Estados Limites do Concreto Armado Sem Segredos

A evolução do cálculo nos projetos estruturais é uma jornada que passou do uso de métodos intuitivos, tentativa-erro e empíricos, para aplicação de princípios científicos, matemáticos e estatísticos. até chegar nos estados limites do concreto armado.

Sendo assim, esse progresso foi fundamental na construção de estruturas firmes e eficientes, que vemos até hoje.

No entanto, as buscas por melhorias é uma ação contínua, ou seja, pesquisadores e especialistas estão sempre à procura de aperfeiçoar os métodos de cálculos existentes.

A propósito, o foco principal nos projetos de estruturas é atingir um patamar máximo de economia e segurança.

Portanto, uma estrutura segura e econômica suporta as diversas cargas atuantes durante toda sua vida útil, sem alcançar um estado limite.

Por que digo isso? Pois, além desse “limite”, a estrutura apresenta uma situação inadequada de uso para os objetivos do empreendimento a construir.

Agora, diante desse cenário, vamos mergulhar no método dos estados limites do concreto armado de forma simples e prática, vamos começar?

Segurança e Estados Limites do Concreto Armado;

Para começar, a avaliação da segurança de estruturas é um aspecto crucial, e ao longo da história da engenharia estrutural desenvolveram-se diversos métodos.

Qual é o propósito? garantir que as construções atendam aos requisitos de desempenho, e permaneçam seguras durante sua vida útil.

Sendo assim, desde as abordagens simplificadas, como o método das tensões admissíveis e avançando para cálculos estatísticos, elas evoluíram até chegar no método dos estados limites.

Logo, a segurança nas estruturas de concreto armado está ligada à verificação dos estados limites, que representam situações além das quais a estrutura torna-se imprópria para o uso.

Então, você já se perguntou como os edifícios, casas ou pontes permanecem de pé, seguros e resistem a ação do tempo?

Chave Secreta dos Estados Limites;

Então, por trás de tudo isso residem dois princípios vitais da engenharia estrutural:

• Estados Limites Últimos: referem-se a uma situação de ruína, ou colapso da estrutura no todo, ou em parte;
• Estados Limites de Serviços: referem-se ao uso da estrutura no dia a dia, pois valoriza o conforto e o bem estar dos usuários;

Agora preste atenção, é muito comum referenciar o estado limite último com a sigla ELU, e o estado limite de serviço com a sigla ELS.

Com isso em mente, fique ligado daqui para a frente, ok?

Portanto, esses métodos de verificação são essenciais para assegurar que as estruturas suportem as cargas impostas a ela, como também mantenham condições adequadas para seu uso ao longo do tempo.

Considere isso, esses métodos dos estados limites do concreto armado envolvem cálculos, que levam em conta variáveis, como resistência do material, tipos de carregamentos, condições ambientais, dentre outras considerações.

Enquanto o ELU direciona seu foco para as cargas máximas que uma estrutura deve resistir sem atingir a ruína, o ELS lida com as condições de funcionamento normais de uso da estrutura no dia a dia.

Normas Brasileiras e os Estados Limites do Concreto Armado;

E entenda isso, a Associação Brasileira de Normas Técnicas, sigla ABNT, estabelece padrões de projetos e construções para as obras de engenharia, com as normas brasileiras, sigla NBR.

Então, a NBR-6118–2023 e NBR-8681–2003 incorporam o método dos estados limites do concreto armado, através do ELU e ELS. O objetivo é sempre projetar estruturas seguras, duráveis e funcionais.

Quando o ELU e o ELS não são levados em conta de forma adequada, podem ocorrer problemas estruturais graves.

Logo, esses estados críticos delineiam a necessidade de um projeto estrutural detalhado, considerando cada aspecto para prevenir falhas que comprometem a integridade da construção.

A propósito, antes de abordarmos o Estado Limite de Utilização ou de Serviço, vamos aprofundar ainda mais sobre o ELU, então, prossiga na leitura.

Estado Limite Último do Concreto Armado;

A propósito, os estados limites últimos estão sempre relacionados ao colapso da estrutura, ou a partes dela.

Sendo assim, ele pondera que a probabilidade de ocorrência de perda de vidas humanas, de propriedade ou grandes deformações seja muito pequena.

Agora, ele considera isso através da redução da resistência dos materiais, e majorando (amplificação) as solicitações de cálculo na estrutura.

Dessa forma, podemos evitar que uma estrutura atinja um determinado estado limite último, visto que uma falha pode ter conseqüências catastróficas, como o colapso da estrutura e perda de vidas.

Reflita sobre o porquê do ELU

A propósito, imagine que você deseja construir uma ponte para suportar a passagem de veículos com diferentes pesos ao longo do tempo.

Sendo assim, se você projetar essa ponte para suportar o peso médio esperado de um veículo, então, existe uma grande probabilidade de que, eventualmente, veículos mais pesados do que o esperado passem por ela.

O único problema? Nesse cenário, a ponte pode não suportar essas cargas adicionais, resultando em falha estrutural.

Em poucas palavras, aqui é onde entram os conceitos de majoração das cargas e minoração da resistência.

Portanto, ao projetar uma ponte para suportar carros mais pesados do que o esperado, nós majoramos as ações, como o peso dos veículos, para garantir que a estrutura seja robusta o suficiente para suportar situações extremas.

Em termos simples, majorar a ação é como projetar a ponte para suportar não apenas o peso médio, mas também um peso considerável e maior do que o usual.

Além disso, cria-se uma margem de segurança significativa, assegurando que a estrutura seja capaz de lidar com variações inesperadas e cargas excepcionais.

Resistências do Concreto e Aço Reduzidas;

Por outro lado, ao minorar a resistência dos materiais, estamos reconhecendo que esta pode variar de suas propriedades teóricas.

Logo, pode haver variações na qualidade dos materiais, imprecisões na fabricação, ou outros fatores imprevisíveis.

Sendo assim, ao reduzir em teoria a resistência dos materiais, estamos incorporando uma margem de segurança adicional.

Agora preste atenção, a NBR-6118 e NBR-8681 salientam a verificação dos seguintes estados limites últimos nos projetos estruturais em concreto armado:

• Perda de Equilíbrio Global ou Parcial da estrutura admitida sendo um corpo rígido;
• Esgotamento da Capacidade Resistente da estrutura devido às Solicitações Normais e Tangenciais;
• Esgotamento da Capacidade Resistente da estrutura com Efeitos de Segunda Ordem:
• Ruptura ou Deformação Plástica Excessiva dos Materiais:
• Solicitações Dinâmicas;
• Colapso Progressivo;
• Transformação da estrutura, no todo ou em parte, em um sistema hipostático;

No entanto, em relação aos tópicos citados acima, vou acrescentar conteúdos relevantes para você a respeito de cada um, e isso não reflete a opinião da norma.

ELU da Perda de Equilíbrio Global ou Parcial da Estrutura admitida sendo um Corpo Rígido.

A propósito, representa uma condição crítica na qual a estabilidade da construção é comprometida.

Este fenômeno está associado a uma série de fatores que influenciam a capacidade da estrutura de resistir às cargas, levando a deslocamentos indesejados, deformações excessivas ou, em casos extremos, ao colapso.

Ao considerar uma estrutura de concreto armado como um corpo rígido, pressupõe-se que ela não apresenta deformações significativas sob a ação de forças externas.

No entanto, na prática, diversas condições podem levar à perda de equilíbrio, seja de forma global, afetando toda a estrutura, ou de maneira parcial, comprometendo apenas determinadas regiões.

Sendo assim, a perda de equilíbrio global ocorre quando a estrutura em sua totalidade não consegue resistir às forças aplicadas de forma adequada.

E isso pode ser desencadeado por eventos extremos, como terremotos ou ventos intensos, que excedem a capacidade de carga projetada da estrutura.

Em tais circunstâncias, a rigidez presumida de um corpo rígido é comprometida, resultando em deslocamentos significativos e ameaçando a estabilidade global da estrutura.

Já a perda de equilíbrio parcial refere-se a situações em que partes específicas da estrutura experimentam deformações ou deslocamentos não previstos.

Nesse caso, pode ser originado por defeitos estruturais, como erros durante a construção, falhas de material ou falta de manutenção adequada.

Esses problemas afetam a capacidade local da estrutura de manter sua forma original e podem evoluir para uma perda de equilíbrio mais abrangente se não forem corrigidos.

ELU de Esgotamento da Capacidade Resistente da Estrutura devido às Solicitações Normais e Tangenciais:

Este ELU concentra-se nas ações aplicadas à estrutura, incluindo forças normais e momentos fletores e tangenciais, como forças cortantes e torção.

O objetivo principal é evitar que a estrutura atinja seu limite de capacidade resistente, ou seja, impedir que os elementos estruturais se esgotem de forma prematura ao serem submetidos aos carregamentos.

Portanto, medidas preventivas envolvem o dimensionamento cuidadoso dos elementos estruturais para garantir que possam suportar as solicitações esperadas sem entrar em um estado crítico de falha.

ELU de Esgotamento da Capacidade Resistente da Estrutura com Efeitos de Segunda Ordem:

Então, os efeitos de segunda ordem referem-se a deformações e deslocamentos adicionais que ocorrem na estrutura como resultado da aplicação de cargas.

Sim, é verdade, esses efeitos podem ser significativos em estruturas, como edifícios altos. e submetidas a cargas horizontais acentuadas.

Logo, é necessário considerar não apenas as deformações lineares iniciais, mas também as deformações adicionais que surgem devido à resposta não linear da estrutura.

No contexto do concreto armado, o esgotamento da capacidade resistente com efeitos de segunda ordem pode se manifestar de várias maneiras.

Por exemplo, em uma estrutura sujeita a esforços de ventos elevados, os efeitos de segunda ordem podem resultar em deslocamentos laterais significativos que afetam a estabilidade global.

Além disso, em casos de compressão axial, os efeitos de segunda ordem podem influenciar a forma como as forças normais são distribuídas, impactando a capacidade de carga da estrutura.

Logo, combater os esforços globais e locais de segunda ordem em estruturas de concreto armado envolve estratégias específicas de projeto, análise e dimensionamento para garantir a estabilidade e segurança da estrutura.

E o Engenheiro Estrutural o que Faz?

Aqui estão algumas medidas que podem ser adotadas:

• Análise Estrutural Avançada: Utilize métodos avançados de análise estrutural, como a análise não linear, que capturam os efeitos de segunda ordem de maneira mais precisa do que métodos lineares.
• Consideração adequada da Rigidez: avaliação precisa, incluindo a rigidez lateral e também considere a contribuição de todos os elementos estruturais para a rigidez global.
• Sistemas Adequados de Contraventamento: eficazes para resistir a cargas laterais e minimizar a instabilidade global, pois estruturas bem contraventadas desempenham-se melhor sob efeitos de segunda ordem.
• Dimensionamento Adequado de Pilares: para resistir a momentos fletores e cargas axiais, evitando concentrações excessivas de deformação e minimizar os riscos de flambagem.
• Verificação de Deslocamentos Laterais: para garantir que a estrutura atenda aos requisitos de desempenho, evitando deslocamentos excessivos que possam comprometer a estabilidade.
• Adoção de Elementos Estruturais Adequados: Escolha elementos estruturais que proporcionem uma distribuição eficiente de carga e resistência, evitando áreas de concentração de esforços.

ELU de Ruptura ou Deformação Plástica Excessiva dos Materiais:

Este ELU concentra-se nas deformações excessivas ou na ruptura plástica dos materiais estruturais, principalmente nas regiões onde ocorrem as maiores concentrações de esforços.

O objetivo principal é prevenir que os materiais atinjam níveis de deformação irreversível ou que a ruptura ocorra devido a esforços extremos, garantindo a integridade estrutural.

Sendo assim, muita atenção na escolha dos materiais, dimensionamento das seções transversais e implementação de estratégias para limitar deformações e assegurar que a estrutura permaneça dentro dos limites de segurança e serviço.

ELU por Solicitações Dinâmicas;

Aqui está a parte das cargas dinâmicas, como ventos e sismos, atuam nas estruturas e podem resultar em vibrações e acelerações na estrutura.

Logo, uma avaliação precisa das solicitações dinâmicas significa entender as respostas das estruturas pelas suas freqüências naturais, modos de vibração e amortecimento.

Sendo assim, a análise estrutural envolve métodos específicos, como análise modal, espectral e métodos numéricos que levam em conta as características dinâmicas do carregamento.

Portanto, a análise dinâmica é um assunto muito complexo e demanda conhecimento e experiência do profissional para avaliar os resultados.

Além disso, demanda o uso de softwares específicos e computadores modernos, para fazer uma análise estrutural mais refinada e verificar o ELU diante dos cenários de cargas dinâmicas com mais qualidade e precisão.

ELU de Colapso Progressivo;

Este processo é caracterizado por uma propagação progressiva de falhas e danos na estrutura, muitas vezes desencadeada por eventos como:

• Cargas Excepcionais;
• Falhas de Materiais;
• Defeitos na Concepção Estrutural ou Construção;

Então, o colapso progressivo é diferenciado pela maneira como as falhas se desenvolvem e se ampliam ao longo do tempo.

Em vez de uma falha instantânea e total, como pode ocorrer em alguns cenários, ele envolve a evolução gradual de deformações e danos, permitindo que a estrutura ultrapasse o limite de sua capacidade resistente.

Diversos fatores podem contribuir para o colapso progressivo em estruturas de concreto armado.

Por exemplo, falhas em componentes-chave, tais como lajes, vigas, pilares e fundações ou nas ligações viga-pilar, laje-pilar, podem iniciar o processo.

Além disso, a má qualidade dos materiais de construção também têm o potencial de iniciar ou acelerar o colapso progressivo.

ELU de Transformação da Estrutura, no todo ou em parte, em Sistema Hipostático;

Vamos imaginar que temos uma estrutura hiperestática ou isostática, e alguns de seus nós, ou seja, conexões perdem a sua resistência, transformando-a numa estrutura hipostática, e a posteriori, tornando-se um mecanismo.

Em um sistema hipostático desenvolvem-se mecanismos adicionais de carga, como momentos articulados, deslocamentos laterais excessivos ou rotação de elementos estruturais.

E assim, causa uma transformação na configuração global da estrutura.

Em situações extremas, a estrutura pode atingir estados onde ocorrem rupturas locais ou globais, com elementos ou regiões específicas falhando devido à redistribuição de esforços e deformações excessivas.

Agora, dois estados limites últimos que tem às suas próprias normas específicas.

ELU de Esgotamento da Capacidade Resistente da Estrutura, no Todo ou em Parte, considerando Exposição ao Fogo;

Então, durante um incêndio, a exposição prolongada a altas temperaturas afeta o comportamento mecânico dos materiais de construção, nesse caso, o concreto e o aço.

Qual o problema? O calor intenso resulta em uma perda temporária ou permanente das propriedades mecânicas dos materiais, incluindo a capacidade de suportar cargas estruturais.

E muito mais, ao longo do tempo de exposição ao fogo, a estrutura experimenta um esgotamento gradual de sua capacidade resistente, tornando-se mais vulnerável à deformação e ao colapso.

Sendo assim, a exposição ao fogo pode resultar em deformações excessivas e danos estruturais, prejudicando a estrutura de manter sua integridade.

Logo, o concreto armado é sensível ao fogo, com a exposição prolongada, levando à perda de sua aderência com o aço, bem como à redução da sua resistência.

Além disso, o tempo de exposição ao fogo é um fator crítico, pois determina a extensão do esgotamento da capacidade resistente.

Portanto, estratégias de proteção contra incêndio buscam prolongar esse tempo antes de atingir condições críticas, como: proteção passiva, com uso de revestimentos e materiais resistentes ao fogo.

Com essas ações, minimiza-se o impacto da propagação do calor na estrutura e preserva sua capacidade resistente.

A propósito, as normas de segurança contra incêndio estabelecem requisitos específicos para estruturas de concreto armado, nesse caso a ABNT-NBR-15200.

ELU de Esgotamento da Capacidade Resistente da Estrutura, no Todo ou em Parte, considerando Ações Sísmicas;

As forças sísmicas geradas por um terremoto podem causar uma carga dinâmica significativa na estrutura, resultando em demandas extraordinárias de resistência.

No entanto, durante um evento sísmico, a estrutura pode experimentar deformações excepcionais devido à movimentação do solo, criando condições desafiadoras para a capacidade resistente da estrutura.

Logo, em certos solos e condições geotécnicas, pode ocorrer a amplificação de forças sísmicas, aumentando ainda mais as demandas sobre a estrutura.

Portanto, atinge-se o ELU quando a capacidade resistente da estrutura é excedida devido à combinação de cargas estáticas e dinâmicas impostas pelo terremoto.

A chave para isso é identificar possíveis pontos fracos na estrutura, como conexões inadequadas ou áreas suscetíveis a danos sísmicos, é crucial para fortalecer a capacidade resistente.

A capacidade resistente de estruturas em áreas sísmicas é regida por normas específicas, como a ABNT-NBR-15421.

Mas isso não é tudo, e o que são os Estados Limites de Serviço?

Então, os estados limites de utilização ou de serviço denotam condições críticas durante a utilização da estrutura.

Sendo assim, sua ocorrência resulta em efeitos estruturais que desconsideram as condições especificadas para o uso da construção ou indicam falta de compromisso com a durabilidade.

E entenda isso, a repetição de situações configuradas como estados limites de serviço pode conduzir a estados limites últimos.

Exemplos desses estados limites incluem danos estruturais localizados que comprometem a estética ou a durabilidade da estrutura, tais como fissuras e deformações em excesso.

Além disso, vibrações excessivas que causam desconforto a pessoas ou danificam equipamentos sensíveis são cenários que se enquadram nesse contexto.

No entanto, a identificação e monitoramento desses estados limites de serviço são cruciais para garantir a integridade e o desempenho da estrutura durante sua vida útil.

Ou seja, no método dos Estados limites existe um estado limite de serviço, onde a partir de um determinado nível de solicitação, a estrutura deixa de ter utilidade, apesar dela não entrar em ruína.

Exemplos de Situações de Estruturas em ELS

Agora, imagine como seria, você entrar numa casa residencial, e encontrar na sala uma viga, e vê-la encurvada, isto é, com um deslocamento bem acentuado?

Imagine como seria, você entrar num shopping, e observar as pessoas subindo as escadas comuns e perceber a existência de uma vibração nas escadas?

Imagine como seria, você entrar num galpão Industrial, e com a intensidade do vento, você sente que a estrutura vibra, ou seja, chacoalha como uma corda, com um barulho acentuado?

Portanto, em todas essas situações, são exemplos de estados limites de serviço.

A propósito, a estrutura não entrará em colapso, mas os usuários não se sentirão confortáveis ao usá-la.

Mesmo assim, ela deixou de ser útil para a sua função pretendida, então esses são os estados limites de serviço.

Existe uma Probabilidade maior de um ELS acontecer, do que um ELU?

Sim, porque nós não estamos colocando patrimônio ou vidas em risco, então, nós podemos obter um pouco mais de economia, sem colocar estes riscos na mesa.

Logo, a probabilidade dos estados limites de serviço acontecerem é maior do que a probabilidade de um estado limite último.

Portanto, qualquer efeito que afete a aparência, a utilização e a durabilidade de uma estrutura, também devem ser reduzidos ou eliminados por completo.

Em resumo, durante o ciclo de vida da estrutura, é comum contemplar estados limites de serviço, os quais se manifestam por meio de condições como:

• Danos leves ou localizados, capazes de impactar a estética da construção ou a durabilidade da estrutura;
• Deformações excessivas que comprometam a utilização convencional da estrutura ou seu apelo estético;
• Ocorrência de vibrações em excesso, resultando em desconforto perceptível;

Conclusão;

Hoje você aprendeu sobre os estados limites do concreto armado, e são conceitos críticos na área de projetos estruturais em Engenharia civil.

Enquanto o ELU objetiva uma estrutura segura e econômica sob condições ambientais extremas e cargas máximas, o ELS objetiva conforto e facilidade no seu dia-a-dia.

Sendo assim, ignorar qualquer um deles pode levar a vários problemas durante o ciclo de vida do empreendimento em questão.

Portanto, espero que o artigo tenha contribuído com o seu aprendizado.

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