4 DETERMINAÇÃO DOS MOMENTOS HIPERESTÁTICOS NA LAJE
4.3 PRÉ-DIMENSIONAMENTO DA LAJE (PROCESSO APROXIMADO)
Antes do estudo e da aplicação dos três métodos explicitados neste trabalho para
a obtenção do valor mais acurado do esforço hiperestático de protensão nas diversas
seções de dimensionamento, a laje protendida precisou ser projetada para a definição de
sua geometria e das armaduras ativas. Desse modo, utilizou-se um processo aproximado
para calcular os esforços hiperestáticos que se baseou no item 4.3.2 do trabalho de
NOBRE (2017).
A aproximação foi feita com o uso da ferramenta Section Cut no modelo da laje
hiperestática com cabos. Essa ferramenta realiza a integração dos esforços presentes em
uma seção definida da estrutura e fornece a resultante em relação a um ponto estabelecido.
O section cut, teoricamente, permite que as solicitações hiperestáticas sejam calculadas
quando a seção de análise (seção cortada) intercepta os cabos e o concreto. Nesse caso,
os esforços dos cabos anulariam a parcela isostática no concreto, o que faria com que os
esforços isostáticos não fossem contabilizados na integração, restando apenas os esforços
hiperestáticos. Esse procedimento é exato para o caso de vigas, uma vez que toda a seção
transversal da estrutura é cortada no dimensionamento. No entanto, o método não é exato
para as lajes cortadas parcialmente, já que as forças de protensão se distribuem e nem
todas as seções interceptam os cabos de protensão.
O pré-dimensionamento foi feito a partir das solicitações obtidas em duas seções
de análise em cada direção, sendo a primeira localizada no capitel central e a segunda no
maior vão da laje (ver Figura 4.8). Não foram consideradas seções de dimensionamento
nas faixas de contribuição usuais de lajes, que são aquelas definidas à meia distância entre
linhas de pilares adjacentes. Isso porque a laje tem 20 cm e o capitel tem 40 cm, o que faz
com que os centroides desses elementos estejam em níveis distintos.
Portanto, o dimensionamento foi feito à flexão composta considerando as
solicitações obtidas com o Section Cut no centroide de cada elemento (laje e capitel) e a
seção resistente com espessura constante em cada seção de análise.
Os resultados obtidos nas seções S1x e S2x devem fornecer uma boa aproximação
para os valores reais dos esforços hiperestáticos, uma vez que os cabos na direção Y são
distribuídos. No entanto, os cortes S1y e S2y, que interceptam a laje na direção Y,
consistem em um processo muito simplificado para determinação dos esforços, já que a
seção S2y corta apenas a laje de concreto.
Sendo assim, quando não ocorre a concentração dos cabos transversalmente, a
diferença não deve ser elevada, o que acontece na direção Y do modelo (seções Sx).
Entretanto, na direção X, há concentração de cabos na região do capitel, o que induz a
valores pouco acurados dos esforços hiperestáticos obtidos com o section cut (seções Sy).
Figura 4.8 – Seções de dimensionamento em que foi utilizado o Section Cut.
Dessa forma, com os valores aproximados das solicitações normais e dos
momentos fletores oriundos da protensão em cada seção de análise, foi feito o
dimensionamento da laje à flexão composta para pré-determinar as armaduras ativas.
4.4 APLICAÇÃO DO MÉTODO 1
Com a estrutura já definida, pode-se aplicar a metodologia 1. Neste caso, os cabos
protendidos foram inseridos no pavimento de análise por meio de tendons modelados
como elementos. A força de protensão foi aplicada por meio de deformações equivalentes
à tensão imposta, calculadas conforme a Equação (2.5):
𝜀 = − 180,0
200.000.000 × 0,0001400 = −0,00643 𝑚/𝑚
Os cabos da laje, assim como os da viga, também sofrem perda de tensão com o
efeito de encurtamento elástico do concreto. Como o método das cargas equivalentes e o
método das deformações e curvaturas não consideram esse efeito, de modo a realizar a
comparação, a deformação aplicada foi elevada para -0,00660 m/m de modo que cada
cordoalha tenha a força de 180 kN.
A configuração original da laje hiperestática foi chamada de MOD
INICIAL. A esse
modelo foram inseridos os cabos de protensão (ver Figura 4.9 e Figura 4.10). A definição
dos cabos no programa de análise, na direção X, é apresentada na Figura 4.11, a título de
exemplo.
Da mesma forma que ocorre com a viga, a inserção das cordoalhas carregadas na
laje estaticamente indeterminada fornece os momentos totais de protensão no concreto,
nas direções 1 e 2. Estes podem ser visualizados nos diagramas das Figuras 4.12 e 4.13.
Figura 4.9 - Modelo inicial da laje hiperestática - MOD
INICIAL- Método 1 – Cabos modelados
Figura 4.10 – Modelo inicial da laje hiperestática - MOD
INICIAL- Método 1 – Cabos modelados
como tendons - Plano XY.
Figura 4.12 – Diagrama de momentos fletores totais de protensão (em kN.m/m) na laje na
direção 1 (M11) - MOD
INICIAL- Método 1.
Figura 4.13 – Diagrama de momentos fletores totais de protensão em (em kN.m/m) na laje na
De modo a determinar os momentos hiperestáticos, foram empregados
procedimentos análogos ao da viga. Primeiramente, foi adotado o Procedimento A, em
que as reações de apoio obtidas no MOD
INICIAL(Figura 4.14) são aplicadas em uma
estrutura isostática externamente com engastamento central em seu ponto de dupla
simetria geométrica. Para tal fim, foi criado um modelo cujos deslocamentos e rotações
dos apoios dos pilares foram liberados e o engastamento da laje foi feito no capitel central
(ver Figura 4.15). Este modelo isostático externamente, que foi carregado com as reações
de apoio dos pilares, conforme apresentado na Figura 4.16, foi denominado de MOD
ISO REAÇÕES.
Os momentos fletores nas direções 1 e 2, calculados no MOD
ISO REAÇÕES, devidos
às reações de apoio de protensão, podem ser verificados na Figura 4.17 e na Figura 4.18.
Esses momentos já são os esforços hiperestáticos no concreto, entretanto, é necessário
evidenciar este fato numericamente. À vista disso, os resultados dos esforços obtidos no
MOD
ISO REAÇÕES(Figura 4.17 e Figura 4.18), que fornecem o momento hiperestático,
foram somados com aqueles encontrados no MOD
ISO CABOS(Figura 4.19e Figura 4.20),
sendo este último o modelo isostático externamente que foi carregado pelos cabos de
protensão. Portanto, o MOD
ISO CABOSfornece os “esforços isostáticos” na laje, levando
em conta a hiperestaticidade interna da estrutura. É importante esclarecer que o MOD
ISO REAÇÕESe o MOD
ISO CABOSsão o mesmo modelo com casos de carga distintos.
Figura 4.14 – Reações de apoio nos pilares da laje (em kN) devidas ao carregamento de
Figura 4.15 – Modelo da laje isostática externamente com engastamento central - MOD
ISO–
Método 1 – Vista 3D.
Figura 4.16 – Modelo da laje isostática externamente com carregamento das reações de apoio
Figura 4.17 – Diagrama de momentos fletores hiperestáticos em (em kN.m/m) devido às reações
de apoio dos pilares na direção 1 (M11) - MOD
ISO REAÇÕES- Método 1 – Procedimento A.
Figura 4.18 – Diagrama de momentos fletores hiperestáticos em (em kN.m/m) devidos às
Figura 4.19 – Diagrama de momentos fletores isostáticos de protensão (em kN.m/m) na laje na
direção 1 (M11)- MOD
ISO CABOS- Método 1.
Figura 4.20 - Diagrama de momentos fletores isostáticos de protensão (em kN.m/m) na laje na
A soma entre os diagramas de esforços dos modelos MOD
ISO CABOSe MOD
ISO REAÇÕESforneceu o momento total de protensão, conforme pode ser verificado pela
comparação entre as Figuras 4.12 e 4.13 e as Figuras 4.21 e 4.22. As variações entre os
valores apresentados não foram significativas.
Dessa forma, evidencia-se que o esforço determinado no MOD
ISO REAÇÕESé o
momento fletor hiperestático de protensão, utilizando o Procedimento A.
Realizando-se a subtração entre o momento encontrado no MOD
INICIALe aquele
obtido no MOD
ISO CABOSpor meio do Procedimento B, em que se utiliza a ferramenta
Staged Construction, também é possível determinar o momento fletor hiperestático,
conforme apresentado na Figura 4.23 e na Figura 4.24.
Assim, tanto o Procedimento A quanto o Procedimento B podem ser aplicados ao
caso de uma laje protendida com protensão aderente utilizando o Método 1.
Figura 4.21 – Diagrama de momentos fletores totais de protensão (em kN.m/m) na laje na
Figura 4.22 - Diagrama de momentos fletores totais de protensão (em kN.m/m) na laje na
direção 2 (M22) – (MOD
ISO CABOS+ MOD
ISO REAÇÕES) - Método 1.
Figura 4.23 - Momentos hiperestáticos de protensão (em kN.m/m) na laje na direção 1 (M11) –
(MOD
INICIAL-MOD
ISO CABOS)- Método 1 – Procedimento B.
Figura 4.24 – Diagrama de momentos hiperestáticos de protensão (em kN.m/m) na laje na
direção 2 (M22) – (MOD
INICIAL-MOD
ISO CABOS) - Método 1 – Procedimento B.
4.5 APLICAÇÃO DO MÉTODO 2
No Método 2, a protensão foi aplicada por meio de cargas equivalentes, de acordo
com o que foi apresentado no item 2.3.2, válido para cabos com traçado parabólico em
elevação. As fórmulas que constam no trabalho de NAAMAN (1982) foram deduzidas
para elementos lineares, como as vigas. Desse modo, foi necessário transformar a carga
distribuída linear em uma carga por área, a fim de aplicar o carregamento nos elementos
finitos da laje. Além das forças distribuídas por m² que atuam perpendicularmente ao
plano do pavimento, também é necessário calcular o carregamento nos bordos da laje
provocado pelas forças aplicadas pelas ancoragens dos cabos.
Para ilustrar como as cargas verticais equivalentes foram determinadas, é
apresentado adiante um exemplo de cálculo do carregamento a ser empregado no trecho
central da laje devido a um cabo na direção X com quatro cordoalhas, sendo cada uma
destas carregada com uma força de 180 kN, o que gera uma força total de 720 kN.
𝑞
𝐵1=−4𝑃 ∙ (1 + 𝛽
2) ∙ 𝑒
𝛼
2𝐿
2=−4 × 4 × 180 ∙ (1 + 1,571) ∙ 0,0350
0,1000 ∙ 8,00
2𝑞
𝐵1= −40,5 𝑘𝑁/𝑚
𝑞
𝐵2= 4𝑃 ∙ (1 + 𝛽
2) ∙ 𝑒
= (12 − 𝛼
2) 𝐿
2=4 × 4 × 180 ∙ (1 + 1,571) ∙ 0,0350
(12 − 0,1000) ∙ 8,00
2𝑞
𝐵2= 10,13𝑘𝑁
𝑚
sendo:
𝑃 − força total no cabo de protensão;
𝛽
2− razão entre as excentricidades do cabo no meio e na extremidade do vão, dada por:
𝛽
2= 0,055
0,035= 1,571
𝑒 − excentricidade dos apoios do vão central (0,0350m);
𝐿 − comprimento do vão central (8,00m).
Deve-se aplicar esse carregamento em um elemento de área com 0,50 m × 0,50 m de
dimensões. Sendo assim, tem-se que:
𝑞
𝐵1𝑙 = −
40,5
0,5 = −81,0 𝑘𝑁/𝑚²
𝑞
𝐵2𝑙 =
10,13
0,5 = 20,3 𝑘𝑁/𝑚²
onde l é a dimensão do elemento de área perpendicular ao cabo.
A carga
𝑞𝐵1𝑙
deve ser aplicada no trecho de 𝛼
2𝐿 = 0,8𝑚. Já a carga
𝑞𝐵2𝑙
precisa ser
introduzida no trecho central do vão interno cujo comprimento é de 2 ∙ (1/2 − 𝛼
2)𝐿 = 6,4 𝑚
(Ver Figura 2.6). No entanto, como a laje foi modelada com elementos de área de 0,50 m × 0,5
m de comprimento (valor que não é múltiplo de 0,8 m e 6,4 m), foi necessário ajustar as cargas
para que pudessem ser aplicadas no modelo. Dessa maneira, a carga que deveria ser empregada
em um trecho de 0,8 m foi introduzida em um comprimento de 1,0 m e a carga no trecho de
6,4 m foi aplicada ao longo de um comprimento de 6,0 m. Sendo assim, o carregamento
corrigido para os novos comprimentos é apresentado a seguir:
𝑞
𝐵1′
𝑙 = −81,0 ×
0,8
1,0 = −64,8𝑘𝑁/𝑚²
𝑞
𝐵2′
𝑙 = 20,3 ×
6,4
6,0 = 21,6 𝑘𝑁/𝑚²
sendo:
𝑞𝐵1′ 𝑙𝑒
𝑞𝐵2′𝑙