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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL ESTADOS LIMITES DE SERVIÇO EM ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO AMÉRICO CAMPOS FILHO 2014 SUMÁRIO 1 – Determinação das tensões em seções de concreto armado nos estádios I e II ......................................................... 1 1.1 – Peças de concreto armado submetidas a solicitações de flexão ............................................................................ 1 1.2 – Determinação das tensões no concreto e nas armaduras no estádio Ia para um certo momento fletor ......... 3 1.3 – Determinação das tensões no concreto e nas armaduras no estádio II para um certo momento fletor ......... 4 1.4 – Exemplos ............................................................................................ ........................................................... 5 2 – Estados limites .................................................................................................................................................. 7 3 – Ações a considerar na verificação dos estados limites de serviço .................................................................... 8 3.1 – Valores de cálculo ......................................................................................................................................... 8 3.2 – Coeficientes de ponderação das ações nos estados limites de serviço .......................................................... 8 3.3 – Combinações de serviço ................................................................................................................................ 9 3.3.1 - Generalidades .............................................................................................................................................. 9 3.3.2 - Classificação ............................................................................................................................................... 9 3.3.3 – Combinações usuais de serviço ............................................................................................... ................... 9 4 – Deslocamentos limites ...................................................................................................................................... 10 5 - Controle da fissuração ............................................................................................................... 10 5.1 – Introdução .......................................................................................... ........................................................... 10 5.2 – Limites para a fissuração e proteção das armaduras à durabilidade .............................................................. 10 5.3 – Controle da fissuração quanto à aceitabilidade sensorial e utilização ........................................................... 13 6 – Momento de fissuração .................................................................................................................................... 14 7 – Estado limite de deformação excessiva ............................................................................................................ 14 7.1 – Avaliação aproximada da flecha em vigas .................................................................................................... 15 7.2 – Flecha imediata em vigas de concreto armado .............................................................................................. 16 7.3 – Cálculo da flecha diferida no tempo para vigas de concreto armado ............................................................ 16 8 – Estado limite de fissuração ............................................................................................................................... 17 9 – Exemplo de verificação do estado limite de deformações excessivas em uma viga ........................................ 18 10 – Exemplo de verificação do estado limite de abertura das fissuras em uma viga ............................................ 20 11 – Programa para a verificação dos estados limites de serviço em vigas de concreto armado .................................. 22 Referências bibliográficas ...................................................................................................................................... 22 Anexo – Aço destinado a armaduras para estruturas de concreto armado (NBR7480:2007) ................................. 23 Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 1 1 – Determinação das tensões em seções de concreto armado nos estádios I e II 1.1 – Peças de concreto armado submetidas a solicitações de flexão Figura – Viga de concreto armado Ao realizar-se um ensaio de uma viga de concreto armado, submetendo-a a um carregamento de zero até a ruptura, observam-se quatro fases de comportamento distinto, conforme apresentado na Tabela 1. Tabela 1 – Fases de comportamento distinto de uma peça submetida à flexão Fases Deformações Tensões Características Estádio Ia - Concreto não fissurado; - As tensões são proporcionais às deformações. Estádio Ib - Concreto não fissurado; - As tensões não são proporcionais às deformações na zona tracionada. Estádio II - Formam-se as fissuras; - O concreto não resiste à tração; - As tensões são proporcionais às deformações na zona comprimida. Estádio III - As tensões não são proporcionais às deformações. As seções permanecem planas até a ruptura. Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 2 Figura – Distribuição de deformações na seção Seja uma seção de concreto armado, que está submetida à flexão simples normal. Pode-se escrever que: xd'dxyxhx 12ytc Estas relações são válidas do estádio I ao estádio III. Multiplicando-se, cada uma das parcelas, por e s cs s c E EE E E obtêm-se )xd( E )'dx( E y E xh E x E e 1s e 2syctccc Se as tensões forem proporcionais às deformações: )xd()'dx(yxhx e 1 e 2ytc estádio Ia )xd()'dx(x e 1 e 2c estádio II As 'A s 'd d h x y c 2 y 1 t Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 3 1.2 - Determinação das tensões no concreto e nas armaduras no estádio Ia para um certo momento fletor SEÇÃO TRANSVERSAL DIAGRAMA DE DEFORMAÇÕES DIAGRAMA DE TENSÕES NO CONCRETO ESFORÇOS ATUANTES X ESFORÇOS RESISTENTES Figura – Seção de concreto armado no estádio Ia Condição de equilíbrio à translação: 012 ' )( AAdyb ssyx xh y 0)xd()1(A)'dx)(1(Adyby ese ' sy x )xh( O primeiro termo desta equação corresponde ao momento estático da seção de concreto em relação à linha neutra. O segundo e o terceiro termo correspondem ao momento estático das armaduras em relação à linha neutra, aumentado “e” vezes, ou o momento estático de áreas fictícias e.As’ e e.As de concreto em relação à linha neutra. Assim, o momento estático da seção homogeneizada de concreto em relação à linha neutra é igual a zero. Esta condição é empregada para determinar a posição da linhaneutra (valor de x). Condição de equilíbrio à rotação em relação à linha neutra MxdAdxAdyyb ssy x xh y )()'( 12 ' )( como ktetancons )xd()'dx(y I e 1 e 2y M)xd(A)'dx(A)1(dyybk 2s's 2ex )xh( 2yI A primeira parcela, entre as chaves, é o momento de inércia da seção de concreto em relação à linha neutra. A segunda parcela é o momento de inércia das armaduras em relação à linha neutra, aumentado “e” vezes. A soma destas duas parcelas é o momento de inércia da seção homogeneizada de concreto em relação à linha neutra. Assim, I M k H x I I e, portanto, x y c 2 y 1 t As 'A s 'd d h b y y dy LN x y t c c M t 2'A s 1As Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 4 x I M H x I c )( xh I M H x I t )'dx( I M H x I e2 )xd( I M H x I e1 1.3 - Determinação das tensões no concreto e nas armaduras no estádio II para um certo momento fletor SEÇÃO TRANSVERSAL DIAGRAMA DE DEFORMAÇÕES DIAGRAMA DE TENSÕES NO CONCRETO ESFORÇOS ATUANTES X ESFORÇOS RESISTENTES Figura – Seção de concreto armado no estádio II Condição de equilíbrio à translação: 012 ' 0 AAdyb ssyx y 0)xd(A)'dx)(1(Adyby ese ' sy x 0 O primeiro termo desta equação corresponde ao momento estático da seção comprimida de concreto em relação à linha neutra. O segundo e o terceiro termo correspondem ao momento estático das armaduras em relação à linha neutra, aumentado “e” vezes. Assim, o momento estático da seção homogeneizada de concreto em relação à linha neutra é igual a zero. Esta condição é empregada para determinar a posição da linha neutra (valor de x). Condição de equilíbrio à rotação em relação à linha neutra MxdAdxAdyyb ssy x y )()'( 12 ' 0 como ktetancons )xd()'dx(y II e 1 e 2y M)xd(A)'dx(A)1(dyybk 2see 's 2x 0 2 yII x y c 2 y 1 t x y c c M 2'A s 1As As 'A s 'd d h b y y dy LN Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 5 A primeira parcela, entre as chaves, é o momento de inércia da seção comprimida de concreto em relação à linha neutra. A segunda parcela é o momento de inércia das armaduras em relação à linha neutra, aumentado “e” vezes. A soma destas duas parcelas é o momento de inércia da seção homogeneizada de concreto em relação à linha neutra. Assim, I M k H x II II e, portanto, x I M H x II c )'dx( I M H x II e2 )xd( I M H x II e1 1.4 - Exemplos Exemplo 1: Determinar a distribuição de tensões e deformações em uma seção retangular de concreto armado, que se encontra no estádio Ia. A seção está submetida a um momento fletor de 11 kN.m e apresenta dimensões b = 20 cm, h = 50 cm, d = 45 cm e d’ = 5 cm. A armadura tracionada é formada por três barras de 16 mm e a comprimida por duas barras de 8 mm. O concreto é o C20. - áreas de armadura: cm01,1503,02'A82'A cm03,6011,23A163A 2 ss 2 ss - módulo de elasticidade secante do concreto: 87,9 7,128.2 000.21 E E MPa287.2120560085,0f560085,0EE c s e 2/12/1 ckcsc - posição da linha neutra: cm84,25x 67,451.27x44,062.1 0x4503,65x01,1187,9 2 x5020 2 x20 22 Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 6 - momento de inércia da seção homogeneizada: cm565.23284,254503,6584,2501,187,8 3 84,255020 3 84,2520 I Hx 422 33 I - tensões e deformações: ‰0426,0;cm/kN894,084,254587,9107299,4 ‰0463,0;cm/kN973,0584,2587,9107299,4 ‰0536,0;cm/kN114,084,2550107299,4 ‰0573,0;cm/kN122,084,25107299,4 107299,4 565.232 100.1 k 1 23 1 2 23 2 t 23 t c 23 c 3 I Exemplo 2: Determinar a distribuição de tensões e deformações em uma seção retangular de concreto armado, que se encontra no estádio II. A seção está submetida a um momento fletor de 40 kN.m e apresenta dimensões b = 20 cm, h = 50 cm, d = 45 cm e d’ = 5 cm. A armadura tracionada é formada por quatro barras de 20 mm e a comprimida por duas barras de 10 mm. O concreto é o C20. - áreas de armadura: cm57,1785,02'A102'A cm57,12142,34A204A 2 ss 2 ss - módulo de elasticidade secante do concreto: 87,9 7,128.2 000.21 E E MPa287.2120560085,0f560085,0EE c s e 2/12/1 ckcsc - posição da linha neutra: cm86,17 cm66,31 x 06,652.5x99,137x10 0x4557,1287,95x57,1187,9 2 x20 2 2 - momento de inércia da seção homogeneizada: cm667.13186,174557,1287,9586,1757,187,8 3 86,1720 I Hx 422 3 II Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 7 - tensões e deformações: ‰388,0;cm/kN14,886,174587,9100380,3 ‰184,0;cm/kN86,3586,1787,9100380,3 ‰255,0;cm/kN543,086,17100380,3 100380,3 667.131 000.4 k 1 22 1 2 22 2 c 22 c 2 II 2 - Estados limites Para se projetar uma estrutura com um adequado grau de segurança é necessário que se verifique a não ocorrência de uma série de estados limites. Estes estados limites podem ser classificados em estados limites últimos (ELU) e estados limites de serviço (ELS). Os estados limite últimos correspondem à máxima capacidade portante da estrutura. O estados limites de serviço são aqueles relacionados à durabilidade das estruturas, aparência, conforto do usuário e a boa utilização funcional da mesma, seja em relação aos usuários, seja às máquinas e aos equipamentos utilizados. Nas estruturas de concreto armado, devem ser verificados os seguintes estados limites últimos: a) estado limite último da perda do equilíbrio da estrutura, admitida como corpo rígido; b) estado limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, no seu todo ou em parte, devido às solicitações normais e tangenciais; c) estado limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, no seu todo ou em parte, considerando os efeitos de segunda ordem; d) estado limite último provocado por solicitações dinâmicas. e) estado limite último de colapso progressivo; f) estado limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, no seu todo ou em parte, considerando exposição ao fogo, conforme a ABNT NBR 15200; g) estado limite último de esgotamento da capacidade resistente da estrutura, considerando ações sísmicas, de acordo com a ABNT NBR 15421. Os estados limites de serviço, que devem ser verificados nas estruturas de concreto armado, são: a) estado limite de abertura das fissuras: estado em que as fissuras se apresentam com aberturas iguaisaos máximos especificados; b) estado limite de deformações excessivas: estado em que as deformações atingem os limites estabelecidos para a utilização normal da construção; c) estado limite de vibrações excessivas: estado em que as vibrações atingem os limites estabelecidos para a utilização normal da construção. Neste trabalho, são discutidos os estados limites de serviço de abertura das fissuras (ELS- W) e de deformações excessivas (ELS-DEF). Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 8 3 – Ações a considerar na verificação dos estados limites de serviço 3.1 – Valores de cálculo Os valores de cálculo Fd das ações são obtidos a partir dos valores representativos, multiplicando-os pelos respectivos coeficientes de ponderação f. Este coeficiente de ponderação é determinado pela expressão: f = f1 f2 f3 onde: f1 considera a variabilidade das ações; f2 considera a simultaneidade de atuação das ações; f3 considera os desvios gerados nas construções, não explicitamente considerados, e as aproximações feitas em projeto do ponto de vista das solicitações. 3.2 - Coeficientes de ponderação das ações nos estados limites de serviço Em geral, o coeficiente de ponderação das ações, para estados limites de serviço, é dado pela expressão: f = f2 onde f2 tem valor variável conforme a verificação que se deseja fazer (Tabela 2): f2 = 1 para combinações raras; f2 = 1 para combinações frequentes; f2 = 2 para combinações quase permanentes. Tabela 2 - Valores do coeficiente f2 (NBR6118:2014) Ações f2 o 1 1) 2 Cargas acidentais de edifícios Locais em que não há predominância de pesos de equipamentos que permanecem fixos por longos períodos de tempo, nem de elevadas concentrações de pessoas 2) 0,5 0,4 0,3 Locais em que há predominância de pesos de equipamentos que permanecem fixos por longos períodos de tempo, ou de elevada concentração de pessoas 3) 0,7 0,6 0,4 Biblioteca, arquivos, oficinas e garagens 0,8 0,7 0,6 Vento Pressão dinâmica do vento nas estruturas em geral 0,6 0,3 0 Temperatura Variações uniformes de temperatura em relação à média anual local 0,6 0,5 0,3 1) Para os valores de 1 relativos às pontes e principalmente aos problemas de fadiga, ver seção 23 (NBR6118:2014). 2) Edifícios residenciais. 3) Edifícios comerciais, de escritórios, estações e edifícios públicos. Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 9 3.3 - Combinações de serviço 3.3.1 - Generalidades Um carregamento é definido pela combinação das ações que têm probabilidades não desprezáveis de atuarem simultaneamente sobre a estrutura, durante um período preestabelecido. A combinação das ações deve ser feita de forma que possam ser determinados os efeitos mais desfavoráveis para a estrutura e a verificação da segurança em relação aos estados limites últimos e aos estados limites de serviço deve ser realizada em função de combinações últimas e combinações de serviço, respectivamente. 3.3.2 - Classificação As combinações de serviço são classificadas de acordo com sua permanência na estrutura e devem ser verificadas como estabelecido a seguir: a) quase-permanentes: podem atuar durante grande parte do período de vida da estrutura e sua consideração é necessária na verificação do estado limite de deformações excessivas. b) frequentes: se repetem muitas vezes durante o período de vida da estrutura e sua consideração é necessária na verificação dos estados limites de formação de fissuras, de abertura de fissuras e de vibrações excessivas. Devem também ser consideradas para verificações de estados limites de deformações excessivas decorrentes de vento ou temperatura que podem comprometer as vedações. c) raras: ocorrem algumas vezes durante o período de vida da estrutura e sua consideração é necessária na verificação do estado limite de formação de fissuras. 3.3.3 - Combinações usuais de serviço As combinações usuais de serviço estão dispostas na Tabela 3. Tabela 3 – Combinações de serviço (NBR6118:2014) Combinações de serviço (ELS) Descrição Cálculo das solicitações Combinações quase- permanentes de serviço (CQP) Nas combinações quase-permanentes de serviço, todas as ações variáveis são consideradas com seus valores quase- permanentes 2 Fqk Fd, ser = Fgi,k + 2j Fqj,k Combinações frequentes de serviço (CF) Nas combinações frequentes de serviço, a ação variável principal Fq1 é tomada com seu valor frequente 1 Fq1k e todas as demais ações variáveis são tomadas com seus valores quase-permanentes 2 Fqk Fd,ser = Fgik + 1 Fq1k + 2j Fqjk Combinações raras de serviço (CR) Nas combinações raras de serviço, a ação variável principal Fq1 é tomada com seu valor característico Fq1k e todas as demais ações são tomadas com seus valores frequentes 1 Fqk Fd,ser = Fgik + Fq1k + 1j Fqjk Fd,ser é o valor de cálculo das ações para combinações de serviço Fq1k é o valor característico das ações variáveis principais diretas 1 é o fator de redução de combinação frequente para ELS 2 é o fator de redução de combinação quase-permanente para ELS Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 10 4– Deslocamentos limites Deslocamentos limites são valores práticos utilizados para verificação em serviço do estado limite de deformações excessivas da estrutura. Segundo a NBR6118:2014, os deslocamentos limites são classificados nos quatro grupos básicos a seguir relacionados e devem obedecer aos limites estabelecidos na Tabela 4 a) aceitabilidade sensorial: caracterizado por vibrações indesejáveis ou efeito visual desagradável; b) efeitos específicos: os deslocamentos podem impedir a utilização adequada da construção; c) efeitos em elementos não estruturais: deslocamentos estruturais podem ocasionar o mau funcionamento de elementos que, apesar que não fazerem parte da estrutura, estão a ela ligados; d) efeitos em elementos estruturais: os deslocamentos podem afetar o comportamento do elemento estrutural, provocando afastamento em relação às hipóteses de cálculo adotadas. Se os deslocamentos forem relevantes para o elemento considerado, seus efeitos sobre as tensões ou sobre a estabilidade da estrutura devem ser considerados, incorporando-as ao modelo estrutural adotado. 5- Controle da fissuração e proteção das armaduras 5.1 - Introdução A fissuração em elementos estruturais de concreto armado é inevitável, devido à grande variabilidade e a baixa resistência do concreto à tração. Mesmo sob as ações de serviço (utilização), valores críticos de tensões de tração são atingidos. Visando obter bom desempenho relacionado à proteção das armaduras, quanto à corrosão e à aceitabilidade sensorial dos usuários, deve-se controlar a abertura dessas fissuras. De maneira geral, a presença de fissuras com aberturas que respeitem os limites fixados pela NBR6118:2014, em estruturas bem projetadas, construídas e submetidas às cargas previstas na normalização, não representarão perda de durabilidade ou perda de segurança quanto aos estados limites últimos. As fissuras podem ainda ocorrer por outras causas, como retração plástica térmica ou devido a reações químicas internas do concreto nas primeiras idades, devendo ser evitadas ou limitadas por cuidados tecnológicos, especialmente na definição do traço e na cura do concreto. 5.2 - Limites para fissuração e proteção das armaduras quanto à durabilidade A abertura máxima característicawk das fissuras, desde que não exceda valores da ordem de 0,2 mm a 0,4 mm, sob ação das combinações frequentes, não tem importância significativa na corrosão das armaduras passivas. Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 11 Tabela 4 - Limites para deslocamentos (NBR6118:2014) Tipo de deslocamento Razão da limitação Exemplo Deslocamento a considerar Deslocamento limite Aceitabilidade sensorial Visual Deslocamentos visíveis em elementos estruturais Total /250 Outro Vibrações sentidas no piso Devidos a cargas acidentais /350 Estrutura em serviço Superfícies que devem drenar água Coberturas e varandas Total /2501) Pavimentos que devem permanecer planos Ginásios e pistas de boliche Total /350 + contra- flecha 2) Ocorrido após a construção do piso /600 Elementos que suportam equipamentos sensíveis Laboratórios Ocorrido após nivelamento do equipamento De acordo com recomendação do fabricante do equipamento Efeitos em elementos não estruturais Paredes Alvenaria, caixilhos e revestimentos Após a construção da parede /5003) ou 10 mm ou =0,0017 rad4) Divisórias leves e caixilhos telescópicos Ocorrido após a instalação da divisória /2503) ou 25 mm Movimento lateral de edifícios Provocado pela ação do vento para combinação frequente (1=0,20) H/2500 ou Hi/1250 5) entre pavimentos 6) Movimentos térmicos verticais Provocado por diferença de temperatura /4007) ou 15 mm Forros Movimentos térmicos horizontais Provocado por diferença de temperatura Hi/500 Revestimentos colados Ocorrido após construção do forro /350 Revestimentos pendurados ou com juntas Deslocamento ocorrido após construção do forro /175 Ponte rolante Desalinhamento de trilhos Deslocamento provocado pelas ações decorrentes da frenação H/400 Efeitos em elementos estruturais Afastamento em relação às hipóteses de cálculo adotadas Se os deslocamentos forem relevantes para o elemento considerado, seus efeitos sobre as tensões ou sobre a estabilidade da estrutura devem ser considerados, incorporando-as ao modelo estrutural adotado. Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 12 Tabela 4 - (NBR6118:2014) - continuação Observações: a) Todos os valores limites de deslocamentos supõem elementos de vão suportados em ambas as extremidades por apoios que não se movem. Quando se tratar de balanços, o vão equivalente a ser considerado deve ser o dobro do comprimento do balanço. b) Para o caso de elementos de superfície, os limites prescritos consideram que o valor é o menor vão, exceto em casos de verificação de paredes e divisórias, onde interessa a direção na qual a parede ou divisória se desenvolve, limitando-se esse valor a duas vezes o vão menor. c) O deslocamento total deve ser obtido a partir da combinação das ações características ponderadas pelos coeficientes de acompanhamento definidos na NBR6118:2014. d) Deslocamentos excessivos podem ser parcialmente compensados por contraflechas. NOTAS: 1) As superfícies devem ser suficientemente inclinadas ou o deslocamento previsto compensado por contraflechas, de modo a não se ter acúmulo de água. 2) Os deslocamentos podem ser parcialmente compensados pela especificação de contraflechas. Entretanto, a atuação isolada da contraflecha não pode ocasionar um desvio do plano maior que /350. 3) O vão deve ser tomado na direção na qual a parede ou a divisória se desenvolve. 4) Rotação nos elementos que suportam paredes. 5) H é a altura total do edifício e Hi o desnível entre dois pavimentos vizinhos. 6) Esse limite aplica-se ao deslocamento lateral entre dois pavimentos consecutivos devido à atuação de ações horizontais. Não devem ser incluídos os deslocamentos devidos a deformações axiais nos pilares. O limite também se aplica para o deslocamento vertical relativo das extremidades de lintéis conectados a duas paredes de contraventamento, quando Hi representa o comprimento do lintel. 7) O valor refere-se à distância entre o pilar externo e o primeiro pilar interno. Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 13 Na Tabela 5, são dados valores limites da abertura limite característica wk das fissuras, assim como outras providências visando garantir proteção adequada das armaduras quanto à corrosão. Entretanto, devido ao estágio atual dos conhecimentos e da alta variabilidade das grandezas envolvidas, esses limites devem ser vistos apenas como critérios para um projeto adequado de estruturas. Embora as estimativas de abertura de fissuras devam respeitar esses limites, não se deve esperar que as aberturas de fissuras reais correspondam estritamente aos valores estimados, isto é, fissuras reais podem eventualmente ultrapassar esses limites. Tabela 5 – Exigências de durabilidade relacionadas à fissuração e à proteção da armadura, em função das classes de agressividade ambiental (NBR6118:2014) Tipo de concreto estrutural Classe de agressividade ambiental (CAA) e tipo de proteção Exigências relativas à fissuração Combinação de ações em serviço a utilizar Concreto simples CAA I a CAA IV Não há -- Concreto armado CAA I ELS-W wk 0,4 mm Combinação frequente CAA II e CAA III ELS-W wk 0,3 mm CAA IV ELS-W wk 0,2 mm Concreto protendido nível 1 (protensão parcial) Pré tração com CAA I ou Pós tração com CAA I e II ELS-W wk 0,2 mm Combinação frequente Concreto protendido nível 2 (protensão limitada) Pré tração com CAA II ou Pós tração com CAA III e IV Verificar as duas condições abaixo ELS-F Combinação frequente ELS-D* Combinação quase permanente Concreto protendido nível 3 (protensão completa) Pré tração com CAA III e IV Verificar as duas condições abaixo ELS-F Combinação rara ELS-D* Combinação frequente Para as classes de agressividade ambiental CAA-III e IV exige-se que as cordoalhas não aderentes tenham proteção especial na região de suas ancoragens. * A critério do projetista, o ELS-D pode ser substituído pelo ELS-DP com ap = 50 mm. 5.3 - Controle da fissuração quanto à aceitabilidade sensorial e à utilização No caso das fissuras afetarem a funcionalidade da estrutura, como, por exemplo, no caso da estanqueidade de reservatórios, devem ser adotados limites menores para as aberturas das fissuras. Para controles mais efetivos da fissuração nestas estruturas é conveniente a utilização da protensão. Por controle de fissuração quanto à aceitabilidade sensorial, entende-se a situação em que as fissuras passam a causar desconforto psicológico aos usuários, embora não representem perda de segurança da estrutura. Limites mais severos de aberturas de fissuras podem ser estabelecidos com o contratante. Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 14 6 – Momento de fissuração Nos estados limites de serviço, as estruturas trabalham parcialmente no Estádio I e parcialmente no Estádio II. A separação entre essas duas situações é definida pelo momento de fissuração. Esse momento podeser calculado pela seguinte expressão aproximada: y Ifα M t cct r sendo = 1,2 para seções T ou duplo T, = 1,3 para seções I ou T invertido e = 1,5 para seções retangulares; onde: é o fator que correlaciona aproximadamente a resistência à tração na flexão com a resistência à tração direta; yt é a distância do centro de gravidade à fibra mais tracionada; Ic é o momento de inércia da seção bruta de concreto; fct é a resistência à tração direta do concreto, conforme o item 8.2.5 da NBR6118:2014, com o quantil apropriado a cada verificação particular. Para a determinação do momento de fissuração deve ser usado o fctk,inf no estado limite de formação de fissura e o fctm no estado limite de deformação excessiva. Conforme o item 8.2.5 da NBR6118:2014, a resistência à tração direta pode ser avaliada por meio das seguintes equações: fctk,inf = 0,7 fctm fctk,sup = 1,3 fctm - para concretos de classes até C50: fctm = 0,3 fck 2/3 - para concretos de classes de C50 até C90: fctm = 2,12 ln (1+0,11 fck) onde fctm e fck são expressos em megapascais. 7 – Estado limite de deformação excessiva A verificação dos valores limites, estabelecidos na Tabela 4, para a deformação da estrutura, deve ser realizada através de modelos que considerem a rigidez efetiva das seções do elemento estrutural. Assim, estas verificações devem levar em consideração a presença da armadura, a existência de fissuras no concreto ao longo dessa armadura e as deformações diferidas no tempo. A deformação real da estrutura depende também do processo construtivo, assim como das propriedades dos materiais (principalmente do módulo de elasticidade e da resistência à tração) no momento de sua efetiva solicitação. Em face da grande variabilidade dos Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 15 parâmetros citados, existe uma grande variabilidade das deformações reais. Não se pode esperar, portanto, grande precisão nas previsões de deslocamentos dadas pelos processos analíticos a seguir prescritos. 7.1 - Avaliação aproximada da flecha em vigas O modelo de comportamento da estrutura pode admitir o concreto e o aço como materiais de comportamento elástico e linear, de modo que as seções ao longo do elemento estrutural podem ter as deformações específicas determinadas no Estádio I, desde que os esforços não superem aqueles que dão início à fissuração, e no Estádio II, em caso contrário. Deve ser utilizado no cálculo o valor do módulo de elasticidade secante Ecs, calculado através da expressão: Ecs = i . Eci sendo: 0,1 80 f 2,08,0 cki e onde, Eci é o módulo de deformação tangente inicial, que pode ser calculado pelas expressões: Eci = E . 5600 fck 1/2 , para fck de 20 MPa a 50 MPa; Eci = 21,5.10 3 . E (fck/10 + 1,25) 1/3 , para fck de 55 MPa a 90 MPa. sendo: E = 1,2 para basalto e diabásio E = 1,0 para granito e gnaisse E = 0,9 para calcário E = 0,7 para arenito onde, Eci e fck são dados em MPa. A Tabela 6 apresenta valores estimados arredondados que podem ser usados no projeto estrutural. Tabela 6 – Valores estimados do módulo de elasticidade em função da resistência característica à compressão do concreto (considerando o uso de granito como agregado graúdo) Classe de resistência C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C60 C70 C80 C90 Eci (GPa) 25 28 31 33 35 38 40 42 43 45 47 Ecs (GPa) 21 24 27 29 32 34 37 40 42 45 47 i 0,85 0,86 0,88 0,89 0,90 0,91 0,93 0,95 0,98 1,00 1,00 É obrigatória a consideração do efeito da fluência na determinação da flecha das vigas. Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 16 7.2 - Flecha imediata em vigas de concreto armado Para uma avaliação aproximada da flecha imediata em vigas, pode-se utilizar a expressão de rigidez equivalente dada a seguir: ccsII 3 a r c 3 a r cseq I.E.I M M 1I M ME(EI) onde : Ic é o momento de inércia da seção bruta de concreto; III é o momento de inércia da seção fissurada de concreto no Estádio II; Ma é o momento fletor na seção crítica do vão considerado, momento máximo no vão para vigas biapoiadas ou contínuas e momento no apoio para balanços, para a combinação de ações considerada nessa avaliação; Mr é o momento de fissuração do elemento estrutural, cujo valor deve ser reduzido à metade no caso de utilização de barras lisas; Ecs é o módulo de elasticidade secante do concreto. 7.3 - Cálculo da flecha diferida no tempo para vigas de concreto armado A flecha adicional diferida, decorrente das cargas de longa duração em função da fluência, pode ser calculada de maneira aproximada pela multiplicação da flecha imediata pelo fator f dado pela expressão: sendo: bd A' ρ' s e )ξ(tξ(t)Δξ 0 O coeficiente é função do tempo, que deve ser calculado pelas expressões seguintes: 0,32 t)t.(0,9960,68ξ(t) para t 70 meses (t) = 2 para t > 70 meses onde: t é o tempo, em meses, quando se deseja o valor da flecha diferida; t0 é a idade, em meses, relativa à data de aplicação da carga de longa duração. No caso de parcelas da carga de longa duração serem aplicadas em idades diferentes, pode-se tomar para t0 o valor ponderado a seguir: i i0i 0 ΣP tΣP t onde: Pi são as parcelas de carga; t0i é a idade em que se aplicou cada parcela i, em meses. ρ501 Δξ αf Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 17 Alternativamente, o valor de pode ser tirado da Tabela 7. Tabela 7 – Valores do coeficiente em função do tempo (NBR6118:2014) Tempo (t) meses 0 0,5 1 2 3 4 5 10 20 40 70 Coeficiente (t) 0 0,54 0,68 0,84 0,95 1,04 1,12 1,36 1,64 1,89 2 O valor da flecha total deve ser obtido multiplicando a flecha imediata por (1+f). 8 - Estado limite de fissuração Este item define os critérios para a verificação dos valores limites estabelecidos para a abertura de fissuras, nos elementos estruturais lineares, analisados isoladamente e submetidos à combinação de ações especificadas. O valor da abertura das fissuras pode sofrer a influência de restrições às variações volumétricas da estrutura difíceis de serem consideradas nessa avaliação de forma suficientemente precisa. Além disso, essa abertura sofre também a influência das condições de execução da estrutura. Por essas razões, os critérios, apresentados a seguir, devem ser encarados como avaliações aceitáveis do comportamento geral do elemento, mas não garantem avaliação precisa da abertura de uma fissura específica. Para cada elemento ou grupo de elementos das armaduras passiva e ativa aderente (excluindo-se os cabos protendidos que estejam dentro de bainhas), que controlam a fissuração do elemento estrutural, deve ser considerada uma área Acr do concreto de envolvimento, constituída por um retângulo cujos lados não distam mais de 7,5 do eixo da barra de armadura. Figura - Concreto de envolvimento da armadura É conveniente que toda a armadura de pele i da viga, na sua zona tracionada, limite a abertura de fissuras na região Acri correspondente. O valor da abertura característica de fissuras, wk, determinado para cada parte da região de envolvimento, é o menor entre os obtidos pelas expressões que seguem:ctm si si si i i k f 3σ E σ 12,5η w Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 18 45 ρ 4 E σ 12,5η w risi si i i k onde: si, i, Esi, ri são definidos para cada área de envolvimento em exame; Acri é a área da região de envolvimento protegida pela barra i; Esi é o módulo de elasticidade do aço da barra i considerada; i é o diâmetro da barra que protege a região de envolvimento considerada; ri é a taxa de armadura passiva ou ativa aderente (que não esteja dentro de bainha) em relação à área da região de envolvimento (Acri); si é a tensão de tração no centro de gravidade da armadura considerada, calculada no Estádio II. O cálculo no Estádio II (que admite comportamento linear dos materiais e despreza a resistência à tração do concreto) pode ser feito considerando a relação e entre os módulos de elasticidade do aço e do concreto igual a 15. i é o coeficiente de conformação superficial da armadura considerada, devendo ser adotados os valores de 1 da tabela abaixo para as armaduras passivas. Tabela 7 – Coeficiente de conformação superficial Tipo de barra Lisa (CA-25) Entalhada (CA-60) Alta aderência (CA-50) 1,0 1,4 2,25 9 - Exemplo de verificação do estado limite de deformações excessivas em uma viga Seja uma viga simplesmente apoiada com vão de 5 m, submetida a uma carga uniformemente distribuída p=25 kN/m. Estima-se que 60% desta carga é de natureza permanente e 40%, variável. A seção transversal da viga é retangular com bw=25 cm e h=45 cm. A armadura longitudinal inferior é composta por 7 barras de 12,5 mm (5 na primeira camada e 2 na segunda) e a superior por 2 barra de 6,3 mm. A armadura transversal é composta por estribos de 6,3 mm de diâmetro. O concreto é o C20 (agregado granito) e o aço é CA50. O cobrimento da armadura é de 2,5 cm. A verificação deve ser realizada para a situação de aceitabilidade sensorial (deslocamentos visíveis em elementos estruturais). Considerar que a carga seja aplicada 2 meses após a concretagem. Solução: áreas de armadura: tracionada: 7 barras de 12,5 mm --> 7x1,227 = 8,59 cm 2 comprimida: 2 barras de 6,3 mm --> 2x0,312 = 0,624 cm 2 valores de d e d’: d= 45–[5x1,227(2,5+0,63+1,25/2)+2x1,227(2,5+0,63+1,25+2+1,25/2)]/8,59 = 40,32 cm d’= 2,5+0,63+0,63/2 = 3,445 cm carregamento: carga permanente: g = 0,60 x 25 kN/m = 15 kN/m carga variável: q = 0,40 x 25 kN/m = 10 kN/m total: p = 25 kN/m Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 19 carga de serviço (combinação quase-permanente): pd,serv = 15 + 0,3 x 10 = 18,0 kN/m momento de serviço: Md,serv = 18,0 x 5 2 / 8 = 56,25 kN.m valor médio da resistência à tração do concreto: fctm = 0,3 fck 2/3 = 0,3 (20) 2/3 = 2,21 MPa momento de fissuração: Mr = 0,25 x 0,221 x 25 x 45 2 = 2797 kN.cm = 27,97 kN.m como Md,serv>Mr, a seção mais solicitada da viga encontra-se no estádio II e a viga está fissurada. módulo de deformação longitudinal secante do concreto: 0,185,0 80 02 2,08,0 80 f 2,08,0 cki Ecs = i . E . 5600 fck 1/2 = 0,85 x 1 x 5600 (20) 1/2 = 21.287 MPa relação entre os módulos de deformação do aço e do concreto: e = 210.000 / 21.287 = 9,87 determinação da posição da linha neutra (estádio II): 25 x 2 / 2 + (9,87-1) [0,624(x-3,445)] – 9,87.8,59(40,32-x) = 0 ou 12,5 x 2 + 90,32 x – 3437,53 = 0 donde x = 13,36 cm ou x = -20,58 cm (absurdo) momento de inércia da seção bruta de concreto (estádio I): Ic = 25 x 45 3 / 12 = 189.844 cm 4 momento de inércia da seção homogeneizada (estádio II): III = 25x13,36 3 /3 + 8,87x0,624 (13,36-3,445) 2 + 9,87 x 8,59 (40,32-13,36) 2 = 82.040 cm 4 momento de inércia equivalente: Ieq = (27,97/56,25) 3 x 189844 + [1 – (27,97/56,25)3] x 82040 = 95.294 cm4 flecha de curta duração: f(t=0) = 5/384 pd,serv . 4 / (Ecs Ieq) = 5/384 0,180 kN/cm (500cm) 4 / (2128,7 kN/cm 2 x 95294 cm 4 ) = 0,722 cm fatores para determinação da flecha de longa duração: ’ = 0,624/ (25 x 40,32) = 0,0619% = 2 – 0,84 = 1,16 f = 1,16 / (1 + 50 x 0,000619) = 1,125 Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 20 flecha de longa duração: f(t= ) = (1+1,125) x 0,722 = 1,534 cm flecha máxima admissível: /250 vão teórico: fadm = 500/250 = 2,0 cm Como a flecha da viga é inferior à flecha admissível, a rigidez da viga é adequada. 10 – Exemplo de verificação do estado limite de abertura das fissuras em uma viga Seja uma viga simplesmente apoiada com vão de 5 m, submetida a uma carga uniformemente distribuída p=25 kN/m. Estima-se que 60% desta carga é de natureza permanente e 40%, variável. A seção transversal da viga é retangular com bw=25 cm e h=45 cm. A armadura longitudinal inferior é composta por 7 barras de 12,5 mm (5 na primeira camada e 2 na segunda) e a superior por 2 barra de 6,3 mm. A armadura transversal é composta por estribos de 6,3 mm de diâmetro. O concreto é C20 e o aço é CA50 (barras de alta aderência). O cobrimento da armadura de 2,5 cm. A situação de exposição da viga corresponde à classe de agressividade ambiental I (wk 0,4 mm). Solução: áreas de armadura: tracionada: 7 barras de 12,5 mm --> 7x1,227 = 8,59 cm 2 comprimida: 2 barras de 6,3 mm --> 2x0,312 = 0,624 cm 2 valores de d e d’: d= 45–[5x1,227(2,5+0,63+1,25/2)+2x1,227(2,5+0,63+1,25+2+1,25/2)]/8,59 = 40,32 cm d’= 2,5+0,63+0,63/2 = 3,445 cm carregamento: carga permanente: g = 0,60 x 25 kN/m = 15 kN/m carga variável: q = 0,40 x 25 kN/m = 10 kN/m total: p = 25 kN/m carga de serviço (combinação frequente): pd,ser = 15 + 0,4 x 10 = 19,0 kN/m momento de serviço: Md,ser = 19,0 x 5 2 / 8 = 59,38 kN.m valor característico da resistência à tração do concreto: fctm = 0,3 fck 2/3 = 0,3 (20) 2/3 = 2,21 MPa fctk = 0,7 fctm =0,7 x 2,21 = 1,55 MPa momento de fissuração: Mr = 0,25 x 0,155 x 25 x 45 2 = 1962 kN.cm = 19,62 kN.m como Md,ser>Mr, a seção mais solicitada da viga encontra-se no estádio II e a viga está fissurada. Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 21 relação entre os módulos de deformação do aço e do concreto: e = 15 determinação da posição da linha neutra (estádio II): 25 x 2 / 2 + (15-1) [0,624(x-3,445)] - 15.8,59(40,32-x) = 0 ou 12,5 x 2 + 137,59 x – 5225,3 = 0 donde x = 15,67 cm ou x = -26,68 cm (absurdo) momento de inércia da seção homogeneizada (estádio II): III = 25 x 15,67 3 /3 + 14 x 0,624(15,67–3,445)2+ 15 x 8,59 (40,32-15,67)2 = 111.662 cm4 tensão na armadura longitudinal tracionada: s = [15 x 5938/111662] (40,32-15,67) = 19,66 kN/cm 2 área de concreto junto à armadura tracionada (Acr): vai ser uma área correspondente a uma altura de sete diâmetros acima das barras da segunda camada Acr = 25 x (2,5+0,63+1,25+2+1,25+7x1,25) = 409,50 cm 2 taxa de armadura: r = 8,59 / 409,50 = 2,098% coeficiente de conformação superficial das barras de armadura: i = 2,25 verificação da fissuração: OKmm4,0<mm098,0=45+ 0982, 4x100 21000 66,19 25,2x5,21 12,5 =45+ 4 E5,21 rs s i OKmm4,0<mm111,0= 2210, 66,193x 21000 66,19 52,2x5,2112,5 = f 3 E5,21 ctm s s s i Atender uma das duas expressões já seria suficiente para se verificar que a situação está aquém do estado limite de fissuração inaceitável. Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 22 11 – Programa para a verificação dos estados limites de serviço em vigas de concreto armado Referências bibliográficas ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Projeto de estruturas de concreto – Procedimento: NBR6118. Rio de Janeiro, 2014. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Cargas para o cálculo de estruturas de edificações: NBR6120. Rio de Janeiro, 1980. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Ações e segurança nas estruturas - Procedimento: NBR8681. Rio de Janeiro, 2003. Departamento de Engenharia Civil - DECIV/UFRGS 23 ANEXO – AÇO DESTINADO A ARMADURAS PARA ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO (NBR7480:2007) Tabela 1 – Características das barras Diâmetro (mm) Área (cm 2 ) 6,3 0,312 8,0 0,503 10,0 0,785 12,5 1,227 16,0 2,011 20,0 3,142 22,0 3,801 25,0 4,909 32,0 8,042 40,0 12,566 Tabela 2 – Características dos fios Diâmetro (mm) Área (cm 2 ) 2,4 0,045 3,4 0,091 3,8 0,113 4,2 0,139 4,6 0,166 5,0 0,196 5,5 0,238 6,0 0,283 6,4 0,322 7,0 0,385 8,0 0,503 9,5 0,709 10,0 0,785
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