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Projeto e dimensionamento de estruturas mistas de aço e concreto Engenharia de Estruturas Luciana Pizzo.

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Apresentação em tema: "Projeto e dimensionamento de estruturas mistas de aço e concreto Engenharia de Estruturas Luciana Pizzo."— Transcrição da apresentação:

1 Projeto e dimensionamento de estruturas mistas de aço e concreto Engenharia de Estruturas Luciana Pizzo

2 Mini Currículo Engenheira Civil pela Escola de Engenharia de São Carlos – USP; Mestre e Doutora em Engenharia de Estruturas – EESC- USP; Atuação profissional: desenvolvimento de projetos de estruturas de edifícios em concreto armado, aço e alvenaria estrutural; Já foi professora da UFSCar, PUC-Minas e UNICEP

3 Objetivos Gerais – O aluno deverá, ao final da disciplina, estar a apto a projetar e propor soluções utilizando estruturas mistas Específicos – Para que o objetivo geral seja atendido, o aluno deverá ter adquirido as seguintes capacidades: Compreender o comportamento conjunto do aço e do concreto nos elementos mistos; Compreender a filosofia de cálculo dos elementos mistos adota pela norma brasileira;

4 4 Introdução Estruturas mistas: o aço é utilizado na forma de perfis laminados, dobrados ou soldados, que trabalham em conjunto com o concreto simples ou armado Reflexões: – Qual a diferença entre um elemento misto e um elemento em concreto armado? – Como escolher o melhor material estrutural? Conceito de elemento misto

5 5Prof. Luciana Pizzo Introdução Qual o melhor material estrutural? Conceito de elemento misto Material estrutural AçoMadeiraConcreto Depende do contexto Explorar vantagens e desvantagens Estruturas mistas Estruturas Híbridas

6 6Prof. Luciana Pizzo Introdução Aço e concreto são materiais complementares – O concreto é eficiente na compressão e o aço, na tração. – O concreto, como revestimento, restringe a flambagem do perfil de aço. – Concreto atua como proteção contra a corrosão e o fogo. – Aço oferece ductilidade ao concreto. Aspectos para o uso de estruturas mistas – Arquitetônico – Econômico – Funcionalidade – Flexibilidade – Montagem Diretrizes para a escolha

7 7Prof. Luciana Pizzo Introdução Aspectos arquitetônicos: – Grandes vãos – Lajes de pequena espessura – Pilares mais esbeltos – Maior flexibilidade no projeto Econômicos: – Redução da altura total dos edifícios: ganho de área livre – Maiores vãos mantendo a altura das vigas: necessidade de grandes áreas livres – Pavimentos adicionais com a mesma altura total do edifício – Velocidade de execução: Menos custos diretos e com impostos Menor custo de financiamento Antecipação do retorno de capital Diretrizes para a escolha

8 8Prof. Luciana Pizzo Introdução Funcionalidade: – Proteção ao fogo: mesmo princípio das estruturas em C. A. onde o concreto protege o aço Flexibilidade - serviços: – Estruturas adaptáveis Modificações de utilização do edifício Modificações e manutenções sem violar a privacidade de outros ocupantes Facilidade de execução das instalações elétricas, hidráulicas e etc. Montagem: – Steel deck serve como plataforma de trabalho – Forma permanente – Forma metálica contribui para a estabilidade – Rapidez e simplicidade na construção – Controle de qualidade mais eficaz Diretrizes para a escolha

9 9Prof. Luciana Pizzo Introdução Métodos construtivos – Tradicionalmente, utiliza-se dois métodos construtivos, cada um com aspectos positivos e negativos. Diretrizes para a escolha CONVENCIONAL EM CONCRETO + + Liberdade de forma + Fácil manuseio + Boa resistência térmica - Tempo com execução de formas e cimbramentos - Sensível a forças de tração CONSTRUÇÃO METÁLICA + Elevada relação resistência-peso + Sistema industrializado + Grande precisão dimensional - Baixa resistência ao fogo - Requer treinamento de mão de obra CONSTRUÇÃO MISTA + eficiente + Grande capacidade resistente + Grande rigidez + Redistribuição plástica

10 10Prof. Luciana Pizzo Introdução Em função do tipo de associação de elementos estruturais e materiais temos: – Estruturas em concreto armado – Estruturas em aço – Estruturas híbridas – Estruturas mistas Estruturas em concreto armado e em aço Estruturas híbridas: – Composta por elementos em aço, mistos, em concreto armado, madeira, etc... Estruturas mistas: – Composta por elementos mistos Classificação das estruturas

11 11Prof. Luciana Pizzo Introdução Estruturas híbridas: elementos estruturais de diferentes materiais compondo a mesma estrutura Classificação das estruturas Coberturas de aço e pilares em C. A. Pilares e vigas de aço Núcleo e lajes em concreto armado Fotos: Arq. João Diniz

12 12Prof. Luciana Pizzo Introdução Estruturas mistas: – dois materiais trabalhando solidariamente em um mesmo elemento estrutural para resistir a ações externas com maior eficiência. Tabuleiros mistos de madeira e concreto – Pontes de pequenos vãos: sem estruturas auxiliares (vigas e transversinas) Classificação das estruturas madeira roliça madeira serrada

13 13Prof. Luciana Pizzo Introdução Dois materiais trabalhando solidariamente em um mesmo elemento estrutural. Elementos mistos: – Lajes – Vigas – Treliças – Pilares – Pisos / pavimentos Estruturas mistas de aço e concreto

14 14Prof. Luciana Pizzo Introdução Lajes mistas – Concreto moldado in loco sobre forma de aço Exemplos de elementos mistos Forma trapezoidal Forma reentrante

15 15Prof. Luciana Pizzo Introdução Lajes mistas – Concreto moldado in loco sobre forma de aço Exemplos de elementos mistos

16 16Prof. Luciana Pizzo Introdução Vigas mistas – as vigas mistas de aço e concreto consistem de um componente de aço simétrico, com uma laje (maciça moldada no local, mista ou com pré-laje de concreto pré-moldada), ACIMA DE SUA FACE SUPERIOR, havendo LIGAÇÃO MECÂNICA POR MEIO DE CONECTORES DE CISALHAMENTO entre o componente de aço e a laje de tal forma que ambos funcionem como um conjunto para resistir à flexão. Exemplos de elementos mistos

17 17 Prof. Luciana Pizzo Introdução Vigas mistas Exemplos de elementos mistos

18 18 Prof. Luciana Pizzo Vigas mistas Laje parcialmente pré-fabricada Laje totalmente pré-fabricada Laje pré-moldada protendida Introdução Exemplos de elementos mistos

19 19 Prof. Luciana Pizzo Vigas mistas: exemplos de utilização Introdução Exemplos de elementos mistos

20 20 Prof. Luciana Pizzo Vigas mistas: exemplos de utilização Introdução Exemplos de elementos mistos

21 21 Prof. Luciana Pizzo Vigas mistas: exemplos de utilização Introdução Exemplos de elementos mistos

22 22 Prof. Luciana Pizzo Treliças mistas – Alternativa às lajes nervuradas para grandes vãos Introdução Exemplos de elementos mistos

23 23 Prof. Luciana Pizzo Treliças mistas – Alternativa às lajes nervuradas para grandes vãos Introdução Exemplos de elementos mistos

24 24 Prof. Luciana Pizzo Treliças mistas – Alternativa às lajes nervuradas para grandes vãos Introdução Exemplos de elementos mistos

25 25Prof. Luciana Pizzo Introdução Pilares mistos – Perfis de aço revestidos ou preenchidos com concreto de qualidade estrutural Tipos: – Preenchidos: concreto no interior de um tubo de aço – Revestidos: concreto envolvendo totalmente os perfis de aço – Parcialmente revestidos: concreto envolvendo parcialmente os perfis de aço Exemplos de elementos mistos

26 26 Prof. Luciana Pizzo 1)Preenchido 2)Revestido 3)Parcialmente revestido (1) (1)* (1) (3) (1)* (2) (1)* (2) Introdução Exemplos de elementos mistos Pilares mistos

27 27 Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de pisos mistos Pisos mistos convencionais

28 28 Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de pisos mistos Pisos mistos de pequena altura

29 29 Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de pisos mistos Pisos mistos de pequena altura

30 30 Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de pisos mistos Pisos mistos de pequena altura

31 31 Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de pisos mistos Pisos mistos de pequena altura

32 32 Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de pisos mistos Pisos mistos de pequena altura: De Nardin

33 33 Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de pisos mistos Pisos mistos de pequena altura: De Nardin

34 34 Prof. Luciana Pizzo Pilar misto piso= viga + laje Viga mista Laje mista Associação de elementos mistos Introdução Sistema estrutural em elementos mistos

35 35Prof. Luciana Pizzo Introdução Sistema estrutural de Edifícios com elementos mistos Exemplos de utilização

36 36Prof. Luciana Pizzo Introdução Grosvenor Place (Sidnei – Austrália, 1988) – Altura total: 180 m – Pavimentos: 45 – Pilares mistos revestidos Exemplos de utilização

37 37Prof. Luciana Pizzo Introdução Latitude Building (Sidnei – Austrália, 1990) – Altura total: 201 m – Pavimentos: 55 – Pilares mistos preenchidos de seção circular Exemplos de utilização

38 38Prof. Luciana Pizzo Introdução Forrest Centre (Perth – Austrália, 1990) – Altura total: 110 m – Pavimentos: 30 – Pilares mistos preenchidos de seção retangular Exemplos de utilização

39 39Prof. Luciana Pizzo Introdução Westralia Square (Perth – Austrália, 1990) – Altura total: 87 m – Pavimentos: 19 – Pilares mistos preenchidos de seção retangular Exemplos de utilização

40 40Prof. Luciana Pizzo Introdução Casselden Place (Melbourne – Austrália, 1992) – Altura total: 166 m – Pavimentos: 43 – Pilares mistos preenchidos de seção circular 95 cm – concreto C70 – Lajes mistas com steel deck – Processo construtivo: perfis tubulares posicionados e fixados para 6 pavimentos, concreto bombeado para o interior do perfil, por aberturas na base do pilar Exemplos de utilização

41 41Prof. Luciana Pizzo Introdução Republic Plaza (Singapura – Singapura, 1996) – Altura total: 280 m – Pavimentos: 66 – Pilares mistos preenchidos Exemplos de utilização

42 42Prof. Luciana Pizzo Introdução Ed. Commerzbank (Frankfurt – Alemanha, 1997) – Altura total: 259 m – 56 pavimentos – Três grandes pilares preenchidos de seção triangular formam um triangulo eqüilátero de 60m de lado – Treliças ligadas a cada um dos pilares sustentam cada pavimento – Vigas mistas e lajes mistas Exemplos de utilização

43 43Prof. Luciana Pizzo Millennium Tower (Viena – Áustria, 1999) – Altura total: 202 m – Pavimentos: 51 – Área de piso: m 2 – Custo: 145 milhões de euros – Tempo de execução: 8 meses – 2 a 2,5 pavimentos por semana – Utilização: comercial e residencial Introdução Exemplos de utilização

44 44Prof. Luciana Pizzo Pilares mistos Núcleo de concreto Slim floor – piso misto Laje de concreto 42,3 m Pórtico misto 42,3 m 33,05 m Introdução Exemplos de utilização Millennium Tower (Viena – Áustria, 1999)

45 45Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização Millennium Tower (Viena – Áustria, 1999)

46 46Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização Cheung Kong Center (Hong Kong, 1999) – Altura total: 289 m – 63 pavimentos – Pilares mistos preenchidos

47 47Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização ARES Tower (Viena – Áustria, 2001) – Altura total: 92 m – Pavimentos: 30 – Tempo de execução: – Pilares e treliças mistas – Tempo de execução: 9 meses

48 48Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização Shopping Center Iso Omena (Helsinki – Finlândia, 2001) – Lajes alveolares pré-moldadas com 50 cm de espessura – Vigas metálicas – Pilares preenchidos – Fechamento: painéis pré-fabricados tipo sanduíche

49 49Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização International Finance Center I e II (Hong Kong, 2003) – Altura total: 420 m – 88 pavimentos – Núcleo em C.A., pilares perimetrais mistos Treliças entre 6º e 8º pav.

50 50Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização International Finance Center I e II (Hong Kong, 2003) 11/2001 Núcleo de concreto no 45º pav. 06/ /2002

51 51Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização International Finance Center I e II (Hong Kong, 2003) 11/ /2002

52 52Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização Taipei Financial Center (Taipei – Taiwan, 2004) – Altura total: 508 m – Pavimentos: 101 – Vigas e lajes mistas – Pilares mistos preenchidos até o 62º pav. Depois pilares de aço – Sistema estrutural: Núcleo com 6 pilares e cada face com dois super-pilares até o 26º pav. viga pilar

53 53Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização Taipei Financial Center (Taipei – Taiwan, 2004)

54 54Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização WaMu Center (Seatle – USA, 2006) – Altura total: 182 m – Pavimentos: 42 – Núcleo em C.A., pilares perimetrais mistos preenchidos Detalhes do núcleo de concreto

55 55Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização WaMu Center (Seatle – USA, 2006) – Altura total: 182 m – Pavimentos: 42 – Núcleo em C.A., pilares perimetrais mistos preenchidos Lajes mistas

56 56Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização Estacionamento DEZ (Innsbruck – Áustria) – Detalhes da laje slim floor 200 mm laje de concreto moldado in loco e 60 mm pré-laje Viga de aço: alma 165/20 mm, mesa 245/40 mm, Conector: 22 mm – Montagem dos pilares a cada dois pavimentos

57 57Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização Estacionamento DEZ (Innsbruck – Áustria) – 04 pavimentos – Dimensões: 60 x 30 m – Max. vão 10,58 m com laje slim floor de 26cm (= /40)

58 58Prof. Luciana Pizzo Introdução Sistema estrutural de Pontes com elementos mistos Exemplos de utilização

59 59Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização Ponte "Wushan Yangtze River (Chongqing – China) – Vão: 460 m – Largura: 19 m – Sistema estrutural: arcos compostos por dois tubos na parte superior e dois na parte inferior, preenchidos com concreto C60 – Diâmetro dos tubos: 1220 mm e espessura de 22 mm

60 60Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização Ponte "Wanzhou Yangtze Railway (Chongqing – China) – Vão principal: 420 m – Comprimento total: 1106 m – Sistema estrutural: treliça em arcos rígidos e vigas flexíveis composta por dois tubos na parte superior e dois na parte inferior, preenchidos com concreto C60 – Diâmetro dos tubos: 420 mm e espessura de 16 mm

61 61Prof. Luciana Pizzo Introdução No Brasil...

62 62Prof. Luciana Pizzo Laje nervurada plana e pilar misto preenchido Shopping Frei Caneca (São Paulo) – Alcindo DellAgnese – Vigas e lajes mistas – Aço estrutural: 4000 t – Steel deck: 800 t – Área construída: m 2 Foto: Eng. M.Sc. Raul Neuenschwande Introdução Exemplos de utilização no Brasil

63 63Prof. Luciana Pizzo Taguatinga Shopping (Brasília) – Vigas e lajes mistas – Aço estrutural: 2343 t – Área construída: m 2 Ibis Hotel Paulista (São Paulo) – Vigas e lajes mistas – Aço estrutural: 440 t – Steel deck: 90 t – Área construída: 8500 m 2 Introdução Exemplos de utilização no Brasil

64 64Prof. Luciana Pizzo Edifício New Century (SP) – 18 pavimentos – Vigas e lajes mistas – Pilar misto revestido – Aço estrutural: 2000 t – Steel deck: 400 t – Área construída: m 2 Hotel de Palmas - NOVOTEL (Palmas – TO) – Vigas e lajes mistas – Aço estrutural: 532 t – Área construída: m 2 Introdução Exemplos de utilização no Brasil

65 65Prof. Luciana Pizzo Introdução Exemplos de utilização no Brasil Hotel Caesar Park Guarulhos (São Paulo – SP) – Vigas mistas e lajes mistas com forma de aço incorporada – Aço estrutural: t – Área construída: m 2

66 66Prof. Luciana Pizzo Introdução Elementos mistos: origem

67 67Prof. Luciana Pizzo Revestimento de vigas e pilares com concreto não estrutural para fins de proteção térmica (incêndios). Primeira década do século XX - início dos estudos 1930: surge a primeira normalização para vigas mistas MUITO UTILIZADA NO EXTERIOR MUITO UTILIZADA NO EXTERIOR No Brasil No Brasil Utilização modesta mas em crescimento (exceto vigas) Muitos estudos: USP, Unicamp, Ouro Preto,... Normalizações em fase de desenvolvimento (NBR 8800:2006 – texto base para revisão) Vigas mistas já constavam na versão de 1986 Introdução Elementos mistos: origem

68 68Prof. Luciana Pizzo Revestimento de vigas e pilares com concreto não estrutural para fins de proteção térmica (incêndios). Primeira década do século XX - início dos estudos 1930: surge a primeira normalização para vigas mistas MUITO UTILIZADA NO EXTERIOR No Brasil – Utilização modesta mas em crescimento (exceto vigas) – Muitos estudos: USP, Unicamp, Ouro Preto,... – Normalizações em fase de desenvolvimento (NBR 8800:2006 – texto base para revisão) – Vigas mistas já constavam na versão de 1986 Introdução Elementos mistos: origem

69 69Prof. Luciana Pizzo Vantagens – Redução de material e cargas nas fundações – Maiores vãos – Redução: da altura das vigas de aço do tempo de execução ou eliminação de escoramentos de formas e armaduras das proteções contra incêndio e corrosão Introdução Elementos mistos: origem

70 70Prof. Luciana Pizzo NBR 8800:1986 – apenas vigas mistas biapoiadas NBR 14323:1999 – Norma de incêndio aborda o cálculo de lajes e pilares mistos em temperatura ambiente Revisão da NBR 8800:2008 – Vigas mistas biapoiadas, contínuas e semicontínuas – Pilares mistos – Lajes mistas – Ligações mistas Eurocode 4 AISC-LRFD BS 5400: parte 5 ACI 318 Brasil Introdução Elementos mistos: normas

71 71Prof. Luciana Pizzo Materiais – Aços com qualificação estrutural: Resistência ao escoamento: f y 450 MPa Relação entre resistência à ruptura e ao escoamento: f u /f y 1,18 Módulo de elasticidade: E a =20500 MPa Coeficiente de Poisson: a =0,3 Coeficiente de dilatação térmica: a =12 x o C -1 Peso específico: a =77 kN/m 3 Aços sem qualificação estrutural – Peças e detalhes de menor importância – Devem ser adotados os seguintes valores: f y = 180 MPa f u = 300 MPa NBR 8800:2008 Elementos mistos: normas

72 72Prof. Luciana Pizzo Conectores de cisalhamento – Pino com cabeça: Norma AWS D1.1:2002 – Normalmente: 22,2 mm – Aço ASTM A 108: f y =345 MPa e f u =415 MPa – Perfil U laminado: especificações para aços estruturais – Perfil U formado a frio: NBR Chapas com espessura maior que 3 mm Fôrma de aço para lajes mistas – Perfil formado a frio: NBR – Galvanização com zinco em ambas as faces para proteção NBR 8800:2008 Elementos mistos: normas

73 73Prof. Luciana Pizzo Concreto – Densidade normal: Módulo de elasticidade secante: (f ck MPa) Coeficiente de Poisson: c =0,2 Coeficiente de dilatação térmica: c = o C -1 Peso específico: – c =24 kN/m 3 sem armadura e c =25 kN/m 3 com armadura – Baixa densidade: Módulo de elasticidade secante: (f ck MPa) Coeficiente de Poisson: c =0,2 Peso específico: – c 15 kN/m 3 sem armadura NBR 8800:2008 Elementos mistos: normas

74 74Prof. Luciana Pizzo Reflexões O uso de elementos misto amplia as possibilidade de sistemas estruturais Pode trazer vantagens estruturais e construtivas No Brasil, as normas ainda estão em fase de desenvolvimento Pesquisas no Brasil e exterior Possibilidade promissora Os materiais devem ser usados de forma a ser explorados suas melhores características: os elementos mistos são alternativas viáveis Concreteiros x metaleiros Estruturas mistas ou híbridas


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