Análise estrutural de edifícios um estudo detalhado

2024年6月4日 Roberto Magalhães

Após a determinação final da carga na estrutura, é realizada uma análise estrutural para determinar as forças como momentos fletores, forças cortantes, momentos de torção, etc. Idealizar a estrutura real é a parte mais difícil da análise estrutural.

Vamos discutir os elementos estruturais.

Elementos de pórtico: Vigas e pilares são modelados principalmente com elementos de pórtico.
Elementos de casca: Elementos mais finos, como lajes, paredes de cisalhamento, etc., são modelados usando elementos de casca. Além disso, este elemento leva em consideração ações fora do plano.
Elementos de placa: Os elementos de placa são usados para modelar elementos mais grossos, como topos de estacas.
Membranas: Quando precisamos de ação de membrana, utilizamos esses tipos de elementos. Quando não há ações fora do plano ou quando necessitamos da ação de membrana, este elemento é útil.

Técnicas de modelagem de fundação utilizadas em análise estrutural

Para algumas estruturas é muito importante ter em conta a interação entre a fundação e a superestrutura. No entanto, não é absolutamente necessário ter sempre em conta este efeito.

Especialmente para edifícios altos e diferentes condições do terreno, é aconselhável ter em conta o impacto da fundação na superestrutura.

Além disso, no contexto da modelagem básica, pode-se destacar o seguinte.

Se a fundação não for modelada juntamente com a superestrutura, os apoios de pinos serão considerados ao nível da fundação. Isto cria um momento fletor zero ao nível da fundação e apenas as cargas axiais são transferidas para a fundação. Além disso, considerar o apoio do pino ao nível da fundação aumenta a rigidez no nível superior ou pode ser expresso como considerando uma rigidez inferior perto do nível da fundação.

Durante a construção real, os momentos são transferidos da superestrutura para a fundação. No entanto, isso não é significativo.
Podemos considerar a fixação e modelar a superestrutura considerando as condições de apoio fixo. Nessas situações, as fundações devem ser dimensionadas para o momento fletor causado pela superestrutura.
Se as cargas laterais actuarem sobre os edifícios, estes efeitos devem ser tidos em conta durante a análise e o projecto. Os edifícios altos, em particular, estão sujeitos a cargas laterais significativas que o sistema de fundação deve suportar. Nestes casos, os momentos fletores e as forças cortantes devem ser levados em consideração no dimensionamento. Especialmente se as fundações forem modeladas separadamente, cargas laterais da superestrutura deve ser adicionado ao modelo de fundação. A figura a seguir mostra essa consideração de cargas laterais em uma fundação por estaca.

Para neutralizar estes efeitos, as caves são construídas em edifícios altos. Além disso, eles podem ser usados para instalações como estacionamento de veículos e requisitos de serviço. O número de caves depende das cargas laterais que atuam no edifício.
Além disso, o solo compactado ao redor do porão cria pressão passiva à medida que o edifício tenta se mover em direção ao solo. Portanto, o efeito das paredes do subsolo poderia ser levado em consideração na análise estrutural.
Na maioria das vezes, elementos de mola são usados para modelar o solo sob a fundação. A estaca é sustentada por molas e molas são colocadas sob as sapatas para representar o comportamento do solo. Outros métodos, como a modelagem de elementos finitos do solo, também poderiam ser usados.

A figura acima mostra um dos métodos para considerar o comportamento das fundações na análise estrutural.

Curto-circuito de estruturas

Uma estrutura está sujeita a encurtamento sob carga e devido aos parâmetros dependentes do tempo dos materiais de construção.

Encurtamento elástico
Encurtamento devido à fluência do concreto
Encurtamento devido ao encolhimento

Esses efeitos devem ser levados em consideração durante a análise e projeto estrutural. Além disso, no dimensionamento dos elementos, deve-se tomar cuidado para que o encurtamento ocorra de maneira uniforme nos demais pavimentos. Isto reduz as tensões adicionais colocadas nos outros elementos.

O planejamento do layout é realizado para manter a tensão vertical dos elementos carregados axialmente no mesmo nível. No entanto, nem sempre é possível colocá-los no mesmo nível. A imagem a seguir da Internet mostra o encurtamento dos edifícios.

Deve-se prestar muita atenção a isso durante os cálculos estáticos e a construção, a fim de reduzir as cargas adicionais nos elementos estruturais após a construção.

A figura a seguir mostra o método de cálculo do momento fletor adicional devido ao movimento relativo. Se houver um deslocamento relativo entre dois elementos, ocorre um momento fletor adicional.

Em geral, as paredes de cisalhamento estão sujeitas a menos tensões axiais em comparação com os pilares porque as paredes de cisalhamento têm uma seção transversal maior. Isto leva a diferentes encurtamentos entre pilares e paredes resistentes. Então ocorrem momentos fletores adicionais.

Conectamos as vigas entre apoios e paredes de cisalhamento. Quando ocorre encurtamento diferencial, causa tensão adicional. As paredes de cisalhamento são comparativamente mais finas que os apoios. O momento fletor adicional pode causar fissuras nas paredes de cisalhamento se a sua rigidez for insuficiente. Portanto, deve-se ter cuidado ao planejar edifícios altos e seus sistemas estruturais devem ser ajustados adequadamente.

Análise da fase de construção

Ter em conta os aspectos técnicos da fase de construção é muito importante na análise e planeamento de edifícios altos. Se considerarmos toda a estrutura com um único modelo, significa que toda a estrutura é construída de uma só vez.

Porém, na realidade isso não acontece.

Se analisarmos a estrutura como uma construção monofásica, a distribuição real das tensões nas diferentes fases da construção não é levada em consideração.

Por exemplo, o assentamento geral dos elementos é levado em consideração para criar tensão. Lembre-se que as vigas conectadas à parede resistente e ao pilar terão deslocamento relativo devido ao encurtamento. Num dimensionamento de estágio único, o encurtamento total afeta os elementos e as tensões adicionais são exibidas de acordo com a rigidez.

Se tivermos feito a análise da fase de construção, o efeito será reduzido. O efeito do curto-circuito elástico é apenas o curto-circuito causado pela carga axial da coluna vinda de cima. Da mesma forma, outros efeitos também são significativamente reduzidos.

Efeito torcional em estruturas

Os edifícios estão sujeitos à torção quando o centro de rigidez e o centro geométrico não coincidem. Ao projetar edifícios altos, geralmente tenta-se evitar efeitos de torção e preservar os modos de translação como os dois primeiros modos.

Quando o modo de torção domina, a análise estrutural torna-se mais complicada e o projeto torna-se mais difícil. Além disso, o impacto na estrutura é mais crítico quando são aplicadas cargas cíclicas ao edifício.

Quando projetamos um edifício alto, é aconselhável planejar a disposição das paredes e pilares de cisalhamento de modo que o efeito de torção no edifício seja minimizado.

Formas modais na análise estrutural

A forma modal da estrutura é muito importante, e o período de cada modo modal é ainda mais importante. É uma indicação do comportamento estrutural quando a estrutura está sujeita a tensões.

Como regra geral, o tempo de construção de um edifício pode ser calculado como 0,1 s por andar. Por exemplo, se o edifício tiver 20 andares, o tempo de construção poderá ser de 0,1 x 20 = 2 s.

Os valores de cada modo devem ser verificados, e atenção especial deve ser dada a isso em edifícios altos. O período afeta diretamente o conforto do edifício alto.

Deriva e deflexões laterais

Índice de deriva ou deriva e deflexão lateral dos edifícios refere-se ao movimento lateral do edifício.

O movimento relativo do solo é discutido usando o índice de deriva.

Limite de deflexão lateral = h/500

Deriva = 1/500

Onde “h” é a altura do edifício.

A deriva e a deflexão lateral fornecem limites para evitar que as estruturas fissuem devido a deflexões excessivas.

Além disso, estes valores refletem o nível de conforto do edifício. Quando a distância lateral é maior, o período da edificação é maior. Isto pode levar a uma maior aceleração do edifício, que pode exceder o nível de conforto permitido.

O aumento da deriva deve-se à rigidez lateral insuficiente dos sistemas de suporte de carga lateral. Para mais informações sobre as diferentes formas estruturais a utilizar nos edifícios, consulte o artigo 14 Tipos de Formas estruturais para edifícios altos.

Os sistemas que suportam cargas laterais devem ser reforçados para reduzir a deflexão lateral. O artigo Sistemas para absorção de cargas laterais Para mais informações você pode entrar em contato conosco.

Análise linear e análise não linear

Geralmente, analisamos estruturas usando análise linear. Isso é feito para cargas normais. Contudo, para cargas excepcionais, consideramos a análise não linear.

Levamos em consideração efeitos extraordinários, como cargas sísmicas, na parte não linear.

Se a estrutura permitir um comportamento na faixa linear mesmo sob cargas extraordinárias, como terremotos, será necessário aumentar a rigidez estrutural. Isso causa custos adicionais para o cliente.

Além disso, quando tentamos manter a estrutura na região linear durante carregamentos excepcionais (carregamento sísmico), os projetistas devem prestar atenção ao resultado da análise. Numa análise não linear, inclui-se a ruína das estruturas. Contudo, uma análise linear reporta forças para as cargas aplicadas sem fornecer qualquer evidência de falha. Portanto, atenção especial deve ser dada a isso.