Sistema TQS-Vigas e a NBR-6118:2003 (Parte I)

Continuando a série de artigos sobre o desenvolvimento dos Sistemas TQS com o objetivo de atender a NBR-6118:2003, encaminho abaixo o texto relativo ao dimensionamento e detalhamento de vigas contínuas.

Diria que a conversão do TQS-Vigas foi uma conversão trabalhosa, burocrática, sem grandes inovações como foi o caso do pilar, por exemplo. O TQS-Vigas já era muito rico em critérios e detalhes de desenho e diversos deles já atendiam à NBR-6118:2003. O cálculo mais interessante, flechas, considerando efeito incremental, fluência e a fissuração do concreto passamos ao programa de grelha não-linear física.

Entretanto, o TQS-Vigas incorpora alguns conceitos novos que, se seguidos a risca, vai alterar bastante a forma de se projetar. É o caso, por exemplo, da consideração dos limites de dutilidade das seções transversais.

Este artigo é composto de 3 partes.

1.) Introdução

O elemento vigas é o elemento mais comum na maioria das estruturas convencionais das edificações. Geralmente, os desenho de vigas contínuas representam a maior parte da quantidade de desenhos de um projeto. Vamos apresentar algumas considerações sobre o sistema TQS-Vigas ( solicitações, dimensionamento, detalhamento e desenho) e a nova NBR-6118:2003 (NB1/03). Vamos procurar salientar os itens novos da Norma e como o TQS-Vigas foi programado. Assuntos que sofreram poucas ou nenhuma alteração como, por exemplo, dimensionamento a flexão, faremos apenas uma citação.

A maioria dos tópicos importantes desta nova norma já foram implantados no TQS-Vigas, entretanto, temos alguns trabalhos a desenvolver ainda, por exemplo, com relação a armadura de costura junto aos ferros ancorados, detalhes específicos de ancoragem, detalhes de alojamento de barras na seção etc.

Em resumo, vamos abordar os seguinte tópicos sobre o TQS-Vigas:

• Modelo Estrutural - origem de esforços, limitações etc.
• Mesa Colaborante - importância, como é calculado etc.
• Redistribuição de M(-) - limites, controle da LN, avisos etc.
• Dimensionamento a Flexão - As mínimo, baricentro, limites de LN etc.
• Dimensionamento a Cortante - Asw mínimo, verificações, modelos, avisos etc.
• Dimensionamento a Torção - Núcleo resistente, verificações, Asl e Asw, avisos etc.
• Torção e Cortante combinados
• Detalhamento de As Longitudinal - Arm. lateral, ancoragem etc
• Detalhamento de Asw Vertical - Espaçamentos etc.
• Gerais
• Principais Conclusões

2.) Modelo Estrutural

Conforme já tivemos a oportunidade de comentar por diversas vezes, por mais refinadas que forem as técnicas de dimensionamento e detalhamento de armaduras que possamos empregar, o projeto não terá a qualidade suficiente se não trabalhamos com as solicitações mais adequadas para o elemento estrutural. Para as vigas contínuas este conceito também é muito válido.

2.1) Modelos Disponíveis

Os seguintes modelos estruturais de vigas contínuas estão disponíveis no TQS-Vigas:

- Viga contínua com apoios rotulados.

Este modelo NÃO é mais recomendado. Está no TQS-Vigas apenas para manter compatibilidade com projetos antigos. Nos dias atuais, com tantos recursos computacionais para análise, é fundamental e necessário a consideração das vigas com seus respectivos pilares para a obtenção das solicitações. Este modelo de apoios rotulados é representado pelo esquema abaixo:

- Vigas contínuas com pilares

Este é o primeiro modelo indicado. É um modelo interessante para cargas verticais mas não para cargas horizontais. Os nós dos apoios das vigas possuem suas rotações compatibilizadas com as rotações dos nós dos pilares. Já é uma primeira aproximação para a determinação dos esforços nas vigas e pilares. A imprecisão deste modelo é a não consideração da laje e a incerteza nas vinculações dos extremos dos pilares e seus respectivos comprimentos. Este modelo é representado pelo esquema abaixo:

- Grelha

É um modelo mais preciso para a determinação das solicitações. Neste caso é feita a consideração da compatibilização entre deslocamentos verticais para vigas e lajes. Os pilares são considerados como sendo apoios elásticos e a ligação viga-pilar já é uma ligação mais realista onde se considera a efetiva porção do pilar que vai colaborar com a rotação da viga. Não é válido para cargas horizontais. A imprecisão do modelo é a determinação do comprimento dos pilares verticais e suas respectivas vinculações.

- Pórtico Espacial

Este é o modelo mais indicado. Mas o pórtico espacial não pode ser apenas uma solução teórica baseada na teoria da elasticidade. O pórtico espacial tem que ter algumas características que contemplem o comportamento do concreto armado que é um material heterogêneo, fissurado, de comportamento não linear e construído em etapas. Os esforços das vigas oriundas do pórtico podem ter origem tanto para cargas verticais como para cargas horizontais. Este é o modelo mais recomendado, mas a correta ligação entre vigas e pilares deve estar corretamente equacionada (ligações realistas ou flexibilizadas). Vigas de transição tem que ter um tratamento especial para considerar a carga mais exata dos pilares de transição. Temos o seguinte esquema abaixo:

2.2) Ligação Viga - Pilar

A flexibilização dos nós é representada esquematicamente por:

Esta flexibilização é tratada tanto na resolução de esforços pelo grelha como pelo pórtico espacial. Na viga contínua simples vinculada aos pilares superiores e inferiores, ela não é tratada automaticamente. A utilização do pórtico é mais interessante para obtenção de esforços pois, tanto para cargas verticais como horizontais, esta flexibilização é considerada. No grelha, apenas as cargas verticais são consideradas. Podemos afirmar que, com toda segurança, não é viável utilizar os esforços de pórtico espacial calculado no regime elástico, sem a flexibilização, para dimensionamento das vigas contínuas.

É importante ressaltar também, que esta flexibilização entre a viga e pilar não é uma redistribuição de momentos fletores, é apenas o cálculo de solicitações de maneira mais realista, correta e conforme a boa técnica de análise.

2.3) Redistribuição de Momentos Negativos

É uma característica largamente utilizada nas estruturas de concreto armado. Segundo inúmeros clientes, esta redistribuição de momentos também deixa a estrutura muito mais econômica e com melhores condições de exeqüibilidade (menos ferros negativos nos apoios deixam a estrutura de execução mais fácil nas ligações com os pilares).

Esta redistribuição, que nada mais é do que a redução dos momentos negativos das vigas junto aos apoios, e a devida compatibilização dos momentos positivos e momentos dos pilares, agora tem um tratamento especial na nova NB1/03:

- Existem limites para esta redistribuição

- A redistribuição nas vigas tem que, obrigatoriamente, se refletir nos pilares.

A nova NB1/03 obriga que sejam verificadas as condições de dutilidade da viga em função do valor da redistribuição de momentos. Este é um dos pontos polêmicos da NB1/03. Inúmeras empresas de projeto, tradicionais, praticam esta redistribuição livremente sem nenhuma conseqüência aparente.

2.4) Momento de Torção

Esta é uma outra grande novidade da NB1/03. Agora a redução da inércia a torção das vigas é limitada a 15% do valor do momento de inércia elástico. Sempre recomendamos desprezar a inércia a torção das vigas onde o momento de torção não fosse fundamental para equilíbrio do elemento. Agora, segundo a NB1/03, qualquer viga de uma grelha vai apresentar momento de torção. Mais à frente, no item dimensionamento, apresentaremos como desprezar momentos de torção muito baixos. Reproduzimos abaixo o texto da NB1/03:

De maneira aproximada, nas grelhas e nos pórticos espaciais, pode-se reduzir a rigidez à torção das vigas por fissuração utilizando-se 15% da rigidez elástica, exceto para os elementos estruturais com protensão limitada ou completa”.

2.5) Análise Plástica

Não está prevista nesta versão a introdução de análise plástica. Chegamos até a estudar o assunto, mas devido à complexidade encontrada, julgamos que teríamos um obstáculo enorme para explicar aos nossos clientes o correto funcionamento desta opção.

3.) Cargas e Solicitações

Resumindo, o TQS-Vigas trata solicitações provenientes de:

• Cargas verticais (permanentes, variáveis etc.)
• Cargas horizontais (vento, empuxo, temperatura etc.)

Para cargas variáveis significativas, lembrar que o TQS-Vigas tem um procedimento para cálculo de solicitações máximas e mínimas em função de alternância de cargas, realizado automaticamente.

As solicitações obtidas são:

• Momentos fletores
• Força cortante
• Momento de torção

Como estamos calculando esforços através de um pórtico espacial ( agora inclusive com temperatura, retração e empuxos) podem surgir forças normais nas vigas. No momento, ainda não estamos dimensionando as vigas a flexão composta, o que será realizado em breve. Quando esta força normal for significativa aviso indicativo é emitido.

Os carregamentos do ELU são empregados para o cálculo das armaduras e verificação do esgotamento da capacidade resistente das seções.

Os carregamentos do ELS são empregados para o cálculo de deformações, flechas e fissuração. Estas grandezas são calculadas através de programa específico de grelha considerando a não linearidade física, programa desenvolvido para atendimento a este item da NB1/02, assunto explicado detalhadamente em capítulo à parte.

É sempre bom lembrar que o TQS-Vigas está preparado para dimensionar e detalhar vigas que resistem a cargas verticais e horizontais do modelo de um pórtico espacial. Nas vigas que, efetivamente resistem a cargas horizontais, aquele diagrama de momentos fletores tradicional, quase que acadêmico, é substituído por diagramas de forma “gravatinha” como abaixo:

Diagrama convencional:

Diagrama real da viga que resiste a cargas horizontais no pórtico:

4.) Vão e Largura da Mesa Colaborante

Destacamos este item à parte, pois julgamos que a mesa colaborante ( seção L, T, etc.) assumiu, nesta nova NB1/03, um aspecto relevante.

O item 14.6.2.2 da NB1/03 diz:

Quando a estrutura for modelada sem a consideração automática da ação conjunta de lajes e vigas, esse efeito pode ser considerado mediante a adoção de uma largura colaborante da laje associada à viga, compondo uma seção transversal T.

A consideração da seção T pode ser feita para estabelecer as distribuições de esforços internos, tensões, deformações e deslocamentos na estrutura, de uma forma mais realista.......

No caso de vigas contínuas, permite-se calculá-las com uma largura colaborante única para todas as seções, inclusive nos apoios sob momentos fletores negativos, desde que essa largura seja calculada a partir do trecho de momentos fletores positivos onde a largura resulte mínima.”

Esta seção T é a seção que será efetivamente utilizada para dimensionamento, armaduras mínimas, cálculo de deslocamentos etc. Dada à importância destas informações, estaremos apresentando, brevemente, estes valores de forma gráfica na própria entrada de dados, através do modelador estrutural.

Também o vão das vigas foi alterado nesta edição da NB1/03. Agora o vão é calculado pelo item 14.6.2.4 e tem a expressão:

5.) Redistribuição de Momentos Fletores (-)

Conforme já comentado, a redistribuição de momentos negativos agora não pode ser feita livremente, conforme a sensibilidade do engenheiro estrutural. Para dar condições a uma certa redistribuição de momentos negativos é preciso assegurar a capacidade de rotação da viga naquela seção onde foi feita a redistribuição (dutilidade). Para isto, são impostas condições de dutilidade à viga cuja conseqüência imediata é a limitação da profundidade da linha neutra (x) na seção de altura (d).

Os limites absolutos para estes valores de x/d são os seguintes:

Se ao momento fletor negativo M é aplicada uma redução para dM , a seguinte relação entre d e x/d é estabelecida:

Além disto, a NB1/03 estabelece valores mínimos para o coeficiente de redistribuição de momentos negativos, d, que são os seguintes:

Caso não se consiga estabelecer uma relação adequada conforme as equações acima, deve-se recorrer a análise plástica.

O TQS-Vigas calcula, em função do fck, para cada seção com redistribuição de momentos, a partir do coeficiente de redistribuição d, o valor do x/d que será o efetivamente utilizado no dimensionamento da seção. Isto provocará, em alguns casos, uma redução da posição da linha neutra na seção e um acréscimo nas armaduras de compressão da viga.

O coeficiente de redistribuição de momentos negativos pode ser definido tanto no modelador estrutural como no grelha e/ou nos critérios de vigas contínuas. Ás vezes o usuário pode se enganar e definir este coeficiente de forma redundante em dois locais, tanto no modelador estrutural como nos critérios do arquivo de projeto de vigas. Se isto ocorrer, o TQS-Vigas detectará o problema e a seguinte mensagem de aviso é emitida:

Um caso comum que deve ocorrer, pois isto é atualmente empregado freqüentemente, é a definição de coeficientes de plastificação maiores que os limites agora estabelecidos. Por exemplo, um d = 0.60. Também neste caso, o programa não será interrompido mas mensagem é emitida conforme o exemplo abaixo.

Agora os limites de x/d para cada seção são informações importantes e de interesse no projeto estrutural conforme a nova NB1/03. O coeficiente de redistribuição afeta o x/d da seção e este valor afeta o dimensionamento das armaduras. Para exemplificar, vamos mostrar a tabela abaixo para se ter uma idéia do comportamento entre esta redistribuição e as armaduras.

Vamos tratar este caso prático para uma seção retangular de 15 / 60 cm. - Concreto de 20 MPa.

Utilizaremos as seguintes redistribuições de momentos:

Notem que há uma incoerência nos valores de x/d quando a redistribuição atinge valores elevados. No caso 4, o x/d torna-se negativo o que é irreal. Para sanar este problema, temos um critério no arquivo de critérios de projeto que estabelece um valor mínimo para x/d independente do valor calculado. Evidentemente que diversas mensagens de aviso são emitidas avisando o usuário para o problema.

Para o exemplo acima, vamos calcular armaduras para diversos valores de momentos fletores comparando o dimensionamento que era realizado sem a limitação dos valores de x/d e com a limitação de x/d. Temos a seguinte tabela:

Estes limites de x/d máximos são agora calculados e impressos no memorial de cálculo do TQS-Vigas conforme o exemplo abaixo.

Para acionar esta redistribuição de momentos, a opção abaixo deve ser a escolhida:

Continua...

Nelson Covas - TQS