Ter conhecimento suficiente dos códigos e padrões de projeto mais recentes e aplicáveis permite que um engenheiro estrutural prepare soluções de projeto econômicas e seguras para diferentes estruturas. Em essência, estruturas como edifícios de concreto e aço devem ser projetadas para resistir às forças aplicadas em várias combinações / condições de carregamento. Isso é especialmente verdadeiro para locais de projeto onde desastres naturais como tempestades / tufões e terremotos ocorrem com frequência.
Quatro (4) casos de carga básica são considerados ao projetar edifícios de aço. As duas primeiras são predominantemente aplicadas ao longo da direção da gravidade, enquanto as cargas subsequentes são predominantemente aplicadas na direção lateral. A explicação adicional destes casos de carga de base é a seguinte:
1. Cargas Mortas (D)
Cargas mortas são cargas aplicadas à estrutura ao longo da direção de gravidade. Estes incluem o auto-peso da estrutura (toda a construção permanente), e outros materiais permanentemente ligados à estrutura.
2. Cargas ativas (L)
Cargas vivas também são aplicadas ao longo da direção da gravidade. Estas são as cargas calculadas de acordo com a ocupação da estrutura. As cargas vivas podem variar em diferentes locais da estrutura. Por exemplo, a magnitude da carga dinâmica para um espaço / sala de escritório deve ser diferente daquela da área de armazenamento de um edifício particular.
3. Cargas de Vento (W)
As cargas do vento são uma combinação de cargas laterais e verticais aplicadas às superfícies de contato do edifício. O cálculo da carga de vento para uma estrutura específica considera vários fatores. A geometria da estrutura, a velocidade máxima do vento no local do projeto, categoria de exposição, efeito de rajada, direcionalidade e topografia são apenas alguns dos principais fatores a serem considerados ao projetar edifícios.
4. Cargas Sísmicas (E)
As cargas sísmicas/sísmicas são forças calculadas devido aos eventos sísmicos a que a estrutura será submetida. Factores como a fonte sísmica mais próxima, a magnitude do terramoto, o tipo de solo e o tipo de Sistema de resistência à força sísmica a utilizar são alguns dos factores a considerar no cálculo das cargas sísmicas de projecto para uma estrutura.
O princípio básico do projeto estrutural é selecionar a melhor seção de um membro estrutural que possa resistir com segurança e economia às cargas aplicadas a ele. Essas cargas incluem várias combinações de gravidade e forças laterais de acordo com as disposições do código de referência. Uma seção de aço estrutural é considerada econômica se puder resistir a cargas enquanto mantém um peso próprio ideal (geralmente expresso em massa por unidade de comprimento). Um peso próprio otimizado da seção implica que as seções de aço mais leves precisam ser fabricadas e efetivamente reduz o custo do material. Atualmente, existem duas filosofias de design que estão sendo usadas ao projetar estruturas de aço. Estes são o Método de Projeto de Tensão Permitida (ASD) e o Método de Projeto de Fator de Carga e Resistência (LRFD).
No método de projeto de tensões admissível, a secção de aço a selecionar deve ter propriedades transversais (isto é, área e momento de inércia) adequadas para resistir às cargas máximas aplicadas com um valor admissível. As cargas aplicadas podem ser na forma de forças axiais de compressão ou tracção, forças cisalhadoras, momentos de flexão e torção. Cada forma da carga aplicada é comparada com um valor admissível da resistência da secção. .
Este valor admissível é designado por força admissível. A resistência admissível é definida tomando a resistência nominal da secção de aço e dividindo-a por um factor de segurança (FS).
O valor de FS varia para diferentes tipos de condições de carga. Por exemplo, o fator de segurança para a capacidade do momento de flexão deve ser diferente do fator de segurança para a capacidade de cisalhamento da secção.
No projeto de fator de carga e resistência, a resistência seccional de um membro sob condições de falha é considerada. O processo de design em LRFD é feito pegando a soma das cargas de serviço aplicadas e multiplicando-a por um fator de carga individual para cada tipo de carga. As cargas fatoradas são então aplicadas à estrutura. A seleção do tamanho do membro é determinada calculando a resistência da seção de aço escolhida e multiplicando-a por um fator de redução. Para ilustrar isso melhor, o princípio de funcionamento por trás do LRFD é expresso da seguinte forma:
As cargas fatoradas são geralmente maiores do que as cargas de serviço, tornando os fatores de carga maiores que 1,0. A resistência fatorada é sempre menor que a resistência nominal da seção de aço, tornando o fator de resistência menor que 1,0.
Neste ponto, a discussão se concentrou na determinação da resistência seccional de um membro estrutural. Apesar de satisfazer os requisitos de resistência das cargas aplicadas, a capacidade de manutenção também é um critério importante na determinação do projeto certo para uma estrutura. Dois dos fatores mais comuns a serem considerados na capacidade de manutenção são a deflexão do membro e o desvio da história. Dependendo do código de projeto que rege, o critério de deflexão é satisfeito tomando a deflexão máxima de um membro estrutural devido às cargas aplicadas e comparando-a com a deflexão permitida prescrita no código. A deflexão permitida é expressa como uma fração do comprimento sem suporte do membro. Esta fração também varia dependendo da condição de carga que está sendo considerada (por exemplo, D apenas, L apenas, D mais L).
O segundo factor a considerar na verificação da aptidão ao serviço é o desvio da estrutura. Entende-se por deriva a deslocação lateral do edifício quando sujeito a combinações de carga que envolvam cargas transitórias (cargas de vento e sismo). Na prática, a deriva é calculada nas juntas Viga-coluna da estrutura, por piso. O deslocamento de uma junta em uma história em relação a uma abaixo é chamado de deriva inter-história.
Para combinações de carga de serviço envolvendo cargas de vento, a deriva inter-história admissível é avaliada como H/600 a H/400, onde H é a altura da história. O valor admissível é referido no apêndice CC (Considerações de Manutenção) do ASCE 7-16 (Cargas Mínimas de Projeto para Edifícios e Outras Estruturas).
Para combinações de carga de serviço envolvendo terremoto / cargas sísmicas, a deriva sísmica entre andares não deve ser maior que 2,50% da altura da história sendo considerada para estruturas com um período fundamental de menos de 0,70 s. Para estruturas com um período fundamental de 0,70 s ou mais, a deriva sísmica entre andares não deve ser maior que 2,00% da altura do andar em consideração. A deriva sísmica é de natureza inelástica devido à resposta inelástica do sistema sísmico de resistência à força. A deriva inelástica é calculada usando a seguinte equação:
Onde Δm é a deriva inelástica, R é o Fator de modificação da resposta sísmica, e Δs é a deriva elástica. Os limites de deriva prescritos foram baseados em estudos que determinam a tolerância de elementos estruturais e não estruturais de um edifício contra deslocamentos laterais sob eventos sísmicos.
É importante que a segurança e a economia sejam consideradas ao projetar edifícios de qualquer tipo de material (ou seja, concreto armado, aço estrutural ou uma combinação de ambos). Esses dois fatores devem andar de mãos dadas para chegar a projetos de construção eficientes para ocupações variadas. A resistência da seção adequada e os limites de utilização, conforme prescrito pelos códigos estruturais locais / governamentais, devem ser observados pelo Engenheiro Estrutural, especialmente para áreas freqüentemente atingidas por desastres naturais, como terremotos e fortes tufões. A implementação estrita desses códigos de design de referência garante o desempenho ideal do edifício, mantendo a segurança e o bem-estar do público em geral.
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