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IV - CISALHAMENTO
1 - ESTADO DE TENSÃO
1.1 - GENERALIDADES
Nos capítulos anteriores, se analisou o comportamento de vigas de concreto armado submetida a solicitações normais. As tensões internas provenientes da flexão foram calculadas imaginando-se que o momento fletor agisse isoladamente na seção. Isto pôde ser feito porque a existência de força cortante na seção não altera os valores, nem a distribuição, das tensões normais. A metodologia empregada na análise resultava bastante simples: aplicava-se as equações de equilíbrio (isoladamente ou em conjunto com as equações de compatibilidade de deformações) sobre as solicitações, internas e externas, atuantes em uma determinada seção (normalmente a seção mais solicitada). Já o comportamento de peças de concreto armado quando atuam esforços transversais (esforço cortante e momento torçor) é bastante complexo. No cisalhamento, quando o esforço cortante atua isoladamente na seção, as tensões de cisalhamento que aparecem para equilibrar a solicitação externa têm distribuição uniforme; atuando também a solicitação momento fletor na seção, as tensões de cisalhamento distribuir-se-ão de forma totalmente diferente, apesar de sua resultante continuar sendo a mesma. Por este motivo, para o estudo do cisalhamento, não se pode considerar o esforço cortante agindo isoladamente, mas sim simultaneamente com o momento fletor. Além disto, existem outros fatores que influem sobre a capacidade resistente à força cortante de uma viga: forma da seção transversal; variação da seção transversal ao longo da peça; esbeltez; disposição das armaduras; aderência aço/concreto; tipo de cargas e apoios ... Portanto, na análise de vigas de concreto armado submetidas a esforços cortantes, se faz necessário tratar a peça como um todo, já que os mecanismos resistentes que se formam são geralmente tridimensionais. Formular uma teoria simples e prática, que leve em consideração todos estes fatores, e que dê resultados exatos é uma tarefa bastante difícil.
1.2 - ESTÁDIO I
No estádio Ia (concreto intacto, sem fissuras), o comportamento das peças de concreto armado é elástico linear (obedece a Lei de Hooke) e as tensões tangenciais podem ser calculadas através das equações da resistência dos materiais. Se está agindo somente o esforço cortante, a distribuição das tensões internas é uniforme, e pode ser determinada pela expressão:
→ A
τ =V → distribuiçâo uniforme
Se, na mesma seção, estão agindo o esforço cortante e o momento fletor simultaneamente, a distribuição de tensões internas não é mais uniforme, mas varia de forma parabólica com a distância à linha neutra, e pode ser determinada pela expressão:
→ bI
τ =VS → distribuição parabólica
onde: τ: tensão tangencial V: esforço cortante A: área da seção transversal I: momento de inércia da seção transversal em relação à linha neutra - constante para a seção S: momento estático em relação à linha neutra - varia com a distância à LN
O valor máximo da tensão tangencial de cisalhamento é obtido no ponto onde o momento estático é máximo, isto é, na linha neutra.
τmax → bz
= V
τo
sendo: S/I = 1/z z: distância entre os centros de gravidade das zonas comprimida e tracionada
1.3 - ESTÁDIOS II E III
Nos estádios II e III, o concreto está fissurado na zona tracionada, mas na zona comprimida ainda está intacto. Assim, na zona comprimida, intacta, a distribuição de tensões continua igual ao estádio I. Já na zona tracionada, fissurada, o concreto não resiste mais e as tensões tangenciais são provenientes da força transmitida pela armadura ao concreto por aderência, na zona entre fissuras. Desta forma, a tensão se mantém constante (o momento estático não varia pois não se considera a resistência do concreto) até encontrar a armadura, quando cai bruscamente à zero. A distribuição de tensões tangenciais ao longo da altura da viga no estádio II e III é dada pela figura a seguir, sendo seu valor máximo igual ao valor da tensão na linha neutra no estádio I:
b z
τ = V = τ
o (estádio I)
área comprimida (resistente) τ 0 : valor máximo área tracionada (desprezada) LN constante pois S não varia
cai à zero quando encontra As
1.4 - TENSÕES PRINCIPAIS
O princípio básico de funcionamento do material concreto armado é o de posicionar a armadura de tal forma que ela seja capaz de absorver integralmente os esforços de tração que aparecem na estrutura. Em uma viga, quando solicitada por esforço cortante, surgem tensões internas de cisalhamento (tensões tangenciais), para equilibrar a carga externa. A pergunta que se faz neste instante é: onde se deve colocar as armaduras? Para responder esta pergunta, se faz necessário determinar a direção dos esforços de tração e compressão correspondentes à tensão de cisalhamento. Com este intuito, calcula-se as tensões e as direções principais, que, para o estado plano de tensões, são obtidas pelas expressões:
2 1 , 2 2 4
Linha neutra → σ = 0 → σ 1 = -σ 2 = τ → α = 45^0
Bordas → τ = 0 → σ 1 = 0 , σ 2 = -σ (comp.) σ 1 = σ , σ 2 = 0 (tração)
1.5 - CISALHAMENTO COMBINADO COM FLEXÃO EM VIGAS DE CONCRETO ARMADO
A metodologia que se utilizará no dimensionamento ao cisalhamento de vigas de concreto armado será válida tanto para as vigas de seção transversal retangular como T , visto que na seção T se admitirá a Linha Neutra localizada na alma. Portanto, a largura a ser utilizada nas duas situações será a largura da alma. Assim, a tensão de cisalhamento máxima da seção acontece na linha neutra e é determinada por:
Como o valor de z (distância entre o centro de gravidade da zona comprimida e a armadura) em geral não é conhecido, define-se uma tensão tangencial convencional, em função do valor d (conhecido).
Estudos experimentais constataram que d ≅≅≅≅ 1,15z e, portanto,
b z
V (^0) w
b d
V w
τw =
σ^ P^ σ
LN
LN
Até agora, imaginou-se a viga formada apenas por uma treliça, cujas barras resistiriam às forças mencionadas. Na realidade, temos na alma da viga um conjunto de treliças separadas por uma distância "s", que é o espaçamento entre as armaduras transversais (estribos). Assim, a resultante das forças no trecho “s”, entre duas treliças consecutivas, é dada por:
Fc = Ncc s/a - bielas comprimidas Ft = Nst s/a - estribos
2.2 - TENSÕES
As forças na alma da viga produzem, respectivamente:
- Tensão de compressão na biela de concreto → σcc = Fc/Acw = 2 τo
- Tensão de tração na armadura transversal (estribos) → σ τ
st ρ
o w
=
F A
t = sw
Acw = b s sen →
área do segmento plano compreendido entre duas bielas consecutivas e perpendicular a elas Asw → soma das áreas das barras de uma armadura transversal que cortam o plano neutro Atw = b s →
área do segmento do plano compreendido entre dois estribos consecutivos e perpendicular a elas
ρw sw t w
A A
= → (^) taxa de armadura transversal
Uma longa série de ensaios experimentais mostrou que, nas vigas armadas seguindo rigorosamente a teoria da treliça de Mörsch, verifica-se que as tensões nos estribos são inferiores e nas bielas superiores àquelas calculadas pela treliça fictícia. A explicação para tal constatação é dada pela possibilidade das diagonais comprimidas funcionarem com inclinações menores que 45^0 com o eixo horizontal. A NBR6118 permite o cálculo dos estribos pela treliça fictícia considerando-se uma tensão de cisalhamento limite: τd = τod - τc = 1,15 τwd - τc ≥ 0. τc não deve ser interpretada como uma resistência à tração do concreto, mas sim como a contribuição das partes comprimidas da treliça (bielas) na resistência aos esforços de cisalhamento, o que vem aliviar a armadura transversal. Em relação à tensão nas bielas comprimidas, a NBR6118 recomenda uma limitação no valor último da tensão σcc em σcc < σccu = 0,6 fcd o que resulta
τwd < τwu = 0,3 fcd para estribos verticais.
Assim, para peças de concreto armado dimensionadas no estado limite último:
a) as máximas tensões de cisalhamento ocorrem na região fissurada e seu valor é constante e igual a:
od (^) w bwd 1,15 wd 1,15 1,4V b z
τ = 1,4V^ = = τ sendo
b d
1,4V wd (^) w
τwd não tem qualquer significado físico e é denominado de tensão convencional de cisalhamento. Constitui um parâmetro através do qual se verificará estar ou não havendo esmagamento da biela comprimida que se forma na viga em seu funcionamento à flexão combinada com cisalhamento.
b) o dimensionamento ao esforço cortante envolverá duas etapas:
- verificação do não esmagamento do concreto, para as diagonais comprimidas da treliça que se forma em seu interior
- determinação das áreas de aço necessárias para absorver as trações que surgem na referida treliça, oriundas do esforço cortante
2.3 - ARMADURA TRANSVERSAL →
s
Asw
A área de aço necessária para a armadura transversal (estribos) é determinada para que a tensão no aço não ultrapasse o valor limite → σstd ≤ fyd. Substituindo os valores vistos anteriormente,
w
st =^ o ρ
σ τ sendo
bs
Asw ρ (^) w = Norma → τd = τod - τc = 1,15 τwd - τc ≥ 0.
f limite
1 , 15 - = (^) yd w
std wd^ c ==== →→→→ ρρρρ
b f
1 , 15 -
s
A bs
A f
1 , 15 -
yd
sw sw c yd
ρw τwd^ τc^ = → τwd τ
A falta ou pouca armadura transversal diminui a resistência da viga transversalmente, podendo ocorrer uma ruptura sem aviso. Como prevenção a norma brasileira exige que seja colocada uma quantidade mínima de armadura transversal. A exigência de uma armadura transversal mínima resulta da necessidade que se tem (visando um funcionamento satisfatório no que se refere aos estados limites de formação de fissuras) de armaduras capazes de suportar os esforços de tração liberados pelo concreto no momento da formação de fissuras inclinadas devidas ao esforço cortante. Por este motivo, especifica-se, partindo de resultados experimentais, a necessidade da existência de uma porcentagem volumétrica mínima, que, para os aços CA-50 e CA-60 vale ρmin = 0,14%.
3 - ROTEIRO DE CÁLCULO DA ARMADURA TRANSVERSAL - (segundo a NBR-6118/80)
1- Verificação da seção de concreto - (item 5.3.1.2.b)
b d
1,4V wu w
max
τwd = ≤ τ
Vmax = esforço cortante máximo
τwu = 0,30 fcd ≤ 4,5 MPa = 0,45 KN/cm^2
2- Cálculo de τc - (item 4.1.4.2)
τc = ϕ 1 fck (MPa) ϕ 1 = 0,15 (flexão)
3- Determinação de Vmin → força cortante correspondente a armadura mínima
b d 1,4 1,
V 1 w def c min
=
τd ef = ρwmin fyd= 0 ,0014 fyd CA-50, CA-60 → fyd ≤ 435 MPa
4- Comparação do esforço cortante
- se V < Vmin → Asw min em todo tramo
0,14b CA-50,CA- 60
0 , 25 b CA- 25 s
A w
swmin w
5mm ^ w
≤
≥ φ
- espaçamento ≤ 0,5 d ou 30 cm
