Apontamentos sobre soluções de estruturas reticuladas pré...

DECivil – Departamento de Engenharia Civil, Arquitectura e Georrecursos

Unidade Curricular: Pré-Fabricação em Estruturas (P66)

Mestrado em Engenharia de Estruturas (MEEst), Ano Lectivo 2011/2012

Apontamentos sobre estruturas reticuladas pré-fabricadas de betão armado

Jorge Miguel Proença

Março de 2012

Pré-fabricação em Estruturas – Mestrado em Engenharia de Estruturas 2011/2012

Jorge Miguel Proença, Março 2012 Apontamentos sobre estruturas reticuladas pré-fabricadas de betão armado 1

I Critérios de classificação das Estruturas Reticuladas Pré-fabricadas

I.1 Âmbito

Na presente secção apresentam-se alguns dos critérios de classificação de estruturas reticuladas pré-fabricadas de betão armado, focalizados nas estruturas reticuladas (pilar-viga).

Deve referir-se que para além das soluções reticuladas é frequente considerarem-se outros tipos de estruturas pré-fabricadas de betão armado, de que se referem as estruturas de paredes resistentes (large-panel systems, geralmente constituídas por painéis ligados entre si mediante juntas verticais e horizontais) e as estruturas celulares (em que o módulo básico pré-fabricado constitui uma célula, com paredes em direcções ortogonais e, eventualmente, lajes de piso). Estes dois tipos de soluções não são aqui diretamente abordados por se tratarem de soluções pouco usuais em Portugal. Não obstante esse facto, refere-se no nosso país o uso frequente de painéis de parede, não estruturais, de fachada (cladding panels) que também não são aqui abordados por se tratarem de elementos essencialmente não estruturais1.

Excluem-se também do presente documento os sistemas estruturais constituídos por elementos reticulados que não apresentam continuidade entre si, como sejam os sistemas com ligações do tipo articulado vulgarmente utilizados, por exemplo, nas estruturas de edifícios industriais. As características específicas destas soluções serão abordadas num módulo posterior, dedicado à apresentação de um manual de dimensionamento sísmico de estruturas industriais pré-fabricadas de betão armado.

Nas presentes condições, apenas se consideram relevantes para a presente classificação os sistemas reticulados cujas ligações assegurem a continuidade dos esforços ou, equivalentemente, os sistemas nos quais se estabelece a continuidade entre as armaduras longitudinais dos elementos estruturais reticulados a ligar. Esta continuidade pode resultar do aparafusamento (mediante a utilização de dispositivos de mecânicos de amarração), da soldadura (direta ou indireta), da sobreposição, do pré-esforço ou de qualquer outro processo que assegure este objetivo.

I.2 Critérios gerais de classificação

Numa primeira abordagem as classificações propostas distinguem-se consoante o seu âmbito seja o da classificação da estrutura ou o da classificação da ligação.

Sobre a classificação a nível estrutural distinguem-se as estruturas reticuladas das estruturas constituídas por painéis de paredes resistentes2 , assim como dos sistemas celulares(ambos os últimos não tratados no presente documento). Ainda no âmbito da classificação estrutural, Pompeu dos Santos [1] propõe, para as estruturas reticuladas, uma distinção de acordo com a estratégia adotada para a segmentação da estrutura em elementos pré-fabricados. Na figura 1 apresenta-se a localização possível das ligações quando a estrutura é decomposta em elementos lineares.

1 Embora se considerem elementos não estruturais o dimensionamento dos painéis de fachada requer algumas considerações estruturais, não só para a resistência às ações que lhes estão diretamente aplicadas (peso próprio e vento, por exemplo) mas também pela necessidade de comprovar a segurança estrutural dos dispositivos de fixação à estrutura. Estes dispositivos têm que assegurar a transmissão das cargas à estrutura de suporte e, no caso sísmico, deverão permitir acomodar os deslocamentos entre pisos apresentados pela estrutura principal. 2 Podem ainda referir-se as soluções híbridas nas quais os elementos lineares (pilares e vigas) coexistem com os elementos laminares verticais (paredes resistentes), pré-fabricadas ou moldadas no local



Figura 1: Segmentação da estrutura em elementos lineares (extraído de Pompeu dos Santos [2]).

Dentro das estratégias de segmentação ilustradas na figura 1 deve referir-se que a segmentação da estrutura em pilares inteiros (que vencem a totalidade da altura do edifício, solução d), embora estruturalmente muito interessante, está geralmente limitada à construção de edifícios até 4 pisos. Referem-se ainda variantes (não ilustradas) das soluções b, c e d, nas quais as ligações pilar-viga se encontram ligeiramente deslocadas para o vão. Estas variantes apresentam a vantagem estrutural de minimizar a interferência com os nós viga-pilar, aspeto que se poderá revelar crítico em zonas sísmicas.

Outra forma, menos comum, de segmentação da estrutura consiste na decomposição da mesma em elementos não lineares (constituídos simultaneamente por pilares e vigas), conforme exemplificado na figura 2.



Figura 2: Segmentação da estrutura em elementos não lineares (extraído de Pompeu dos Santos [2]).

As soluções de segmentação representadas na figura 2 têm sido pouco ensaiadas em Portugal, possivelmente pelas implicações ao nível do transporte dos elementos pré-fabricados.

Outro dos aspetos determinantes na classificação de uma estrutura pré-fabricada reside nos tipos de ligações existentes entre os elementos estruturais, ligações essas caracterizadas, por sua vez, pela sua localização e pelo tipo de esforços transmitidos (grau de continuidade).

Observe-se na figura 3 um esquema no qual se procura representar um conjunto alargado de tipos de ligações eventualmente existentes em estruturas reticuladas.



Figura 3: Tipos de ligações existentes em estruturas reticuladas pré-fabricadas de betão armado (extraído de Elliott[6]).

No que respeita a classificação das ligações, Pompeu dos Santos [1], refere quatro tipos de classificações de acordo com os seguintes critérios:

Quanto ao tipo de elementos ligados. Distinguem-se as ligações pilar-fundação, pilar-pilar, viga-pilar, viga-viga e laje-viga.

Quanto aos esforços transmitidos. Ligações de compressão, de tração, de flexão e de corte. Quanto ao processo de execução. Ligações aparafusadas, ligações soldadas, ligações pré-esforçadas,

ligações de continuidade betonadas em obra, ligações coladas e ligações de atrito. Quanto ao comportamento em flexão. Consoante a possibilidade de transmitirem esforços de flexão

distinguem-se as seguintes três situações: (i) ligações articuladas; (ii) ligações de continuidade total (quando apresentam resistência e deformabilidade comparáveis a das estruturas moldadas em obra); e (iii) as ligações de continuidade parcial (quando apresentam uma deformabilidade significativamente superior a das estruturas moldadas em obra). Os dois últimos tipos de ligações são também referenciados como ligações rígidas e ligações semi-rígidas, respetivamente.

0 PCI [3] partilha da classificação das ligações de acordo como tipo de elementos que se pretende ligar, alargando o âmbito referido por Pompeu dos Santos [1] para as seguintes situações: (i) ligação pilar-fundação (CF); (ii) ligação pilar-pilar (CC); (iii) ligação viga primária-pilar (GC); (iv) ligação viga secundária-viga primária (BG); (v) ligação entre vigas secundárias (BB); (vi) ligação laje-viga secundária (SB); (vii) ligação laje-laje (SS); (viii) ligação laje-parede (SW); (ix) ligação viga secundária-parede (BW); (x) ligação parede-parede (WW); (xi) ligação parede-fundação (WF); e (xii) ligação escada-patamar (SL).



Também Bruggeling e Huyghe [4] procedem, embora de uma forma implícita, à classificação das ligações de acordo com o tipo de elementos ligados.

Considerando o conjunto de ligações representado anteriormente na figura 3, excluem-se do presente documento as ligações articuladas viga-pilar, cobertas num módulo posterior. As ligações pilar-pilar, intermédias ou nas extremidades, também não são aqui consideradas por poder ser considerado desaconselhável o seu recurso em zonas sísmicas.

Pelo exposto anteriormente, os estudos apresentados no presente documento focalizam-se consequentemente nas ligações pilar-viga e pilar-fundação. Apresentam-se, de seguida, alguns exemplos representativos das ligações pilar-fundação (referenciados por PF) e das ligações viga-pilar (referenciadas por VP). Para uma apresentação exaustiva dos sistemas de pré-fabricação, classificados de acordo com o presente critério, poderá consultar-se o PCI [3] ou documentos mais recentes.

I.3 Exemplos de ligações pilar-fundação (PF)

I.3.1 Ligação realizada através da introdução e selagem do troço inferior do pilar em cavidade existente na fundação

A fundação, betonada em obra ou pré-fabricada, dispõe de uma cavidade na face superior na qual o troço inferior do pilar e introduzido, sendo o espaço remanescente preenchido com argamassa ou betão não retrácteis. As operações de nivelamento e de escoramento são realizadas através da introdução de calços (entre a face inferior do pilar e o fundo da cavidade) e de cunhas (na folga existente entre as faces exteriores do pilar e as faces interiores da cavidade). Esta ligação é comummente designada por ligação por meio de cálice (ou pocket connection).

A Fig. 4 ilustra, esquematicamente, esta solução de ligação pilar-fundação.

Figura 4: Ligação por meio de cálice (extraído de Chastre Rodriges et al [7])



Embora não seja muito frequente, pode recorrer-se a sapatas pré-fabricadas, como ilustrado na figura 5.

Figura 5: Sapata pré-fabricada com cálice.

Sem abordar os modelos de dimensionamento deste tipo de ligação (assunto tratado mais adiante) há algumas recomendações relativamente à sua execução, de que se referem:

A profundidade da cavidade D deverá ser proporcionada à maior dimensão transversal do pilar. Bruggeling e Huyghe [4] propõem (M e N são o momento flector e o esforço normal na base do pilar):

e M / N 0,15h D 1,2h

e M / N 2,00h D 2,0h No Eurocódigo 2 refere-se que D>1,2h quando o cálice apresentar uma superfície interior lisa (sem indentações). No manual PCI [3] refere-se uma profundidade de 1,5h. A altura da cavidade pode ainda ser determinada pela necessidade de amarrar as armaduras longitudinais dos pilares, quando estas se encontram tracionadas (situação mais comum).

O espaço existente lateralmente entre a cavidade e o pilar deve ser suficiente para a colocação do material de preenchimento. Elliott refere que a medida superior desse espaço deve ser pelo menos de 75mm e a medida inferior de 50mm. A forma do cálice geralmente conduz a uma redução em profundidade desse espaço (até para facilitar o processo de descofragem), sendo comum, de acordo com Elliott, adotar uma inclinação de 5º relativamente à vertical. Há variantes desta ligação nas quais a superfície interior do cálice é indentada, promovendo a transferência de cargas verticais mais acima (beneficiando a verificação ao punçoamento).

O material de preenchimento (argamassa ou betão, não rectrácteis) deve apresentar uma resistência mínima (à compressão). Elliott [6] refere uma resistência mínima de f’cu=40 MPa.

Trata-se duma ligação simples de executar uma vez que permite dispensar o escoramento provisório permitindo, ainda, a absorção de consideráveis desvios dimensionais dos elementos pré-fabricados assim como do seu posicionamento em obra. Não havendo elementos metálicos expostos dispensa



cuidados especiais na proteção contra os efeitos dos agentes ambientais e do fogo. Em termos do comportamento estrutural esta ligação conduz, para valores apropriados da profundidade da cavidade (dependente das dimensões transversais do pilar), a elevados valores de rigidez, permitindo uma continuidade total dos momentos flectores na base do pilar. Apresenta como inconvenientes a dificuldade em garantir o conveniente preenchimento da cavidade (particularmente no espaço compreendido entre a face inferior do pilar e o fundo da cavidade) e o facto de obrigar a cavidades muito profundas quando se trate de pilares de grandes dimensões.

I.3.2 Ligação realizada através do aparafusamento de chumbadouros embebidos na fundação a uma chapa de apoio existente na base do pilar

Neste tipo de ligação, os chumbadouros roscados, que se encontram devidamente amarrados na fundação, projetam-se verticalmente do plano desta. A face inferior do pilar apresenta, em contrapartida, uma chapa de aço furada (com uma furação concordante com a posição dos chumbadouros) a qual se encontram soldados os varões longitudinais. Numa primeira fase o pilar e posicionado sobre os chumbadouros, podendo efetuar-se o nivelamento através dum sistema de porcas e contraporcas. Posteriormente é feita a selagem da junta existente entre a face inferior do pilar e a face superior da fundação com uma argamassa não retráctil. Este tipo de ligação é designado por Elliott [6] por “column on base plates”.

Figura 6: Ligação por meio de chumbadouros (extraído de Chastre Rodriges et al [7])

A variante desta ligação ilustrada na figura 6 apresenta os chumbadouros no interior do pilar (o que poderá conduzir a uma redução local da resistência do mesmo). Nestas circunstâncias será preferível que os chumbadouros se encontrem ancorados a uma chapa de base, que se projeta para fora da zona



do pilar em duas, três ou nas quatro faces. Nesse caso recomenda-se que a projeção da chapa de base seja da ordem de 100mm (Elliott [6]). Esse autor propõe ainda uma pormenorização tipo, em termos da classe dos varões de arranque dos pilares (soldadas à chapa de base), das características e pormenorização dos chumbadouros.

Figura 7: Chapa de base projetada com soldaduras dos varões de arranque dos pilares (extraído de Elliott [6])

Esta ligação apresenta vantagens no que se refere a simplicidade de montagem uma vez que é realizada por aparafusamento e dispensa o escoramento.

Entre as desvantagens avultam o facto de requerer, no caso geral, uma proteção adicional contra os agentes ambientais e contra o fogo, assim como o facto de apresentar uma rigidez significativamente inferior à de uma ligação monolítica. Esta última limitação pode, contudo, ser minimizada através da rigidificação da chapa de apoio. Apresenta, ainda, uma reduzida capacidade de acomodar os desvios dimensionais decorrentes do posicionamento dos furos ou dos chumbadouros.

I.3.3 Ligação realizada através de armaduras de continuidade salientes da fundação amarradas no troço inferior do pilar

Na versão mais referida deste tipo de ligação, a fundação dispõe de armaduras longitudinais salientes que, após a devida colocação sobre furos existentes no troço inferior do pilar, são amarradas através do preenchimento dos furos com argamassa fluida. A junta da base do pilar pode ser constituída por argamassa expansiva (ou betão) devendo esta ser colocada antes do posicionamento do pilar.



Figura 8: Ligação por meio de armaduras salientes a fundação (extraído de Chastre Rodriges et al [7])

Esta solução é designada por “columns on grouted sleeves” por Elliott [6]. Esse autor recomenda que o material de preenchimento do espaço entre os orifícios e as armaduras seja preenchido com um grout fluido com uma resistência à compressão superior à do betão do pilar e a 40 MPa. Esse autor recomenda ainda que esses orifícios sejam realizados com mangas de bainha de pré-esforço e que o espaço livre tenha uma dimensão nominal de pelo menos 6mm, para grout injetado, ou de 10-15mm para grout vertido por gravidade. Quanto à argamassa ou betão existente na base do pilar, recomenda-se que este apresente uma resistência igual ou superior à do betão dos pilares.

Entre as vantagens deste tipo de ligação avultam: (i) a ligação não é aparente (o que, para além de dispensar proteções adicionais contra a ação dos agentes ambientais e do fogo, confere à ligação uma qualidade estética idêntica à das estruturas moldadas em obra, satisfazendo assim as exigências de aspeto); e (ii) envolve procedimentos de escoramento limitados. Apresenta contudo algumas desvantagens como sejam: (i) os varões salientes têm tendência a dobrar durante as operações de transporte e de manuseamento em obra; e (ii) as tolerâncias dimensionais na colocação dos varões e posicionamento dos furos ou mangas são apertadas. Elliott [6] refere ainda o facto das armaduras longitudinais dos pilares terem que ser colocadas mais para dentro do que o habitual, o que poderá tornar crítica a secção em que são interrompidas as armaduras de arranque.

Refira-se, por fim, que existe uma variação menos frequente deste tipo de ligação em que os varões (de arranque) são salientes do pilar, apresentando a sapata furos circulares (mediante bainhas de pré-esforço, por exemplo) cujo espaço remanescente é selado por uma argamassa fluida após o posicionamento do pilar.

I.4 Ligações viga-pilar (VP)



Contrariamente ao verificado nas ligações pilar-fundação as soluções de ligações viga-pilar não são tipificáveis, havendo uma muito maior diversidade de variantes.

Ainda assim, reconhecem-se como importantes as seguintes distinções:

Situações em que a ligação ocorre na interface viga-pilar daquelas em que a ligação ocorre já no vão da viga.

Situações em que a ligação viga pilar, na interface, corresponde também a uma ligação pilar-pilar, envolvendo a betonagem do nó no local. Na figura 9 apresentam-se duas variantes possíveis do caso em que a ligação envolve a betonagem do nó.

Figura 9: Exemplos de ligações viga-pilar que envolvem a betonagem do nó (extraído de Pompeu dos Santos, [2])

Situações em que existe betonagem da ligação – ligações húmidas – e aquelas em que a ligação envolve apenas a selagem de juntas – ligações secas. Neste último caso a continuidade entre armaduras é geralmente estabelecida mediante a soldadura o aparafusamento indireto das mesmas.



Figura 10: Exemplos de ligações viga-pilar do tipo seco (extraído de Pompeu dos Santos, COMPLETAR [2])



II Modelos de Dimensionamento de Ligações Pré-fabricadas A presente secção consiste na apresentação de modelos de dimensionamento de ligações pré-fabricadas de estruturas reticuladas de edifícios. Dada a grande diversidade de ligações existentes, a apresentação irá abordar os casos mais comuns de ligações Pilar-Fundação (PF), facilmente tipificáveis, assim como alguns casos mais promissores de ligações Viga-Pilar (VP) desenvolvidas no meio nacional.

II.1 Retrospectiva de ligações Viga-Pilar desenvolvidas no meio nacional

Numa apresentação complementar aos presentes apontamentos3 procede-se a uma retrospectiva de algumas ligações contínuas Viga-Pilar desenvolvidas no meio nacional. As ligações apresentadas são marcadas pelas preocupações de comportamento sísmico, razão pela qual a sua apresentação se enquadra nos aspetos de comportamento sismo-resistente de estruturas pré-fabricadas de betão armado.

II.2 Modelos de dimensionamento de ligações Pilar-Fundação

Apresenta-se de seguida uma breve retrospectiva de modelos de dimensionamento das duas soluções mais correntes de ligações pilar-fundação.

II.2.1 Ligação realizada através da introdução e selagem do troço inferior do pilar em cavidade existente na fundação

Conforme ilustrado na figura 11, neste tipo de ligação o modo de rotura poderá envolver o desenvolvimento de fendas a partir da face comprimida da zona superior da cavidade, conjuntamente com o esmagamento do material de preenchimento na mesma zona.

3 Concepção sismo-resistente de estruturas pré-fabricadas de betão armado. Particularidades e casos. Apresentação do curso FUNDEC Seminário Especializado sobre Estruturas Pré-fabricadas de Betão. Novembro de 2006.



Figura 11: Modo de rotura da ligação pilar-fundação (extraído de Elliott [5])

Apresenta-se de seguida um modelo de dimensionamento proposto por Elliott [6]. Esse modelo de dimensionamento encontra-se baseado nas seguintes considerações:

Os esforços transmitidos pelo pilar são sobre a forma de esforço axial (N) e momento flector (M=N e), não se considerando o esforço transverso4.

Despreza-se a reação proporcionada pelo material de preenchimento na parte superior (0,1D ou recobrimento) da cavidade.

Na restante profundidade da cavidade (0,9D) mobilizam-se reações em sentidos (e faces) opostos na sua parte superior e inferior. A resultante de cada uma destas reações é identificada por F. A distância entre as linhas de ação do binário assim constituído é identificado5 por z.

Considera-se as forças de atrito que se desenvolvem nas faces da cavidade, mediante um coeficiente de atrito (sugere-se um valor de 0,7).

O momento flector origina um binário constituído pelas reações laterais sobre a cavidade, em faces opostas da cavidade

O modelo de dimensionamento correspondente encontra-se representado na figura 12.

4 Numa outra publicação de Elliott [5] apresenta-se uma variante do modelo que considera o efeito do esforço transverso. No entanto, o algoritmo apresentado não é de aplicação imediata. 5 O que, conjugando com a consideração anterior, conduziria a z=0,45D.



Figura 12: Modelo de dimensionamento de ligação pilar-fundação (extraído de Elliott [6])

Considerando o equilíbrio de momentos em relação ao ponto médio do plano inferior da cavidade

M 0 F z F h N e 0

Admitindo z=0,45D e explicitando a equação anterior em função de F, ter-se-ia:

N eF

0,45D h

A verificação da adequabilidade do dimensionamento pode então realizada determinando a tensão média induzida no material de preenchimento e limitando-a a um valor adequado. Elliott [6] sugere que a tensão média deve ser inferior a 0,4 f’cu , pelo que:

cuN e

F 0,4 f ' b 0,45D0,45D h

A verificação anterior serve de confirmação da adequabilidade das dimensões da cavidade pré-dimensionada por um qualquer processo, como seja, por exemplo, de acordo com as expressões propostas por Bruggeling e Huyghe [4].

Ainda no âmbito das verificações da geometria das fundações, Elliott [6] considera que o punçoamento não é condicionante, pois, para a situação definitiva (após o endurecimento do material de preenchimento), deverá considerar-se que o esforço normal é distribuído gradualmente ao longo da altura da cavidade (não sendo realista admitir que este apenas é transmitido “de ponta”, sobre o pinto inferior da sapata). Sugerem-se assim algumas considerações geométricas relativamente à altura do plinto e à altura total da sapata que aqui se resumem:

O plinto deverá apresentar uma altura da ordem da menor das dimensões transversais do pilar, não devendo ser superior a 400mm.



A altura total da sapata deverá ser proporcionada à sua dimensão em planta (B), de forma a que seja da ordem de (B-b)/2 (b corresponde à dimensão transversal do pilar na direção correspondente à dimensão B).

Complementarmente às verificações geométricas, Elliott [6] propõe ainda as seguintes verificações:

Verificação do efeito das forças localizadas na extremidade inferior do pilar (bursting forces, devidas ao esforço normal).

Sugere-se neste caso a colocação de armaduras de cintagem (adicionais?) da parte inferior do pilar, dimensionadas para resistir à força transversal que se vai gerar no mesmo, próximo da sua face inferior:

bstF N 0,11N

O coeficiente , definido na BS 8110, que corresponde ao rácio entre a força de tração e a força concentrada, é por Elliott [6] considerado igual a 0,11.

Na parte superior da sapata, contornando a cavidade, deverá dispor-se uma armadura de cintagem determinada para o efeito conjunto da resultante da reação sobre o material de preenchimento (F) e da componente horizontal da força de cunha provocada pelo esforço normal.

H F N tan

Em que designa a inclinação das faces da cavidade (geralmente considerada igual a 5º).

I.2.2 Ligação realizada através do aparafusamento de chumbadouros embebidos na fundação a uma chapa de apoio existente na base do pilar

COMPLETAR



III Referências Bibliográficas [1] Pompeu dos Santos, S. G. – Comportamento de Ligações de Estruturas Prefabricadas de Betão, Tese

apresentada ao concurso para especialista do Laboratório Nacional de Engenharia Civil, LNEC, Lisboa, Março de 1983.

[2] Pompeu dos Santos, Silvino – Ligações de Estruturas Prefabricadas de Betão, LNEC, ICT, S311, Lisboa, 1985.

[3] PCI (1988) – Design and Typical Details of Connections for Precast and Prestressed Concrete, PCI- Prestressed Concrete Institute, Second Edition, Chicago, 1988.

[4] Bruggeling, A. S. G.; Huyghe, G. F. – Prefabrication with Concrete, Balkema, Rotterdam, 1991.

[5] Elliott, Kim S. – Multi-Storey Precast Concrete Framed Structures, John Wiley & Sons, 2000.

[6] Elliott, Kim S. – Precast Concrete Structures; Butterworth-Heinemann; 2002.

[7] Chastre Rodrigues, C.; Lúcio, Válter; Reguengo, Romeu – Column-foundation connections, comunicação pessoal, UNL, Novembro de 2011.

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