SOLUÇÃO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIO METÁLICO E MISTO, Redação de Análise Estrutural

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INSTITUTO POLITÉCNICO METROPOLITANO DE ANGOLA

DÂNIO JÚLIO FIGUEIRA GANDO

SOLUÇÃO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIO METÁLICO E

MISTO

LUANDA

DÂNIO JÚLIO FIGUEIRA GANDO

SOLUÇÃO ESTRUTURAL DE EDIFÍCIO METÁLICO E MISTO

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Instituto Superior Politécnico Metropolitano de Angola como requisito parcial para a conclusão da Licenciatura em Engenharia Civil sob orientação do Prof. Adão António Domingos.

LUANDA

Dedico este trabalho em memória do meu amado irmão, aquele cuja ausência me fez encarar a vida com mais sabedoria (Peterson Gando).

AGRADECIMENTOS

Começo por enaltecer a Deus, que é o grande responsável por toda essa caminhada ao qual eu tenho vivido, pois sem ti nada seria possível, obrigado por me mostrares sempre o caminho em meio tanta turbulência.

Deixo os meus votos de agradecimento especial aos meus pais, Domingos Bumba, Ana Figueira e Júlio Gando, simplesmente por acreditarem e por apostarem tudo em mim, de certeza que não saberei pagar um dia, mas, trato de dar amor incondicional.

Ao professor Adão Domingos, pela super paciência, dedicação e vontade de puxar o melhor de mim. Desde que me conheço como estudante almejei e ainda almejo ter ½ da sua capacidade intelectual, pois consegues transformar o tão difícil em palavras tão miúdas, e encontro em si a certeza que posso ir mais além

Aos meus irmãos e meus tios, que sempre acreditaram que seria capaz, e sempre depositaram a fé no meu esforço, todo amor ainda assim não seria suficiente para poder pagar.

A minha companheira, que a cada dia me prova que o amor vence muitas barreiras, pois foi com ela que conheci o melhor de mim, mesmo sem estando no pior de mim (te amo com vida).

Não podia finalizar sem exprimir uma palavra de agradecimento a todas as pessoas que cruzaram na minha vida e que de alguma forma directa ou indirectamente, através de qualquer tipo de transmissão de conhecimento ou experiencia de vida, influenciaram o meu crescimento como aluno, mas principalmente como pessoa.

RESUMO

O presente documento insere-se no âmbito do trabalho de conclusão de curso de Engenharia Civil, que visa a apresentação da solução estrutural de um edifício em estruturas mistas de aço e betão com base a um dimensionamento de um edifício de seis (6) andares sendo ele todo de carácter residencial. Na concepção deste trabalho pretende-se que sejam aplicados conhecimentos adquiridos ao longo da licenciatura com ênfase na área de estruturas metálicas e mistas e das estruturas de betão armado. Para a modelação estrutural do edifício misto, recorreu-se ao programa de cálculo automático em elementos finitos “ SAP2000 ” e o Ftool, cujos resultados obtidos do dimensionamento dos elementos estruturais foram validados com recurso de folhas de cálculo desenvolvidas para o efeito. O edifício em estudo foi projectado, sempre que possível, conforme as regras impostas pela regulamentação europeia (eurocódigos estruturais), em paralelo foram consultadas informações relativas a este tipo de estruturas, de forma a consolidar e aprofundar conhecimentos com vista a contornar obstáculos encontrados no dimensionamento. Com enfâse de acrescer sobre a diversidade de soluções estruturais, o presente trabalho apresenta-se como um material que permite despertar a importância das estruturas metálicas e mista na comunidade científica e na sociedade angolana.

PALAVRAS-CHAVE : Lajes mistas. Vigas mistas. Pilares metálicos.

ABSTRACT

This document is part of the Civil Engineering course, which aims to present the structural solution of a building in mixed steel and concrete structures based on a 6-storey building, all of it residential character. In the conception of this work, we intend to apply knowledge acquired during the degree with emphasis in the area of metallic and composite structures and reinforced concrete structures. For the structural modeling of the mixed building, we used the automatic calculation program in finite elements "SAP2000" and Ftool, whose results obtained from the dimensioning of the structural elements were validated with the use of spreadsheets developed for this purpose. The building under study was designed whenever possible in accordance with the rules imposed by European regulations (structural eurocodes). In parallel, information on this type of structure was consulted in order to consolidate and deepen knowledge in order to overcome obstacles encountered in the design.

KEYWORD (S): Mixed slabs, mixed beams, metal pillars.

LISTA DE SIMBOLOS

A área da secção transversal da secção mista eficaz desprezando o betão traccionado

A a área da secção transversal da secção de aço de construção

A b área da secção da armadura transversal inferior

A bh área da secção da armadura transversal inferior num esquadro

A c área da secção do betão

A ct área da secção da zona traccionada do betão

A fc área da secção do banzo comprimido

A p área da secção das chapas perfiladas de aço

A pe área eficaz da secção das chapas perfiladas de aço

A s áreas da secção de uma armadura para betão armado

A sf área da secção da armadura transversal

A t área da secção da armadura transversal superior A v área de corte de uma secção de aço de construção

E a módulo de elasticidade do aço de construção

E c,eff módulo de elasticidade eficaz para o betão

E cm módulo de elasticidade secante do betão E s valor de cálculo do módulo de elasticidade do aço para betão armado

F t valor de cálculo do esforço transverso por perno de cabeça

I momento de inércia da secção mista eficaz desprezando o betão traccionado

I a momento de inércia da secção de aço de construção

I c momento de inércia da secção de betão não fendilhada

I s momento de inércia das armaduras

K sc rigidez relativa à conexão

L comprimento; vão; vão efectivo

L e vão equivalente

L i vão

M momento flector

M a,Ed valor de cálculo do momento flector aplicado à secção de aço de construção

M b,Rd valor de cálculo do momento resistente em relação à encurvadura de uma viga mista

M c,Ed a parte do momento flector de cálculo aplicado à secção mista

M Ed valor de cálculo do momento flector M Ed,i valor de cálculo do momento flector aplicado a uma ligação mista i

M max,Rd valor de cálculo máximo do momento resistente na presença de um esforço normal de compressão

M perm momento flector mais desfavorável para a combinação característica

M pl,a,Rd valor de cálculo do momento resistente plástico da secção de aço de construção

M pl,N,Rd valor de cálculo do momento resistente plástico da secção mista tendo em conta o esforço normal de compressão

M pl,Rd valor de cálculo do momento resistente plástico da secção mista com conexão total

M Rd valor de cálculo do momento resistente de uma secção ou ligação mista

M Rk valor característico do momento resistente de uma secção ou ligação mista

M y,Ed valor de cálculo do momento flector aplicado à secção mista segundo o eixo y-y

N esforço normal de compressão; número de ciclos de variação de tensões; número de conectores N a valor de cálculo do esforço normal na secção de aço de construção de uma viga mista N c valor de cálculo do esforço normal de compressão no banzo de betão

Letras minúsculas latinas a Espaçamento entre vigas paralelas; diâmetro ou largura; distância b Largura do banzo de uma secção de aço; largura de uma laje b b largura da base da nervura de betão b c largura do revestimento de betão de uma secção de aço b eff largura eficaz total b ei largura eficaz do banzo de betão de cada lado da alma b em largura eficaz de uma laje mista b f largura do banzo de uma secção de aço b m largura de uma laje mista sobre a qual é distribuída uma carga b p comprimento de uma carga linear concentrada b r largura da nervura de uma chapa perfilada de aço b s distância entre os centros das nervuras adjacentes de uma chapa perfilada de aço b 0 distância entre centros de conectores salientes; largura média de uma nervura de betão (largura mínima para perfis reentrantes); largura do esquadro

c y, c z espessura do recobrimento de betão

c altura livre da alma da secção de aço; diâmetro da espiga de um perno de cabeça; diâmetro total de uma secção circular oca de aço; dimensão transversal mínima de um pilar d p distância entre o centro de gravidade de uma chapa perfilada de aço e a fibra comprimida extrema da laje mista

d s distância entre a armadura de tracção e a fibra comprimida extrema da laje mista; distância entre a armadura longitudinal traccionada e o centro de gravidade da secção da viga de aço

f cd valor de cálculo da tensão de rotura do betão à compressão

f ck valor característico da tensão de rotura do betão à compressão aos 28 dias de idade

f cm valor médio da tensão de rotura do betão à compressão

f ctm valor médio da tensão de rotura do betão à tracção simples

f sd valor de cálculo da tensão de cedência do aço para betão armado

f sk valor característico da tensão de cedência do aço para betão armado

f u resistência última especificada à tracção

f ut resistência última real à tracção de um provete

f yd valor de cálculo da tensão de cedência do aço de construção

f yp,d valor de cálculo da tensão de cedência das chapas perfiladas de aço h altura total; espessura

h a altura da secção de aço de construção

h c altura do revestimento de betão de uma secção de aço; espessura do banzo de betão; espessura do betão acima da superfície plana principal do topo das nervuras das chapas

h f espessura do banzo de betão; espessura dos acabamentos

h n posição do eixo neutro

h p altura total das chapas perfiladas de aço excluindo bossagens

h s altura entre os centros de gravidade dos banzos da secção de aço de construção; distância entre a armadura longitudinal traccionada e o centro de compressão

h sc altura nominal total de um perno de cabeça

h t altura total de um provete

Letras maiúsculas gregas

 coeficiente

Letras minúsculas gregas

 factor; parâmetro

cr factor pelo qual as acções de cálculo teriam que ser multiplicadas para provocar

uma instabilidade elástica

SUMÁRIO

• Figura 1.1. Coluna tubular de aço cheio de betão
• Figura 1.2. Comportamento do betão sem inclusão de armaduras
• ambiente de 80% de humidade relativa do ar Figura 1.3. Ábaco para a determinação do coeficiente de fluência, , para betão em
• Figura 1.4. Identificação do tipo de aço
• Figura 1.5. Secções dos elementos mistos (vigas, pilares e lajes)
• Figura 1.6a. Distribuição de tensões normais e tangenciais, numa secção de uma viga
• Figura 1.6b. Distribuição de tensões normais e tangenciais, numa secção de viga mista
• Figura 1.7. Conectores de corte soldados
• Figura 1.8. Clacificacao dos conectores
• Figura 1.9. Condição para um perno de cabeça tenha comportamento dúctil
• Figura 1.10. Localização das armaduras transversal secção mista
• Figura 1.11. Interligação de chapas perfiladas
• Figura 1.12. Representação esquemática de uma laje mista.....................................................
• negativos Figura 1.13. Comparação de uma viga mista contínua, em regiões de momentos positivos e
• Figura 1.14. Secções de colunas mistas mais usuais
• Figura 1.15. Vantagens e desvantagens de pilares misto mas usuais
• Figura 2.1. Planta tipo do edifício (Piso 1 a 5)
• Figura 2.2. Representação tridimencional do edifício
• Figura 2.3. Modelo estrutural de núcleo resistente tipo
• Figura 2.4. Esquema estático do edifício
• Figura 2.5. Lançamento das vigas e pilares no pavimento tipo
• Figura 2.6. Sequência construtiva.............................................................................................
• Figura 4.1. Localização do pórtico em estudo
• Figura 4.2. Pórtico a ser analisado
• Figura 4.3. Característica mecânica da chapa
• Figura 4.4. Peso da laje de betão
• Figura 4.5. Área de influência dos pilares
• Figura 4.6. Distribuição das lajes no pavimento tipo
• Figura 4.7. Geometria da forma de aço
• Figura 4.8. Painel da laje com maiores solicitações
• Figura 4.9. Verificação na fase inicial da laje
• Figura 4.10. Momentos flectores na direcção y (M22)
• Figura 4.11. Áreas das lajetas em função da altura da laje
• Figura 4.12. Zonas para dimensionamentos das armaduras
• Figura 4.13. Disposição de todas armaduras
• Figura 4.14. Pórtico com a carga solicitante para verificação das vigas
• Figura 4.15. Ligação viga – pilar
• Figura 4.16. Ligação viga-viga
• Figura 4.17. Ligação viga-viga
• Figura 4.18. Ligação viga – núcleo
• Figura 4.19. Ligação pilar fundação
• Quadro 1.1. Característica de resistência e de deformação do betão LISTA DE QUADRO
• Quadro 1.2. Classificação das armaduras do betão armado
• Quadro 1.3. Propriedades das armaduras
• Quadro 1.4. Classe das armaduras
• Quadro 1.5. Propriedades mecânica das armaduras
• Quadro 1.6. Propriedades do aço estrutural
• Quadro 1.7. Vantagens das lajes mistas de chapas perfiladas
• Quadro 3.1. Cargas associada às acções permanentes..............................................................
• Quadro 3.2. Valores da sobrecarga e respectivos coeficientes e categorias
• Quadro 3.3. Categoria do terreno
• Quadro 3.4. Cálculo da pressão externa e interna do vento
• Quadro 3.5. Acção do vento a 0º
• Quadro 3.6. Acção do vento a 90º
• Quadro 4.1. Esforço transverso nos pilares por piso
• Quadro 4.2. Esforço axial dos pilares por piso
• Quadro 4.3. Deslocamento do pórtico
• Quadro 4.4. Valores de αcr
• Quadro 4.5. Cargas actuantes na laje
• Quadro 4.6. Pré dimensionamento das vigas
• Quadro 4.7. Pré dimensionamento dos pilares
• Quadro 4.8. Cargas actuantes na laje em fase inicial
• Quadro 4.9. Deslocamento da laje na etapa de construção
• Quadro 4.10. Acções actuantes nas lajes do edifício
• Quadro 4.11. Momentos nodais do alinhamento superior
• Quadro 4.12. Momentos nodais do alinhamento intermédio
• Quadro 4.13. Momentos nodais do alinhamento intermédio....................................................
• Quadro 4.14. Verificação da resistência ao momento para a laje
• Quadro 4.15. Verificação da resistência cortante e do esforço transverso na laje
• Quadro 4.16. Armaduras para as zonas das lajes
• INTRODUÇÃO
• PROBLEMA DA PESQUISA
• OBJECTIVOS
• I. OBJECTIVO GERAL
• II. OBJECTIVOS ESPECÍFICOS
• JUSTIFICATIVA
• METODOLOGIA
• PRESSUPOSTO
• LIMITAÇÕES
• ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
• 1. PESQUISA BIBLIOGRÁFICA........................................................................................
• ESTRUTURAS METÁLICAS E MISTAS DE AÇO E BETÃO
• 1.2. PRINCIPAIS MATÉRIAIS
• 1.2.1. Betão
• 1.2.2. Armadura para betão armado
• 1.2.3. Aço estrutural
• 1.3. ELEMENTOS DE LIGAÇÃO
• 1.3.1. Força na interface do aço-betão
• 1.3.2. Conexões de corte
• 1.4. LAJES MISTAS
• 1.4.1. Vantagens das lajes mistas
• 1.4.2. Acções
• 1.5. VIGAS MISTAS
• 1.5.1.Vantagens das vigas mistas
• 1.5.2. Continuidade
• 1.5.3. Verificações
• 1.6. PILARES MISTOS
• 1.6.1.Vantagens e desvantagem..................................................................................................................
• 1.6.2.Verificações
• 1.6.3. Propriedade dos pilares mistos........................................................................................................
• 1.7. LIGAÇÕES
• 2. CONCEPÇÃO ESTRUTURAL
• 2.1. PROJECTO ARQUITECTÓNICO
• 2.2. SISTEMA ESTRUTURAL
• 2.3. MATERIAIS UTILIZADO
• 2.3.1. Aço estrutural / aço armaduras para betão armado
• 2.3.2. Betão
• 2.3.3. Elementos de ligação
• 2.4. LANÇAMENTO DA ESTRUTURA
• 2.5. MÉTODO CONSTRUTIVO
• 3. ACÇÕES E SUAS COMBINAÇÕES
• 3.1. ACÇÕES PERMANENTES
• 3.1.1. Pavimento tipo e cobertura
• 3.2. ACÇÕES VARIÁVEIS
• 3.2.1. Sobrecargas
• 3.2.2. Acção do vento
• 4. ANÁLISE E VERIFICAÇÃO DOS ELEMENTOS
• 4.1. DETERMINAÇÃO DO TIPO DE ANÁLISE
• 4.2. PRÉ-DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS
• 4.2.1.Laje...........................................................................................................................................................
• 4.2.2.Vigas
• 4.2.3.Pilares
• 4.3. VALIDAÇÃO DO MODELO ESTRUTURAL
• 4.3.1.Peso calculado manualmente
• 4.3.2.Peso da estrutura pelo software........................................................................................................
• 4.4. DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS
• 4.4.1.Lajes
• 4.4.2.Vigas
• 4.4.3.Pilares