Tirantes e cadeias em alvenaria: projeto e funções na construção civil

As estruturas em alvenaria apresentam frequentemente problemas de amarração entre as paredes, tornando o edifício vulnerável a fenômenos de tombamento fora do plano. Para resolver efetivamente tais críticas estruturais, é possível intervir utilizando os chamados “tirantes”. Trata-se de elementos estruturais constituídos por uma barra metálica resistente à tração denominada “cadeia”, ancorada às paredes perimetrais através de elementos de fixação apropriados. Os tirantes conectam entre si paredes opostas, conferindo à estrutura uma maior coesão e resistência às solicitações horizontais, como aquelas causadas por eventos sísmicos.

No artigo a seguir, examinaremos em detalhe o funcionamento dos tirantes e das cadeias de alvenaria, oferecendo um guia prático sobre como projetar e instalar efetivamente esses dispositivos para o reforço das estruturas em alvenaria. Ilustraremos os princípios fundamentais do seu dimensionamento, os materiais a serem utilizados e as técnicas de instalação, garantindo assim uma maior durabilidade e segurança do edifício.

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O que são os tirantes e as cadeias?

O termo “tirantes” é utilizado na engenharia estrutural para indicar elementos metálicos unidimensionais, comumente feitos de aço, que são empregados para reforçar as estruturas em alvenaria que não possuem uma amarração adequada entre as paredes.

Esses elementos têm a função de assegurar um comportamento caixa nas estruturas de alvenaria, através da interação dos seguintes componentes:

• bulbo: é o elemento principal do tirante, constituído por uma barra de aço com seção transversal circular ou retangular, que atravessa a estrutura para conectar paredes opostas e prevenir fenômenos de tombamento. A cadeia é projetada para resistir exclusivamente a esforços de tração.
• Cabeça de ancoragem: é o elemento terminal do tirante, situado nas extremidades da cadeia, que funciona por contraste e pode ser do tipo “a estaca” ou “a placa”. Esta última pode assumir uma forma circular ou retangular dependendo das necessidades estruturais. A cabeça de ancoragem assegura a correta ancoragem do tirante à alvenaria, permitindo regular a tensão e garantir a eficácia do reforço.

A inserção de tirantes é uma técnica de reforço estrutural muito comum para os edifícios em alvenaria, pois se mostra particularmente eficaz para a adequação e o melhoramento sísmico. Os tirantes e as cadeias ajudam, de fato, a prevenir o tombamento fora do plano das paredes e a garantir o comportamento caixa do edifício sob a ação sísmica. Esta solução técnica é considerada uma das mais eficazes, simples e econômicas para intervir em estruturas de alvenaria existentes, tanto de forma provisória quanto definitiva, com o objetivo de restaurar a estabilidade estrutural e garantir uma eficaz segurança das paredes em alvenaria.

Tirante construção civil

Qual é a função dos tirantes nas alvenarias?

Os tirantes desempenham um papel fundamental em conferir estabilidade e resistência às estruturas de alvenaria, prevenindo fenômenos de colapso e garantindo um comportamento adequado do edifício sob as diversas solicitações. Especificamente, esses elementos são capazes de assegurar as seguintes funcionalidades:

• reforço estrutural: os tirantes conferem à estrutura um comportamento caixa e monolítico, que assegura uma maior solidez e resistência em relação às ações horizontais causadas pelo vento ou por terremotos;
• prevenção do tombamento: as cadeias contribuem para manter na posição vertical as paredes que não estão bem conectadas entre si, evitando fenômenos de tombamento fora do plano que podem levar ao colapso de toda a estrutura;
• contraste das pressões: os tirantes ajudam a prevenir efetivamente o deslocamento ou o colapso dos elementos de alvenaria sujeitos a pressões laterais causadas por elementos empurradores como arcos, abóbadas ou telhados inclinados;
• melhoria da coesão: na ausência de cordões ou outros elementos que conectem os pisos às paredes perimetrais, os tirantes ajudam a aumentar a coesão geral da estrutura e a distribuir melhor as forças, conectando de forma eficaz as diferentes partes que a compõem;
• controle dos assentamentos: conferindo um comportamento caixa à estrutura, as cadeias podem limitar os assentamentos diferenciais das fundações (ou seja, os deslocamentos relativos entre diferentes partes estruturais), melhorando a estabilidade geral e reduzindo os movimentos entre as várias partes do edifício.

Onde posicionar os tirantes?

A fim de explicitar adequadamente as funções anteriormente ilustradas, é fundamental garantir tanto um dimensionamento adequado dos tirantes quanto uma correta colocação dos mesmos, respondendo a necessidades específicas de caráter estático e estrutural. Em particular:

• em plano, os tirantes devem ser posicionados adjacentes às paredes de espinha, ou seja, às paredes ortogonais às paredes perimetrais às quais os tirantes estão ancorados. Isso porque as paredes de espinha funcionam como elementos de contraste em relação à compressão exercida pela tração das cadeias sobre a estrutura. A proximidade das paredes de espinha permite que os tirantes “descarreguem” corretamente as forças de tração geradas, evitando que estas solicitem de maneira excessiva e descontrolada as paredes perimetrais;
• em elevação, os tirantes devem ser instalados ao nível dos horizontes, logo abaixo do intradorso do piso. Dessa forma, mesmo o piso, se dotado de uma laje rígida, contribuirá para contrastar as forças de tração exercidas pelos tirantes. Essa colocação permite, portanto, aproveitar ao máximo a contribuição estrutural oferecida pelos pisos, obtendo assim um melhor comportamento estático geral da estrutura.

Correto posicionamento tirantes

6 passos para a instalação dos tirantes

Para garantir um consolidação estrutural eficaz, a instalação dos tirantes deve ocorrer através de uma série de passos fundamentais, a seguir esquematizados:

1. eventual pré-consolidação da alvenaria: se as paredes afetadas pela intervenção estão deterioradas ou apresentam baixa resistência, é necessário, primeiramente, proceder com injeções de material consolidante (como argamassa cimentícia ou resinas), a fim de reforçar a alvenaria e garantir uma ancoragem adequada para os tirantes;
2. realização de furos nas paredes: a fase seguinte consiste em fazer furos passantes através das paredes a serem reforçadas, com um diâmetro apropriado, a fim de permitir a inserção posterior das cadeias;
3. inserção dos tirantes: uma vez preparados os furos, procede-se à inserção das cadeias dentro das paredes. Estas podem ser constituídas por barras metálicas ou por cabos de aço devidamente dimensionados;
4. criação do bulbo de ancoragem: para assegurar um bloqueio eficaz dos tirantes dentro dos furos, é injetado sob pressão material cimentício ou resinoso, que cria um bulbo de ancoragem na extremidade do tirante;
5. fixação das placas de ancoragem: nas extremidades dos tirantes são fixadas as placas metálicas, que permitem distribuir as forças de tração sobre a superfície da parede e contrabalançar a ação de tração;
6. tensionamento dos tirantes: a última fase prevê a aplicação da tensão desejada aos tirantes, geralmente obtida através do aperto de porcas roscadas.

Como projetar os tirantes?

Para projetar um tirante de modo a impedir a cinemática de tombamento de uma parede de alvenaria, utiliza-se o procedimento da análise cinemática linear que prevê os passos a seguir:

1. identificação da cinemática de tombamento: em primeiro lugar, identifica-se o tipo de cinemática de tombamento (simples ou composto) que poderia ocorrer na parede de alvenaria;
2. aplicação do princípio dos trabalhos virtuais: aplica-se o princípio dos trabalhos virtuais considerando o equilíbrio dos momentos de tombamento (Mr) e estabilizantes (Ms). Os primeiros são causados pelas cargas externas que tendem a tombar a parede (como as sísmicas), enquanto os segundos são devidos à ação dos tirantes e ao peso próprio da estrutura que tendem a manter a parede em posição;
3. determinação do multiplicador de ativação do mecanismo α₀: ao estabelecer o equilíbrio dos momentos, obtém-se o multiplicador α₀, que representa a aceleração horizontal que determina a ativação do mecanismo de tombamento;
4. comparação com a máxima aceleração no solo esperada: o valor α₀ é comparado com a máxima aceleração no solo prevista para o estado limite considerado, em conformidade com o que estabelece a norma técnica. Se α₀ for inferior a este valor, é necessário dimensionar o tirante para evitar o tombamento fora do plano da parede;
5. determinação da tração necessária: redefine-se, então, o equilíbrio dos momentos considerando também o momento estabilizante devido à tração T da cadeia metálica. Este último será a variável a ser determinada e seu valor será calculado impondo a igualdade entre o momento estabilizante e o momento de tombamento, atribuindo ao multiplicador α o valor da aceleração sísmica esperada no solo;
6. distribuição da tração nos tirantes: uma vez calculada a tração T, divide-se este valor pelo número de tirantes a serem instalados na parede, obtendo-se a tração associada a cada cadeia individual (T_c);
7. dimensionamento da seção da cadeia: determinado o valor da tração T_c de cada tirante, procede-se ao seu dimensionamento à tração, assegurando-se de que a cadeia possa suportar tal força.

A verificação de um tirante em aço consiste em comparar a resistência à tração da cadeia com a solicitação axial de tração que atua sobre ela. No entanto, esta não é a única verificação a ser realizada, pois é necessário também considerar a resistência ao cisalhamento da parede segundo os possíveis mecanismos de ruptura e verificar a resistência do capochave comparando a tensão que se desenvolve no sistema de ancoragem com a tensão de cálculo ao escoamento do aço.

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