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Construção de Edificações Multiandares em Aço

 

Construção de Edificações Multiandares em Aço

Fonte: http://www.cbca-acobrasil.org.br/artigos-tecnicos-ler.php?cod=5111&bsc=

 

O desenvolvimento do projeto de edificações multiandares é uma tarefa complexa e a obtenção de um projeto eficiente e bem sucedido é fundamental o trabalho de equipe, caracterizado por um perfeito entrosamento entre cliente, arquiteto, engenheiro estrutural e construtor.

Essas construções são consideradas de baixa e média altura quando o número de andares vai até 30. O principal fator estrutural que interfere no seu planejamento é a definição de um sistema eficiente de vigas e colunas que suportem os carregamentos gravitacionais aplicados nos pisos. A necessidade de uma adequada resistência e rigidez lateral para resistir às cargas de vento é outro fator que se deve levar em consideração na determinação do sistema estrutural desses edifícios, em particular nas estruturas dos edifícios altos.

Lajes e Vigamentos

A estrutura dos pisos, composta da laje e do vigamento, deve transmitir as ações gravitacionais até as colunas, e, eventualmente, até aos contraventamentos verticais. De maneira genérica, pode-se dizer que dentro da compatibilidade com os vãos econômicos das lajes, o vigamento do piso é tanto mais econômico quanto menor for o percurso da carga até a coluna.

A figura abaixo mostra que o vigamento principal pode ser em uma direção ou em duas direções dependendo da forma do edifício e ilustra também a transmissão das cargas da laje até as colunas quando a laje não tem vigamento suporte como em (a).

A maioria das lajes de piso (ou cobertura) utilizado nos edifícios estruturados em aço é de concreto armado. Na figura abaixo é ilustrado quatro diferentes tipos de laje: lajes do tipo convencional de concreto armado moldadas “in loco”, lajes (painéis individuais) de concreto celular autoclavados, lajes moldadas “in loco” usando forma metálica permanente (steel deck) e lajes pré-moldadas com enchimento de lajota cerâmica ou poliestireno expandido (Isopor).

É importante saber que as lajes convencionais de concreto armado moldada “in loco” podem ser armadas de tal forma que permitam ser apoiadas em uma direção (armadas em 1 só direção) ou duas direções (armadas em cruz). Já os outros sistemas de laje são normalmente apoiados em uma única direção, e eles devem ser suportados por um sistema de vigas com espaçamento entre elas variando de 2 a 6 metros dependendo do tipo de laje.

Com o objetivo de aumentar a eficiência estrutural do sistema de piso, as lajes de concreto armado podem ser ligadas as vigas de aço através de conectores de cisalhamento, que são soldados nas mesas superiores dos perfis, formando então o que é conhecido por viga mista (concreto-aço) como ilustrado na figura abaixo.

Esse tipo de ação entre a laje e a viga reduz a altura do perfil metálico e pode ser obtido utilizando lajes moldadas “in loco” ou pré-fabricadas.

A malha de colunas pode assumir varias formas dependendo do planejamento requerido pelo edifício. A próxima figura ilustra um layout típico de vigamento, que consiste numa serie de vigas secundárias paralelas de mesmo espaçamento que dependerá do vão admitido pela laje. As vigas secundárias são usadas junto com vigas primarias que determinam o espaçamento entre colunas que é mais ou menos quadrado. Uma variação deste arranjo pode ser obtida para acomodar requisitos do planejamento do edifício. Confira:

Outra variação comum de um arranjo de vigamento de piso é o posicionamento de uma coluna para cada viga secundária no perímetro do edifício. A proximidade entre as colunas permite que elas sejam suporte para os elementos de fechamento da fachada do edifício. Este tipo de arranjo pode ser visualizado na ilustração abaixo:

Como as estruturas de aço utilizam componentes pré-fabricados e também por um fator econômico, é desejável que estes elementos sejam padronizados, e este procedimento é facilitado se o vão dos principais elementos estruturais forem mantidos constantes.

Quando vãos muitos longos são necessários nas estruturas dos edifícios é normal o uso de um sistema terciário de vigas. A figura acima ilustra este sistema. Ele é formado por vigas treliçadas de vão igual à largura do edifício que são mostradas em linhas tracejadas no plano do vigamento, e devido ao bom desempenho estrutural da viga treliçada, as colunas intermediárias indicadas pelos pontos “A” são desnecessárias.

Outra possibilidade de vencer grandes vãos é a utilização de sistema conhecido por treliças interpavimentos como ilustrado na próxima figura. Que são treliças assentadas de tal modo que os pisos se apóiam na corda superior e na corda inferior das mesmas.

Normalmente as colunas se situam na periferia permitindo boa flexibilidade no planejamento arquitetônico interno. Nos pavimentos com treliça, as paredes divisórias transversais ficam nos planos do treliçamento.

No plano das treliças, as ações do vento são resistidas pelo quadro formado pelas colunas e treliças alternadas, enquanto que no outro sentido elas são resistidas por quadros rígidos, contraventamentos convencionais ou por paredes (ou núcleos) de cisalhamento.

Sistemas de contraventamentos

Da mesma forma que as estruturas de aço de coberturas os edifícios estruturados em aço necessitam de um sistema que garanta a estabilidade do conjunto estrutural. Este sistema pode ser composto de elementos que formam triângulos em determinados planos da estrutura ou por elementos que são unidos rigidamente.

O edifício em quadro rígido tem uma eficiência estrutural limitada e normalmente alcança um número máximo de 20 pavimentos. Entretanto, quando os nós são rotulados, é necessário idealizar um sistema de estabilização lateral, e é uma prática normal que todas as ligações entre vigas e colunas sejam rotuladas, com colunas formadas por barras com rotulas a cada dois pavimentos como na figura abaixo.

Este sistema totalmente formado por barras rotuladas tem muitas vantagens: a análise estrutural e a montagem da estrutura são muito simples; permite a acomodação das dilatações térmicas e de pequenos movimentos das fundações sem introdução de tensões na estrutura. Mas este sistema de nós rotulados é muito instável, e, portanto, um sistema de contraventamentos deve ser adicionado.

Para dar a estabilidade necessária à estrutura formada por barras rotuladas um sistema de estabilização vertical em forma de diagonais ou diafragmas deve ser incorporado ao conjunto estrutural em duas direções ortogonais (mutuamente perpendicular). Este sistema por sua vez deve ser ligado a todas as outras partes do conjunto estrutural por um sistema plano de estabilização em cada pavimento (Ex.: lajes de concreto armado). A figura abaixo mostra esquematicamente as ações dos ventos atuando em um edifício de andares múltiplos.

Em (a) as cargas de vento atuam na fachada externa da edificação que é transmitida aos pisos do edifício; em (b) o plano do pavimento absorve as cargas de vento, que aparecem em forma de uma carga uniformemente distribuída na extremidade da laje do piso, e que é transmitida a um sistema vertical de estabilização; finalmente em (c) um sistema vertical de estabilização é mostrado independentemente do resto da estrutura. As cargas recebidas por cada pavimento é indicada por uma seta horizontal, e estas são transmitidas a fundação por uma grande viga treliçada formada pelas colunas que estão ligadas por este sistema de estabilização vertical.

Tipologia Estrutural

As estruturas dos edifícios multiandares são solicitadas de acordo com as ações verticais e horizontais. As ações verticais são devido à carga permanente – peso próprio das vigas, colunas, lajes, escadas, fachadas, caixa d’água, alvenarias, revestimentos, etc. – e à sobrecarga – carga distribuída por metro quadrado nos andares, devido às pessoas, móveis e divisórias, e carga devido à água na caixa d’água, tubulações, etc.

As ações verticais são absorvidas pelas lajes que as transmitem às vigas metálicas, que inclusive podem trabalhar em conjunto com as lajes, no caso de vigas mistas. As vigas transmitem as ações para outras vigas nas quais se apóiam ou diretamente para as colunas.

As colunas transmitem as ações verticais diretamente para as fundações.

As ações horizontais são provenientes do vento agindo sobre as faces expostas do edifício, provocando efeitos de pressão e sucção nas fachadas, de acordo com a sua forma externa e resultando numa força global de arrasto na estrutura.

Os efeitos sísmicos também provocam ações horizontais nas estruturas; as Normas Brasileiras não consideram a existência desse efeito no nosso território.

De qualquer forma, a magnitude de efeito de vento, agindo isoladamente ou em conjunto com qualquer outra ação que também provoque efeito horizontal, tem influência decisiva na solução estrutural a ser adotada:

  • deve-se buscar a que resiste aos esforços horizontais de maneira mais econômica, observando-se os deslocamentos horizontais.

Tipos de aço e perfis para estrutura metálica de edifícios

A construção de edifícios com estrutura metálica é coisa antiga no exterior, principalmente nos EUA. No Brasil, esta tecnologia começou a chegar para valer há apenas alguns anos. Talvez por isto, alguns Arquitetos e Engenheiros, acostumados com estruturas de concreto armado, têm dificuldades para se adaptar à estrutura metálica. Para estes, mostraremos um pouco dos materiais utilizados em substituição às vigas, pilares e lajes convencionais.


Nas construções com estrutura metálica a escolha do tipo de aço é feita em função de aspectos ligados a:

  • Meio ambiente onde as estruturas se localizam;
  • Previsão do comportamento estrutural de suas partes, devido à geometria e aos esforços solicitantes;
  • Meio industrial com atmosfera agressiva à estrutura;
  • Proximidade de orla marítima;
  • Manutenção necessária e disponível ao longo do tempo.

Os fatores acima influenciam a escolha de diversas maneiras. Por exemplo, condições ambientais adversas exigem aços de alta resistência à corrosão. Por outro lado, peças comprimidas com elevado índice de esbeltez ou peças fletidas em que a deformação (flecha) é fator preponderante são casos típicos de utilização de aços de média resistência mecânica. No caso de peças com baixa esbeltez e onde a deformação não é importante, fica mais econômica a utilização dos aços de alta resistência.

Os aços estruturais utilizados no Brasil são produzidos segundo normas estrangeiras (especialmente a ASTM (American Society for Testing and Materials) e DIN (Deutsche Industrie Normen) ou fornecidos segundo denominação dos próprios fabricantes. Assim, os aços disponíveis por aqui estão listados na tabela abaixo:

Claro que há casos específicos, mas de maneira geral pode-se dizer que os perfis de aço utilizados na construção de edifícios de andares múltiplos são os mesmos empregados na construção de galpões e outras estruturas.

Perfis para colunas

As colunas de edifícios são dimensionadas fundamentalmente à compressão. São utilizados então perfis que possuam inércia significativa também em relação ao eixo de menor inércia, como é o caso dos perfis “H” que têm largura da mesa, igual ou próxima à altura da seção. A figura abaixo mostra alguns perfis utilizados como colunas:

Perfis para vigas

Os perfis de aço utilizados nas vigas dos edifícios são dimensionados pressupondo-se que terão a mesa superior travada pelas lajes.

Neste conceito, as vigas não estarão portanto sujeitas ao fenômeno da flambagem lateral com torção.

No caso de vigas bi-apoiadas, é comum usar vigas mistas onde o perfil em aço trabalha solidário com a laje, obtendo-se uma solução mais econômica. A figura abaixo mostra o funcionamento de algumas soluções para as vigas de estrutura metálica:

Perfis para os contraventamentos

As seções dos perfis para contraventamentos costumam ser leves. Sua escolha leva em conta a esbeltez e a a resistência aos esforços normais. No caso de edifícios a esbeltez das peças tracionadas principais é limitada a 240mm e das comprimidas limitadas a 200mm. Os perfis comumente utilizados são os da figura abaixo:

Lajes de Piso

As lajes deverão ser convenientemente ancoradas às mesas superiores das vigas, através dos conectores (vide a seguir) para que façam parte da “viga mista”.

As soluções usuais para lajes, no caso de vigas mistas em edifícios de andares múltiplos, são mostradas a seguir:

Laje fundida in loco

É ainda a solução mais econômica no país, apresenta a desvantagem de exigir formas e cimbramentos durante a fase de cura.

Laje com forma em aço, incorporada

A laje é fundida in loco sobre forma de chapa de aço conformada, capaz de vencer os vãos entre vigas, e que inclusive passa a ser a ferragem positiva da laje. É um sistema que tem vantagem de prescindir, em boa parte dos casos, de formas e escoras durante a cura, liberando dessa forma a área sob a laje para outros trabalhos. Além disso, a seção transversal da forma abre espaço para passagem dos dutos e cabos de utilidades.

Laje pré-moldada

Nesse caso o painel pré-moldado de laje é colocado diretamente sobre a viga de aço sem a necessidade de escoramentos e com a vantagem da liberação imediata da área para outros serviços. Esse sistema exige cuidado especial para a execução da ancoragem da laje na mesa superior da viga de aço, com vistas ao funcionamento como viga mista.

Conectores

Os conectores têm a função de transmitir os esforços de cisalhamento longitudinal entre a viga de aço e a laje, no funcionamento da viga mista.

Dentre os vários tipos de conectores, os mais usados são o pino com cabeça e o perfil “U”.

O item 6.4 da NBR 8800 (Conectores de cisalhamento) apresenta as resistências dos conectores tipo pino com cabeça e perfil “U” e dá as diretrizes para o seu projeto e instalação. A Figura ao lado ilustra os diversos tipos de conectores.

Paredes

As paredes dos edifícios com estrutura metálica normalmente são de alvenaria, construídas com tijolo furado ou com tijolo de concreto leve. Dependendo da finalidade do edifício, as paredes internas são substituídas pelas paredes divisórias desmontáveis, que conferem flexibilidade ao layout do andar.

As paredes externas normalmente são o resultado da combinação de vários materiais, para se obter o efeito arquitetônico desejado. Uma solução comum é a utilização de alvenaria com esquadria de aço ou alumínio para as janelas.

Outra solução para as paredes externas consiste na utilização de painéis pré-fabricados ou pré-montados combinando diversos materiais como concreto, chapas em aço pintadas, esquadrias de aço e alumínio, vidro e fibra de vidro, dentro da solução arquitetônica desejada.


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