Sistemas Estruturais

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- Elementos estruturais para resistir a ações laterais

Como as ações laterais são devidas principalmente ao vento, é dessas que se tomará como atuantes, mas não se tratará especificamente do cálculo das mesmas. Vento, de forma simplificada, é o deslocamento de massas de ar decorrentes das diferenças de temperatura e, principalmente, pressão na atmosfera. A massa de ar ao adquirir certa velocidade, quando encontra a superfície de uma estrutura inerte, produz nela uma pressão, resultando em forças horizontais que solicitam a estrutura. Normalmente as estruturas de concreto armado são formadas de elementos prismáticos, ou seja, elementos com uma dimensão bem maior que as outras duas, e seção transversal constante. Um arranjo interessante para absorver as ações de ventos são os pórticos (neste caso, planos) constituídos por pilares (elementos geralmente verticais) e vigas (em geral horizontais), como o mostrado na Figura 2, inclusive com a deformação por ele sofrida.

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Figura 2. Pórtico sob ações só verticais e verticais junto com horizontais de vento.

Uma estrutura de concreto armado, por exemplo a da planta de formas dada na Figura 2.

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Figura 3. Planta de uma estrutura compostas por pilares e vigas (cotas em cm).

Se essa estrutura fosse projetada sem vigas (lajes lisas), os esforços de vento seriam absorvidos exclusivamente pelos pilares, considerando-os então ligados apenas por tirantes (a função da laje) que são incapazes de transmitir momentos.

Segundo a NBR 6118:2003, na composição estrutural muitas vezes é interessante arranjar os elementos estruturais de modo a proporcionarem aumento de rigidez em direções críticas a estes conjuntos. A norma define, em seu item 15.4.3, contraventamento, com a seguinte redação: “Por conveniência de análise, é possível identificar, dentro da estrutura, subestruturas que, devido à sua grande rigidez a ações horizontais, resistem à maior parte dos esforços decorrentes dessas ações. Essas subestruturas são chamadas subestruturas de contraventamento”.

As caixas de elevadores e escadas, bem como os pilares-parede de concreto armado, constituem exemplos de subestruturas de contraventamento. Por outro lado, mesmo elementos de pequena rigidez podem, em seu conjunto, contribuir de maneira significativa na rigidez a ações

horizontais, devendo então ser incluídos na subestrutura de contraventamento. Os elementos que não participam da subestrutura de contraventamento são chamados de “elementos contraventados”.

É, portanto, usual em estruturas altas ou esbeltas empregar caixas de elevadores, de escadas, pilares paredes e, em algumas situações, até um sistema treliçado, na direção da ação crítica do vento, de modo a proporcionar uma maior rigidez a estrutura. Como determinar a rigidez da estrutura é tema dos próximos itens.

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Figura 4. Pórticos planos que resistem à ação do vento incidente.

- Inércia equivalente de um pilar

Como visto, normalmente considera-se que o conjunto de vigas e pilares têm

comportamento de pórtico. Para isso, interessa definir para um determinado pórtico um pilar equivalente, ou seja, um pilar que tenha a mesma rigidez do pórtico. Isto é feito admitindo, por exemplo, que atue no pórtico uma carga horizontal igual a F . Calculando o deslocamento do seu topo, chamando de pórtico, basta agora tomar um pilar engastado na base e livre na outra extremidade, com a mesma altura e submetido à mesma carga horizontal F do pórtico, e tendo o mesmo deslocamento (Ƨpilar = Ƨpórtico).

O deslocamento horizontal do pilar no topo é dado por:

Ƨ pilar= F*H³/ 3*(E*I)pilar

Igualando as duas deformações obtém-se a expressão da rigidez equivalente do pilar:

(E*I)pilar= F*H³/3*Ƨportico

- Estabilidade estrutural

Segundo a NBR 6118:2003 as estruturas de concreto devem ser projetadas, construídas e utilizadas de modo que sob as condições ambientais previstas e respeitadas as condições de manutenção preventiva especificadas no projeto, conservem suas segurança, estabilidade, aptidão em serviço e aparência aceitável, durante um período pré-fixado de tempo, sem exigir medidas extras de manutenção e reparo.

Os esforços calculados a partir da geometria inicial da estrutura, sem deformação, são chamados efeitos de primeira ordem. Aqueles advindos da deformação da estrutura são chamados de efeito de segunda ordem. A consideração dos efeitos de segunda ordem conduz a não linearidade entre a ações e deformações; esta não linearidade, devido sua origem, é chamada de não linearidade geométrica. A fissuração e fluência do concreto levam também a uma não linearidade (entre ações e deformações) chamada neste caso de não linearidade física.

As deformações existentes nas estruturas permitem calcular os efeitos de segunda ordem que, de acordo com o item 15.4.1 da NBR 6118:2003, podem ser divididos em efeitos globais, locais e localizados de segunda ordem.

Segundo esse item da norma, sob a ação das cargas verticais e horizontais, os nós da estrutura deslocam-se horizontalmente. Os esforços de segunda ordem decorrentes desses deslocamentos são chamados efeitos globais de 2ª ordem. Nas barras da estrutura, os respectivos eixos não se mantêm retilíneos, surgindo aí efeitos locais de 2ª ordem que, em princípio, afetam principalmente os esforços solicitantes ao longo delas próprias. Em pilares parede (simples ou compostos) pode-se ter uma região que apresenta não retilinidade maior do que a do pilar como

um todo; nestas regiões surgem efeitos de 2ª ordem maiores, chamados de efeito de 2ª ordem localizados. O efeito de 2ª ordem localizado, além de aumentar nesta região a flexão longitudinal, aumenta também a flexão transversal, havendo a necessidade de aumentar os estribos nestas regiões.

- Estabilidade global

Segundo a norma NB1/2000 as estruturas de concreto devem ser projetadas, construídas e utilizadas de modo que sob as condições ambientais previstas e respeitadas