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Viga em meio elástico 1. VIGA EM MEIO ELÁSTICO 1.1 INTRODUÇÃO...................................................................................................... 1.2 1.2 MÉTODOS DE ANÁLISE ....................................................................................... 1.3 1.3 VIGA EM MEIO ELÁSTICO DE WINKLER ............................................................ 1.3 1.3.1 Soluções clássicas ....................................................................................... 1.3 1.3.1.1 Viga infinita.............................................................................................. 1.9 1.3.1.2 Viga semi-infinita ................................................................................... 1.12 1.3.1.3 Viga finita ............................................................................................... 1.15 1.3.2 Solução de Hetenyi para viga finita........................................................ 1.17 1.3.3 Viga rígida ................................................................................................ 1.21 1.3.4 Alguns comentários acerca do modelo de Winkler............................... 1.26 1.4 VIGA EM MEIO ELÁSTICO CONTÍNUO............................................................... 1.27 1.4.1 Introdução ................................................................................................ 1.27 1.4.2 Solução de Biot /Vesic.............................................................................. 1.27 1.5 MÉTODO SIMPLIFICADO .................................................................................. 1.30 1.6 CARACTERIZAÇÃO DO TERRENO DE FUNDAÇÃO............................................. 1.34 1.6.1 Introdução ................................................................................................ 1.34 1.6.2 Avaliação dos parâmetros de deformabilidade..................................... 1.36 Anexo 1A Anexo 1B Anexo 1C Anexo 1D Paula Varatojo / 2008 1.1 Viga em meio elástico 1. VIGA EM MEIO ELÁSTICO 1.1 INTRODUÇÃO No âmbito deste capítulo a designação de viga em meio elástico refere-se ao caso da viga (fundação superficial ou directa) com dimensões transversais Bxh e comprimento l, assente à superfície de um terreno de fundação (espaço semi-infinito) com comportamento elástico e linear, homogéneo e isotrópico, a estudar bidimensionalmente no plano XZ, em que X corresponde ao eixo coordenado que coincide com o eixo axial da viga. No âmbito do volume Mecânica dos Solos II, foram apresentadas soluções relativas ao dimensionamento geotécnico de fundações directas, analisadas no plano YZ, nomeadamente o caso de sapatas contínuas (infinitas) de largura B e L = ∞, sujeitas a carregamentos estáticos uniformemente distribuídos ao longo do eixo X, e ainda o caso sapatas isoladas com dimensões finitas BxL, ambas no plano YZ, em que Y representa o eixo coordenado na direcção da menor dimensão da sapata em planta. No capítulo correspondente, foram apresentadas soluções baseadas na teoria da plasticidade e em análises de equilíbrio limite para avaliação da capacidade resistente de sapatas (estado limite último por insuficiente capacidade resistente do terreno de fundação) e soluções elásticas e lineares para avaliação dos deslocamentos verticais (estado limite de utilização). No presente capítulo deste volume apresentam-se abordagens que permitem avaliar os campos de tensão e deformação de vigas (sapatas contínuas), quando estas são solicitadas ao longo do eixo axial X por carregamentos estáticos quaisquer. Estas soluções vão permitir realizar o dimensionamento estrutural destes elementos de fundação, isto é, após seleccionado o tipo de betão e aço a utilizar, o conhecimento dos esforços permite realizar o dimensionamento das peças e a avaliação dos deslocamentos verticais permite verificar se estes são compatíveis com os valores aceitáveis para as estruturas que suportam. Como exemplos de obras onde este tipo de modelação pode ser necessário para o dimensionamento de vigas de fundação, pode indicar-se o caso de vigas de fundação de edifícios sujeitas a cargas estáticas ou móveis, Figura 1.1a e caminhos de rolamento sujeitos a cargas móveis, Figura 1.1b. Paula Varatojo / 2008 1.2 Viga em meio elástico Figura 1.1 – Casos de obras: (a) Ponte rolante; (b) Guindaste móvel 1.2 MÉTODOS DE ANÁLISE Têm sido desenvolvidas inúmeras soluções para tratar o caso de vigas apoiadas em maciços terrosos, traduzindo cada uma delas uma idealização do problema. Neste capítulo é dado especial ênfase às soluções matemáticas baseadas na teoria elástica linear, por se considerar que as mesmas permitem uma adequada base para o entendimento do comportamento físico dos sistemas constituídos pelas vigas assentes no terreno, sendo óbvio que soluções numéricas baseadas nos métodos das diferenças finitas ou dos elementos finitos constituem, hoje em dia, a ferramenta habitual de análise, permitindo ainda a adopção de outras leis de comportamento para o terreno de fundação.. Por outro lado, e como se verá no âmbito do Capítulo 2 deste volume, este tipo de soluções pode ainda ser utilizado no que se refere ao comportamento de estacas em meio semi-infinito elástico e linear, sujeitas a carregamento horizontal. No âmbito deste volume são apenas apresentados o modelo de Winkler e as designadas soluções clássicas, a solução de Hetenyi para vigas finitas em meio de Winkler, soluções para vigas rígidas também em meio de Winkler, a solução de Biot/Vesic para meio elástico contínuo e o método simplificado. 1.3 VIGA EM MEIO ELÁSTICO DE WINKLER 1.3.1 Soluções clássicas O modelo de Winkler corresponde a substituir o solo (terreno de fundação) por um conjunto de molas ligadas a uma camada incompressível, Figura 1.2a, sendo que estas molas são independentes entre si e de tal modo que a deformação de cada uma delas não Paula Varatojo / 2008 1.3 Viga em meio elástico depende da que se verifica nas outras, mantendo-se indeformadas aquelas que se situam fora da área carregada, Figura 1.2c. Figura 1.2 – Fundação de Winkler: (a) viga assente no terreno; (b) modelo de molas equivalente; (c) zona deformada sob a viga sujeita a carga vertical concentrada Q Na fundação de Winkler, a pressão de contacto entre a base da viga e o solo num dado ponto é assim directamente proporcional ao deslocamento elástico do solo nesse ponto e pode ser expressa por wkp 0= ( 1.1) em que p - tensão transmitida ao solo, [FL-2] w – deslocamento vertical, [L] k0 – coeficiente de reacção do solo, [FL-3] Para análise do problema tem de admitir-se que o solo resiste a forças de tracção, correspondentes a levantamento da viga, e que as forças friccionais originada na interface entre a base da viga e o meio elástico, devido à deformação da viga, são desprezadas. Considere-se assim uma viga de secção rectangular com largura B assente ao longo de todo o seu comprimento num meio elástico de Winkler e sujeita a forças verticais q actuando no plano XZ, Figura 1.3, e um elemento representativo daquela com dimensões dx, Figura 1.4, para o qual a equação de equilíbrio das forças verticais, onde T representa o esforço transverso, toma a forma ( ) 0=−−+− dxqdxpdTTT ( 1.2) isto é Paula Varatojo / 2008 1.4 Viga em meio elástico qpdx dT −= ( 1.3) Figura 1.3 – Viga em meio elástico: (a) molas simulando o meio elástico; (b) deformada sob a acção da carga q(x) Figura 1.4 – Elemento representativo da viga em equilíbrio Da análise da flexão de vigas prismáticas de secção recta, sabe-se que e assim dx/dMT = qp dx Md dx dT −== 2 2 ( 1.4) Considerando que para efeito de análise é preferível usar o módulo de reacção do solo, K, com dimensões [FL-2], do que o coeficiente k0 com dimensões [FL-3], aquele é definidopor BkK 0= ( 1.5) Paula Varatojo / 2008 1.5 Viga em meio elástico a equação 1.1 transforma-se em wKwBkp == 0 ( 1.6) passando p a ter dimensões [FL-1]. A equação 1.4 pode agora se escrita na forma qwK dx Md dx dT −== 2 2 ( 1.7) Usando a teoria das barras para definir o estado da viga em termos de deslocamentos, a relação momentos/curvatura é expressa pela equação ( ) MdxwdEI −=22 , em que E representa o módulo de elasticidade da viga e I o seu momento de inércia. Diferenciando esta equação duas vezes em ordem a x, considerando EI constante, e substituindo na equação anterior, obtém-se a equação da elástica da viga sujeita a carregamento q e apoiada em meio elástico de Winkler qwK dx wdEI +−=4 4 ( 1.8) Fora das zonas carregadas da viga, a equação 1.8 adquire a forma wK dx wdEI −=4 4 ( 1.9) Para resolver a equação 1.9, a forma mais simples consiste em considerar β4 = K/EI e obter a solução da equação homogénea 044 4 =+ w dx wd β ( 1.10) sendo que as soluções particulares desta última equação para diferentes formas de q, são obtidas a partir da solução geral da equação 1.10, à qual é adicionado um integral correspondente a q. A solução da equação 1.10 apresenta-se na forma ( ) ( )xsenCxcosCexsenCxcosCew xx λλλλ λλ 4321 +++= − ( 1.11) em que C1, C2, C3 e C4 são constantes de integração a determinar e dependem do carregamento e das condições de fronteira do problema. Por diferenciação da equação 1.11 é possível obter as expressões relativas à inclinação da deformada, os momentos flectores e os esforços transversos na viga, tendo em conta que Paula Varatojo / 2008 1.6 Viga em meio elástico θtg dx dw = ( 1.12) M dx wdEI =− 2 2 ( 1.13) T dx wdEI =− 3 3 ( 1.14) A pressão de contacto entre a viga e o terreno, expressa por largura da viga (e com dimensões [FL-1], pode ser obtida a partir da equação 1.6. O parâmetro 4 4EI K =λ ( 1.15) com dimensões [L-1], é habitualmente designado por factor ondulatório e traduz a rigidez relativa entre a viga e o terreno de fundação. A grandeza 1/λ é designada por comprimento característico do sistema solo/viga, comprimento característico ou comprimento elástico. A formulação que conduz à equação 1.8 torna-se adequada quando o coeficiente K varia ao longo do comprimento da viga, pois a função K aparece directamente naquela equação sem necessidade de derivação. Outro tipo de abordagem passa pela utilização, fora da área carregada, da equação 1.7, agora na forma wK dx Md =2 2 ( 1.16) e da equação 1.13. Efectuando a dupla diferenciação da equação 1.16 em relação a x obtém-se 2 2 4 4 dx wdK dx Md = ( 1.17) pelo que substituindo a equação 1.13 na equação 1.17 resulta uma equação semelhante à equação 1.9, agora expressa em termos de momentos. Paula Varatojo / 2008 1.7 Viga em meio elástico M EI K dx Md −=4 4 ( 1.18) Note-se que como o momento de inércia da viga aparece directamente na equação 1.18, esta torna-se de mais fácil utilização quando I varia ao longo do comprimento daquela. Por outro lado, a utilização da equação 1.9 adquire particular interesse quando as condições de fronteira são expressas em termos de deslocamentos e rotações, enquanto que a equação 1.18 é preferível quando aquelas são expressas em termos de momentos e esforços transversos. As constantes de integração dependem do modo como a vigas se encontram carregadas e têm valor constante ao longo de cada troço no qual a elástica e suas derivadas não variam. Os seus valores podem ser obtidos a partir das condições w, θ, M e T em cada uma das extremidades dos troços contínuos visto que, das quatro condições em cada extremidade, duas são geralmente conhecidas, o que permite a obtenção das constantes C1, C2, C3 e C4. Existem dois tipos de abordagens para obtenção das constantes de integração: a via puramente matemática e a via física, neste caso designado por método das condições iniciais. A primeira via é demasiado complexa e pouco adequada às utilizações práticas. O método das condições iniciais é também bastante trabalhoso para o caso de carregamentos genéricos, Figura 1.5, e consiste em definir a elástica por troços da viga a partir da origem do eixo X, adicionando-se um termo por cada carga encontrada ao longo deste eixo. Figura 1.5 – Viga sujeita a carregamento genérico Apenas a título de exemplo, indica-se abaixo a solução relativa à equação da elástica da viga representada na Figura 1.5. Paula Varatojo / 2008 1.8 Viga em meio elástico ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) dxexqF EI bxMF EI axQF EI xFT EI xFM EI xFQxFww d c x ∫ −+−−−+ +−−+= λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ λ 433243 4033022010 111 111 ( 1.19) em que F1 a F4 são funções hiperbólicas de λx, w0, θ0, M0 e T0 correspondem aos valores que estas grandezas assumem na extremidade da viga coincidente com a abcissa x = 0 e w, θ, M e T aos valores correspondentes para qualquer valor 0< x ≤ l. Por simplicidade, interessa apenas estudar algumas soluções particulares, ou seja, a viga infinita (viga de comprimento infinito), a viga semi-infinita (viga com os extremos livres e sujeita a carga vertical numa das extremidades) e a viga finita (viga de comprimento finito em que é necessário atender às condições em ambas as extremidades). 1.3.1.1 Viga infinita Considere-se a viga de comprimento infinito representada na Figura 1.6, sujeita à carga vertical Q com ponto de aplicação na origem do sistema de eixos coordenados. Figura 1.6 – Viga infinita sujeita a carga concentrada Devido à simetria do problema, apenas é necessário estudar metade da viga. Escolhendo a metade direita por facilidade e aplicando a solução geral correspondente à equação 1.11 ao caso em apreço, há agora que determinar as constantes C1, C2, C3 e C4. Atendendo à geometria do problema, é hipótese aceitável admitir que em pontos infinitamente afastados da origem (x = 0), isto é, da carga Q, o deslocamento e a rotação são nulos. Note-se que o mesmo é dizer que o efeito da carga Q deixa de se fazer sentir nesses pontos. Esta hipótese só é satisfeita se, na equação 1.11, se considerar que C1 = C2 = 0, o que permite descrever a elástica para x > 0 através da equação ( )xsenCxcosCew x λλλ 43 += − ( 1.20) Paula Varatojo / 2008 1.9 Viga em meio elástico Atendendo às condições de simetria do problema e para x = 0, a inclinação da deformada é zero, isto é ( ) 0 0 =⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =xdx dw ( 1.21) Diferenciando a equação 1.20 e igualando a zero, resulta ( )xsenxcoseCw x λλλ += − ( 1.22) em que C = C3 = C4. Através de considerações de equilíbrio vertical envolvendo a carga Q e a soma das forças de reacção na metade direita da viga, pode escrever-se 20 QdxwK =∫ ∞ ( 1.23) isto é ( ) 20 QKCdxxsenxcoseCK x ==+∫ ∞ − λ λλλ ( 1.24) em que K QC 2 λ = ( 1.25) Substituindo C na equação 1.22, resulta ( ) xx AK Qxsenxcose K Qw λ λ λλλλ 22 =+= − ( 1.26) A partir da equação 1.26 é possível verificar que o deslocamento vertical é máximo para x = 0 e vale K Qwmax 2 λ = ( 1.27) e que é nulo para valores de ( ) 0=+ xsenxcos λλ , isto é, para valores de ,....,,x πππλ 4 11 4 7 4 3 = Paula Varatojo / 2008 1.10 Viga em meio elástico Por derivação sucessiva da equação 1.26, obtêm-se as expressões relativas à rotação, momento flector e esforço transverso x x B K Qxsene K Q dx dw λ λ λλλθ 22 −=−== − ( 1.28) ( ) xx C QxsenxcoseQ dx wdEIM λ λ λ λλ λ 442 2 =−=−= − ( 1.29) x x DQxcoseQ dx wdEIT λ λ λ 223 3 −=−=−= − ( 1.30) verificando-se que λ4 QM max = ( 1.31) 2 QTmax −= ( 1.32) 2 λQwKp maxmax == ( 1.33) para x = 0. A análise das equações 1.26 e 1.28 a 1.30 permite tirar algumas conclusões: todas as variáveis têm um andamentosinusoidal, função de λ, sendo influenciadas de forma diferente pelo coeficiente k0 = K/B; a influência de K diminui quando se avança na derivação, nomeadamente assume particular importância na avaliação dos deslocamentos e diminui essa importância quando se chega à expressão dos momentos flectores; há um rápido decrescimento das funções sinusoidais à medida que aumenta o afastamento relativamente ao ponto de aplicação da carga vertical ( )0=xλ : para λπλ 51.x ≥ o valor de ( )xsenxcose x λλλ +− ou de qualquer das suas derivadas é inferior a 0.01. Isto significa que uma viga infinita sujeita a um carregamento tal que cargas concentradas iguais estejam espaçadas de um valor λπλ 51.x ≥ , a elástica corresponde a uma sucessão de curvas idênticas à primeira curva mostrada na figura abaixo. Paula Varatojo / 2008 1.11 Viga em meio elástico Figura 1.7 – Viga infinita sujeita a carga concentrada: diagramas de deslocamento vertical, rotações, momentos flectores e esforços transversos 1.3.1.2 Viga semi-infinita No caso da viga semi-infinita sujeita a carga vertical com ponto de aplicação em x = 0, Figura 1.8, admite-se que, tal como no caso da viga infinita, o deslocamento e a rotação são nulos na extremidade não carregada. Em consequência, estas condições verificam-se apenas se C1 = C2 = 0. Figura 1.8 – Viga semi-infinita sujeita a carga concentrada na extremidade finita Paula Varatojo / 2008 1.12 Viga em meio elástico A determinação das constantes C3 e C4 passa pela verificação das equações M = 0 e T = - Q em x = 0 pelo que, considerando a equação da deformada ( )xsenCxcosCew x λλλ 43 += − ( 1.34) e diferenciando sucessivamente resulta ( ) ( )( )xsenxcosCxsenxcosCe x λλλλλθ λ −++−= − 43 ( 1.35) ( )xcosCxsenCeEIM x λλλ λ 4322 −−= − ( 1.36) ( ) ( )( )xsenxcosCxsenxcosCeEIT x λλλλλ λ ++−= − 4332 ( 1.37) Considerando que M e T na origem são nulos, as equações 1.36 e 1.37 permitem verificar que C4 = 0 e K Q EI QC λ λ 2 2 33 == ( 1.38) pelo que substituindo nas equações 1.34 a 1.37 se obtém x x D K Qxcose K Qw λ λ λλλ 22 == − ( 1.39) ( ) xx AK Qxsenxcose K Q λ λ λλλλθ 22 22 −=+−= − ( 1.40) x x BQxseneQM λ λ λ λ λ −=−= − ( 1.41) ( ) xx QCxsenxcoseQT λλ λλ −=−−= − ( 1.42) A equação 1.39 permite verificar que o deslocamento vertical é máximo para x = 0 e vale K Qwmax λ2 = sendo nulo para valores de λx = π/2, 3π/2, …. Por outro lado, a equação 1.41 permite verificar que o momento flector máximo ocorre para valores de λx = π/4, 3π/4, …. Paula Varatojo / 2008 1.13 Viga em meio elástico Figura 1.9 – Viga semi-infinita sujeita a carga concentrada na extremidade finita: variação das funções sinusoidais Verifica-se que, tal como no caso da viga infinita, as grandezas w, θ, M e T dependem do módulo de reacção K da mesma forma que anteriormente. Por outro lado, as funções λx que aparecem nas soluções são as mesmas que apareciam no caso da viga infinita, ainda que em ordem diferente. Outro caso que é igualmente simples de estudar diz respeito a momento flector, M0, aplicado na origem dos eixos coordenados, Figura 1.10. Figura 1.10 - Viga semi-infinita sujeita a momento flector aplicado na extremidade finita Através de uma análise do tipo da apresentada anteriormente, é possível agora obter Paula Varatojo / 2008 1.14 Viga em meio elástico ( ) xx CK M xsenxcose K M w λ λ λλλ λ 0 2 0 2 22 −=−−= − ( 1.43) x x D K M xcose K M λ λ λλ λ θ 0 3 0 3 44 == − ( 1.44) ( ) xx AMxsenxcoseMM λλ λλ 00 =+= − ( 1.45) x x BMxseneMT λ λ λλλ 00 22 −=−= − ( 1.46) Das equações 1.43 e 1.45 verifica-se que o deslocamento vertical é máximo para x = 0, valendo K M wmax 0 22λ −= ( 1.47) sendo nulo para λx = π/4, 3π/4, …., enquanto que o momento flector máximo ocorre para λx = 0, π, 2π, …. Verifica-se que também neste caso há repetição das mesmas funções λx, continuando a haver alteração na forma como aparecem associadas às diferentes grandezas. Este facto permite tabelar ou tratar graficamente as funções sinusoidais, possibilitando o seu uso de modo indistinto para diferentes carregamentos em vigas infinitas ou semi-infinitas. Nos Anexos 1A e 1B apresentam-se gráfica e numericamente o andamentos das funções Aλx, BBλx, Cλx e Dλx. O Anexo 1C apresenta expressões para tratar os casos de vigas sujeitas a diferentes tipos de carregamentos. 1.3.1.3 Viga finita Considere-se agora a viga finita representada na Figura 1.11 com extremidades livres e com carga vertical aplicada a meio vão. Figura 1.11 – Viga finita com carga concentrada simétrica Paula Varatojo / 2008 1.15 Viga em meio elástico Tal como anteriormente, a aplicação da solução geral expressa pela equação 1.11 obriga à determinação das constantes C1 a C4 a partir das condições de equilíbrio e de apoio da viga. Assim, a carga aplicada tem de ser equilibrada pela reacção do terreno de fundação, isto é ( ) (( )) dxxsenCxcosCexsenCxcosCeKdxwKQ l l xx l l ∫∫ − − − +++== 2 2 4321 2 2 λλλλ λλ ( 1.48) Por outro lado, e por condições de simetria, a rotação é nula no ponto de aplicação da carga, ou seja ( ) ( )( )( ) 004322120 =−+−−= =− xxx xcosCxsenCexcosCxsenCe λλλλλλθ λλ ( 1.49) Nas extremidades da viga, M = 0 e T = 0, pelo que pode escrever-se ( ) ( ) ( )( )( ) 024332132 =+−+−−= −=−− lxxxl xsenCxcosCexsenCxcosCeEIM λλλλλλ λλ ( 1.50) ( ) ( ) ( )( )( ) 024342142 =+−+−−= −=−− lxxxl xcosCxsenCexcosCxsenCeEIT λλλλλλ λλ ( 1.51) ( ) 02 =lM ( 1.52) ( ) 02 =lT ( 1.53) Das quatro equações anteriores, equações 1.50 a 1.53, extraem-se duas equações, perfazendo, com as equações 1.48 e 1.49, um sistema de quatro equações a quatro incógnitas, que permite, ainda que de forma trabalhosa mas não tendo nenhum problema específico, a obtenção das constantes C1 a C4. Quando a carga aplicada não é simétrica, a situação complica-se, pois surgem oito incógnitas associadas à descrição da deformada da viga, quatro à esquerda e quatro à direita do ponto de aplicação da carga. A solução do problema pode ser obtida através das seguintes condições: - vão existir, em regra, duas condições de fronteira associadas a cada extremidade da viga, as quais vão dar origem a quatro equações; Paula Varatojo / 2008 1.16 Viga em meio elástico - no ponto de aplicação da carga, a igualdade de deslocamento, rotação e momento flector à esquerda e à direita da carga vertical dá origem a três equações adicionais; - a oitava equação obtém-se da equação geral de equilíbrio das forças verticais ou da condição que impõe que no ponto de aplicação da carga o valor relativo à descontinuidade do esforço transverso deve igualar o valor da carga aplicada. A solução analítica tendo por base a solução clássica é muito complexa. Contudo, Hetenyi apresentou uma abordagem sistemática para a resolução do problema da viga finita, baseando-se na solução geral da viga infinita, a qual veio a ser denominada por “método dos extremos condicionados” e que, em alguns casos, permite a obtenção de soluções de forma relativamente simples. 1.3.2 Solução de Hetenyi para viga finita No método proposto por Hetenyi para tratar as vigas finitas, os deslocamentos, rotações, momentos flectores e esforços transversos nos pontos correspondentes às extremidades da viga finita são calculados usando as expressões relativas à viga infinita. A título de exemplo, considere-se a viga de comprimento infinito representada esquematicamente na Figura 1.12, sujeita a uma carga concentrada vertical Q. Esta viga apresenta, por exemplo num ponto A, um momento flector MA e um esforço transverso TA. Os esforços instalados na secção A garantem a continuidade da viga pelo que o seu anulamento tem, sobre a parte direita da viga, o mesmo efeito que a remoção da sua parte esquerda, isto é, é possível transformar a viga infinitanuma viga semi-infinita com ambas as extremidades livres. O objectivo do método dos extremos condicionados traduz-se assim na necessidade de impor no ponto A (e B) da viga infinita valores de MA e TA (MB e T B BB em B) iguais a zero. Figura 1.12 – Viga infinita com carga concentrada Neste método aplicam-se então momentos flectores e forças fictícias em pontos adjacentes aos correspondentes às extremidades da viga finita, mas fora das suas dimensões reais, de forma a obterem-se as desejadas condições de fronteira na viga real finita. Paula Varatojo / 2008 1.17 Viga em meio elástico A distância infinitesimal considerada para além das extremidades reais da viga finita evita as discontinuidades nas respectivas funções e as inerentes dificuldades de tratamento analítico. O estudo analítico das vigas finitas torna-se mais complexo do que o das vigas semi- infinitas, pois há ainda a considerar o efeito da aplicação de forças numa extremidade sobre a outra extremidade. Voltando à Figura 1.12, admita-se que a viga finita tem extremidades livres nos pontos A e B e está sujeita a carga vertical Q aplicada a meio vão. A carga Q dá origem a momentos flectores e esforços transversos nos pontos A e B da viga infinita, pretendendo-se que nesses mesmos pontos, correspondentes às extremidades da viga finita, M e T sejam nulos. Para o efeito há assim que aplicar nos pontos A e B as forças fictícias M0A, T0A, M0B e T0B, também designadas por forças iniciais, com os sentidos positivos indicados na Figura 1.13, de tal forma que anulem os momentos flectores, MA e MB, e os esforços transversos, T B A e TBB, em A e B, respectivamente. Figura 1.13 – Forças fictícias nas extremidades da viga finita Aquelas forças fictícias vão gerar esforços -MA, -TA, -MB e -TB BB, pelo que resultam quatro incógnitas e duas equações em cada extremidade, isto é, o sistema de equações é resolúvel. Contudo, das condições de simetria, sabe-se que M0A = M0B e T0A = T0B, resultando duas equações a duas incógnitas. Recorrendo às equações da viga infinita, quando sujeita a carga concentrada e a momento flector, o princípio da sobreposição dos efeitos permite escrever ( ) ( ) 02424 0000 =+−+++= −− lcose M lsenlcose TMT MM lBxBAAAA λλλ λλ ( 1.54) ( ) ( 02222 0000 =+++−−= −− lsenlcose M lcose TMT TT lBxBAAAA λλλ λλ ) ( 1.55) ( ) ( ) 02424 0000 =+++−+= −− BBlAlABB MT lcose M lsenlcose T MM λλλ λλ ( 1.56) Paula Varatojo / 2008 1.18 Viga em meio elástico ( ) ( ) 02222 0000 =−−+++= −− BBlAlABB MT lsenlcose M lcose T TT λλλ λλ ( 1.57) Os valores de MA, TA, MB e TB BB são obtidos das equações 1.29 e 1.30, deduzidas para viga infinita quando sujeita a carga vertical, pelo que ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= − 224 22 lsenlcoseQM A λλλ ( 1.58) 22 22 lcoseQTA λλ−= ( 1.59) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= − 224 22 lsenlcoseQM B λλλ ( 1.60) 22 22 lcoseQTB λλ−−= ( 1.61) em que o valor positivo de TA se deve ao facto de esta força se situar à esquerda da carga aplicada. Substituindo os valores de MA, TA, MB e TB BB expressos pelas equações 1.58 a 1.61 nas equações 1.54 a 1.57 obtém-se um complexo sistema de equações que permitem determinar as forças fictícias M0A, T0A, M0B e T0B. Note-se que, caso alguma destas forças apresente sinal negativo, tal significa que o seu sentido é contrário ao que foi admitido na equação de equilíbrio. Para a viga representada na Figura 1.12, a expressão dos deslocamentos verticais é expressa por ( ) ( ) ( ) ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ +−+ +−−−+− × + = xcosxcoshxlsenhxsen xlsenxsenhxlcoshxcosxlcosxcosh lsenlsenhA Qw λλλλ λλλλλλ λλ 2 1 ( 1.62) sendo o deslocamento a meio vão dado por lsenlsenh lcoslcosh K QwC λλ λλλ + ++ −= 2 2 ( 1.63) e nas extremidades por Paula Varatojo / 2008 1.19 Viga em meio elástico lsenlsenh lcoslcosh K Qww BA λλ λλ λ + = 222 ( 1.64) A análise da equação 1.64 permite verificar que o deslocamento na extremidade da viga é nulo quando ( 02 =lcos )λ , isto é, wA = wB = 0 quando λl = π, 3π, 5π…. B Por outro lado, quando o comprimento da viga for igual a l = π/λ, o deslocamento vertical nas extremidades é nulo, sendo positivo ao longo de todo o comprimento. O comprimento λl = π é designado por comprimento efectivo da viga sujeita a carga concentrada e tem um significado particular: representa o comprimento para o qual uma viga sem peso e carregada a meio vão por uma carga concentrada se mantém em contacto com o terreno em toda a sua extensão. De outra maneira e pelo teorema da reciprocidade, pode ainda dizer-se que é o comprimento para o qual uma viga sob a acção de uma carga vertical concentrada em cada extremidade não apresenta deslocamento vertical a meio vão. No caso mais geral em que a força Q se situa à distância a da origem do sistema de eixos coordenados (a≠0, l = a+b), as expressões para o deslocamento vertical, momento flector e esforço transverso correspondem a ( ) ( ) ( ) ( ) ([ ]⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ −+−× ++ − − = bsenacoshbcosasenhlsenbsenhacosbcoshasenlsenh xcosxsenhxsenxcosh bcosacoshlsenbcoshacoslsenhxcosxcosh lsenlsenhK Qw λλλλλλλλλλ λλλλ λλλλλλλλ λλ ) λ 2 22 ( 1.65) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ −+−× −+ − − = bsenacoshbcosasenhlsenbsenhacosbcoshasenlsenh xcosxsenhxsenxcosh bcosacoshlsenbcoshacoslsenhxsenxsenh lsenlsenh QM λλλλλλλλλλ λλλλ λλλλλλλλ λλλ 2 2 22 ( 1.66) Paula Varatojo / 2008 1.20 Viga em meio elástico ( ) ( ) ( ( ) ( )[ ]⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ −+−× + −×+ − = bsenacoshbcosasenhlsenbsenhacosbcoshasenlsenh xsenxsenh bcosacoshlsenbcoshacoslsenhxcosxsenhxsenxcosh lsenlsenh QT λλλλλλλλλλ λλ λλλλλλλλλλ λλ 22 ) ( 1.67) Apesar da dificuldade que apresenta no que diz respeito à resolução do sistema de equações conducentes à determinação das forças iniciais, este método tem a vantagem de possibilitar a resolução de qualquer tipo de problemas, principalmente devido à aplicação do princípio da sobreposição dos efeitos. 1.3.3 Viga rígida Muitas vezes, é possível admitir que a viga assente à superfície do terreno é, teoricamente, infinitamente rígida, relativamente ao terreno em que se apoia. Nesta situação, e continuando a admitir-se que o terreno pode ser modelado através de um comportamento de Winkler, resulta que a viga apenas sofre deslocamentos de corpo rígido, havendo uma relação linear entre o deslocamento vertical e a pressão de contacto, para cada valor de x. Nesta situação, considere-se o caso de terreno em que se pode admitir um módulo de reacção K = constante no comprimento l da viga finita sujeita à acção de uma carga vertical concentrada Q aplicada à distância a da origem dos eixos coordenados, (x = 0), Figura 1.14. As incógnitas do problema são duas: w0 e w1. Sabendo-se que p = k0 B w, é possível conhecer o diagrama de pressões através dos valores de p0 e p1. A resolução do problema passa pelo estabelecimento de duas equações, uma de equilíbrio de forças verticais e outra de momentos em relação a x = 0, obtendo-se ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= l a l x l a Kl Qw 321232 ( 1.68) Paula Varatojo / 2008 1.21 Viga em meio elástico Figura 1.14 – Viga rígida em fundação de Winkler Multiplicando por K os valores da função anterior para cada valor de x considerado, é possível obter a distribuição de p, a qual, conjuntamente com Q, permite a obtenção de valores de M e T no ponto considerado. Se à distância a da extremidade esquerda da viga se considerar um momento M0, resulta, por equilíbrio de forças verticais e de momentos que ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= 12 6 2 0 l x Kl M w ( 1.69) ou seja, para cada valor de x, o deslocamento é independente do ponto de aplicação do momento. Os momentos flectores e os esforços transversos podem também ser calculados em função de x. Quanto aos momentos flectores, a sua distribuição no comprimentoda viga é expressa por 33 0 31 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−= l x l x M M ( 1.70) Substituindo sucessivamente x = 0 e x = l na equação 1.69 obtém-se ( ) 2 0 0 6 Kl M w x −== ( 1.71) ( ) 2 06 Kl M w lx == ( 1.72) e, multiplicando por K, obtêm-se os valores de p. Paula Varatojo / 2008 1.22 Viga em meio elástico Interessa ainda ponderar sobre o problema do aparecimento de tensões de tracção na interface viga/terreno de fundação. Voltando ao caso da viga rígida sujeita a carga vertical concentrada aplicada no ponto a = 0 assente num solo com K = constante no comprimento da viga, Figura 1.15, verifica-se que o deslocamento vertical w na extremidade oposta é negativo, isto é, instalam-se tensões de tracção na interface. Figura 1.15 – Viga rígida em fundação de Winkler com carga aplicada numa extremidade e com instalação de tracções no solo Sendo habitual considerar-se a não resistência à tracção dos solos, torna-se necessário outro tipo de abordagem que admita a hipótese de não resistência à tracção do terreno de fundação. Assim, considerando para efeitos da análise pretendida apenas o troço da viga que comprime o solo no comprimento s, deve ter-se em conta o peso próprio da viga por metro linear de viga, γ (dimensões [FL-1]). Considere-se o caso mais geral em que a ≠ 0, Figura 1.16. Figura 1.16 – Viga rígida sobre fundação de Winkler com carga aplicada vertical concentrada aplicada no vão e com instalação de tracções no solo Paula Varatojo / 2008 1.23 Viga em meio elástico O equilíbrio de forças verticais e uma equação de momentos constituem um sistema de duas equações a duas incógnitas, w0 e s, o qual, depois de resolvido, permite escrever a equação geral dos deslocamentos verticais ( ) ( ) ( ) ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + − + + = 1 23 2 23 4 22 2 x lQa lQ lQaK lQw γ γ γ γ ( 1.73) e a expressão que define a extensão da zona de solo comprimida sob a viga lQ lQas γ γ + + = 22 2 3 ( 1.74) A análise das equações dos momentos flectores relativas aos casos atrás apresentados permite verificar a sua independência relativamente ao módulo de reacção do solo, o que resulta do facto de o deslocamento vertical ser inversamente proporcional a K e os momentos flectores serem proporcionais a Kw. No caso em que a = 0 e a força Q é suficiente para levantar a extremidade direita da viga, mantendo-se apenas contacto no comprimento s, este pode ser expresso pela equação ( )lQ ls γ γ + = 2 3 2 ( 1.75) com ( ) ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + − + = 1 3 2 3 4 2 2 l x l lQ lK lQw γ γ γ γ ( 1.76) Quando não há levantamento da viga e para a = 0 obtém-se da equação 1.68 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= l x Kl Qw 322 ( 1.77) e ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛+⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−= l x l x l xlQM 23 2 ( 1.78) com lQM max 27 4 −= ( 1.79) Paula Varatojo / 2008 1.24 Viga em meio elástico para x = l/3 De um ponto das aplicações práticas é relevante estabelecer a distinção entre vigas rígidas e vigas flexíveis. As vigas rígidas estão associadas a valores de λl pequenos, com λ obtido através da equação 1.15, sendo tanto mais flexíveis quanto maiores os valores de λl. De um ponto de vista prático, numa viga com λl pequeno, uma carga aplicada à viga provoca deslocamentos na viga e no solo até uma distância considerável relativamente ao seu ponto de aplicação, acontecendo o oposto no caso da viga flexível, isto é, a carga tem um efeito localizado no campo de tensões e deslocamentos que induz na viga e no solo. A título de exemplo compare-se o andamento dos diagramas de momentos flectores correspondente a uma viga rígida, com valores de λl = 1, e a outras com diferentes valores de λl, Figura 1.17, considerando a hipótese de carga concentrada actuando à distância a = 0 da origem do sistema de eixos coordenados XZ. Figura 1.17 – Distribuição do momento flector para viga rígida e para viga flexível sobre fundação de Winkler No Anexo D apresentam-se soluções para vigas finitas sujeitas a carga vertical concentrada e para diferentes valores de λl. Paula Varatojo / 2008 1.25 Viga em meio elástico 1.3.4 Alguns comentários acerca do modelo de Winkler No modelo de Winkler o comportamento do solo é descrito por um único parâmetro, o coeficiente de reacção do solo, o qual estabelece uma relação linear entre o deslocamento vertical e a tensão de contacto na mesma direcção. Evidentemente que este tipo de modelo tem condições de aplicabilidade que dependem das características do próprio solo, além de um conjunto de outras condições relacionadas, entre outras, com o tipo de carregamentos e os campos de tensão e deformação envolvidos. Gibson efectuou um estudo baseado na teoria elástica linear, considerando condições de axisimetria e deformação plana, admitindo que os módulos Es e Gs, módulos de deformabilidade e distorcional do solo, variam linearmente em profundidade, com valor nulo à superfície, e que o coeficiente de Poisson valia 50.s =υ . As leis de variação correspondiam a Es = 3mz e Gs = mz, onde z mede a distância vertical até à superfície do terreno e m é uma constante. O autor verificou que o deslocamento vertical para z = 0 sob uma área carregada com qualquer geometria e uniformemente carregada por uma carga p por unidade de superfície é dado por w = p/2m e w = 0, respectivamente no interior da área carregada a fora desta. Esta resposta na superfície do terreno sob uma carga uniforme é parecida com a postulada por Winkler, ainda que esta seja obtida por via diferente. Assim, substituindo p = k0w na equação w = p/2m obtém-se k0 = 2m. Os estudos de Gibson permitiram ao autor concluir que soluções baseadas no modelo de Winkler e na hipótese de coeficiente de reacção constante são exactas se o terreno de fundação apresentar comportamento de meio elástico contínuo e grande espessura comparada com a área de carregamento, se fôr radialmente incompressível e o seu módulo de deformabilidade, Es, apresentar uma lei de variação em profundidade expressa por Es = 3mz. Quando às condições de aplicabilidade das soluções clássicas baseadas no modelo de Winkler, verifica-se que para vigas infinitas e desde que k0 seja devidamente avaliado, o resultados são aceitáveis. No entanto, no caso das vigas finitas, este modelo pode fornecer resultados que se afastam muito de uma solução exacta, função da rigidez relativa viga/solo. Hetenyi e Vesic apresentaram critérios muito idênticos baseados no parâmetro λl para classificar as vigas quanto à sua rigidez relativa. Hetenyi propôs Paula Varatojo / 2008 1.26 Viga em meio elástico Vigas longas → 143.l 〉λ Vigas médias → 143790 .l. 〈〈 λ Vigas curtas → 790.l 〈λ e Vesic Vigas longas → 005.l 〉λ Vigas médias → 005800 .l. 〈〈 λ Vigas curtas → 80.l 〈λ Posteriormente, e depois de realizar um estudo acerca do erro introduzido por análises convencionais, Vesic acabou por propor 252.l 〉λ → as vigas devem ser tratadas como vigas infinitas 252800 .l. 〈〈 λ → as vigas não devem ser analisadas através do modelo de Winkler 80.l 〈λ → as vigas devem ser tratadas como vigas rígidas De um ponto de vista conservativo e para efeitos de pré-dimensionamentos, tem também sido sugerida a possibilidade de analisar vigas intermédias utilizando soluções de viga flexível para avaliar esforços de flexão e de viga rígida para estimar deslocamentos verticais. 1.4 VIGA EM MEIO ELÁSTICO CONTÍNUO 1.4.1 Introdução A aproximação de meio contínuo para descrever o comportamento dos solos permite um mais adequado tratamento das características físicas dos maciços terrosos. Contudo, do ponto de vista matemático, as análises são muito complexas e há apenas soluções matemáticas disponíveis para um número muito limitado de problemas. 1.4.2 Solução de Biot /Vesic A solução matemática de Biotdiz respeito à viga de comprimento infinito assente sobre um meio semi-infinito sólido, elástico, homogéneo e isotrópico, sob a acção de uma carga vertical concentrada, Figura 1.18. Paula Varatojo / 2008 1.27 Viga em meio elástico Figura 1.18 – Viga infinita sujeita a carga concentrada A solução matemática exacta para os momentos flectores em qualquer ponto x é expressa pela equação ( ) ( )∫ ∞ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = 0 3 βψα ααα π d c xcos cQxM ( 1.80) em que α – parâmetro adimensional c – comprimento fundamental da viga (com [F] em kN e [L] em cm) ( ) 3 1 21 542 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= s s E EI . c υ ( 1.81) b – metade da largura da viga (B = 2b) E, I – módulo de Young e momento de inércia da viga Es, ν – módulo de deformabilidade e módulo de coeficiente de Poisson do solo Β – parâmetro adimensional = b/C C – função com dimensões [L-1] que traduz a rigidez transversal da viga, tomando valores C = 1.00 se a distribuição de pressões na largura da viga é uniforme e 1.00 < C < 1.13 se o deslocamento vertical é uniforme ψ (β) – função tabelada para β > 0.1 e dada por uma função assintótica para β < 0.1. O autor apresentou ainda a expressão relativa ao momento flector máximo, não tendo apresentado soluções no que diz respeito aos deslocamentos verticais, esforços transversos e pressões de contacto. ( ) 2770 4 213320 . s smax bE EIcbQ.M ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= ν ( 1.82) Foi Vesic que, partindo da solução de Biot, conseguiu obter a totalidade das grandezas pretendidas para o caso da viga infinita sujeita a carga vertical concentrada. Paula Varatojo / 2008 1.28 Viga em meio elástico No entanto, só existe compatibilidade entre a equação exacta de Biot para o momento flector máximo, equação 1.82, e as soluções de Vesic, se as expressões deste último autor forem afectadas do factor expresso pela equação 2770542 . b . ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ( 1.83) o que está considerado nas equações 1.84 a 1.85 abaixo indicadas. ( ) ( )( ) ( )xJ cQ b . EI dx c xcos cQ EI xw . 0 3 32770 0 3 3 54211 πβψαα α π ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ∫ ∞ ( 1.84) ( ) ( ) ( )xJ cQ b . EI dx c xsen cQ EI x . 1 2 22770 0 3 2 54211 πβψα α π θ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−= + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= ∫ ∞ ( 1.85) ( ) ( ) ( )xJ cQ b . dx c xcos cQxM . 2 2770 0 3 542 πβψα αα π ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ∫ ∞ ( 1.86) ( ) ( ) ( )xJ Q dx c xsen QxT 3 0 2 2 πβψα αα π −= + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= ∫ ∞ ( 1.87) ( ) ( ) ( ) ( )xJc Q b . dx c xcos c Qxp . 4 2770 0 2 542 πβψα αβψ π ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ∫ ∞ ( 1.88) Nas equações 1.84 a 1.88 a dimensão comprimento deve ser expressa em centímetros. A obtenção das constantes de integração J1 a J4 é muito complexa. Contudo, Vesic efectuou o estudo relativo ao integral J2(x) adoptando algumas simplificações e apresentou a seguinte solução ( ) ( ) ( )xsenxcoseJxJ x λλλ ′−′= −022 ( 1.89) em que J2(0) representa o valor do integral J2 para x= 0, λ’ é um parâmetro denominado facto ondulatório com dimensões [L-1], função da abcissa do primeiro zero do integral, x0. Paula Varatojo / 2008 1.29 Viga em meio elástico De acordo com o autor a expressão de J2(0) é expressa por ( ) 1690 2 03310 . c b.J ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= ( 1.90) e 81306890 . c b b . ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛=′λ ( 1.91) Caso se pretenda comparar a solução de Vesic com a solução clássica, deve usar-se a equação 1.91 e não a equação 1.15. As expressões dos restantes integrais correspondem às expressões abaixo indicadas. ( ) ( )xsenxcose c b.xJ x . λλλ ′−′⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= ′− 5870 0 3701 ( 1.92) ( ) xsene c b.xJ x . λλ ′⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= ′− 3330 1 2440 ( 1.93) ( ) xcosexJ x λπ λ ′= ′− 23 ( 1.94) ( ) ( )xsenxcose c b.xJ x . λλλ ′+′⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= ′− − 1550 4 2851 ( 1.95) 1.5 MÉTODO SIMPLIFICADO O método simplificado pode ser utilizado com alguma facilidade através da implementação de programas de cálculo automático relativamente simples, e consiste na discretização da viga e do solo num número reduzido de troços, sendo estabelecidas condições de compatibilidade de deslocamentos, entre a viga e o solo, nos pontos médios de cada troço considerado, e uma condição de equilíbrio de forças, que garante a igualdade da acção e da reacção. A necessidade de discretização advém do facto de os deslocamentos da viga e do solo serem descritos por equações diferentes. Paula Varatojo / 2008 1.30 Viga em meio elástico Considere-se o exemplo da Figura 1.19, onde se representa uma viga sujeita a carga vertical, Q, aplicada a meio vão e o solo com comportamento elástico e linear, isotrópico, homogéneo e em que as tensões de corte e os deslocamentos horizontais gerados na interface viga/solo podem ser desprezados. Note-se que o método pode ser utilizado em problemas de maior complexidade. Figura 1.19 – Viga finita sujeita a carga concentrada: (a) alçado; (b) planta; (c) definição dos troços; (d) distribuição do carregamento sobre a viga; (e) distribuição de pressões no solo A viga está sujeita à carga Q e à reacção do solo. O solo está sujeito à distribuição de pressões na interface viga/solo, de valor igual mas de sinal contrário à reacção. É esta distribuição de pressões na interface viga/solo que se pretende conhecer, assim como das restantes grandezas associadas, as quais permitem depois efectuar o dimensionamento Paula Varatojo / 2008 1.31 Viga em meio elástico estrutural da viga. Note-se que a solução a obter vai depender do tipo de distribuição adoptada para a distribuição de pressões na interface viga/solo. Admita-se que a distribuição de pressões na interface tem o andamento representado na Figura 1.19, que a viga é flexível e que a distribuição de pressões na largura da viga é uniforme. Por questões de simetria basta analisar apenas metade da viga e, por esta mesma razão, a rotação no ponto A é nula e a viga pode ser estudada como viga encastrada em A e com metade do seu comprimento real. Admitindo a distribuição de pressões indicada na Figura 1.19, vão existir duas incógnitas, p1 e p2, e basta assim definir duas equações, ou seja, considerar apenas dois pontos para análise dos deslocamentos. Os deslocamentos verticais no solo, medidos relativamente a um ponto situado no plano de interface viga/solo, podem ser obtidos da solução elástica e linear de Harr, válida para meio elástico semi-infinito e homogéneo, Figura 1.20. Esta solução permite quantificar o deslocamento vertical no canto de uma área uniformemente carregada, q, e é expressa por ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − −−= 21 2 1 21 1 AA E qBw s s s s z υ υ υ onde 11 11 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 1 −++ +++ + −++ +++ = nm nm lnm mnm mnm lnA π 2 1 2 11 111 2 12 nmn mtgnA ++ = − π e blm =1 e bzn =1 . Relativamente ao exemplo apresentado e fazendo uso do princípio da sobreposição, os deslocamentos nos pontos 1 e 2 são, em cada caso, o resultado da soma de quatro contribuições de deslocamento. Tomando, por exemplo, o ponto 1 e considerando que wij é o deslocamento no ponto i devido à carga distribuída com centro de gravidade em j, o deslocamento total em 1 resulta igual a w1 = w11+w12+w11’+w12’. Paula Varatojo / 2008 1.32 Viga em meio elástico Figura 1.20 – Representação esquemática de apoio à solução de Harr Os deslocamentos nos pontos B e D, situados no eixo da viga encastrada em A, calculam- se a partir da equação da elástica, tendo em conta o carregamento a que a viga está sujeita. Relativamente ao caso apresentado, Figuras 1.21 e 1.22, as soluções necessárias correspondem às expressões indicadas nas figuras, devendo notar-se que as mesmas dizem respeito a cargas p com dimensões [FL-1] . ax〈 ( )22 2 46 24 xaxa EI pxwz +−=→ ax〉 ( )axEI pawz −=→ 424 3 Figura 1.21 – Consola sujeita a carregamento uniformemente distribuído no troço a Paula Varatojo / 2008 1.33 Viga em meio elástico ax〈 ( )[ ]xla EI pbxwz 2312 2 −+=→ ax〉 ( ) ( )[ ]xaaxlxlx EI pwz 44624 3222 −−+−=→ Figura 1.22 - Consola sujeita a carregamento uniformemente distribuído no troço b A compatibilização dos deslocamentos é imposta através da hipótese de que a diferença dos deslocamentos entre os pontos 1 e 2, na superfície do solo, e a diferença entre os pontos B e D, no eixo da viga, tem de ser igual. Daqui resulta uma equação. A equação em falta é estabelecida a partir de uma equação de equilíbrio, ou seja, a força Q aplicada à viga origina, na área de contacto viga/solo, uma distribuição de pressões cuja resultante iguala Q. Do sistema de duas equações a duas incógnitas, p1 e p2, facilmente se determinam os deslocamentos e se estabelece o respectivo diagrama de momentos flectores na viga, permitindo a sua análise estrutural. 1.6 CARACTERIZAÇÃO DO TERRENO DE FUNDAÇÃO 1.6.1 Introdução A caracterização mecânica dos maciços terrosos, tendo por objectivo a análise do seu comportamento quando solicitados por cargas exteriores aplicadas através de uma viga apoiada na sua superfície, envolve a necessidade de corresponder à quantificação dos parâmetros mecânicos envolvidos no modelo de cálculo adoptado. Tendo por base os modelos atrás apresentados, modelo de Winkler e modelo contínuo, ambos na versão elástica e linear e envolvendo análises bidimensionais, apenas interessa no contexto do presente texto considerar a avaliação dos parâmetros k0 (ou K), coeficiente de reacção (ou módulo de reacção), no primeiro caso, e de Es e νs, módulo de deformabilidade e do coeficiente de Poisson, no segundo, ambos relativos ao comportamento do solo na direcção vertical. A avaliação do módulo de deformabilidade é complexa pois este depende de um conjunto vasto de factores onde se deve realçar o estado de tensão inicial dos maciços, a trajectória Paula Varatojo / 2008 1.34 Viga em meio elástico de tensões imposta pelas obras e as condições de drenagem e carregamento. O coeficiente de Poisson, por outro lado, tem reduzida importância nos valores finais dos deslocamentos e esforços na viga. Assim, é habitual utilizar valores correntes para os diferentes tipos de solos, não se justificando a realização de ensaios (laboratoriais) tendo em vista a sua avaliação (ver Capítulo 1 do volume II). Quanto ao coeficiente de reacção, este depende dos mesmos factores que o módulo de deformabilidade do solo e ainda da largura da viga. Na bibliografia, é habitualmente recomendada a realização de ensaios de placa como um modo rápido de obter a ordem de grandeza daquele parâmetro. Contudo, deve atender-se às limitações deste tipo de ensaios, nomeadamente no que se refere às condições de apoio da superfície onde assenta a placa de ensaio, ao reduzido volume do maciço envolvido e à necessidade de extrapolar o valor do coeficiente para atender à largura da viga, ainda que os mesmos permitam avaliar a influência da profundidade a que se realiza o ensaio e o efeito de acções de melhoramento do terreno de fundação da viga. Na bibliografia existem numerosas propostas relativas à quantificação dos parâmetros referidos. No entanto, há que realçar que, sendo prática habitual dividir os solos em dois grandes grupos, areias e argilas, a generalidade das propostas refere-se ao trabalho de determinado(s) investigador(es) sobre determinado tipo de solo, fazendo-se a generalização para todos os solos do mesmo grupo. Esta generalização carece de fundamentação. De facto, no estudo de um terreno de fundação há que atender a um conjunto de factores não extrapoláveis para outros: heterogeneidade e anisotropia do maciço, orientação das tensões principais, tipo de carregamentos e níveis de tensão ou de deformação introduzidos no maciço pela obra, posição do nível freático, etc. Por outro lado, a importância das condições de drenagem e do tipo de carregamentos envolvendo respostas diferentes no que se refere a comportamentos drenado e não drenado dos maciços, a que pode ainda associar-se o efeito do tempo através do fenómeno da consolidação, torna, a generalidade dos valores propostos na bibliografia, apenas eventuais indicadores da ordem de grandeza que aqueles parâmetros podem atingir. Para concluir, deve dizer-se que uma adequada caracterização mecânica deve incluir uma campanha de ensaios, tendo em conta a informação disponível sobre o local e a obra e os seus objectivos, traduzindo-se em acções que envolvam genericamente reconhecimento, sondagens e amostragem, ensaios laboratoriais e análise de resultados. No caso particular da viga em meio elástico e dos modelos de cálculo aqui apresentados, é geralmente aceite que a determinação dos parâmetros do solo pode ser efectuada a partir da realização de ensaios laboratoriais e in situ convencionais. Entre os ensaios laboratoriais destacam-se os ensaios triaxiais para avaliação do módulo de deformabilidade do solo e entre os ensaios in situ devem apontar-se os ensaios com pressiómetro autoperfurador (SBP), os ensaios com placa dilatométrica de Marcheti (DMT), os ensaios de penetração estática (CPT) e os ensaios de placa (PLT). No contexto das aplicações práticas em Portugal são estes dois últimos tipos de ensaios os mais Paula Varatojo / 2008 1.35 Viga em meio elástico utilizados no que se refere ao assunto em estudo. No que se segue, são referidos estes dois ensaios, apresentando-se depois algumas correlações também habituais, pelo menos ao nível do pré-dimensionamento de vigas assentes em meio elástico. 1.6.2 Avaliação dos parâmetros de deformabilidade Ensaios CPT O ensaio CPT é geralmente realizado para avaliar a resistência dos solos, mas pode também ser usado para avaliar as suas características de deformabilidade. Como vantagens pode apontar-se a obtenção de um registo contínuo em profundidade e a possibilidade de permitir a medição das tensões intersticiais quando utilizado na versão CPTU, Figura 1.23. As suas características recomendam apenas a sua utilização em solos incoerentes, onde a penetração ocorre em condições drenadas. Entre outras correlações da bibliografia, Jamiolkowski et al. propõem, com base em ensaios realizados sobre areias quartzíticas, para areias normalmente consolidadas 6281 25 . r E . p ≤ ′ ≤ ( 1.96) e para areias sobreconsolidadas 01906 25 . r E . p ≤ ′ ≤ ( 1.97) em que representa o módulo de Young secante correspondente a um quarto da máxima tensão deviatórica obtida em ensaios triaxiais de compressão CK 25E′ 0D e rp a resistência de ponta medida pelo penetrómetro. Existem ainda muitas outras propostas na bibliografia que permitem correlacionar 0vσ ′ e rp com Dr, densidade relativa da areia, e outras que depois possibilitam a correlação entre esta última grandeza e E’ (ver Capítulo1 do volume II). Paula Varatojo / 2008 1.36 Viga em meio elástico Figura 1.23 – Ensaio CPT/CPTU Ensaios de placa Os ensaios de placa são os ensaios mais utilizados para avaliar as características dos terrenos no âmbito do comportamento de vigas assentes no terreno e, tal como em qualquer outro tipo de ensaios, os parâmetros de deformabilidade devem ser idealmente obtidos atendendo ao nível de tensões ou deformações que as obras introduzem nos terrenos, Figura 1.24. Paula Varatojo / 2008 1.37 Viga em meio elástico Figura 1.24 – Ensaios de placa Contudo, é habitual realizar os ensaios em argilas rijas e fortemente consolidadas para um intervalo de carga entre a tensão vertical efectiva de repouso, 0vσ ′ , e 50% da carga de rotura prevista e, em areias, para um intervalo entre 0vσ ′ e 25% daquela carga. Os resultados obtidos traduzem a resposta de uma massa de solo relativamente grande, onde podem estar reflectidas fissuras,descontinuidades, etc., atingindo profundidades da ordem de 1.5B a 2B em solos densos e rijos (B é a largura da placa quadrada), e de 2B a 3B em solos soltos e moles. A interpretação dos resultados é realizada com base na teoria da elasticidade, domínio em que se pode admitir, muitas vezes, o comportamento de fundações superficiais correntes. Segundo Burland, o módulo distorcional Gs, obtido com este ensaio é calculado admitindo a placa como rígida e assente num meio semi-infinito elástico, homogéneo e isotrópico através da equação ( ) B w qG ss 018 μνπ −= ( 1.98) em que q – intervalo de pressão para o qual se calcula Gs w – deslocamento vertical medido μ0 – factor redutor que reflecte a profundidade a que é colocada a placa B – diâmetro da placa A Figura 1.25 apresenta a proposta de Burland relativamente ao factor μ0, válida para o caso em que a placa é flexível e tem uma área em planta igual à área escavada. Quando tal não acontece, não existe solução exacta, apresentando-se na Figura 1.26 uma proposta de Pells para tratar esta situação. Paula Varatojo / 2008 1.38 Viga em meio elástico Em solos incoerentes o ensaio de placa é realizado em condições drenadas, podendo a obter-se também um módulo distorcional nestas mesmas condições em solos coerentes sobreconsolidados desde que pvq σσ ′≤′+ 0 , em que pσ ′ é a tensão de pré-consolidação da argila. Em argilas, e desde que o ensaio seja realizado de forma suficientemente rápida, é possível obter condições não drenadas. Com o ensaio de placa é possível avaliar directamente o coeficiente de reacção. Em areias, onde se verifica um aumento do módulo de deformabilidade do solo em profundidade, Terzaghi propôs a seguinte expressão ( ) ( ) 2 00 2 3030 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += B .B.kBk ( 1.99) onde k0 (B) – coeficiente de reacção de uma placa, sapata ou viga k0 (0.3) – coeficiente de reacção de uma placa quadrada com 0.3m (1 ft) de lado B – largura da fundação em metros Estudos efectuados por Rowe mostraram que, no caso de sapatas de grandes dimensões, os assentamentos obtidos através da equação 1.99 são maiores do que os resultantes da utilização da expressão anterior. Em argilas rijas, pode considerar-se que o módulo de deformabilidade do terreno é constante em profundidade. Neste caso, o coeficiente de reacção varia na razão inversa de B, pois o assentamento sob a acção de uma dada carga varia directamente com a largura da área carregada, ou seja ( ) ( )301 00 .kBBk = ( 1.100) Nestes solos, admitindo uma fundação com comprimento L = nB, Terzaghi propõe para avaliação do coeficiente de reacção a expressão abaixo indicada, conhecido o valor de k0(0.3) ( ) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += n. .n.kk 51 503000 ( 1.101) Paula Varatojo / 2008 1.39 Viga em meio elástico Figura 1.25 – Factores redutores de Burland para placas rígidas em que a superfície escavada corresponde à área da placa Figura 1.26 – Factores redutores de Pells para placas rígidas Paula Varatojo / 2008 1.40 Viga em meio elástico Avaliação do módulo de reacção através de correlações com o módulo de deformabilidade do solo A simplicidade do modelo de Winkler para representar a resposta do terreno de fundação sob a acção de uma estrutura tem justificado a sua utilização, ainda que se reconheça que a utilização de modelos contínuos seja mais satisfatória. Assim, vários investigadores têm comparado resultados obtidos com este modelo e com outros, atribuindo ao coeficiente de reacção um determinado valor, de tal forma que este seja um factor corrector do próprio modelo. Neste sentido, aparecem propostas em que o coeficiente de reacção surge relacionado com outras grandezas, nomeadamente as características de deformabilidade do solo, Es e νs, a geometria da viga, B e h, e o módulo de Young do material que constitui a própria viga, E. Entre outras da bibliografia, apresentam-se as seguintes: Biot ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 2 110 2 4 11 231 s s . s s E EIC BE .K νν ( 1.102) em que C foi definido no parágrafo 1.4.2. Vesic 12 4 21 650 EI BEE. K s s s ν− = ( 1.103) Barden L B J E. K s 450 = ( 1.104) em que J é um factor adimensional relacionado com o tipo de terreno de fundação e que em meio isotrópico é dado por π ν 21 sJ − = ( 1.105) Tendo por base a realização de ensaios de placas quadradas com o.30 cm de lado (1ft), aparecem propostas na bibliografia do tipo da indicada no Quadro 1.1, que podem servir de orientação quanto à ordem de grandeza do coeficiente de reacção. Paula Varatojo / 2008 1.41 Viga em meio elástico Quadro 1.1 – Gama de variação do coeficiente de reacção k0 (0.3) em MN/m3 Densidade relativa (Solos incoerentes) Solto Medianamente denso Denso Emersos 6 - 18 18 - 90 90 - 180 Imersos 8 24 90 Consistência (Solos coerentes) Rijo Muito rijo Duro 9 - 18 18 - 38 > 38 Paula Varatojo / 2008 1.42 Viga em meio elástico ANEXO 1A xAλη = xBλη =3 xCλη =1 xDλη =2 Paula Varatojo / 2008 1.43 Viga em meio elástico ANEXO 1B xx Aλλφ = xx Bλλβ = xx Cλλψ = xx Dλλθ = Paula Varatojo / 2008 1.44 Viga em meio elástico ANEXO 1C xx Aλλφ = xx Bλλβ = xx Cλλψ = xx Dλλθ = Paula Varatojo / 2008 1.45 Viga em meio elástico ANEXO 1D Paula Varatojo / 2008 1.46 Viga em meio elástico Paula Varatojo / 2008 1.47 Viga em meio elástico Paula Varatojo / 2008 1.48 Viga em meio elástico Paula Varatojo / 2008 1.49 Viga em meio elástico Paula Varatojo / 2008 1.50 Viga em meio elástico Paula Varatojo / 2008 1.51 1. VIGA EM MEIO ELÁSTICO 1.1 INTRODUÇÃO 1.2 MÉTODOS DE ANÁLISE 1.3 VIGA EM MEIO ELÁSTICO DE WINKLER 1.3.1 Soluções clássicas 1.3.1.1 Viga infinita 1.3.1.2 Viga semi-infinita 1.3.1.3 Viga finita 1.3.2 Solução de Hetenyi para viga finita 1.3.3 Viga rígida 1.3.4 Alguns comentários acerca do modelo de Winkler 1.4 VIGA EM MEIO ELÁSTICO CONTÍNUO 1.4.1 Introdução 1.4.2 Solução de Biot /Vesic 1.5 MÉTODO SIMPLIFICADO 1.6 CARACTERIZAÇÃO DO TERRENO DE FUNDAÇÃO 1.6.1 Introdução 1.6.2 Avaliação dos parâmetros de deformabilidade