concreto estrutural: análise e dimensionamento de elementos com descontinuidades

442 Pages·2004·7.96 MB·Portuguese

RAFAEL ALVES DE SOUZA
CONCRETO ESTRUTURAL: ANÁLISE E
DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTOS COM
DESCONTINUIDADES
Tese apresentada à Escola Politécnica
da Universidade de São Paulo para
obtenção do Título de Doutor em
Engenharia.
São Paulo
2004
RAFAEL ALVES DE SOUZA
CONCRETO ESTRUTURAL: ANÁLISE E
DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTOS COM
DESCONTINUIDADES
Tese apresentada à Escola Politécnica
da Universidade de São Paulo para
obtenção do Título de Doutor em
Engenharia.
Área de Concentração:
Engenharia de Estruturas.
Orientador:
Prof. Dr. Túlio Nogueira Bittencourt
São Paulo
2004
Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob
responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.
São Paulo, de novembro de 2004.
Assinatura do autor ____________________________
Assinatura do orientador _______________________
FICHA CATALOGRÁFICA
Souza, Rafael Alves de
Concreto estrutural : análise e dimensionamento de ele-
mentos com descontinuidades / Rafael Alves de Souza. --
ed. rev. -- São Paulo, 2004.
379 p.
Tese (Doutorado) - Escola Politécnica da Universidade de
São Paulo. Departamento de Engenharia de Estruturas e
Fundações.
1. Método das bielas I. Universidade de São Paulo. Escola
Politécnica. Departamento de Engenharia de Estruturas e
Fundações II. t.
Minha vida é um barco,
E eu sou o capitão.
Na escolha dos meus caminhos,
Sempre há uma boa razão.
Vou até onde der,
Se não der vou até onde estou.
Sem caminho de volta,
Sigo em frente, em frente eu vou.
Nas marés da vida, nas águas sem direção.
Horizonte infinito como um raio de sol
Que se põe como uma flor.
(Rafael Souza)
AGRADECIMENTOS
Ao estimado amigo e orientador Prof. Dr. Túlio Nogueira Bittencourt. Minha eterna
gratidão pela sua orientação, pelo seu companheirismo, pelo seu constante incentivo
e pelas excelentes oportunidades que me proporcionou dentro e fora da Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo;
Ao estimado Prof. Dr. Joaquim Azevedo Figueiras. Meus agradecimentos pela sua
imensurável acolhida e co-orientação na Universidade do Porto, bem como, pela sua
enorme disposição em me passar seu profundo conhecimento a respeito dos modelos
de escoras e tirantes e da análise não-linear;
A CAPES, por me contemplar com bolsa de doutoramento no início da jornada;
Aos colegas da Universidade Estadual de Maringá, instituição da qual fui aluno e na
qual atualmente sou professor. Em especial aos professores Fábio Armando Botelho
Cordovil, Sergio Henrique Demarchi, Romel Dias Vanderlei, João Adriano
Rossignolo, Antonio Carlos Peralta e Nara Villanova Menon;
A todos meus amigos da Escola Politécnica, que sempre estiveram de uma forma ou
de outra motivando o desenvolvimento desse trabalho. Em especial, gostaria de
destacar a imensurável ajuda dos companheiros Leandro Mouta Trautwein, André
Luís Gamino e Carlos Henrique Moura da Cunha, sem os quais os caminhos para a
finalização desse trabalho teriam sido muito mais árduos;
A todos os meus professores na Escola Politécnica, em especial ao Prof. Dr.
Henrique Lindemberg Netto e ao Prof. Dr. João Carlos Della Bella. Lhes agradeço
pela constante disposição na troca de idéias, pela possibilidade da amizade e pela
maneira com que inspiram os jovens professores da engenharia;
A todos os funcionários do Departamento de Engenharia de Estruturas e Fundações
da Escola Politécnica. Em especial, gostaria de manifestar o meu sincero
agradecimento à Marly Cecília Negri Coimbra, pela amizade, simpatia, dedicação e
entusiasmo com seu trabalho na pós-graduação;
Ao Prof. Dr. Jorge Bounassar Filho, colega da Universidade Estadual de Londrina,
que gentilmente me presenteou com um exemplar de sua tese de doutoramento,
trabalho este que em vários momentos serviu de referência em minhas investigações;
À familia Arena e em especial à Luciana, pela companhia e pela força constante e
imensurável ao longo dessa jornada;
Aos amigos Leandro Vanalli, Raimundo Sérgio Soarez, Luiz Carlos Bulla,
Alexandre Barbeta de Souza, Cristiano Franco e Maycol Alencar;
À Enga Laila Valduga, por me conduzir do “Leste da minha juventude para o Oeste
do meu futuro” em busca do concreto;
A toda a minha família e, em especial aos meus pais Nilson e Ângela, a quem dedico
esse trabalho, pelo constante estímulo acadêmico e pela dedicação exemplar ao longo
de minha vida. Também não posso deixar de destacar os meus irmãos Nilson e
Vinícius, pelo incentivo e pela amizade, sólida como deve ser;
A todos aqueles pesquisadores que descobri e que aprendi a admirar ao longo dessa
estrada, aos grandes escritores e compositores mundiais, e em especial à música e à
poesia que sempre serviram de combustível para o dia-a-dia;
Finalmente, ao meu bom DEUS, sempre presente iluminando e me guiando para os
melhores caminhos.
RESUMO
A maioria dos elementos utilizados na engenharia estrutural podem ser
dimensionados de maneira simplificada, adotando-se a clássica Hipótese de
Bernoulli, em que a seção permanece plana após a deformação. No entanto, existem
várias situações para as quais esta hipótese simplificadora não pode ser aplicada,
impossibilitando assim a utilização dos processos correntes de dimensionamento.
Nestes casos, aqui denominados de especiais, deve-se recorrer a soluções
alternativas de dimensionamento, tais como o Método dos Elementos Finitos, o
Método das Bielas e mais recentemente o Método Corda-Painel. Vários códigos
normativos têm recomendado a utilização desses métodos, no entanto, as
informações disponibilizadas ainda são vagas e incompletas, tendo em vista o avanço
do assunto apenas nas últimas décadas. O objetivo deste trabalho concentra-se na
investigação da aplicabilidade dos métodos supracitados, de maneira a estabelecer
recomendações práticas no desenvolvimento racional de projetos estruturais
complexos com qualquer natureza geométrica. Para tanto, utiliza-se o programa
CAST no desenvolvimento dos Modelos de Escoras e Tirantes, o programa
SPANCAD no desenvolvimento dos Modelos Corda-Painel e os recursos de análise
linear e não-linear disponíveis nos programas ADINA e DIANA, para análises
utilizando o Método dos Elementos Finitos. Dentro do âmbito das estruturas
especiais, procurou-se enfatizar os casos das vigas-parede e dos blocos de fundação
sobre estacas, tendo em vista a grande utilização e importância desses elementos nos
projetos correntes. O presente trabalho contribui no atenuamento da utilização de
soluções aproximadas baseadas em empirismos, fornecendo critérios lógicos para o
cálculo seguro das denominadas “Regiões D”.
ABSTRACT
Most of the elements used in the structural engineering can be designed in a
simplified way, adopting the classic Bernoulli’s Hypothesis. However, there are
several situations for which this hypothesis can not be applied, thus, making the use
of the current dimensioning processes impossible. In these special cases, alternative
solutions for design should be applied, such as the Finite Element Method, the Strut-
And-Tie Model, and more recently the Stringer-Panel Method. Several normative
codes recommend the use of such methods, however, the available information is
still vague and incomplete, taking into account the progress of the subject only in the
last decades. The aim of this study is to investigate the applicability of the above-
mentioned methods, to establish practical recommendations towards the rational
development of complex structural design of any geometric nature. For that, the
CAST program is used in the application of Strut-and-Tie Method, the SPANCAD
program in the application of Stringer-Panel Method, and the resources of linear and
non-linear analysis available in the ADINA and DIANA software, for the Finite
Element Method. In the ambit of special structures, it was emphasized the design of
deep-beam and pile caps, considering the great use and importance of those elements
in current design of buildings. This study will contributes in order to lessen the
application of approximate solutions based on empirical studies, supplying logical
criteria for the safe design of the denominated "D Regions".
i
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS.................................................................................................vi
LISTA DE TABELAS...............................................................................................xv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS...............................................................xvi
LISTA DE SÍMBOLOS...........................................................................................xvii
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO.................................................................................1
CAPÍTULO 2 – ALTERNATIVAS PARA O DIMENSIONAMENTO DE
ELEMENTOS ESPECIAIS DE CONCRETO............................................................5
2.1 Introdução........................................................................................................5
2.2 Alternativas de Dimensionamento.................................................................10
CAPÍTULO 3 - MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS (MEF)...........................17
3.1 Histórico.........................................................................................................17
3.2 Fundamentos Básicos do MEF......................................................................18
3.3 O Que Dizem os Códigos Normativos Sobre o MEF?..................................23
3.4 Análise de Estruturas de Concreto Utilizando o MEF...................................25
3.5 DIANA............................................................................................................29
3.5.1 Introdução..............................................................................................29
3.5.2 Modelo de Fissuração Distribuída.........................................................29
3.5.3 Modelagem do Concreto Simples..........................................................33
3.5.3.1Modelos Total Strain..........................................................................33
3.5.3.2Modelos Incrementais ou Plásticos....................................................36
3.5.4 Modelagem das Armaduras....................................................................39
3.5.5 Modelagem do Concreto Armado..........................................................40
3.5.6 Solução do Sistema de Equações Não-Lineares....................................41
3.5.7 Aspectos Complementares.....................................................................45
3.6 Verificação da Segurança Utilizando o MEF.................................................48
3.7 Determinação Automática de Armaduras para Elementos de Chapa............50
ii
3.8 Exemplo de Aplicação Utilizando o Modelo de Chapa acoplado ao MEF....55
CAPÍTULO 4 - MÉTODO CORDA-PAINEL (MCP)..............................................65
4.1 Histórico.........................................................................................................65
4.2 Fundamentos Gerais do MCP........................................................................68
4.3 Formulação Matricial do MCP.......................................................................71
4.4 Determinação das Armaduras Resistentes.....................................................73
4.5 O que Dizem as Normas Sobre o MCP?........................................................76
4.6 SPANCAD – Programa para Cálculo Automático Utilizando o MCP...........77
4.7 Exemplo de Aplicação do Método Corda-Painel...........................................79
CAPÍTULO 5 - MÉTODO DAS BIELAS (MB).......................................................87
5.1 Histórico.........................................................................................................87
5.2 Estágio Atual do Conhecimento.....................................................................92
5.3 O que Dizem as Normas Sobre o Método das Bielas?...................................93
5.4 Princípios Básicos do Método das Bielas......................................................95
5.5 Processos de Obtenção dos Modelos...........................................................100
5.5.1 Modelos Padronizados.........................................................................100
5.5.2 Processo do Caminho das Cargas.........................................................101
5.5.3 Análises Elásticas.................................................................................102
5.5.4 Análises Não-Lineares.........................................................................103
5.5.5 Processos de Otimização......................................................................107
5.5.5.1Programação Linear.........................................................................107
5.5.5.2Programação Não-Linear.................................................................112
5.5.5.3Otimização Topológica....................................................................114
5.5.5.4Método das Barras Virtuais..............................................................118
5.6 Parâmetros Fundamentais do Método das Bielas.........................................125
5.6.1 Tipos Fundamentais de Escoras de Concreto.......................................126
5.6.1.1Parâmetros de Resistência das Escoras de Concreto para Casos
Bidimensionais.............................................................................................128
5.6.1.2Confinamento das Escoras de Concreto...........................................142