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O uso do Aço na Arquitetura 1 Aluízio Fontana Margarido
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Edifícios Altos
Edifícios de Andares múltiplos:Edifícios Altos
ObjetivoCompreender o modelo estrutural do edifício e fornecer alternativas para seu bom desempenho estrutural.
10Conceito relativo de edifício alto: O conceito de edifício alto ou baixo é um conceito relativo, pois só tem sentido quando feito em termos comparativos.
. Para o arquiteto:Quando a altura da edificação começa a ter peso na paisagem;
. Para o engenheiro:Quando soluções estruturais precisam ser adotadas, para se ter condições econômicas de resistir a ação horizontal do vento ou sismo;
. Para o corpo de bombeiros:Quando o edifício, pela sua altura, necessita ser construído em blocos independentes para evitar a propagação do fogo, além de ser dotado de inúmeros equipamentos de segurança adicionais;
. Para um homem comum:Para um habitante de uma grande metrópole da atualidade, uma edificação de 20 andares é considerada normal, en-quanto que em outras localidades pode ser considerada um edifício alto.
Divisão do Espaço do EdifícioResidencial e Comercial
O edifício residencial possui um grande número de espa-ços de menor dimensão, com colocação de pilares em planta em função dessas divisões.
A colocação dos pilares em planta nem sempre é regular. Normalmente os vãos entre pilares são menores do que os comerciais.
O edifício comercial, ou de escritórios, possui amplos es-paços e vãos maiores, tendo-se a possibilidade de colo-car os pilares em modulação regular. Esta sistematização vem a facilitar muito a industrialização, ou seja, permite a repetição de operações iguais em grande número, o que vem a baratear a construção por unidade de área.
Alguns dos mais altos edifícios de aço do mundo:
. É executado em 1885 o primeiro edifício de aço em Chi-cago, o Home Insurance Building, com 10 andares.
. O Empire State Building é construído em 1931, com 102 an-dandares (480 metros de altura). São gastos 60.000 t de aço e 47.400 m³ de concreto. Modernamente são executados grandes edifícios em aço, como o John Hancock Building, de Mies Van der Rohe, que usa contraventamento em diagonal na fachada do edifício. Tem 100 andares.
. O Sears Towers em Chicago tem 120 andares.
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Formas de Resistir as Forças devidasao Vento. com ação de pórtico;. com núcleo rígido;. com paredes enrijecidas – septos treliças (shear wall);. estruturas externas em tubo vazado;. soluções mistas.
A resistência aos esforços deve ser feita com limitação de deslocamento (flechas), tanto para cargas verticais, como para as horizontais, devidas ao vento.
Função da Laje (Piso)
Nos edifícios, a laje, além da importantíssima função de re-sistir às cargas verticais (peso próprio e cargas úteis) fun-ciona como uma viga horizontal, ou diafragma, distribuindo as cargas horizontais do vento.
Se compararmos a viga em balanço com o pórtico, ambos deformados pelo vento, verificamos que a viga possui tan-gentes (rotações) crescentes com a altura, enquanto que isto não acontece com o pórtico, pois o momento de res-trição da viga faz com que haja deformação mais favorável, em termos de reduzir a flecha, no todo do pórtico. Na ação do pórtico, necessitamos ter nós rígidos para que existam os momentos de restituição das vigas.
Comparação de Ligações Rígidas e Flexíveis
Ligação a momento (rígida) com ação de pórtico(Essa solução é mais demorada para ser executada, e mais cara, que a solução articulada).
Ligação à força cortante ‘quase articulada’ (é uma solução rápida de ser executada e mais econômica).
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Uma estrutura de edifício feita somente com nós articula-dos não seria estável.
A estrutura teria a tendência de cair. A estrutura na reali-dade seria ‘quase hipostática’, apresentando grandes des-locamentos horizontais.
Na figura A, verificamos que a carga vertical aumenta esse deslocamento.
A ligação articulada tem rapidez de execução e custo mais baixo, porém só deve ser realizada caso tenhamos alguns elementos rígidos, que podem ser de aço ou concreto, para fazer a função de estabilidade da figura B . Para isso, lançamos mão do núcleo rígido, que garante a estabili-dade do edifício.
Ação do Núcleo Rígido
Nessa solução utiliza-se a caixa de circulação vertical(caixa de elevadores e escadas, poço de subida de utili-dades, etc) como elemento resistente ao vento.
As lajes, agindo com vigas horizontais, tem um importante papel na transmissão das ações para o núcleo rígido.
Verifica-se a importância do núcleo rígido e a ação da laje, funcionando como uma grande viga horizontal.
. é preferível, porém, não obrigatório, colocar o núcleo simétrico em relação a planta do edifício, para reduzir o momento torsor causado pelo vento agindo na fachada.
. para edifícios de aço é preferível que o núcleo seja ex-terno à planta do edifício pois assim temos uma maior repetição de vigas iguais, facilitando a industrialização.
. o núcleo rígido pode ser de aço ou de concretoarmado.
Núcleo de concreto armado leva a soluções mais econômi-cas, principalmente quando feito com formas deslizantes ou trepantes.
. a laje conectada às vigas e ao núcleo dá estabilidade à estrutura metálica.
Observações Úteis na Utilização do Núcleo Rígido
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Formas de Interagir Vigas de Aço e Laje de Concreto(formando uma estrutura mista, onde se usa o concreto armado para resistir à compressão, e o aço para resistir à tração e ao cisalhamento)
Outros Conectores
Uma grande variedade de conectores pode ser utiliza-da; a forma mais comum é a do Studweld, ou Studbolt.
Além da laje agir como elemento de compressão na viga, funciona também como viga horizontal, enrijecida pelas vi-gas de aço, podendo o conjunto ser calculado como uma viga mista, em função da ligação entre viga e laje feita pelos conectores.
Ligação Concreto Aço
Quando utilizamos associados o concreto e o aço devemos levar em conta a diferença de precisão dos dois métodos de construção. A estrutura de aço tem tolerâncias em mm, enquanto a de con-creto tem tolerâncias em cm. A estrutura de aço deve permitir ajustes para se afastar da precisão do concreto.
Desenho esquematico de uma laje steel deck- fonte: Metform
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Forma de Reduzir Deslocamentos de Estruturas com Núcleo Rígido
Uma forma de reduzir os deslocamentos da estrutura é criar uma grande viga superior, geralmente em treliça fazendo com que os pilares extremos funcionem comoelementos de tração e compressão, contendo parcial-mente a rotação no topo do núcleo rígido, que pode ser em aço ou concreto.
A utilização do núcleo rígido permite uma série de vari-antes para a realização da estrutura, conforme os modelos a seguir:
Para a estrutura de aço, o mais in-teressante é sem dúvida o sistema suspenso, pois utiliza tirantes e o aço é plenamente aproveitado em uma de suas melhores características, que é a resistência a tração.
Outros Conectores
Em edifícios altos essas paredes enrijecidas são normal-mente septos em forma de treliça, que apresentam simpli-cidade de ligação e grande rigidez.
Para facilitar a execução da ligação as barras da treliça nunca devem ter ângulo inferior a 30.
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Contraventamento K ‘Articulado’
Inúmeros são os exemplos de soluções em treliças:
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Nos edifícios em concreto armado essas paredes são em elementos maciços.
Quando se quer reduzir o deslocamento, podemos recor-rer ao uso de treliças passantes no topo do edifício, que reduzem a rotação no topo, da mesma maneira que quan-do temos o núcleo rígido.
Para o comportamento conjunto das paredes enrijecidas (septos em treliça) é muito importante a ação da laje como viga horizontal. Podemos, em substituição à laje, utilizar treliças neste plano horizontal.
Vejamos um travamento horizontal funcionando como um plano de enrijecimento: essa solução é indicada quanto não se pode usar estrutura mista ou quando a concretagem segue muito atrás da montagem da estrutura metálica.
Durante a montagem de edifícios, com travamento com laje de concreto, não se aconselha que o edifício suba mais do que três andares, sem concretagem da laje. Caso seja necessário deixar andares sem concretagem, deve-se prever contraventamento provisório, que garanta a es-tabilidade da construção durante a montagem.
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Estrutura Externa em Tubo Vazado
É uma extensão do conceito do núcleo rígido. Para alturas maiores utiliza-se uma ‘estrutura rígida’ na periferia doedifício; com isso temos uma maior rigidez, que propor-ciona a possibilidade de atingir grandes alturas.
Na solução em tubo externo como é impossível realizar uma caixa cega, permite-se aberturas, porém essas de-verão ser de dimensões reduzidas, pois quanto menores as aberturas, maior a rigidez.
Comparação entre um ‘Tubo não Vazado’
Quanto menos rígido o tubo, maior é a concentração de solicitação nos cantos. Há inclusive interesse em se di-minuir o espaçamento dos pilares na região dos cantos. Recomenda-se, para espaçamento dos pilares, distâncias entre 1,5 e 3 metros para termos boa ação de tubo. É co-mum utilizar-se o poço dos elevadores e escadas também como um elemento rígido, temos então o caso de dois tubos, um dentro do outro, ligados por vigas e lajes.
A estrutura do núcleo pode ser em açoou concreto.
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Tubos Múltiplos
(o grande efeito de tubo é dado pelo tubo externo)
Soluções Mistas
Para combater a ação do vento pode-se associar diversas soluções com a finalidade de se obter a rigidez adequa-da. A forma de associação é fundamentalmente função da forma do edifício e da divisão dos espaços criados pela arquitetura.
Para determinarmos a parcela de vento que vai para cada elemento de enrijecimento, devemos fazer uma análise es-trutural compatibilizando as deformações e utilizando lajes como elemento de ligação.
Sugestões para a escolha do Sistema Estrutural
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1. Limitações para cargas horizontais: vento
1. Limitações para cargas verticais:
flecha máxima sobre carga < L/500
flecha máxima para peso próprio f / L/350
f = flecha
L = - vão da viga isostática ‘ou’
. 0,90 do vão da viga apoiada de um lado e contínua do outro ‘ou’
. 0,80 do vão da viga contínua em ambos os lados ‘ou’
. o dobro da viga em balanço
Limitações de Deslocamentos
Flechas admissíveis para alguns tipos de modelos estru-turais de edifícios:
Estabelecemos acima as flechas para os maiores exemplos de edifícios com cada tipo de sistema estrutural e pode-se verificar que as flechas ficam em torno de 30 cm a 40 cm. As limitações da flecha são muito importantes para garantir-mos a integridade de materiais de acabamento, alvenarias e conforto humano, quer em termos de vibrações, como de acelerações. Flechas maiores, além de deformações vi-suais e espaciais, irão provocar rachaduras e até ruptura de paredes e revestimentos.
Instituto Cultural Itaú - São Paulo / SPfoto: Ernesto Tarnoczy Jr