Estrutura e Arquitetura: concreto armado e alvenaria estrutural (Structure and Architecture: reinforced concrete and masonry)

Este livro foi publicado pela Editora da PUC Goiás, com 248 páginas e ISBN 978-85-7103-840-0. ALGUMAS PÁGINAS E CONTEÚDOS NÃO SÃO MOSTRADOS INTENCIONAMENTE

Sumário

PREFÁCIO INTRODUÇÃO 1 CONCRETO ARMADO 1.1 o concreto Armado como Material Estrutural 1.2 Fatores que infuenciam sua Escolha 1.2.1 Estética 1.2.2 Vantagens e desvantagens 1.2.3 Seleção do concreto armado 1.3 Formas Estruturais Concreto Armado 1.3.1 Formas estruturais – moldadas “in loco” 1.3.2 Lajes maciças 1.3.3 Lajes nervuradas 1.3.4 Escadas 1.3.5 Estruturas em barras – vigas e pilares 1.3.6 Dimensões mínimas segundo a NBr 6118/2013 1.3.7 Projetos: arquitetura e “arquitetônico” da estrutura 1.3.8 Posicionamento e pré - dimensionamento 1.3.8.1 Pilares 1.3.8.2 Lajes 1 1.3.8.3 Vigas 1.4 Formas Estruturais – Pré-moldados 1 1.4.1 Lajes nervuradas com vigotas pré-moldadas 1.4.2 Lajes nervuradas com vigotas treliçadas 7

9 13 15 15 33 33 62 65 67 68 69 79 89 97 115 117 129 135 39 140 44 144 146

1.4.3 Lajes alveolares protendidas 1.4.4 Barras das estruturas pré-moldadas 1.5 Estruturas Híbridas 1.6 Estruturas com Geometrias Complexas e Curvas Exercícios propostos 2 ALVENARIA ESTRUTURAL 2.1 introdução 2.2 Sistema Estrutural 2.3 Vantagens e Desvantagens 2.3.1 Vantagens 2.3.2 Desvantagens 2.4 Tipos Básicos 2.5 resistência às Cargas Gravitacionais 2.6 Estabilidade e resistência Lateral 2.7 Projeto de Arquitetura em Alvenaria Estrutural 2.8 Detalhes de Amarração de Cantos e Bordas 2.9 Vergas e Contra-Vergas 2.10 Arquitetura em Alvenaria Estrutural Exercícios propostos REFERÊNCIAS APÊNDICES

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1 47 150 154 157 161 165 165 168 169 169 171 171 174 182 190 201 205 206 208 211 213

na cidade de Goiânia, GO, o professor e fundador da escola de arquitetura e urbanismo da PUC Goiás, o arquiteto Antônio Lúcio Ferrari, elaborou um projeto de arquitetura ousado e que tira proveito do concreto armado moldado “in loco”.

Figura 1.34 - Esboço: corte e detalhes Figura 1.31 - Casa do Arq. Antônio Lúcio (Cortesia Arq. Frederico Rabelo)

Segundo ele, “o concreto armado não é só uma solução técnica para resolver a fexibilidade espacial, mas participa intima mente na criação da forma. Não considero a estrutura um elemento isolado no conjunto arquitetônico.” Para o arquiteto Antônio lúcio, o concreto armado permitiu uma economia em relação ao acabamento, pois pode ser usado na sua forma natural (fgura 1.32). E a desvantagem mensionada por ele ocorreu durante à execução: “A necessidade cuidadosa nas fôrmas, sua colocação, a mistura do concreto, isto para a execução de um módulo. A ideia inicial de fazer um conjunto de módulos poderia optar por formas desmontáveis ou mesmo peças pré-moldadas apesar de todas as difculdades da época.” o desennvolvimento do partido arquitetônico Antônio Lúcio considerou: “a necessidade de criar um nível superior onde se lo calizaria a habitação propriamente dita, deixando o térreo para os

Figura 1.35 - Esboço: plantas

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á o préj-dimensionamento da lajes nervuradas armadas em duas direções, quando a razão entre o maior vão ( Ly) e o menor vão (Lx) for igual ou menor que 2, pode ter dimensões como é ilustrado na fgura 1.84, utilizadando as relações seguintes: hn = Lx/20; hf = e/60; bw = 5 cm

Figura 1.78 - Laje nervurada - Bloco “C” área II da PUC Goiás

As lajes nervuradas podem ser moldadas no local da obra ou podem ser executadas com nervuras pré-moldadas (ver item 1.4). Como as lajes maciças, todas as etapas de execução das la jes nervuradas moldadas “in loco” são feitas no local da obra, logo é necessário o uso de fôrmas e cimbramento (fgura 1.80). Para a execução das nervuras são empregadas fôrmas reutilizáveis ou não, confeccionadas normalmente em material plástico, polipropileno ou poliestireno expandido (EPS), que para execução das nervuras utilizam-se também cubas plásticas, mostradas na fgura 1.81.

Figura 1.84 - Laje nervurada - duas direções

As dimensões mínimas da mesa e das nervuras, estabelecidas na nBr 6118/2003, são indicadas na fgura 1.85.

Figura 1.79 - Laje nervurada: seção transversal Figura 1.85 - Laje nervurada - dimensões mínimas 80

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Figura 1.120 - Viga treliçada

Figura 1.117 - Viga com um balanço - “PUC Goiás”

Viga em balanço (fguras 1.1 18 e 1.1 19), tem rela ção entre o vão teórico (L0 = 2L) e sua altura (h) igual a 10 para CA e de 12 a 20 para CP

As vigas podem ser projetadas de forma semelhante às tre liças de banzos paralelos (fgura 1.120), de forma tal que sua altura total (h) seja igual a do pavimento e sem as diagonais que fazem parte da composição das treliças. Como as diagonais serão omitidas, o resultado será uma “treliça” formada por uma série de retângulos, onde os nós articulados não estariam equilibrados e consequente mente entrariam em colapso. Entretanto, se as forças de cisalhamento fossem absorvidas, criando nós entre as barras com rigidez sufcien te, a integridade estrutural seria mantida. Portanto, o resultado seria uma viga em que seus membros estariam solicitados a esforços de fexão, chamada de viga Vierendeel (fgura 1.121), em homenagem ao professor e engenheiro civil belga “ Arthur Vierendeel”. Os nós deste tipo de estrutura talvez sejam mais pesados, mas a não neces sidade de diagonais faz dela ideal para construções onde a altura do pavimento seja igual à da viga, sem obstrução nas aberturas. é co mum ver viga vierendeel em passarela em aeroportos, por exemplo.

Figura 1.118 - Viga em balanço

Figura 1.121 - Viga “Vierendeel“ 103

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1.3.7 Projetos: Arquitetura e “Arquitetônico” da Estrutura utro aospecto importante ao idealizar o sistema estrutural no projeto de arquitetura é o estabelecimento de um sistema adequado para resistir às ações horizontais atuantes na estrutura (vento, desa prumo, efeitos sísmicos). Decisões que infuenciam o comportamento dos elementos estruturais, merecem destacar as seguintes considerações: 1 – Os elementos estruturais podem ser posicionados com base no comportamento primário dos mesmos. Assim, as lajes são posicio nadas nos pisos dos compartimentos para transferir a carga dos mesmos para as vigas de apoio. As vigas são utilizadas para transferir as reações das lajes e o peso das alvenarias para os pilares em que se apóia (ou, eventualmente, vigas de apoio), vencendo os vãos entre os mesmos. E os pilares são utilizados para transferir as cargas das vigas para as fundações; 2 – A transferência de carga deve ser a mais direta possível. Evi tando-se assim a utilização de vigas importantes sobre outras vigas (apoios indiretos), bem como o suporte de pilares em vigas (vigas de transição);

Figura 1.130 - Composição de um edifício

3 – Os elementos estruturais devem ser os mais uniformes possíveis, quanto à geometria e quanto às solicitações. Desta forma, as vigas devem, em princípio, apresentar vãos comparáveis entre si;

O projeto de arquitetura dos edifícios residenciais de anda res múltiplos em concreto armado é desenvolvido considerando os seguintes pavimentos: subsolo, local destinado as garagens; pavi mento térreo, onde normalmente estão localizadas a recepção, áre as de recreação e outras; pavimento tipo, onde estão localizados os apartamentos com vários compartimentos; e pavimentos destinados as máquinas, reservatórios, depósitos, etc.. Além destes pavimentos outros elementos farão parte da composição destes edifícios, como ilustra a fgura 1.130.

4 – As dimensões contínuas da estrutura, em planta, devem ser em princípio, limitadas a cerca de 30 m para minimizar os efeitos da variação da temperatura e da retração do concreto. Assim, nas construções com dimensões em planta acima de 30 m, é desejável a uti lização de juntas estruturais ou juntas de separação (fgura 1.138) que decompõem a estrutural original em um conjunto de estruturas independentes entre si, para minimizar estes efeitos;

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1.3.8 Posicionamento e Pré - Dimensionamento sabidéo que as dimensões obtidas no pré-dimensionamento da estrutura no projeto arquitetônico não devem ser usadas na construção dos edifícios, essas dimensões devem ser verifcadas de acor do com os métodos e procedimentos do cálculo estrutural. Logo, a função do pré-dimensionamento é de orientar o desenho das estruturas no projeto arquitetônico.

Para evitar que a laje do corredor-banho-cozinha-AS tenha o menor vão (Lx > 4 m) e suporte três paredes, lançaremos uma viga suporte da parede do corredor-banho-cozinha (fgura 1.144). Opção pelo não lançamento de uma viga entre cozinha e banheiro (normalmente passagem de tubulações). A solução “A” (fgura 1.145), e lembrando que não existe uma única solução, poderiamos ainda idealizar uma solução “B” (f gura 1.146), reposicionando os dois pilares da escada nas paredes externas da edifcação sem nenhum prejuízo aparente.

Figura 1.147 - Estrutura adotada

A melhor solução não existe e sim a solução ou as soluções que atendem bem determinada hierarquia de requisitos de desem penho. A forma mais lógica (ou o caminho natural) das forças parte das lajes, cargas gravitacionais passando pelas vigas, depois para os

A fgura 1.147 indica os elementos estruturais (pilares: P1 a P12; vigas: V1 a V10; e lajes: L1 a L7) previstos no projeto arquitetônico e que normalmente são considerados no projeto estrutural da edifcação. As distâncias entre os eixos das vigas também são consideradas, pois normalmente os pilares são posicionados nos eixos destas vigas e estes também defnem as dimensões das lajes.

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Figura 1.139 - Planta baixa - Arquitetura

e posdse dos carregamentos sobre as vigas, v1 e v7, é possível encontrar o D.M.F. das vigas e com o auxílio dos apên dices h e i, determinar os momentos fetores atuantes nas vigas. V1: D.M.F (fgura 1.150)

Este critério é muito mais preciso que o primeiro, pois con sidera os esforços próximos aos obtidos no projeto estrutural. E com os valores dos momentos fetores e os apêndices L e M (vigas con creto armado moldado “in loco”) pode-se encontrar seções de vigas de concreto armado moldado “in loco”, tanto com seção transversal retangular como em “t”. Entretanto, como essas vigas, V1 e V7, são vigas de externas, não serão consideradas as vigas de seção “t”. V1: M = 25,63 kn.m → Viga: 12x30 (M = 37 kN.m - fck: 25 Mpa) Para a viga v7, devido a sua continuidade estrutural, consi deraremos um valor de momento fetor maior, em torno de 10%, do valor do maior momento de engastamento perfeito, ou seja: M = 34,114 x 1,1 = 37,53 kn.m, daí:

Figura 1.150 - Viga V1 - D.M.F.

V7: D.M.F (fgura 1.151) - A viga V7 é contínua de dois tramos, di vidiremos essa viga em dois trechos de vigas biengastadas.

V7: M = 37,53 kn.m → Viga: 15x30 (M = 46,28 kN.m - ck f : 25 Mpa) Conclusão: percebe-se claramente que com cálculos mais aprofundados, critério 2, pode-se chegar a dimensões menores do aquelas encontradas no pré-dimensionamento feito utilizando o cri tério 1. é importante notar que tais diferenças são signifcativas, por exemplo a viga v7, inicialmente tem 50 cm no primeiro critério e 30 cm no segundo critério. O arquiteto então pode se perguntar: será que vale a pena assumir uma dimensão tão maior do aquela que vai acontecer no projeto estrutural? Lembrar que as dimensões do projeto estrutural serão aquelas usadas na construção.

Figura 1.151 - Viga V7 - D.M.F. 142

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condições às inovações arquitetônicas e obviamente fazer com que a estrutura de alvenaria tenha um funcionamento estrutural adequado. É importante entender que formas apropriadas às estruturas de alvenaria são também aquelas que podem ser idealizadas utilizando qualquer material com propriedades similares, ou seja, materiais com moderada resistência as tensões de compressão e muita baixa resistência as tensões de tração ou fexão, sendo o concreto um exemplo de tais materiais. Finalmente as alvenarias exibem uma combinação de boas propriedades que produzem edifcações de boa aparência e duráveis. É razoavelmente de alta resistência a compressão, de baixo custo, de boa resistência aos efeitos do fogo e com desempenho muito bom no que diz respeito a isolamento térmico e acústico, o que faz deste tipo de material ideal para paredes estruturais, sendo um material estrutural muito utilizado em diversos tipos de edifcações residenciais.

Figura 2.2 - “St. Paul’s Hospital” 167

As fguras 2.1 e 2.2 ilustram um exemplo de edifcações que usam alvenaria como elementos estruturais, “St. Paul’s Hospital” em Vancouver, BC no Canadá. Essa edifcação tem assumido várias formas arquitetônicas nos últimos 100 anos. Esse edifício foi modifcado no ano de 1913, projeto que foi elaborado pelo arquiteto alemão Robert F. Tegen. De 1931 a 1936 os arquitetos “Gardiner & Mercer” projetaram mais uma expansão.

2.2 Sistema Estrutural As alvenarias estruturais normalmente impõem algumas limitações à liberdade de planejamento se comparadas aos sistemas estruturais de viga-coluna equivalentes porque alguns requisitos estruturais e de planejamento do espaço devem ser levados em consideração na determinação do posicionamento das paredes. Entretanto, as alvenarias estruturais são mais simples de construir do que a maioria dos sistemas de viga-coluna e de baixo custo.

Figura 2.3 - Ação estrutural

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2.7 Projeto de Arquitetura em Alvenaria Estrutural Uma edifcação estruturada com alvenaria pode ter seu custo reduzido na medida em que seu projeto arquitetônico considerar a repetição e tiver paredes (portantes ou estruturais) coincidentes nos diversos pavimentos, dispensando elementos auxiliares ou estrutura de transição. Além do projeto, o profssional responsável pelo projeto arquitetônico, deve saber da necessidade do controle não apenas do tijolo ou bloco, mas também da argamassa utilizada. A execução da alvenaria portante também deve ser controlada, pois a espessura das juntas, o prumo das paredes e sua altura também modifcam a sua capacidade resistente. O projeto arquitetônico defne a forma da edifcação, o número e a distribuição das peças, logo condicionando os demais projetos. Por isto, o sucesso do empreendimento está ligado à boa qualidade deste projeto. Caso este projeto não seja adequado, compensações nas medidas dos demais projetos ou intervenções na obra deverão ser feitas, infuenciando negativamente a qualidade tanto do projeto como na execução da edifcação. A concepção do projeto arquitetônico é uma fase crucial, pois parâmetros como a simetria em planta, a coordenação modular horizontal e vertical, a passagem de dutos e a paginação devem ser observados. Na realização deste projeto deve-se sempre procurar um equilíbrio entre a distribuição das paredes resistentes com a área da planta, a fm de se obter uma simetria externa da edifcação. E não menos importante devem-se também distribuir as paredes estruturais em ambas as direções com o intuito de garantir a estabilidade do edifício em relação às cargas horizontais, diminuindo o surgimento de esforços de torção na edifcação. A utilização de formas em planta em L, U, T e X devem ser evitadas (fgura 2.24), pois aumentam o custo da estrutura e difcultam os cálculos. No caso de elevações a premissa também é válida, o ideal (fgura 2.25) seria a mais simétrico possível, evitando formas complexas, enquanto as formas ilustradas na fgura 2.26 são aceitáveis. 190

Figura 2.24 - Forma em “L“ Figura 2.32 - Canaleta 14x29x19

Figura 2.25 - Formas ideais

Figura 2.33 - Canaleta 19x39x19

Figura 2.26 - Forma aceitável

A modulação é um item fundamental nas edifcações em alvenaria estrutural e muitas vezes responsável por sua economia e racionalização. Modular um arranjo arquitetônico signifca acertar suas dimensões em planta e também na altura da edifcação, através das dimensões das unidades, com o objetivo de reduzir ao máximo os cortes e ajustes na execução das paredes. A modulação deve ser considerada basicamente em duas direções: horizontal e vertical. A unidade de alvenaria (tijolo ou bloco) é defnida por três dimensões: comprimento, largura e altura. O comprimento e a largura defnem o módulo horizontal ou módulo em planta. Já a altura da unidade defne o módulo vertical, adotado nas elevações. Essas unidades podem ser cerâmicas (fguras 2.27 a 2.33) ou concreto (fguras 2.34 a 2.37). 191

Figura 2.34 - Bloco 14x39x19

Figura 2.35 - Bloco 14x19x19

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Figura 2.42 - Parede resistente : altura total (H)/ comprimento (d)

Figura 2.39 - Flexibilidade do edifício

É importante também que o profssional responsável pelo projeto de arquitetura reconheça a infuência das aberturas nas fachadas dos edifícios em alvenaria estrutural. Esta infuência esta ilustrada na fgura 2.39. Notar que com o aumento da fexibilidade do edifício a capacidade portante é reduzida. A forma geral da planta de uma edifcação é determinada por muitos fatores incluindo seu tamanho, orientação do lote, relação com outros edifícios vizinhos, comunicação das rotas internas, iluminação natural e sua função. Um fator importante a ser considerado é a relação entre o perímetro das paredes e a área do pavimento. Esta relação dá uma indicação do custo das paredes em relação à área utilizada no pavimento avaliado. A fgura 2.40 foi desenvolvida com o objetivo de mostrar a efciência relativa de varias formas de edifícios, considerando sua planta baixa. As porcentagens foram obtidas comparando o comprimento do perímetro das paredes de uma particular forma com uma forma circular de mesma área. 196

Figura 2.43 - Volumetria

A verifcação da estabilidade global de uma estrutura de alvenaria pode ser garantida verifcando-se o tombamento da mesma. A fgura 2.43 ilustra a volumetria de uma edifcação, e suas relações recomendadas são indicadas a seguir: IDEAL → C/L = 1 e H/L ≤1 ACEITÁVEL → C/L ≤4 e H/L ≤3 RUIM → C/L > 4 e H/L > 3 199

2.8 Detalhes de Amarração de Cantos e Bordas Sempre que possível as amarração devem ser diretas. Dependendo do módulo do bloco utilizado, podem ocorrer duas situações distintas: Na fgura 2.44 a malha modular básica é igual à largura modular do bloco utilizado (15cm ou 20cm). Enquanto, na fgura 2.45, tem-se a largura modular do bloco utilizado menor que a malha modular básica (largura modular do bloco igual a 15cm e malha modular básica igual a 20cm, por exemplo).

Figura 2.55 - Excalibur Hotel - Las Vegas - USA

Figura 2.44 - Malha e blocos iguais

Figura 2.45 - Borda - malha e blocos iguais + bloco especial de três módulos Figura 2.56 - Edifício Barão de Duas Barras - Goiânia - Brasil 201

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