Comparativo de estruturas de concreto armado e de aço: estudo de caso

ARTIGO ORIGINAL

MOURA, Tiago Rodrigues Coelho de ^[1]

MOURA, Tiago Rodrigues Coelho de. Comparativo de estruturas de concreto armado e de aço: estudo de caso. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 04, Ed. 04, Vol. 04, pp. 24-42. Abril de 2019. ISSN: 2448-0959.

RESUMO

No Brasil, as estruturas mais usadas são compostas por concreto armado ou perfis de aço, sendo esse último bem comum em Shopping Center. Em função disso, para a escolha mais adequada a um projeto, é importante a comparação dessas estruturas em vários aspectos. Analisar as vantagens e desvantagens de um sistema de estruturas ajuda a compreendê-las melhor, pois a construção civil passa por grandes evoluções e renovações. Esse artigo é uma síntese do Trabalho de Conclusão de Curso apresentado por Moura (2018), na UNIEURO, Brasília-DF. Para isso, o estudo consistiu-se na análise comparativa de estrutura de concreto armado e de aço do projeto de um edifício comercial. As normas principais para esses sistemas estruturais são a NBR 6118 (ABNT, 2014) e a NBR 8800 (ABNT, 2008), respectivamente, para concreto armado e perfis de aço. Para obtenção das dimensões geométricas, foi feito o pré-dimensionamento, de forma analítica, usando as fórmulas e procedimentos expostos nas bibliografias consagradas. A análise estrutural foi feita por meio do software SAP2000 e Microsoft Excel. As verificações necessárias da estrutura foram realizadas conforme as exigências das normas supracitadas. As dimensões da fundação foram obtidas analiticamente com o uso do Microsoft Excel. Ao final, comparou-se os resultados de peso e influência nos elementos de fundação. Ficou evidente que o aço tem uma excelente vantagem que o concreto armado no quesito peso.

Palavras-Chave: Concreto, Aço, Estrutural, Peso, Fundação.

INTRODUÇÃO

Uma análise comparativa entre os sistemas estruturais de um projeto é de extrema importância para conhecer suas variáveis, como peso, dimensões dos elementos estruturais, fundação, custo e outros. Este artigo científico é uma síntese do Trabalho de Conclusão de Curso (TCC), “Análise Comparativa de Estruturas de Concreto Armado e de Aço”, Moura (2018), apresentado na UNIEURO de Águas Claras – DF. Os parâmetros analisados neste projeto foram o peso da estrutura e a dimensão da fundação rasa para cada sistema estrutural; concreto armado e aço. Essas análises nos dão um melhor entendimento da estrutura para melhor aplicá-las a um projeto.

Para o dimensionamento dos elementos foram usados os métodos apresentados em livros, normas ABNT e com o auxílio dos Softwares SAP2000 e Excel. Ainda, com base nessas normas, foram feitas as verificações necessárias dos elementos da estrutura.

É de senso comum definir as estruturas de aço como menos pesadas que as de concreto armado. Para isso, este artigo apresenta, de maneira mensurada, a diferença de cada tipo de estrutura para um projeto no quesito peso.

DESENVOLVIMENTO

CONSIDERAÇÕES TEÓRICAS DE CÁLCULO

Em obras definitivas, são necessários sistemas construtivos com muita resistência e durabilidade. O concreto armado e o aço (perfis metálicos) são os sistemas estruturais mais importantes na construção civil atual, sendo o primeiro o mais usado no mundo de acordo com Porto e Fernandes (2015).

Para realizar o dimensionamento de qualquer estrutura, antes, é necessário estabelecer as ações (forças na edificação) e suas combinações de acordo com as normas ABNT; para concreto armado aplica-se a NBR 6118 (ABNT, 2014) e para o aço, a NBR 8800 (ABNT, 2008). Na definição das cargas mínimas e acidentais, devem-se observar os dados expostos nas tabelas da NBR 6120 (ABNT, 1980).

No pré-dimensionamento e no dimensionamento, propriamente dito, faz-se o uso das metodologias estabelecidas nas literaturas consagradas no meio acadêmico, como por exemplo; Araújo (2010), Porto e Fernandes (2015), Pfeil e Pfeil (2000), além dos Softwares necessários.

As normas supracitadas também estabelecem que deva ser feitos algumas verificações nos elementos estruturais a fim de garantir sua resistência com certa margem de segurança. Essas verificações são feitas para os estados limites da estrutura; estado limite de serviço (ELS) e estado limite último (ELU). São exemplos dessas verificações: a força cortante mínimo, o momento fletor mínimo, o estádio dos elementos a flexão, a flambagem dos perfis metálicos, deslocamentos e outras.

O CONCRETO ARMADO

O concreto armado é a junção do concreto simples – agregado graúdo, agregado miúdo, cimento e água – com a armadura de aço. Essa junção de elementos melhora o desempenho das peças estruturais, tendo em vista que o concreto possui baixa resistência à tração. Na ausência de ensaio a tração do concreto, a NBR 6118 (ABNT, 2014), no seu item 8.2.5, estabelece que possa ser estimada a resistência à tração média em função da resistência característica do concreto (f_ck). O f_ck é definido inicialmente em função da classe de agressividade ambiental. A figura 1 expõe um esquema básico de concreto simples, onde a pasta de cimento é a combinação de cimento e água.

Figura 1 – Esquema do concreto.

Para determinar o peso de qualquer elemento, primeiro, deve-se conhecer o valor de sua massa específica (ρ) e seu volume. No caso do concreto armado, não havendo possibilidade de ensaio, a NBR 6118 (ABNT, 2014) define o valor da massa específica em 2500 kg/m³.

Conhecer as constantes físicas do concreto armado é necessário para o dimensionamento. O módulo de elasticidade é uma dessas constantes e a NBR 6118 (ABNT, 2014), no item 8.2.8, estabelece o procedimento para calcular seu valor aproximado.

O AÇO ESTRUTURAL

O aço para estruturas metálicas pode ser moldado em perfis laminados ou soldados, variando de acordo com cada projeto. A tensão de escoamento do aço (f_yk) é uma propriedade que indica a resistência característica a tração e compressão. Com base no valor dessa propriedade, faz-se o dimensionamento dos elementos estruturais, sendo que a mensuração da mesma, normalmente, é feita pelo fabricante.

As estruturas feitas com perfis metálicos possuem diversas variáveis que se dever levar em consideração em função do material constituinte, nesse caso, o aço. Segundo Frantz (2011), as vantagens do aço são;

– Alta resistência à tração, compressão e flexão;

– Elevada margem de segurança no trabalho;

– Não são fabricadas in loco, as peças chegam prontas no canteiro de obra;

– Possibilidade de desmontar as estruturas

– Material 100% reciclável.

e as principais desvantagens são;

– Corrosão, quando exposta aos intemperismo;

– Perda das propriedades de resistência, quando exposta ao fogo.

Semelhantemente ao descrito para o concreto armado, as propriedades mecânicas e físicas do aço estrutural é necessária para o correto dimensionamento e verificações. A NBR 8800 (ABNT, 2008) estabelece os seguintes valores para as propriedades mais usadas nos cálculos estruturais.

QUADRO 1 – PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO

Em condições normais de temperatura, de acordo com Pfeil e Pfeil (2000), as características físicas do aço são:

– Ductibilidade: é a capacidade de se deformar quando submetido às ações das cargas;

– Fragilidade: é o oposto de dúctil; o material se rompe com pouca deformação;

– Resiliência e Tenacidade: é capacidade que o material tem em absorver energia mecânica;

– Dureza: é a resistência ao risco ou abrasão;

– Fadiga: é a resistência à ruptura, quando submetido à esforços repetitivos;

– Elasticidade: é a capacidade de deformação antes de escoar, obedece à lei de Hooke.

O aço usado para dimensionamento desse projeto foi o CA-50, esse aço possui resistência característica ao escoamento (f_yk) em torno de 50 kN/cm² e sua massa especifica é de 7.850 kg/m³. Na determinação da resistência de cálculo (f_yd), o coeficiente de ponderação (γ_s) é de 1,15, conforme NBR 6118 (ABNT, 2014).

ESTRUTURA EM PÓRTICOS

As estruturas em pórticos são mais estáveis. Essa estrutura é reticulada – estruturas formadas por barras – em virtude disso, a análise foi feita em cada pórtico. A figura 2 representa a vista em perspectiva da estrutura do projeto objeto de estudo e a figura 3 é a planta baixa. O projeto é um edifício com três pavimentos para uso de salas comerciais.

Figura 2 – Esquema estrutural

Figura 3 – Planta baixa

CONSIDERAÇÕES DE PROJETO

Para esse projeto, foram feitas as seguintes considerações a fim de obter o peso próprio da edificação:

– Vedação: blocos cerâmicos com espessura de 9 cm e peso específico de 13 kN/m³;

– Revestido: argamassa (cal, cimento e areia) com espessura de 2,5 cm de ambos os lados e peso específicos de 19 kN/m³;

– Cobertura: telhas metálicas com isolamento térmico com peso de 4,6 kg/m²;

– Contrapiso: argamassa (cimento e areia) com espessura de 2,5 cm e peso específico de 21 kN/m³;

– Piso: vinílico em manta de 3 mm e peso de 3,315 kg/m²;

– Forro: carga de 0,5 kN/m² conforme tabela 2 da NBR 6120 (ABNT, 1980).

LAJES

Para ambos os sistemas estruturais, concreto armado e aço, foi usado a laje do tipo maciça. No cálculo dessas lajes, foram utilizadas as cargas acidentais mínimas, conforme a NBR 6120 (ABNT, 1980), e as cargas permanentes conforme considerações de projeto e pré-dimensionamento das mesmas. Após a obtenção dessas cargas, foi feita a combinação para os estados limites: ELS e ELU.

O pré-dimensionamento é necessário para se obter uma dimensão próxima do ideal para, só então, verificá-la. Nas lajes desse projeto, o resultado da altura de cada laje, peso próprio, sobrecarga (paredes, piso, etc.), carga permanente, carga acidental e combinações estão expostos na tabela 1. O coeficiente desfavorável de combinações das ações é de 1,4 conforme a NBR 6118 (ABNT, 2014).

Tabela 1 – Altura e carga nas lajes

Com base nos dados apresentados na tabela acima, foi calculado os momentos fletores com uso das tabelas de Czerny, posição da linha neutra (LN) e a flecha. Além disso, foi verificado o momento mínimo, estádio (x/d ≤ 0,45) e a flecha limite.

Conforme os cálculos apresentados por Moura (2018), os momentos mínimos são 284,5 kN.cm, 640,1 kN.cm e 751,3 kN.cm, respectivamente, para as lajes de altura igual a 8,0 cm, 12,0 cm e 13,0 cm. Com isso, a tabela 2 dispõe dos momentos considerados em cada laje e altura útil, sendo o cobrimento do aço de 2,5 cm para classe de agressividade ambiental II. Para a laje sob o PNE, adotou-se, também, o momento mínimo, com isso, basta adotar os resultados das lajes dos corredores.

Tabela 2 – Momentos nas lajes em  kN.CM e altura útil

Fonte: Moura (2018) adaptado

A determinação da linha neutra é necessária para conhecer o estádio em que o elemento de concreto armado, trabalhando a flexão, está submetido. A figura 4 mostra, de forma esquemática, a posição da linha neutra em um elemento estrutural sob esforço de flexão. Na tabela 3 constam os resultados obtidos no dimensionamento deste projeto.

Figura 4 – Esquema da posição da linha neutra

TABELA 3 – Posição da linha neutra e verificação

Nas lajes, também é feita a verificação no estado limite de serviço, que é o cálculo da flecha e a comparação com os limites estabelecidos na tabela 13.3 da NBR 6118 (ABNT, 2014). No cálculo da flecha total, leva-se em consideração a flecha imediata, após a retirada das escoras, e a flecha devido ao efeito da fluência do concreto ao longo do tempo. Para fluência, foi adotado um tempo de 70 meses.

Tabela 4 – Verificação das flechas nas lajes

Após a realização de todas as verificações, confirmando as dimensões pré-dimensionadas, faz-se a transferência das cargas para os apoios, no caso, as vigas. Essa transferência é feita obedecendo às proporções de área conforme exposto na figura 5.

Figura 5 – Áreas De Transferência De Carga Das Lajes

VIGAS DE CONCRETO ARMADO

As vigas são pré-dimensionadas em função do maior vão, que, nesse caso, é de 6,15 m. A dimensão da alma (b) da viga varia de acordo com sua altura (h) adotada. Para as vigas de concreto armado deste projeto, as dimensões da altura e alma ficaram, respectivamente, em 55 cm e 20 cm.

Com essas dimensões, obteve-se o peso próprio que, somado às cargas das lajes, foi usado para calcular o momento fletor e força cortante com o uso do software SAP2000. As figuras 6, 7 e 8 mostram os gráficos desses esforços e deslocamento para os pórticos mais solicitados de todo o projeto.

Figura 6 – Gráfico com maior valor de momento fletor (M_Sd)

Figura 7 – Gráfico com maior valor de força cortante (V_Sd)

Figura 8 – Gráfico da deformada do pórtico

Com base nos resultados obtidos nesses gráficos, foi possível realizar as verificações necessárias para elementos de concreto armado submetidos à flexão. As tabelas 5, 6 e 7 mostram os cálculos e as verificações para os estados limites: ELU e ELS. O cálculo da força cortante resistente (V_Rd2) é feito conforme NBR 2018 (ABNT, 2014). Do mesmo modo das lajes maciças, faz-se o cálculo e a verificações da LN.

Tabela 5 – Verificação Da Força Cortante Resistente (V_Rd2)

Fonte: Moura (2018) adaptado

Tabela 6 – Verificação Da Posição Da Linha Neutra (Ln)

Fonte: Moura (2018) adaptado

Tabela 7 – Verificação Da Flecha No Els

Fonte: Moura (2018) adaptado

Feito todas essas análises, fica confirmada as dimensões das vigas em toda a estrutura. Dessa forma, parte-se para o cálculo dos pilares.

PILARES DE CONCRETO ARMADO

Para pré-dimensionamento do pilar, faz-se necessário obter o somatório de todas as cargas que chegam à seção transversal da base do mesmo. Sendo as lajes e as vigas já dimensionadas, calcula-se o peso desses elementos em uma área de influência – trata-se da área em que todo o peso é transmitido ao pilar – e acrescenta o peso próprio do pilar. Esse peso próprio do pilar, no caso de pré-dimensionamento, inicialmente é obtido em função da área mínima da seção transversal do pilar, 360 cm², exigida na NBR 6118 (ABNT, 2014). A figura 9 mostra como é a área de influência do pilar mais solicitado desse projeto.

Figura 9 – Área De Influência Do Pilar Mais Solicitado

Para essa área de influência, a carga total que chega à seção transversal na base do pilar é de 384,96 kN. Sendo a resistência de cálculo do concreto expressa na equação abaixo, onde o coeficiente de ponderação (γ_c) é de 1,4 e o f_ck do concreto de 25 MPa (2,5 kN/cm²) para classe de agressividade ambiental II. Esses parâmetros são exigidos pela NBR 6118 (ABNT, 2014).

A fim de compatibilizar os pilares com as vigas, foi adotado um lado dos pilares com dimensão de 20 cm. Com esses dados em mãos, calcula-se a outra dimensão mínima dos pilares, pois, sabe-se que a tensão é a força dividida pela área.

Através das considerações feitas, obteve-se a outra dimensão dos pilares em 10,78 cm, porém, a área da seção transversal para essas dimensões é de 215,58 cm², o que não é permitido pela NBR 6118 (ABNT, 2014). Para evitar esse problema e obter resultado satisfatório na verificação e na esbeltez, adotou-se uma dimensão de 30 cm para todos os pilares, exceto o da figura 9, que na verificação passou com 35 cm.

Após o dimensionamento no software SAP2000, verificou-se que a carga total na base dos pilares, levando em consideração os coeficientes de segurança, é muito maior que os valores pré-dimensionados. A figura 10 mostra a as maiores cargas nos pilares mais solicitados.

Figura 10 – Cargas Axiais Acumuladas Nos Pilares

Em função desses valores na figura 10, foi possível a verificação das dimensões dos pilares. Essa verificação pode ser vista na tabela 8.

TABELA 8 – VERIFICAÇÃO DOS PILARES

Fonte: Moura (2018)

PESO DA ESTRUTURA EM CONCRETO ARMADO

O peso total da estrutura é obtido em função das dimensões geométricas dos elementos que a compõe. Conforme pode ser visto nos itens anteriores, as dimensões finais desses elementos estruturais estão confirmadas nas verificações, com isso pode-se obter o peso de cada um e, em seguida, o peso total. As tabelas 9 e 10 mostram como foi realizado o cálculo desse peso.

Tabela 9 – Cálculo do peso das vigas de concreto armado

Fonte: Moura (2018)

Tabela 10 – Cálculo do peso dos pilares de concreto armado

Fonte: Moura (2018)

Com os valores calculados nas tabelas acima, chega-se ao peso total da estrutura, levando em consideração apenas as vigas e pilares. Esse peso total é de 1998,413 kN.

FUNDAÇÃO RASA PARA ESTRUTURA DE CONCRETO ARMADO

Todos os elementos de fundação devem ser dimensionados em função dos esforços causados pela estrutura da edificação e do tipo de solo. Para este projeto, foi usada uma análise de SPT (Standard Penetration Test), cujo valor no N_spt, onde foi assentada a fundação rasa tipo sapata, foi de 5, esse valor significa que o solo tem baixa resistência.

Cintra, Aoki e Albiero (2003) definem que a resistência de um solo pode ser obtida, de forma aproximada, conforme equação abaixo. O valor obtido para esse projeto foi de 149,5 kN/m².

Com esse valor de resistência do solo e as cargas axiais advindas dos pilares, foi possível calcular a área de todas as sapatas. O somatório da área de todas as sapatas, para a estrutura de concreto armado, foi de 97,84 m².

VIGAS E PILARES DE AÇO

Para cada elemento estrutural, as literaturas estabelecem uma forma de pré-dimensionamento. Após esse pré-dimensionamento, dimensionou-se e verificou-se. Para as vigas metálicas o perfil estabelecido foi o W 310×74,0 e para os pilares o perfil H 200×52,0, ambos da Gerdal. Para cada tipo de esforço, são necessárias algumas verificações. Nas vigas, elementos a flexão, faz-se três verificações conforme a NBR 8800 (ABNT, 2008): verificação da flambagem lateral com torção (FLT), da flambagem lateral da alma (FLA) e da flambagem lateral da mesa (FLM). Nos elementos submetidos a compressão, que é o caso dos pilares, faz-se a verificação da esbeltez.

A figura 11 é o diagrama de momento fletor para o pórtico com maior solicitação desse esforço. Com base nesse dado, momento fletor máximo obtido de 151,3 kN.m, foi possível a verificação das vigas.

Figura 11 – Diagrama de momento fletor para pórtico de aço

Quadro 2 – Dados do perfil das vigas e considerações de cálculos

Nos quadros a seguir, está exposto o procedimento de verificação do esforço a flexão conforme NBR 8800 (ABNT, 2008). Esse cálculo é parte do TCC cujo esse artigo é a síntese.

Quadro 3 – Cálculo do momento resistente a flambagem lateral com torção

Quadro 4 – Cálculo do momento resistente a flambagem lateral da mesa

Quadro 5 – Cálculo do momento resistente a flambagem lateral da alma e verificação

Para a verificação dos pilares, foi escolhido o mais solicitado, cujos resultados estão apresentados a seguir.

Quadro 6 – verificação a compressão

PESO DA ESTRUTURA EM AÇO

Após serem feito todos esses procedimentos do item anterior, foi possível calcular o peso da estrutura. As tabelas 11 e 12 estão os cálculos para as vigas e pilares em perfis de aço.

Tabela 11 – Cálculo do peso das vigas de aço

Fonte: Moura (2018)

Tabela 12 – Cálculo do peso dos pilares de aço

Fonte: Moura (2018)

Normalmente, em estruturas metálicas, recomenda-se considerar um peso de 10 N/m² para os componentes de ligação. De acordo com o projeto arquitetônico, a área total é de 1149,7 m², com isso, o peso adicional desses componentes é de 11,497 kN.

O peso total da estrutura, objeto desse estudo, é o somatório do peso dos pilares, vigas e componentes de ligação. Com todas essas considerações feitas, o peso total dessa estrutura, em perfis de aço, foi de 549,919 kN.

FUNDAÇÃO RASA PARA ESTRUTURA DE AÇO

Para o cálculo da fundação da estrutura em perfis de aço, foi feita as mesmas considerações da estrutura de concreto armado, exceto o peso, que, obviamente, se refere aqui ao aço. Com isso, o somatório das áreas de todas as sapatas foi 84,51 m².

COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS

Os gráficos 1 e 2 mostram os resultados obtidos nos cálculos, com base neles pode-se comparar os resultados. Essa comparação mostra a diferença entra cada um desses sistemas estruturais analisados.

Gráfico 1 – Comparação do peso total da estrutura em kN.

Gráfico 2 – comparação da área total das sapatas

Em m².

CONCLUSÃO

Em virtude das análises de comparação feitas, fica facilitada a escolha de um sistema estrutural que se adeque melhor à finalidade de um projeto no quesito peso. O grande desafio das obras correntes de engenharia é o elevado peso das estruturas de concreto armado. A escolha por materiais mais resistentes e leves é uma boa alternativa para projetos ousados e esbeltos, por exemplo, com isso os perfis de aço pode ser uma opção. Conforme pode ser visto na comparação dos resultados, a estrutura em aço é bem mais leve que as de concreto armado.

Conforme citado por Moura (2018), o aço possui uma massa específica de 7850 kg/m³ em média e o concreto armado tem 2500 kg/m³ conforme NBR 6118 (ABNT, 2014). Considerando o mesmo volume, o aço é 3,14 vezes mais pesado que o concreto, porém, o aço é mais resistente e, na compressão, chega a 10 vezes a resistência do concreto C25, por exemplo. Conforme pode ser visto nos resultados, é possível reduzir o peso da edificação com o uso de perfis de aço.

Para esse projeto, levando em consideração as vigas e pilares, é possível verificar que a estrutura em concreto armado é 263,88% mais pesada que em aço. Com isso, conclui-se que esse valor é bastante significativo nas obras de engenharia.

Comparando a área total dos elementos de fundação em contato com o solo (sapata rasa), é possível notar também uma diferença. A área das sapatas para estrutura de concreto armado excede em 15,77% a de aço. Essa diferença na fundação só não foi maior, pois ambas as estruturas possuem lajes maciças. Outro fator que pode ser analisado, a fim reduzir ainda mais o peso, é análise dos tipos de lajes a ser usado no projeto, porém, essa não foi objeto desse estudo.

REFERÊNCIAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: projeto de estruturas de concreto: procedimento. Rio de Janeiro, 2014.

______. NBR 6120: cargas para o cálculo de estruturas de edificações: procedimento. Rio de Janeiro, 1980.

______. NBR 8800: projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios: procedimento. Rio de Janeiro, 2008.

ARAUJO, J. M. Curso de Concreto Armado. 3. ed. Rio Grande: Dunas, 2010.

CINTRA, J. C. A.; AOKI, N.; ALBIERO, J. H. Tensão admissível em fundações diretas. São Carlos: RiMa, 2003.

FRANTZ, J. L. Dimensionamento de pavilhão industrial com estrutura em aço. Santa Cruz do Sul: UNISC, 2011.

MOURA, T. R. C. Análise Comparativa de Estruturas de Concreto Armado e de Aço. 2018. 61 fls. TCC (Graduação em Engenharia Civil) – UNIEURO, Brasília, 2018.

PFEIL, W.; PFEIL, M. Estruturas de Aço, dimensionamento prático. 7. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora LTDA, 2000.

PORTO, T. B.; FERNANDES, D. S. G. Curso básico de concreto armado. São Paulo: Oficina de textos, 2015.

PROPIEDADES PRINCIPALES DEL CONCRETO. Disponível em: <https://civil geeks.com/2011/12/11/propiedades-principales-del-concreto/>. Acesso em: 10 jan. 2019.

^[1] Pós-graduando em MBA em Gestão de Obras na Construção Civil no Instituto Brasileiro de Formação (IBF), Engenheiro Civil pelo Centro Universitário UNIEURO e técnico em Telecomunicações Aeronáuticas pela Escola de Especialista de Aeronáutica (EEAR).

Enviado: Março, 2019

Aprovado: Abril, 2019