As formas estruturais, também chamadas de sistemas estruturais, são mecanismos que garantem a estabilidade estrutural de uma edificação. Dependendo do tipo de estrutura, um ou mais sistemas estruturais podem ser utilizados para o mesmo edifício alto. A adequação do sistema para suportar cargas laterais é decidida por um engenheiro civil com experiência em análise estrutural e projeto de edifícios altos.
O que é um prédio alto
Não há nenhuma linha divisória especificamente mencionada entre edifícios altos e edifícios baixos. No entanto, de acordo com métodos padrão em todo o mundo, edifícios com mais de 20 andares podem ser considerados edifícios altos.
Os edifícios altos devem ser projetados para suportar a gravidade e as cargas laterais causadas pela ação de ventoterremotos etc.
Portanto, um bom sistema de suporte de carga lateral é necessário para manter a estabilidade lateral do edifício. Com base na altura e outras disposições do edifício, é selecionado o sistema estrutural mais adequado.
Os requisitos são levados em consideração no planejamento de edifícios altos.
Deflexão lateral de um edifício alto
Em geral, a deflexão lateral de edifícios altos é limitada a (altura/500)Caso este limite seja ultrapassado, poderão existir restrições à utilização de instalações de serviço, como os elevadores.
Além disso, a deflexão excessiva pode resultar em fissuras de componentes não estruturais, como paredes de tijolos, revestimentos, cortinas de vidro, etc. Devido à perda de rigidez, as cargas podem ser distribuídas.
Além disso, a deflexão excessiva pode ser desconfortável para o ocupante.
Índice de desvio
Os ocupantes realmente sentiram a deflexão relativa entre os andares. O índice de deriva é o indicador que mostra se estamos ou não dentro dos limites.
Além disso, o índice de deriva é considerado um indicador da rigidez lateral da edificação.
O deslocamento lateral de um edifício é limitado a (1/500) normalmente.
O desvio pode ser calculado como desvio total ou como desvio entre andares.
Deriva total = A deflexão lateral máxima do edifício = Δ 1
Índice de deriva total = Δ 1 / altura do edifício
Deslocamento entre andares = diferença na deflexão lateral de duas lajes (ex. 21º andar e 22º andar) = Δ 2
Índice de deriva = Δ 2 / altura de andar a andar
Além disso, limitar as vibrações do solo e as acelerações dos edifícios é fundamental para manter o bem-estar humano. O edifício deve ser suficientemente rígido para limitar a sua aceleração máxima a um nível mínimo que os humanos possam sentir.
Formas estruturais para edifícios altos
Os edifícios altos estão se tornando cada vez mais populares com o desenvolvimento em todo o mundo, e também está na moda construir edifícios altos.
Devido à área limitada do terreno em áreas densamente povoadas, é mais prático construir um edifício alto para acomodar todos os serviços. Prédios altos são construídos como edifícios mistos, edifícios residenciais, edifícios de escritórios, etc.
Conforme explicado acima, há fatores importantes a serem considerados ao projetar edifícios altos. Além disso, dependendo do tipo de estrutura, o engenheiro civil deve selecionar sistemas estruturais adequados para prosseguir com o projeto.
Além disso, as formas estruturais discutidas abaixo podem ser referidas como sistemas de suporte de carga lateral.
Neste artigo discutimos 14 formas estruturais diferentes.
- Construções de estrutura reforçada
- Construções de estrutura rígida
- Construções de moldura preenchida
- Estruturas de parede de cisalhamento
- Estruturas de parede de cisalhamento acopladas
- Estruturas de moldura de parede
- Estruturas tubulares emolduradas
- Estruturas tubo-em-tubo ou núcleo do casco
- Estruturas de tubos agrupados
- Estruturas de tubos reforçadas
- Estruturas suportadas em cantilever
- Estruturas suspensas
- estruturas espaciais
- Estruturas híbridas
Construções de estrutura reforçada
As estruturas reforçadas são construídas principalmente em edifícios de aço. Os edifícios de aço são comparativamente fracos em estabilidade lateral em comparação com aqueles da mesma escala concreto Prédio.
Eles se deformam sob cargas laterais de vento, terremotos, etc. sem oferecer muita resistência porque carecem de rigidez lateral. Portanto, os pórticos são reforçados e a estrutura é convertida em uma estrutura reforçada para transferir essas cargas laterais para a fundação.
Elementos são fixados entre a estrutura que absorvem as cargas laterais na forma de tração axial ou força de compressão. Estes elementos são dimensionados após análise das cargas laterais.
Existem diferentes tipos de sistemas de contraventamento.
- Diagonais individuais
- Chaves cruzadas
- Chaves K
- Chaves em V
Diagonais individuais
Os suportes são fixados ao longo das diagonais do quadro. Quando estas estruturas são fixadas, elas são dispostas para absorver as forças de tração axiais. Os elementos podem absorver forças de tração mais altas do que forças de compressão. Portanto, as diagonais são fixadas em ambas as direções para absorver as forças transversais que atuam em ambas as direções.
Então podemos projetar as vigas para forças de tração. Além disso, a falha de compressão é mínima.
O contraventamento no lado da aplicação de carga absorve a carga lateral como uma força de tração.
Chaves cruzadas
É realizado contraventamento diagonal e cruzado. A figura a seguir mostra a disposição das travessas.
As travessas são fixadas à estrutura principal de várias maneiras. Em vez de um único suporte como na imagem acima, os suportes também podem ser fixados entre as molduras internas.
Chaves K
A figura a seguir mostra a estrutura de um suporte K.
Os colchetes são fixados na metade da coluna.
Chaves em V
Os suportes são fixados em forma de V.
O reforço adicional da estrutura do quadro reduz a deflexão lateral.
Estrutura de quadro rígido
A construção em moldura proporciona estabilidade ao edifício e é uma das formas de construção mais utilizadas. Neste sistema construtivo, vigas e pilares são conectados com ligações rígidas como ligações de momento.
- Estruturas de pórticos rígidos proporcionam mais espaço livre com estruturas de pórticos retangulares no nível do solo. Eles oferecem mais liberdade ao planejar plantas baixas
- O projeto e a construção de estruturas rígidas podem ter de 20 a 25 andares de altura. Além destes limites, seria mais difícil controlar o deslocamento lateral devido ao carregamento lateral, pois isto se torna crítico à medida que a altitude aumenta.
- No entanto, 20-25 lojas não podem ser construídas em edifícios de aço sem suportes laterais. Portanto, essas estruturas são mais adequadas para estruturas de concreto onde os pilares e vigas de concreto apresentam rigidez suficiente.
- A grelha de colunas pode ser ampliada em aprox. 6-9 m.
- A estabilidade lateral é garantida por pilares, vigas e ligações viga-pilar
- Além disso, as dimensões dos pilares e vigas são muito influenciadas pelas cargas laterais além das cargas gravitacionais.
- À medida que a altura do edifício aumenta, o tamanho dos elementos e o espaçamento das colunas podem ser ajustados para atingir a rigidez necessária.
- Aumentar a altura do edifício aumenta a carga subsequente, que atua como uma força de cisalhamento nos apoios. O dimensionamento do pilar deve basear-se nestas forças que atuam sobre ele.
- Além disso, os momentos fletores devido a cargas laterais aumentarão em níveis mais baixos. Portanto, é necessário um apoio mais profundo nos níveis mais baixos. Além disso, não é possível obter a mesma altura de viga em todos os pisos.
Construções de moldura preenchida
Paredes de enchimento de alvenaria podem ser utilizadas para melhorar a capacidade de carga lateral de um edifício. Esses tipos de estruturas são formados por alvenaria dentro da moldura de concreto.
Além disso, a continuação vertical das paredes de enchimento é importante para garantir a estabilidade lateral. Não é absolutamente necessário que todas as paredes sejam preenchidas com alvenaria. No entanto, pelo menos um prato poderia ser preenchido.
Geralmente, estas paredes não são tidas em conta nos ensaios de cargas sísmicas na estabilidade lateral de edifícios de média dimensão.
A qualidade dos tijolos utilizados nestas paredes é muito importante para construir estruturas boas e sólidas. As fissuras na parede podem ser vistas como uma perda de rigidez da parede. Grandes fissuras na parede não permitem considerar a estabilidade lateral desta parede.
Um dos problemas mais críticos é que eles tendem a se afrouxar com o tempo. Se os planos mudarem ou o cliente mudar, serão necessárias outras providências internas e externas. Portanto as paredes de enchimento são removidas. Se estes forem mantidos pelas paredes de enchimento, a estabilidade lateral da estrutura ficará significativamente comprometida.
Portanto, levar em conta a estabilidade lateral através da estrutura poderia ser mais sensato e seguro para tais formas estruturais.
Estruturas de parede de cisalhamento
Paredes de cisalhamento são paredes de concreto fixadas verticalmente à base e possuem a rigidez necessária para transferir as cargas verticais e horizontais que sobre elas atuam.
Com base na altura e na área útil do edifício, deve ser construído um número suficiente de paredes de corte com uma área de secção transversal adequada para proporcionar a rigidez necessária para acomodar as cargas laterais.
As paredes de cisalhamento são fabricadas como paredes de elevadores, paredes centrais de escadas, paredes divisórias, etc. e podem ser continuadas do chão ao telhado.
Como as paredes de concreto são mais rígidas do que a estrutura rígida de vigas e pilares de concreto, podem ser construídas estruturas de paredes de cisalhamento de até 34 andares.
No contexto de estruturas construídas a partir de paredes resistentes, o seguinte pode ser importante.
- A utilização de paredes de cisalhamento na construção é mais adequada para edifícios com pisos repetidos. Conforme explicado acima, precisamos continuar as paredes de cisalhamento verticalmente. Portanto, a repetição oferece muitas vantagens para o projeto estrutural, bem como para os custos de construção.
- Edifícios com até 35 ramais podem ser dimensionados para cargas laterais considerando apenas as paredes de cisalhamento. A interação entre a parede de cisalhamento e a estrutura do pórtico pode ser considerada mínima. Neste método, projetamos paredes de cisalhamento para que possam acomodar todas as cargas laterais sem transferi-las para a estrutura.
- Além disso, os apoios podem contabilizar as cargas verticais da estrutura e o momento fletor das vigas com base nos diferentes casos de carga e alternativas. Cargas.
- Ao planejar as plantas baixas, as paredes de cisalhamento devem ser colocadas de forma que fiquem expostas a cargas verticais suficientes. As cargas laterais nas paredes resultam em tensões de tração se não forem equilibradas pelas tensões de compressão criadas pelas cargas verticais. Além disso, se a parede estiver sob pressão, podemos conseguir um projeto econômico.
- Em edifícios altos, a espessura e o comprimento das paredes são por vezes reduzidos, as paredes são demolidas, etc. Estas medidas têm um impacto significativo no comportamento estrutural. Mudanças deste tipo devem ser feitas com muito cuidado e com análise criteriosa da estrutura.
- Se as paredes de cisalhamento não estiverem dispostas simetricamente em qualquer direção, a estrutura irá torcer sob carga lateral. Estas ações devem ser levadas em consideração no projeto e um software de análise computacional deve ser utilizado para modelar a estrutura para determinar o comportamento.
Estruturas de parede de cisalhamento acopladas
Na maioria dos edifícios altos, as paredes de cisalhamento são construídas ao redor das paredes do elevador. Geralmente eles são orientados em ambas as direções. Existem também lobbies entre os núcleos dos elevadores.
Esses núcleos de elevação podem ser conectados por vigas de concreto que permitem a interação entre as paredes dos dois núcleos. Quando duas paredes de cisalhamento são conectadas por uma estrutura resistente ao momento, elas são chamadas de paredes de cisalhamento acopladas. Esta ligação aumenta a capacidade de carga lateral da estrutura como se as paredes atuassem individualmente.
A imagem acima mostra a disposição da parede de cisalhamento acoplada e sua aparência quando modelada. Conforme explicado acima, utilizamos o acoplamento das paredes de cisalhamento para melhorar suas capacidades no transporte de cargas posteriormente. A figura abaixo mostra claramente a área de melhoria que pode ser alcançada acoplando paredes de cisalhamento.
Estruturas de moldura de parede
As estruturas que levam em consideração a interação entre paredes e caixilhos são consideradas estruturas de caixilho de parede. Se o número de andares for superior a 15-20 andares, a interação entre as paredes e a moldura pode ser levada em consideração.
Além disso, com tais formas estruturais, a estabilidade lateral do edifício é significativamente melhorada, tendo em conta a interacção parede-estrutura.
A parede de cisalhamento atua como uma viga cantilever e uma estrutura ao mesmo tempo e mostra a deformação de cisalhamento quando as cargas laterais são aplicadas. A combinação destas duas ações reduz a deflexão lateral do edifício.
Conforme mostrado na figura acima, a parte inferior das estruturas apresenta o comportamento à flexão e a parte superior apresenta o comportamento ao cisalhamento.
As seguintes vantagens podem ser destacadas como úteis ao usar estruturas de moldura de parede.
- A deformação/desvio lateral é muito menor do que quando vista ao longo da parede de cisalhamento.
- Redução significativa do momento de armazenamento das paredes/núcleos da cave.
- Os suportes podem ser concebidos como suportes.
A análise computacional poderia ser usada para determinar o comportamento exato dos elementos estruturais e suas forças.
Estruturas tubulares emolduradas
A capacidade de carga lateral das paredes internas de concreto é limitada pelo aumento da altura do edifício em relação à área construída.
O comprimento das paredes de cisalhamento na direção em que as cargas laterais atuam é a medida da rigidez lateral nessa direção. No entanto, existem limitações. Não podemos continuar as paredes de cisalhamento em todo o piso.
Nesses cenários, seria útil considerar a eficácia dos tubos emoldurados em comparação com outras formas de estrutura.
Nossa estrutura pode ser usada para suportar cargas laterais. Para isso, deve-se aumentar a profundidade das vigas e a altura dos apoios.
Porém, existem limitações para aumentar o tamanho dos elementos da fachada, pois precisamos reduzir o tamanho das janelas. Se conseguirmos criar uma moldura ao redor do edifício como na figura acima, é possível suportar cargas maiores, pois funciona como uma estrutura tubular.
Colunas espaçadas de 2 a 4 m entre si com vigas profundas ao longo do perímetro formam uma estrutura tubular.
Tanto estruturas de concreto quanto de aço podem ser construídas como estruturas tubulares. Além disso, edifícios de 40 a 60 andares podem ser projetados e construídos usando este método.
Embora a forma retangular seja mais eficiente, outras formas, como circular e octogonal, também poderiam ser construídas.
Estruturas tubo-em-tubo ou casco-núcleo
Esses tipos de formatos estruturais apresentam boa resistência às cargas laterais.
As paredes centrais, que poderiam ser construídas para construir elevadores e escadas, poderiam ser consideradas como tubos interiores.
Este sistema representa um avanço em relação à estrutura tubular que discutimos anteriormente.
Neste sistema estrutural, as paredes centrais cooperam com o tubo perimetral para melhorar a capacidade de carga lateral.
Estruturas de tubos agrupados
Esta forma de construção é utilizada nos edifícios mais altos.
Este sistema é uma combinação de vários tubos.
Este sistema estrutural é utilizado no edifício mais alto, o que exige reforços maiores nos andares inferiores. Além disso, este sistema apresenta uma resistência muito elevada às cargas laterais.
Estruturas de tubos reforçadas
Tais projetos podem ser construídos como estruturas de aço ou concreto.
A estrutura de suporte fixada ao tubo oferece uma resistência muito elevada às cargas laterais. Além disso, a fixação de suportes deste tipo não afeta a disposição interna do piso.
No entanto, isto pode ter um impacto na disposição da fachada e das janelas.
As escoras ligadas a todos os suportes garantem uma distribuição mais uniforme das forças laterais. Além disso, ao conectar as escoras aos apoios verticais, as cargas axiais nos apoios são distribuídas entre si.
Os pilares com maior carga axial transferem a carga para os pilares com menor carga Cargas.
Estruturas suportadas em cantilever
A eficiência estrutural de edifícios altos depende fortemente da rigidez lateral e da resistência. Dos sistemas estruturais disponíveis, os sistemas cantilever são os mais utilizados, principalmente em edifícios com pisos repetidos.
Uma viga ou parede profunda com altura de um andar a outro ou uma viga de aço erguida entre dois andares pode ser considerada um cantilever. Ele conecta o núcleo e o escopo.
A finalidade da lança é conectar as estruturas internas e o sistema estrutural perimetral para suportar as cargas laterais. Os seguintes fatores podem afetar o desempenho do sistema de lança como uma das formas estruturais úteis.
- Os locais são construídos em toda a altura do edifício. Com um planejamento adequado, a melhor posição para a lança pode ser selecionada usando o método de tentativa e erro. Locais que minimizam as deflexões laterais podem ser selecionados pelo modelo de análise computacional.
- Número de níveis de lança disponíveis
- Sua posição no plano
- Presença de vigas de cinta para integrar as colunas de borda adjacentes, em oposição àquelas que ficam juntas com mega colunas
- Profundidade do feixe da lança
A figura abaixo mostra as reduções que poderiam ser alcançadas com a instalação de um sistema cantilever em um edifício alto. A ligação das paredes de cisalhamento do núcleo aumenta o momento fletor do núcleo.
Em vez de conectar o perímetro ao núcleo, o que traz muitos problemas com as funções da construção, podem ser construídas amarrações de cintas no perímetro. Isso permite que os usuários usem o piso de forma eficiente. Geralmente pisos cantilever são usados como pisos de serviço.
Fornecer um número maior de barreiras reduz a eficiência de barreiras adicionais. Em geral, pode haver no máximo cerca de 5 cantilevers em um edifício. Além disso, duas lanças são mais eficientes do que uma.
Estruturas suspensas
O elemento chave deste tipo de estruturas é o núcleo. O núcleo pode consistir em paredes de concreto ou elementos de treliça.
Todos os pisos que se projetam do núcleo estão pendurados nas vigas que começam no nível do telhado. Haverá espaço suficiente no piso térreo.
Além disso, estruturas como pontes suspensas, etc. também podem ser consideradas estruturas suspensas.
estruturas espaciais
A estrutura espacial tridimensional suporta as cargas verticais e horizontais que atuam na estrutura.
O sistema de suporte de carga primário é o sistema de estrutura espacial tridimensional.
Devido à complexidade da estrutura, a análise estrutural e o dimensionamento destas estruturas são comparativamente difíceis.
Para compreender o comportamento estrutural, como caminhos de carga, etc., um modelo de análise computacional poderia ser usado.
Estruturas híbridas
Estruturas híbridas são estruturas compostas por múltiplas combinações dos sistemas estruturais discutidos acima.
Estruturas híbridas tornam-se projetos mais complicados devido às diferentes combinações.
Além disso, a combinação destas estruturas permite a criação de sistemas estruturais muito especiais, que também permitem uma modelação ainda mais cuidada.
A análise e o projeto estrutural são mais complicados devido à integração de diferentes sistemas em uma estrutura. Além disso, estas combinações precisam ser selecionadas e decididas com base na aplicabilidade do tipo de estrutura.
Devido à complexidade do sistema estrutural, é necessário um estudo detalhado na análise e dimensionamento destas estruturas. Além disso, uma análise assistida por computador deve ser realizada utilizando software apropriado para determinar o comportamento global da estrutura.
