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UVV - Estruturas de Concreto II 49 CAPÍTULO 2 FLEXÃO COMPOSTA 2.1 Conceitos básicos Um elemento está submetido à flexão composta normal quando o momento fletor em uma seção transversal tem a direção de um dos eixos centrais principais de inércia. Caso contrário, tem-se a flexão obliqua. Eixos centrais são aqueles que passam pelo centro de gravidade (CG) da seção. As direções principais de inércia (que são ortogonais entre si) são aquelas caracterizadas por terem o menor e o maior valor de inércia da seção. Considerando, simplificadamente, que a armadura empregada será sempre simétrica em relação ao eixo perpendicular ao momento (pelo menos um eixo de simetria), pode-se definir, para as seções retangulares: Flexão composta normal: é preciso existir ao menos um eixo de simetria na seção transversal e o plano de carregamento deve conter esse eixo, considerando a existência de uma força normal atuante; Flexão composta oblíqua: ocorre em seções assimétricas e em seções simétricas quando o plano de carregamento não contém nenhum dos eixos de simetria, considerando a existência de uma força normal atuante. Hipóteses básicas para o cálculo no estado limite último: resistência do concreto à tração é nula; seções transversais permanecem planas; aderência perfeita entre os materiais (concreto e aço); A verificação da segurança é feita admitindo-se que o esgotamento da capacidade portante da peça possa ocorrer tanto pela ruptura do concreto comprimido, como da deformação excessiva da armadura tracionada. εcu = { 3,5%o → na flexão 2,0%o → na compressão εsu = 10%𝑜 Quando ocorrer pelo menos uma das duas condições tem-se o ELU de ruptura ou de deformação plástica excessiva. UVV - Estruturas de Concreto II 50 Domínio Início Término ELU Solicitações Observações 1 s=10º/oo e c=10 º/oo s=10º/oo e c=0 s=10º/oo Tração axial e flexo-tração com pequena excentricidade A linha neutra é externa à seção transversal 2 s=10º/oo e c=0 s=10º/oo e c=3,5 º/oo s=10º/oo Flexão pura, tração e compressão com pequena excentricidade A linha neutra corta a seção transversal. O concreto é mal aproveitado, pois sua deformação é menor que a de ruptura. 3 s=10º/oo e c=3,5 º/oo s=yd e c=3,5 º/oo c=3,5 º/oo Flexão pura, tração e compressão com pequena excentricidade A linha neutra corta a seção transversal. A ruína se dá com aviso. Tanto o concreto quanto o aço são bem aproveitados. 4 s=yd e c=3,5 º/oo s=0 e c=3,5 º/oo c=3,5 º/oo Compressão excêntrica com grande excentricidade A linha neutra corta a seção transversal. A ruína é frágil, sem aviso. O concreto é bem aproveitado, mas o aço não. 4a s=0 e c=3,5 º/oo s=(1-d/h).3,5 º/oo e c=3,5 º/oo c=3,5 º/oo transição A linha neutra corta a seção transversal. O aço da armadura menos comprimida é mal aproveitado, pois sua deformação é muito pequena. 5 s=(1-d/h).3,5 º/oo e c=3,5 º/oo s=2,0 º/oo e c=2,0 º/oo 2,0 º/oo ≤ c ≤ 3,5 º/oo Compressão axial e flexo- compressão com pequena excentricidade A linha neutra não corta a seção transversal, que está inteiramente comprimida. Resumindo, a partir das características de cada um dos domínios, é possível ocorrerem as seguintes situações, conforme Figura 2.1: Flexo-compressão: domínios 2, 3, 4, 4a e 5; Flexo-tração: domínios 1, 2, 3 e 4; Compressão uniforme: final do domínio 5; Tração uniforme: inicio do domínio 1. Figura 2.1 Casos possíveis de solicitações normais e domínios correspondentes UVV - Estruturas de Concreto II 51 2.1.2 Núcleo central de inércia O núcleo central de inércia é o lugar geométrico da seção transversal tal que, se nele for aplicada uma carga de compressão ou tração, toda seção estará comprimida ou tracionada, respectivamente. Figura 2.2 Núcleo central de inércia Se a seção transversal for retangular, os valores de ey e ez são: ey = 1 6 ∙ h e ez = 1 6 ∙ b Portanto, qualquer carga que esteja aplicada dentro do losango ilustrado na Figura 2.2, ou seja, dentro do núcleo central de inércia, implicará em apenas tensões de tração ou de compressão. 2.2 Flexão composta com grande excentricidade A flexão composta com grande excentricidade ocorre, por exemplo, no dimensionamento de muros de arrimo, escadas e caixa d’água. Na flexão composta com grande excentricidade tem-se sempre a armadura tracionada As; a armadura comprimida A’s é empregada para se conseguir maior ductilidade da seção. Normalmente, dispensa-se A’s quando se pode ter seção subarmada só com As. Através de um artifício, o dimensionamento à flexão composta com grande excentricidade (tanto na flexo-compressão, quanto na flexo-tração) pode ser feito através da análise de uma flexão simples. UVV - Estruturas de Concreto II 52 2.2.1 Flexo-compressão Figura 2.3 Flexo-compressão com grande excentricidade Conforme a figura, a resultante de tração para equilibrar o momento Msd é igual a (Rsd + Nd). Dessa forma, obtém-se a armadura final, subtraindo-se o valor (Nd/fyd) da armadura que equilibra Msd à flexão simples. 2.2.1.2 Exemplo 1 Seja: b = 20cm ; h = 40cm ; d’ = 4cm ; fck = 15MPa ; CA50A Nd = 100kN (compressão) ; Md = 50kN.m Tem-se: e = M N⁄ = 50cm > h 6⁄ = 6,67cm → Grande excentricidade Msd = Md + Nd(d − h 2⁄ ) = 50 + 100(0,36 − 0,20) = 66kN. m Com a hipótese de que se tem solução em seção subarmada com A’s = 0, tem-se: 0,68 b x fcd(d − 0,4 x) = Msd → x = 1,25 d [1 − √1 − Msd 0,425 b d2fcd ] = 15,12cm x < x34 = 0,628 d = 22,61cm → armadura simples x < 0,45 d = 16,2cm → OK! UVV - Estruturas de Concreto II 53 Rsd + Nd = Msd d − 0,4 x → Rsd = Asfyd = Msd d − 0,4 x − Nd → As = 1 fyd ∙ ( Msd d − 0,4 x − Nd) As = 1 43,48 ( 6600 36 − 0,4 ∙ 15,12 − 100) = 2,77cm² O dimensionamento pode ser feito, também, através das equações de equilíbrio: { Nd + Rsd = Rcd Md = Rcd(h 2⁄ − 0,4 x) + Rsd(d − h 2⁄ ) Admitindo-se peça subarmada com armadura simples vem: { Nd + ASfyd = 0,68 b x fcd Md = 0,68 b x fcd(h 2⁄ − 0,4 x) + ASfyd(d − h 2⁄ ) { 100 + 43,48 ∙ AS = 0,68 ∙ 20 ∙ x ∙ 1,5 1,4⁄ 5000 = 14,571 x (20 − 0,4 x) + 43,48AS(36 − 20) 312,5 = 0,9107 x (20 − 0,4 x) + 43,48As 412,5 = 09107 x (20 − 0,4 x) + 14,571 x x2 − 90 x + 1132,38 = 0 x = 90 ± 59,75 2 = 15,12 < x34 → As = 2,77cm² 2.2.1.3 Exemplo 2 Considere-se, no exemplo 1, Md = 100kN.m. Tem-se: e = M N⁄ = 100cm > h 6⁄ = 6,67cm → Grande excentricidade Msd = Md + Nd(d − h 2⁄ ) = 100 + 100(0,36 − 0,20) = 116kN. m x = 39,1cm > x34 = 0,628 d = 22,61cm → armadura dupla x > 0,45 d = 16,2cm → não OK! Adotando-se, por exemplo, x̅ = 0,45d = 16,2cm, vem: Mwd = 0,68 b x̅fcd(d − 0,4x̅) = 0,68 ∙ 20 ∙ 16,2 ∙ (1,5 1,4⁄ ) ∙ (0,36 − 0,4 ∙ 0,162) = 69,68kN. m ∆Md = Msd − Mwd = 116 − 69,68 = 46,32 kN. m Rsd + Nd = Mwd d − 0,4x̅ + ∆Md d − d′ → Rsd = Asfyd = Mwd d − 0,4x̅ + ∆Md d − d′ − Nd As = 1 fyd ( Mwd d − 0,4x̅ + ∆Md d − d′ − Nd) → As = 1 43,48 ( 6968 36 − 0,4 ∙ 16,2 + 4632 36 − 4 − 100) UVV - Estruturasde Concreto II 54 As = 6,46 cm² ε′s = x̅ − d′ x̅ ∙ 0,0035 = 0,00263 > εyd → σ′sd = fyd R′sd = A′sfyd = ∆Md d − d′ → A′s = 4632 43,48 ∙ (36 − 4) = 3,33cm² O dimensionamento pode ser feito, também, através das equações de equilíbrio: { Nd + Rsd = Rcd + R′sd Md = Rcd(h 2⁄ − 0,4 x̅) + Rsd(d − h 2⁄ ) + R′sd(h 2⁄ − d′) Adotando-se, por exemplo, x̅ = 0,45d = 16,2cm, vem: { 100 + 43,48As = 14,571x̅ + 43,48A′s → As − A′s = 3,13 10000 = 14,571x̅(20 − 0,4x̅) + (As + A′s) ∙ 43,48(20 − 4) → As + A′s = 9,78 Logo: { As = 6,45cm² A′s = 3,33cm2 2.2.2 Flexo-tração Valem as expressões utilizadas na flexo-compressão, utilizando-se (-Nd) no lugar de Nd. Figura 2.4 Flexo-tração com grande excentricidade UVV - Estruturas de Concreto II 55 2.2.2.2 Exemplo 3 Considere-se o exemplo 1 com Nd = 100kN (tração) e Md = 82kN.m. Tem-se: e = M N⁄ = 82cm > h 6⁄ = 6,67cm → Grande excentricidade Msd = Md − Nd(d − h 2⁄ ) = 82 − 100(0,36 − 0,20) = 66kN. m x = 15,12cm < x34 = 0,628 d = 22,61cm x < 0,45 d = 16,2cm → OK! Rsd − Nd = Msd d − 0,4 x → Rsd = Asfyd = Msd d − 0,4 x + Nd As = 1 43,48 ( 6600 36 − 0,4 ∙ 15,12 + 100) = 7,37cm² 2.3 Flexão composta com pequena excentricidade Na flexo-compressão com pequena excentricidade toda a seção está comprimida; dessa forma, tem-se armadura comprimida (A’s) e, eventualmente, As também comprimida. Na flexo-tração com pequena excentricidade toda a seção está tracionada e, portanto, as armaduras são tracionadas (As e A’s). 2.3.1 Flexo-compressão 2.3.1.1 Situação com as duas armaduras (As ≠ 0 e A′S ≠ 0) Neste caso, impõe-se, na seção, deformação uniforme de encurtamento de 0,002 no ELU (domínio 5 de deformação). As equações de equilíbrio são: { Nd = 0,85bhfcd + f′yd(As + A′s) Md = f′yd(h 2⁄ − d′)(A′s − As) UVV - Estruturas de Concreto II 56 Figura 2.5 Flexo-compressão com pequena excentricidade Portanto, A′s = 1 2f′yd (Nd − 0,85bhfcd + Md h 2⁄ − d′ ) As = 1 2f′yd (Nd − 0,85bhfcd − Md h 2⁄ − d′ ) Se Nd − 0,85bhfcd − Md h 2⁄ − d′ ≤ 0 → As = 0 com solução em armadura unilateral. 2.3.1.2 Caso da armadura unilateral (As = 0) Figura 2.6 Flexo-compressão com pequena excentricidade – armadura unilateral UVV - Estruturas de Concreto II 57 Neste caso deve-se ter x ≤ 1,25h (condição econômica, pois tem-se o maior ’sd). As equações de equilíbrio são: { Nd = Rcd + R′sd Md = Rcd(h 2⁄ − 0,4 x) + R′sd(h 2⁄ − d′) Da primeira equação, tem-se: R′sd = Nd − Rcd como Rcd = 0,68 b x fcd resulta Nd = 0,68bxfcd + A′sσ′sd logo Md 0,68bfcd = x(h 2⁄ − 0,4x) + (h 2⁄ − d′) ( Nd 0,68bfcd − x) = d′x + (h 2⁄ − d′) Nd 0,68bfcd − 0,4x2 x2 − 2,5d′x + Md − (h 2⁄ − d′)Nd 0,4 ∙ 0,68bfcd = 0 x = 1,25d′ (1 + √1 − Md − (h 2⁄ − d′)Nd 0,425bd′2fcd ) A′s = Nd − 0,68bxfcd σ′sd Para o domínio 5 tem-se: ε′s = x − d′ x − 3h 7⁄ ∙ 0,002 Para os domínios 3 e 4 tem-se: ε′s = x − d′ x ∙ 0,0035 Para o domínio 2 tem-se: ε′s = x − d′ d − x ∙ 0,010 2.3.1.3 Exemplo 4 Sejam: b = 25cm ; h = 70cm ; d’ = 5cm ; N = 3000kN ; M = 200kN.m ; fck = 25MPa ; CA50A. UVV - Estruturas de Concreto II 58 Tem-se: e = M N⁄ = 6,67cm < h 6⁄ = 11,67cm Nd = 1,4 ∙ 3000 = 4200kN ; Md = 1,4 ∙ 200 = 280kN. m Nd − 0,85bhfcd − Md h 2⁄ − d′ = 4200 − 2656 − 933,3 = 610,7kN > 0 (existe As) A′s = 1 2f′yd (Nd − 0,85bhfcd + Md h 2⁄ − d′ ) = 1 2 ∙ 42 (4200 − 2656 + 933,3) = 29,49cm2 As = 1 2f′yd (Nd − 0,85bhfcd − Md h 2⁄ − d′ ) = 1 2 ∙ 42 (4200 − 2656 − 933,3) = 7,27cm2 2.3.1.4 Exemplo 5 Com os mesmos dados do exemplo 4 e N = 2000kN. e = M N⁄ = 10,0cm < h 6⁄ = 11,67cm Nd = 1,4 ∙ 2000 = 2800kN ; Md = 1,4 ∙ 200 = 280kN. m Nd − 0,85bhfcd − Md h 2⁄ − d′ = 2800 − 2656 − 933,3 = −789,3kN < 0 (não existe As) Armadura unilateral x = 1,25d′ (1 + √1 − Md − (h 2⁄ − d′)Nd 0,425bd′2fcd ) = 1,25 ∙ 5 (1 + √1 − 28000 − (35 − 5) ∙ 2800 0,425 ∙ 25 ∙ 52 ∙ 2,5 1,4⁄ ) x = 74,45cm > h = 70cm (domínio 5) ε′s = x − d′ x − 3h 7⁄ ∙ 0,002 = 74,45 − 5 74,45 − 3 ∙ 70 7⁄ ∙ 0,002 = 0,00312 > εyd = 0,00207 Logo, σ′sd = fyd A′s = Nd − 0,68bxfcd σ′sd = 2800 − 0,68 ∙ 25 ∙ 74,45 ∙ 2,5 1,4⁄ 43,48 = 12,42cm² UVV - Estruturas de Concreto II 59 2.3.1.5 Exemplo 6 Com os mesmos dados do exemplo 5 e Nd = 2600kN. Armadura unilateral com x = 70,72cm e A’s = 10,42cm². 2.3.2 Flexo-tração Figura 2.7 Flexo-tração com pequena excentricidade Neste caso as duas armaduras estão tracionadas e não existe contribuição do concreto. As equações de equilíbrio são: { Nd = R′sd + Rsd Md = fyd(h 2⁄ − d′)(As − A′s) Portanto, As = Nd + Md h 2⁄ − d′ 2fyd e A′s = Nd − Md h 2⁄ − d′ 2fyd 2.3.2.2 Exemplo 7 Sejam os mesmos dados do exemplo 6 com Nd = 1000kN (tração) e Md = 100kN.m. Tem-se: e = M N⁄ = 10,0cm < h 6⁄ = 11,67cm → pequena excentricidade As = Nd + Md h 2⁄ − d′ 2fyd = 1000 + 10000 35 − 5 2 ∙ 43,48 = 15,33cm² A′s = Nd − Md h 2⁄ − d′ 2fyd = 1000 − 10000 35 − 5 2 ∙ 43,48 = 7,67cm² UVV - Estruturas de Concreto II 60 2.4 Flexão composta em seções onde a distribuição da armadura é predefinida Geralmente, o cálculo deste tipo de seção é feito através de diagramas de interação. 2.4.1 Seção retangular com armadura simétrica Figura 2.8 Seção retangular com armadura simétrica Para cada diagrama de deformação na seção, correspondente a estado limite último, tem- se um par de esforços últimos (Nu, Mu) ≡ (Nd, Md). a)Equações de equilíbrio { Nd = Rcd − ∑ Rsdi Md = Rcd(h 2⁄ − dc) + ∑ Rsdi(dsi − h 2⁄ ) = Mcd + Msd Dividindo-se a primeira equação de equilíbrio por (bhfcd), tem-se: Nd bhfcd = Rcd bhfcd − ∑ Rsdi bhfcd ou νd = νcd − ∑ νsdi = νcd − νsd Onde νd = Nd bhfcd = força normal reduzida (adimensional) νcd = Rcd bhfcd = força resultante reduzida de compressão no concreto νsd = ∑ Rsdi bhfcd = força resultante reduzida nas armaduras Dividindo-se a segunda equação de equilíbrio por (bh²fcd), tem-se: Md bh²fcd = Mcd bh²fcd + Msd bh²fcd = Rcd bhfcd ( 1 2 − dc h ) + ∑ Rsdi bhfcd ( dsi h − 1 2 ) UVV - Estruturas de Concreto II 61 ou μd = νcd ( 1 2 − dc h ) + ∑ νsdi ( dsi h − 1 2 ) ou, ainda μd = μcd + ∑ μsdi = μcd + μsd onde μd = Md bh²fcd ; μcd = νcd ( 1 2 − dc h ) ; μsd = ∑ νsdi ( dsi h − 1 2 ) b)Resultante no concreto Para x < 0 (ou x/h < 0) tem-se: Rcd = 0 → νcd = 0 e μcd = 0 Para [0 < x ≤ 1,25h] (ou 0 < x/h ≤ 1,25) tem-se: Rcd = 0,68bxfcd ou νcd = 0,68 x h⁄ Mcd = Rcd(h 2⁄ − dc) ou μcd = νcd ( 1 2 − dc h ) = 0,68 x h ( 1 2 − 0,4 x h ) Para x > 1,25h (x/h > 1,25) tem-se: Rcd = 0,85bhfcd e Mcd = 0 → νcd = 0,85 e μcd= 0 c)Resultante na armadura genérica (i) Para x < x23 (domínios 1 e 2) tem-se: Figura 2.9 Domínios 1 e 2 εsi = dsi − x d − x ∙ 0,010 = dsi h − x h 1 − d′ h − x h ∙ 0,010 UVV - Estruturas de Concreto II 62 Para x23 < x ≤ h (domínios 3 e 4), tem-se: Figura 2.10 Domínios 3 e 4 εsi = dsi − x x ∙ 0,0035 = dsi h − x h x h ∙ 0,0035 Para x > h (domínio 5), tem-se: Figura 2.11 Domínio 5 εsi = − x − dsi x − 3 7 h ∙ 0,002 = − x h − dsi h x h − 3 7 ∙ 0,002 Com o valor de si, tem-se a tensão sdi na armadura genérica e, por conseguinte, Rsdi = Asiσsdi νsdi = Rsdi bhfcd = Asifyd bhfcd ∙ σsdi fyd = ωi σsdi fyd onde UVV - Estruturas de Concreto II 63 ωi = Asi bh ∙ fyd fcd ; ω = ∑ ωi ; μsdi = νsdi ( dsi h − 1 2 ) ω → taxa mecânica de armadura As aplicações práticas costumam ser atendidas através de diagramas de interação que têm as seguintes características: Tipos de distribuição das armaduras Figura 2.12 Tipos de distribuição das armaduras Taxa mecânica de armadura = 0,0; 0,1; 0,2; ...; 0,9; 1,0 d’/h = 0,05; 0,10; 0,15 tipos de armadura CA25; CA50A; CA50B e CA60B. A figura abaixo apresenta como exemplo, o diagrama de interação para a seção retangular com armadura As = A’s, d’/h = 0,10 e aço CA25. UVV - Estruturas de Concreto II 64 Figura 2.13 Diagrama de interação 2.4.2 Outras formas de seção Além da seção retangular, é bastante útil a seção circular. Os diagramas de interação são semelhantes aos da seção retangular. Os adimensionais são os seguintes: νd = Nd Acfcd e μd = Md Achfcd onde Ac = πh² 4 e h = diâmetro da seção circular. 2.4.3 Cálculo da seção simétrica (inclusive a armadura) submetida a força de compressão centrada (Nd,eq) A deformação de encurtamento da seção é constante e, no estado limite último, vale 0,002. A equação de equilíbrio é: Nd,eq = (Ac − As,tot)0,85fcd + As,totf′yd sendo f’yd = a tensão de compressão na armadura correspondente à deformação de encurtamento s = 0,002. UVV - Estruturas de Concreto II 65 Dividindo-se ambos os membros da equação de equilíbrio por Acfcd, vem: Nd,eq Acfcd = (1 − As,tot Ac ) 0,85 + As,tot Ac f′yd fcd ou νd,eq = (1 − ρ)0,85 + ρ f′yd fcd Portanto, ρ = νd,eq − 0,85 f′yd fcd − 0,85 2.4.4 Exemplo Seja: b = 35cm ; h = 60cm ; d’ = 9cm ; fck = 15MPa ; CA50A N = 1810kN e M = 91,6kN.m. Utilizar armadura simétrica. Resolução através dos diagramas de interação: e = M N⁄ = 91,6 1810⁄ = 0,0506m ; d′ h⁄ = 9 60⁄ = 0,15 νd = Nd bhfcd = 1,4 ∙ 1810 35 ∙ 60 ∙ (1,5 1,4⁄ ) = 1,13 μd = Md bh²fcd = 1,4 ∙ 1810 ∙ 5,06 35 ∙ 60² ∙ (1,5 1,4⁄ ) = 0,095 ou [μd = νd e h = 1,13 ∙ 5,06 60 = 0,095] Utilizando o diagrama de Montoya (para As = A’s) vem: ω = As,tot bh ∙ fyd fcd = ρ ∙ fyd fcd ≅ 0,53 → ρ = ω ∙ fcd fyd = 0,53 ∙ 1,5 1,4⁄ 50 1,15⁄ = 1,3% As = 0,013 ∙ 35 ∙ 60 = 27,3cm² distribuído nas duas faces. UVV - Estruturas de Concreto II 66 2.5 Flexão composta oblíqua de seção retangular com armadura simétrica Figura 2.14 Flexão composta oblíqua Neste caso a solução pode ser obtida, também, através de ábacos de interação em função de νd = Nd Acfcd ; μxd = Mxd Achxfcd = νd ∙ 𝑒𝑥 ℎ𝑥 ; μyd = Myd Achyfcd = νd ∙ 𝑒𝑦 ℎ𝑦 A uma linha neutra definida pelo par (x = altura da zona comprimida e = inclinação da linha neutra) têm-se, no ELU de solicitações normais, os valores correspondentes de d, xd e yd. Obtêm-se, assim, uma superfície de interação para cada taxa mecânica de armadura (). Estas superfícies são, geralmente, representadas através de curvas de nível (função de ) para valores discretos de d (ábacos em roseta). 2.6 Diagramas de interação e ábacos em roseta HORMIGÓN ARMADO (7ª edição) Montoya, P. J., Meseguer, A. G. e Cabré, F. M. Editorial Gustavo Gili, S. A.
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