Análise de Efeitos de Segunda Ordem em Pilares-Parede: Dimensionamento e Calculo, Esquemas de Cálculo

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DIMENSIONAMENTO E DETALHAMENTO DE PILARES-PAREDE

MAYARA DE FREITAS MEDEIROS

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

(MODALIDADE - MONOGRAFIA)

NATAL-RN

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

MAYARA DE FREITAS MEDEIROS

DIMENSIONAMENTO E DETALHAMENTO DE PILARES-PAREDE

Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade Monografia, submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Civil.

Orientadora: Profa. Dra. Selma H. Shimura da Nóbrega

Coorientador: Prof. Dr. Petrus Gorgônio B. da Nóbrega

AGRADECIMENTOS

A Deus, pois além de sempre ter me conduzido para os melhores caminhos, ainda me dá força e perseverança para realizar todos os meus sonhos.

Aos meus professores orientadores, Prof. Dr. Petrus G. B. da Nóbrega e Profa. Dra. Selma H. S. da Nóbrega, pela disponibilidade, comprometimento, apoio e paciência em me orientar.

Aos meus avós paternos e maternos, Severino e Euridéia, “Seu Lucas” e “Dona Santa”, “In Memorian”, que foram o alicerce para a minha construção moral, com lições de amor, compreensão e união familiar.

Aos meus pais, Iara e Ricardo, e ao meu irmão Ricardo Filho, por serem os pilares de sustentação da minha vida, sempre aliviando a carga aplicada sobre mim.

Ao meu amado Hudsson, por ter estado ao meu lado durante todo esse processo, contribuindo com o seu conhecimento e o seu carinho.

RESUMO

DIMENSIONAMENTO E DETALHAMENTO DE PILARES-PAREDE

O pilar-parede é um elemento estrutural de grande importância para a engenharia e o seu uso se tornou comum em grandes obras, como na construção de edifícios altos e pontes, proporcionando maior rigidez à estrutura como um todo. O pilar- parede se diferencia do pilar comum, primeiramente por ser um elemento de superfície, enquanto o pilar é um elemento linear, e também por causa dos efeitos localizados que podem surgir nos pilares-parede. Este trabalho de conclusão de curso estuda o dimensionamento e o detalhamento desses elementos estruturais através da NBR 6118:2014 (projeto de estruturas de concreto) e através de recursos computacionais amplamente utilizados no país: o CAD/TQS, AltoQi/Eberick e o CypeCAD. O dimensionamento manual, bem como o do CAD/TQS e do AltoQi/Eberick, utiliza o método simplificado da NBR 6118:2014. Além deste método, o CAD/TQS também faz a análise desses elementos através do método das malhas. Já o CypeCAD dimensiona estes através de elementos finitos. Assim, os resultados manuais, o do CAD/TQS e do AltoQi/Eberick foram equivalentes, já os resultados obtidos pelo CypeCAD foram bem inferiores, devendo ser analisados pelo engenheiro.

Palavras chave: pilar-parede, pilar, NBR 6118, estruturas de concreto.

SUMÁRIO

• 1. INTRODUÇÃO
  • 1.1. TEMA E MOTIVAÇÃO
  • 1.2. OBJETIVO
    • 1.2.1. Objetivo Geral
    • 1.2.2. Objetivos Específicos...............................................................................
  • 1.3. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
  • 1.4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
• NBR 2. EVOLUÇÃO DA METODOLOGIA DE PROJETO DE PILARES-PAREDE NA
  • 2.1. PILAR-PAREDE CONFORME A NBR 6118:1978..........................................
  • 2.2. PILAR-PAREDE CONFORME A NBR 6118:2003..........................................
  • 2.3. PILAR-PAREDE CONFORME A NBR 6118:2014..........................................
• DA NORMA 3. DIMENSIONAMENTO DE PILARES-PAREDE PELO MÉTODO SIMPLIFICADO
  • 3.1. DADOS GERAIS............................................................................................
    • 3.1.1. Materiais e Cobrimento
  • 3.2. MODELO
    • 3.2.1. Dados do Modelo
    • 3.2.2. Cálculos Iniciais
    • 3.2.3. Dimensionamento do Pilar-Parede
    • 3.2.4. Detalhamento do Pilar-Parede
  • 3.3. MODELO
    • 3.3.1. Dados do Modelo
    • 3.3.2. Cálculos Iniciais
    • 3.3.3. Dimensionamento do Pilar-Parede
    • 3.3.4. Detalhamento do Pilar-Parede
• COMPUTACIONAIS 4. DIMENSIONAMENTO DE PILARES-PAREDE ATRAVÉS DE PROGRAMAS
  • 4.1. AltoQI Eberick
    • 4.1.1. Modelo
    • 4.1.2. Modelo
  • 4.2. TQS
    • 4.2.1. Modelo
    • 4.2.2. Modelo
  • 4.3. CYPECAD
    • 4.3.1. Modelo
    • 4.3.2. Modelo
• CONSIDERAÇÕES FINAIS 5. ANÁLISE COMPARATIVA DOS RESULTADOS OBTIDOS E
• REFERÊNCIAS

São estruturas que possuem pilares-parede, utilizadas em edifícios que variam entre 8 e 30 andares. A carga lateral é resistida em parte pelo pilar-parede e em parte pelo restante da estrutura.

Figura 1.2 - “Shear-wall–frame buildings” (Fonte WIGHT; MACGREGOR) De acordo com a NBR 6118:2014, os pilares-parede são elementos de superfície que podem ser compostos por uma ou mais superfícies associadas, na qual em alguma dessas superfícies a menor dimensão de sua seção transversal deve ser menor do que 1/5 da maior.

Os pilares-parede podem ser de seção aberta ou seção fechada. Os de seção abertas são utilizados em edifícios altos de estruturas de concreto armado, geralmente na forma de caixas de elevadores ou de escadas, sendo usualmente empregados como estruturas de contraventamento, garantindo ou proporcionando uma maior estabilidade da estrutura. Já os pilares-parede de seção fechada são empregados em estruturas de obras de artes, como pontes, uma vez que estes são considerados economicamente vantajosos na comparação com as mesmas seções de pilares maciços.

Figura 1.3 - Tipos de Pilares-parede.

No que concerne ao estudo de pilares, devem-se analisar os efeitos de primeira e de segunda ordem. Os efeitos de primeira ordem são aqueles em que o equilíbrio da estrutura é estudado na configuração geométrica inicial, ou seja, quando a análise do equilíbrio é feita considerando a estrutura indeformada. Já os efeitos de segunda ordem, são aqueles em que a análise do equilíbrio é feita considerando a estrutura deformada, sendo, desta feita, vinculados aos obtidos na análise de primeira ordem.

Isto posto, cabe indagar o que diferenciaria os pilares convencionais dos pilares-parede. Um modo de distinguir esses elementos é através da definição dos mesmos. De acordo com o item 14.4.1.2 da NBR 6118:2014, pilares são “Elementos lineares de eixo reto, usualmente dispostos na vertical, em que as forças normais de compressão são preponderantes”, enquanto os pilares-parede, como anteriormente mencionado, são elementos de superfície, definidos como placa ou casca. Outra forma de distinguir esses elementos está na análise dos efeitos de segunda ordem. Nos pilares convencionais, os efeitos de segunda ordem analisados são divididos em efeitos de segunda ordem globais e efeitos de segunda ordem locais, já no que tange aos pilares-parede, além dos efeitos de segunda ordem globais e locais, há um terceiro que deve ser analisado, qual seja: o efeito de segunda ordem localizado.

De acordo com a NBR 6118:2014, os efeitos de segunda ordem globais são aqueles decorrentes dos deslocamentos horizontais dos nós da estrutura, sob ação das cargas verticais e horizontais. Os efeitos de segunda ordem locais surgem quando nas barras da estrutura os eixos não se mantêm retilíneos, afetando

Araújo (2006), também faz críticas sobre a consideração da norma relacionada a geometria do pilar-parede, que diz que para um pilar ser um pilar- parede em alguma das superfícies a menor dimensão de sua seção transversal deve ser menor do que 1/5 (um quinto) da maior, asseverando que “ Essa é uma classificação puramente geométrica, que não leva em conta a importância dos efeitos localizados (…) ”.

1.2. OBJETIVO

1.2.1. Objetivo Geral

A finalidade deste trabalho de conclusão de curso é fazer um estudo sobre o detalhamento e dimensionamento de pilares-parede, analisando e questionando pontos relevantes na norma brasileira de Projetos de Estruturas de Concreto, NBR 6118:2014, comparando com os resultados obtidos a partir de recursos computacionais.

1.2.2. Objetivos Específicos

 Estudo sobre o conceito de pilares-parede e de como a NBR 6118:2014 aborda esses elementos estruturais;  Análise comparativa entre a NBR 6118:2014 e suas versões anteriores;  Estudo e dimensionamento de pilares-parede de acordo com o método de dimensionamento de pilares-parede adotado na NBR 6118:2014;  Dimensionamento de pilares-parede por meio de recursos computacionais usuais no mercado atual: CAD/TQS (Versão 17 Plena), AltoQi/Eberick (Versão 9 Plena) e CypeCAD (Versão 2010 Plena).  Análise comparativa dos resultados obtidos.

1.3. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

Este Trabalho de Conclusão de Curso é composto por cinco capítulos, com a finalidade de apresentar um estudo sobre o dimensionamento e o detalhamento de pilares-parede.

O primeiro capítulo apresenta as considerações gerais sobre o tema, os objetivos do estudo e uma breve revisão bibliográfica.

O segundo capítulo mostra a evolução da metodologia de projetos de pilares-parede de acordo com a NBR 6118. Apresentando os avanços e as diferenças entre as normas NBR 6118 de 1978, a de 2003 e a de 2014, atualmente em vigor.

O terceiro capítulo trata de dimensionar pilares-parede através do método simplificado da norma, através de dois modelos de cálculo, um deles proposto por Batista (2014) em seu trabalho de conclusão de curso.

O quarto capítulo tem como objetivo mostrar o dimensionamento dos dois modelos adotados anteriormente, através de recursos computacionais amplamente utilizados no mercado atual.

O quinto e último capítulo trata de fazer uma análise comparativa entre os resultados obtidos a partir das ferramentas computacionais e os obtidos a partir do método simplificado da norma e apresenta as considerações finais sobre o trabalho.

1.4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Quando se fala em análise estrutural de pilares-parede, mesmo não sendo o foco deste trabalho, há diversos estudos com o intuito de modelar esses elementos e analisar a interação destes com os demais elementos estruturais envolvidos. Em um contexto histórico, podem ser citados:

YAGUI (1971), que desenvolveu um dos primeiros estudos, em teoria de segunda ordem, que considerava os núcleos como componentes do sistema estrutural de um edifício alto. A ideia do modelo era substituir cada parede do núcleo por um pórtico plano equivalente.

SILVA (1989) adotou o mesmo conceito utilizado por YAGUI (1971) e fez uma análise de estruturas tridimensionais de edifícios altos com núcleo resistentes considerando o efeito P-Delta, sendo apresentado um programa computacional, para considerar as deformações por força cortante nas vigas, pilares e paredes.

ARAÚJO (2007), que apresentou uma análise criteriosa do processo aproximado da NBR 6118:2003 para consideração dos efeitos localizados de segunda ordem em pilares-parede. No estudo, não foi encontrado nenhum efeito de segunda ordem localizado importante, recomendando que o processo da norma não deveria ser empregado no projeto dos pilares-parede.

KIMURA (2015), que apresentou um dimensionamento de um pilar- parede, fazendo uma análise comparativa entre este ser dimensionado pela NBR 6118:2003 e a sua atualização em 2014, que informava que não seria necessário adotar valores de αb maiores que 0,6 no processo aproximado para consideração do efeito localizando de segunda ordem, quando o momento fosse inferior ao mínimo. Concluiu que houve uma redução significativa na taxa de armadura.

2. EVOLUÇÃO DA METODOLOGIA DE PROJETO DE PILARES-

PAREDE NA NBR 6118

2.1. PILAR-PAREDE CONFORME A NBR 6118:

A NBR 6118:1978 ainda não utilizava o termo “pilar-parede” para definir esses elementos estruturais. Apresentava o termo “parede estrutural” para definir os elementos que possuíssem o comprimento cinco vezes maior que a espessura. Além disso, regulamentava o tema de forma superficial.

A verticalização Brasileira é algo relativamente recente. Na década de 70 já existiam grandes edifícios no país, principalmente nas grandes metrópoles, como São Paulo e Rio de Janeiro. No entanto, a construção de edifícios altos no Brasil, se tornou algo muito mais frequente nas últimas décadas.

Um exemplo disso seria olhar a figura seguinte (figura 2.1), que mostra a Avenida Senador Salgado Filho, que seria uma das principais ruas de Natal, no Rio Grande do Norte. Atualmente há diversos edifícios espalhados em seu entorno (figura 2.2), de modo que é difícil imaginar que a menos de 40 anos a maioria desses edifícios simplesmente não existiam.

São poucos edifícios altos em Natal com mais de 30 anos de construção. A verticalização mudou o cenário das grandes cidades brasileiras nos últimos anos e vem mudando cada dia mais, de forma rápida, surgindo continuamente edifícios ainda mais altos e mais esbeltos.

Sussekind (1985) explicou que:

O espírito desta exigência de armadura secundária particularmente intensa é aquele de garantir que ela costure as tensões de tração que tendem a surgir no processo de espraiamento das tensões normais de compressão ao longo de toda a extensão da parede. Em terminologia simplificada, esta armadura colaborará para o funcionamento de pilar-parede sob solicitações, normais segundo a hipótese de seção plana.

Vale lembrar que em 1978 ainda não se falava em efeitos localizados de segunda ordem em pilares-parede e a forma de dimensionamento desses elementos era diferente de como é realizado hoje, sendo assim, não se pode comparar diretamente essas porcentagens.

Outro ponto relacionado ao dimensionamento desses elementos estruturais está no trecho da norma, do mesmo item, que diz:

A armadura principal das paredes, paralela à direção da carga, quando a razão entre o comprimento e a espessura da seção da parede for igual ou superior a 6, deverá ter seção transversal no mínimo igual a 0,4 % da seção da parede. Quando, por motivos construtivos, as dimensões da seção transversal da parede forem aumentadas em relação as da seção calculada, a porcentagem mínima será referida apenas à seção calculada, não podendo, entretanto, ser inferior a 0,2% da seção real.

Deste modo, a norma abre uma exceção para a armadura mínima e completa que para razões entre comprimento e espessura com valores entre 5 e 6, o valor mínimo seria obtido por interpolação linear entre o valor mínimo considerado para paredes e o descrito para pilares.

Outra consideração interessante na norma de 1978, para o detalhamento de “paredes estruturais”, é a que dispensa os estribos e grampos para resistir à flambagem se a porcentagem da seção da armadura comprimida for inferior a 2% ou o diâmetro das suas barras for igual ou inferior a 12,5 mm.

É perceptível que a norma de 1978 apresentava o tema de forma bastante superficial, tornando interessante a comparação com a sua sucessora: a NBR 6118:2003.

2.2. PILAR-PAREDE CONFORME A NBR 6118:

A NBR 6118:2003, no item 14.4.2.4, define pilares-paredes como:

Elementos de superfície plana ou casca cilíndrica, usualmente dispostos na vertical e submetidos preponderantemente a compressão. Podem ser compostos por uma ou mais superfícies associadas. Para que se tenha um pilar-parede, em alguma dessas superfícies a menor dimensão deve ser menor que 1/5 da maior, ambas consideradas na seção transversal do elemento estrutural.

Como anteriormente mencionado, nos pilares-parede podem surgir os efeitos de segunda ordem localizados. Estes efeitos irão contribuir para o aumento da flexão longitudinal e da flexão transversal, resultando em um aumento considerável da armadura transversal nessas respectivas regiões.

Figura 2.3 - Efeito de segunda ordem localizado (Fonte: NBR 6118:2003)

A norma faz simplificações para que os pilares-parede possam ser incluídos como elementos de barra no conjunto resistente da estrutura. Para isso, devem-se garantir travamentos adequados em sua seção transversal nos diversos pavimentos de modo a manter sua forma. Além disso, os efeitos de segunda ordem locais e localizados devem ser avaliados corretamente. Em seguida, a norma trata de explicar como esses efeitos podem ser considerados. A NBR 6118:2003 aborda regras de como os efeitos de segunda ordem globais e locais podem ser convenientemente dispensados. Do mesmo modo, esta também mostra as condições que devem existir para que os efeitos de segunda ordem localizados possam ser desprezados. Com o fim de que isto ocorra, exige-se que, para cada uma das lâminas componentes do pilar-parede, a base e o topo