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Caracterização dos sistemas estruturais: repertório de projetos

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paulo bindi

on 24 November 2015

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Transcript of Caracterização dos sistemas estruturais: repertório de projetos

1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Conforme já foi explicado, denomina-se de Sistema Estrutural a uma combinação de elementos estruturais que desempenham, de modo integrado, a função estrutural.

A principal característica de
um sistema estrutural é que o seu funcionamento é

conjunto e tem características próprias
.

Para determinação dos esforços solicitantes e de seus diagramas, os sistemas estruturais devem ser analisados em conjunto, embora o projeto executivo seja feito, freqüentemente, por peças (pilares, vigas, lajes,...).

Por motivos meramente didáticos, os sistemas estruturais podem ser divididos em alguns grupos distintos. Há diversos critérios de fazer esta divisão, segundo critérios geométricos, funcionais, construtivos, etc...

A que será adotada neste curso está baseada na classificação proposta por Heino Engel, apresentada no seu livro “Sistemas Estruturais”, edição bilíngüe (espanhol/português), publicado pelo editora Gustavo Gili (edição 2003).

A divisão proposta por esse autor se baseia nas características comuns dos mecanismos de redistribuição e transmissão de forças de cada um dos 4 grupos e subvidisões citadas a seguir.

Por motivos meramente didáticos, os sistemas estruturais podem ser divididos em alguns grupos distintos. Há diversos critérios de fazer esta divisão, segundo critérios geométricos, funcionais, construtivos, etc...

A que será adotada neste curso está baseada na classificação proposta por Heino Engel, apresentada no seu livro “Sistemas Estruturais”, edição bilíngüe (espanhol/português), publicado pelo editora Gustavo Gili (edição 2003).

A divisão proposta por esse autor se baseia nas características comuns dos mecanismos de redistribuição e transmissão de forças de cada um dos 4 grupos e subvidisões citadas a seguir
.


2.1. SISTEMAS ESTRUTURAIS DE FORMA ATIVA

1- Sistemas de cabos;
2- Sistemas de tendas;
3- Sistemas pneumáticos;
4- Sistemas de arco.

2.2. SISTEMAS ESTRUTURAIS DE VETOR ATIVO

1- Treliças planas;
2- Treliças planas combinadas;
3- Treliças curvas;
4- Treliças espaciais.

2.3. SISTEMAS ESTRUTURAIS DE SEÇÃO ATIVA

1- Sistemas de vigas;
2- Sistemas de pórticos;
3- Sistemas de malhas de vigas;
4- Sistemas de lajes.

2.4. SISTEMAS ESTRUTURAIS DE SUPERFÍCIE ATIVA

1- Sistemas de chapas;
2- Sistemas de placas dobradas;
3- Sistemas de cascas.

Um quinto grupo é proposto. Sua classificação não está baseada em mecanismos específicos de redistribuição de forças, com esses quatro. Mas em suas particularidades de rearranjo de cargas nos pavimentos horizontais, sua transmissão ao solo e estabilização do conjunto considerando o efeito do vento e de outras cargas laterais.

2.5. SISTEMAS ESTRUTURAIS DE ALTURA ATIVA

1- Arranha-céus tipo modular;
2- Arranha-céus tipo vão livre;
3- Arranha-céus em balanço;
4- Arranha-céus tipo ponte.

Ë claro que existem os sistemas híbridos, nos quais a redistribuição de forças é efetuada através da co-ação de dois ou mais sistemas diferentes. Entretanto, não devem ser classificados como uma família independente, pois não representam um mecanismo diferenciado dos demais.




2. CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS ESTRUTURAIS
2.1. SISTEMAS ESTRUTURAIS DE FORMA ATIVA
1. DEFINIÇÕES

São sistemas flexíveis, cujos elementos tracionados são de material não rígido, nos quais a redistribuição das forças é conseguida por um design adequado e pela estabilização da forma.

O cabo de suspensão vertical, que transmite a carga diretamente ao ponto de apoio, são os elementos básicos desse sistema.

A característica dos sistemas estruturais de forma ativa é: desviar as forças externas por meio de esforços normais simples: o arco por compressão: os cabos (ou membranas) por tração.

A forma dos sistemas estruturais de forma-ativa coincide com o fluxo natural dos esforços, chamada de funiculares.

Qualquer variação da carga ou das condições de apoio afeta a forma das curvas funiculares e origina nova forma da estrutura. Deve ser acrescentado que para a preservação da forma a estrutura deve permanecer esticada, por isso suas extremidades transmitem aos apoios esforços laterais, chamados “empuxos”, que exigem combinações adequadas de elementos estruturais.

2. PRINCIPAIS UTILIZAÇÕES

Por causa de sua identificação com o fluxo natural das cargas, simplicidade dos esforços envolvidos (tração e compressão) este tipo de sistema estrutural é o mais conveniente para cobrir grandes vãos e formar amplos espaços.







- linhas de transmissão, malhas de cabos, estruturas atirandadas, pontes pênseis, cobertas em catenária, estruturas estaiadas, etc...

Devido ao pequeno peso próprio em relação ao vão e a sua flexibilidade (os cabos não têm resistência a flexão), este sistema é muito susceptível a ventos, vibrações e cargas móveis.
Por isto às vezes necessitam de elementos estabilizadores.





São formados por material para coberta, cuja forma fica delineada por cabos esticados. Os cabos estão associados a mastros ou outros elementos comprimidos






Sistemas pneumáticos

O volume de ar fechado em um invólucro flexível de resistência a tensões de tração (membrana), quando pressurizado (pressão maior que a do meio ambiente), comporta-se como um sólido homogêneo elástico. Como tal, o volume de ar pode receber, transferir e descarregar forças externas; são as estruturas pneumáticas.

Esta qualidade mecânica do ar agindo como um sólido baseia-se em três condições:

Tecido de revestimento deve ser resistente a tração e impenetrável ao ar;
A pressão estabilizadora do ar interno deve ser permanente e sempre mais alta que as forças externas que agem sobre a membrana;
As forças internas são iguais em todo o volume. Elas agem centrifugamente na direção da membrana, tendendo a formar superfícies esféricas.








Sistemas em cabos e Estruturas Estaiadas:
Tenso- estruturas:
Sistemas Pneumáticos:
Arcos:
Arcos:

Os arcos são conceitualmente cabos invertidos. Por exemplo: a forma funicular de um arco submetido a peso próprio seria a de uma catenária invertida.

Para arcos concebidos como funiculares de cargas aplicadas, surgem apenas esforços de compressão, sendo que os valores destes esforços têm a mesma ordem de grandeza que os esforços de tração dos cabos correspondentes.

Os arcos podem sofrer também esforços de flexão. Arcos triarticulados são uma solução útil para minorar os efeitos da flexão, se ocorrerem.

Seguem ilustrações esquemáticas desses sistemas, retiradas do livro “Sistemas Estruturais”, de Heino Engel.







2.2. SISTEMAS ESTRUTURAIS DE VETOR ATIVO
1. DEFINIÇÃO

Os sistemas estruturais de vetor- ativo são sistemas de elementos sólidos e em linha reta (barras e hastes) nos quais a redistribuição das forças se torna possível através da decomposição vetorial, isto é, através da divisão multidirecional das forças.

Os sistemas treliçados efetuam a redistribuição das forças externas dividindo-os e redirecionando-as por duas ou mais peças concorrentes no mesmo nó de encontro, que se mantém em equilíbrio por “contra”forças apropriadas: os vetores. Estes vetores se transmitem ao nó seguinte, que se equilibra pelas outras barras convergentes, e assim por diante. Assim, as cargas chegam até os apoios, que estabilizam o conjunto.

Na prática são sistemas rígidos, formados por barras rotuladas entre si, em montagem triangular e com cargas aplicadas nesses nós de encontro.

Em conseqüência, estas barras transmitem forças apenas na direção de seu comprimento. Assim, as barras de uma treliça, geralmente, sofrem apenas esforços normais de tração ou compressão.

A montagem triangular forma uma composição estável e completa, sendo esta a característica que a diferencia do sistema anterior (forma ativa).

Este sistema também é capaz de transmitir cargas sem apoios intermediários, em grandes distâncias (embora menores que dos sistemas de forma ativa).

2. PRINCIPAIS UTILIZAÇÕES

Pela leveza e eficiência, este sistema tem grande utilização, principalmente com estruturas metálicas e de alumínio. Servem não só para cobrir grandes vãos em coberta, mas também para sustentação de pavimentos e painéis de vedação.

Por serem “transparentes” podem gerar estruturas com valor estético, com finalidade arquitetônica.

O mecanismo de redistribuição de forças deste sistema pode ser aplicado em outros tipos de sistemas estruturais. Assim: vigas, arcos, pórticos ou cascas podem ser projetados em sistemas treliçados.





Treliças Planas:
Todos os elementos estão em um plano (geralmente o plano vertical), assim como as cargas aplicadas.

Podem apresentar inúmeras variações de desenhos: como cordão superior, inferior, dois cordões, sistemas com contra-flechas, etc.

Treliças Planas Combinadas:
Variações: sistemas lineares, sistemas dobrados e sistemas cruzados.

A mudança de direção das forças não deve ocorrer necessariamente em um único plano, nem a distribuição das cargas em um único eixo. A decomposição das forças pode ser também efetuada tanto em curvas planas como em direções tridimensionais.


Treliças Curvas:
Variações: sistemas de curvatura simples, sistemas em forma de cúpula ou de forma esférica, em sela, etc.


Treliças Espaciais:
Treliças espaciais: sistemas planos ou dobrados, sistemas curvos ou lineares.


2.3. SISTEMAS ESTRUTURAIS DE SECÇÃO ATIVA
Vigas:
Biapoiadas ou contínuas, isostáticas ou hiperestáticas, as vigas são largamente usadas para suporte de lajes e sustentação de cargas lineares (alvenarias). São imprescindíveis para transição de pilares e nas estruturas pré-fabricadas. No caso de pontes, as vigas retas têm uma utilização bastante comum.

Pórticos:
Os pórticos são reticulados que sofrem cargas em seu próprio plano. Aqui, todos ou em parte, os encontros dos elementos são rígidos, diferentes dos sistemas treliçados, com elementos rotulados entre si.

A continuidade viga-pórtico redistribui os momentos fletores, permitindo que o projetista manipule melhor as formas e dimensões das peças. São ideais para contraventar prédios altos para ação do vento; também são imprescindíveis para edificações de corte transversa inclinado.

Os pórticos podem, ainda, ser usados em forma de quadros dispostos lateralmente. A viga Vierendel é uma variante desse modelo.


Malhas de Vigas:
Através da inserção de uma viga transversal em ângulos retos entre vigas paralelas, uma parte da carga aplicada em qualquer das vigas se transite às outras. Assim, todo o sistema participa do mecanismo de resistência.

As grelhas aumentam bastante a capacidade de vencer vãos, se comparamos com um conjunto de vigas secundárias apoiadas às outras, chamadas de principais. São ideais para cobrir grandes áreas. O sistema permite o uso de malhas não oblíquas (não ortogonais).

Lajes:
São sistemas de superfície planas, apoiadas em vigas ou diretamente nos pilares.

Ideais para suportar cargas distribuídas em superfícies (sobrecargas, revestimentos e pavimentações, líquidos, veículos, equipamentos, etc...), representam em torno de 50% do volume da estrutura de edificações.

Por sua variedade, são objetos de estudos específicos.



2.4. SISTEMAS ESTRUTURAIS DE SUPERFÍCIE ATIVA
1. DEFINIÇÕES

São sistemas de superfície não plana, com pequena espessura, mas rígidos, capazes de resistir à compressão, flexão e cisalhamento; a forma espacial é fundamental dar rigidez ao conjunto e para a redistribuição de forças.

Apesar da rigidez à flexão, os esforços predominantes nessas estruturas são os esforços de membrana, isto é, esforços que atuam paralelamente à superfície e que geram tensões de tração e compressão no seu plano médio.

Esforços de flexão e cisalhamento surgem normalmente nas bordas e regiões de apoio. Isso gera zonas de concentração de tensões. Assim é comum que os projetistas lancem mão de aumentos suaves de rigidez nessas regiões, promovendo um comportamento mais adequado tanto de deformações quanto de resistência às flexões localizadas.

2. PRINCIPAIS UTILIZAÇÕES

Estes sistemas têm utilização muito ampla pelas formas arquitetônicas possíveis. Há uma desejável coincidência entre as formas projetadas e a própria estrutura.

Por se tratar de formas não planas, são utilizadas basicamente como coberturas de ambientes, tendo em vista a possibilidade de formas arquitetônicas diferenciadas. Como exemplo podemos citar as obras de Niemeyer (tais como o conjunto da Pampulha, o Congresso Nacional, o Museu de Niterói, etc.), a coberta do Centro de Convivência Universitária da UNIFOR e grandes cúpulas de concreto.

Sistema de Chapas:
Chapas são estruturas em planas em que o carregamento se dá neste mesmo plano.
Uma das aplicações mais usadas são as vigas e pilares parede, pois o funcionamento estrutural é semelhante aos das vigas e pilares.
Em alguns casos pode não haver flexão, sendo o comportamento de chapas puras, só tracionadas ou comprimidas, como é o caso das lajes inferiores às vigas caixão perdido.

Pode ter uma utilização estética ou funcional, como proteção às intempéries.


Sistema de Placas Dobradas:
São muito eficientes, pois o funcionamento de placa (com pequena espessura) se restringe à direção transversal, entre os pontos de dobra, geralmente um vão de pequeno valor.

Na direção entre os apoios principais, o combate a flexão ganha como aliado a altura das dobras, que funcionam como nervuras. A altura portante passa a ser a projeção vertical da dobra.




Sistema de Casca:
São elementos de superfície curva.

Podem ser de curvatura simples, como os semi cilindros, usados isoladamente como apoios unidirecionais. Ou ainda, haver interseção de curvaturas cilíndricas, apoiando-se bi-direcionalmente.

A grande utilização deste sistema estrutural é para a cobertura em cúpulas.
Existem ainda possibilidades de sistemas em sela (dupla curvatura).

O cálculo e o detalhamento desses sistemas estruturais exigem conhecimentos específicos do projetista e o uso de ferramentas computacionais adequadas. (ex: SALT, da UFRJ, SAP – Structural Analisys Program).

Atualmente, o alto custo das fôrmas vem restringindo o uso de cascas de concreto, e as formas em cúpula ou curvas em geral são viabilizadas com estruturas metálicas reticuladas ou tensoestruturas.



2.5. SISTEMAS DE ALTURA ATIVA, HÍBRIDOS

Alem das cargas gravitacionais, sejam permanentes ou acidentais, as edificações estão submetidas a cargas laterais, normalmente exercidas pelo vento.

Geralmente, as cargas de vento geram esforços bem inferiores aos gerados pelas cargas verticais. Entretanto, a medida que as construções adquirem altura, as pressões do vento passam a equivaler a carregamentos horizontais que não podem ser desprezados no dimensionamento dos elementos estruturais.

As normas mais antigas estabeleciam critérios para se determinar se as construções eram “altas” ou não, ou seja, se a carga de vento devia ou não ser obrigatoriamente levada em conta. Se a altura superasse 4 vezes uma das dimensões do prédio em planta, o vento deveria ser considerado naquela direção.

Se uma edificação tivesse dimensões em planta 10x30m² e altura de 42m, por exemplo, o vento deveria ser considerado apenas na direção paralela aos 10m.

Hoje, com as facilidades de processamento, muitos programas computacionais já levam em conta a ação do vento em diversas direções.

O fato é que para construções de altura considerável, o projetista deve se preocupar com arranjos estruturais adequados também para a ação lateral. Esses arranjos vão desde pilares alinhados (para constituir pórticos) a caixas de escada, caixas de elevadores, vigas de ligação ou pilares parede.

O estudo de estruturas para edificações elevadas foge às finalidades deste curso introdutório, entretanto incorporamos vários esquemas idealizados por Engel, no livro texto.

Também anexamos figuras de sistemas estruturais, ditos híbridos.



Altura Ativa:
Hibridos:
SISTEMAS ESTRUTURAIS EM ARQUITETURA
1. DEFINIÇÕES:

São sistemas de estruturas constituídos de elementos lineares retos e rígidos nos quais se consegue a redistribuição de forças através da mobilização dos esforços seccionais de flexão e cisalhamento. Formas compactas como as lajes são incluídas neste grupo.

As vigas são os elementos básicos dos sistemas estruturais de seção ativa. São elementos resistentes à flexão e que não só são capazes de resistir às forças que atuam na direção do seu eixo, mas também suportar forças perpendiculares ao eixo e transmiti-las lateralmente.

Assim, com a massa de sua seção, a viga muda a direção das cargas nela aplicada a 90º, fazendo-as deslocar-se ao longo de seu eixo até seus apoios.

Por meio de conecções rígidas, vigas e colunas podem ser combinadas para formar um sistema coeso de múltiplos componentes, no qual cada componente, por meio de deflexão em seu eixo, participa do mecanismo resistente à deformações. Este conjunto é usualmente chamado de pórtico.

2. PRINCIPAIS UTILIZAÇÕES

A partir de vigas, pórticos articulados, pórticos rígidos, pórticos de vão múltiplos, quadros, pórticos de vários pavimentos, ou sistemas de grelhas de vigas, é possível conseguir grandes vãos e alturas, e obter espaços livres sem abandonar as vantagens de geometria retangular.




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