O uso do Aço na Arquitetura 1 Aluízio Fontana Margarido

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Edifícios Altos

Edifícios de Andares múltiplos:Edifícios Altos

ObjetivoCompreender o modelo estrutural do edifício e fornecer alternativas para seu bom desempenho estrutural.

10Conceito relativo de edifício alto: O conceito de edifício alto ou baixo é um conceito relativo, pois só tem sentido quando feito em termos comparativos.

. Para o arquiteto:Quando a altura da edificação começa a ter peso na paisagem;

. Para o engenheiro:Quando soluções estruturais precisam ser adotadas, para se ter condições econômicas de resistir a ação horizontal do vento ou sismo;

. Para o corpo de bombeiros:Quando o edifício, pela sua altura, necessita ser construído em blocos independentes para evitar a propagação do fogo, além de ser dotado de inúmeros equipamentos de segurança adicionais;

. Para um homem comum:Para um habitante de uma grande metrópole da atualidade, uma edificação de 20 andares é considerada normal, en-quanto que em outras localidades pode ser considerada um edifício alto.

Divisão do Espaço do EdifícioResidencial e Comercial

O edifício residencial possui um grande número de espa-ços de menor dimensão, com colocação de pilares em planta em função dessas divisões.

A colocação dos pilares em planta nem sempre é regular. Normalmente os vãos entre pilares são menores do que os comerciais.

O edifício comercial, ou de escritórios, possui amplos es-paços e vãos maiores, tendo-se a possibilidade de colo-car os pilares em modulação regular. Esta sistematização vem a facilitar muito a industrialização, ou seja, permite a repetição de operações iguais em grande número, o que vem a baratear a construção por unidade de área.

Alguns dos mais altos edifícios de aço do mundo:

. É executado em 1885 o primeiro edifício de aço em Chi-cago, o Home Insurance Building, com 10 andares.

. O Empire State Building é construído em 1931, com 102 an-dandares (480 metros de altura). São gastos 60.000 t de aço e 47.400 m³ de concreto. Modernamente são executados grandes edifícios em aço, como o John Hancock Building, de Mies Van der Rohe, que usa contraventamento em diagonal na fachada do edifício. Tem 100 andares.

. O Sears Towers em Chicago tem 120 andares.

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Formas de Resistir as Forças devidasao Vento. com ação de pórtico;. com núcleo rígido;. com paredes enrijecidas – septos treliças (shear wall);. estruturas externas em tubo vazado;. soluções mistas.

A resistência aos esforços deve ser feita com limitação de deslocamento (flechas), tanto para cargas verticais, como para as horizontais, devidas ao vento.

Função da Laje (Piso)

Nos edifícios, a laje, além da importantíssima função de re-sistir às cargas verticais (peso próprio e cargas úteis) fun-ciona como uma viga horizontal, ou diafragma, distribuindo as cargas horizontais do vento.

Se compararmos a viga em balanço com o pórtico, ambos deformados pelo vento, verificamos que a viga possui tan-gentes (rotações) crescentes com a altura, enquanto que isto não acontece com o pórtico, pois o momento de res-trição da viga faz com que haja deformação mais favorável, em termos de reduzir a flecha, no todo do pórtico. Na ação do pórtico, necessitamos ter nós rígidos para que existam os momentos de restituição das vigas.

Comparação de Ligações Rígidas e Flexíveis

Ligação a momento (rígida) com ação de pórtico(Essa solução é mais demorada para ser executada, e mais cara, que a solução articulada).

Ligação à força cortante ‘quase articulada’ (é uma solução rápida de ser executada e mais econômica).

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Uma estrutura de edifício feita somente com nós articula-dos não seria estável.

A estrutura teria a tendência de cair. A estrutura na reali-dade seria ‘quase hipostática’, apresentando grandes des-locamentos horizontais.

Na figura A, verificamos que a carga vertical aumenta esse deslocamento.

A ligação articulada tem rapidez de execução e custo mais baixo, porém só deve ser realizada caso tenhamos alguns elementos rígidos, que podem ser de aço ou concreto, para fazer a função de estabilidade da figura B . Para isso, lançamos mão do núcleo rígido, que garante a estabili-dade do edifício.

Ação do Núcleo Rígido

Nessa solução utiliza-se a caixa de circulação vertical(caixa de elevadores e escadas, poço de subida de utili-dades, etc) como elemento resistente ao vento.

As lajes, agindo com vigas horizontais, tem um importante papel na transmissão das ações para o núcleo rígido.

Verifica-se a importância do núcleo rígido e a ação da laje, funcionando como uma grande viga horizontal.

. é preferível, porém, não obrigatório, colocar o núcleo simétrico em relação a planta do edifício, para reduzir o momento torsor causado pelo vento agindo na fachada.

. para edifícios de aço é preferível que o núcleo seja ex-terno à planta do edifício pois assim temos uma maior repetição de vigas iguais, facilitando a industrialização.

. o núcleo rígido pode ser de aço ou de concretoarmado.

Núcleo de concreto armado leva a soluções mais econômi-cas, principalmente quando feito com formas deslizantes ou trepantes.

. a laje conectada às vigas e ao núcleo dá estabilidade à estrutura metálica.

Observações Úteis na Utilização do Núcleo Rígido

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Formas de Interagir Vigas de Aço e Laje de Concreto(formando uma estrutura mista, onde se usa o concreto armado para resistir à compressão, e o aço para resistir à tração e ao cisalhamento)

Outros Conectores

Uma grande variedade de conectores pode ser utiliza-da; a forma mais comum é a do Studweld, ou Studbolt.

Além da laje agir como elemento de compressão na viga, funciona também como viga horizontal, enrijecida pelas vi-gas de aço, podendo o conjunto ser calculado como uma viga mista, em função da ligação entre viga e laje feita pelos conectores.

Ligação Concreto Aço

Quando utilizamos associados o concreto e o aço devemos levar em conta a diferença de precisão dos dois métodos de construção. A estrutura de aço tem tolerâncias em mm, enquanto a de con-creto tem tolerâncias em cm. A estrutura de aço deve permitir ajustes para se afastar da precisão do concreto.

Desenho esquematico de uma laje steel deck- fonte: Metform

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Forma de Reduzir Deslocamentos de Estruturas com Núcleo Rígido

Uma forma de reduzir os deslocamentos da estrutura é criar uma grande viga superior, geralmente em treliça fazendo com que os pilares extremos funcionem comoelementos de tração e compressão, contendo parcial-mente a rotação no topo do núcleo rígido, que pode ser em aço ou concreto.

A utilização do núcleo rígido permite uma série de vari-antes para a realização da estrutura, conforme os modelos a seguir:

Para a estrutura de aço, o mais in-teressante é sem dúvida o sistema suspenso, pois utiliza tirantes e o aço é plenamente aproveitado em uma de suas melhores características, que é a resistência a tração.

Outros Conectores

Em edifícios altos essas paredes enrijecidas são normal-mente septos em forma de treliça, que apresentam simpli-cidade de ligação e grande rigidez.

Para facilitar a execução da ligação as barras da treliça nunca devem ter ângulo inferior a 30.

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Contraventamento K ‘Articulado’

Inúmeros são os exemplos de soluções em treliças:

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Nos edifícios em concreto armado essas paredes são em elementos maciços.

Quando se quer reduzir o deslocamento, podemos recor-rer ao uso de treliças passantes no topo do edifício, que reduzem a rotação no topo, da mesma maneira que quan-do temos o núcleo rígido.

Para o comportamento conjunto das paredes enrijecidas (septos em treliça) é muito importante a ação da laje como viga horizontal. Podemos, em substituição à laje, utilizar treliças neste plano horizontal.

Vejamos um travamento horizontal funcionando como um plano de enrijecimento: essa solução é indicada quanto não se pode usar estrutura mista ou quando a concretagem segue muito atrás da montagem da estrutura metálica.

Durante a montagem de edifícios, com travamento com laje de concreto, não se aconselha que o edifício suba mais do que três andares, sem concretagem da laje. Caso seja necessário deixar andares sem concretagem, deve-se prever contraventamento provisório, que garanta a es-tabilidade da construção durante a montagem.

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Estrutura Externa em Tubo Vazado

É uma extensão do conceito do núcleo rígido. Para alturas maiores utiliza-se uma ‘estrutura rígida’ na periferia doedifício; com isso temos uma maior rigidez, que propor-ciona a possibilidade de atingir grandes alturas.

Na solução em tubo externo como é impossível realizar uma caixa cega, permite-se aberturas, porém essas de-verão ser de dimensões reduzidas, pois quanto menores as aberturas, maior a rigidez.

Comparação entre um ‘Tubo não Vazado’

Quanto menos rígido o tubo, maior é a concentração de solicitação nos cantos. Há inclusive interesse em se di-minuir o espaçamento dos pilares na região dos cantos. Recomenda-se, para espaçamento dos pilares, distâncias entre 1,5 e 3 metros para termos boa ação de tubo. É co-mum utilizar-se o poço dos elevadores e escadas também como um elemento rígido, temos então o caso de dois tubos, um dentro do outro, ligados por vigas e lajes.

A estrutura do núcleo pode ser em açoou concreto.

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Tubos Múltiplos

(o grande efeito de tubo é dado pelo tubo externo)

Soluções Mistas

Para combater a ação do vento pode-se associar diversas soluções com a finalidade de se obter a rigidez adequa-da. A forma de associação é fundamentalmente função da forma do edifício e da divisão dos espaços criados pela arquitetura.

Para determinarmos a parcela de vento que vai para cada elemento de enrijecimento, devemos fazer uma análise es-trutural compatibilizando as deformações e utilizando lajes como elemento de ligação.

Sugestões para a escolha do Sistema Estrutural

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1. Limitações para cargas horizontais: vento

1. Limitações para cargas verticais:

flecha máxima sobre carga < L/500

flecha máxima para peso próprio f / L/350

f = flecha

L = - vão da viga isostática ‘ou’

. 0,90 do vão da viga apoiada de um lado e contínua do outro ‘ou’

. 0,80 do vão da viga contínua em ambos os lados ‘ou’

. o dobro da viga em balanço

Limitações de Deslocamentos

Flechas admissíveis para alguns tipos de modelos estru-turais de edifícios:

Estabelecemos acima as flechas para os maiores exemplos de edifícios com cada tipo de sistema estrutural e pode-se verificar que as flechas ficam em torno de 30 cm a 40 cm. As limitações da flecha são muito importantes para garantir-mos a integridade de materiais de acabamento, alvenarias e conforto humano, quer em termos de vibrações, como de acelerações. Flechas maiores, além de deformações vi-suais e espaciais, irão provocar rachaduras e até ruptura de paredes e revestimentos.

Instituto Cultural Itaú - São Paulo / SPfoto: Ernesto Tarnoczy Jr