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EXEMPLOS DE VIGAS – CISALHAMENTO E FLEXÃO Januário Pellegrino Neto1 2 Professor Associado da Escola de Engenharia Mauá – CEUN-IMT; Professor Assistente do Departamento de Engenharia de Estruturas e Geotécnica da Escola Politécnica da USP. 1. Introdução O objetivo destes exemplos é a aplicação dos conceitos das seções 17 e 18 da NBR 6118:2014. Vigas de concreto armado, isostática e contínua, submetidas às solicitações tangenciais e normais em aplicações simples de projeto são estudadas. Com o intuito de apresentar um roteiro prático para o projeto de estruturas de concreto armado, serão desenvolvidos três exemplos: I. Cisalhamento devido à força cortante numa viga isostática; II. Dimensionamento e detalhamento de uma viga contínua; III. Dimensionamento e detalhamento de uma viga submetida à torção. 2. Exemplo I - Cisalhamento devido à força cortante numa viga isostática Para a viga simplesmente apoiada, cujo esquema estrutural e diagrama de força cortante estão indicados na figura 2.1, considera-se classe de agressividade II, concreto C25 (fck=25MPa) e aço CA50 (fyk=500MPa). Figura 2.1 – Esquema estrutural e diagrama de Vk da viga V1(20/80). O concreto C25 atende a seção 7 da NBR 6118:2014 com relação à durabilidade (tabela 7.1), e adota- se um cobrimento c=3,0cm, especificado na tabela 7.2. Admite-se altura útil d=72cm (d=0,9h). O estudo do cisalhamento devido à força cortante será desenvolvido de acordo com a seção 17 da NBR 6118:2014, verificando-se o estado-limite último (17.4.2) no cálculo da resistência (17.4.2.1) e admitindo-se o modelo de cálculo I (17.4.2.2). Devem-se verificar, simultaneamente, as seguintes condições: V1 (20/80) 20202020 (20/40) P1 P2 (20/40) 4,0 m3,0 m 3,0 m 100kN 20 kN/m P1=200kN P2=200kN 200 140 40 100kN 200 140 40 Vk (kN) − verificação da compressão diagonal do concreto (biela de compressão) 2Sd RdV V≤ , onde SdV é a força cortante solicitante de cálculo, na seção; 2RdV é a força cortante resistente de cálculo à compressão. 2 20,27Rd V cd wV f b dα= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ; 2 1 250 ck V f α = − e ckf , expresso em megapascal (MPa). − cálculo da armadura transversal 3Sd RdV V≤ , 3RdV é a força cortante resistente de cálculo à tração diagonal. 3Rd c SwV V V= + , 0c cV V= , ��� = 0,6 ∙ � � ∙ � ∙ �, ,infctk ctd c ff γ = , a parcela absorvida por mecanismos complementares ao da treliça; 0,9swSw ywd AV d f s = ⋅ ⋅ ⋅ , a parcela resistida pela armadura transversal. Sendo wb a largura da seção, d a altura útil da seção, s o espaçamento entre estribos, ywdf é a tensão no estribo, considerando-o na vertical ( 90α = � ), ctdf a resistência à tração de cálculo do concreto e ,infctkf a resistência à tração característica do concreto, explicitada na seção 8, item 8.2.5, por 2/3 2/3 ,inf ,0,7 0,7 0,3 0,21ctk ct m ck ckf f f f= ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ , sendo ckf expresso em megapascal (MPa). Resultando para o cálculo da armadura transversal (estribo): 0,9 sw Sd c ywd A V V s d f − = ⋅ ⋅ . Para o dimensionamento e detalhamento das vigas de concreto armado, as disposições construtivas têm grande importância na execução e também para atender o modelo resistente de cálculo evitando rupturas frágeis. Assim sendo, deve-se respeitar a taxa de armadura mínima swρ , explicitada em 17.4.1.1.1, dada por: ,0,2 ct mswsw w ywk fA b s fρ = ≥ ⋅⋅ O diâmetro dos estribos ( tφ - bitola) e seu espaçamento longitudinal ( s ), são apresentados no item 18.3.3.2: 5 10 w t b mm φ≤ ≤ , 2 2 0,6 30 , 0,67 7 0,3 20 , 0,67 d Rd d Rd d cm se V V cm s d cm se V V ⋅ ≤ ≤ ⋅ ≤ ≤ ⋅ ≤ > ⋅ , sendo que o espaçamento mínimo entre estribos deve ser suficiente para permitir a passagem do vibrador. Adota-se neste caso 7cm. Para a viga V1 de concreto C25 e aço CA50, swρ , 2Vα e 0,6 ctdf⋅ são necessários para a verificação do estado-limite último: 2/3 , 0,7 (25)0,2 0,2 0,001026 0,10% 500 ct m sw ywk f fρ ⋅≥ ⋅ = ⋅ = = 2 251 1 0,90 250 250 ck V f α = − = − = 2/30,21 (25)0,6 0,6 0,77 1,4ctd f MPa⋅⋅ = ⋅ = A tabela 2.1 indica estes valores para outros concretos usuais. Tabela 2.1: Valores auxiliares ρsw,mín, αv2 e 0,6.fctd. fck (MPa) 20 25 30 35 40 ρρρρsw,mín (%) 0,09 0,10 0,12 0,13 0,14 ααααv2 0,92 0,90 0,88 0,86 0,84 0,6.fctd (MPa) 0,66 0,77 0,87 0,96 1,05 2.1. Verificação da compressão diagonal do concreto (biela de compressão) Para esta verificação basta verificar a maior força cortante na viga V1, Vk=200kN, portanto: 1,4 200 280γ= ⋅ = ⋅ =Sd f kV V kN 2 2 2,50,27 0,27 0,90 20 72 624,8 625 1,4 α= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ≅Rd V cd wV f b d kN 2Sd RdV V≤ , portanto está verificada a biela de compressão, e 2 0,45 0,67 30 0,6 0,6 72 43,2= < ∴ = < ⋅ = ⋅ =Sd máx Rd V s cm d cm V 2.2. Cálculo da armadura transversal (estribo) O dimensionamento da armadura transversal devido à força cortante em vigas de edifícios é feito normalmente de forma escalonada (degraus), tendo no máximo três trechos por vão. Em geral, armaduras concentradas para resistir às forças cortantes são localizadas nos trechos extremos do elemento e armadura mínima é disposta no trecho central. Para a viga V1 da figura 2.1, tem-se: − Trecho extremo – Vk=200kN 1,4 200 280γ= ⋅ = ⋅ =d f kV V kN � � � 2/0,77 0,6 0,077 20 72 110,9= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = �����c ctd w cm cmkN cmMPa V f b d kN � � 2 2 / 6,3 /10 280 110,9 6,0 8 / 16500,9 0,9 0,72 10 / 261,15 φ φ φ − − = = = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ���� kN sw d c ywd m kN cm c A V V cm c s d f m c O diâmetro da armadura transversal (bitola) deve atender 2005 20 10 10 w t b mm mmφ≤ ≤ = = , e o espaçamento 7 30cm s cm≤ ≤ . O espaçamento pode ser calculado por 1100 2 s sw A s A ⋅ ⋅ = , onde 1sA é a área de uma barra, utilizando-se 2 ramos, e swA a armadura calculada. Tem-se na tabela 2.2 os cálculos das bitolas e espaçamentos possíveis. Excluindo-se φ5mm, pois s < smín = 7cm, e φ12,5mm, onde s >> smáx = 30cm, adota-se φ6,3c/10. Tabela 2.2: Bitolas e espaçamentos. φφφφ (mm) 5 6,3 8 10 12,5 As1 (cm 2) 0,20 0,315 0,50 0,80 1,25 scalculado (cm) 6,7 < 7 10,5 16,7 26,7 41,7 > 30 Sadotado (cm) ---- 10 16 26 ---- − Trecho central – Vk=40kN (Tabela 2.3) 1,4 40 56 swd c mín f k AV V V s γ = = ⋅ = < ∴ ⋅ Onde: � � � � 2 2 , % / / 5 / 20 0,10% 0,10% 0,10 20 0,020 2,0 6,3 / 30 φρ φ = ⇒ = ⋅ = ⋅ = = sw sw mín w cmmín cm cm cm m cA b cs Tabela 2.3: Bitolas e espaçamentos. φφφφ (mm) 5 6,3 8 As1 (cm 2) 0,20 0,315 0,5 scalculado (cm) 20 31,5 50 >> 30 Sadotado (cm) 20 ~ 30 ---- 2.3. Detalhamento da armadura transversal (arranjo dos estribos) A figura 2.2 apresenta o detalhamento dos estribos. A força cortante no trecho extremo foi considerada como sendo a reação de apoio, onde pode-se utilizar a força cortante na face do apoio (item 17.4.2.1), além da redução prescrita em 17.4.1.2.1, considerando a força cortante à distância d/2 da face de apoio. Figura 2.2 – Detalhamento da armadura transversal O detalhamento da armadura transversal (arranjo dos estribos) indicado na figura 2.2 mostra o arranjo em degraus assim como a alternativa da redução da cortante na seção à d/2 da face de apoio, Vk,d/2=188,8kN, que resulta: 1,4 188,8 264,32γ= ⋅ = ⋅ =d f kV V kN � � 2 2 / 6,3 /11 264,32 110,9 5,45 8 / 18500,9 0,9 0,72 10 / 291,15 φ φ φ − − = = = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ������ kN sw d c ywd m kNcm c A V V cm c s d f m c Neste exemplo não há a necessidade de verificar a suspensão das cargas concentradas, pois como indicado no esquema estrutural da figura 2.1, são oriundas de dois perfis sobre a V1. V1 (20/80) 20202020 (20/40) P1 P2 (20/40) 4,0 m3,0 m 3,0 m 100kN 20 kN/m P1=200kN P2=200kN 200 140 40 100kN 200 140 40 Vk (kN) 29 6,3c/10φ 14 6,3c/30φ 29 6,3c/10φ 280cm 280cm400cm 200 200 armação em degraus, trecho central com armadura mínima 40 40 V =188,8d/2 d/2=36cm V =188,8d/2 d/2=36cm (26 6,3c/11)φ (26 6,3c/11)φ 14 14 7474 72 6,3 c=1,91mφ c=2(14+74)+15=191cm 2G=15cm ( 6,3mm)φ 2.4. Exemplo I – Carga uniformemente distribuída Considera-se o mesmo exemplo I, com a carga equivalente uniformemente distribuída – p=40kN/m. Pretende-se discutir o detalhamento, a definição do trecho central de armadura mínima (identificando a cortante mínima) e considera-se a cortante extrema sem a redução na seção à d/2 da face - Vk=200kN. A figura 2.3 mostra o detalhamento da armadura, onde analogamente tem-se: 1,4 200 280γ= ⋅ = ⋅ =d f kV V kN e 2 6,0 6,3 /10φ= →swA cm c s m , � 2 / 2,0 6,3 / 30φ = → sw mín cm m A c s e , , 50 167,232,0 0,9 0,72 110,88 167,23 119,4 120 1,15 1,4 = ⋅ ⋅ ⋅ + = ∴ = = ≅d mín k mínV kN V kN Figura 2.3 – Detalhamento da armadura transversal – carga uniformemente distribuída V1 (20/80) 20202020 (20/40) P1 P2 (20/40) 10,0 m 40 kN/m P1=200kN P2=200kN 200 Vk,mín=120 200 Vk (kN) 19 6,3c/10φ 21 6,3c/30φ 19 6,3c/10φ 2,0m 3,0m 200 200 120 armação em degraus, trecho central com armadura mínima 180cm 180cm600cm 3. Dimensionamento e detalhamento de uma viga contínua O dimensionamento e o detalhamento da viga contínua indicada na figura 3.1 é apresentado na sequência. É feito o estudo do cisalhamento devido à força cortante e a distribuição da armadura longitudinal de flexão considerando as seções 17 e 18 da NBR6118:2014. Para esta viga V1 adotou-se uma solução equilibrada com um nível de plastificação dos momentos negativos e o correspondente acréscimo dos momentos positivos. Considera-se classe de agressividade II, e materiais concreto C25 (fck=25MPa) e aço CA50 (fyk=500MPa) (os mesmos materiais do exemplo I). Admite-se altura útil d=54cm (d=0,9h). Figura 3.1 – Esquema estrutural da viga V1(20/60) 3.1. Verificação do estado-limite último – ELU – da força cortante De acordo com o roteiro do exemplo I, segue o dimensionamento abaixo e o detalhamento indicado na figura 3.2: − Verificação da diagonal de compressão (Biela de compressão) 1,4 180 252SdV kN= ⋅ = 2 2,50,27 0,90 20 54 468,6 1,4Rd V kN= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 2 !Sd RdV V ok∴ < − − Armadura mínima (Vk,mín – Cortante mínima) � 2 / 2,0 5 / 20sw mín cm m A c s φ = → � 0,6 0,077 20 54 83,2 ctd c f V kN ⋅ = ⋅ ⋅ = � � � � 2 2 , ( )/ ( / ) 2,0 0,9 0,54 43,5 83,2 yd d mín d m kNcm m f kN cm V = ⋅ ⋅ ⋅ + , , 125,5 90d mín k mínV kN V kN= → = − Dimensionamento dos estribos � Vd = 1,4.180 = 252kN 2252 83,2 8,0 0,9 0,54 43,5 swA cm s m − = = ⋅ ⋅ 8 / 12,5cφ (12,5cm é utilizado por ser 1/8m) � Vd = 1,4.120 = 168kN 2168 83,2 4,0 0,9 0,54 43,5 swA cm s m − = = ⋅ ⋅ 5 /10 8 / 25 c c φ φ − Espaçamento máximo 2 0,54 0,67 30Sd máx Rd V s cm V = < ∴ = V1 (20/60) 40 V2 (20/40) V3 (20/60) 1020203030 10 (20/60) P1P1 P2 (20/40) P3 (20/20) 5,0 m3,0 m 4,0 m 2,0 m V2=80kN 20 kN/m 40 kN/m 20 kN/m V3=100kN P1=120kN P2=300kN V =120e V =180d P1=120kN M1=120kN.m M2=200kN.m (hiperestático) O detalhamento na figura 3.2 não considera a necessidade de armadura de suspensão nos apoios indiretos das vigas V2 e V3 sobre a V1. Figura 3.2 – Detalhamento da armadura transversal – V1(20/60) Neste detalhamento observa-se a definição do trecho central de armadura mínima por meio da cortante mínima Vk=90kN, e os trechos extremos dos vãos com as cortantes Vk=120kN e Vk=180kN, sendo atendida a verificação da biela de compressão para a cortante máxima Vk=180kN – Vd=252kN. Analisando-se a armadura de suspensão das cargas oriundas dos apoios indiretos, verifica-se a necessidade de suspender estas cargas por armadura transversal calculada pela seguinte fórmula: d dsusp yd a yd R h RA f h f= ⋅ ≤ , onde, dR - força a ser suspensa, h - altura da viga apoiada, ah - altura da viga suporte, ydf - resistência ao escoamento do aço, valor de cálculo. V1 (20/60) 40 V2 (20/40) V3 (20/60) 1020203030 10 (20/60) P1P1 P2 (20/40) P3 (20/20) 5,0 m3,0 m 4,0 m 2,0 m V2=80kN 20 kN/m 40 kN/m 20 kN/m V3=100kN P1=120kN P2=300kN V =120e V =180d P3=120kN M1=120kN.m M2=200kN.m (hiperestático) 120 60 20 120 180 120 20 80 V (kN) k 90 90 90 90 120 500 130 205 225 140 13 5c/10φ (6 8c/25)φ 12 5c/20φ14 5c/10φ (6 8c/25)φ 17 8c/12φ 5 15 5c/10φ (7 8c/25)φ 26 5c/20φ − Apoio indireto – V2(20/40) � � 1 2 2 2 1,4 80 40 1,72 (5 5 5 2 0,2 2,0 ) 5 5 /15(60 ) 43,5 60 φ φ⋅= ⋅ = = ⋅ ⋅ = → s susp ramos A A cm cm c cm − Apoio indireto – V3(20/60) � � 1 2 2 2 1,4 100 60 3,22 (4 8 4 2 0,5 4,0 ) 4 8 / 20(60 ) 43,5 60 φ φ⋅= ⋅ = = ⋅ ⋅ = → s susp ramos A A cm cm c cm A armadura de suspensão especial não precisa ser somada com os estribos existentes. Na figura 3.3, detalha-se a armadura de suspensão diminuindo-se os espaçamentos dos estribos nas regiões de suspensão, definidas como sendo ha /2 para cada lado do eixo da viga que se apoia, portanto, 60 cm no total. Figura 3.3 – Detalhamento da armadura transversal e de suspensão – V1(20/60) 3.2. Verificação do estado-limite último – ELU – de flexão normal simples Neste item, apenas ilustra-se o detalhamento - distribuições transversal e longitudinal - das armaduras, sendo o detalhamento longitudinal somente das armaduras resistentes, segundo o item 18.3 da NBR6118:2014. O resultado do dimensionamento está indicado na figura 3.4, onde V1 (20/60) 40 V2 (20/40) V3 (20/60) 1020203030 10 (20/60) P1P1 P2 (20/40) P3 (20/20) 5,0 m3,0 m 4,0 m 2,0 m V2=80kN 20 kN/m 40 kN/m 20 kN/m V3=100kN P1=120kN P2=300kN V =120e V =180d P3=120kN M1=120kN.m M2=200kN.m (hiperestático) 120 60 20 120 180 120 20 80 V (kN) k 90 90 90 90 30 30 (suspensão) 120 120 130 205 145 160 13 5c/10φ (6 8c/25)φ 8 5c/20φ14 5c/10φ (6 8c/25)φ 17 8c/12φ 5 23 5c/10φ (10 8c/25)φ 17 5c/20φ 32060 30 30 (suspensão) 7 5c/20φ 5 5c/15φ 4 8c/20φ 60 consideram-se seções tipo T para o meio vão (armadura positiva) e retangulares para os apoios (armadura negativa). Figura 3.4 – Resultados do dimensionamento das armaduras de flexão – V1(20/60) Os seguintes dados foram considerados nos detalhamentos transversal e longitudinal: � concreto C25 (fck=25 MPa), aço CA50 (fyk=25 MPa), cobrimento c=3,0cm; � estribo φt=8,0mm, φvib+1=5cm, φmáx,agr=19mm � 38 ; 54 ; 40 ; 2,28 ; 2,0boa máb b h va cm a cm a cmφ φ= = = = =ℓℓ ℓ . bℓ - comprimento de ancoragem aℓ - comprimento de decalagem ha e va - espaçamento livre entre as faces das barras longitudinais, horizontal e vertical. O resultado do detalhamento, transversal (18.3.2.2) e longitudinal (18.3.2.3) está indicado na figura 3.5. − Detalhamentotransversal (Alojamento na seção; bs é a distância livre entre faces internas dos estribos) O alojamento deve observar o disposto no item 18.2.1 da NBR6118:2014, atendendo a função estrutural como também as condições adequadas de execução. V1 (20/60) 40 V2 (20/40) V3 (20/60) 1020203030 10 (20/60) P1P1 P2 (20/40) P3 (20/20) 5,0 m3,0 m 4,0 m 2,0 m V2=80kN 20 kN/m 40 kN/m 20 kN/m V3=100kN P1=120kN P2=300kN V =120e V =180d P1=120kN M1=120kN.m M2=200kN.m (hiperestático) 120 200 M (kN.m) k 150 200 A =8,0cm (4 16) s 2 φ A =14,5cm (5 20) s 2 φ A =9,1cm (5 16) s 2 φ A =12,2cm (4 20) s 2 φ 50 � h hs hs e eb nennb + + ≤∴⋅−+⋅≥ φφ )1( (armadura inferior) � h vibhs vibhs e eb nennb + +−⋅+ ≤∴++⋅−+⋅≥ φ φφφ )1(2)1()2( (armadura superior) � φφφφ16 (inf) φ40,4 3,26,1 3,24,13 == + +≤n φφφφ20 (inf) φ36,3 3,20,2 3,24,13 ≅= + +≤n � φφφφ16 (sup) φ33,3 3,26,1 0,53,224,13 ≅= + −⋅+≤n φφφφ20 (sup) φ30,3 3,20,2 0,53,224,13 == + −⋅+≤n Figura 3.5 – Resultados do detalhamento das armaduras de flexão – V1(20/60) − Alojamento longitudinal (Corte longitudinal das barras) A distribuição longitudinal das barras ancoradas por aderência (vide figura 18.3 da NBR6118:2014) indicada na figura 3.5 segue o estabelecido no item 18.3.2.3.1: prolonga-se 10φ além do ponto de σs nula e bℓ onde se necessita de máxima eficiência da armadura - fyd. 220 V1 (20/60) 40 V2 (20/40) V3 (20/60) 1020203030 10 (20/60) P1P1 P2 (20/40) P3 (20/20) 5,0 m3,0 m 4,0 m 2,0 m V2=80kN 20 kN/m 40 kN/m 20 kN/m V3=100kN P1=120kN P2=300kN V =120e V =180d P1=120kN M1=120kN.m M2=200kN.m (hiperestático) 120 200 M (kN.m) k 150 200 (4 16)φ (5 16)φ (5 20)φ (2 grampos 10)φ (4 16)φ (5 20)φ (4 20)φ (5 16)φ 1 20φ 2 20φ 2 20φc=480 c=355 c=296 ℓb=54 =108φ 10 =20φ 2 16φ 2 16φ ℓb=54 =86φ 10 =16φ 1 16φ 2 16φ 2 16φ 265 454 847 2 20φ 2 20φ 627 407 223 150 40 200 150 173 148 ℓb=38 =61φ 10 =16φ 10 =20φ ℓ b =38 =76φ 38 55 O diagrama de momento fletor decalado é dividido – na vertical – em partes iguais entre si, tantas quantas forem o número de barras a serem detalhadas. Verifica-se que 2 barras, ( ) , , 2 1/ 3s apoio s vãoA Aφ = > , atende o requisito da quantidade de armadura de tração no apoio junto ao P3. A distância disponível para a ancoragem é dada por ����� = �� − � = 20 − 3 = 17 ��. Para ancorar a última biela de compressão, a área de aço necessária é de: 2 , 1,4 1200,75 2,9 43,5 ⋅≥ ⋅ = ⋅ =ℓ ds apoio yd a VA cm d f . É preciso, ainda, verificar se as barras existentes se ancoram em �����. Para isso, calcula-se o comprimento necessário de ancoragem (9.4.2.5): , , , , 2,9 0,7 38 2 24,50 22,8 2 3,15 s calc b nec b b mín s ef A cm cm A α= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = ≥ = ⋅ ℓ ℓ ℓ Considerou-se α = 0,7 (presença de gancho) admitindo-se que se tenha cobrimento no plano normal ao do gancho maior ou igual a 3φ. Como o comprimento necessário para ancoragem é maior que que o comprimento disponível, adiciona-se grampos horizontais localizados para que o valor do As,ef seja aumentado e, por consequência, ,b necℓ , diminuído. Impõem-se ,b nec dispa=ℓ e encontra-se As,ef = 9,08 cm². Como já existem 6,3 cm² (2 φ20 mm) adicionam-se dois grampos horizontais, indicados na figura 3.5, em forma de “U” com φ 10 mm totalizando 3,2 cm² (2x2x0,8cm²), de comprimentos 38 38 1,0 38 b cmφ= ⋅ = ⋅ =ℓ da face do apoio (ver Figura 3.5).
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