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~~[UffiJJillffi~ mrn m~ma ffiOO[illffiffiOO rn nmmrn~mBill A TEN D IM EN TO D A EXPECTATIVA D IM E N SIO N A L Íta{o C]Qcaráo Projetista C apa C A R LO S R O B ER TO LEM O S H O M EM D E M ELLO R evisão SÉRGIO A N D R A D E D E M A TO S D IA S Ilustrações LA M D ESTÚDIO G RÁFICO Projeto Editorial ZIG U R A TE ED ITO R A D ados Internacionais de C atalogação n a Publicação (CIP) (Sindicato N acional dos Editores de Livros, R J- B rasil) R 233e 05-1978 R ebello, Y opanan C onrado Pereira, 1949- Estruturas de aço, co n creto e m adeira: atendim ento da e xpectativa dim ensional I Y opanan C onrado Pereira R ebello. -São Paulo: Zigurate Editora, 2005. Bibliografia. ISB N 85-85570-09-1 1. A ço - Estrutura. 2. C oncreto- Estrutura. 3. Concreto arm ado. 4. M adeira. 5. Construção de m adeira. 6. Engenharia das estruturas. I. Título. 5' Edição · setem b ro/20 11 C D D 624.1 C D U 624.01 ©CO PY RIG H T de Y opanan Conrado Pereira Rebello ©CO PY RIG H T desta edição Zigurate Editora e Com ercial Ltda. Todos o s direitos de reprodução reserv ado s . A TEN D IM EN TO D A EXPECTATIVA D IM E N SIO N A L YO PA N A N C O N R A D O PEREIRA REBELLO Zigurate Editora Às duas obras m ais perfeitas que já vi: m eu s n etinhos M atheus e D aniela Prefácio M eu brilhante colega , caro am igo e querido prim o Y opanan: A ciência procura explicar o que existe e a tecnologia inventa o que não existe . Esta é a função do engenheiro e do arquiteto: criar o que não existe, co m base n as teorias propostas e provadas pela ciência. Todos nós recebem os de n o sso s professores m odelos físicos, ferram entas m atem áticas, m étodos de trabalho. Todos esses elem entos co n stituem u m sistem a que, para cada co njunto de n ecessidades e de dados, produz u m objeto: u m a obra. A habilidade de e ntender e u sa r e sse sistem a, de ev entualm ente ser capaz de m udá-lo o u de aperfeiçoá-lo, não é a função m aior do v e rdadeiro e ngenheiro o u a rquiteto. Som os e sse n cialm ente tom adores de decisões. O que é pedido de nós é a solução ótim a, a partir de pontos de vista que estão longe de ser m eram ente técnicos. Por o utro lado, as decisões devem , quase sem pre , ser tom adas sob a pressão do tem po. U ltim am ente, tem os sido tentados a achar que o engenheiro e o arquiteto, co m o m uitos o utros profissionais, serão substituídos pela m áquina em cu rto prazo. Isso pode vir a aco ntecer, sim , se n o s co n siderarm os apenas o s ex ecutores das tarefas de transform ação de dados em u m a obra, segundo u m determ inado m odelo. M as, quando não há o m odelo, o u quando o m odelo não leva ao objeto desejado, só o ser hum ano pode, atuando e m tem po real, intuir e criar. N ossa profissão é criar, é produzir , é fazer a cham ada eco n o m ia do m u ndo real. E n o m u ndo de hoje as reco m pensas dessas atividades são cada v ez m en o res se co m paradas às daqueles que fazem dinheiro do dinheiro, sem produzir. M uito cedo so m o s tentados a m udar de cam po. Por favor, não façam os isso! O m u ndo ainda está por ser co n struído. E n ada, talvez apenas a relação de paternidade o u de m aternidade, se co m para ao intenso prazer de fazer m udar a face do m u ndo, de v er u m a obra n o ssa n ascer do n ada e ficar pronta porque estávam os lá. A os que se su rpreendem co m a m istura que faço da tecnologia c o m a poesia direi que n em tudo é ex ato n esta n o ssa profissão de núm eros e diagram as. É u m a ilusão o rigor m atem ático que procuram os im por a tudo que fazem os. B asta entender que o objetivo de n o ssas teorias é descobrir u m a sim plicidade que não existe n a n atureza. É dessa realidade que n o s achegam os indecisos e tateantes por m eio de aproxim ações e de hipóteses. A ssim , c o n struím os u m a n atureza ideal sobre a n atureza real. E scondem os a n o ssa incom petência atrás de processos c o m n o m e s pretensiosos, m a s n a v e rdade a rtísticos, porque c o n sistem e m e x agerar a s c a ra cterísticas dom inantes dos fatos para perm itir u m a síntese que m o stra m e n o s c o m o e sse s fatos são e sim c o m o gostaríam os que fossem . A ssim , para a s vigas de n o ssa s c o n struções, desenham os diagram as de m o m e ntos fletores que n o s perm item c o ntrolar o c o n c reto, o aço o u a m adeira. M as ninguém vê e sse s gráficos, porque são ideais. E a ssim por diante, indefinidam ente, e m tudo que fazem os e pensam os. O lápis, o e squadro, o papel, o desenho, o projeto, o núm ero: pensam os o m u ndo justo, o m u ndo que n e nhum véu e n c obre. Tracem os a reta e a c u rv a , a quebrada e a sinuosa. T udo é preciso, de tudo v1verem os. C uidem os c o m e x atidão da perpendicular e das paralelas perfeitas, c o m apurado rigor. Projetemos n o ssa s e struturas. N úm ero, ritm o, distância, dim ensão. T em os o s olhos, o s pulsos, a s m e m órias. C onstruirem os a s obras não perm anentes que su c e ssivam ente habitarão a Terra. Todos o s dias e starem os refazendo n o sso s desenhos. N ão n o s c a n se m o s logo. Tem os trabalho para toda a vida. São Paulo, junho de 2005. R eyolando M .L.R .F. B rasil Engenheiro C ivil Professor D outor, Livre-D ocente Escola Politécnica e Faculdade de A rquitetura e U rbanism o U niversidade de São Paulo Sum ário IN TR O D UÇÃO 13 CAPÍTULO 1 N oções básicas 17 1. Força 19 1.1. Forças que atuam n as estruturas 19 1.2. Cargas que atuam n as lajes 20 1.2.1. Peso próprio das lajes m aciças 20 1.2.2. Peso proveniente do rev estim ento 21 1.2.3. Peso proveniente das cargas acidentais 21 1.3. Cargas que atuam nas vigas 22 1.3.1. Cargas provenientes do peso próprio da viga 23 1.3.2. Cargas n as vigas provenientes das lajes 23 1.3.2.1. Cargas n as vigas provenientes das lajes arm adas e m u m a só direção 24 1.3.2.2. Cargas n as vigas provenientes das lajes arm adas e m c ru z25 1.3.3. Cargas n as vigas provenientes das alvenarias 28 C A PÍTULO 2 C álculo dos e sforços e m vigas isostáticas 39 2. Conceitos gerais 41 2.1. Conceito de m o m ento 41 2.2. Estrututura isostática-Conceitos básicos 43 2.2.1. Esforços n as vigas isostáticas 45 2.3 . Equilíbrio externo das vigas-Cálculo das reações de apoio 49 2.3 . 1. V igas biapoiadas sem balanços 49 2.3.2. V igas em balanço 64 2.4. Equilíbrio interno das vigas -Cálculo do m o m ento fletor e da força co rtante 72 2.4.1. Força co rtante e m o m ento fletor em vigas biapoiadas sem balanços 73 2.4.1.1. Cargas co n centradas 73 2.4 .1.2. Cargas distribuídas 90 2.4.2. Cálculo do m o m ento fletor e da força co rtante em vigas em balanço 1 O 1 2.4.2.1. Cargas co n centradas 102 2.4 .2.2. Cargas distribuídas 106 2.4 .3. Cálculo da força co rtante e do m o m ento fletor e m vigas biapoiadas co m balanços 112 CAPÍTULO 3 C álculo dos e sforços e m vigas c o ntínuas 143 C A PÍTULO 4 C álculo dos e sforços n a s treliças planas 177 4.1. D eterm inação das cargas no s nós das treliças 179 4 .2. Projeção de forças 181 4.3. Processo analítico para determ inação das forças nas barras das treliças 183 4.4 . Polígono de forças 193 4.5. Processo gráfico para determ inação dos esforços nas barras das treliças- Processo de Crem ona 197 C A PÍTULO 5 C álculo do m o m e n to fletor m áxim o e m lajes 221 5.1 . Cálculo dos esforço s em lajes arm adas em urna só direção 224 5.2. Cálculo dos esforços em lajes arm adas em cruz -Tabelas de M arcus 225 5.3. Exercício de determ inação de m om entos fletores em l::úes 234 CAPÍTULO 6 D im ensionam ento das s eções e stru tu rais 239 6.1. D im ensionam ento de barras tracionadas de aço 241 6.2. D im ensionam ento de barras tracionadas de concreto arm ado 243 6.3. D im ensionam ento de barras tracionadas de m adeira 245 6.4. D im ensionam ento de barras subm etidas a com pressão sim ples 247 6.4.1. Cálculo do m om ento de inércia da seção 247 6.4.2 . Cálculo do m om ento de inércia em relação a u m eixo qualquer que não passe pelo centro de gravidade da seção 249 6.4.3. Cálculo do m om ento de inércia de u m a seção qualquer com posta de retângulos 250 6.4.4. Raio de giração de u m a seção 255 6.4.5. Esbeltez da bana 256 6.5. D im ensionam ento de barras com prim idas de aço 256 6.6. D im ensionam ento de barras com prim idas de concreto arm ado 264 6.7. D im ensionam ento de barras com prim idas de m adeira 274 6.8. D im ensionam ento de barras de aço subm etidas a m om ento fletor 278 6.9. D im ensionam ento de barras de concreto arm ado subm etidas a m om ento fletor 283 6.10. D im ensionam ento de barras de m adeira subm etidas a m o m ento fletor 294 6.11. D im ensionam ento de barras subm etidas a força cortante 296 6.11.1. Cálculo da tensão de cisalham ento 296 6.11.2. D im ensionam ento de barras de aço subm etidas a força cortante 304 6.11.3. D im ensionam ento de barras de concreto arm ado subm etidas a força co rtante 305 6.11.4. D im ensionam ento de barras de m adeira subm etidas a força cortante 311 CAPÍTULO 7 D etalh am en to de a rm ações e m vigas e lajes de c o n c reto a rm ad o 325 7.1. A nnação de flexão nas vigas 327 7.2. A nnação para cisalham ento nas vigas-Os estribos 329 7.3. A nnação de flexão nas lajes 430 7 .4 . A nnação para cisalham ento nas lajes 331 CAPÍTULO 8 Execução e interpretação de plantas de fôrm a 333 CAPÍTULO 9 Execução e interpretação de plantas de a rm ação 339 9.1. Lajes 343 9.1.1. A rm ações positivas e negativas 343 CAPÍTULO 10 D em onstrações de algum as relações m atem áticas o m itidas n o texto 345 10.1. Introdução 347 10.2. Conceitos sobre derivada 348 10.3. M áxim os e m ínim os de u rna função 353 10.4. Conceitos sobre integral353 10.5. Relação entre flecha, rotação, m om ento fletor, força cortante e carregam ento 355 10.6. Cálculo das rotações e flechas usando o gráfico de m om ento fletor com o carregam ento da viga -Processo de M ohr 360 10.7 . Coeficiente de transm issão de m om entos fletores 363 1 0.8. D eterm inação da rigidez de u m tram o 365 10.9. Cáculo do m om ento de engastam ento perfeito 369 B ibliografia 371 IN TR O D UÇAO IN TRO DUÇÃO "A ntes e acim a de todo cálculo está a idéia, m odeladora do m aterial e m form a resistente, para cu m prir su a m issão" (Eduardo Torroja). Cada v ez m ais o cálculo estrutural está ficando n as m ãos de m atem áticos, que desenvolvem teorias brilhantes, de elegância irrefutável. N o entanto, esses cálculos preciosistas afastam cada v ez m ais os cidadãos co m u n s, o u seja os engenheiros e arquitetos, do co ntato m ais próxim o co m o processo de interação entre o co m portam ento físico e o m atem ático, tão im portante para u m projeto co n sciente. Cada v ez m ais o s núm eros falam por si sós. O problem a é que eles se expressam , de u m a m an eira até elitista, e m u m a linguagem que não é de dom ínio de todos m as apenas daquêles que se en cantam co m o abstrato pelo abstrato. N ão é o cálculo e m si que co n cebe u m a form a; o cálculo existe co m o ferram enta para co m provar e co rrigir o que foi intuído. O cálculo estrutural é, sem dúvida, u m a ferram enta im portante, m as fica sem sentido se a ele não for ajustado u m m odelo físico preconcebido. N ão tem sentido aplicar um m odelo m atem ático a u m m odelo físico que não seja passível de ser descrito pelo m odelo m atem ático, pois não se chegará a n enhum resultado, o u quando m uito a u m resultado errado. A m ais recente n o rm a brasileira para co n creto arm ado tem , e m alguns dos seu s itens, v erificações n u m éricas só possíveis de re solver - seu s próprios autores c o nfessam - pela via co m putacional. Para m im , isso é desconsiderar a possibilidade daquele que se en canta pela tradução im ediata entre o físico e o m atem ático poder escolher cam inhos e alternativas. É a ditadura da m áquina, já prevista há m uito n a literatura de ficção científica. Pobres jovens engenheiros e arquitetos, ficam im pedidos de saber o porque das soluções en co ntradas, ao lhes serem im postos program as de co m putadores que fornecem as respostas já prontas e indecifráveis. IN TRO DUÇÃO O s cálculos co m putacionais são bons para aqueles que carregam n a m ente v erificações e v erificações n u m éricas m an u ais e que podem e m u m a rápida análise saber se a resposta fornecida pela m áquina é o u não co n sistente. O jovem e inexperiente profissional pode aceitar o s resultados sem u m a análise m ais crítica, podendo co m eter erro s grosseiros para m ais o u para m en o s. É im portante que se tenha u m a previsão, ainda que grosseira, dos resultados possíveis e da su a o rdem de grandeza, para u m a adequada utilização dessas m áquinas. Se u m resultado esperado não é obtido, de duas u m a: o u o m odelo físico não é co rreto, o u o s dados fornecidos é que não o são. Perdoem o pobre m o rtal autor deste livro, que só se en canta c o m aquilo que pode ser visto. O núm ero é im portante, co m o im portante é a linguagem . D e n ada v ale co nhecer a tradução de u m a determ inada palavra se não se sabe o seu significado. Pode se r até u m a visão c o n se rv adora, m as antes de u sa r o s processos co m putacionais é reco m endável que o jovem profissional faça alguns cálculos m an u ais, para entender co m o se dá a co rrelação entre o físico e o m atem ático. Este livro tem co m o objetivo justamente m o strar de u m a m an eira bastante sim ples co m o o s processos n u m éricos podem ser colocados a serviço de u m a interpretação física. N ele, procura-se apresentar a tradução m atem ática dos fenôm enos físicos por interm édio de m odelos m atem áticos que possam ser entendidos por aqueles que estejam interessados e m quantificar e ajustar aquilo que su a intuição indica. N este livro serão apresentados o s dim ensionam entos para estruturas de aço, co n creto e m adeira, perm itindo que o leitor possa co m parar o s resultados, o que poderá ser m ais u m elem ento de apoio n a tom ada de decisão n a escolha da solução estrutural m ais adequada. A s u nidades u sadas são as do Sistem a Técnico e não as do Sistem a Internacional (SI), pois o autor acredita que aquelas u nidades são m ais próxim as do sen so co m u m do leitor, tanto que n o dia-a-dia não se pergunta a o utra pessoa quantos N ew tons ela pesa e sim quantos kgf. A gradeço ao A rqt 0 . M arcos Petrikas, que tão bem resolveu o s ex ercícios aqui propostos. CAPÍTULO 1 N oções básicas C/>YÍTULO 1 -~oções básicas N este capítulo serão apresentados co n ceitos básicos que servirão de apoio para o desenvolvim ento das relações m atem áticas utilizadas n o dim ensionam ento das peças estruturais. Sugere-se que, para u m m aior aprofundam ento, o leitor c o n sulte o livro do m e sm o a utor denom inado "A Concepção Estrutural e a A rquitetura". Todas as edificações são co m postas de estruturas que se desenvolvem n o espaço, logo poderiam ser tom adas co m o estruturas espaciais. N o entanto, algum as soluções estruturais perm item , para m aior facilidade de análise , ser decom postas em m odelos que se desenvolvam no plano. A ssim é o caso da laje, que pode ser estudada em dois planos v erticais o rtogonais, e o das vigas, que podem ser estudadas isoladam ente n o s diversos planos v erticais e m que se desenvolvem . É dessa m an eira que as estruturas serão aqui an alisadas: lajes apoiadas nas vigas depositando n estas su as cargas; vigas apoiadas em o utras vigas ou pilares, depositando n eles su as cargas. 1. Força D enom ina-se força ao resultado de u m a m assa subm etida a u m a aceleração. M atem aticam ente, pode-se traduzir esse fenôm eno pela relação F= M x A, o nde F é força, M a m assa e A a aceleração. Para caracterizar u m a força, é n ecessário inform ar su a intensidade, direção e sentido. N ão se deve co nfundir direção co m sentido. D ada u m a direção - por ex em plo - a horizontal, tem -se dois sentidos: para a direita e para a esquerda. Conhecer as forças que atuam n as estruturas é de fundam ental im portância, já que a estrutura é justamente o cam inho que as forças percorrem , de u m determ inado ponto até a fundação. 1.1. Forças que atu am n a s e struturas A s forças que atuam n as estruturas são basicam ente de duas espécies: gravitacionais e de v ento. A s prim eiras têm direção v ertical e as segundas, horizontal. Podem o co rrer o casionalm ente ou durante toda a vida útil da estrutura; as o casionais são denom inadas cargas acidentais e as segundas , cargas perm anentes . São ex em plos de cargas acidentais, pessoas, m obiliários, v ento e v eículos. Essas cargas, por serem de difícil quantificação, são definidas por N orm a, a N B R 6120. A s cargas perm anentes são o peso próprio da estrutura, os rev estim entos e as paredes. 1 .2. C argas que atu am n a s lajes O prim eiro elem ento estrutural a receber cargas é a laje. Com o a laje é u m a superfície, a carga que n o rm alm ente atua sobre ela se distribui por toda su a área. Com o cargas perm anentes atuando n as lajes tem -se o seu peso próprio e o s rev estim entos. O peso próprio das lajes m aciças depende da espessura da laje. N o caso de lajes pré-m oldadas e painéis, o peso próprio pode ser obtido n o s catálogos dos fabricantes. 1.2.1. Peso próprio das lajes maci~as O peso próprio da laje é u m a carga de superfície, portanto ele deve ser calculado por u nidade de área da laje, o u seja, por m etro quadrado de laje. Para isso determ ina-se o peso do v olum e de 7 r./ de laje. Para determ inar o peso da laje de co n creto arm ado deve-se co nhecer o peso específico do co n creto arm ado ( yCA ), que é de 2.5001<::;::F/rn 3 . N ote-se que o v olum e de 7 íí 1 ~· de laje é dado pela seguinte relação: Vol = 7 ;:1 x 7 ili x h 1 . (rr1 1 O f € , o nde 7 rn é o lado do quadrado. " 1 -- - - _ _ _ , I I l I 1 I I I I I In I I I I ~o : > I 1 :> I -r - - - - - - - - - - b Para determ inar o peso desse v olum e basta m ultiplicá-lo pelo peso específico do co n creto arm ado . A ssim : N ote-se que n u m ericam ente o peso por m etro quadrado da laje depende apenas da altura da laje (h 1 aie ). A ssim , pode-se escrev er: R esum indo, para determ inar o peso da laje por m etro quadrado basta m ultiplicar a espessura da laje pelo peso específico do co n creto arm ado. V ale insistir que as o utras dim ensões da laje não im portam n o cálculo do seu peso próprio, pois não interessa determ inar o peso total da laje, m as sim seu peso por u nidade de área. A espessura da laje pode ser adotada a partir da experiência pessoal o u u sando qualquer critério de pré-dim ensionam ento. 1.2.2. Peso proveniente do re v e stim ento O peso do rev estim ento ex ecutado sobre a laje v aria u m pouco em função da espessura do co ntrapiso e do tipo de piso, se cerâm ico, de m adeira o u o utro. Para os caso s m ais co m u n s pode-se co n siderar, a favor da segurança, o peso do rev estim ento co m o sendo de 7 OO!cgf/r~:·. 1.2.3. Peso proveniente das c a rgas a cidentais Este peso é definido pela N orm a B rasileira. D epende do tipo de u so da edificação, se residencial, co m ercial o u institucional, entre o utros. Seguem -se alguns v alores prescritos pela N BR 6120-Cargas para o cálculo de estruturas de edificações (Nov/1980): o arquibancadas: 400/<g{/rn"· o bancos: 200k9i/r:/ o piso de edifícios residenciais: 7 50kgfln ; o salas de aula de escolas: 300 :<gf/r: · · ' o piso de escritórios: 200kçf/m~ o piso de lojas: 400 .'<gf/m ·? o lajes de forro: 50/<r:_J{Im' o ginásio de esportes: 500 <&Jf/rn:' o hospitais: 200!<gf/m;: o restaurantes: 300kgF/:~J:· o platéia de teatros e cinem as: 400!<gF/n1: Exem plo: D eterm inar as cargas que incidem n a laje . D ados: laje para u so de escritório: carga acidental para piso de escritórios (CA = 200kgf/m~' ), altura da laje (h 1 . ) = O, 7 2rn . o1e 5<ll -+ '!- - - - - - - - - - - 1 I I I I I I I I I I I I I .1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - ' I - · I~ CAP 1TUi_O ' - "loções bós·c:cs peso próprio (ppla;e) = hla;e( m) X yCA(kgf,! m ) Ppl . = O, 12 :-n x 2.500f<qfím 3 = 300/<af/rn:; a1e '""' u P P/aje = 300/<gf!rn? rev estim ento do piso = 1 OOI<gf/m ' (padrão) carga acidental = 200!(g{/m:· (laje de piso para escritório) Total = 600kg[/n; ' 1.3. C argas que atu am n a s vigas A s vigas são co n sid eradas elem entos e struturais lin eares, logo as cargas que atuam sobre elas são , tam bém , cargas distribuíd as linearm ente . A s carg as lineares que p odem atuar em u m a vig a são seu peso próprio, as cargas d as lajes e a s c argas d e alve n arias. J - - · - alve n a ria N as vigas podem , ainda, atuar cargas co n centradas devidas ao apoio de o utras vigas. Essas cargas são as reações das vigas que n elas se apóiam . CAPÍTULO 1 - N oções básicos 1.3.1 C argas provenientes do peso próprio da viga Co m o o peso d a viga é u m a carga linear sobre ela m esm a, p ara determ iná -lo calcula-se o peso d o v olu m e de u m m etro lin ear d e viga . A ssim : 1m .h li - li Vol(m 3j = 1 (rn) x b(m) x h(rn) Peso próprio de 1 m linear de viga ( q ) pp q (i<d) = 1 rn x b rn x h n: x 2.500i<c::F/n; 3 w ~ ~ R epare que o peso da viga independe do co m prim ento podendo-se obter o peso próprio m ultiplicando-se diretam ente as dim ensões da seção transversal da viga (b e h) pelo peso especíico do co n creto arm ado. A ssim : q (l<ci/rn) = (b x h)m :: x 2.5001wf/nT ' pp '- ' I 0 1.3.2. C argas n a s vigas provenientes das lajes Sabe-se que em função das relações entre seu s vãos, as lajes podem se r co n sideradas arm adas em u m a só direção o u em cru z, o u seja, quando u m dos vãos da laje tem u m a dim ensão bem m aior que o o utro. E m virtude da rigidez do vão m en o r , os esforços n o vão m aior são tão pequenos que podem ser desprezados, co n siderando-se que apenas o vão m en o r está sujeito ao s esforços. N este caso , a laje é arm ada apenas n a direção em que o s esforços são significativos, o u seja, n o vão m en o r. Esse tipo de laje é denom inado laje arm ada e m u m a só direção. Para fins práticos , essa situação o co rre quando o vão m aior é m aior que o dobro do vão m en o r (L > 2 x . €). Caso co ntrário, o s dois vãos apresentam esforços significativos e a laje é arm ada n as duas direções, denom inando-se laje arm ada em cru z. N a prática , isso o co rre quando o vão m aior é m en o r o u igual ao dobro do m en o r (L 5 2 x . €). CAPÍTULO I - Noc;ões bósicos L ::; 2 x e L > 2 X f - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -~ -r- la;e a rm ada e m u m a só direção la;e a rm ada e m cru z 1.3.2.1. C argas n a s vigas provenientes das lajes a rm adas e m u m a só direção N o caso de laje arm ada e m u m a só direção, a distribuição de cargas aco ntece apenas sobre as vigas do vão m aior. Para entender o porque disso, basta im aginar c o m o a laje ro m peria, o que se m dúvida deixa claro sobre quais vigas ela e staria se apoiando. (L) lrn r ..... ...... ~ - · - " - - - - - 1 ; -------'~ . ~ linha de ruptura Para determ inar a carga sobre a viga, tom a-se a quantidade depositada e m u m m etro linear de viga. Para isso, tom a-se u m a faixa da laje c o m u m m etro de largura. A carga sobre essa faixa é determ inada m ultiplicando-se a área dessa faixa pela carga por m etro quadrado sobre a laje. A ssim , tem -se: L -t L I •' • - . -;.- I C'l . I l;;:;; I• """ I lo . . . . . . . - I - ,(- - - ,é]m /-- q 1 . (i<gf) = q 1 . (kgf/m') x 1 (rn) x R(m) O IX O Ofe ' Com o m etade da carga sobre essa faixa v ai para cada u m a das vigas, tem -se. q . (i<gf)= (q 1 . (!<gf/rn;) x 1 (m) x R(m)) + 2 ~ g a Ofe CAPÍT~JLO 1 - !\loções bósicas N ote-se que n u m éricam ente o v alor da carga n a viga independe da largura da faixa, bastando m ultiplicar a carga da laje pela m etade do vão m e n o r da laje, o u seja: R(m) x _ _ 2 O bs: A s lajes pré-m oldadas co m portam -se co m o lajes arm adas e m u m a só dirção (a direção das vigotas). Seu peso é dado e m tabelas fornecidas pelos fabricantes e m função do vão e da sobrecarga (acidental+ rev estim entos). 1.3.2.2. C argas n a s vigas provenientes das lajes a rm adas e m c ru z Para entender c o m o se dá a distribuição de cargas sobre as vigas que apóiam u m a laje e m cru z, basta observar c o m o se dá a ruptura desse tipo de laje. N a laje arm ada e m cru z, o s m o m entos fletores são significativos n as duas direções. A gindo c o n c o m itantem ente e m direções o rtogonais, e sse s m o m entos provocam u m m o m ento resultante que se dá e m u m a direção inclinada e m relação ao s lados, co n siderada para fins práticos a 45°. 5m ~ ' 45 ° I /I I ~ I ·I I I I I I I I I I ,I I ,,. I C: '<C I 5rn '(' 'I ~ l -linha de ruptura porção da laje sobre o vão m aior D esta form a, a ruptura de u m a laje quadrada se dará ao longo das diagonais. N o centro de u m a laje retangular, prevalece o m o m ento n a direção do m e n o r vão, dando-se a ruptura paralela ao m aior vão. L f/2 f/2 L -(2 X f/2) = L -f CA PÍTULO l - N oções básicos Considerando o caso m ais genérico de lajes retangulares, pode-se perceber que as vigas do vão m aior recebem u m trapézio de carga e as vigas do vão m en o r , u m triângulo , o u seja , a form a de ruptura m o stra co m o a laje apóia- se e m cada direção. U m a v ez entendido esse fato, a determ inação da carga e m cada direção resu m e-se a calcular a área de carga sobre cada viga - triângulo o u trapézio - e distribuí-la ao longo da viga. Em o utras palavras, n a viga do lado m aior, a porção de carga da laje que v ai para ela é igual a área do trapézio m ultiplicada pela carga por m etro quadrado sobre a laje (peso próprio , rev estim ento e carga acidental) . N as vigas do lado m en o r o co rre o m esm o , apenas que a área de carga é u m triângulo. A ssim sendo : Cargas n as vigas de lado m en o r: , h R(rn) f2(rn 2) a re ado triangulo = (f(rn) x 2 ) + 2 = 4 . · h - 0• R 2(rn 2) carga total sobre o tnangulo = q 1 aie (kgf/rn "j x 4 Com o a carga sobre a viga é distribuída ao longo do seu co m prim ento, divide-se a carga total pelo co m prim ento da viga, o u seja .e, assim : f2( 'I q viga = (q laie (/<gf/m 2) X 4 m · /) + f(m) f ' ( 'I f(rn) qviga (kgr/m) = qloie (kg r/rn ') X 4 Cargas n as vigas de vão m aior: , , R(;n) a r e ado trapezio = {L(m) + (L(m)- R(m))} + 2 x 2 c a rga total sobre o trapézio = qtrop D ividindo pelo c o m prim ento da viga de vão m aior ( L) e o rganizando a fórmula tem -se: R esum indo, de todos esses cálculos o que é im portante saber é : C \PÍTUL() l - N ocoes bósicc:s - carga n a viga de vão m en o r: r ( ' '! '') R(m) q . (!w r/m) = q . rw r '? -:' x - - vtga v laJe .,_ , 4 - carga n a viga de vão m aior: , r; .. 1 R(m) R(rn)) q fi<Of/:n) = q . (K c r ill' x - - x (2- L,~,-,- .. ) viga 1 " " lare ~ 1 4 . - - Exem plo: Laje para piso re sidencial. 6 m - - - l -Cargas n a laje: - - - - - - - - - - - : I I I I I I I I Peso próprio = 0 1 12 m x 2.500kgf/m 3 . . . . = 300kgf/m 2 R evestim ento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = 1 OOkgf/m " Carga acidental (piso residencial) . . . . . . . . . . . . . = 150kgf/rn 2 qlaie 9 L = 550kgf/m :' 2- Cargas n as vigas V3 e V4 (vão m en o r): _ 1 r; ,;) R(rn) qvig a m e n o r - qlaie (.<gr 11 ' X 4 5 m q . = 550fwf/m ·' x v1g a m e n o r '- 1 4 q . = 687,5i<gf/m v1go m e n o r 3-Cargas n as vigas Vl e V2 (vão m aior): I '/ .1 f(rn) (2 Rrr>l)) q = q \ 1 <CT rn '; x - - X - - - viga m aior laJe 'J 4 L(m) 5 rn q = 550i<cf/nl~· x 1,25 m x (2- -6 ) vig a m aior '--' ITl q . . = 687,5i<oF/n/ x 1, 17m = 804A kç;f/m vtg o m o10r '- ' q . . = 804A I<of/rn V!QOm a ro r '- " C;"'PÍTUL0 l · i'Jocões bósiccs 1.3.3. C argas n a s vigas provenientes das alvenarias A s alvenarias tam bém depositam cargas por m etro linear sobre a viga. Para determ inar o peso da alvenaria sobre a viga, calcula-se o peso do v olum e de u m a faixa de alvenaria de 1 m etro de largura ao longo do co m prim ento da viga. ~ ~~ h . lo . L -r, 1 · ' - · - - · - L R A ssim , tem -se que o v olum e da faixa de alvenaria é: Vol = 7 (rn) x b(rr;) x h(m) o nde b é a largura da alvenaria e h a su a altura (a grosso m odo co n siderada co m o a altura do pé direito). Para determ inar o peso dessa faixa de alvenaria, deve-se m ultiplicar o seu v olum e pelo peso específico da alvenaria, o que v aria de aco rdo c o m o tipo, se de tijolo, bloco o u painel. O s pesos específicos (v 1 ) das alvenaria m ais u sadas são: la v e o tijolos de barro m aciços rev estidos . . . . . . . . . . . . . . . . = 7 .680~r 1m o tijolos cerâm icos rev estidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = 7. 120kf: JmS o blocos de co n creto rev estidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = 7 .250kg.lm l o blocos de co n creto celular rev estidos . . . . . . . . . . . . . . . = 950kgi/m · Quando não houver inform ação específica, pode-se co n siderar alvenarias externas c o m 25c"~ e internas co m 7 5 cr·: . R ecom enda-se, ainda, que m esm o as alvenarias se m acabam ento co n sidere-se sem pre co m o rev estidas, pois isso pode aco ntecer n o futuro . A ssim , o peso dessa porção de alvenaria passa a ser: qalve (!<gfj = 7 (r~:) x b(:ll) x h(r:;) x y da alvenaria(:<s'/m') CA PÍTUlO l - N orpes bós;cos N esta relação, o peso da alvenaria independe da largura da faixa de alvenaria e pode se r n u m ericam ente expresso da seguinte form a: qalve (kg{/rn) = b(m) x h(n;) x 'Ya!ve (i<gr/íil i) Exercícios sobre cálculo de cargas sobre vigas: Exem plo: Calcular as cargas sobre a viga VJ 6 ' ' I . . I . . l I ' - - - - - - - - - - - - - - - - D ados: C =:::J laje para u so co m ercial: carga acidental para piso de escritórios (CA=200(;:y{/m: ·) altura da laje (h 1 . ) = O, 7 2 rn OJe rz;z;z::a alvenaria sobre a viga VJ de blocos de co n creto rev estidos: Cargas: espessura (e) = O, 7 9:1~ (bloco de 7 4 crn c o m 2,5 crn de rev estim ento de cada lado) altura (halv e) = 3 rn CP = carga perm anente e CA = carga acidental CP = peso próprio da laje + peso próprio do rev estim ento CP = O, 7 2 n x 2.5001<gf/mJ + 7 OOi<of/:;1' (padrão) CP = 400i<cflrr.-' Cargas sobre a laje ( q laje) : q 1 . = C P + CA ate 400 ' r/ ., 200 ' 1 ' ~ ql . = = i<Çr ;;; · · + :<qr; rrr· OJe ~ '--" qlaje = 600kgf/n ,:; CAPITULO 1 • oções bóstccs C arga da laje sobre a viga VJ (qvíga): q viga = q la i e X ~· X (2 -f) Oaje arm ada e m cruz, viga do vão m aior) 4m 4m q . = 600kgf/m 2 X - X (2 - - ) ~~ 4 6m q. = 6Q0kgf/m 2 X Jtn X ],33 VIga q . = 798kgf/m v1go C arga da alvenaria sobre a viga VJ (qa/ve): r da alvenaria de blocos de co n creto rev estidos = 1.250kgf/rn 3 q = O, 19m x 3m x 1.250kgf/m 3 alve qolvé = 71 2,5kgf/m C arga total sobre a viga V 1 ( q ~ viga ) : q~ viga = 712,5kgf/m + 798kgf/m q 1 . = 1.51 0,5kgf/m V lgO Exem plo: C alcular as cargas sobre as vigas VJ e V2 6,5m 6,5 m ~, v{= "'""' _ .. _ . . _ .. _ .. _m " - ·" _" _" _= " _'111']" v,VJ Í : l - - - - - J - - - - - - - - - - - - - - - - - V2 D ados: !:= ::J laje para u so residencial: c a rga acidental para piso residencial (CA= 150kgf/m 2) altura da laje (h 1 . ) = O, 1Om ate IZ!ZZã2l alvenaria sobre a viga V I, de blocos de tijolos cerâm icos rev estidos: e spessura (e) = 0,22m altura (hal ) = 2,8m ve CAPiTULO 1 · Noções bósicas C arga: C arga CP = c a rga perm anente e CA = carga acidental CP = pe o próprio da laje + pe o próprio do rev estim ento CP = O, 7 Om x 2 .500kgf/m 3 + 7 OOkgf/m (padrão) CP = 250kgf/mZ + 7 00kgf/m 1 C P = 350kgf/m ·· obre a laie (q 1 • ): 'J a1e qio = CP + CA la q = 350.~gf/m' + 150kgf/m 1 la f e q = 500kgf I m 2 lo1e Carga da laje sobre a viga VI (q v;g): f. q -q x - v>ga - lo/e 2 (laJe an n ada e m u m a só direção o nde L = 6,5 m > 2 x f = 6,0 m) q = 500kof/m 7 x 3 m viga ~ 2 q vlgo = 500kgf/m 2 x 1 ,5 m q wgo = 750kgf/m Carga da alvenaria obre a iga VJ (q 01 . _ .): r da alvenaria de tijolo c e râm ico rev e tido = 1 .120kgf!m 3 pe o da al en aria (q e1 .te) = 0,22 m x 2,8 m x 1.120kgftm q olve = 689, 92kg /m Carga total obre a viga V7 (q , viga) : q , YI{JO = q olve + q vigo q , viga = 689 ,92kgf/m + 750kgf/m q tvogo = 7.439,92kgf/m = 1.440 kgf/m CAPÍ-ULO I • oções bósicos Exem plo: C alcular as cargas sobre as vigas. 1 / 5 ,5 ,n t ; V1 20 x40cm P2 -r- l l l t Z 2 Z ; ;z;;zzzzzzz;m zzL'ZZZZZZZZZ2.ZZZZZZZZf1 L1 ~I I d = IOcm d = JOcm V3 20x30crn V4 20x30cm Ps P6 - + '-" · 3,5 m j,.. 2m ~ ~ - - - - ~ - - - - ~ - ~ , - - - - - - ~ 1 Considerar: laje para piso de escritório ~ alvenaria de bloco cerâm ico: h = 2,50m I -C argas n a laje: Peso próprio = O, 7 Om x 2.500kgf/m 3 . . . . . . . = 250kgf/m 2 R evestim ento . . . ,. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = 7 00kgf/m 2 C arga acidental (piso de escritório) . . . . . . . . . . . . . = 200kgf/m 2 qlaie c:::i> L = 550kgf/m 2 '2-C argas devidas ao peso próprio (PP) da viga: , - , (~.·' VJ (20 x 40cm) = V6 (20 x 40cm) PPV1,V6 = 0,20m x 0,40m x 2.500kgf/m 3 = 200kgf/m CAPÍTULO 1 · Noções bósicos ·~_, V2(75x50cm) PPV2 = O, 7 5m x 0,50m x 2.500kgf/m 3 = 7 87,5kgf/m ~ 3) V3 (20 x 30cm) = V4 (20 x 30cm) PPV3,V4 = 0,20m x 0, 30m x 2.500kgf/m 3 = 7 50kgf/m :3) Vs (20 x 50c m) = V7 (20 x 50cm) PPVs,V1 = 0,20m x 0,50 m x 2 .500kgf/m 3 = 250kgf/m 3 -Cargas n as vigas devidas às alvenarias. Incidência do peso da alvenaria sobre as vigas: ~ VJ. V3 V4 . Vs , V6 e V7 PPalv = 0, 20 m x 2,50 m x 7 . 7 20kgf/rn 3 = 560kgf/m I I I I 1 / / /_ - peso específico do bloco cerâm ico I I L pé-direito V2 PPalv = O, 7 5m x 2,50 m x 7. 7 20kgf/m 3 = 420kgf/m 4 -Cargas n a s vigas devidas às lajes: 1/ L = 5,5m + J- VJ {600.0 'm) L ::;; 2 X l ! L1 E' 5,5 m < 2 x3 m -~J j "' d = JOcm " ' ~ ~ 5 ,5 . 1 < 6 m ::!. ::!. ~ ~ ., _ _ (600,0 laje a rm ada e m c ru z "' . . V2 CAPÍTULO l - N oções básicas -~ V2 L~ 2 xf rmo~~ ~ E s ~ 3 li o ~ ~ ~ ~ / LV3 /i ~ L2 c , d = 70 ª ~ ~ (393,0 k~lfm) L= 3,5m )~ (0,0 kgflm) L3 d = 70cm (O,DkCJI m) . € = 2m E l() ~ li 3,5m < 2 x2 m 3,5m < 4m . . laje a n n ada e m cru z L> 2 X l 4,5 m > 2 x 2 m 4,5 m > 4 m . . laje a n n ada e m u m a só direção Cargas n as vigas V7 e V2 devidas a L 7 (vão m aior): 3m 3m qviga m aio r= 550kgf!m 2 X 4 X (2-5,5m) qvigo m aior = 600kgf/m Cargas n as vigas V2 e V3 devidas a L2 (vão m aior): q = q . X !:_X (2 -!_ ) viga m aio r lo1e 4 L 2m 2m q vigo m aior = 550kgfjm 2 X 4 X (2-3,5m) CAPÍTULO l - N oções básicas q . . = 393kgf/m v rga m a ro r Cargas n as vigas V5 e V7 devidas a L 7 (vão m en o r): l qviga m e n o r = qlcje X 4 q = 550kgf/m 2 x 34 m = 4 7 2,5kgf/m viga m e n o r Cargas n as vigas Vs e V6 devidas a L2 (vão m en o r): f qvigc m e n o r = q lcje X 4 . 2m qviga m e no r = 550kgf/m 2 X 4 = 275kgf/m Cargas n as vigas V6 e V7 devidas a L3 (vão m aior): l q = q X - viga m aio r laje 2 2m qviga m aior = 550kgf/m 2 X 2 = 550kgf/m O bs: V2 e V4 não recebem carga da laje L3 (annada e m u m a s/o direção). R esum o das cargas: V7 (20 x 40cm) PPviga alvenaria laje 200kgf/m (_!) 560kgf!m r~ 600kgf/m }; = 7 .360kgf/m }; = 7,36tf/m CAPiTULO I · Noções básicos llllllll H = Jl.B4tf{nf 11111111 .6. icl l 5 ,5 m -t~p,--------~~-----------t~~ V2 (JS x SO em) trecho 1 PP vigo 7 87,Skgf/m "2) -" alvenorio · - - - - 420kgf/m 8) LI = 600kgf/m laje - - -1 t V3 (20 x 30 cm) L2 = 393kgf/m L = 1 .600,Skgf/m L = 1,6tf/m trecho 1 3,571 5 ,5 m PP vigo - - - - - 7 SOkgf/m '3' ' . . . alvenaria S60kgf/m 0 laje L2 = 393kgf/m L = 1 .103kgf/m L = 1,1tf/m 2 m trecho 2 187,5kgf/m ti) o LI - - 600kgf/m I = 787 ,5kgf/m I= 0,79/f/m P3 CAPITUlO l · N ocões básicas V4 (20 x 30 cm) PPviga alvenaria laje - - - - - - Vs (20 x SO em) 150kgf/m (D 560kgf/m 1 A'. \.:...:' o L = 710kgf/m E = 0 ,77tf/m trecho 1 P P vigo - - - - - 250kgf/m ~ olvenorío - 560kgf/m ,~-, laje - - - L2 275kgf/m I = 1 .085kgf/m I = 1,09tf/m 2m - t- - - = .:..:..-- -t!.- Ps P6 trecho 2 250,0kgf/m '4) 560kgf/m 0 L1 412,5kgf/m E = 1 .222,5kgf/m I = 1,22tf/m trecho 2 2 m 3 m 5 m CAPÍTULO I -Noções básicas V6 (20 x 40cm) trecho 1 PPviga 200kgf/ m (D alvenaria - - - - - - - - 560f<gf/m @ laje · - - - - · - · · - - - - - L3 - · 550kgf/m - - - - - I; = 1.310kgf/m E = 1,31tf/m trecho 7 trecho 2 trecho 2 200kgf/m Q) o I L2 = 275kgf/m _ I L L3 = 550kgf/m E = 1.025kgf/m E = 1,03tf!m 1 qi=l 7f 0~:3tf!rr j 0n~ -~ -l-..:::..:..__2,5m_ ~ f~ 4,5m Ps V2 V7 (20 x SOem) trecho 1 PPviga 250kgf/m 4) trecho 2 250kgf/m r i) 560kgf/m r alvenaria 560kgf/m \~' laje - - - - - L3 - 550kgf/m E = 1.360kgf/m E = 1,36tf/m trecho 7 L1 - · 412,5kgf/m E = 1.222,5kgf/m E = 1,22tf/m trecho 2 A ~~ 4,5m P3 - - 3m 1 7,5m ~P-6- - - - - - ~ - - - - - - - ~ CAPÍTULO 2 C álculo dos esforejos e m vigas isostáticas CAPITULO 2 -C âlculo dos e sforços e m vigas isostâticos 2. Conceitos gerais 2.1. Conceito de m o m e nto É im portante lem brar que m o m ento é u m esforço que provoca giro. À prim eira vista a palavra m o m ento não apresenta qualquer relação c o m a palavra giro. N o entanto, elas estão ligadas por u m fato histórico: n a antiguidade, o tem po (momento) era m edido co m relógios de sol, instrum ento co n stituído por u m a haste v ertical que, projetando su a so m bra n u m plano, indica a altura do Sol e as horas do dia. A ssim o tem po (momento) era m edido pelo giro aparente do Sol e m tom o da Terra. Para o co rrer u m giro o u m o m ento físico é n ecessário que existam duas forças iguais, de m e sm a direção, de sentidos co ntrários e não colineares, o que se denom ina binário. Quanto m ais afastadas e stiverem as forças m aior será a intensidade de giro. Isso é fácil perceber quando se tira o parafuso da roda do carro . Quanto m aior for o braço da ferram enta m en o r será a força n ecessária para provocar o giro do parafuso. FI >F 2 - - - - - - - ' CAPÍTULO 2 -Cálculo dos esforços em vigas isostóficas M atem aticam ente, pode-se traduzir esse fenôm eno pela relação: M = F xd Exem plo: Seja determ inar o v alor do m o m ento da força f7 = 2,0tf e m relação ao ponto P 7. '" P1 D enom ina-se distância da força a o ponto à m en o r distância entre a linha de ação da força e o ponto. d Suponha o v alor de d = 4m , logo o m o m ento de f7 e m relação a P7 será: M = F1 X d M = 2 ,0tf x 4 m M = Btfm CAPÍTULO 2 -Cálculo dos esforços em v1gos isostóficos 2.2. Estrutura isostática - C onceitos básicos Lem brar que estrutura isostática é aquela que apresenta as m ínim as co ndições de estabilidade, o u seja, não se m o vim enta n a horizontal, não se m o vim enta n a v ertical e não gira e m relação a qualquer ponto do plano. A figura abaixo m o stra u rn a estrutura isostática. vínculo a rticulado m óvel I / I vínculo / a rticulado / fixo - - - pin o A viga apresentada n a figura acim a é denom idada viga biapoiada, o que parece óbvio. Esta viga apresenta dois tipos de vínculos n o s seu s apoios. N o apoio esquerdo, o vínculo é articulado m óvel , pois perm ite que a viga gire e se desloque n a horizontal. O vínculo da direita é u m vínculo articulado ftxo, pois apesar de a viga poder girar e m relação ao pilar, o pino im pede seu deslocam ento horizontal. giro e . . . . . / deslocam ento horizontal apenas giro Esquem aticam ente, a viga pode ser representada co nform e a figura abaixo. representação e squem ática CAPÍTULO 2 -C álculo dos esfo rços em vigas isostóticas U m a barra fixada em u m a única extrem idade, em u m apoio m uito rígido, tam bém é u m a viga isotática. Para isso, o único vínculo da viga deve ser engastado, o u seja, não perm itindo o giro e n em deslocam entos v erticais e horizontais. não se desloca n a vertical , n e m n a horizontal e não giro = vínculo e ngastado vínculo . ~·. e ngastado 1 ----------- repre se ntação e squem ática U m a viga co m o essa, co m u m único apoio engastado, é denom inada viga e m balanço. A s vigas biapoiadas podem tam bém apresentar balanços e m u m o u e m am bos o s extrem os. balanço balanço vão I I CAPÍTU LO 2 -Cólculo dos esforços em vigos isostóticos 2.2.1. Esfor~os n a s vigas isostáticas Quando carregadas por u m a o u m ais forças, as vigas isostáticas deform am - se de m an eira que su as seções, antes paralelas, giram u m as em relação às o utras, de form a que se afastam em u m a das faces e se aproxim am e m o utra. I I I I I I I ) seções se afastam I I I seções se aproxim am I I / I 1 seções se apro xim a m I .seções se afastam I CAPÍTULO 2 -C álculo dos e sforços em vigas isostáticos I I seções se aproxim am seções se 1 afastam ' I seções se afastam seções se , aproxim a m f E m todas essas situações, as vigas se deform am de m an eira que e m relação ao eixo reto o riginal aparecem flechas. flecha Este fenôm eno é por isso denom inado de flexão e o esforço que provoca o giro das seções e o aparecim ento de flechas ao longo da viga, de m o m ento fletor. Sem pre que o m o m ento fletor v aria de u m a seção para o utra, o que é m ais freqüente, aparece n a viga a tendência de esco rregam entos transversal e longitudinal entre as seções v erticais e horizontais da viga. e sco rregam ento longitudinal CAPÍTULO 2 -C álculo dos e sforços ern vigas isostáticas e sco rregam ento transversal A o esforço que tende a provocar o esco rregam ento das fatias longitudinais e transversais dá-se o n o m e de força co rtante. Para co m provar que a força co rtante sem pre aparece quando há v ariação do m o m ento fletor, tom e-se n as m ãos u m m aço de folhas de papel (umas 50 folhas). A plique-se e m u m a das extrem idades u m giro (momento), deixando livre o o utro extrem o. O bserve co m o as folhas esco rregam . e sco rregam ento longitudinal das folhas CAPÍTULO 2 -C álculo dos esfo rços em vigas isostáticas Esse fenôm eno pode tam bém ser observado n a ilustração: - ' - - - ' - - - esco rregam ento longitudinal das fatias E m seguida, provoque co n co m itantem ente giros de m e sm a intensidade n as duas extrem idades . O bserve que n este caso não há m ais esco rregam ento das tiras, pois o m o m ento não v aria de u m a extrem idade à o utra . não há esco rregam ento longitudinal das fatias - Para dim ensionar u m a viga a flexão deve-se determ inar o s v alores de m o m ento fletor e da força co rtante de m an eira que se determ ine a largura e altura de su a seção, para que o m aterial do qual é feita possa resistir às tensões de tração e de co m pressão provocadas pelo m o m ento fletor e às tensões tangenciais o u de cisalham ento provocadas pelas forças co rtantes. C om o se v erá m ais adiante, as tensões de cisalham ento provocam tam bém tensões de tração e de co m pressão e m planos inclinados e m relação a seção transversal da viga. CAPÍTULO 2 -C álculo dos e sforços em vigas isostáticas 2.3. Equilíbrio e xterno das vigas - Cálculo das reaejões de apoio 2.3.1. V igas biapoiadas s e m balanejos O equilíbrio externo das vigas depende das cargas que atuam sobre as vigas e das reações a essas cargas provocadas pelos vículos, denom inadas reações de apoio. A s prim eiras cargas são denom inadas cargas externas ativas e as segundas, reativas. Em u m a viga, as cargas externas ativas são: cargas distribuídas decorrentes do peso próprio da viga; as cargas aplicadas pelas lajes e alvenarias; e as cargas co n centradas devidas a o utras vigas que n ela se apóiam . Para determ inação das cargas externas reativas, é n ecessário co nhecer-se as forças de reação que c ada vínculo é capaz de adm itir. A ssim , u m apoio articulado m óvel, que perm ite giro e deslocam ento horizontal, só reage a forças v erticais. Portanto, esse vículo só adm ite reação v erticaL O vínculo articulado fixo, por im pedir deslocam ento v ertical e horizontal, adm ite reações v ertical e horizontal. O vínculo engastado, que im pede rotação e deslocam entos, adm ite reação v ertical, horizontal e m o m ento. CAPÍTULO 2 - C álculo dos e sforços em vigas isostóticos Se, sob a ação das cargas externas ativas e reativas, a viga e stiver e m equilíbrio estático v alem as co ndições de estabilidade já en u n ciadas, o u seja, não anda n a horizontal, não anda n a v ertical e não gira. Essas co ndições podem se r traduzidas m atem aticam ente pelas cham adas equações da estática, o u seja: - não anda n a horizontal r::) L FH = o - não a nda n a v ertical r::) L FV = o - não gira r::) L M B = O O BS: o sím bolo L significa so m a. N ão andar n a horizontal significa que a so m a de todas as forças n a horizontal (incluindo as projeções horizontais das forças inclinadas) deve resultar n ula. O m e sm o para as forças v e rticais. N ão girar significa que o s giros (momentos) que as forças ativas e reativas tendem a provocar e m relação a u m ponto qualquer, preestabelecido, são n ulos. Exem plo: determ inar as reações de apoio da viga da figura abaixo. A 12,011 B A D_ 3 m 2m 5 m D enom inem -se de A e B o s apoios. Colocando a seguir as reações possíveis e m c ada tipo de vínculo, tem -se: A 12,011 B H e ~ ~ ' 3 m j 2 m - - - , 5 m VA Va Em seguida apliquem -se as três equações da estática: L FH = O, L FV = O e L FM = O CAPITULO 2 -C álculo dos e sforços em vigas isostóticos U sando a prim eira equação e co n v en cionando u m sinal para as forças, o u seja, se a força horizontal tiver o sentido da esquerda pra a direita será positiva, caso co ntrário n egativa. Essa co n v enção pode ser oposta a esta sem que o s resultados sofram qualquer alteração. A ssim : LF H =O , o nde (+) e F (-) F -HB = O - - - -7 HB = O Com o não existe n enhum a força horizontal atuando n a viga, a equação resulta n o óbvio, o u seja, a reação horizontal n o apoio B é zero , não existe. A plicando a segunda equação e tam bém co n v en cionando que as forças c o m sentido de baixo para cim a são positivas e as de sentido co ntrário n egativas, tem -se: LF V =O , o nde (+) F + VA-2,0tf + VB = O (equação I) VA + VB = 2,0tf D eve-se aplicar, ainda, a terceira equação, a que se refere a o giro, co n v en cionando-se que se a força tender a fazer a viga girar n o sentido horário, e m relação a u m ponto qualquer escolhido, ela será positiva, caso co ntrário n egativa. A ntes de aplicar e ssa terceira equação é n e c e ssário e sc olher u m ponto qualquer, m a s qualquer m e sm o , para se tom ar o s m o m entos das forças ativas e reativas que atuam n a viga. Para tornar o resultado m ais rápido, reco m enda-se que o ponto escolhido (também denom inado pólo de m o m ento) para co n siderar o s m o m entos das forças, seja u m dos apoios. Seja, n este ex em plo, o ponto B o pólo dos m o m entos. A ssim : M M LM B =O , o nde ~ e0' CAPÍTULO 2 · C álculo dos esforços em vigos isostóticos C onsidere-se o m o m e nto de c ada força, desconsiderando, e m princípio, as dem ai o u eja: l 2,0tf A B ~,...--- - - - - - -!..- - - ,D. 3m 2 m 5 m se ntid_o ( + y } ~ h o ,án o ( ~ B 5 m A r()jf , á se ntido ( -) \ 1\ onli-ho,óâ~ A B . . - - - - - - - - - , 7 \ tà ~ L Portanto, tem -se: + VA x S m -2,0tf x 2m + VB x O = O HB= o + - - - m o m ento d eVA em re/oçõo o B m o m ento de 2,0/f em relação a B m o m ento de V s em reloçõo a B CAPÍTULO 2 -Cólcvlo dos esforços e m vigos isostóficos C om o M = F x d, n o prim eiro c a so tem -se c o m o força a re ação VA, c uja distância a o pólo B é Sm. Sua tendência de giro e m relação a B é n o se ntido horário. Som a-se a e sse m o m e nto o m o m e nto da força de 2, Otf, c uja distância ao pólo B é de 2m e c ujo se ntido de giro e m relação a B é a nti-horário. N o terceiro caso , a linha de ação da reação VB passa pelo ponto B, logo su a distância a B é zero , o que resulta e m u m m o m ento n ulo. C om pletando-se a equação 2 , tem -se: VAx Sm -4;0tfm =O Sm x VA = 4,0tfm 4,0tfm V A = -- 5m VA = O,Btf Para determ inar VB, substitui-se o v alor deV A n a equação 1 VA + VB = 2,0tf O,Btf + VB = 2,0tf VB = 2,0tf-O,Btf VB = 7,2tf Exercício: C alcular as re ações de apoio para a viga da figura a seguir. A l2.0fl 11,011 r orr B HB fà b 2m I 7m I I ,S m I 1 ,5 m 1 6 m V e IF H =O , o nde (+) ( -) ~ e ~ -HB = 0 ~ HB = 0 CAPfTULO 2 -Cálculo dos esforço s e m vigas isostóticos ~FV = O , o nde (+) t e lF F I (-) + VA-2,0tf-1,0tf-4,0tf + VB = O VA- l,O tf + VB = O "3) VA + VB = l,O tf M M ~ M B = O o nde ~ e r-- (+)d ~(-) A B 1 2,0ff B 1 l,O tf B r~tf B ~ - - -.. + ~ + ~ + e.c------I...--.~ + a~<"'"-----.6. 14m! ~ tfm 1 (+VAx6m) (-2,0tfx4m)(-1,0tfx3m) (-4,0tfx7,5m) (+VBxO) + VA x 6m -2,0tf x 4m - 7 ,Otf x 3m -4,0tf x 7,5m + VB x O = O + VA x 6m -B ,Otfm -3;0tfm - 6,0tfm = O 6m x VA- 7 7,0tfm = O 6m x VA = 7 7,0tfm VA = 7 7,0tfm 6 m VA = 2,8tf G) VA + VB = l,Otf 2,8tf + VB = l,O tf VB = l,O tf-2,8tf VB = 4,2tf V a CAPÍTULO 2 -Cálculo dos esforços em vigos isostálicos Para sim plificar o cálculo , pode-se generalizar o s resultados, u sando u m a força P qualquer atuando sobre a viga de vão f qualquer e distante a e b dos apoios A e B, respectivam ente. A ~- r o t b 1 f ~FH = O , o nde -HB = 0 - - -7 HB = O ~FV = O , o nde (+)r e I F F - .v{ -) + VA-P +VB = O VA + VB = P Ci) L M B =O , o nde (+) + VA X f- p X b + VB X o= o + V A xf-P xb = O VA X f= p X b P xb V A = - - f. VA + VB = P B H a b V a CAPITuLO 2 -Cólculo dos esforços em vigas isostóticos P xb - f- + VB = P V _ p P xb B - - f VB = p X f -p X b f VB = p X (f- b) e V erificar que : N. ím : f- b = a, pois a + b = f VB = P xa f D esta m an eira, basta aplicar diretam ente essas relações genéricas, sem n ecessidade de se detenninar os v alores das reações u sando, toda v ez, as equações da estática. Se houver m ais de u m a carga n a viga, faz-se o cáculo das reações parciais para cada carga, so m ando-se ao final esses v alores parciais para obter a reação total e m cada apoio. Exem plo : 3 m 2 m S m Vs CAPÍTULO 2 -Cálculo dos esforços em 11190S tsostot1cos N e te ca o: A ssim : P = 2, Otf, a = 3m b = 2m e f. = 5m VA=~ f VA = 2,0tf x 2 m = 4 ,0tfm = O ,Btf Sm 5 m VA = O ,Btf V P xa B = - - f VB = 2,0tf x 3m = 6,0tfm = 1 ,2 tf 5m 5m VB = 1,2 :f Exem plo: A~------~l-Z_Ot-f~l~J-,0-H _ _ _ l~4-,0-~--~B ~ ~ ' ~ j 2 r1 1 Jm J,5m 1,5!'1 6 m Vs A viga deste ex em plo pode ser decom posta em três vigas, carregada cada u m a co m u m a carga co n centrada. Calculam -se o s v alores das reações para cada viga e so m am -se esses v alores parciais para obter o v alor final. CAPfTULO 2 -Cókulo dos esforços em vigos isostóticos 8 , . . - - ~ - - - --.,..b._ VAI = P xb I, 6 m VAI = 2,0tf x 4 m = B,O tfm = 1 ,3 tf 6 m 6 m P xo V81 = - - f. VBI = 2,0tf x 2 m = 4,0tfm ::: Q,7tf 6 m 6 m 2a Carga: rOl/ A !à 3 m I 3 m . , 6 m VA2 1tf 3 3tfm VA2 = . x m = - - = 0,5tf 6 m 6 m V 82 = 1 tf x 3m = 3tfm = O,Stf 6m 6m 8 ~ V82 CAPÍTULO 2 -Cólculo dos esforços em vigas isoslóficos 3 1 Carga: 1 4,011 A B fu)"r---- - - - - - - = - - - - - - - - -;;D_ 4,5 m l I,Sm 6 m VA3 = 4,01f x J ,5 m = 6,0 rfm = 1 ,Otf 6 m 6 m V 83 = 4,0tf x 4,5 m = J 8,0tfm = 3 ,0if 6 m 6m Som ando- e o v alores parciai tem - e: VA = VAI + VA2 VA3 VB = V8 7 + V82 + VB3 VA = 1,3tf + 0,5tf + 1 ,O tf V8 = 0,7tf + 0,5tf + 3,0t .f VA = 2,8tf V8 = 4,2tf No ca o de c a rga u nifonnem ete di tribuídas obre a viga tai c o m o eu peso próprio laje e alvenaria a- e o artifício de ubstituir a carga di tribtúda pela u a resultante . 4 m V a CAPÍ U lO 2 -C ólculo dos e sforço s em vigas isostóticos C om o a carga distribuída é de 2,0tf/m e o seu co m prim ento é de 4m , su a resultante é de P = 2,0tf/m x 4m = B,Otf, aplicada n o m eio, o u seja: r - B,Off A .-:-- ---.!...---7\~ B fd_ ~ 2 m l . 2m ' 4m 4 m V a V a U sando as equações da estática, desconsiderando a que se refere a forças horizontais, já que só existem cargas v erticais atuando sobre a viga, tem -se: F I Fv = o (-) VA-4m x 2,0tf/m + VB = O VA-8,0tf + VB =O .!_.; VA+ VB = B,Otf M M .EM B = O ;~e C VA x 4m -B,Otf x 2m + VB x O = O VAx4m - B,Otfx 2m = O VAx 4m - 7 6,0tfm =O VAx4m = 76,0tfm 2 m 1 4 m 2 m Vs CAPÍTULO 2 -Cálculo dos esíorços em vigas isoslóricos VA = 16,0tfm 4m VA = 4,0tf (D VA + VB = B,Otf 4,0tf + VB = B,Otf VB = B,Otf -4,0tf VB = 4,0tf R esultados que e ra m de se e sperar: já que a c a rga é unifo~emente distribuída sobre toda a extensão da viga, m etade de seu v alor vru. para cada apoio. G eneralizando, co n siderando a carga distribuída q e o vão f, tem -se: A ~ R./2 R./2 e Vs Vs I FV=O (+)F~ e I F \li f-) + VA -q X .e + VB = o VA + VB = q X .e .EM B = O (+) CAPÍTULO 2 ~ Cólculo dos esforços em vígos isostóticos R VA X R-q X R X - + VB X o = o 2 q X f 2 VAx.€- - - = O 2 V A xf = q xP 2 q X .{2 V A = - - 2xf VA = q X R 2 VA + VB = q xfJ. qx l - - + VB= qx .f 2 q xf VB = q x f- - - 2 VB = 2 X q X .e -q X .e 2 VB = q X R 2 Exem plo : Calcular as reações de apoio da viga da figura. AI r ~ 1 ,011 1 = 1,5t~m r ~3.~ IB ~- h,_ 2 m t 1 3 m 2 m lm V s Carga di tribuída: q = 1,5tf/m ; R = 7m q x .e 1,5tf/m x 7m V A I= -- = = 5,25tf 2 2 qx f 1 ,5tf/m x 7m VB7 = - - = = 5,25tf 2 2 CAPÍTUlO 2 ~ Cólculo dos es o rços em vigas isostóticos 1 a Carga Concentrada: P7 = 1 ,Otf; a = 2 m · b = 3m + 2 m = 5 m VA2 = Pl x b = 1,0tf x 5m = O ,lltf .e 7m VB2 = P x a = 1,0tf x 2 m = 0,29 tf .e 7m 2il Carga co n centrada: P2 = 3,0tf; a = 2m + 3m = 5m ; b = 2m VA3 = P2 x b = 3,0tf x 2m = O,B6 tf l 7m P x a 3,0tf x 5m VB3 = - - = = 2, 14tf fJ. 7m VA =V A I+ VA2 + VA3 VA = 5,25tf + 0,71tf + 0,86tf VA = 6,82tf VB = VB I + VB2 + VB3 VA = 5,25tf + 0,29tf + 2, 14tf VA = 7,68tf Com o se viu, u sando as fórm ulas generalizadas, o cálculo das reações é bastante rápido, para qualquer carregam ento. CAPiTuLO 2 -Cálculo dos esforços em vigos isostôticos 2.3.2. Vigas e m balanejo C om o foi visto, u m a viga e m balanço é aquela e m que u m a das extrem idades é totalm ente livre de apoio e a o utra apresenta u m apoio engastado. p o co m prim ento do balanço se ró identificado co m o .fo C om o o vínculo engastado não adm ite deslocam entos horizontal e v ertical e n e m o giro da barra, ele é capaz de absorver reações horizontais, v erticais e m o m ento. p NIA ?, ~ ~ ~A i ~ % ;}' ~ bo f. o VA U ando a equaçõe da estática tem -se: ~'""0 IF H =O , o nde ~ ( -) e ~ - - ~ F r + H A= O - - -7 H A= O O que e ra esperado. CAPfTULO 2 • Cólculo dos esforços em v1gas isosrólicos HJ F ' IF V = O, 2) o nde e ( -) + VA- P = O VA = P M M 0) .EM A= O, o nde ;:J e c) Lem brar que a linha de ação da reação VA passa pelo ponto A, escolhido co m o pólo dos m o m entos. Já o m o m ento reativo MA, apesar de estar atuando n o pólo A, não se an ula, porque ele já é u m m o m ento e não u m a força, por isso não é m ultiplidado por qualquer distância. A ssim : + VA x O - M A + P x bo = O -M A + P xb o = O -M A = - P X bo M A= Px b o O resultado é esperado, pois o m o m ento de P e m relação ao apoio é o seu v alor P m ultiplicado pela su a distância ao apoio, bo, portanto P x bo . Esse resultado pode ser generalizado para qualquer quantidade de cargas co n centradas. Exem plo: Calcular as reações de apoio para o balanço da figura. 2,0t( r " 3,0rf NIA J ~ ~ ~A % ~ I ~ ~ 1m 2 -71 1 4 m l VA CAPfTULO 2 -Cólculo dos esforços em vigas isostólicos A viga da figura da página anterior pode ser decom posta e m três o utras: c l 2,0tf ~ ~A ~~--~------------ ~ ~ ~ @ ~ f lm - VA 3 m 4 m j VAl = 2,0tf 0/A = P) M A l= 2,0tf x 1m M Al = 2,0tfm (MA = P x bo) VA2 = 7,0tf MA:2 = 1 ,Otf x 3m M A2 = 3,0tfm 3,0tf VA3 = 3,0tf fW.:3 = 3,0tf x 4 m MA3 = 7 2,0tfm Som ando todas as reações interm ediárias, tem -se: VA = VAJ + VA2 + VA3 VA = 2,0tf + 7 ,Otf + 3~0tf - -7 VA = 6,0tf M A = M A 1 + /l/tl\2 M A3 M A = 2,0tfm + 3,0tfm + 12,0tfm - - -7 M A = 17,0tfm CAPÍTULO 2 -Cólculo dos esforços em vigos isoslóticas N o caso de carga dístribufda, u sa-se o m esm o artifício já u sado anteriorm ente: substituí-se a carga distribuída pela su a resultante. A ssim : F<Wri' I I I I I bo VA = P = q xbo VA = q x bo bo bo M A = P x - = q x b o x - 2 2 bo 2 M A = q x bo 2 2 co m o q x lo 2 bo = .eo - - -7 M A = - ' - - - - 2 A s vigas biapoiadas, já estudadas, tam bém podem apresentar balanços, o que não altera o s procedim entos vistos. Suponha-se a situação da figura, o nde só existe a carga P co n centrada aplicada no extrem o do balanço: A B lp _&:à~-- - - - - E-.,..---~ i -VA - f - - - - .l-- va bo ando as equaçõe da e tática tem -se: .EFV = O ("'-) A I F F I e 'V ( -) + VA + VB -P = O I VA + VB = P CAPITULO 2 -Cólculo dos esforços em vigas isostóticas M M .EM B = 0 ~ e ~ + VA x R + VB x O + P x bo = O VA x R = - P x b o VA = _ P x b o R O re sultado n egativo para a re ação VA indica que e stá o c o rre ndo u m arran cam ento n o apoio. Esse efeito que o m o m ento do balanço cau sa n as reações de apoio, aliviando o apoio oposto e sobrecarregando o apoio do balanço é denom inado efeito de alavanca. Pois, n essa situação, a viga se co m porta co m o u m a alavanca, u sada para levantar pesos. CD VA + VB = p - - -7 P x b o V B = P + - - R P x bo - - + V B = P R U m a o utra m an eira de en cam inhar a solução e que pode agilizar os cálculos é c o n siderar o vão independente do balanço, c alcular o balanço independentem ente e aplicar o resultado ao vão. A ssim : A B r A t -~3 -A e 1-~ 1 1 Para o balanço isoladam ente tem -se: Vbal = P ~~ lp ~ A ~ ~ ~ f b o - - Vba! M bol = P x b o CAPITULO 2 -Cálculo dos esíorc;os em vigas isos.tóticas A plicando esses resultados ao vão, tem -se: A v~~Pl ) 6i1.1<""·-.- - - - - - - -Là; B M bol = P x bo ! f. - r -VA- - - - = - - - - - -1- -Vs E FV = O f-t-)/:\1 e !F F ~ (-) + VA-P + VB = O VA + VB = P .EM B = 0 VAx R + P x O + VBxO + M bal =O , co m o M bal = P x bo, tem -se: VA x R + P x bo = O P x b o VA = - - - R + VA + VB = P _ P x bo + VB = p R P x b o VB = P + - - - R epare que os resultados são o s m esm o s. Prestando m ais atenção ao s v alores obtidos, pode-se n otar que : VA = _ P x b o R CAPÍTULO 2 • Cálculo dos esforços em vigas isostó1icos Sendo P x bo o m o m ento devido ao balanço, tem -se que a reação VA é o m o m ento do balanço dividido pelo vão, o u seja: VA = _ M bol t ou VA = _ P x b o .e Com o P é a carga n o balanço, tem -se que a reação VB é igual às cargas existentes n o balanço so m adas ao m o m ento do balanço (P x bo ) , dividido pelo vão central , o u seja : VB = p + M bol .e ou V P P x b o B = + + - - - f Considere-se a situação apresentada n a figura a seguir: 2,0tf 3,0tf lllld 11 1 D_ - + - - - - -3 _m _ _ _ _ -tJ---~2~m--~~7~m4 ~~ 2~ -1 5 m I Calculando-se e m prim eiro lugar o balanço, tem -se: Vbol = q X .fo + P Vbal = 2,0tf!m x 2m + 3,0tf Vbal = 7,0tf M bal = q x .e o 2 + P x bo 2 M bol = 2 ,0tf/m x ( 2 m ? + 3 ,0tf x 1m 2 M bal = 4,0tfm + 3,0tfm M bal = 7, Otfm J,Otf q = 2,0tf/m 7 m (bo) 2 m (fo) V boi CAPÍTULO 2 -Cálculo dos esforços em vtgos isostóticos A s im , tem -se: 2,0tf Vbol = l,O tf A !-1-..l.....l.....!....!.-'---"-J.....J....l-L.........._ . . . . . . . . . . _._~ B ) Mbo< ~ 7 ,011m 3 m l 2 m 5 m Vs Considerando-se apenas o efeito do balanço n as reações, tem -se: M b l a M~ r 1- VA = - - ; - \.:.1 V
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