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CISALHAMENTO EM VIGAS – CAPÍTULO 10 Libânio M. Pinheiro, Cassiane D. Muzardo, Sandro P. Santos, Artur L. Sartorti Março de 2016 CISALHAMENTO EM VIGAS Nas vigas, em geral, as solicitações predominantes são o momento fletor e a força cortante. Em etapa anterior, o efeito do momento fletor foi analisado separadamente. Neste capítulo considera-se o efeito conjunto dessas duas solicitações, com destaque para o cisalhamento. 1 COMPORTAMENTO RESISTENTE Considere-se a viga biapoiada (Figura 1), submetida a duas forças F iguais e equidistantes dos apoios, armada com barras longitudinais tracionadas e com estribos, para resistir os esforços de flexão e de cisalhamento, respectivamente. A armadura de cisalhamento poderia também ser constituída por estribos associados a barras longitudinais curvadas (barras dobradas). Essas barras dobradas, também conhecidas como cavaletes, eram comuns até os anos 1970 e não são mais usadas atualmente, principalmente por razões construtivas. Para pequenos valores da força F, enquanto a tensão de tração for inferior à resistência do concreto à tração na flexão, a viga não apresenta fissuras, ou seja, as suas seções permanecem no Estádio I. Nessa fase, origina-se um sistema de tensões principais de tração e de compressão. Com o aumento do carregamento, no trecho de momento máximo (entre as forças), a resistência do concreto à tração é ultrapassada e surgem as primeiras fissuras de flexão (verticais). Nas seções fissuradas a viga encontra-se no Estádio II e a resultante de tração é resistida exclusivamente pelas barras longitudinais. No início da fissuração da região central, os trechos junto aos apoios, sem fissuras, ainda se encontram no Estádio I. Continuando o aumento do carregamento, surgem fissuras nos trechos entre USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.2 as forças e os apoios, as quais são inclinadas, por causa da inclinação das tensões principais de tração I (fissuras de cisalhamento). A inclinação das fissuras corresponde aproximadamente à inclinação das trajetórias das tensões principais, isto é, aproximadamente perpendicular à direção das tensões principais de tração. Com carregamento elevado, a viga, em quase toda sua extensão, encontra-se no Estádio II. Em geral, apenas as regiões dos apoios permanecem isentas de fissuras, até a ocorrência de ruptura na região central da viga. A Figura 1 indica a evolução da fissuração de uma viga de seção T, para vários estágios de carregamento. Figura 1 – Evolução da fissuração 2 MODELO DE TRELIÇA O modelo clássico de treliça foi idealizado por Ritter e Mörsch, no início do Século XX, e se baseia na analogia entre uma viga fissurada e uma treliça. Considerando uma viga biapoiada de seção retangular, Mörsch admitiu que, USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.3 após a fissuração, seu comportamento é similar ao de uma treliça como a indicada na Figura 2, formada pelos elementos: banzo superior cordão de concreto comprimido; banzo inferior armadura longitudinal de tração; diagonais comprimidas bielas de concreto entre as fissuras; diagonais tracionadas armadura transversal (de cisalhamento). Na Figura 2 está indicada armadura transversal com inclinação de 90, formada por estribos. Figura 2 – Analogia de treliça Essa analogia de treliça clássica considera as seguintes hipóteses básicas: fissuras, e portanto as bielas de compressão, com inclinação de 45; banzos paralelos; treliça isostática; portanto, não há engastamento nos nós, ou seja, nas ligações entre os banzos e as diagonais; armadura de cisalhamento com inclinação entre 45 e 90 (em geral, 90º). Porém, resultados de ensaios comprovam que há imperfeições na analogia de treliça clássica, que de maneira geral elevam a resistência da peça ao cisalhamento. Isso se deve principalmente a alguns fatores: a inclinação das fissuras é menor que 45; os banzos não são paralelos; há o arqueamento do banzo comprimido, principalmente nas regiões dos apoios; USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.4 a treliça é altamente hiperestática; ocorre engastamento das bielas no banzo comprimido, e esses elementos comprimidos possuem rigidez muito maior que a das barras tracionadas; existe um engrenamento dos agregados entre as superfícies das bielas, elevando a força resistente; existe um efeito de pino da armadura longitudinal. Os efeitos listados acima são denominados mecanismos complementares de resistência ao modelo de treliça. Para um cálculo mais refinado, tornam-se necessários modelos que considerem melhor a realidade do problema. Por esta razão, como modelo teórico padrão, adota-se a analogia de treliça, mas a este modelo são introduzidas correções, para levar em conta as imprecisões verificadas. 3 MODOS DE RUÍNA Numa viga de concreto armado submetida a flexão simples, vários tipos de ruína são possíveis, entre as quais: ruínas por flexão; ruptura por falha de ancoragem no apoio, ruptura por esmagamento da biela, ruptura da armadura transversal, ruptura do banzo comprimido devida ao cisalhamento e ruína por flexão localizada da armadura longitudinal. a) Ruínas por flexão Nas vigas dimensionadas nos domínios 2 ou 3, a ruína ocorre após o escoamento da armadura, ocorrendo abertura de fissuras e deslocamentos significativos (flechas), que servem como “aviso” da ruína. Nas vigas dimensionadas no Domínio 4, a ruína se dá pelo esmagamento do concreto comprimido, não ocorrendo escoamento da armadura nem grandes deslocamentos, o que caracteriza uma “ruína sem aviso”. USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.5 b) Ruptura por falha de ancoragem no apoio A armadura longitudinal é altamente solicitada no apoio, em decorrência do efeito de arco. No caso de ancoragem insuficiente, pode ocorrer o colapso na junção da diagonal comprimida com o banzo tracionado, junto ao apoio. A ruptura por falha de ancoragem ocorre bruscamente, usualmente se propagando e provocando também uma ruptura ao longo da altura útil da viga. O deslizamento da armadura longitudinal, na região de ancoragem, pode causar ruptura por cisalhamento da alma. A rigor, esse tipo de ruptura não decorre da força cortante, mas sim da falha na ancoragem do banzo tracionado na diagonal comprimida, nas proximidades do apoio. c) Ruptura por esmagamento da biela No caso de seções muito pequenas para as solicitações atuantes, as tensões principais de compressão podem atingir valores elevados, incompatíveis com a resistência do concreto à compressão com tração perpendicular (estado duplo de tensões). Tem-se, então, uma ruptura por esmagamento do concreto (Figura 3). A ruptura da diagonal comprimida determina o limite superior da capacidade resistente da viga à força cortante, limite esse que depende, portanto, da resistência do concreto à compressão. Figura 3 – Ruptura por esmagamento da biela d) Ruptura da armadura transversal Corresponde a uma ruína por cisalhamento, decorrente da ruptura da armadura USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.6 transversal (Figura 4). É o tipo mais comum de ruptura por cisalhamento, resultante da deficiência da armadura transversal para resistir às tensões de tração devidas à força cortante, o que faz com que a peça tenha a tendência de se dividir em duas partes. A deficiência de armadura transversal pode acarretar outros tipos de ruína, que serão descritos nos próximos itens. Figura 4 – Ruptura da armadura transversal e) Ruptura do banzo comprimido devida ao cisalhamento No caso de armadura de cisalhamento insuficiente, essa armadura pode entrar em escoamento, provocando intensa fissuração(fissuras inclinadas), com as fissuras invadindo a região comprimida pela flexão. Isto diminui a altura dessa região comprimida e sobrecarrega o concreto, que pode sofrer esmagamento, mesmo com momento fletor inferior àquele que provocaria a ruptura do concreto por flexão (Figura 5). Figura 5 – Ruptura do banzo comprimido, decorrente da força cortante USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.7 f) Ruína por flexão localizada da armadura longitudinal A deformação exagerada da armadura transversal pode provocar grandes aberturas das fissuras de cisalhamento. O deslocamento relativo das seções adjacentes pode acarretar na flexão localizada da armadura longitudinal, levando a viga a um tipo de ruína que também decorre do cisalhamento (Figura 6). Figura 6 – Ruína por flexão localizada da armadura longitudinal 4 MODELOS DE CÁLCULO A NBR 6118:2014, item 17.4.1, admite dois modelos de cálculo, que pressupõem analogia com modelo de treliça de banzos paralelos, associado a mecanismos resistentes complementares, traduzidos por uma parcela adicional Vc. O modelo I admite (item 17.4.2.2): bielas com inclinação = 45º; Vc constante, independente de VSd. VSd é a força cortante de cálculo, na seção. O modelo II considera (item 17.4.2.3): bielas com inclinação entre 30o e 45o ; Vc diminui com o aumento de VSd. Nos dois modelos, devem ser consideradas as etapas de cálculo: USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.8 verificação da compressão na biela; cálculo da armadura transversal; deslocamento a do diagrama de força no banzo tracionado. Na sequência, será considerado o modelo I. Destaca-se ainda que o modelo II pode conduzir a valores contra a segurança quando adotados ângulos de inclinação das bielas inferiores a 45° em algumas situações onde isto não é realidade. Recomenda-se que, para a utilização do modelo II o leitor aprofunde seus conhecimentos sobre o assunto na bibliografia técnica indicada ao final deste capítulo. 5 VERIFICAÇÃO DA COMPRESSÃO NA BIELA Independente da taxa de armadura transversal, deve ser verificada a condição: VSd VRd2 VSd é a força cortante solicitante de cálculo (f . VSk); na região de apoio, é o valor na respectiva face (VSd = VSd, face); VRd2 é a força cortante resistente de cálculo, relativa à ruína da biela; no modelo I (item 17.4.2.2 da NBR 6118:2014): VRd2 = 0,27 v2 fcd bw d v2 = (1 – fck / 250), fck em MPa, ou v2 = (1 – fck / 25), fck em kN/cm 2 6 CÁLCULO DA ARMADURA TRANSVERSAL Além da verificação da compressão na biela, deve ser satisfeita a condição: VSd VRd3 = Vc + Vsw VRd3 é a força cortante resistente de cálculo, relativa à ruína por tração diagonal; USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.9 Vc é parcela de força cortante absorvida por mecanismos complementares ao de treliça (resistência ao cisalhamento da seção sem armadura transversal); Vsw é a parcela de força absorvida pela armadura transversal. No cálculo da armadura transversal considera-se VRd3 = VSd, resultando: Vsw = VSd – Vc a) Cálculo de VSd Prescrições da NBR 6118:2014, item 17.4.1.2.1, para o cálculo da armadura transversal no trecho junto ao apoio, no caso de apoio direto (carga e reação de apoio em faces opostas, comprimindo-as): para carga distribuída, VSd = VSd,d/2, valor igual à força cortante na seção distante d/2 da face do apoio; a parcela da força cortante devida a uma carga concentrada aplicada à distância a ≤ 2d do eixo teórico do apoio pode ser reduzida, multiplicando-a por a/(2d). Nesses casos, considerar VSd = VSd,face (ou VSd = VSd,eixo) está a favor da segurança. As reduções indicadas não se aplicam à verificação da resistência à compressão diagonal do concreto, nem no caso de apoios indiretos. b) Cálculo de Vc Para modelo I, na flexão simples item 17.4.2.2.b da NBR 6118:2014: Vc = 0,6 fctd bw d fctd = fctk,inf / c fctk,inf = 0,7 fct,m - para concretos de classes até C50: 2/3ckmct, f 0,3f USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.10 - para concretos de classes C55 a C90: )f .11,01ln(.12,2f ckmct, (fck em MPa) c) Cálculo da armadura transversal De acordo com o modelo I (item 17.4.2.2 da NBR 6118:2014): Vsw = (Asw / s) 0,9 d fywd (sen + cos ) Asw é a área de todos os ramos da armadura transversal; s é o espaçamento da armadura transversal; fywd é a tensão na armadura transversal; é o ângulo de inclinação da armadura transversal (45 90). Em geral adotam-se estribos verticais ( = 90) e determina-se a área desses estribos por unidade de comprimento, ao longo do eixo da viga: asw = Asw / s Nessas condições, tem-se: Vsw = asw 0,9 d fywd ou asw = Vsw / (0,9 d fywd) A tensão fywd, no caso de estribos, é dada pelo menor dos valores: fyd e 435 MPa. Para barras dobradas o valor fica limitado a 70% de fyd e 435 MPa. Somente 60% do esforço cortante pode ser resistido por barras dobradas, o restante deve ser obrigatoriamente resistido por estribos. Portanto, para estribos dos aços CA-50 ou CA-60, pode-se adotar: fywd = 435 MPa = 43,5 kN/cm 2 7 ARMADURA TRANSVERSAL MÍNIMA Para garantir ductilidade à ruína por cisalhamento, a armadura transversal USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.11 (estribos) deve ser suficiente para suportar o esforço de tração resistido pelo concreto na alma, antes da formação de fissuras de cisalhamento. Segundo o item 17.4.1.1.1 da NBR 6118:2014, a armadura transversal mínima deve ser constituída por estribos, com taxa geométrica: ywk f mct f sens w b sw A sw , 2,0 fct,m = ver item b acima; fywk é resistência característica de escoamento da armadura transversal. Portanto, a taxa mínima sw,min da armadura transversal depende das resistências do concreto e do aço. Os valores de sw,min são dados na Tabela 1. Tabela 1 – Valores de sw,min (%) Aço Concreto C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 C85 C90 CA-25 0,177 0,205 0,232 0,257 0,281 0,304 0,326 0,331 0,344 0,356 0,367 0,377 0,387 0,396 0,405 CA-50 0,088 0,103 0,116 0,128 0,140 0,152 0,163 0,166 0,172 0,178 0,183 0,189 0,194 0,198 0,203 CA-60 0,074 0,085 0,097 0,107 0,117 0,127 0,136 0,138 0,143 0,148 0,153 0,157 0,161 0,165 0,169 A armadura mínima é calculada por meio da equação: w b. min,sws sw A min,sw a 8 FORÇA CORTANTE RELATIVA À TAXA MÍNIMA A força cortante solicitante VSd,min relativa à taxa mínima é dada por: VSd,min = Vsw,mín + Vc com Vsw,mín = sw,mín 0,9 bd fywd 9 DETALHAMENTO DOS ESTRIBOS Apresentam-se as prescrições indicadas na NBR 6118:2014, item 18.3.3.2. USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.12 a) Diâmetro mínimo e diâmetro máximo O diâmetro do estribo deve estar no intervalo: 5 mm t bw /10. Quando a barra for lisa, t 12 mm. No caso de estribos formados por telas soldadas, t,min = 4,2 mm, desde que sejam tomadas precauções contra a corrosão da armadura. b) Espaçamento longitudinal mínimo e máximo O espaçamento mínimo entre estribos, na direção longitudinal da viga, deve ser suficiente para a passagem do vibrador, garantindo um bom adensamento. Para que não ocorra ruptura por cisalhamento nas seções entre os estribos, o espaçamento máximo deve atender às seguintes condições: VSd 0,67 VRd2 smáx = 0,6 d 300 mm; VSd > 0,67 VRd2 smáx = 0,3 d 200 mm. c) Número de ramos dos estribos O número de ramos dos estribos deve ser calculado em função do espaçamento transversal máximo, entre ramos sucessivos dos estribos: VSd 0,20 VRd2 st,máx = d 800 mm; VSd > 0,20 VRd2 st,máx = 0,6d 350 mm. d) Ancoragem Osestribos para cisalhamento devem ser fechados na face tracionada da viga, com um ramo horizontal envolvendo as barras da armadura longitudinal de tração e ancorados na face oposta. Portanto, nas vigas biapoiadas, os estribos podem ser abertos na face superior, com ganchos nas extremidades. Quando esta face também puder estar tracionada, o estribo deve ter o ramo horizontal nesta região, ou complementado por meio de barra adicional. Portanto, nas vigas com balanços e nas vigas contínuas, devem ser adotados USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.13 estribos fechados tanto na face inferior quanto na superior. e) Emendas As emendas por transpasse são permitidas quando os estribos forem constituídos por telas. Embora não sejam usuais, as emendas por traspasse também são permitidas se os estribos forem constituídos por barras de alta aderência, ou seja, de aço CA-50 ou CA-60 (nervurado). 10 EXEMPLO DE APLICAÇÃO a) Dados Trecho de viga com 14 cm x 50 cm, c = 2,5 cm, d = 46 cm, C25, CA-50, ℓ = 6,49 m, dimensões dos apoios tesq = 0,30 m e tdir = 0,30 m, pd = 30,21 kN/m, VSd1,eixo = 92,81 kN, VSd2,eixo = 103,28 kN. b) Verificação da biela VSdmax,face VRd2 (A favor da segurança: VSdmax,eixo VRd2) VRd2 = 0,27 v2 fcd b d, com v2 = 1 – fck / 25 (fck em kN/cm 2) VRd2 = 0,27 (1 – 2,5/25) 2,5/1,4 . 14. 46 = 279,45 kN >> VSd,eixo,max = 103,28 kN (OK) c) Contribuição do concreto Vc Itens 17.4.2.2 e 8.2.5 da NBR 6118:2014, com c = 1,4 e fck em MPa: fctd = fctk,inf / c = 0,7 fct,m / c = 0,7. 0,3 fck 2/3 / 1,4 = 0,15 fck 2/3 fctd = 0,15 fck 2/3 = 1,2825 MPa = 0,12825 kN/cm2 Vc = 0,6 fctd b d = 0,6 . 0,12825 . 14 . 46 Vc = 49,56 kN d) Taxa mínima Tabela 1 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.14 %103,0 min, w e) Diâmetro dos estribos 5 mm t bw /10 = 14 mm. Em geral resultam 5 mm ou 6,3 mm. f) Número de ramos dos estribos VSd 0,20 VRd2: st,max = d 80 cm; VSd > 0,20 VRd2: st,max = 0,6d 35 cm 103,28 > 0,20 . 279,45 = 55,89 kN: st,max = 0,6d = 0,6.46 = 27,6 cm 35 cm Em vigas usuais de edifícios, em geral são suficientes dois ramos (n = 2). Exceção: vigas chatas e vigas muito carregadas, como algumas vigas de fundação, vigas de transição etc. g) Espaçamento máximo dos estribos VSd 0,67 VRd2: smáx = 0,6 d 30 cm; VSd > 0,67 VRd2: smáx = 0,3 d 20 cm Neste exemplo, VSd 0,67 VRd2, o que acontece em geral. Portanto: smáx = 0,6 d = 0,6 . 46 = 27,6 28 cm < 30 cm (OK) h) Taxa de armadura transversal para espaçamento máximo dos estribos Tabela 1.4a: 5 c/ 28, asw,smáx = 0,70 cm 2/m; w,smáx = 2 (asw,smáx / b) = 2 . 0,70/14 w,smáx = 0,10% < w,mín = 0,103% i) Armadura transversal adotada no trecho central do vão Maior valor entre w,mín = 0,103% e w,smáx = 0,10%. Portanto: w,vão = 0,103% asv/n = w,vão . b/2 = 0,103 . 14/2 = 0,72 cm 2/m (vezes 100 para obter área em cm2/m) Tabela 1.4a: 5 c/ 27 (0,73 cm2/m) Taxa efetiva: we,vão = 2 (asw,e / b) = 2 . 0,73/14 = 0,1043% j) Força cortante resistente para os estribos adotados no vão fywd = 43,5 kN/cm2 Vsw,vão = we, vão . 0,9 fywd bd = 0,1043% x 0,9 x 43,5 x 14 x 46 = 26,29 Vsw,vão = 26,29 kN USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.15 VRda = Vc + Vsw,vão = 49,56 + 26,29 VRda = 75,85 kN k) Trechos com VSd,d/2 > VRda VSd,d/2 = VSd,eixo - pd (t + d) / 2 Para pd = 30,21 kN/m, tesq = 0,30 m, tdir = 0,30 m, d = 0,46 cm, tem-se: pd (t + d) / 2 = 30,21 (0,30 + 0,46)/2 = 11,48 kN À esquerda do trecho de viga (VSd,eixo = 92,81 kN) e à direita (103,28 kN) resultam, respectivamente: VSd,d/2,esq = 81,33 kN > VRda VSd,d/2,dir = 91,80 kN > VRda l) Comprimento dos trechos com VSd,d/2 > VRda a = (VSd,eixo – VRda) / pd Resultam, respectivamente: a1,esq = 0,56 m e a1,dir = 0,91 m m) Estribos para VSd > VRda Para VSd,d/2,esq = 81,33 kN Vsw = VSd,d/2 – Vc = 81,33 – 49,56 = 31,77 fywd = 43,5 kN/cm2 ywd fdb9,0 sw V w %,= ,..., , = 12600 543461490 7731 2 b . w = n sw a m/cm,=.,= 2880 2 14 12600 5 c/ 22 (0,89 cm 2/m), à esquerda. Analogamente, para VSd,d/2,dir = 91,80 kN: Vsw = VSd,d/2 – Vc = 91,80 – 49,56 = 42,24 ywd fdb9,0 sw V w %1675,0 5,43.46.14.9,0 24,42 USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.16 2 . b wn sw a mcm /17,1 2 14 .1675,0 2 5 c/ 17 (1,15 cm 2/m), à direita. Nos casos em que VSd,d/2 VRda, os espaçamentos junto aos apoios são os mesmos obtidos para o trecho central. n) Detalhamento No final da memória resumida da viga, deve ser indicado o diâmetro dos estribos e uma linha de cota, com os comprimentos dos trechos e o espaçamento dos estribos em cada um deles. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto – Procedimento. Rio de Janeiro, 2014. FUSCO, P. B. Estruturas de concreto: solicitações tangenciais. Pini. São Paulo, 2008. LEONHARDT, F.; MÖNNIG, E. Construções de concreto. V1. Interciência. Rio de Janeiro, 1977. QUESTIONÁRIO 1) O que é cisalhamento? 2) No dimensionamento de peças submetidas a flexão e cisalhamento, qual o tipo de ruína que deve prevalecer? Por quê? 3) Como se distribuem as tensões no cisalhamento? 4) Quais as providências para garantir o tipo de ruína admitido? 5) Quais os tipos de barras para resistir aos esforços de cisalhamento? 6) Como são as fissuras de flexão e como são as de cisalhamento? 7) Na analogia de treliça, quais as partes da viga de concreto correspondentes a cada um dos elementos da treliça? 8) Quais as formas de ruína para excesso de deformação nos estribos? 9) Quais as hipóteses da analogia de treliça clássica? 10) O que significa taxa de armadura transversal? USP – EESC – Departamento de Engenharia de Estruturas Cisalhamento em Vigas 10.17 11) Quais as principais causas que fazem com que os resultados obtidos com a analogia de treliça clássica sejam diferentes dos resultados experimentais? 12) Como é evitado o esmagamento das bielas, conforme a NBR 6118:2007? 13) Qual o valor da tensão na armadura de cisalhamento? 14) Como é feito o cálculo da armadura transversal? 15) Qual o intervalo de variação do diâmetro dos estribos? 16) Qual o espaçamento máximo dos estribos?
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