FACULDADE DE TECNOLOGIA ALTO MÉDIO SÃO FRANCISCO –
FACFUNAM
ENGENHARIA CIVIL
APOSTILA DE ALVENARIA ESTRUTURAL
PROFESSOR (A): JÚNIA MARIA GONÇALVES CAETANO
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Alvenaria Estrutural: Dimensionamento e Execução de Paredes, Notas de aula de Engenharia Civil
O conceito estrutural do sistema de alvenaria permanece muito semelhante ao utilizado em seus primórdios, sendo a estrutura dimensionada de modo a limitar os esforços de tração. A principal ideia desse sistema é que as paredes possuam função estrutural, cujas forças solicitantes são transmitidas ao apoio principalmente por meio do esforço de compressão. Por meio de uma análise simplificada de equilíbrio de forças, é possível verificar a estrutura quanto à sua estabilidade.
Tipologia: Notas de aula
2021
1 / 89
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FACULDADE DE TECNOLOGIA ALTO MÉDIO SÃO FRANCISCO – FACFUNAM ENGENHARIA CIVIL
APOSTILA DE ALVENARIA ESTRUTURAL
PROFESSOR (A): JÚNIA MARIA GONÇALVES CAETANO
9° PERÍODO
ALUNO:
Conceito estrutural básico O conceito estrutural do sistema de alvenaria permanece muito semelhante ao utilizado em seus primórdios, sendo a estrutura dimensionada de modo a limitar os esforços de tração. A principal ideia desse sistema é que as paredes possuam função estrutural, cujas forças solicitantes são transmitidas ao apoio principalmente por meio do esforço de compressão. Por meio de uma análise simplificada de equilíbrio de forças, é possível verificar a estrutura quanto à sua estabilidade. Ex. 1 : Suponha que você queira descobrir mais facilmente qual a espessura mínima que a parede representada na figura abaixo (a) deve ter para que não exista esforço de tração na seção. Considere que a força q representa uma carga distribuída de vento, e seja P a força devida ao peso próprio da estrutura, e R a força devida à reação no apoio. Assim, para que não haja tração em nenhuma parte da seção, a estrutura deve estar equilibrada. Logo, temos que a somatória dos momentos no ponto A é igual a 0. Assim, encontramos o esquema de forças aplicadas (b). Sabe-se ainda que, como o momento na base varia de 0 a um valor máximo, tem-se então uma distribuição de tensões triangular, e para esta seção a resultante se encontra a dois terços da base, logo há a distribuição definida na figura (c). Fazendo o equilíbrio das forças verticais, temos:
Aspectos técnicos e econômicos da alvenaria estrutural A alvenaria estrutural possui dupla função: estrutural e vedação. Nesse sistema muitas vezes é dispensado o uso de pilares e vigas, o que gera economia à construção. Entretanto, sua incorreta utilização pode comprometer a eficiência do sistema e torná-lo mais oneroso que os demais. Desse modo, é importante atentar para alguns aspectos técnicos envolvidos na escolha do sistema estrutural: Aberturas, como janelas e portas: devem ser previamente estudadas na concepção estrutural do edifício, pois reduzem a capacidade de carga das paredes. Usar vergas e contravergas para deslocar as cargas. O ideal é deixar os vãos na mesma posição em todos os pavimentos, pois seus desencontros reduzem ainda mais a resistência das paredes. Um projeto arquitetônico será mais econômico à medida que apresente formas repetitivas e tenha paredes coincidentes em seus pavimentos, evitando a utilização de elementos de transição. A concepção do projeto deve permitir a modulação dos cômodos considerando as dimensões da unidade de alvenaria. Assim, o processo de construção se torna racionalizado, proporcionando um método construtivo rápido e eficiente. A modulação é considerada fundamental, uma vez que os blocos estruturais possuem um custo unitário maior que os blocos de vedação, sendo que seu desperdício pode inviabilizar o uso do sistema. De acordo com Ramalho e Corrêa (2003), outro aspecto econômico essencial é a limitação da altura da edificação para prédios de até 15 ou 16 pavimentos, sendo que, para estruturas mais altas, passa a existir a necessidade de um grauteamento generalizado das paredes, tornando o sistema muito oneroso. Outro fator relevante citado é o seu uso. Ele deve ser limitado a estruturas com alta densidade de paredes e pequenos vãos internos, como edificações de médio e baixo padrão. Principais pontos positivos e negativos da alvenaria estrutural O desempenho econômico do sistema está associado principalmente com a compatibilidade entre o projeto e as características da alvenaria. Quando planejado, levando em consideração os aspectos técnicos, o sistema proporciona grandes vantagens em relação aos processos tradicionais, como:
- Economia de materiais. Dispensa o emprego de formas de madeira e promove a redução no uso de concreto e ferragens. Como não são permitidos rasgos na parede, a quantidade de material desperdiçado é menor.
- Redução na mão de obra. Dispensa o emprego de formas e armações, promove redução também na mão de obra com carpinteiros e armadores.
- Maior velocidade e facilidade de construção. Aliado com o uso de lajes pré-moldadas, o progresso da obra não depende do tempo de cura dos elementos, como no caso das estruturas tradicionais. Dessa maneira a construção consegue ser concluída mais rapidamente. Os principais pontos negativos da alvenaria estrutural são:
- Impossibilidade de efetuar modificações na disposição arquitetônica original. Como as paredes desempenham função estrutural, não é possível a modificação da arquitetura original.
- O projeto arquitetônico fica mais restrito. O projeto arquitetônico deve seguir as modulações permitidas pela unidade, além de ficar restringido a vãos pequenos e com grande densidade de paredes.
- Compatibilidade entre projetos. Nesse sistema o problema é ainda maior, uma vez que não podem ser feitos rasgos na parede, e todos os projetos devem ser otimizados visando a execução sem interferência na estrutura. Toda edificação deve atender o propósito para que foi construída. Assim, é incorreto afirmar que um sistema construtivo representa a melhor solução para todos os casos. Cabe ao engenheiro a ponderação dos pontos positivos e negativos de cada sistema, para então realizar a escolha do melhor sistema estrutural para cada caso. Principais aspectos quanto à modulação A modulação dos ambientes é necessária para alcançarmos uma construção eficiente e econômica. Esta inicia-se na concepção do edifício, na qual é determinado um módulo padrão, que é a menor dimensão a ser ajustada nos compartimentos da edificação. Na alvenaria, deve-se levar em consideração as dimensões apresentadas pelo bloco. É interessante que o comprimento seja múltiplo da largura, pois assim pode-se ter uma única dimensão padrão, o que facilita as amarrações entre paredes. Podemos obter a dimensão modular dos principais blocos a partir da dimensão nominal. Assim, encontramos as dimensões dos vãos no projeto, conforme indicados pela Tabela: Portanto, devemos atentar para a modulação das portas e janelas. Normalmente elas são escolhidas de acordo com a família de bloco adotada. Para a dimensão modular 15 x 30, temos que a dimensão dos vãos no projeto deve ser múltiplos de 15 cm, dessa maneira poderíamos escolher uma janela com vão de 1,50 m e altura de 1,20 m, respeitando a modulação horizontal de 15 cm e a vertical de 20 cm. Podemos separar a modulação em dois tipos: horizontal e vertical. A primeira é limitada pelo comprimento e largura do bloco, enquanto a segunda é limitada pela altura do bloco.
- Modulação horizontal O módulo horizontal adotado é dado pela largura do bloco, ou seja, para o bloco 14 x 29, temos uma dimensão modular de 15 x 30, assim o módulo horizontal seria 15 cm, indicando que as dimensões internas dos ambientes em planta serão múltiplas de 15 cm.
- Modulação vertical No caso da modulação vertical, o ajuste da distância do piso ao teto deve ser feito considerando a altura do bloco, ou seja, na maioria dos casos, a altura do bloco é 20 cm, então a altura entre piso e teto deve ser múltipla de 20 cm. Esse tipo de modulação tem o objetivo de definir a altura dos elementos, como portas, janelas e pé-direito. Quanto ao pé-direito, destacam-se dois métodos de modulação vertical: piso ao teto e piso a piso. Piso ao teto: Empregado um bloco J na última fiada das paredes de extremidade; paredes internas terão a última fiada constituída pelo bloco canaleta (a). Piso a piso: a distância modular dada de piso a piso, sendo usado o bloco J de alturas reduzidas na última fiada das paredes de extremidade; paredes internas terão a última fiada constituída de blocos compensadores (b). A modulação também deve considerar a passagem de dutos nas paredes, uma vez que estas não podem ser cortadas, pois, além de aumentar os gastos com material e mão de obra, essas paredes desempenham função estrutural, impossibilitando qualquer tipo de redução de seção. A melhor alternativa para prever as passagens é a utilização de shafts, contudo alguns cuidados devem ser tomados no projeto arquitetônico, como projetar cozinhas e banheiros próximos, a fim de agrupar ao máximo as instalações. Ex. 2 : Um responsável pela restauração de um muro, ao chegar ao local, constata que parte das pedras da base foram retiradas por vândalos e teve que avaliar se essa estrutura está estável ou se são necessários reparos. Força do vento (q): 1 kN/m²; Peso específico da parede (γ ): 20 kN/m³; Altura do muro (H): 4 m; Espessura do muro no topo: 1,4 m; Espessura do muro na base: 1,1 m.
- Cálculo da força devido ao peso próprio:
- Cálculo da força devido ao vento: Em que R representa a força resultante da reação no apoio. Assim, fazendo o equilíbrio das forças verticais temos: Como o muro é constituído de pedras, a transmissão das solicitações ao apoio deve ocorrer exclusivamente por meio de esforços de compressão, uma vez que esse material possui baixa resistência à tração. Assim, para que não haja tração em nenhuma parte da seção, o peso próprio da estrutura deve garantir seu equilíbrio. Logo, temos que a somatória do momento no ponto A é igual a 0. Fazendo a somatória dos momentos no ponto A, temos:
internas dos cômodos seriam múltiplas de 15 cm, necessitando apenas das seguintes mudanças:
- Alteração do comprimento do banheiro para: 2,25 m.
- Alteração da largura do depósito para: 1,65 m. Com o módulo definido e as modificações propostas, é elaborado o croqui, com a disposição das unidades de blocos estruturais, a fim de verificar quais tipos de blocos serão usados. Pelo croqui apresentado, você observa que a modulação é adequada e atende a arquitetura sem a necessidade de blocos compensadores. Ainda, o fato de o banheiro se localizar próximo à cozinha proporciona grande vantagem na instalação hidráulica, permitindo o uso de apenas um shaft hidráulico abastecendo os dois ambientes. Diante das considerações levantadas, você elabora um parecer favorável ao investidor. Nesse caso o uso do sistema de alvenaria estrutural se mostra vantajoso, principalmente se as modificações sugeridas forem empregadas. Assim, a utilização dos blocos poderá ser feita de forma racionalizada, evitando compensadores. Resistência dos blocos A resistência à compressão das unidades depende de sua área. Assim, a norma NBR 15961 - 1 (ABNT, 2011) estabelece a diferença entre as áreas bruta, líquida e efetiva:
- Área bruta: área de um componente ou elemento, considerando-se as suas dimensões externas, desprezando-se a existência dos vazados.
- Área líquida: área de um componente ou elemento, com desconto das áreas dos vazados.
- Área efetiva: parte da área líquida de um componente ou elemento, sobre a qual efetivamente é disposta a argamassa. A resistência mínima característica à compressão (fbk) referente à área bruta permitida pela NBR 6136:2016, conforme a classificação quanto ao uso da alvenaria: É importante ressaltar que antes do início da obra, devem ser feitos os ensaios de resistência à compressão dos materiais, dos componentes e da alvenaria, segundo a norma NBR 15961-2 (ABNT, 2011), a fim de garantir a resistência determinada no projeto. Argamassa Mistura homogênea de agregados, aglomerantes e água, contendo ou não aditivos ou adições. Usualmente é constituída por cimento, areia, cal e água. Essa mistura possui propriedades que fornecem aderência de um bloco sobre o outro, permitindo um apoio uniforme que facilita o assentamento e compensa as variações dimensionais das unidades. Sua aplicação é feita na região de contato entre os blocos, de maneira que a ligação seja solidarizada, uniformizando as tensões e absorvendo eventuais deformações. Parsekian, Hamid e Drysdale (2013) recomendam a especificação da resistência à compressão da argamassa (fa) dentro de uma faixa de 0,7 a 1,5 vezes o valor fbk, sendo
Para estimar a resistência à compressão inicial do graute (fgk), Parsekian, Hamid e Drysdale (2013) indicam que a resistência se situe dentro de uma faixa de 2,0 a 2, vezes o valor fbk, sendo indicado aproximar esse valor para as classes de resistência do concreto. Segundo a NBR 15961-1 (ABNT, 2011), para elementos de alvenaria armada, a resistência à compressão característica mínima a ser especificada é de 15 MPa. A partir do valor de resistência à compressão pode ser definido o traço a ser utilizado na confecção do material. Alguns traços de graute obtidos por meio de ensaios: Para um bloco com resistência à compressão de 12,5 MPa, podemos estimar uma resistência à compressão do graute de duas vezes o valor fbk
resultando em 25,0 MPa. É possível estimar um traço que ofereça essa resistência, dado em volume de 1:0,1:1,5:1,6. A utilização de cal proporciona maior trabalhabilidade e ajuda a prevenir problemas de retração, porém deve ser limitada a 10% do volume em relação ao cimento. O excesso de cal na massa pode provocar o surgimento de patologias na alvenaria, uma vez que seu processo de hidratação é uma reação expansiva e ocorre após o endurecimento do graute, ocasionando fissuras na estrutura. Com a finalidade de garantir resistência à compressão especificada no projeto, a normatização brasileira exige que o graute seja ensaiado conforme a NBR 5739 (ABNT, 2007). Armaduras
Resistir aos esforços de tração e cisalhamento, aumentando a resistência dos elementos estruturais e evitando o surgimento de fissuras. Os tipos mais comuns usados são as barras de aço CA- 5 0, e as treliças, utilizadas na armação das canaletas. As armaduras podem ser envolvidas pelo graute, quando usadas nas canaletas ou vazios verticais, ou por argamassa, no caso de uso nas juntas de assentamento. O diâmetro máximo permitido das barras é de 25 mm para utilização nos vazios da alvenaria e 6,3 mm nas juntas de assentamento, devendo ainda respeitar a taxa máxima de armadura por furo, que deve ser inferior a 8% da seção grauteada. É recomendado o uso de espaçadores durante o grauteamento para garantir o cobrimento especificado no projeto. Ex. 4: Os traços de argamassa e graute vão depender da resistência prevista no projeto. Em uma análise inicial, podemos estimar a resistência do bloco usando tabela. Dessa maneira, para blocos com função estrutural acima do nível do solo, temos a classe B, com faixa de resistência de 4,0 ≤ fbk < 8,0. Dessa maneira, podemos fazer uma estimativa de resistência inicial do bloco à compressão de 6,0 MPa. Sabemos ainda que é recomendado que a resistência da argamassa à compressão esteja dentro da faixa de 0,7 a 1,5 vezes o valor fbk. Logo, estimamos sua resistência em: A partir desse resultado, encontramos uma estimativa do traço em volume de 1:1:4,5. Também é recomendado que a resistência à compressão do graute situe-se dentro de uma faixa de 2,0 a 2,5 vezes o valor fbk. Assim, podemos estimar sua resistência em: Como a estimativa de resistência à compressão do graute resultou em 12,0 MPa, devemos aplicar a recomendação de resistência mínima definida pela NBR 15961- 1 (ABNT, 2011) de 15,0 MPa. Portanto, estimando o traço em volume 1:0,1:2,4:2,2. É importante destacar que os traços indicados são aproximados, para comprovar a resistência estimada devem ser realizados ensaios. Elaborando detalhe construtivo das armaduras As barras utilizadas na alvenaria estrutural são constituídas de aço CA-50, sendo o mesmo tipo usado nas estruturas de concreto armado. Elas devem ser corretamente dimensionadas para os esforços solicitantes, sendo aplicadas de acordo com o que foi definido no projeto estrutural. As armaduras podem ser dispostas na horizontal, ou na vertical, dependendo da sua função esperada. Principais aplicações construtivas e estruturais:
- Ações permanentes: ações que ocorrem com valores constantes ou de pequena variação durante praticamente toda a vida da construção.
- Ações variáveis: ações que ocorrem com valores que apresentam variações significativas ao longo da vida da edificação.
- Ações excepcionais: ações excepcionais são as que têm duração extremamente curta e probabilidade de ocorrência muito baixa durante a vida da construção, mas que devem ser consideradas nos projetos de determinadas estruturas, como explosões, incêndios e sismos. Ações horizontais: empuxo, desaprumo e vento
- EMPUXO A determinação do valor do empuxo é muito importante na análise de estruturas cuja função é conter líquidos, grãos ou solos. Uma das formas mais comuns é o empuxo de terra, que é a ação produzida pelo maciço de solo na estrutura. Esse carregamento é considerado como uma ação permanente, visto que revelava valores com baixa variação ao longo da vida útil da estrutura. O cálculo dessas ações depende do peso específico e do ângulo de atrito interno dos materiais. A partir do peso específico e do ângulo de atrito interno, podemos obter a força horizontal em função do empuxo ativo aplicando a teoria de Rankine: Em que, Ka é o coeficiente de empuxo ativo, dado por:
Ex. 5 : Considere um muro de arrimo de 4,0 metros de altura, sendo usado para contenção de um solo reconhecido como argila arenosa. Qual o perfil de empuxo horizontal atuante no muro? A partir da NBR 6120 (ABNT, 2019), temos as seguintes características para a argila arenosa:
- Peso específico aparente: γ = 18kN/m³
- Ângulo de atrito interno: Ф=25° Desse modo, calculamos o coeficiente de empuxo ativo:
A NBR 15961-1 (ABNT, 2011) determina que, para edificações de múltiplos andares, deve ser considerado um desaprumo global que causa na estrutura uma força horizontal Fh: Em que, é o ângulo de desaprumo, em radianos: , em radianos: Sendo H a altura total da edificação em metros. Ex. 6 : Considere uma edificação de 9 pavimentos + térreo, a distância entre pavimentos de 3 metros e peso de cada pavimento de 100 tf cada. Determine a força horizontal causada pelo desaprumo. Para isso, calculamos o ângulo de desaprumo, sendo este o maior entre as duas situações. Com o ângulo, calculamos a força horizontal considerando o carregamento atuante em cada pavimento. Assim, temos:
- AÇÃO DO VENTO O vento é uma das ações variáveis mais importantes a ser considerada. Grande parte das estruturas estão sujeitas à ação de ventos, sendo que eles podem ocorrer em várias direções e sentidos. O cálculo da força de vento deve ser realizado em conformidade com as prescrições da NBR 6123 (ABNT, 2013). A força global de vento sobre uma edificação é obtida pela soma vetorial das forças de vento atuantes, sendo que a componente da força global na direção do vento é obtida por: Em que, Ca é o coeficiente de arrasto, Ae é a área frontal efetiva e q é a pressão dinâmica em N/m² calculada por: A velocidade característica do vento Vk depende de vários fatores como: V0: velocidade básica do vento; S1: fatores topográficos; S2: rugosidade do terreno, dimensões da edificação e altura sobre o terreno; S3: fator estatístico, grau de segurança e vida útil da edificação.
Segundo a NBR 6123 (ABNT, 2013), a velocidade básica do vento V0 é dada em m/s e representa a velocidade de uma rajada de 3s, excedida em média uma vez em 50 anos, a 10 m acima do terreno, em campo aberto e plano. Ela pode ser obtida pela isopleta apresentada na norma. Ex. 7 : Considere um edifício de 30 metros de altura com uso residencial construído no centro de Curitiba. Sabe-se que o terreno é plano e, a região, coberta por obstáculos numerosos e pouco espaçados. Calcule a pressão dinâmica de vento atuante. Para resolver o problema, podemos utilizar a norma NBR 6123 (ABNT, 2013), cuja isopleta apresenta uma velocidade básica de vento de 42 m/s para a cidade de Curitiba. Em se tratando de um terreno plano temos que o coeficiente (^) S 1 vale 1,0. Para o cálculo do coeficiente (^) S 2 , é preciso identificar a categoria e a classe da edificação. Como o terreno está inserido em uma zona urbanizada, coberto por obstáculos numerosos e pouco espaçados, ele pertence à Categoria IV. Com a altura da edificação temos que a maior dimensão horizontal ou vertical é 30 m, assim a edificação se enquadra na Classe B. A partir da categoria e classe definidas podemos utilizar a Tabela 2 da norma e obter o coeficiente S^2 com valor igual a 0,96. Pelo fato de a edificação ser de uso residencial, sabemos que o coeficiente S3 vale 1,0. Portanto, podemos calcular a velocidade característica do vento.