Vigas: 20 cm x 50 cm;
b) Pilares: 20 cm x 20 cm;
c) Aço CA-50;
d) Concreto Fck 30 Mpa;
e) Sobrecarga do Projeto: 3 KN/m²;
f) Peso das Lajes: 2,5KN/m²;
g) Peso do Piso: 1KN/m²;
h) Peso do Revestimento: 0,5KN/m²;
i) Alvenaria na Viga: 5,25KN/m.
j) Peso Específico do Concreto Armado: 25 KN/m³
8.1. VERIFICAÇÃO DO SISTEMA CONVENCIONAL
Reações na Laje:
7,00 KN/m²
Cálculo das Reações na Laje:
10,15 KN/m
Verificação das Reações na Viga:
Peso Próprio da Viga = 2,50 KN/m
Cargas na Viga = 17,90 KN/m
Determinação dos Esforços Cortantes:
RA=RB = 61,76 KN
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Determinação do Coeficiente de Cálculo
r ( i ) pilar = 83,33
r ( i ) viga = 301,93
coef. = 0,216
Momento de Engastamento Perfeito
Md = 21,48 KN.m
Verificação da armadura (As)
As = 0,99 cm²
8.2. VERIFICAÇÃO DO SISTEMA PRÉ-FABRICADO
Determinação da Largura Mínima do Consolo
Será considerado como padrão o consolo com 30 cm de apoio.
Momento no Pilar
Md = 25,94 KN.m
Esforços na Armadura do Consolo
Ntd = 90,05 KN
Verificação da Armadura (As)
As = 2,5 cm²
Verificação da Armadura Mínima (As;min)
As;min = 2,16 cm²
Largura Mínima do Consolo (b)
b = 12,69 cm
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8.3. ANÁLISE DO PROGRAMA DE ELEMENTOS FINITOS
Para realização da simulação, foi utilizado o software SAP 2000.
8.3.1. Simulação para o Pórtico em Concreto Armado Convencional
Figura 16: Deformação após carregamento ampliação 100x.
Figura 17: Tensões aplicadas no pilar.
Figura 18: Detalhe da região da ligação – Valores da tensão em MPA
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8.3.2. Simulação para o Pórtico em Concreto Pré-Fabricado
Figura 19: Deformação após carregamento ampliação 100x.
Figura 20: Tensões aplicadas no pilar.
Figura 21: Detalhe da região da ligação – Valores da tensão em MPA.
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9. CONCLUSÃO
Nesse trabalho estudou-se as diversas formas de ligações entre as
estruturas pré-fabricadas e as suas formas de execução durante os processos de
montagem. Através de um programa computacional, foi possível realizar uma
comparação entre uma ligação viga-pilar de uma estrutura pré-fabricada em
concreto e um nó de ligação entre viga-pilar em uma estrutura de concreto armado
convencional. Com base nos resultados obtidos pelos modelos computacionais, foi
possível verificar que ambas as estruturas suportam as mesmas tensões aplicadas
no pilar, com destaque para a estrutura pré-fabricada, onde fica a cargo do consolo
absorver todos os esforços solicitantes do pórtico estudado.
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10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2006). NBR 9062:
Projeto e Execução de Concreto Pré-Moldado. Rio de Janeiro
ALBARRAN, E.G. Construção com Elementos Pré-Fabricados em Betão
Armado. Dissertação de Mestrado. Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa, 2008.
EBELLING, E.B. Análise de Base de Pilares Pré-Moldados na Ligação com
Cálice de Fundação. Dissertação de Mestrado. Escola de Engenharia de São
Carlos, São Carlos, 2006.
FERREIRA, M.A. Manual de sistemas pré-fabricados de concreto (tradução).
Autor do texto original: Arnold Van Acker (FIP-2002). Associação Brasileira de
Construção Industrializada de Concreto – ABCIC: São Paulo, 2003.
MELO, C.E.E. Manual Munte de Projetos Pré-Fabricados de Concreto. São
Paulo: ED. PINI, 2004.
MOTEIRO, T.P. Dimensionamento e Detalhamento de Cálices de Fundação com
Interface Lisa. Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2006.
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