Cargas em vigas

ESTRUTURAS CONCRETO ARMADO

Prof. Moacyr Molinari

Cargas Lineares em Vigas

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Determinadas as cargas superficiais nas lajes, o próximo passo é determinar os valores das

forças (cargas concentradas e/ou cargas distribuídas) que atuam sobre cada vão (ou tramo) de cada viga.

Em geral, uma viga suporta: - seu peso próprio; - os pesos de paredes de alvenaria; - as cargas concentradas aplicadas por outras vigas ou por pilares (no caso de viga de transição); - parte da carga total suportada pelas lajes que se apóiam na viga.

A soma das quatro parcelas de cargas citadas resultará na carga linearmente distribuída a ser suportada pela viga.

Acompanhe a seguir a discussão teórica do cálculo de cada parcela de carga. 1 - PESO PRÓPRIO Considere uma viga com seção transversal retangular. O lado horizontal da seção transversal é denominado base “b”. O lado vertical da seção transversal é denominado altura “h”. O comprimento do tramo (ou vão) considerado da viga é “L”. Como o tramo de viga tem forma de um paralelepípedo, seu volume (Vc) é:

Vc = b . h . L

O peso específico (γc) do material (concreto) é:

_Pc_ = γc Vc

O peso (Pc) do tramo da viga é:

Pc = γc . Vc ou

Pc = γc . b . h . L

Para dimensões em metros e peso específico em kgf/m3 , resultará peso (Pc) em kgf . O peso é distribuído ao longo do comprimento “L” do tramo da viga. Então a carga

linearmente distribuída (qc), proveniente do peso próprio do tramo da viga é

qc = _Pc → L

qc = γc . b . h . L → L

qc = γc . b . h (γc em kgf/m3 , “b” e “h” em metro, qc em kgf/m)



2 – PAREDE DE ALVENARIA Se uma parede de alvenaria se apoiar diretamente sobre a viga, pode-se calcular o peso da parede e considerá-lo distribuído ao longo de seu comprimento, na forma discutida a seguir. Considere o tramo de viga anterior suportando uma parede de alvenaria com comprimento “La”, altura “ha” e espessura “ta”.

O volume (Va) da parede de alvenaria é

Va = La . ha . ta

O peso específico (γa) do material (alvenaria) é:

_Pa_ = γa Va

O peso (Pa) da parede de alvenaria é

Pa = γa . Va ou Pa = γa . La . ha . ta

O peso da parede de alvenaria pode ser considerado linearmente distribuído ao longo do

comprimento em que se apóia no tramo de viga, isto é, ao longo do comprimento da própria parede (La). Então, a carga linearmente distribuída (qa), originada no peso da parede de alvenaria é

qa = Pa_ L

qa = γa . La . ha . ta La

qa = γa . ha . ta (γa em kgf/m3 , “ha” e “ta” em metro, qa em kgf/m)

3 - CARGAS CONCENTRADAS

De modo geral, as cargas concentradas em vigas são as forças aplicadas por outras vigas ou por pilares que se apóiem na viga considerada.

Se outra viga se apóia na viga considerada, será necessário antes calcular a reação da outra viga e considerá-la como carga aplicada na viga considerada, com mesmo valor, mas com sentido contrário. Se a outra viga tem uma reação de 1000 kgf para cima, aplicaremos uma carga de 1000 kgf para baixo na viga considerada.

Se um pilar se apoiar diretamente na viga considerada, ela poderá ser denominada viga de transição. Nesse caso, a carga concentrada na viga será igual à força normal presente no pilar. Se o pilar estiver submetido a compressão, a carga concentrada será aplicada para baixo na viga. Se a força normal for de tração, estaremos em presença de um tirante e, nesse caso, a carga concentrada será aplicada para cima na viga.

Em qualquer caso, as cargas concentradas serão consideradas, no modelo estático da viga, independentemente das cargas linearmente distribuídas.



4 - CARGAS APLICADAS POR LAJES

Normalmente, lajes se apóiam em vigas. Em geral, uma laje suporta seu peso próprio, o peso do seu revestimento (carpet, tacos, cerâmica etc.), os pesos de usuários e móveis (carga acidental ou sobrecarga normalizada) e, eventualmente, os pesos de paredes de alvenaria.

Em material didático anterior, discutiu-se o cálculo da carga distribuída superficial a ser suportada por uma laje. Cada painel (ou “pano”) de laje retangular se apóia em quatro vigas periféricas, uma em cada um dos quatro bordos. Cabe agora determinar quanto da carga total presente na laje será comunicado a cada uma das quatro vigas periféricas. A carga linearmente distribuída aplicada pela laje no tramo de viga periférica será adicionada às demais cargas linearmente distribuídas, provenientes de peso próprio do tramo de viga e de peso de parede de alvenaria que se apóie diretamente sobre o tramo de viga.

4.1 - Linhas de Ruptura

Ensaios em laboratório com lajes submetidas a carregamento superficial uniforme crescente, mostram que, na situação limite, as rupturas ocorrem aproximadamente ao longo de certas linhas com direções características. Essas linhas, às vezes denominadas bielas plásticas, possuem origens nos vértices da laje e se estendem para o interior da laje, com inclinações em direções aos bordos que dependem do tipo de vinculação com a laje adjacente. 4.2 - Áreas de Influência

Os mesmos ensaios mostram que a porção de carga que a laje apóia em cada viga periférica é proporcional à área da região delimitada pelas linhas de ruptura que lhe cabe. Para cada viga periférica haverá uma região de influência. 4.3 - Tipos de Bordos

Os bordos de uma laje podem ser engastados ou simplesmente apoiados, dependendo da relação física e geométrica com as lajes adjacentes. Os bordos simplesmente apoiados serão representados por linhas contínuas simples, como mostrado na figura da esquerda (a seguir). Os bordos engastados serão representados por linhas delimitando hachuras inclinadas, como mostrado na figura central (a seguir). A figura da direita (a seguir) representa um bordo simplesmente apoiado e um bordo engastado. 4.4 - Inclinações das Linhas de Ruptura

Quando um vértice de uma laje é definido pelo encontro de dois bordos simplesmente apoiados, a linha de ruptura que aí nasce possui inclinação de 45o (quarenta e cinco graus) com cada um dos bordos (vide figura da esquerda, a seguir).

Quando um vértice de uma laje é definido pelo encontro de dois bordos engastados, a linha de ruptura que aí nasce possui inclinação de 45o (quarenta e cinco graus) com cada um dos bordos (vide figura central, a seguir).



Quando um vértice de uma laje é definido pelo encontro de um bordo simplesmente apoiado e de um bordo engastado, a linha de ruptura que aí nasce possui inclinação de 60o (sessenta graus) com o bordo engastado (vide figura da direita, a seguir).

Nas três figuras a seguir, as linhas de ruptura são representadas em linhas tracejadas azuis.

4.5 – Condições dos Tipos de Bordos

O bordo será classificado como simplesmente apoiado quando não houver continuidade com outra laje, no outro lado da viga de apoio.

O bordo será classificado como engastado quando houver continuidade com a laje adjacente, no outro lado da viga de apoio, ao longo de pelo menos 2/3 do comprimento do bordo da laje analisada, contanto que as duas lajes estejam contidas no mesmo plano horizontal. Se as lajes adjacentes estiverem em planos horizontais diferentes, isto é, com desnível entre elas, não será considerada continuidade entre elas.

Por exemplo, as duas lajes (L1 e L2) na figura a seguir, possuem continuidade ao longo do bordo comum a ambas (as lajes estão no mesmo nível): o bordo comum é engastado para ambas as lajes (os demais bordos são simplesmente apoiados).

2 bordos simplesmente apoiados 2 bordos engastados 1 bordo simplesmente apoiado e 1 bordo engastado



Por outro lado, as duas lajes (L1 e L2) na figura a seguir, não possuem continuidade ao longo do bordo comum a ambas porque as lajes não estão no mesmo nível: a laje L2 é rebaixada em relação à laje L1. As lajes L1 e L2 não possuem bordo engastado (os quatro bordos são simplesmente apoiados).

Observe a figura a seguir, em que são representadas duas lajes que estão no mesmo nível. O bordo comum é engastado para a laje L2 porque há continuidade em mais de 2/3 do bordo da laje L2 (no caso, 100%). No entanto, o bordo comum não é engastado (é simplesmente apoiado) para a laje L1 porque tem continuidade em menos de 2/3 do bordo da laje L1 (no caso, 50%).

4.6 – Cálculo da Carga Aplicada na Viga

Para determinar a carga que a laje aplica em cada viga de bordo, pode-se: - desenhar cada painel de laje em separado, com as dimensões internas, já classificando cada bordo em simplesmente apoiado ou engastado;



- desenhar as linhas de ruptura a partir de cada vértice, prolongando-as até que se encontrem; - em geral, as linhas de ruptura se encontram duas a duas. Nesse caso, una os dois pontos de intersecção com um segmento de reta (a quinta linha de ruptura) que será, necessariamente, paralelo a um dos dois bordos da laje; - é raro, mas pode ocorrer de as quatro linhas de ruptura que partem dos vértices se encontrarem todas em um único ponto. Nesse caso, não haverá a quinta linha de ruptura; - calcular as áreas das figuras formadas pelos bordos da laje e suas linhas de ruptura (triângulos ou trapézios); - a carga (ql) aplicada pela laje na viga que está em seu bordo será calculada multiplicando a área (A1) da figura formada pelas linhas de ruptura correspondente, pela carga superficialmente distribuída (qs) na laje e dividindo o valor obtido pelo comprimento (L) do correspondente bordo da laje:

LAqq s

l1×

=

4.7 - Exemplo

Considere a planta de formas a seguir (cotas em cm). Calcule os valores das cargas distribuídas lineares aplicadas apenas pela laje L2 em cada tramo de viga de seu contorno: V1B, V2B, V5B e V6B. A carga distribuída superficial total na laje L2 é ql = 1000 kgf/m2 , já incluindo peso próprio da laje, peso de revestimento e sobrecarga normalizada .



Vamos desenhar as linhas de ruptura sobre a laje L2 : - do vértice no pilar P5 (encontro dos bordos V5B e V2B) sai uma linha inclinada a 45o porque os dois bordos que aí se encontram são engastados. - do vértice no pilar P3 (encontro dos bordos V1B e V6B) sai uma linha inclinada a 45o porque os dois bordos que aí se encontram são simplesmente apoiados. - do vértice no pilar P6 (encontro dos bordos V6B e V2B) sai uma linha inclinada de 60o com o bordo em V2B porque esse bordo é engastado, enquanto que o bordo em V6B é simplesmente apoiado. - do vértice no pilar P2 (encontro dos bordos V5B e V1B) sai uma linha inclinada de 60o com o bordo em V5B porque esse bordo é engastado, enquanto que o bordo em V1B é simplesmente apoiado (observe que foi representado o ângulo complementar, de 30o , com o bordo em V1B). - as linhas de ruptura se encontram duas a duas - entre os dois pontos de intersecção, é traçada a quinta linha de ruptura, paralela ao bordo em V6B. Observe as linhas de ruptura traçadas sobre a laje L2:

O bordo esquerdo da laje L2 é engastado porque tem continuidade com a laje L1. O bordo inferior (na figura) da laje L2 é engastado porque tem continuidade com a laje L3. Os demais bordos da laje L2 são simplesmente apoiados porque não possuem continuidade com lajes adjacentes.



No triângulo A3 a base tem comprimento 4=+ ba . A altura “c” se relaciona com a dimensão “b” por cbtg =→= 1º45 . A altura “c” se relaciona com a dimensão “ a ” por

33º30 ac

actg =→=

.

Substituindo “c” em 4=+ ba tem-se

433 =+ aa

1233 =+ aa

12)33( =+×a

ma 54,233

12 =+

=

mac 47,13354,2

33 ===

Então, a área da figura A3 é: 23 94,2

247,14 mA =×=

Agora, é necessário determinar os valores das áreas A1, A2, A3 e A4 (veja ao lado) das figuras (dois triângulos e dois trapézios) formadas pelos bordos da laje L2 e suas linhas de ruptura. Se desenhadas em CAD e em verdadeira grandeza, bastará usar o comando correspondente (“area”). Se desenhadas manualmente, precisaremos calcular as dimensões geométricas que definem os triângulos (base e altura) e trapézios (base maior, base menor e altura). Esse cálculo utiliza conceitos de geometria e trigonometria, na forma como segue:



O ângulo de 45o do triângulo A4 permite inferir que as cotas marcadas com “= a ” valem ambas 2,54 m .

No trapézio A2 tem-se

mbcb 47,1=→=

mcad 174,154,255 =−−=−−=

Então a área da figura A2 é 22 41,447,1

215 mA =×+=

A área da figura A1 é 21 62,754,2

215 mA =×+=

A área da figura A4 é 24 08,5

254,24 mA =×=

A título de verificação, a soma das áreas das figuras A1, A2, A3 e A4 deve ser igual à área

da laje, isto é 4m . 5m = 220mAi =∑ A carga (ql) aplicada pela laje em cada tramo de viga periférico será calculada

multiplicando a área (Ai) da figura formada pelas linhas de ruptura correspondente, pela carga superficialmente distribuída (qs) na laje e dividindo o valor obtido pelo comprimento (L) do correspondente bordo da laje:

LAqq is

l×=

Então, as cargas linearmente distribuída aplicadas pela laje L2 nos tramos de vigas V5B,

V6B, V1B e V2B valem, respectivamente:

mkgfq

mkgfq

mkgfq

mkgfq

l

l

l

l

/127000,4

08,51000

/73500,4

94,21000

/88200,5

41,41000

/152400,5

62,71000

4

3

2

1

=×=

=×=

=×=

=×=



5 - CARGA LINEARMENTE DISTRIBUÍDA TOTAL Se um tramo de viga suportar seu peso próprio (qc) e, simultaneamente, a carga de uma parede de alvenaria (qa) e as cargas de duas lajes adjacentes L1 (qr1) e L2 (qr2), a carga linearmente distribuída total (qt) será :

qt = qc + qa + ql1 + ql2 Exemplo No desenho do exemplo do item 4.7 , considere que o tramo de viga V6B possui seção transversal (20 x 45), isto é, tem base de 20 cm e altura de 45 cm, e sustenta uma parede de alvenaria ao longo de todo o seu comprimento, com altura de 220 cm e espessura de 15 cm. Determine a carga linearmente distribuída total sobre a viga. Os pesos específicos do concreto e da alvenaria valem, respectivamente, 2500 kgf/m3 e 1800 kgf/m3 . a) Carga de peso próprio:

qc = γc . b . h = 2500 . 0,20 . 0,45 = 225 kgf/m b) Carga da parede de alvenaria:

qa = γa . ha . ta = 1800 . 2,20 . 0,15 = 594 kgf/m c) Carga de lajes:

Apenas a laje L2 se apóia no tramo V6B, aplicando a carga calculada anteriormente mkgfql /8822 =

d) Carga linearmente distribuída total:

qt = qc + qa + ql1 + ql2 = 225 + 594 + 882 + 0 = 1701 kgf/m 6 – EXERCÍCIO PROPOSTO

Considere a planta de formas a seguir (pilares não representados, cotas em cm, sem escala). As lajes L1, L2 e L3 possuem as seguintes características:

Dados Para L1 Para L2 Para L3

Espessura

10cm 8cm 9cm

Uso

Dormitório Sala de estar Lavanderia

Espessura do Revestimento

4cm 2cm 5cm

Peso Especifico do Concreto )( cγ

3/2400 mkgf 3/2400 mkgf 3/2400 mkgf

Peso Especifico do revestimento )( rγ

3/1800 mkgf 3/1000 mkgf 3/1500 mkgf

As vigas são executadas com concreto de peso específico 3/2400 mkgfc =γ . Sobre cada viga há paredes de alvenaria ( 3/1900 mkgfa =γ ) com altura de 260cm e espessura 15cm. A laje L3



suporta uma parede de alvenaria (não representada), com altura de 210 cm, espessura de 20 cm e comprimento de 350 cm. Pede-se determinar: a) Cargas distribuídas superficiais em cada uma das lajes, em kgf/m2 . b) Cargas linearmente distribuídas aplicadas pelas lajes em cada tramo de viga, em kgf/m . c) Cargas linearmente distribuídas totais em cada tramo de viga, incluindo peso próprio de vigas e paredes de alvenaria diretamente apoiadas em vigas, em kgf/m .

================================================================================== ANEXO: Algumas transformações de unidades úteis:

Nkgf 81,91 =

2610

mNMPa =

281,9100

/ cmkgfMPa ⎯⎯ →⎯×

Para o material de referência (água), tem-se densidade, massa específica e peso específico de, respectivamente

33 /1000/10001 mkgfmkgfd =→=→= γµ

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