Este documento fornece uma introdução aos fundamentos de estruturas para estudantes de arquitetura, abordando tópicos como:
- A definição de estrutura e seus principais elementos e sistemas.
- Uma breve história do desenvolvimento das engenharias estrutural e arquitetônica.
- Critérios básicos para a concepção estrutural de edifícios, como a localização de vigas e vãos estruturais.
2. Fundamentos de EstruturasFundamentos de Estruturas
Arqº Renato Carrieri Prof° Adjunto Doutor
Esta apostila se destina exclusivamente a fornecer subsídios mínimos para estudantes
dos cursos de Arquitetura, relacionados aos conceitos fundamentais de estruturas.
Direitos autorais reservados. Proibida a reprodução ou utilização do todo ou parte sem
prévia autorização.
3. A arquitetura, como que ressentida da separação, penetra de
uma maneira quase suicida em uma visão parcial do objeto
edificado, a forma pela forma, expressando-se como arte
pura, alheia e até mesmo nauseada dos benefícios que a
evolução tecnológica poderia trazer.
A engenharia, adolescente arrogante, motivada pela
possibilidade de estar mais próxima aos novos engenhos,
apropria-se da tecnologia e a torna hermética, difícil de ser
entendida por quem não fosse um iniciado. Deslumbrada
pelo brilho das possibilidades tecnológicas faz-se penetrar na
estreita faixa da especialização. Uma especialização que a
cega impedindo-a de ver outras fronteiras...
Rebello, Y.C.P. & Brasil, R.M.L.R. da F. : Anais das
XXXII Jornadas Sul americanas de engenharia
estrutural. Maio 2006.
4. Dúvidas históricas à parte, o que ocorria na verdade é que, de fato,
no caso das construções,no início só existia um único profissional:
O ARQUITETO.
Esse profissional projetava os espaços, definia a estrutura, as
fundações, os materiais, processos construtivos, e até a decoração.
Quando mais tarde, a loucura humana, na sua ânsia de conquistas
lançou mão da pólvora, não como forma de demonstrar beleza e
alegria como nos fogos de artifício, mas como objeto de
destruição, a arquitetura feminina e cheia de encantos das
catedrais, teve de dar lugar à arquitetura masculina e sólida das
fortificações. Nascia o Engenheiro, o homem dos engenhos,
treinado para construir paredes capazes de suportar grandes
impactos.
A engenharia, assim, não deixa de ser um ramo da arquitetura que
se especializou em edificações de grande resistência aos
bombardeios das balas de canhão. Mas, infelizmente,
mãe e filha se estranharam, e como personagens que se percebem
com objetivos diferentes, seguem caminhos separados.
5. “ Cada material tiene una
personalidad específica distinta, y cada forma
impone un diferente fenómeno tensional.
La solución natural de un problema
– arte sin artificio - , óptima frente al conjunto
de impuestos previos que la originaron,
impresiona con su mensaje, satisfaciendo, al
mismo tiempo, las exigencias del técnico y del
artista.
El nacimiento de un conjunto
estructural, resultado de un proceso creador,
fusión de técnica con arte, de ingenio con
estudio, de imaginación com sensibilidad,
escapa del puro dominio de la lógica para
entrar en las secretas fronteras de la
inspiración.
Antes y por encima de todo cálculo
está la idea, moldeadora del material en forma
resistente, para cumplir su misión.”
E.Torroja Miret
6. “ Se você não pode explicar suas idéias
para sua avó de um jeito que ela entenda,
você não conhece o assunto o suficiente... ”
Alguns arquitetos, professores e estudantes usam uma linguagem exageradamente
complexa ( e geralmente sem sentido! ) no intuito de conquistar respeito e
reconhecimento. Você pode aceitar que eles façam isso, mas não os imite. Profissionais
que conhecem muito bem sua matéria sabem como transmitir seus conhecimentos para
os outros em uma linguagem coloquial.
101 lições que aprendi na Escola de Arquitetura. M.Fontes.
M.Frederick.
7. BREVE HISTÓRICO DOS EVENTOS MAIS SIGNIFICATIVOS LIGADOS À ARQUITETURA E À
ENGENHARIA.
• Descoberta da possibilidade de uso dos metais 4.000ª.C.
• Invenção do concreto Romano 300ª.C.
• Os Gregos constroem o Parthenon Séc I
• Fundada a 1ª Universidade do mundo ocidental : a Universidade de Bolonha na Itália 1088
• A Catedral de Santa Maria dei Fiori projetada por Filippo Brunelleschi fica pronta. Pela primeira
vez fica evidente a necessidade de separação entre o projeto e a execução da obra, contrariando
os métodos construtivos vigentes na Idade Média 1436
• Alberti propõe a separação entre as atividades de quem faz o projeto em relação a quem constrói Séc. XV
• Galileo Galilei inicia os primeiros estudos sobre a estrutura e publica sua obra fundamental
contendo as primeiras noções sobre a Resistência dos Materiais :
“Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze” 1638
• René Descartes publica “O Método” obra que conduz a uma maior sistematização da Ciência 1638
• Isaac Newton depois de publicados os estudos de Galileu e Descartes, estabelece os postulados
da Física ! 1667
• O Ministro das finanças de Louis XIV Jean-Baptiste Colbert, cria a AcademieRoyale
d’Architecture em Paris 1671
• Robert Hooke publica seus estudos sobre a teoria da elasticidade 1676
• 1° Cálculo numérico da História realizado por G.Poleni, professor de Física experimental da
Universidade de Pádova, para fins de reforço estrutural da cúpulada Basílica de São Pedro de Roma 1742
• Fundada a École des Ponts et Chaussées destinada à formação dos Oficiais do Exército Francês 1747
• Leonard Euler publica : “Introdução ao Cálculo” 1748
“Cálculo Diferencial” 1755
“Cálculo Integral” 1768
9. • Fundada no RJ a Academia Real de Artilharia Fortificação e Desenho por D.JoãoVI
precursora da UFRJ : o 1º Curso de Engenharia no Brasil, e mais tarde separada em duas :
uma militar e a outra civil : atualmente o IME e a Escola Politécnica da UFRJ 1792
• Criada a 1ª Escola de Engª na França, a École Polytechniquepor G.Monge, que,
“de quebra” ainda inventa a Geometria Descritiva ! 1794
• Na Fiação Philip & Lee em Stanford o ferro é utilizado pela 1ª vez na ligação viga x pilar 1801
• A École-Royale de Beaux-Arts sucede a Academie 1816
• J. Aspdin obtém a patente da produção do Cimento Portland na Inglaterra 1824
• Louis Henri Marie Navier determina a distribuição das tensões de flexão nas vigas 1826
• Início do ensino de Arquitetura através da inauguração da Academia de Belas Artes
pelo Imperador D.Pedro I no Rio de Janeiro 1826
• Atribui-se o crédito pela utilização do cimento pela 1ª vez na Engenharia a I.K. Brunel,
responsável por uma obra executada no Rio Tamisa na Inglaterra 1828
• Construção da 1ª estrutura em concreto armado: um barco! 1850
10. • E.Otis constrói os primeiros elevadores mecânicos em N.Tork 1853
• H.Bessemer descobre o processo de produção do aço 1856
• Fundada a Escola Politécnica do Rio de Janeiro 1874
• Pilar x viga x laje são armados pela 1ª vez por François Hennebique, com
armadura metálica para a Expo Internacional de Antuérpia 1879
• J. Monier obtém a patente da argamassa de concreto com reforço de tela metálica 1884
• Fundação da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 1893
• Criação do Curso de Engenheiro Arquiteto na Escola Politécnica da USP 1894
• Fundação da Escola de Engenharia Mackenzie 1896
• Desenvolvimento da 1ª teoria sobre dimensionamento do concreto armado na Alemanha (E. Morsch) 1902
• Publicação da 1ª Norma sobre o dimensionamento do c.a. na Alemanha 1904
• Criação do Curso de Engenheiro Arquiteto na Escola de Engª Mackenzie 1917
• Desenvolvimento do processo de protensão na França com utilização de fios de aço de alta resistência -
E. Freyssinet 1924
• Proposição da 1ª Norma Brasileira para o cálculo do c.a. [ABCP] 1931
• Decreto Lei regulamenta as profissões de Engenheiro e de Arquiteto no Brasil 1933
• Fundação da Escola de Arquitetura Mackenzie, incorporando o curso de Engenheiro Arquiteto da
Escola de Engenharia 1947
• Fundação da FAU USP a partir do desmembramento do Curso de Engenheiro Arquiteto da Escola
Politécnica 1948
• Primeira obra em concreto protendido no Brasil : Ponte do Galeão 1949
13. a estrutura das máquinas :
airbus A319 : 144 passageiros / 64.000 kg. /
velocidade de cruzeiro 850 km.h / teto 12.000 m.
15. A estrutura dos edifícios [ definição] : Conjunto de elementos construtivos responsáveis pela
estabilidade do edifício. Ossatura.
Corona&Lemos. Dicionário Brasileiro de Arquitetura.
EDART - SP.Livraria e Editora Ltda. 1ª Edição, 1972. P. 207, 208.
A Estrutura é parte integrante, e em alguns casos, a
própria essência da arquitetura. Para idealizá-la é
preciso conhecê-la portanto.
Deve ser expressiva, visto que a forma do edifício está
intimamente associada à forma da estrutura.
16. Elemento Cada uma das partes de um todo.
Elemento estrutural Cada uma das partes do todo que compõe uma estrutura.
Apresenta um comportamento específico quando submetido isoladamente a um
carregamento.
Sistema Disposição dos elementos de um todo, coordenados
entre si, e que funcionam de forma organizada.
Sistema estrutural Conjunto de elementos resistentes que, diante de uma
solicitação externa, geram ações e reações entre si, utilizando mecanismos internos
capazes de transportar cargas da cobertura até a fundação.
Partido Arquitetônico Conseqüência formal de uma síntese das condicionantes de
projeto, tais como: programa, topografia, legislação, ideologia teórica entre outros.
Partido Estrutural Decisão sobre aspectos da tecnologia que envolvem a
definição e organização do sistema formado por um conjunto de elementos de
concreto, aço ou madeira, papelão e outros materiais alternativos, tomada no momento
em que se adota determinado partido arquitetônico.
17. É fundamental para o estudante conhecer as diferentes tipologias, devidamente classificadas, para
posterior definição do partido arquitetônico contendo no mínimo a intenção da solução estrutural.
A estrutura pode ser tomada como um princípio de organização de projetos, ou como um
mecanismo para suportar cargas. Sob esse aspecto estruturar implica o ato de estabelecer hierarquia e ordem
simultaneamente em termos de espaço arquitetônico e translação de força física.
Introdução à arquitetura : James C. Snyder & Anthony J. Catanese; Rio de Janeiro: Ed. Campus - 1984. p. 266.
As estruturas são formadas por associações de elementos lineares planos e espaciais, ou resistentes
pela forma como as cascas, as membranas sustentadas por cabos, ou as pontes estaiadas.
A definição do Sistema Estrutural :
A Estrutura pode ser considerada um sistema de transmissão de forças, ou um conjunto de elementos resistentes
que permite o deslocamento de forças externas, utilizando-se de mecanismos internos capazes de transportar
cargas desde a cobertura até a fundação.
As potencialidades atuais dos sistemas estruturais simples ou compostos são quase sem limites, de modo que o
problema se reduz então, à questão da escolha do sistema estrutural mais adequado ao partido arquitetônico.
Como incorporar o sistema ao edifício ?
É importante e necessário lembrar que à medida que os edifícios aumentam de tamanho, o papel da estrutura
como determinante da forma torna-se progressivamente um imperativo.
Podemos afirmar que uma das primeiras decisões a serem tomadas no processo de definição do sistema, é a
decisão em torno do tamanho do vão estrutural, que determina o posicionamento dos pilares e demais
componentes.
18. A integração das partes com o todo determina um mecanismo eficiente para a distribuição das forças através
do sistema, desde a cobertura até as fundações.
A transferência das cargas verticais, é feita por meio de elementos horizontais (lajes e vigas), que
transmitem a somatória das cargas, ao sistema suporte constituído por pilares ou paredes portantes.
(A translação inicial de forças verticais para elementos horizontais é feita por meio da flexão.)
Na transmissão das cargas, a economia exige que a mesma se faça segundo um mesmo eixo vertical.
Consequentemente a devida integração estrutura/arquitetura é fundamental para a qualidade de
qualquer projeto.
Na prática os edifícios são calculados em ordem oposta àquela em que são edificados.
O processo é cumulativo. As cargas são acrescidas aos elementos de sustentação sucessivamente, na medida
em que vão se aproximando da condição ideal de suporte representada pelo solo.
20. A aurora da humanidade : de Stonehenge aos edifícios modernos.
21. O pórtico e a malha estrutural [ grade que define os eixos principais de um
sistema ]
Modulação : harmonia e ritmo...
22. CONCEPÇÃO ESTRUTURAL : CRITÉRIOS BÁSICOS.
1. Não existem regras precisas...
2. Toda a laje apóia-se em vigas. Estas devem ser locadas nos eixos das
alvenarias.
3. Em se tratando de lajes maciças, as mais econômicas são as armadas nas
2 direções com apoio nas 4 bordas.
4. Devemos localizar as vigas de tal forma que as lajes vençam vãos de
dimensões aproximadas. Em construções
convencionais de cunho mais econômico, para vigas e lajes podemos
adotar vãos aproximados de 6 a 8 m.
E quando não é do interesse do projeto que a viga apareça no pavimento
inferior, ela pode ser invertida.
5. Em princípio, vigas devem se apoiar em pilares, porém elas podem
também ficar apoiadas em outras vigas.
Para grandes vãos (acima de 8 m.) de geometria retangular, prever vigas
no sentido maior e laje nervurada
no sentido menor. A regra é simples: grandes vãos em um sentido, vãos
pequenos no outro. Arq° Renato Carrieri
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23. CONCEPÇÃO ESTRUTURAL : CRITÉRIOS BÁSICOS.
6. Para grandes vãos em duas direções com dimensões muito próximas, a
grelha, ou nervurada bi direcional, é a
solução mais econômica e vantajosa.
7. Devemos locar os pilares formando linhas de pórticos e de preferência
no cruzamento das vigas, porém não necessariamente em todos eles.
Sua locação deve seguir critérios de bom senso.
8. O número de pilares deve ser escolhido de acordo com critérios
estabelecidos no projeto, considerando-se
razões de ordem estética e econômica, visto que o tipo de fundação pode
influenciar na determinação de sua
quantidade.
9. Os pilares devem ser locados de tal forma que as vigas tenham
comprimentos aproximados entre si, e portanto a
mesma altura.
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24. 10. Eles devem nascer nas fundações, indo até a cobertura, situando-se
sobre os mesmos eixos de modo a facilitar a marcação da obra.
É aconselhável evitar mudanças de posições dos mesmos ao longo
dos pavimentos. Havendo coincidência de eixos, transições não serão
necessárias a não ser quando a arquitetura assim o determine.
(Geralmente em situações em que é importante reduzirmos o número de
pilares nos sub solos para efeitos de acomodação de vagas de garagem,
por ex.)
Neste caso específico, vigas ou até lajes de transição podem acontecer
quando necessário. Em geral isto se dá ao nível do pavimento térreo.
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25. Ed. Capitânea - SP - 1973 Pedro Paulo Saraiva, Sérgio Ficher e Henrique Cambiaghi
Viga de transição
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26. Viga bi apoiada.
Viga com ambas as extremidades em
balanço de 1/2 do vão.
Viga com ambas as extremidades em balanço
de 1/3 do vão. Para grandes vãos, grandes
balanços.
11. Sempre que possível, os pilares devem ser posicionados de forma a permitir que os balanços
formados possam ajudar a reduzir o momento fletor no vão central.
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27. 12. A malha estrutural não pressupõe a necessidade de posicionamento dos pilares nos “cantos.”
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28. Arq° Renato Carrieri
Profº Adjunto Doutor
Créditos concedidos aos arquitetos
colaboradores:
Francisco L. M. Petracco
João Carlos Graziosi
José Roberto Soutello
13. Nas estruturas hiperestáticas vigas e pilares são sempre
mais esbeltos que nas isostáticas.
14. Aberturas para escadas, sempre no sentido da direção de armação e / ou nervura.
Não são viáveis em lajes
armadas em duas direções.
15. Condições básicas de uma estrutura em busca de equilíbrio:
ESTABILIDADE, RESISTÊNCIA, RIGIDEZ.
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29. Como a disposição dos pilares interfere no nº de vagas de garagem
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33. O processo de transmissão de cargas : análise gráfica.
O percurso da carga : processo de se determinar o modo como uma estrutura recolhe, transmite e redireciona o peso
próprio e a carga acidental, através de seus elementos construtivos até as fundações e o solo.
“É de fundamental importância conhecer como as estruturas são carregadas, os esforços e as tensões oriundas
desse carregamento.” [ Bases para o projeto estrutural na arquitetura – Rebello, Y. Zigurate Ed. 2007 ]
Estruturas formadas por elementos lineares e planos
Plano horizontal e vertical
Distribuição uniforme de tensões
34. 1. Área contribuinte
Parte de uma estrutura que
contribui para a carga sobre
um elemento ou peça
estrutural.
2. Faixa de carga
Área contribuinte por
comprimento unitário de uma
peça estrutural de apoio.
3. Carga contribuinte
Carga que atua sobre um
elemento ou peça estruturais
coletada de sua área
contribuinte.
1
2
3
35. 4. Elemento principal
Peça estrutural que é essencial para a
estabilidade de um todo estrutural.
5. Elemento secundário
Qualquer peça estrutural apoiada em um
elemento principal.
6. Elemento terciário
Qualquer peça estrutural apoiada em um
elemento secundário.
7. Apoio
Ponto, superfície ou massa que suporta um
peso. Área de contato entre um elemento de
sustentação, como uma viga ou treliça, e uma
coluna, parede ou outro suporte subjacente.
Fonte: CHING, Francis D. K. Dicionário Visual de Arquitetura. São
Paulo: Martins Fontes, 2000. p. 103.
6
5
4
7
36. As forças seguem a direção dos meridianos e paralelos.
Estruturas que resistem pela forma : cascas
Transmissão de cargas. : análise gráfica
Palácio das Artes
São Paulo
1951
Diâmetro : 76 m.
Altura : 18 m.
Oscar Niemeyer
Zenon Lotufo
Hélio Uchôa
Eduardo K. de Mello
37. As direções das forças meridional e anular são defletidas como
em um campo magnético.
39. Do lado Oriental do Império Romano, mais precisamente em Bizâncio, os construtores iniciavam suas atividades em um ritmo febril,
inaugurando uma era extremamente fecunda chamada de “Era de Ouro”, em se tratando de Arte e de Arquitetura. Começa em 532 a
construção da mais famosa das igrejas Bizantinas : a Basílica de Santa Sophia, de Antêmio de Trales e Isidoro de Mileto que por sinal
não eram arquitetos, mas matemáticos! Devemos o milagre de Santa Sophia à visão de Justiniano, quarto Imperador Romano cristão.
A obra com 7.568 m2 foi concluída no ano 537 da era Cristã. O vão central mede 31 x 61 m. Foi parcialmente destruída por terremotos
sucessivos e reconstruída em 1847 utilizando-se para tanto, técnicas modernas.
40. Santa Maria dei Fiori iniciada em 1296 e concluida em 1357.
Autor do projeto da Igreja: Arnolfo di Cambio, Giotto, Francesco Talenti e Andrea Pisano. A cúpula começou a ser erguida em 1417. A
responsabilidade pela nomeação do Arquiteto cabia à Guilda de Ofícios de Florença supervisionada pela comissão que supervisionou a construção
da Igreja, a Ópera del Duomo. O domo é formado por 8 nervuras com largura de 4,20 m. e + 2 menores com 2,10 intercaladas entre as principais,
totalizando 24 nervuras apoiadas no anel superior que sustenta o lanternin, a esfera dourada e a cruz. As superfícies formadas por triângulos
esféricos entre as nervuras em nº de 8 internamente e mais 8 externamente, são inclinados para dentro em relação ao eixo vertical do Domo.
O conjunto permanece estável graças ao travamento realizado pelos anéis horizontais reforçados por correntes de ferro revestidas com chumbo.
O sistema apoia 2 cascas finas de tijolo trabalhando exclusivamente à compressão, entre as quais galerias circulares permitem a inspeção da cúpula
E a visualização das ligações entre as nervuras e os 9 anéis horizontais.
41. Estruturas que resistem pela forma : tendas
Transmissão de cargas : análise gráfica
Tennessee Amphitheater
EUA
1982
McCarty, Bullock & Holsaple Inc.
42. Grandes estruturas : pontes
Transmissão de cargas : análise gráfica
Golden Gate Bridge
EUA
1933 - 1937
Joseph Strauss & Irving Morrow
Iron Bridge
Inglaterra
1776
Thomas Farnolls & John Wilkinson
44. Montanha x Complexo Gizé
A altura da Grande Pirâmide [ 146.60 m.] só foi
ultrapassada pela Catedral de Beauvais, concluída
em 1569, ruindo 4 anos depois! A Catedral de
Colônia na Alemanha, finalmente foi colocada de
pé no final do Século XIX
Logo depois a Tôrre Eiffel. com 320.75 m..tornou-
se o símbolo da cidade luz.
Obs. : A construção da Catedral começou em 1248
e só foi concluída em 1880! As duas torres
possuem 157 metros de altura, o comprimento é de
144 metros e a largura de 86 metros.
2550 b.C
2,3 milhões de blocos de calcáreo e granito [ câmara
do Rei ] com um peso aproximado de 2.5 toneladas
cada. A base não apresenta variação de nível acima
de 2 cm.
45. CHUVA
GRAVIDADE
NEVE
BALANÇO
VENTO
SISTEMA
DE
SUPORTE
COLUNAALICERCE
Ilustração da estrutura de uma árvore com suas raízes tronco e copa, e a estrutura de um Edifício alto,
cujas fundações estão para a supra estrutura como as raízes estão para a árvore. No caso das árvores a
forma dos galhos obedece à uma Lei Universal que determina uma espessura maior no engaste com o
tronco do que na ponta em balanço.
46. Comparação entre a teia de aranha e a estrutura formada por cabos e membranas da Igreja Batista
Central de Fortaleza.
Projeto : Arq° N.Issa e Cálculo Estrutural do Eng° Ruy M. Pauletti
47. Fonte: http://maisquepalavras.blogs.sapo.pt/arquivo/f89.jpg
Fonte: Foto do autor
Concha na praia
x
estrutura em forma de folha poliédrica do
Auditório Elis Regina, uma das obras do
complexo de Edifícios do Parque
Anhembi em São Paulo.
Projeto : Arq° Miguel Juliano e Silva &
Arq° Jorge Wilheim e Cálculo Estrutural
do Escritório Julio Kassoy & Mario
Franco.
48. Ovo
x
Estrutura em casca. Palácio das Artes
Ibirapuera - São Paulo
Projeto : Oscar Niemeyer, Zenon Lotufo, Hé
Uchôa e Eduardo K. de Mello