INTRODUÇÃO Histórico • Nos tempos pré-históricos, os primeiros abrigos construídos pelo homem se caracterizavam pelas necessidades básicas de equilíbrio e estabilidade frente as intempéries e de proteção contra animais. • Desde Vitrúvio, a responsabilidade pela concepção e construção das obras arquitetônicas ficava a cargo de um mesmo profissional, o arquiteto. • Esta concepção se manteve até o Renascimento, inclusive. Um exemplo desta polivalência na época é Leonardo da Vinci, arquiteto, engenheiro, inventor, pintor, escultor. • • A partir de fins do século XVII, inicia-se um período histórico marcado pelo racionalismo. Ocorre uma segmentação do conhecimento. A arte que até então estava atrelada à tecnologia, se vê expulsa do âmbito da ciência pura. Estava instaurada a dicotomia entre arte e construção, belo e funcional, arquitetura e engenharia. • Entre os séculos XVIII e XIX são feitos grandes progressos na área de ciência estrutural. • Na segunda metade do século XIX, o mundo contempla o surgimento de novas tipologias arquitetônicas. • • Os novos conhecimentos, oriundos das escolas politécnicas, tornaram o engenheiro o senhor da concepção destas novas estruturas. • Enquanto os arquitetos se preocupavam com a camuflagem e decoração dos edifícios, os engenheiros concebiam os grandes monumentos do século: Palácio de Cristal, Torre Eiffel e toda a cidade de Chicago. • A dissociação entre arte e técnica na arquitetura continua ainda durante o “Art Nouveau”, com a arte predominantemente aplicada. • Só no início do século XX ocorre o reingresso definitivo da tecnologia estrutural na concepção da linguagem formal arquitetônica. • A partir dos anos 40 o concreto assume sua plena potencialidade e a arquitetura ganha formas mais plurais. • A partir dos anos 70, toma força a arquitetura metálica “high tech”. O Centro Cultural George Pompidou surge como obra emblemática dessa arquitetura. • Mostra-se, então, a estreita vinculação entre a tecnologia estrutural – construtiva e a linguagem formal arquitetônica ao longo da história. • Atualmente, vê-se a arquitetura fortemente influenciada por uma corrente neo - modernista resgatando valores de uma arquitetura em parte desgastada nas últimas décadas. • Simplificada e empobrecida, a arquitetura moderna ficou a mercê dos interesses da sociedade capitalista. Pontes, estações de trens e grandes pavilhões de exposição exibem vãos e alturas nunca vistos. 1 • Nestes momentos, o próprio arquiteto perdeu espaço enquanto projetista, concorrendo com engenheiros, desenhistas e profissionais com diploma de arquitetura. • Um sistema arquitetônico formal e estrutural – basicamente ortogonal, segundo Eládio Dieste, ocorre não apenas por questões estéticas, ou por simplicidade construtiva, mas também pela influência do cálculo estrutural, em especial o ensinado nas escolas. A Questão do Ensino 2 • Os arquitetos, antigamente, se formavam nas escolas de Belas Artes, que ministravam pouquíssimos conhecimentos tecnológicos. • No Brasil, somente a partir de 1930, quando ocorreu a reforma curricular, que foi introduzido nos cursos de arquitetura, disciplinas da engenharia civil. • Esta iniciativa foi fundamental para direcionar o arquiteto para questões tecnológicas, no entanto as disciplinas foram introduzidas tal como eram dadas nos cursos de engenharia civil, pouco se atentando para as diferenças fundamentais entre os dois cursos. • Na engenharia os conhecimentos de estrutura são um fim – calcular as estruturas -, na arquitetura eles são um meio, tem por objetivo fornecer subsídios para a concepção do objeto arquitetônico. • Por isto, em um curso de arquitetura, as disciplinas referentes às estruturas devem estar voltadas à capacitação do aluno no sentido de projetar. • Para projetar estruturas, o aluno precisa ter uma crítica apurada sobre o papel e a adequação da solução estrutural à arquitetura que se propõe. Capítulo 1 Morfologia das Estruturas 1.1. • Habitação • Genérico : Maneira especial por que estão dispostas, em relação uma as outras, as diferentes partes de um corpo. • Especial : Composição, construção, organização e disposição arquitetônica de um edifício. • • 1.3.1.Fatores Funcionais Estruturas • Tráfego • Condução • Contenção Particular : As partes que suportam as cargas de uma construção e as transmitem a fundação. Isto é a estrutura resistente ou simplesmente “ Estrutura” . 1.3.2. Fatores Técnicos • Técnica da Construção Visão Total: Conhecimento de todas as formas estruturais, quanto à suas concepções lógicas, a origem e a evolução das formas em função das culturas e do progresso tecnológico, a sua finalidade e estética. • Estágio dos processos de cálculo • Economia 1.2. Definição • 1.3.3. Fatores Estéticos Morfologia das estruturas é o estudo das estruturas sob o ponto de vista da forma considerando as suas origens e evolução . • 1.3. Fatores Morfogênicos • Razões determinantes da forma estrutural, do sistema como um todo e de cada uma de suas partes constitutivas. 3 A estrutura, resolvida com lógica e simplicidade, é a componente arquitetônica de maior força estética. 1.4. • Sistemas Estruturais Fundamentais Sistemas estruturais de Forma Ativa. Ex.: cabos, arcos funiculares, tendas, etc. • Sistemas estruturais de Vetor Ativo Ex.: treliças planas e espaciais. • Sistemas estruturais de Superfície Ativa. Ex.: placas dobradas, cascas • Sistemas estruturais de Seção Ativa Ex.: vigas, pórticos, grelhas, placas. • Sistemas estruturais de Altura Ativa. Ex.: edifícios altos, postes, torres 4 Capítulo 2 A Estrutura e a Arquitetura 2.1. Arquiteto : Mestre em Estruturas 2.2. Estrutura na Construção : Situação Nova 2.5. • Nenhuma fase na formação de uma idéia estrutural requer o uso de fórmulas matemáticas. 2.6. • • Sem estrutura material não há organismo animado ou inanimado . A análise do que é a estrutura técnica e de que papel desempenha na criação da Arquitetura dará uma base sólida para o que o arquiteto deve saber sobre estruturas e sobre quanto ele deve conhecê-la. 2.3. Evolução Histórica • Antigamente o vocabulário do projeto estrutural era limitado a poucas formas e vãos. • Atualmente quase todas as formas podem ser executadas e podemos trabalhar com grandes vãos. 2.7. Estrutura Técnica : Meios de Humanização . Conhecimento Estrutural A Arquitetura e a Estrutura O Arquiteto e o Engenheiro • Função da Arquitetura: criação do espaço humanizado. • Função da Estrutura: instrumental para o espaço arquitetônico. 2.4. • Profissionais essenciais para a construção de uma obra importante: Arquiteto e Engenheiro Civil. • Engenheiro etc. • Arquiteto Estética, Engenharia, Sociologia, Economia, Planejamento, etc. • Diálogo praticamente impossível ? • Arquiteto é o líder da equipe, o engenheiro é apenas um integrante. • É possível para o Arquiteto uma compreensão dos problemas estruturais ? Necessidade da Estrutura • Arquitetura não é Arquitetura. • Conflitos de natureza direcional são solucionados através do engenheiro especialista em projeto estrutural. escultura. Sem estrutura não existe 5 Matemática, Física, Química, • A reposta é afirmativa se separarmos a compreensão dos conceitos estruturais do conhecimento cabal da análise estrutural. 2.8. Estrutura e Intuição • Obras do passado atestam a eficácia da intuição. • Atualmente desenvolve-se teorias matemáticas para solucionar praticamente qualquer forma. • Mesmo quando se pode confiar o cálculo estrutural a um especialista, primeiro deve-se ser capaz de inventá-la e dar lhe proporções corretas. Só então terá nascido uma estrutura sã, vital e, se possível , esbelta. • Arquiteto deve dominar os pontos mais sutis da teoria das estruturas, permitindo-lhe aplicar com inteligência uma grande quantidade de novas idéias e métodos. • O nosso curso tem a intenção de introduzir o estudante no campo das estruturas, sem recorrer ao conhecimento formal da matemática e física. • O maior conhecimento do comportamento das estruturas conduzirá o aluno interessado a uma melhor compreensão dos pontos mais delicados do projeto estrutural . • Do ponto de vista eminentemente técnico, o arquiteto deverá dominar bem os seguintes aspectos: 1. Ter conhecimentos dos diversos sistemas estruturais. 2. Compreender o funcionamento destes sistemas. 3. Saber interagir a estrutura com a arquitetura. 4. Ter noção estruturais. de pré-dimensionamento de elementos 6 Capítulo 3 Ligações Estruturais 3.1. Equações de Equilíbrio da Mecânica Racional Equilíbrio no espaço: R= 0 Σ Fx = 0 , Σ Fy = 0 , Σ Fz = 0 M=0 ΣMx = 0, Σ My = 0 , Σ Mz = 0 Equilíbrio no plano: R= 0 M=0 ΣFx = 0, ΣFy = 0 Fig. 1 – Corpos submetidos à ação de um sistema de “n” forças ΣMz = 0 3.2. Estrutura e Classificação dos Elementos Estruturais • Elementos lineares • Elementos de superfície • Elementos de volume Fig. 2 – Vínculos 3.3. Apoios Estruturais e Classes de Apoio • Vínculos de primeira ordem. • Vínculos de segunda ordem. • Vínculos de terceira ordem. Fig. 3 – Vínculo de primeira ordem 7 3.4. Grau de Estaticidade das Estruturas • Estruturas Hipostáticas. • Estruturas Isostáticas • Estruturas Hiperestáticas Fig. 4 – Vínculo de segunda ordem Fig. 5– Vínculo de terceira ordem 8 Capítulo 4 Cargas que atuam nas Estruturas 4.1. Finalidade das Estruturas • • Em geral o peso próprio é a carga mais importante na estrutura. • Pesos específicos de alguns materiais.. Finalidade principal é suportar cargas de elementos que delimitam espaços. • Finalidades diferentes servidas por espaços diferentes, exigem estruturas diferentes. • Cargas : “mal necessário” e inevitável . Peso Específico ( kN/m3) Materiais Rochas 26,00 a 30,00 • Alvenarias • Tijolos furados 13,00 Tijolos maciços 18,00 4.2. Cargas • Blocos de concreto 22,00 • • Cimento e areia 21,00 • Concreto simples 24,00 • Concreto armado 25,00 • Aço 78,50 • Alumínio 28,00 A natureza das cargas varia com o projeto, com os materiais e com a função da estrutura. • As cargas mais importantes são as “ estáticas”. • As normas definem as cargas equivalentes. • Massas Metais Classificam-se em : permanentes, acidentais, térmicas, estáticas, dinâmicas, variáveis, etc. Madeiras 4.2.1 Cargas Permanentes Outros • Peso próprio da estrutura e todas as cargas aplicadas constantemente constituem a carga permanente. • Peso próprio depende da dimensão da peça e a dimensão depende do peso próprio. • Arquiteto e o dimensionamento. calculista fazem um 5,00 a 10,00 • Água • Vidro 3 10,00 26,00 3 Obs.: 1kN/m = 100Kgf/m Tabela 4.1 pré- 9 • Edifícios residenciais Pessoas, máquinas, móveis, materiais diversos, veículos, etc. 4.2.3. Cargas Variáveis • • Todas as cargas acidentais classificadas como variáveis. deveriam ser 1,50 • Despensa, área de serviço 2,00 Restaurantes 3,00 Lojas 4,00 4.2.3.1. Vento e Neve • Sala de leitura 2,50 • Sala com estantes 6,00 • Platéia c/ assentos fixos 3,00 • Platéia c/ assentos móveis 4,00 • Palco 5,00 Arquibancadas 4,00 Garagens 3,00 Forros 4.2.4.1. Cargas Térmicas Quarto, sala, copa, cozinha, I.S. 2,00 Cinemas / Teatros 4.2.4 . Outras Cargas • Escritórios Bibliotecas As ações variáveis são as que variam freqüentemente, e de maneira mais sensível, com o tempo Sem acesso Obs.: 1kN/m2 = 100kgf/m2 • Cargas invisíveis. • Previsão de juntas de dilatação . Tabela 4.2 4.2.4.2. Cargas de Assentamento • Recalques uniformes. • Recalques diferenciais. 4.2.4.3. Empuxos da Terra • Carga (kN/m2) Locais 4.2.2 Cargas Acidentais Muros de arrimo 10 0,50 4.2.4.4. Empuxos Líquidos • Barragens • Reservatórios 4.2.4.5. Cargas Dinâmicas • As cargas dinâmicas atuam na estrutura de diversas formas: impacto, ressonância, terremoto, etc. • Vento . 4.3. Combinações de Ações • A estrutura deverá ser estudada sob efeito de diferentes combinações de ações. 11 Capítulo 5 Materiais Estruturais 5.1. Características Importantes dos Materiais O progresso da Engenharia está intimamente ligado ao desenvolvimento de melhores materiais. • Fig. 6 - Comportamento elástico O aperfeiçoamento dos materiais está especificamente dirigido ao aumento da resistência ou a diminuição do peso . Alumínio. Aços especiais. Concreto – CAD. Alvenaria Madeira Concreto protendido Plásticos reforçados com fibras de vidro. 5.2. Propriedades Essenciais dos Materiais usados em Estruturas • Fig. 7 – Comportamento elástico linear A deformação da estrutura não deve aumentar indefinidamente e deve desaparecer quando cessa o esforço. Materiais elásticos 12 • Alguns materiais apresentam deformações permanentes. Materiais plásticos. • Alguns materiais se rompem sem avisar. Materiais frágeis. • Um material cuja resistência não depende da direção das cargas chama-se isotrópico. • Os materiais estruturais podem resistir aos esforços de tração, compressão e cisalhamento. 5.3. Constantes Elásticas dos Materiais • Diferentes materiais sofrem deformações quando submetidos a mesma carga. • Diz-se então que um material é mais rígido do que o outro. • distintas Fig. 8 - Comportamento plástico A medida desta rigidez é chamada de módulo de deformação longitudinal ou simplesmente módulo de elasticidade: E. Concreto : 25.000 MPa Aço : 210.000 MPa Alumínio: Madeira : 70.000 MPa 7.000 MPa 5.200 MPa paralela as fibras perpendicular as fibras Módulo de Deformação Transversal : G. Coeficiente de Poisson : Y 13 5.4. Coeficientes de Segurança dos Materiais • • Não se projeta uma estrutura exigindo que o material seja submetido ao seu limite máximo de capacidade resistente. Materiais heterogêneos. Má execução da obra. Alteração da utilização da edificação. Incerteza das Cargas. Modelo matemático inadequado. • Devido a isto devemos introduzir um coeficiente de segurança, que nem sempre é fácil quantifica-lo. • NBR - 6118 estabelece coeficientes de segurança para duas situações: Estado limite último (ruptura). Estado limite de utilização excessivas, fissuração) . (deformações 14 5.5. Materiais Artificiais Modernos • O ferro, a pedra e a madeira são usados como materiais estruturais há mais de mil anos. • Nos últimos 400 anos o avanço na Metalurgia, Química e Física tem melhorado sensivelmente as propriedades dos materiais. • Concreto Armado. Fig. 9 – Estrutura em concreto sob tração Concreto Protendido. Estruturas Metálicas. Estruturas em Alumínio. Estruturas em Madeira Serrada. Estruturas em Madeira Laminada. Fig. 10 – Estrutura em concreto protendido sob tração Argamassa Armada. Alvenaria Estrutural. Estruturas em Plásticos com Fibra de Vidro. 15 Capítulo 6 Exigências Estruturais 6.1. Exigências Básicas • A existência de novos materiais, novas técnicas construtivas e modelos de análise, não eximem as estruturas modernas da obrigação de satisfazer determinados requisitos: Fig. 11 – Equilíbrio à translação 1 6.1.1. Equilíbrio • Uma edificação não deverá se mover. • Como é impossível impedir todos os deslocamentos, eles deverão ser tão pequenos que a edificação parecerá estar imóvel. • Condição de equilíbrio no plano: Σ Fx = 0 , Σ Fy = 0, Σ Mz = 0 Fig.1 2 - Equilíbrio de rotação ( gangorra) 6.1.2. Estabilidade • Uma edificação pode girar em função de um furacão se não estiver adequadamente engastado no solo. • Assentamento da edificação em terreno com resistência não uniforme. • Sondagens responsabilidade Arquiteto e do Engenheiro. do Fig. 13 – Efeito de tombamento 16 • 6.1.3. Resistência Materiais. • Integridade total da estrutura e de cada uma das partes que a compõem . • Escolhido o sistema estrutural e estimadas as cargas, determina-se as tensões em cada ponto significativo da estrutura e compara com a tensão que o material pode resistir. • • Mão de obra • Conservação da estrutura. Rapidez na construção . Verifica-se a resistência em diversas situações de carga, a fim de se obter a pior situação para as tensões. 6.1.6. Estética Cuidados com a economia. Excessiva flexibilidade de uma estrutura pode prejudicar sua funcionalidade. 6.1.5. Economia • A economia nem sempre é uma exigência da Arquitetura. • Engenheiro de estruturas faz estudos comparativos de custo e escolhe a estrutura mais econômica. • Outros custos: ar condicionado, elétricas, instalações hidráulicas, etc. • Custo da estrutura: 20% a 30%. • Custo dos projetos: 1% a 2%. Outros fatores. Exigências de normas. 6.1.4. Funcionalidade • Fatores mais importantes no custo: • Ao impor os seus postulados estéticos o Arquiteto fixa limitações essenciais ao sistema estrutural. • ideal é que haja consulta a um engenheiro no início do projeto para que este consiga fazer da estrutura uma parte integral da expressão arquitetônica. • Em projetos de edifícios pequenos a importância da estrutura é limitada, já nos grandes edifícios o sistema estrutural é a razão da expressão da sua Arquitetura. 6.2. Estruturas Ótimas instalações 17 • Para o proprietário, a de menor custo. • Para o empreiteiro, a que gaste mais homens / hora. • Para o calculista, a mais fácil de analisar ou a que lhe der fama. • Poderíamos dizer que a estrutura ótima é a mais estável, a mais resistente, a mais funcional, a mais econômica e a mais harmoniosa. Capítulo 7 Estados Básicos de Tensão 7.1. Estados Básicos de Tensão • As estruturas se deformam quando carregadas . • Às deformações correspondem às tensões. • As tensões podem ser normais ou tangenciais. • Fig. 14 Tração simples Os estados básicos de tensão são : tração, compressão e corte ( cisalhamento) . 7.2. Solicitações Simples 7.2.1. Tração Simples • Tração é o estado de tensão em que as partículas do material tendem a se separar. Fig. 15 - Tensão de tração • A deformação de uma peça submetida à tração vai depender dos seguintes fatores: • Magnitude da carga aplicada: Quanto maior a carga, maior a deformação. • Comprimento da peça: A deformação é diretamente proporcional ao comprimento da peça. Assim, se o cabo de um elevador alonga, 0,5cm em um andar, vai alongar 5cm em 10 andares. 18 • Área de sua seção transversal: A deformação é inversamente proporcional à área da seção transversal da peça. É fácil espichar um fio de cabelo, mas não uma trança com o mesmo comprimentos. • Módulo de Elasticidade Longitudinal do material: A relação entre a tensão e deformação por tração é uma característica do material, determinada por seu Módulo de Elasticidade à Tração; quanto maior seu valor, mais rígido, mais resistente será à deformação. Fig. 15 – Compressão simples 7.2.2. Compressão Simples • Compressão é o estado de tensão em que as partículas do material tendem a se aproximar. • Deformações provocadas por compressão são de sentido contrário às produzidas por tração. • Materiais incapazes de resistir a tração, em geral são resistentes à compressão. • Peças esbeltas Fig. 16 – Flambagem Carga Crítica de Euler : flambagem N c = π 2 EI 2 l 19 A carga de flambagem vai depender das seguintes variáveis: • Material : Quanto mais resistente ao encurtamento for o material (maior Módulo de Elasticidade), mais ele resistirá à flambagem. Uma borracha pode resistir mais à compressão que um pedaço de giz, mas flamba antes dele. Da mesma maneira, uma peça de aço resiste mais à flambagem que uma de alumínio. • Aplicação da carga: Mesmo com a carga aplicada sobre o centro exato da peça, uma coluna pode flambar; qualquer excentricidade na aplicação de cargas compromete ainda mais a situação. • Comprimento da coluna: A carga de flambagem é inversamente proporcional ao quadrado do comprimento da coluna (a situação piora em progressão geométrica). Se o comprimento dobra, a resistência à flambagem cai para um quarto. • Forma da seção transversal da peça: Um tipo de seção com mais matéria afastada do centro de gravidade (maior momento de inércia) resiste mais à flambagem (podemos deduzir esse comportamento do fenômeno da flexão, onde a peça se deforma como na flambagem: quanto mais matéria tivermos afastada da linha neutra, melhor). Assim, uma coluna metálica de perfil caixão é mais adequada que uma em perfil Ι . 20 • Vinculação da peça: Quanto mais rígida for a ligação, mais a peça resistirá à flambagem. Uma coluna com as duas extremidades livres (articuladas) flamba como duas colunas com metade de seu comprimento engastadas; por conseguinte a Carga de Flambagem de uma coluna engastada é a quarta parte da carga correspondente à mesma coluna com apoio simles. 7.2.3. Corte Convencional) Simples ( Cisalhamento • Corte ou cisalhamento é o estado de tensão em que as partículas do material deslizam umas em relação às outras. • Cisalhamento provocado pela força cortante introduz deformações capazes de modificar a forma de um elemento retangular. • Uma característica fundamental do corte é produzir deslizamento em dois planos perpendiculares entre si. • Corte é uma combinação de tração e compressão, normais entre si, em direções que fazem um ângulo de 45º com a direção do corte. • Corte aparece também em peças submetidas à torção. Fig. 17 – Cisalhamento Fig. 18 – Deformação de corte em uma viga engastada 21 7.2.4. Torção • A torção é um tipo especial de corte. Uma peça submetida à torção apresenta esforços de corte tanto em sua superfície quanto ao longo de sua seção transversal, simultaneamente. Como no corte simples, o material para resistir à torção tem que resistir tanto à tração quanto à compressão. • Ao torcemos um pano de chão molhado, a água é expulsa por compressão; se o pano de chão for fraco ou estiver muito velho, ele vai romper por tração. Ao partimos um chicletes ao meio, é comum o fazermos torcendo; assim combinamos os esforços de tração e compressão para rompê-lo. • Em estruturas, ocorre torção em peças submetidas a cargas excêntricas. Uma viga engastada na lateral de outra a submete a um esforço de torção; o mesmo ocorre em uma marquise ou laje em balanço, que submete à torção a viga na qual está engastada. • Como os esforços ocorrem não apenas na seção transversal, mas também ao longo da superfície externa da peça, quanto mais matéria ela tiver na superfície externa melhor ( maior Momento Polar de Inércia); por esta razão peças ocas, como vigas metálicas tipo caixão, são especialmente resistentes à torção. • Para se aumentar a resistência de uma viga de concreto armado submetida à torção, é mais importante alargá-la que aumentar sua altura; isto é importante na hora de se prever a compatibilização de vigas sob o efeito de torção em paredes finas. Fig. 19 - Torção Fig. 20 – Flexão Pura 22 7.3. Solicitações Combinadas • Todos os estados de tensão são combinações dos três estados básicos: tração, compressão e corte. • Estes estados combinados dão origem à solicitação de flexão que pode ser subdividida em flexão reta e flexão oblíqua. • A flexão pode ser considerada um mecanismo estrutural capaz de canalizar cargas verticais na direção horizontal. • Quanto a flexão , um bom material deve ter resistências praticamente iguais à tração e à compressão. 7.3.1. Flexão reta • Flexão Pura : atua somente um momento fletor. O esforço normal e o cortante valem zero. • Flexão Simples : atua um momento fletor e um esforço cortante. O esforço normal vale zero. • Flexão Composta : atua um momento fletor e um esforço normal, podendo existir ou não o esforço cortante. Fig. 21 – Flexão simples 7.3.2. Flexão oblíqua • Em geral as flexões oblíquas são transformadas em flexões retas. 23 Fig. 22 – Flexão composta