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Dimensionamento de elementos Dimensionamento de elementos Dimensionamento de elementos
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Recebido: 02/03/2018 Aprovado: 10/05/
http://dx.doi.org/10535/rsaee.v16i2.
Lucas Herber Bortoli^1 , Rafael Araujo Bianchi^2
RESUMO
Situações de transmissão de cargas de alvenaria estrutural em elementos lineares, como vigas de transição, ocasionam fenômenos atípicos no comportamento estrutural do conjunto, que podem apresentar riscos à integridade da estrutura ou dificuldades em sua viabilidade técnica. Neste sentido, o presente estudo tem por objetivo verificar as considerações de distribuição dos esforços mediante o efeito arco na interação entre alvenaria estrutural e vigas de concreto armado, a fim de contribuir para a compreensão do fenômeno e as condições que o influenciam. Deste modo, foi verificado a distribuição de tensões em alvenaria estrutural sujeita a determinada solicitação, tendo como parâmetro diferentes modelos de cálculo e levando em conta as peculiaridades entre ambos os elementos da interação, tanto da ótica da alvenaria quanto da viga em concreto armado, ou seja, considerando a rigidez relativa à flexão entre os dois. As hipóteses simplificadas da norma brasileira apresentaram diferenças significativas em comparação ao método analítico baseado em estudos via método dos elementos finitos e ensaios experimentais, para situações de elevadas tensões, como é o caso de grandes vãos ou de carregamentos com alta intensidade.
Palavras-chave: alvenaria estrutural, concentração de tensões, distribuição de esforços, efeito arco, rigidez.
(^1) Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Tecnológica Federal do Paraná, [email protected] (^2) Especialista em Engenharia de Estruturas, Universidade Estadual de Londrina, [email protected]
A alvenaria é um sistema construtivo utilizado desde a antiguidade e, atualmente, pode ser descrita como um método que utiliza blocos com dimensões e massa adequados ao seu manuseio, normalmente ligados por argamassa a fim de formar um conjunto monolítico. Este conjunto pode ter função de vedação entre ambientes de uma edificação, ou estrutural, onde além de servir como repartição de cômodos, é capaz de resistir a ações e esforços de seus subsistemas, como carregamentos de lajes, coberturas ou sobrecargas. O principal conceito relacionado à utilização da alvenaria estrutural de acordo com Correa e Ramalho (2008) é a transmissão de ações através de tensões de compressão. Embora admita-se casos em que ocorram tensões de tração, desde que restringidos, pois estes inviabilizam o desempenho da estrutura. Medeiros (2015) comenta que a parede estrutural pode apoiar-se sobre apoios contínuos, como sapatas corridas, ou discretos, como estruturas de pilotis ou vigas baldrames ligadas à blocos sobre estacas. No primeiro, as cargas verticais se distribuem de forma praticamente uniforme na base da parede, enquanto que no segundo, as cargas tendem a se encaminhar para os cantos, devido à perda de contato entre a alvenaria e a viga, o que acarreta em concentração de tensões nas regiões de apoio. Este fenômeno é conhecido como efeito arco e provoca alterações nas tensões na base da parede e nos esforços da viga de suporte. Por este motivo, apoios discretos devem ser evitados. Porém, na maioria das vezes isso não é possível, uma vez que grandes vãos livres no pavimento inferior são solicitados para atender às necessidades de garagens, áreas de lazer ou devido à inviabilidade de fundações superficiais. Tal concentração de tensões nos apoios se dá pela mudança no fluxo de tensões verticais, que migram da região de menor rigidez para a de maior rigidez, formando um arco de tensões no qual a direção principal passa a ser inclinada (LOPES, 2016). Segundo Solly (2014), a formação do arco é influenciada por características geométricas – vão entre apoios, inércia da viga de apoio e espessura da parede –, mas também por características físicas como o módulo de elasticidade dos materiais constituintes da parede – alvenaria – e da viga – concreto, na maioria das situações. A alvenaria possui na maior parte dos casos rigidez superior em relação à viga de suporte e El- Shafiey et al. (2015) demonstram que o efeito arco é mais pronunciado conforme o aumento da diferença desta rigidez entre ambos os elementos, apresentando maior concentração de tensões nas proximidades das extremidades para a alvenaria e alívio de momento fletor na região central da viga. Aumentar a rigidez da viga para combater o efeito arco pode ser um recurso facilitador durante a elaboração de um projeto de alvenaria estrutural, uma vez que evita métodos complexos de análise dos elementos estruturais submetidos a tais efeitos e a consequência de seus resultados, como o reforço da alvenaria em determinados pontos ou até mesmo a utilização de blocos com valores mais elevados de resistência. Por outro lado, esta escolha pode acarretar em situações de superdimensionamento da viga, pois visa somente o favorecimento da alvenaria. Para Nascimento Neto et al. (2014), o ideal é que em toda interação entre concreto armado e alvenaria estrutural fosse realizado uma modelagem estrutural capaz de discretizar as tensões atuantes oriundas do efeito arco e a influência da variação na rigidez da viga, a fim de determinar a solução mais viável técnica e economicamente ao projeto. Portanto, o presente estudo propõe-se a avaliar, por meio da aplicação de métodos analíticos, a influência do efeito arco na interação entre vigas de concreto armado e alvenaria estrutural, comparando os resultados da análise com as considerações de distribuição de carregamentos previstos em normas brasileiras. Desta forma, verifica-se o comportamento do conjunto estrutural nas situações impostas, atentando-se aos diversos fenômenos envolvidos neste efeito, como é o caso da tração na viga, tensão de cisalhamento na interface, momento fletor máximo na viga e concentração de tensões na alvenaria.
Figura 1 – Distribuição triangular do carregamento da alvenaria na viga de apoio e representação do efeito arco
Adaptado de Parkesian et al. (2014, p. 586).
Estas simplificações servem de base para as recomendações da NBR 15961-1 (2011), que a respeito do carregamento da alvenaria para vigas, leva em conta o princípio geral de dispersão das ações segundo um ângulo de 45° em relação ao plano horizontal (Figura 2).
Figura 2 – Dispersão de ações verticais
NBR 15961-1 (2011, p. 18).
É importante salientar que o efeito arco não ocorre somente em vigas de transição, mas está presente também nas aberturas de portas e janelas (Figura 3). Apesar do primeiro caso ser mais intensificado, ao passo que o segundo apresenta valores quase desprezíveis, este pode apresentar diferenças relevantes em situações de aberturas com vãos de comprimento elevado ou submetidos a cargas elevadas, como é o caso de uma fachada com porta dupla sem abertura nos pavimentos acima.
Figura 3 – Definição da região que carrega a viga segundo a regra de dispersão de cargas verticais
NBR 15961-1 (2011, p. 19).
Este caminhamento de cargas observado assemelha-se ao modelo ensaiado por Davies e Ahmed (1978) para vigas de suporte flexíveis. No entanto, na medida em que se aumenta a rigidez da viga, a distribuição de esforços se dá através de parábola de 2° grau para o caso de vigas parcialmente flexíveis, ou em parábola de 3° grau para vigas rígidas, conforme disposto na Figura 4.
Figura 4 – Distribuição de tensões verticais na interação entre os elementos
Adaptado de Hendry et al. (2004, p. 158).
A norma deixa claro que o carregamento resultante para estruturas de apoio deve ser sempre coerente com o esquema estrutural adotado para o edifício, representando a trajetória prevista para as tensões, sendo “proibido reduções nos valores a serem adotados como carregamento para estruturas de apoio baseadas no efeito arco sem que sejam considerados todos os aspectos envolvidos nesse fenômeno, inclusive a concentração de tensões que se verifica na alvenaria” (NBR 15961-1, 2011, p. 22).
3 MATERIAL E MÉTODOS
Tendo em vista as divergências observadas entre o caminhamento de cargas previsto pela norma brasileira e modelos de cálculo sugeridos em literatura para alvenaria estrutural, e ainda aqueles
3.1.1 Parâmetros de Cálculo
Com base na resistência do bloco adotado, estima-se a resistência do prisma f (^) pk = 0,8 f (^) bk = 12, MPa e o módulo de elasticidade da alvenaria Ea = 800 f (^) pk = 10.240 MPa de acordo com os itens 6.2. e 6.2.5.3 da NBR 15961-1 (2011, p. 9-10). Quanto ao módulo de elasticidade da viga de concreto armado Ecs (em MPa), é estimado de acordo com o item 8.2.8 da NBR 6118 (2014, p. 24):
𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝛼𝛼𝑖𝑖 ∙ 𝛼𝛼𝐸𝐸 ∙ 5600 �𝑓𝑓𝑐𝑐𝑐𝑐 (1) sendo 𝑓𝑓𝑐𝑐𝑐𝑐 = 25𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 (resistência à compressão axial do concreto); 𝛼𝛼𝑖𝑖 = 0,8 + 0,2 ∙ 𝑓𝑓𝑐𝑐𝑐𝑐 80 = 0,8625^ (fator adimensional); 𝛼𝛼𝐸𝐸 = 1,0 adotado para granito e gnaisse (fator adimensional); Determina-se então o módulo de deformação secante da viga Ecs = 24.150 MPa, utilizado na avaliação do comportamento de um elemento estrutural em concreto armado ou seção transversal à tração e à compressão (NBR 6118, 2014). A força atuante total na viga referente ao carregamento distribuído e ao peso próprio da alvenaria é calculada por: 𝐹𝐹𝑐𝑐 = 250𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑚𝑚 ∙ 5 𝑚𝑚 + 15𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑚𝑚³ ∙ 0,14𝑚𝑚 ∙ 2,8𝑚𝑚 ∙ 5 𝑚𝑚 = 1279,4𝑘𝑘𝑘𝑘 A partir disso, é definido os principais parâmetros estabelecidos para as análises do problema, que estão resumidos no Quadro 1.
Quadro 1 – Dados para análise
Viga
Base ( b ) 0,25 m Altura ( hv ) hv Comprimento ( L ) 5 m Peso Específico ( γv ) 25 kN/m³ Resistência ( fck ) 25 MPa Módulo de Elasticidade ( Ev ) 24.150 MPa
Alvenaria
Espessura ( t ) 0,14 m Altura ( h ) 2,8 m Comprimento (L ) 5 m Peso Específico ( γa ) 15 kN/m³ Resistência ( f (^) bk ) 16 MPa Módulo de Elasticidade ( Ea ) 10.240 MPa
Carregamentos
Distribuído ( q ) 250 kN/m Aplicado ( Q ) 1250 kN Peso Próprio ( Fg ) 29,4 kN Força Atuante ( Fk ) 1279,4 kN
3.2 Resistência da Alvenaria Estrutural segundo a Norma Brasileira
As hipóteses de cálculo para os elementos de alvenaria submetidos a tensões normais de acordo com a NBR 15961-1 (2011) são:
𝑓𝑓𝑑𝑑 =
onde
𝑓𝑓𝑑𝑑 = 𝑓𝑓 (^) 𝑘𝑘 𝛾𝛾𝑚𝑚 é a resistência à compressão de cálculo da alvenaria; A é a área da seção resistente; 𝑅𝑅 = 1 − � 𝜆𝜆 40 �
3 é o coeficiente redutor devido à esbeltez da parede; 𝜆𝜆 = ℎ 𝑡𝑡 é a relação entre a altura e largura da parede; 𝑘𝑘𝑟𝑟𝑑𝑑 = 𝑘𝑘𝑐𝑐 ∙ 𝛾𝛾𝑓𝑓 ∙ 𝛾𝛾𝑚𝑚 é a força normal resistente de cálculo; γm é o coeficiente de ponderação das resistências; γf é o coeficiente de ponderação para combinações normais de ações; Reajustando os termos, chega-se em:
𝑓𝑓𝑐𝑐 =
A resistência característica à compressão simples da alvenaria é estimada como 70% da resistência característica do prisma, ao passo que a resistência do bloco é corrigida dividindo-se a resistência do prisma pelo fator 0,80. Os coeficientes de ponderação da norma em função do tipo de situação são exibidos na Figura 6.
Figura 6 – Tabelas para determinação dos coeficientes de ponderação γf e γm a) Coeficientes de ponderação para combinações normais de ações γf
b) Coeficientes de ponderação das resistências γm
componentes do módulo de elasticidade e inércia da viga são corrigidos pela expressão de rigidez equivalente:
(𝐸𝐸𝐸𝐸)𝑒𝑒𝑒𝑒,𝑡𝑡0 = 𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐 ��
3 𝐸𝐸𝑐𝑐 + � 1 − �
3 � 𝐸𝐸𝐼𝐼𝐼𝐼 � ≤ 𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐 𝐸𝐸𝑐𝑐 (9)
onde Mr é o momento de fissuração do elemento estrutural; Ma é o máximo momento fletor atuante; Ic é o momento de inércia da seção bruta de concreto; III é o momento de inércia da seção fissurada; Além disso, a NBR 6118 (2014) exige que seja determinado a flecha adicional diferida no tempo, decorrente de cargas de longa duração em função da fluência. O valor da flecha total é obtido multiplicando o deslocamento imediato por (1+ αf ), sendo que αf é o fator de fluência, calculado pela seguinte expressão:
𝛼𝛼𝑓𝑓 =
Onde ρ é a taxa de aço e ξ = 2 para tempos superiores a 70 meses. Quanto às combinações de ações referentes ao Estado Limite de Serviço do deslocamento, por questões práticas foram consideradas somente permanentes, uma vez que o carregamento adotado já é elevado.
3.4 Método Analítico de Davies e Ahmed para Consideração do Efeito Arco
O parâmetro de rigidez relativa à flexão K (^) f é expresso por:
4 (11)
onde Ea é o módulo de elasticidade longitudinal da alvenaria; Ev é o módulo de elasticidade longitudinal da viga; Iv é a inércia da viga de apoio; h a altura da parede; t espessura da parede. Além deste fator, é possível destacar ainda a medida de rigidez relativa axial K (^) a entre ambos os elementos estruturais:
𝐾𝐾𝑎𝑎 =
Av é a área da seção transversal da viga de apoio. Em complemento aos parâmetros de rigidez observados, a relação entre altura e comprimento da alvenaria ( h/L ) permite obter novos coeficientes que proporcionarão o cálculo da estrutura com base em ensaios experimentais realizados e análises via elementos finitos (Figura 7).
Figura 7 – Ábaco da variação dos coeficientes α, β e γ conforme relação h/L
Davies e Ahmed (1978, p. 308).
É possível determinar então a máxima tensão de compressão f (^) max na base da parede:
𝑓𝑓𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 =
F é a força de compressão total do peso próprio da alvenaria e seus carregamentos. O comprimento de contato l (^) x entre a alvenaria e a estrutura de suporte é expresso por: 𝑙𝑙𝑚𝑚 =
Devido à separação entre os materiais, surgem tensões cisalhantes ao longo desta superfície de contato que são determinadas a partir da máxima tração T (^) max desenvolvida na estrutura de suporte. 𝑇𝑇𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 = 𝐹𝐹 (𝛼𝛼 − 𝛾𝛾 ∙ 𝐾𝐾𝑎𝑎) (15) E a máxima tensão de cisalhamento τmax será:
𝜏𝜏 (^) 𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 =
Considerando que o deslizamento na interface parede-viga provoca tração na região de contato, cuja qual é intensificada no limite da interação, ou seja, no comprimento l (^) x , o momento fletor máximo Mmax na viga de apoio será a soma entre o momento ocasionado pelo esforço vertical e o momento decorrente desta força de tração horizontal:
𝑀𝑀𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 =
Sendo que os coeficientes r e λ dependem da rigidez do elemento de apoio indicado na Figura 4 e representados no Quadro 2.
Quadro 2 – Coeficientes r e λ em função da Rigidez Relativa à Flexão ( K (^) f ) Rigidez Relativa à Flexão Kf Coeficiente r Coeficiente λ Viga Flexível ( Kf ≥ 7) 0,20 0, Viga Parcialmente Flexível (5 < Kf < 7) 0,25 0, Viga Rígida ( Kf ≤ 5) 0,33 0, Adaptado de Barbosa (2000, p.67).
Tabela 1 – Dimensionamento da Viga Momento Fletor de Cálculo ( M (^) d )
Relação x/d
Seção Transversal ( b x h (^) v )
Área de Aço da Seção Transversal (As)
Flecha Total (considerando fluência) 666,4 kN m 0,45 25 x 80 cm 24,23 cm² 10,37 mm
4.1.3 Dimensionamento da viga com carregamento uniformemente distribuído
Para este caso, é ignorado qualquer consideração de dispersão de ações, sejam elas oriundas do efeito arco ou demais fenômenos. Esta hipótese de carregamento é a mesma adotada comumente em alvenarias de vedação sem função estrutural. Portanto, o esquema de esforços é demonstrado na Figura 9 e os valores de cálculo apresentados na Tabela 2.
𝑞𝑞 =
Figura 9 – Distribuição do carregamento na viga e diagramas de esforços
Tabela 2 – Dimensionamento da Viga Momento Fletor de Cálculo ( M (^) d )
Relação x/d
Seção Transversal ( b x h (^) v )
Área de Aço da Seção Transversal (As)
Flecha Total (considerando fluência) 1119,5 kN m 0,45 25 x 100 cm 32,31 cm² 9,17 mm
4.2 Análise segundo Método Analítico
4.2.1 Tensões na alvenaria
Aplicando o procedimento de cálculo descrito em 3.4 e admitindo a viga de concreto armado com seção 25 x 50 cm, determina-se os seguintes fatores: Rigidez Relativa à Flexão: K (^) f = 4, Rigidez Relativa Axial: K (^) a = 1, Relação h/L = 0,56; α = 0,38; β = 1,6; γ = 0, Comprimento de Contato: l (^) x = 0,58 m Tração Máxima na Viga: T (^) max = 350,04 kN Tensão de Cisalhamento Máxima na Interface: τmax = 4,28 MPa Tensão de Compressão Máxima na Alvenaria: f (^) max = 15,66 MPa
Aplicando os coeficientes de ponderação da norma para a carga e resistência à compressão tem- se f (^) k = 43,85 MPa, onde a resistência do prisma será f (^) pk = 62,64 MPa e a resistência mínima do bloco f (^) bk = 78,3 MPa. A resistência requerida do bloco para dimensionamento considerando os fatores de segurança da norma ultrapassaram em quase 5 vezes a resistência do bloco adotada. Estes valores se justificam devido à concentração de tensões nos apoios oriundas da região central, que tiveram valores nulos (Figura 10).
Figura 10 – Diagrama de tensões da alvenaria
4.2.2 Dimensionamento da viga
Na determinação das tensões atuantes da alvenaria foi definida inicialmente a seção transversal da viga como sendo 25 x 50 cm e o valor de rigidez relativa à flexão indica que a viga em questão é rígida ( K (^) f < 5). Coeficientes r = 0,20 e λ = 0,25; Momento Fletor Máximo: Mmax = 108,47 kN m O dimensionamento foi realizado sob duas condições: a primeira, com a seção pré-definida de 25 x 50 cm, e a segunda para a relação x/d = 0,45 no domínio 3 e estado limite último. Os resultados encontram-se na Tabela 3.
Tabela 3 – Dimensionamento da Viga Momento Fletor de Cálculo ( M (^) d )
Relação x/d
Seção Transversal ( b x h (^) v )
Área de Aço da Seção Transversal (As)
Flecha Total (considerando fluência) 151,86 kN m 0,22 25 x 50 cm 8,08 cm² 8,75 mm 143,57 kN m 0,45 25 x 40 cm 10,77 cm² 14,56 mm
A relação x/d =0,45 resultou em seção 25 x 40 cm para a viga, onde foi recalculado as tensões na alvenaria e momento máximo da viga.
4.3 Comparação dos Resultados
A análise conjunta dos resultados obtidos confirmam as afirmações de que o efeito arco é intensificado de acordo com a variação de rigidez entre a parede e a viga. O favorecimento da alvenaria implica em situações críticas para a estrutura de suporte, pois as simplificações na distribuição dos esforços elevam as solicitações na viga, tendo como consequência aumento na rigidez do elemento estrutural, que estará sujeito a menores deformações e maior comprimento de contato na interação.
Por outro lado, métodos numéricos como o método dos elementos finitos é limitado às condições de contorno e de equilíbrio impostas nas modelagens destas estruturas. Na utilização de programas computacionais que incluem estes métodos são aplicados fatores de correção decorrentes das imprecisões de análise. A sensibilidade e conhecimento dos projetistas durante o manuseio de tais softwares é indispensável para a adequada interpretação dos resultados e identificação de possíveis problemas oriundos da interação entre a alvenaria estrutural e suportes em concreto armado, haja visto a enorme gama de fatores causados pelo efeito arco, conforme demonstrado na pesquisa. Sendo assim, conclui-se que os fenômenos associados ao efeito arco na interação entre alvenaria estrutural e elementos lineares de concreto armado ocasionam uma série de consequências ao comportamento estrutural do conjunto que são intensificadas conforme o aumento do vão e carregamentos. As metodologias simplificadas de cálculo requerem atenção especial em determinadas situações, pois podem levar a má interpretação da distribuição de tensões, acarretando em não observância de fatores críticos para a análise e dimensionamento da estrutura.
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Increasing the stiffness of the beam to combat the arc effect can be a facilitating feature during the design of a structural masonry project as it avoids complex methods of analysis of the structural elements subjected to such effects and the consequence of their results, such as strengthening of masonry at certain points or even the use of blocks with higher values of resistance. On the other hand, this choice can lead to situations of oversizing the support, since it only aims to favor the masonry. Therefore, the present study proposes to evaluate, through the application of analytical methods, the influence of the arc effect on the interaction between reinforced concrete beams and structural masonry, comparing the results of the analysis with the considerations of distribution of loads provided for in Brazilian Regulations. In this way, the behavior of the structural set in the imposed situations is verified, taking into account the different phenomena involved in its effect, such as beam traction, interface shear stress, maximum bending moment in the beam and stress concentration in the masonry.
MATERIAL AND METHODS
Considering the observed divergences between the load path predicted by the Brazilian standard and models of calculation proposed by foreign literature for structural masonry, and also those adopted for masonry without structural use, it was verified the distribution of the efforts through the arch effect in situations of structural masonry supported on reinforced concrete support in the following situations:
RESULTS AND DISCUSSION
The complete analysis of the obtained results confirm the affirmations that the arc effect is intensified according to the variation of stiffness between the wall and the beam. The improvement of the masonry implies in critical situations for the support structure, since the simplifications in the distribution of the forces increase the requests in the beam, having as consequence an increase in the rigidity of the structural element, that will be subject to smaller deformations and a greater length of contact in the interaction. In the case of favoring the reinforced concrete beam, it would be necessary to adopt measures to combat excessive tensions in the masonry. Examples are: masonry reinforcement by filling grating in combination with vertical steel bars inserted inside the blocks; use of lateral stiffeners according to research suggested by Carvalho (2007); and replacement of the blocks by others with higher width or resistance.
CONCLUSION
The example has showed the influence of the arch effect on both the structural masonry and the reinforced concrete beam. The analytical method presented significant divergences in the results for the span situation and load intensity adopted in relation to the simplifications provided for in the Brazilian regulations and, especially, in the case of masonry without structural use.
However, caution is necessary in the application of these methods in design situations, since the analyzes are restricted to specific conditions, as is the case of masonry in the beam with two supports, since the behavior of the structure is not the same in continuous beams or in the encounter of beams in different directions, for example. Thus, it is concluded that the phenomena associated with the arch effect in the interaction between structural masonry and linear elements of reinforced concrete cause a series of consequences to the structural behavior of the set that are intensified as the span and load increases. The simplified methodologies of calculation require special attention in certain situations, since they can lead to misinterpretation of the stress distribution, leading to non-observance of critical factors for the analysis and design of the structure.