Estudo do comportamento e otimização do projeto estrutural de edifícios de concreto armado

155 Pages·2015·8.15 MB·Portuguese

by  Davi Ponte

Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Centro de Tecnologia e Ciências
Faculdade de Engenharia

Davi de Souza da Ponte

Estudo do comportamento e otimização do projeto estrutural de
edifícios de concreto armado.

Rio de Janeiro
2015
Davi de Souza da Ponte

Estudo do comportamento e otimização do projeto estrutural de edifícios de
concreto armado.

Dissertação apresentada, como
requisito parcial para obtenção do título
de Mestre, ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Civil, da
Universidade do Estado do Rio de
Janeiro. Área de concentração:
Estruturas.

Orientadores: Prof. Dr. Francisco José da Cunha Pires Soeiro
Prof. Dr. José Guilherme Santos da Silva

Rio de Janeiro
2015
CATALOGAÇÃO NA FONTE
UERJ / REDE SIRIUS / BIBLIOTECA CTC/B

P813 Ponte, Davi de Souza da.
Estudo do comportamento e otimização do projeto estrutural de
edifícios de concreto armado / Davi de Souza da Ponte - 2015.
153f.

Orientador: Francisco José da Cunha Pires Soeiro, José

Guilherme Santos da Silva.
Dissertação (Mestrado) - Universidade do Estado do Rio de
Janeiro, Faculdade de Engenharia.

1. Engenharia Civil. 2. Estruturas de concreto armado -
Dissertações. 3. Estruturas - Modelos matemáticos - Dissertações.
I. Soeiro, Francisco José da Cunha Pires II. Silva, José Guilherme

Santos da. III. Universidade do Estado do Rio de Janeiro. IV.
Título.

CDU 624.012.45

Autorizo, apenas para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial
desta dissertação, desde que citada à fonte.

Assinatura Data

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais Judite e Milton (in memoriam), que sempre
acreditaram e fizeram tudo por mim; e a Karolyne por estar sempre ao meu lado.
AGRADECIMENTOS

A Deus por me permitir chegar ao fim desta jornada.
Aos meus pais, pela dedicação e apoio, e principalmente por sempre
acreditarem em mim.
A Karolyne, minha melhor amiga, noiva e companheira de todas as horas,
pela compreensão diante dos sacrifícios necessários à conquista deste sonho.
Aos meus orientadores, Professor Francisco José da Cunha Pires Soeiro e
Professor José Guilherme Santos da Silva, pela atenção, amizade, incentivo,
disponibilidade, paciência e conhecimentos transmitidos durante todo o curso de
mestrado.
Aos professores e funcionários do Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Civil da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (PGECIV - UERJ),
pelos ensinamentos e pela atenção dispensada.
Ao engenheiro Cassio Gaspar, pela ajuda, por estar sempre disposto a ajudar
na hora do sufoco com o ANSYS.
Ao engenheiro Moacir Muniz pela paciência, colaboração e grande troca de
experiências.
Aos amigos da pós-graduação pelo companheirismo e apoio durante todo o
curso.
A UERJ porque sem ela não poderia ter chegado até aqui.
As pessoas podem tirar tudo de você, menos o seu conhecimento.
Albert Einstein
RESUMO

PONTE, Davi de Souza da. Estudo do comportamento e otimização do projeto
estrutural de edifícios de concreto armado. 2015. 153f. Dissertação (Mestrado em
Engenharia Civil) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de
Janeiro, Rio de Janeiro, 2015.

Com base no crescimento exponencial das populações urbanas, a demanda
por espaço para habitação tem crescido vertiginosamente. Para atender a estas
necessidades, edificações cada vez mais altas e mais esbeltas são projetadas e
vãos cada vez maiores são utilizados. Novos materiais são criados e aprimorados
para que seja extraído o máximo de desempenho com o menor custo. Deste modo,
esta dissertação tem como objetivo o estudo do comportamento e otimização do
projeto estrutural de edifícios. Para tal, considera-se ao longo do estudo o projeto de
uma edificação de concreto armado com 47 metros de altura e 15 pavimentos,
submetida às ações das cargas usuais de projeto atuantes sobre edifícios
residenciais, além das cargas de vento. No que tange ao desenvolvimento do
modelo computacional são empregadas técnicas usuais de discretização, via método
dos elementos finitos, por meio do programa ANSYS. Inicialmente, a resposta
estática e dinâmica do modelo estrutural é obtida e comparada com base nos
valores limites propostos por normas de projeto. A partir de análises qualitativas e
quantitativas desenvolvidas sobre a resposta estrutural do modelo em estudo são
utilizadas técnicas de otimização com o objetivo de modificar e aprimorar o
desempenho estrutural do edifício analisado.

Palavras-chave: Edifícios de concreto armado; Otimização estrutural;
Comportamento estrutural; Modelagem via elementos finitos.
ABSTRACT

Based on the exponential growth of urban populations, the demand for space
for housing has grown dramatically. To meet these needs, building ever higher and
more slender are designed and increasing spans has been used. New materials are
created and improved to be extracted maximum performance at the lowest cost.
Thus, this research work aims to study the behaviour and optimization of buildings
structural design. To do this, it is considered throughout the study the design of a
reinforced concrete building with 47 meters high and 15 floors, subjected to the
actions of usual design loadings on residential buildings in addition to wind loads.
Regarding the development of the computational model, usual mesh refinement
techniques are used, based on the finite element method simulations, and
implemented in the ANSYS program. Initially, the structural model static and dynamic
response is obtained and compared, based on the limiting values proposed by
design standards. Based on the developed qualitative and quantitative analyses on
the investigated structural model response, optimization techniques are used in order
to modify and improve the structural performance of the analysed building.

Keywords: Reinforced concrete buildings; Structural optimization; Structural
behaviour; Finite element modelling.
LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Edifícios mais altos do mundo (2010) [1]. ................................................ 19
Figura 2 – Terceiro edifício mais alto da atualidade – Torre Taipei 101. ................... 20
Figura 3 – Sistema de amortecimento de massa sintonizada do Taipei 101. ........... 20
Figura 4 - Isopletas de velocidade básica V (m/s) no Brasil (NBR 6123 [22]). ......... 33
0
Figura 5 – Coeficiente de amplificação dinâmica (ξ) para Categoria V (NBR 6123
[22]). .......................................................................................................................... 41
Figura 6 – Principais medidas da edificação (Dimensões em metros). ..................... 44
Figura 7 – Planta baixa da edificação – Pavimento Tipo (Dimensões em cm). ......... 45
Figura 8 – Seção transversal [51]. ............................................................................. 46
Figura 9 – Locação das vigas (Dimensões em cm). .................................................. 48
Figura 10 – Locação dos pilares (Dimensões em cm). ............................................. 49
Figura 11 – Esquema de aplicação de forças para modelo dinâmico discreto NBR
6123 [22]. .................................................................................................................. 51
Figura 12 – Forças do vento ao longo da altura. ....................................................... 53
Figura 13 – Modelo computacional em ANSYS [61]. ................................................ 54
Figura 14 – Características do modelo em elementos finitos. ................................... 55
Figura 15 – Perspectiva da estrutura em elementos finitos. ...................................... 56
Figura 16 – Elemento BEAM44 e suas referências (ANSYS [61]). ........................... 57
Figura 17 – Elemento SHELL63 e suas referências (ANSYS [61]). .......................... 57
Figura 18 - Excentricidade entre as linhas neutras da laje e da viga. ....................... 58
Figura 19– Modelo computacional em SAP 2000 [37]. ............................................. 58
Figura 20 – Características do modelo em elementos finitos. ................................... 59
Figura 21 – Perspectiva da estrutura em elementos finitos. ...................................... 60
Figura 22 – Modos de vibração (1º e 2º). .................................................................. 62
Figura 23 – Modos de vibração (3º ao 6º). ................................................................ 63
Figura 24 – Modos de vibração (7º ao 10º). .............................................................. 64
Figura 25 – Modos de vibração (1º ao 4º). ................................................................ 66
Figura 26 – Modos de vibração (5º ao 8º). ................................................................ 67
Figura 27 – Modos de vibração (9º e 10º). ................................................................ 68
Figura 28 – Modos de vibração (1º e 2º). .................................................................. 69
Figura 29 – Modos de vibração (3º ao 6º). ................................................................ 70