Gabriela Dalfollo Brackmann

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ESTRUTURAS E CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO DE ENGENHARIA CIVIL. Gabriela Dalfollo Brackmann. DIMENSIONAMENTO DE VIGAS MISTAS AÇO-CONCRETO EM TEMPERATURA AMBIENTE E EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO. Santa Maria, RS 2018.

(2) Gabriela Dalfollo Brackmann. DIMENSIONAMENTO DE VIGAS MISTAS AÇO-CONCRETO EM TEMPERATURA AMBIENTE E EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.. Orientadora: Profª Drª. Larissa Degliuomini Kirchhof. Santa Maria, RS 2018.

(3) Gabriela Dalfollo Brackmann. DIMENSIONAMENTO DE VIGAS MISTAS AÇO-CONCRETO EM TEMPERATURA AMBIENTE E EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.. Aprovado em 18 de julho de 2018:. ____________________________________ Larissa Degliuomini Kirchhof, Dra. (UFSM) (Presidente/Orientadora) ____________________________________ Almir Barros da Silva Santos Neto, Dr. (UFSM) ____________________________________ Alessandro Onofre Rigão, Me. (UFSM). Santa Maria, RS 2018.

(4) À minha mãe..

(5) AGRADECIMENTOS À minha mãe, por todo incentivo, suporte e exemplo. À minha orientadora, Larissa Kirchhof, por toda amizade, apoio e orientação, ao longo do período da graduação. À todos que foram meus professores e contribuíram com essa conquista. Ao meu parceiro de estudos nos últimos 16 anos, Miau. Aos amigos que me acompanharam. À CAPES e CNPq, pelas bolsas de estudos concedidas..

(6) Tudo parece impossível até que seja feito. Nelson Mandela.

(7) RESUMO DIMENSIONAMENTO DE VIGAS MISTAS AÇO-CONCRETO EM TEMPERATURA AMBIENTE E EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO AUTORA: Gabriela Dalfollo Brackmann ORIENTADORA: Larissa Degliuomini Kirchhof. Vigas mistas aço-concreto consistem na associação de uma viga metálica com uma laje de concreto, sendo que a ligação na interface é feita com o uso de conectores de cisalhamento, de forma a garantir o trabalho conjunto dos materiais na resistência à flexão. A utilização de vigas mistas, quando comparadas às estruturas em aço e em concreto armado, possui uma série de vantagens. Entretanto, para estruturas que possuem o aço como elemento estrutural, é necessário garantir que, no caso de ocorrência de um incêndio, a estrutura esteja dimensionada de forma a evitar o colapso prematuro, garantindo que os ocupantes da edificação possam evacuá-la de forma segura. Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo principal dimensionar as vigas mistas de um pavimento-tipo do edifício exemplo proposto em temperatura ambiente, de acordo com a NBR 8800:2008, e em situação de incêndio, de acordo com a NBR 14323:2013, comparando-se os esforços solicitantes com os esforços resistentes. Em caso de não atendimento, a seção transversal dos elementos analisados será redimensionada em temperatura ambiente e propostas soluções em situação de incêndio para o seu atendimento. Foram descritos os processos de dimensionamento em temperatura ambiente e em situação de incêndio e os conceitos básicos relacionados às ações e à segurança. No dimensionamento em temperatura ambiente, foi feita a verificação da viga mista para os estados limites últimos e para os estados limites de serviço, sendo todos os requisitos da NBR 8800:2008 atendidos. Entretanto, na verificação em situação de incêndio o mesmo não ocorreu. Houve redução da capacidade resistente da viga mista para 5%, em relação à viga em temperatura ambiente, verificando-se a necessidade de se prever proteções térmicas para a viga para o atendimento dos critérios estabelecidos na NBR 14323:2013. Palavras-chave: Vigas mistas. Dimensionamento. Temperatura ambiente. Incêndio..

(8) ABSTRACT DESIGN OF STEEL-CONCRETE COMPOSITE BEAMS AT ROOM TEMPERATURE AND FIRE AUTHOR: Gabriela Dalfollo Brackmann ADVISOR: Larissa Degliuomini Kirchhof Steel-concrete composite beams consist of the association of a steel beam with a concrete slab, and the connection between them is done with shear connectors, in order to ensure the joint work of the materials in the flexural strength. The use of composite beams, when compared to steel and reinforced concrete structures, has multiple advantages. However, for structures that have steel as a structural element, it is necessary to ensure that in fire, the structure is designed to avoid premature collapse, ensuring that the occupants of the building can evacuate it safely. In this sense, the main objective of the present work is to design the composite beams of an example-type floor, at room temperature and in fire, by comparison of the design values of the corresponding force or moment with the design resistance values. In case of non-attendance, the cross-section of the elements will be designed again at room temperature. In fire, solutions will be proposed for their attendance. In room temperature, the composite beam was verified for the ultimate limit states and for the serviceability limit states, in accordance with NBR 8800:2008. All the requirements were satisfied. However, the verification of structural fire design was not satisfied, according with NBR 14323:2013. There was a reduction of the resistant beam capacity to 5%, in relation to design at room temperature, and it was verified that the thermal protection is necessary for the beam to satisfy the criteria established by NBR 14323:2013. Keywords: Composite beams. Design. Room temperature. Fire..

(9) LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 – Edifício do Serviço de Biblioteca da EESC – USP......................................18 Figura 2 – Concordia Corporate Tower.......................................................................19 Figura 3 – Tipos mais usuais de seções mistas...........................................................23 Figura 4 – Pavimento misto formado por laje de vigotas pré-fabricadas......................24 Figura 5 – Tipos usuais de conectores........................................................................26 Figura 6 – Curva força x escorregamento para conectores de cisalhamento..............27 Figura 7 – Comportamento dos conectores ao longo da viga mista.............................27 Figura 8 – Ensaio “push-out” com conectores tipo pino com cabeça...........................28 Figura 9 – Interação aço-concreto no comportamento de vigas mistas.......................29 Figura 10 - Vigas mistas escoradas............................................................................33 Figura 11 - Vigas mistas não escoradas......................................................................34 Figura 12 – Comportamento de vigas construídas com e sem escoramento...............34 Figura 13 – Largura efetiva “b” da laje de concreto......................................................39 Figura 14 – Determinação da largura efetiva...............................................................40 Figura 15 – Seção homogeneizada para cálculos em regime elástico........................41 Figura 16 – Distribuição das tensões na viga mista com LNP na laje de concreto.......45 Figura 17 – Distribuição das tensões na viga mista com LNP na viga de aço..............46 Figura 18 – Superfícies típicas de cisalhamento longitudinal – lajes maciças.............49 Figura 19 – Superfícies típicas de cisalhamento longitudinal – lajes mistas................49 Figura 20 – Fissuras em lajes em decorrência da tendência de continuidade.............58 Figura 21 – Posição da armadura de continuidade sobre as vigas.............................58 Figura 22 – Pilar e vigas deformadas após o incidente em Broadgate.........................62 Figura 23 – Laboratório em Cardington.......................................................................63 Figura 24 – Estrutura mista de 8 pavimentos construída em escala real.....................64 Figura 25 – Vista geral de um dos pavimentos após o incêndio...................................64 Figura 26 – Configuração deformada dos elementos estruturais após o incêndio.......65 Figura 27 – Incêndio nos edifícios: (a) Andraus e (b) Joelma......................................66 Figura 28 – Curva temperatura x tempo de um incêndio real.......................................68 Figura 29 – Curva temperatura x tempo de um incêndio natural..................................69 Figura 30 – Influência do grau de ventilação na temperatura do aço...........................70 Figura 31 – Influência do fator de massividade na temperatura do aço.......................70 Figura 32 – Influência da carga de incêndio na temperatura do aço............................71 Figura 33 – Curva temperatura x tempo de um incêndio padrão.................................71 Figura 34 – Curvas de redução da resistência em função da temperatura..................74 Figura 35 – Curvas de redução do módulo de elasticidade em função da temperatura...........................................................................................75 Figura 36 – Temperaturas atingidas para estruturas com e sem proteção térmica...................................................................................................77 Figura 37 – Proteções térmicas com: (a) alvenaria e (b) concreto...............................77 Figura 38 – Revestimentos tipo contorno e tipo caixa..................................................78 Figura 39 – Aplicação de argamassa projetada cimentícia.........................................79.

(10) Figura 40 – Viga metálica revestida com placas de gesso acartonado........................79 Figura 41 – Manta de fibra cerâmica...........................................................................80 Figura 42 – Efeito da tinta intumescente mediante exposição ao fogo........................80 Figura 43 – Divisão dos componentes do perfil para distribuição de temperatura.......87 Figura 44 – (a) Perfil com alto fator de massividade e (b) perfil com baixo fator de massividade......................................................................................89 Figura 45 – Gráfico das curvas de massividade para as diversas temperaturas em função do tempo..............................................................................90 Figura 46 – Planta de fôrmas do edifício exemplo.......................................................92 Figura 47 – Seção transversal da viga mista...............................................................93 Figura 48 – Elevações do edifício exemplo.................................................................94 Figura 49 – Áreas de influência...................................................................................96 Figura 50 – Esquema estático da viga V2 do edifício exemplo....................................97 Figura 51 – Seção transversal da viga mista...............................................................99 Figura 52 – Equilíbrio das forças resistentes com a LNP na mesa de concreto.........100 Figura 53 – Disposição longitudinal dos conectores de cisalhamento na viga mista............................................................................................102 Figura 54 – Seção transversal da viga mista do edifício exemplo..............................108 Figura 55 – Vista longitudinal da viga mista do edifício exemplo...............................108.

(11) LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Propriedades geométricas da seção homogeneizada...............................41 Tabela 2 – Verificação à força cortante.......................................................................52 Tabela 3 – Abertura máxima de fissuras em função das classes de agressividade ambiental.........................................................................................................59 Tabela 4 – Grupos de acordo com a ocupação/uso do edifício....................................73 Tabela 5 – Coeficiente γg para ações permanentes diretas consideradas separadamente................................................................................................82 Tabela 6 – Coeficiente γg para ações permanentes diretas agrupadas......................82 Tabela 7 – Fatores de redução do aço........................................................................84 Tabela 8 – Fator de redução do concreto em temperatura elevada.............................85 Tabela 9 – Fator de redução para a resistência ao escoamento de seções sujeitas à flambagem local............................................................................................86 Tabela 10 – Temperatura do elemento estrutural de aço, sem proteção térmica, em função do fator de massividade e do tempo, conforme modelo do incêndio-padrão...............................................................................................90 Tabela 11 – Variação de temperatura na altura da laje................................................91 Tabela 12 – Ações permanentes atuantes no edifício exemplo...................................95 Tabela 13 – Características dos materiais que compõem os elementos do edifício exemplo...........................................................................................................95.

(12) LISTA DE SÍMBOLOS . .

(13)

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(15) .

(16) ,

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(20) , ℎ ℎ ⁄ ! " ". # $ . distância entre as linhas de centro de dois enrijecedores transversais adjacentes largura transformada da laje de concreto largura de trabalho da laje largura efetiva da laje de concreto calor específico do aço altura total do perfil de aço distância do centro geométrico do perfil de aço até sua face superior espessura da fatia resistência característica do concreto à compressão resistência ao escoamento do aço resistência à ruptura do aço do conector resistência característica inferior do concreto à tração resistência ao escoamento do aço da armadura resistência de cálculo do concreto à compressão resistência de cálculo ao escoamento do aço resistência média efetiva à tração do concreto no instante em que se formam as primeiras fissuras (ELS-Fissuração) altura da alma espessura efetiva da laje de concreto fator de correção para o efeito de sombreamento número de conectores tempo espessura da laje de concreto espessura da alma espessura da mesa superior do perfil de aço perímetro exposto ao incêndio do elemento estrutural fator de massividade abertura máxima característica das fissuras distância do centro geométrico da parte comprimida do perfil de aço até sua face superior distância do centro geométrico da parte tracionada do perfil de aço até sua face inferior área da seção transversal do perfil de aço área da seção transversal do conector área da mesa superior do perfil de aço área efetiva de cisalhamento área da seção cisalhada por unidade de comprimento da viga área da seção transversal da região comprimida da laje de concreto entre o plano de cisalhamento considerado e a linha de centro da viga.

(21) %& . ' ' (), (*, (*,+ ( , , -. /0 1 12 1, 1, 34 30 5,. 5, 67 6 82, 82,%. 8#, 8#,% 8 82,#. 8#,#. 9 :& : : : , ;. área da armadura longitudinal tracionada entre o plano de cisalhamento considerado e a linha de centro da viga área da armadura transversal disponível na seção da laje considerada por unidade de comprimento da viga área bruta da seção transversal do elemento estrutural módulo de elasticidade do aço módulo de elasticidade secante do concreto valor característico das ações permanentes valor característico das ações variáveis valor característico das ações térmicas decorrentes do incêndio força de cisalhamento de cálculo momento de inércia da seção do perfil de aço isolado momento de inércia da seção mista homogeneizada distância entre as seções de momento máximo e momento nulo resistência individual do conector coeficiente para consideração do efeito de atuação de grupos de conectores coeficiente para consideração da posição do conector esforço resistente característico em situação de incêndio esforço resistente de cálculo em situação de incêndio força cortante solicitante de cálculo força cortante resistente de cálculo módulo resistente elástico em relação à face inferior da seção mista homogeneizada módulo resistente elástico em relação à face superior da seção mista homogeneizada razão modular coeficiente de transferência de calor por convecção flecha da seção mista causada pelas ações permanentes, sem efeitos de longa duração flecha da seção mista causada pelas ações permanentes, com efeitos de longa duração flecha causada pelas ações variáveis de curta duração flecha causada pelas ações variáveis de longa duração contraflecha da viga flecha da seção mista causada pelas ações permanentes características flecha da seção mista causada pelas ações variáveis características que atuam durante o período de vida útil da edificação emissividade resultante temperatura do ambiente antes do início do aquecimento temperatura dos gases temperatura na superfície do aço temperatura da fatia diâmetro das barras da armadura.

(22) < < < < = > ? @ @ @. A /0. coeficiente de ponderação da resistência do concreto coeficiente de ponderação da resistência do aço coeficiente de ponderação da resistência do conector coeficiente de ponderação para as ações permanentes diretas fator de redução massa específica do aço tensão de tração permitida na armadura imediatamente após a ocorrência da fissuração fluxo de calor componente do fluxo de calor devido à convecção componente do fluxo de calor devido à radiação soma das resistências de cálculo dos conectores entre a seção de momento máximo e a seção de momento nulo.

(23) SUMÁRIO 1 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.4. INTRODUÇÃO CONSIDERAÇÕES INICIAIS...........................................................................17 OBJETIVOS.....................................................................................................20 Objetivo geral.................................................................................................20 Objetivos específicos....................................................................................20 JUSTIFICATIVA...............................................................................................20 ESTRUTURA DO TRABALHO.........................................................................21. 2. DIMENSIONAMENTO DE VIGAS MISTAS AÇO-CONCRETO EM TEMPERATURA AMBIENTE 2.1 INTRODUÇÃO.................................................................................................23 2.2 CONECTORES DE CISALHAMENTO.............................................................25 2.3 GRAU DE INTERAÇÃO ENTRE AÇO E CONCRETO.....................................28 2.4 CONSTRUÇOES ESCORADAS E NÃO ESCORADAS...................................32 2.5 VIGAS MISTAS CONTÍNUAS E SIMPLESMENTE APOIADAS.......................34 2.6 COMBINAÇÕES DE AÇÕES...........................................................................35 2.7 CRITÉRIOS DE CÁLCULO PARA O DIMENSIONAMENTO...........................36 2.7.1 Resistência à flexão.......................................................................................36 2.7.2 Resistência ao cisalhamento........................................................................37 2.8 RESISTÊNCIA À FLEXÃO DE VIGAS MISTAS...............................................38 2.8.1 Classificação das seções quanto à flambagem local..................................38 2.8.2 Largura efetiva da laje....................................................................................39 2.8.3 Seção homogeneizada..................................................................................40 2.8.4 Efeitos de longa duração do concreto..........................................................43 2.8.5 Construção escorada....................................................................................43 2.8.6 Momento resistente para seções compactas..............................................44 2.8.6.1 Linha neutra plástica na laje............................................................................45 2.8.6.2 Linha neutra plástica no perfil de aço..............................................................46 2.8.7 Momento resistente para seções semicompactas......................................48 2.8.8 Verificação da laje ao cisalhamento.............................................................49 2.9 RESISTÊNCIA À FORÇA CORTANTE EM VIGAS MISTAS............................51 2.10 DIMENSIONAMENTO DOS CONECTORES..................................................53 2.10.1 Resistência dos conectores tipo pino com cabeça.....................................53 2.10.2 Número e espaçamento de conectores........................................................54 2.11 ESTADOS LIMITES DE SERVIÇO..................................................................55 2.11.1 Flecha admissível..........................................................................................55 2.11.2 Vibração excessiva........................................................................................57 2.11.3 Fissuração......................................................................................................57 3 3.1 3.2 3.3 3.4. DIMENSIONAMENTO DE VIGAS MISTAS AÇO-CONCRETO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO BREVE HISTÓRICO NO CONTEXTO MUNDIAL............................................61 BREVE HISTÓRICO NO BRASIL....................................................................65 MODELOS DE INCÊNDIO...............................................................................67 TEMPO REQUERIDO DE RESISTÊNCIA AO FOGO (TRRF).........................72.

(24) 3.5 3.6 3.7 3.8 3.8.1 3.8.2 3.8.3 3.8.4 3.8.5 3.8.6 3.8.7 4 4.1 4.2 4.3. PROPRIEDADES MECÂNICAS DO AÇO E DO CONCRETO SOB TEMPERATURAS ELEVADAS........................................................................74 MATERIAIS DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO.........................................76 COMBINAÇÕES DE AÇÕES...........................................................................81 MÉTODO SIMPLIFICADO DE DIMENSIONAMENTO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO.......................................................................................................83 Esforços solicitantes de cálculo...................................................................83 Esforços resistentes de cálculo....................................................................83 Momento fletor resistente de cálculo nas regiões de momentos positivos.........................................................................................................83 Força cortante resistente de cálculo............................................................85 Elevação da temperatura dos gases.............................................................86 Elevação da temperatura do aço...................................................................86 Elevação da temperatura da laje de concreto..............................................91 APLICAÇÃO DA NBR 8800:2008 E NBR 14323:2013 AO EDIFÍCIO EXEMPLO CARACTERÍSTICAS DO EDIFÍCIO EXEMPLO..............................................92 ÁREAS DE INFLUÊNCIA.................................................................................96 DETERMINAÇÃO DAS AÇÕES NOMINAIS....................................................97. 5 ESTUDO DE CASO: ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS 5.1 DIMENSIONAMENTO EM TEMPERATURA AMBIENTE................................98 5.1.1 Esforços solicitantes de cálculo...................................................................98 5.1.2 Verificação da viga mista à flexão.................................................................98 5.1.3 Dimensionamento dos conectores de cisalhamento................................101 5.1.4 Verificação da viga mista à força cortante.................................................102 5.1.5 Verificação da laje ao cisalhamento...........................................................103 5.1.6 Verificação dos estados limites de serviço................................................104 5.1.6.1 Flecha admissível.........................................................................................105 5.1.6.2 Vibração........................................................................................................105 5.1.6.3 Fissuração....................................................................................................107 5.1.7 Detalhamento da viga mista........................................................................108 5.2 DIMENSIONAMENTO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO..................................109 5.2.1 Esforços solicitantes de cálculo.................................................................109 5.2.2 Determinação da temperatura nos elementos estruturais........................109 5.2.3 Verificação da viga mista à flexão...............................................................110 5.2.4 Verificação dos conectores de cisalhamento............................................111 5.2.5 Verificação da viga mista à força cortante.................................................113 5.2.6 Verificação da laje ao cisalhamento...........................................................114 6 6.1 6.2. CONSIDERAÇÕES FINAIS CONCLUSÕES..............................................................................................116 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.............................................118. REFERÊNCIAS........................................................................................................119 ANEXO A – TEMPOS REQUERIDOS DE RESISTÊNCIA AO FOGO (TRRF).......123.

(25) 17. 1. INTRODUÇÃO. 1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS Os materiais mais utilizados, atualmente, para compor a estrutura das edificações são o aço e o concreto, que podem estar presentes nas estruturas de forma isolada ou trabalhando em conjunto. O início da utilização de sistemas mistos remete ao final do século XIX, onde, nas edificações mais altas, eram empregadas estruturas metálicas que, apesar de propiciarem uma estrutura mais leve e esbelta, apresentavam baixa proteção contra o fogo. Assim, segundo Alva (2000), deu-se início a utilização do concreto como material de revestimento dos elementos em aço, visando protegê-los do fogo e da corrosão, porém sem considerar sua contribuição na resistência da estrutura. Na metade do século XX, as estruturas mistas passaram a ser mais utilizadas, em especial as vigas mistas. Porém, como a aderência natural entre os materiais era pequena, as vigas metálicas eram empregadas com lajes de concreto, desprezando a participação da laje na resistência à flexão da viga. Com o advento dos conectores de cisalhamento, finalmente foi possível garantir a aderência na interface aço-concreto por longos períodos de tempo, o que permitiu o surgimento de vigas, lajes e pilares mistos (DIVERSAKORE LLC, 2009). De acordo com Carini (2014, p. 19), (...) a principal vantagem do uso do sistema misto está na alta resistência à tração do aço e na alta resistência à compressão do concreto, gerando um melhor aproveitamento dos materiais e redução de custos. Além disso, esse tipo de estrutura proporciona rapidez construtiva, dispensa parcialmente ou integralmente a utilização de fôrmas e escoramentos, demanda menor quantidade de mão de obra, reduz o peso total da edificação e permite a racionalização e industrialização da etapa construtiva.. Queiroz et al. (2012a) lista uma série de vantagens na utilização de estruturas mistas quando comparadas às estruturas metálicas ou em concreto armado. Com relação às contrapartidas em aço, há uma redução considerável do consumo de aço estrutural, aumento da rigidez da estrutura e redução das proteções contra incêndio e corrosão. Com relação às contrapartidas em concreto armado, há a possibilidade de dispensa de fôrmas e escoramentos, a redução do prazo de execução da obra, o aumento da precisão dimensional da construção e a redução do peso próprio e do volume da estrutura, com consequente redução dos custos de fundação. Além disso,.

(26) 18. quando comparadas com o concreto armado, as construções em sistema misto são competitivas para estruturas de vãos médios a grandes. Em 1986, o sistema misto começou a ser previsto em Normas Brasileiras na primeira edição da NBR 8800:1986 “Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios”, atualizada em 2008. Além disso, em 1999 foi publicada a norma que trata a respeito das estruturas mistas em situação de incêndio, a NBR 14323:1999 “Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios em situação de incêndio”, atualizada em 2013. As estruturas mistas, bem como as metálicas, ainda são pouco aplicadas na construção civil nacional quando comparada ao uso em países desenvolvidos. Porém, a utilização dessas estruturas tem aumentado nos últimos anos devido à praticidade e rapidez na execução das obras, visto que os prazos de execução são um dos maiores problemas no âmbito dos serviços de engenharia e construção. Conforme mencionado em Malite (1990), as primeiras construções utilizando o sistema misto no Brasil ocorreram entre os anos de 1950 e 1960, se limitando a algumas edificações e pequenas pontes. Segundo Queiroz et al. (2012a), as estruturas mistas vêm ganhando espaço no mercado da construção civil no país devido ao fato de que, mesmo em edifícios com estrutura primordialmente em aço, a maioria das vigas são projetadas e executadas como vigas mistas. A Figura 1 mostra, ainda em fase de construção, o edifício do Serviço de Biblioteca da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), da Universidade de São Paulo (USP). O edifício foi concebido com a estrutura principal em aço e conta com vigas mistas. Figura 1 – Edifício do Serviço de Biblioteca da EESC – USP.. Fonte: ALVA (2000)..

(27) 19. Mais recentemente, na cidade de Nova Lima, em Minas Gerais (MG), foi inaugurada a maior torre metálica do Brasil, com estrutura mista. O edifício, batizado de Concordia Corporate Tower (Figura 2), tem 172 metros de altura, 30 pavimentostipo em lajes steel deck, vigas mistas, pilares mistos periféricos com seção tubular e um núcleo central rígido de concreto. Figura 2 – Concordia Corporate Tower.. Fonte: http://techne.pini.com.br/2018/03/com-estrutura-mista-maior-torre-metalica-do-brasil-einaugurada-em-minas-gerais/. Acesso em: 20 abr. 2018.. A escolha do aço como material estrutural deve levar em conta aspectos relativos ao custo, à corrosão e ao seu comportamento em situação de incêndio. Com relação ao custo, já se sabe que ele não é medido pelo custo da estrutura e sim pelas vantagens agregadas ao empreendimento (SILVA, 1997). A corrosão, sempre presente em estruturas metálicas, pode ser minimizada com especificações adequadas em projeto sobre o tipo de aço e a adoção de pinturas especiais ou materiais de proteção (KIRCHHOF, 2004). Por fim, sabendo-se que os elementos estruturais em aço apresentam uma considerável redução da sua resistência e rigidez em temperaturas elevadas, é extremamente importante a sua verificação em situação de incêndio, principalmente quando a taxa de ocupação da edificação é alta, ou seja, quando envolve muitas vidas humanas. No âmbito da segurança contra incêndio, a principal preocupação dos órgãos normativos é a preservação da integridade física do ser humano. A verificação de uma.

(28) 20. estrutura em situação de incêndio não é feita com vistas a preservar o patrimônio, mas sim de evitar o colapso estrutural por um período de tempo suficiente para garantir tempo hábil para a fuga das pessoas da edificação. A perda do patrimônio pode ser compensada através da contratação de seguros. No Brasil, as exigências quanto à segurança contra incêndio e os avanços ocorridos, em contexto mundial, em relação ao entendimento do desempenho de estruturas em situação de incêndio, têm estimulado estudos relacionados ao tema segurança contra incêndio, com destaque ao desempenho das estruturas.. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo geral Dimensionar as vigas mistas de um pavimento-tipo do edifício exemplo proposto em temperatura ambiente, de acordo com a NBR 8800:2008, e em situação de incêndio, de acordo com a NBR 14323:2013. 1.2.2 Objetivos específicos São objetivos específicos deste trabalho: - comparar os esforços solicitantes com os esforços resistentes dos elementos estruturais que compõem a viga mista e verificar os estados limites de serviço em temperatura ambiente; - comparar os esforços solicitantes com os esforços resistentes dos elementos estruturais que compõem a viga mista em situação de incêndio e, em caso de não atendimento, propor soluções que possam ser adotadas para o seu atendimento.. 1.3 JUSTIFICATIVA Na engenharia civil, no que diz respeito às construções, um dos aspectos que sempre se procura otimizar é o tempo necessário para a execução. Nesse sentido, as estruturas metálicas ganharam espaço e, com elas, as estruturas mistas também..

(29) 21. Porém, para estruturas que possuem o aço como elemento estrutural, é necessário garantir que, no caso de ocorrência de um incêndio, a estrutura esteja dimensionada de forma a evitar o colapso prematuro, garantindo que os ocupantes da edificação possam evacuá-la de forma segura. Além disso, recentemente foi sancionada a Lei Federal nº 13.425, de 30 de março de 2017, que estabelece diretrizes gerais sobre medidas de prevenção e combate ao incêndio e aos desastres em estabelecimentos, edificações e áreas de reunião de público. No seu artigo 8°, essa lei estabelece que os cursos de graduação em engenharia e arquitetura em funcionamento no Brasil, em universidades e organizações de ensino públicas e privadas, deverão incluir em sua grade curricular disciplinas com conteúdo relativo à prevenção e ao combate ao incêndio e aos desastres. Devido ao prazo estipulado na lei para os cursos se adequarem, em breve o tema será mais amplamente abordado em diversas disciplinas do curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria. Assim, apesar do aumento do uso de estruturas mistas no Brasil, esse sistema construtivo ainda não é abordado no atual currículo do curso. O mesmo ocorre com a análise de edificações em situação de incêndio, que, até então, não é contemplada pelo curso e é um tema de extrema importância a ser observado pelos profissionais que atuam na área de projetos estruturais.. 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO O presente trabalho é constituído de assuntos que abordam aspectos referentes. ao. comportamento. de. vigas. mistas. aço-concreto. e. ao. seu. dimensionamento, em temperatura ambiente e em situação de incêndio, os quais foram devidamente separados em 6 capítulos. No capítulo 1 são feitas considerações iniciais sobre estruturas mistas e apresentam-se os objetivos e as justificativas do trabalho. O capítulo 2 é destinado às vigas mistas aço-concreto em temperatura ambiente, sendo apresentados os conceitos e aspectos envolvidos no seu dimensionamento, de acordo com a NBR 8800:2008. No capítulo 3 tem-se um breve histórico com referência às estruturas mistas em situação de incêndio, apresentam-se os modelos de incêndio e as curvaspadrões. mais. utilizadas.. Além. disso,. são. abordados. aspectos. para. o.

(30) 22. dimensionamento em situação de incêndio, segundo as prescrições da NBR 14323:2013. No capítulo 4 são apresentadas as características do edifício exemplo, bem como os critérios utilizados no dimensionamento de vigas mistas aço-concreto em temperatura ambiente e em situação de incêndio, de acordo com as normas NBR 8800:2008 e NBR 14323:2013, respectivamente. No capítulo 5 é feito o dimensionamento, em temperatura ambiente, de uma viga mista do edifício exemplo, sendo feitas todas as verificações preconizadas pela NBR 8800:2008. Na sequência, é feita a verificação, em situação de incêndio, da viga mista dimensionada. Finalmente, no capítulo 6, são apresentadas as principais conclusões obtidas com o desenvolvimento do trabalho. Além disso, são feitas algumas sugestões para o desenvolvimento de futuros trabalhos, no âmbito das estruturas mistas e da segurança estrutural em situação de incêndio..

(31) 23. 2. VIGAS MISTAS AÇO-CONCRETO EM TEMPERATURA AMBIENTE. 2.1. INTRODUÇÃO As vigas mistas aço-concreto consistem em uma viga metálica associada a uma laje de concreto, sendo que a ligação na interface é feita com o uso de conectores de cisalhamento, de forma a garantir que os dois materiais resistam conjuntamente à flexão. No sistema misto, a laje de concreto é utilizada com a função de laje estrutural e também como parte do vigamento. Em edifícios, as vigas mistas mais usuais são aquelas em que um perfil I é associado através de sua mesa superior a uma laje de concreto. As lajes de concreto podem ser maciças moldadas in loco, mista, ou ainda, podem ser formadas por elementos pré-fabricados. Existem diversos tipos de seções e formas para as vigas mistas, sendo que os tipos mais usuais são apresentados na Figura 3. Figura 3 – Tipos mais usuais de seções mistas.. Fonte: adaptado de MALITE (1990)..

(32) 24. Um sistema muito utilizado em edificações é o da viga com fôrma metálica incorporada à seção (laje tipo steel deck), onde a concretagem da laje é feita sobre chapas de aço corrugadas que, após o endurecimento do concreto, permanecem incorporadas à viga mista. A aderência conferida por endentações e mossas existentes na chapa permite que esta atue como armadura da laje de concreto, além de escoramento, resultando num sistema estrutural de laje mista aço-concreto bastante eficiente e econômico (PFEIL; PFEIL, 2009). Segundo Alva (2000), a utilização de vigas mistas em sistemas de pisos é vantajosa devido ao aumento de resistência e rigidez que a associação de elementos de aço e de concreto proporcionam, o que possibilita a redução da altura dos elementos estruturais, gerando economia de material. Uma outra solução interessante no sistema misto é a possibilidade de conjugar uma estrutura principal em perfis de aço com laje de vigotas pré-fabricadas, como apresentado na Figura 4. Neste caso, as vigotas são espaçadas da largura das lajotas cerâmicas de enchimento, apoiam-se na mesa superior das vigas metálicas da estrutura e os conectores são soldados a esta mesa nos intervalos das vigotas para que a zona concretada sobre as vigas funcione transversalmente às vigotas, formando a mesa de compressão da viga mista. Esse sistema permite um rápido avanço na estrutura da edificação, utilizando uma tecnologia construtiva relativamente pouco sofisticada, mas compatível com a solução metálica (MALITE, 1990). Figura 4 – Pavimento misto formado por laje de vigotas pré-fabricadas.. Fonte: MALITE (1990)..

(33) 25. Nos próximos itens desse capítulo serão abordados aspectos que influenciam a resposta estrutural das vigas mistas, como os conectores de cisalhamento, o grau de interação entre o aço e o concreto, a decisão pelo escoramento ou não em fase de execução, bem como o esquema estrutural adotado (vigas contínuas ou simplesmente apoiadas). Além disso, será apresentado o procedimento de dimensionamento das vigas mistas aço-concreto segundo as prescrições da NBR 8800:2008.. 2.2 CONECTORES DE CISALHAMENTO Segundo Queiroz et al. (2012a), o comportamento de estruturas mistas é baseado na ação conjunta entre o perfil de aço e o concreto armado. Para que isso ocorra, é necessário que na interface aço-concreto desenvolvam-se forças longitudinais de cisalhamento. A aderência natural entre os dois materiais normalmente não é considerada no cálculo devido à baixa ductilidade e à pouca confiabilidade desse tipo de conexão, tornando-se necessário o uso de conectores de cisalhamento, conforme disposto na NBR 8800:2008. Nas vigas mistas, a ligação entre o perfil metálico e a laje de concreto geralmente é estabelecida com o uso de conectores soldados à mesa superior do perfil. O conector absorve os esforços cisalhantes horizontais que se desenvolvem na interface da laje com a mesa superior da seção de aço e ainda impede a separação física desses componentes (ALVA, 2000). Alguns tipos de conectores utilizados, que preenchem ambas as funções, estão ilustradas na Figura 5, sendo que, de acordo com Pfeil e Pfeil (2009, p. 265), “[...] o [conector tipo] pino com cabeça é o mais largamente utilizado”. Os tipos usuais de conectores previstos na NBR 8800:2008 são os pinos com cabeça e os perfis U laminados ou formados a frio. Os conectores de cisalhamento podem ser classificados em rígidos e flexíveis de acordo com a sua capacidade de deformação na ruptura. Os conectores rígidos rompem de forma frágil, com pequenas deformações, enquanto que os flexíveis rompem de forma dúctil, apresentando deformações maiores. A NBR 8800:2008 somente prevê o uso de conectores de cisalhamento dúcteis. O conector tipo pino com cabeça é dúctil se satisfizer certas relações geométricas (ver Figura 5.a) e, segundo Malite (1990), a cabeça possui duas funções: impedir a separação vertical.

(34) 26. entre o aço e o concreto e aumentar a resistência do conector ao estabelecer um certo nível de engastamento da cabeça no concreto circundante. Figura 5 – Tipos usuais de conectores.. Fonte: adaptado de PFEIL E PFEIL (2009).. A característica estrutural mais importante dos conectores de cisalhamento, segundo Alva (2000), é a relação existente entre a força F transmitida pelo conector e o escorregamento relativo s na interface aço-concreto, determinando seu comportamento dúctil. O diagrama típico de F x s é apresentado na Figura 6. A flexibilidade dos conectores, portanto, garante que o colapso de uma viga mista, quando da ruptura da ligação aço-concreto, seja do tipo dúctil, ou seja, a viga apresentará grandes deformações antes de atingir a ruptura..

(35) 27. Figura 6 – Curva força x escorregamento para conectores de cisalhamento.. Fonte: ALVA (2000).. A ductilidade do conector de cisalhamento pouco afeta o comportamento da viga mista em regime elástico, mas condiciona a resposta da conexão em regime plástico. A distribuição das tensões cisalhantes em uma viga bi apoiada é próxima ao modelo de força cortante para este tipo de viga, isto é, esforço nulo no meio do vão variando linearmente e esforço máximo nos apoios (como pode ser observado na Figura 7), o que indicaria a necessidade de posicionar um maior número de conectores próximos aos apoios. Figura 7 – Comportamento dos conectores ao longo da viga mista.. Fonte: FABRIZZI (2007).. Entretanto, a capacidade de deformação dos conectores flexíveis antes da ruptura permite a redistribuição do fluxo cisalhante, do conector mais solicitado (próximo ao apoio) ao menos solicitado (no meio do vão). Assim, sob carregamento crescente, um conector flexível após atingir a sua resistência máxima pode continuar deformando-se, sem ruptura, permitindo que conectores próximos absorvam maior.

(36) 28. força de corte e também atinjam a sua capacidade total, num processo de uniformização da resistência da conexão, aumentando a sua eficiência (MALITE, 1990).. A redistribuição do fluxo cisalhante, em decorrência da ductilidade dos. conectores, é o que permite que eles sejam uniformemente dispostos ao longo do vão. A resistência dos conectores normalmente é analisada por meio de ensaios tipo “push-out”, cujo esquema está apresentado na Figura 8. Figura 8 – Ensaio “push-out” com conectores tipo pino com cabeça.. Fonte: FABRIZZI (2007).. 2.3 GRAU DE INTERAÇÃO ENTRE AÇO E CONCRETO O comportamento misto é desenvolvido quando dois elementos estruturais são interconectados de tal forma a se deformarem como um elemento único. Assim, no caso das vigas mistas, se não houvesse ligação entre o aço e o concreto (Figura 9.a), os elementos se deformariam de forma independente, cada um participando da resistência à flexão de acordo com sua rigidez. Além disso, ocorreria um deslizamento relativo entre as superfícies de contato, se formariam duas linhas neutras independentes e a resistência do conjunto seria a soma das resistências individuais (PFEIL; PFEIL, 2009). Por outro lado, considerando-se que os elementos estejam interligados por conectores com rigidez e resistência infinitas, se desenvolver-se-iam forças horizontais de tal forma que não haveria deslizamento relativo significativo entre os.

(37) 29. materiais e eles se deformariam como um único elemento, apresentando apenas uma linha neutra. Essa situação é conhecida como interação completa (Figura 9.b). Por fim, quando a interligação não for suficientemente rígida ou resistente, terse-á um caso intermediário, com a formação de duas linhas neutras, porém não independentes; sua posição dependerá do grau de interação entre os dois elementos. Assim, ocorrerá um deslizamento relativo entre os materiais, menor que o ocorrido na ausência da ligação, e como consequência, a eficiência da seção mista será minorada, reduzindo sua resistência à flexão em relação à interação completa. Esse caso é denominado de interação parcial (Figura 9.c) e, por razões de ordem econômica, é o mais utilizado na prática em vigas mistas (QUEIROZ et al., 2012a). Figura 9 – Interação aço-concreto no comportamento de vigas mistas.. Fonte: adaptado de ALVA (2000).. Para se determinar o tipo da interação que ocorre na viga mista, é necessário determinar a força de cisalhamento de cálculo atuante entre o componente de aço e a laje (Fhd), que é dado pelo menor valor dentre a resistência de cálculo da laje à compressão (2.1) e a resistência de cálculo do perfil à tração (2.2)..

(38) 30. ( < Sendo:. ⎧1 = ⎨ 1 ⎩ . 0,85.

(39) . . 1,4

(40) = . 1,15. (2.1) (2.2).

(41) − resistência característica do concreto à compressão (MPa); − largura efetiva da laje de concreto;. − espessura da laje de concreto (se houver pré-laje de concreto pré-moldada, é a. espessura acima dessa pré-laje e, se houver laje com fôrma de aço incorporada, é a espessura acima das nervuras);. − área da seção transversal do perfil de aço;.

(42) − resistência ao escoamento do aço do perfil. Na sequência, é necessário determinar-se a resistência de cálculo do conector de cisalhamento. Neste trabalho será abordado apenas o conector de cisalhamento tipo pino com cabeça, uma vez que este é o mais utilizado. Segundo a NBR 8800:2008, o conector deve estar totalmente embutido na laje de concreto maciça, com a face inferior diretamente apoiada sobre a viga de aço. A força resistente de cálculo QRd do conector é dada pelo menor dos seguintes valores: /0 Sendo:. ⎧1 . . Q

(43) . ' ⎪2 < < 1 . 1 . ⎨ 2 .

(44) ⎪ < ⎩. (2.3) (2.4). − área da seção transversal do conector;. ' − módulo de elasticidade secante do concreto;. < − coeficiente de ponderação da resistência do conector, igual a 1,25 para. combinações últimas de ações normais, especiais ou de construção e igual a 1,10 para combinações excepcionais;. 1 − coeficiente para consideração do efeito de atuação de grupos de conectores dado no item O.4.2.1.2 da NBR 8800:2008;. 12 − coeficiente para consideração da posição do conector dado no item O.4.2.1.3 da NBR 8800:2008;.

(45) − resistência à ruptura do aço do conector..

(46) 31. Nas vigas mistas, na região de momento positivo, podem ocorrer duas situações relacionadas à interação entre o perfil de aço e o concreto: interação completa e interação parcial. A interação é considerada completa se os conectores situados nessa região tiverem resistência de cálculo igual ou superior à resistência de cálculo do componente de aço à tração ou da laje de concreto à compressão, a que for menor. Para a região de momento negativo, só é prevista interação completa, ou seja, a resistência de cálculo dos conectores situados nessa região deve ser igual ou superior à resistência de cálculo das barras de armadura que fazem parte da laje da viga mista (QUEIROZ et al., 2012b). Assim, a interação entre o perfil de aço e a laje de concreto será considerada completa se o disposto em (2.5) for verdadeiro ou parcial se o disposto em (2.6) for verdadeiro.. Sendo:. A /0 ≥ ( A /0 < (. (2.5) (2.6). ∑ /0 − soma das resistências de cálculo dos conectores entre a seção de momento máximo e a seção de momento nulo.. O grau de interação (η) é obtido pela eq. (2.7); para a interação completa teremos η = 1,0 enquanto que para a interação parcial teremos η < 1,0. T=. ∑ /0 (. (2.7). Limites mínimos para o grau de interação são estabelecidos nas diversas normas e tem a finalidade de assegurar capacidade suficiente de deformação dos conectores. A NBR 8800:2008 estabelece limites mínimos para o grau de interação em função do tipo de interação e características da seção do perfil da viga. Para interação completa, o grau de interação deve ser igual a 1,0, enquanto que, para a interação parcial, deve-se calcular o grau de interação mínimo necessário em função do vão da viga e da resistência ao escoamento do perfil de aço, devendo ser maior ou.

(47) 32. igual a 0,40 em todos os casos. O momento fletor resistente de uma viga mista depende do grau de interação, sendo crescente no intervalo 0,4 ≤ η ≤ 1,0. Embora na prática os termos interação completa e conexão total (quando η = 1,0) se confundam, Alva (2000) explica que existe distinção entre interação, que está associado com o escorregamento relativo na interface dos materiais, e grau de conexão, que está associado à capacidade da viga em atingir o máximo momento resistente sem a ruptura da ligação. Conexão total significa que um aumento do número de conectores não irá gerar aumento da resistência do elemento. Uma interação total significa que os deslocamentos relativos entre os dois materiais são desprezíveis, o que é considerado uma ligação perfeita entre o aço e o concreto (FIGUEIREDO, 2014).. 2.4 CONSTRUÇÕES ESCORADAS E NÃO ESCORADAS As vigas mistas podem ser construídas com ou sem escoramento, conforme decisão em fase de projeto. O escoramento limita os deslocamentos verticais da viga de aço na fase construtiva, enquanto que, ao se optar pelo não escoramento, ganhase em termos de velocidade de construção. O escoramento deve ser avaliado perante as dificuldades que pode provocar. Muitas vezes o ganho econômico que possa ser obtido com o uso do escoramento pode não compensar as dificuldades encontradas durante a execução. Nas vigas construídas com escoramento, a seção de aço não é solicitada durante o período de cura do concreto e, uma vez atingida a resistência necessária pelo concreto, o escoramento é retirado e as solicitações devidas ao peso próprio da estrutura e outras cargas aplicadas posteriormente atuam sobre a seção mista, resultando no diagrama de deformações apresentado na Figura 10. Nesse caso, não há necessidade de verificação na situação de construção, uma vez que, nessa fase, a seção não estará sendo solicitada. As vigas escoradas conduzem a um menor consumo de aço dos perfis das vigas, além de, muitas vezes, eliminar a necessidade de contraflecha..

(48) 33. Figura 10 - Vigas mistas escoradas.. Fonte: FABRIZZI (2007).. No caso de construção não escorada, a viga de aço isolada deve ser capaz de resistir às solicitações provenientes do peso próprio da estrutura e das sobrecargas de construção. Durante essa fase, tanto o concreto quanto os conectores não estão sendo solicitados. Segundo Alva (2000), as verificações de flechas e da estabilidade lateral podem ser determinantes nesse caso. As demais cargas aplicadas após a cura do concreto incidem sobre a seção mista, resultando no diagrama composto de deformações mostrado na Figura 11, que se deve a sobreposição das tensões aplicadas antes e depois da cura do concreto. Normalmente, o peso próprio do concreto é substancial, o que torna a situação de construção muitas vezes condicionante em construções não-escoradas, resultando em seções maiores para o perfil de aço quando comparadas à viga escorada. O comportamento da viga para ação de momentos fletores crescentes nos casos de construção escorada e não escorada é mostrado na Figura 12, onde se observa que os deslocamentos verticais na viga escorada são bem menores do que na viga não escorada, uma vez que todo o carregamento irá atuar no sistema mais rígido da seção mista. Entretanto, Pfeil e Pfeil (2009) ressalvam que, no estado limite último, as tensões de plastificação que se desenvolvem em uma certa viga mista são as mesmas nos dois casos de construção e, portanto, a viga atinge o mesmo momento fletor resistente, seja ela escorada ou não..

(49) 34. Figura 11 - Vigas mistas não escoradas.. Fonte: FABRIZZI (2007).. Figura 12 – Comportamento de vigas construídas com e sem escoramento.. Fonte: adaptado de PFEIL E PFEIL (2009).. 2.5 VIGAS MISTAS CONTÍNUAS E SIMPLESMENTE APOIADAS As vigas mistas podem ser simplesmente apoiadas, o que é mais usual, ou podem ser contínuas. As vigas simplesmente apoiadas contribuem para a maior eficiência do sistema misto, uma vez que o perfil de aço trabalha predominantemente à tração enquanto o concreto trabalha à compressão. Entretanto, como não ocorre a transmissão de esforços da viga para os pilares, o sistema não resiste aos esforços horizontais, sendo necessário dispor de um sistema de contenção lateral. Por outro lado, as vigas contínuas, que contam com ligações rígidas, são capazes de resistir aos esforços horizontais devido ao efeito de pórtico. Contudo, nas regiões de momento negativo, ocorre uma redução da eficiência do sistema devido à minoração do momento fletor resistente da seção. Isso se deve ao fato de que, nessas.

(50) 35. regiões, o concreto encontra-se tracionado e sua seção deve ser desprezada no cálculo da resistência à flexão. Além disso, a fissuração do concreto da laje pode se configurar como um estado limite de utilização. Do mesmo modo, nas regiões de momento negativo, parte do perfil de aço pode estar comprimido e sofrer os efeitos da instabilidade, sendo necessário enrijecê-lo. Outra situação comum em vigas mistas contínuas é a presença de esforços cortantes e momentos fletores atuando simultaneamente nos apoios intermediários, podendo levar à necessidade de verificação da interação entre os dois esforços (ALVA, 2000). Fabrizzi (2007) ressalta que, normalmente, a hiperestaticidade de uma estrutura é relacionada a ganhos quanto à economia, porém, no caso de vigas mistas, os pisos mistos mais econômicos são aqueles compostos por vigas isostáticas. Muitos projetistas preferem adotar este sistema e contar com contraventamentos para resistir aos esforços horizontais, sendo possível também economizar nas ligações, uma vez que as ligações rígidas são mais caras. Embora a presença exclusiva de momentos fletores positivos contribua para a maior eficiência do sistema misto, Alva (2000) destaca que a continuidade das vigas traz vantagens sob o ponto de vista da estabilidade global da estrutura, devido ao efeito de pórtico, pois reduz-se significativamente os deslocamentos quando as vigas mistas são consideradas como parte do pórtico, ao invés de considerá-las como elementos isolados e simplesmente apoiados.. 2.6 COMBINAÇÕES DE AÇÕES Segundo a NBR 8681:2003 e a NBR 8800:2008, as combinações a serem utilizadas no dimensionamento de vigas mistas em temperatura ambiente são: a) Combinações últimas normais, para verificação do estado limite último dos elementos:. .. . Y. YZ. ( = A < . (), + <V . W(* , + A =X . (* , [ Onde:. (), − valor característico das ações permanentes;. (2.8). (*, − valor característico da ação variável considerada como ação principal para a combinação;.

(51) 36. =X . (* , − valor reduzido de combinação de cada uma das demais ações variáveis. Sendo:. < = <V = 1,4;. =X = 0,7 para ações acidentais; =X = 0,6 para ações do vento.. b) Combinações frequentes de serviço, para verificação dos estados limites de serviço (vibração e abertura de fissuras): .. . Y. YZ. (, = A (), + = . (* , + A =Z . (* , Sendo:. (2.9). = = 0,6 e =Z = 0,4 para ações acidentais; = = 0,3 e =Z = 0 para ações do vento.. c) Combinações quase permanentes de serviço, para verificação dos estados limites de serviço (deslocamentos máximos): .. . Y. Y. (, = A (), + A =Z . (* , Sendo:. (2.10). =Z = 0,4 para ações acidentais; =Z = 0 para ações do vento.. 2.7 CRITÉRIOS DE CÁLCULO PARA O DIMENSIONAMENTO 2.7.1 Resistência à flexão Segundo a NBR 8800:2008, as vigas mistas, assim como as vigas de aço, podem ter sua resistência à flexão determinada pela plastificação da seção, pela flambagem local da seção de aço ou pela flambagem lateral..

(52) 37. Nas regiões de momento positivo não há ocorrência de flambagem lateral do perfil de aço, uma vez que a mesa comprimida do perfil está ligada com conectores à laje de concreto, que se comporta como uma contenção lateral contínua impedindo a flambagem. Como se tratam de vigas bi apoiadas, não há ocorrência de momentos negativos. No caso da flambagem local da seção de aço em vigas mistas, são previstos dois casos: a) seções compactas, nas quais a seção atinge o momento de plastificação total. Não há ocorrência de flambagem local; b) seções semicompactas, nas quais a flambagem local ocorre antes da plastificação total da seção. Considera-se a situação de início de plastificação como o limite de resistência à flexão. Assim, a NBR 8800:2008 indica que o cálculo do momento resistente de seções compactas seja feito com o uso de diagramas de tensões em regime plástico, enquanto que, para seções semicompactas, o cálculo é feito em regime elástico. No caso das seções compactas, diferenciam-se as vigas com ligação total (momento resistente determinado pela plastificação total do concreto ou do aço da seção mista) e as com ligação parcial (momento resistente determinado pela plastificação dos conectores de cisalhamento), enquanto que para as seções semicompactas esta diferenciação não se aplica, já que o seu dimensionamento é feito com tensões elásticas. 2.7.2 Resistência ao cisalhamento Segundo a NBR 8800:2008, a força cortante resistente de cálculo da viga mista deve ser determinada considerando-se apenas a resistência do perfil de aço. O elemento resistente à força cortante é a alma, que é dimensionada basicamente para a condição de flambagem sob ação de tensões cisalhantes. Na viga mista, deve-se ter:. Onde:. 34 ≤ 30. 34 − força cortante solicitante de cálculo; 30 − força cortante resistente de cálculo.. (2.11).

(53) 38. 2.8 RESISTÊNCIA À FLEXÃO DE VIGAS MISTAS 2.8.1 Classificação das seções quanto à flambagem local A flambagem local pode ocorrer na mesa comprimida ou na alma do perfil. Nas vigas mistas submetidas a momento fletor positivo, a mesa comprimida não sofre flambagem local, pois está ligada à laje de concreto que atua como uma contenção lateral contínua. Assim, a classificação da seção quanto ao efeito de flambagem local em seus elementos comprimidos é feita considerando-se a esbeltez da alma. Caso 1: Seção compacta. A seção atingirá a plastificação total, sem ocorrência de flambagem local. São utilizados diagramas de tensão com plastificação total para calcular o momento fletor resistente da seção mista. A seção será compacta se: ℎ ' ≤ 3,76 . `

(54) . (2.12). Caso 2: Seção semicompacta. A flambagem local ocorre antes da plastificação total da seção. Por isso, o momento resistente da viga mista é obtido com o diagrama de tensões em regime elástico na situação de início de plastificação da seção. A seção será semicompacta se:. Sendo:. ' ℎ ' 3,76 . ` < < 5,70 . `

(55)

(56) . (2.13). ℎ – altura da alma, tomada igual à distância entre as faces internas das mesas do perfil;. – espessura da alma;. ' – módulo de elasticidade do aço;.

(57) – resistência ao escoamento do aço..

(58) 39. 2.8.2 Largura efetiva da laje A tensão normal de compressão na laje de concreto, quando ela trabalha com o perfil de aço, é máxima sobre a mesa superior do perfil e decresce não linearmente à medida que se afasta da mesa, conforme mostra a Figura 13. Para fins práticos, esse diagrama de tensão não uniforme é substituído por um diagrama com tensão constante em uma largura de laje “b”, tal que a força resultante de compressão seja igual à força resultante proporcionada pelo diagrama não uniforme de tensões. A largura “b” assim obtida é considerada como a largura da faixa de laje que trabalha em conjunto com o perfil de aço e recebe o nome de largura efetiva (FAKURY et al., 2016). Figura 13 – Largura efetiva “b” da laje de concreto.. Fonte: FAKURY et al. (2016).. A NBR 8800:2008 determina que, para vigas mistas bi apoiadas, a largura efetiva da mesa de concreto, de cada lado da linha de centro da viga, deve ser igual ao menor dos seguintes valores (ver Figura 14): a) 1/8 do vão da viga mista, considerado entre linhas de centro dos apoios; b) metade da distância entre a linha de centro da viga analisada e a linha de centro da viga adjacente; c) distância da linha de centro da viga à borda de uma laje em balanço..

(59) 40. Figura 14 – Determinação da largura efetiva.. Fonte: FAKURY et al. (2016).. 2.8.3 Seção homogeneizada As propriedades geométricas da seção mista, utilizadas na determinação de tensões e deformações em regime elástico, são obtidas por meio da homogeneização teórica da seção formada pelo componente de aço e pela laje de concreto com sua largura efetiva. Transforma-se a seção de concreto em uma seção equivalente de aço, dividindo sua área pela razão modular 67 , e despreza-se a área de concreto tracionado.. 67 =. 'ç&. ' & &. =. ' ' . (2.14). Assim, a área de concreto é convertida em uma área equivalente de aço por meio da redução de sua largura efetiva “ ” para uma largura transformada “ ”, como pode ser observado na Figura 15, e é obtida por:. Sendo:. =. 67 − razão modular;. 67. ' – módulo de elasticidade do aço;. ' – módulo de elasticidade secante do concreto; − largura efetiva da laje de concreto.. − largura transformada da laje de concreto.. (2.15).