Como fazer o dimensionamento de pilares parede?

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Um bom projeto de estruturas com pilares paredes começa pela distribuição adequada dos mesmos. Estes elementos são geralmente contínuos na altura e rigidamente fixados na base, trabalham como estruturas em balanço levando as cargas verticais e horizontais até a fundação. Por isso, o dimensionamento de pilares parede exige atenção.
Para conseguir máxima rigidez à torção, é recomendável distribuir os pilares paredes afastados do centro da planta, localizando eles nas fachadas se possível, ou utilizar núcleos de rigidez com seções abertas parcialmente ou fechadas. É importante dispor elementos de rigidez nas duas direções principais do edifício. Uma das estratégias adotadas é fazer uma distribuição de forma que suportem uma carga vertical que anule ou minimize as trações causadas pela carga horizontal, assim a quantidade de reforço necessário será mínima.

Modos de falha

O dimensionamento dos pilares paredes visa evitar a falhas por flexão, cortante e por perda de estabilidade geral ou flambagem do elemento. No caso da flexão pode-se apresentar problemas por:

  • Rompimento por tração do aço
  • Compressão ou ruptura do concreto na zona de compressão
  • Flambagem lateral da zona de compressão

Na falha por cortante, é frequente apresentar problemas por:

  • Tração diagonal na alma
  • Deslizamento
  • Compressão ou ruptura do concreto da alma

Pilares paredes planos

A rigidez no sentido perpendicular aos pilares paredes planos é muito baixa e por isso é geralmente desprezada. O elemento trabalha em flexo-compressão com o momento atuando no plano da parede.
A armadura longitudinal pode ficar concentrada nos extremos, conforme figura 1, ou ser distribuída em toda a altura da seção transversal, conforme figura 2. Nestes elementos as cargas de compressão são elevadas e a pequena rigidez no sentido perpendicular à parede podem causar flambagem ou perda da estabilidade, portanto deve adotar-se uma espessura que evite este fenômeno ou dispor elementos de rigidez no sentido perpendicular (fig. 3).

dimensionamento de pilares parede - Pilares paredes planos.
Fig 1. Distribuição da armadura nos extremos e alma e modelo de cálculo de pilar parede retangular.

 
 dimensionamento de pilares parede - Pilares paredes planos.
Fig.2. Distribuição uniforme da armadura na seção da parede.

Pilares paredes com elementos de rigidez nos extremos

Em algumas situações, as paredes ficam ligadas a pilares ou outras paredes de pouco comprimento (vide fig.3), que incrementam a rigidez no plano perpendicular à parede, aumentando a resistência contra a perda de estabilidade ou flambagem.
O dimensionamento deve ser feito a flexo-compressão considerando os momentos nos dois planos principais do pilar parede. A armadura longitudinal principal pode ficar concentrada naquelas seções extremas ou distribuída em toda a seção. A fundação deve ser projetada para suportar os esforços dos elementos extremos e da alma. Se existirem aberturas, é necessário certificar que os esforços ao redor das mesmas não sejam superiores às dos materiais do pilar parede.

dimensionamento de pilares parede Pilares paredes acoplados
Fig.3 Muros com restrição lateral sujeitos à flexo-compressão no seu plano.

Pilares paredes acoplados

Para aumentar a rigidez lateral, podem-se acoplar dois ou mais pilares paredes ou combinar estes com pórticos mediante o uso de vigas de grande altura, conforme ilustrado na figura 5. Estas ações restringem as rotações das paredes e conseguem um trabalho conjunto dos pilares paredes acoplados. As forças cortantes nestas vigas são elevadas e requerem um cuidadoso dimensionamento e detalhamento. Se as vigas forem muito flexíveis, o acoplamento será quase nulo e não se conseguirá as vantagens do trabalho conjunto.
A interação pilar parede – pórtico é bastante complexa. No pórtico o deslocamento relativo entre os pavimentos é proporcional à força lateral total aplicada na parte superior de cada pavimento, assim, este deslocamento relativo resulta maior nos pisos inferiores.
No caso do pilar parede nos pisos inferiores, a elevada rigidez restringe a deformação do pórtico. Nos pisos superiores, o pilar parede apresenta deslocamentos de flexões bastante elevados, maiores que apresentaria o pórtico, se tivesse que suportar sozinho toda a carga lateral.
Em lugar de colaborar com o pórtico para resistir a carga lateral,o pilar parede incrementa as forças que este deve resistir, portanto, no projeto recomenda-se adotar no pilar parede uma rigidez que evite ao máximo este efeito.

dimensionamento de pilares parede - Pilares paredes planos.
Fig. 4. Interação pórtico – pilar parede ante cargas laterais.

 
dimensionamento de pilares parede - Pilares paredes acoplados
Fig. 5. Armadura de reforço de viga de acoplamento.

As flexões induzidas no pavimento pela flexão dos pilares paredes, devem ser avaliadas com atenção, particularmente em pavimentos sem vigas ou com escassa rigidez à flexão. Os pilares paredes têm elevadas seções de momento de inércia no seu plano e como existe compatibilidade de deslocamentos, as seções transversais forçarão os pavimentos a deslocar-se do mesmo modo que elas (fig. 6), provocando momentos fletores e forças cortantes elevadas.
dimensionamento de pilares parede - Pilares acoplados
Fig. 6. Compatibilidade de deslocamentos entre laje do pavimento e pilares parede.

Núcleos de rigidez

Os núcleos de rigidez são uma associação de pilares paredes formando seções com aberturas que podem ser parcialmente fechadas mediante vigas ou as lajes do pavimento. Estas seções têm elevadas rigidez lateral e à torção, resultando ótimas para suportar quase a totalidade da carga lateral.
O núcleo trabalha em torção restringida, o que ocasiona um efeito de empenamento (warping) que, em estruturas com torção elevada, pode dar tensões da mesma ordem que as de flexão. O fechamento parcial da seção do núcleo aumenta notavelmente a rigidez e a torção, e diminui o empenamento reduzindo as tensões causadas por este. O cálculo deste efeito deve ser tratado seguindo a teoria da torção restringida em seções de paredes delgadas.

dimensionamento de pilares parede - Núcleos de rigidez
Fig. 7. Efeito de empenamento e tensões causadas
pela torção restringida em núcleos rígidos abertos.

Fluência, retração, sequência de construção e efeitos de temperatura

Estes são aspectos aos quais muitas vezes não se dá atenção adequada. Em edifícios altos é frequente a existência de elementos adjacentes com quantidades de armadura diferentes, causadas pela distribuição não uniforme das cargas verticais e laterais. Como consequência disso, existirá encurtamento diferente em elementos adjacentes, causando forças interiores na estrutura.
Em pilares próximos a núcleos de rigidez, o encurtamento diferencial pode ser de magnitude notável, uma vez que o núcleo sofrerá deformações de fluência e retração muito maiores que o pilar, por ter cargas de compressão, seção transversal e uma quantidade maior de armaduras. Os efeitos destes movimentos diferenciais são acumulativos, e portanto, crescem com a altura do edifício, sendo maiores nos pisos superiores.
A distribuição de núcleos de rigidez que restringem os deslocamentos nas lajes do pavimento entre eles, pode criar concentrações de tensões elevadas nas proximidades destes, quando atuam em cargas de retração e variação de temperatura.
Os esforços internos causados por variações de temperatura devem ser avaliados com cuidado. Em edifícios altos, a dilatação dos elementos da fachada exposta à radiação solar pode diferir notavelmente do resto da estrutura. Além disto, deve somar-se o possível uso de ar-condicionado no interior do edifício, que pode acrescentar a diferença de temperatura entre o exterior e interior, gerando efeitos adicionais na estrutura.
A sequência de construção é outro elemento importante. A consideração das cargas de construção durante as etapas construtivas e as mudanças de seções ocasionadas pelo processo de execução, podem alterar significativamente os esforços internos.

Rigidez, deslocamentos laterais limites

O ponto mais importante no projeto de um edifício não é que este seja resistente. As estruturas são construídas para cumprir uma função e esse é o objetivo fundamental, a resistência é só um dos itens que o engenheiro deve garantir para que a estrutura possa desempenhar sua determinada função.
O dimensionamento do sistema resistente a carga lateral, sejam pórticos, pilares paredes, ou núcleos de rigidez, deve ser feito para garantir segurança e conforto. Os deslocamentos laterais podem fazer que o efeito p-delta seja de magnitude importante.
Estes deslocamentos, totais no topo ou relativos entre pavimentos, devem ficar dentro dos valores admissíveis estabelecidos nas normas, além disso, estruturas muito flexíveis podem ter vibrações ou deslocamentos laterais excessivos, criando fissuras em alguns casos ou sensação de insegurança e desconforto nas pessoas.
Apresentei neste artigo algumas forma de realizar dimensionamento de pilares parede. Deixe nos comentários sua opinião sobre o assunto. Na próxima semana falaremos sobre os motivos de usar um software especializado para o dimensionamento de pilares paredes. Até lá.

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