DIMENSIONAMENTO À TORÇÃO

Volume 4 Capítulo 1 DIMENSIONMENTO À TORÇÃO Prof. José Milton de raújo - FURG 1 1.1- INTRODUÇÃO Torção de Saint' Venant: não há nenhuma restrição ao empenamento; só surgem tensões tangenciais. Torção com empenamento impedido: surgem tensões normais de tração e de compressão ao longo da barra, além das tensões tangenciais. lgumas formas de seção, como a circular, por exemplo, não tendem a empenar, de modo que as tensões normais serão sempre nulas. T h x h Dissipação das tensões normais nas proximidades de um engaste σ x No caso do concreto armado, as tensões normais são dissipadas pela fissuração. Prof. José Milton de raújo - FURG

Torção de compatibilidade: surge em consequência do impedimento à deformação (em vigas de borda, por exemplo). viga de borda laje X momentos fletores na laje no estádio I X torção na viga No estádio I, surge o momento de engastamento X da laje, o qual é um momento torçor por unidade de comprimento para a viga. pós a fissuração, esse momento torçor diminui muito e não necessita ser considerado no dimensionamento da viga. Prof. José Milton de raújo - FURG 3 Torção de equilíbrio: os momentos torçores são necessários para satisfazer as condições de equilíbrio. momentos fletores na marquise X - T T X torção na viga - Prof. José Milton de raújo - FURG 4

1.- TORÇÃO EM VIGS DE CONCRETO RMDO O dimensionamento à torção das estruturas de concreto armado é feito com base no modelo de treliça de Mörsch. treliça é espacial, formada por barras longitudinais, estribos verticais e bielas de compressão. De acordo com a NBR-6118, pode-se escolher uma inclinação arbitrária para as bielas de compressão, no intervalo o o 30 θ 45. Entretanto, na combinação da torção com o esforço cortante, os ângulos de inclinação das bielas de concreto devem ser coincidentes para os dois esforços. ssim, empregando-se o modelo para esforço cortante apresentado no capítulo 6 do o Volume 1, deve-se considerar θ = 45 para o dimensionamento à torção. Prof. José Milton de raújo - FURG 5 Os ensaios mostram que, após o surgimento das fissuras de torção, somente uma pequena casca de concreto, junto à face externa da seção transversal da barra, colabora na resistência à torção: a resistência à torção de uma seção cheia é equivalente à resistência de uma seção vazada com as mesmas armaduras. O dimensionamento à torção de uma seção cheia é feito para uma seção vazada equivalente. t Seção vazada equivalente para uma seção poligonal convexa maciça C 1 t linha média CEB/90: seção vazada possui o mesmo contorno externo da seção maciça e uma parede de espessura t. Prof. José Milton de raújo - FURG 6

t = μ (Espessura da parede da seção vazada equivalente) = área da seção cheia μ = perímetro da seção cheia. Nos casos em que a seção real já é vazada, deve-se considerar o menor dos seguintes valores para a espessura da parede: a espessura real da parede da seção vazada; a espessura equivalente calculada supondo uma seção cheia de mesmo contorno externo da seção vazada. Prof. José Milton de raújo - FURG 7 Critérios da NBR-6118: t e = ( b t)( h t) bh = ( b + h) u = ( b + h t) Prof. José Milton de raújo - FURG 8

bh t = b C 1 ( b + h) e = ( b C )( h C ) 1 ( b + h 4 ) u = C 1 1 Prof. José Milton de raújo - FURG 9 1.3- NLOGI D TRELIÇ DE MÖRSCH biela de compressão I 45 o 45 o I Treliça espacial de Mörsch barra longitudinal b m T d I estribo Fazemos o equilíbrio do nó e da seção transversal I-I b m Prof. José Milton de raújo - FURG 10

Equilíbrio do nó : F te 45 o F c F ts 45 o F te Forças em um nó da treliça F ts F c Força de tração nos estribos: o F = F cos 45 F = F (1.3.1) te c Força nas barras longitudinais: o F = F cos 45 F = F (1.3.) ts c ts te c c Prof. José Milton de raújo - FURG 11 Equilíbrio da seção transversal: F c / F c / b m b m F c / Equilíbrio da seção transversal: Fc T d = bm (1.3.3) F c / Projeção das forças de compressão na seção transversal Força de compressão na biela de concreto: Td F c = (1.3.4) b m Prof. José Milton de raújo - FURG 1

Substituindo (1.3.4) nas equações (1.3.1) e (1.3.): Td Fte = Fts = (1.3.5) b Dimensionamento dos estribos: m s1= área da seção transversal de um estribo. s = espaçamento dos estribos ao longo do eixo da peça. área total de aço em um comprimento b m é bm s = s1 (1.3.6) s Força de tração resistente: s1 Fter = s f yd = bm f yd (1.3.7) s Iguais para garantir equilíbrio Prof. José Milton de raújo - FURG 13 Fazendo F = F, chega-se a ter te s T s 1 d =, cm /cm (1.3.8) e f yd onde e = b m é a área limitada pela linha média da parede fictícia. sw 100Td =, cm /m (1.3.9) f e yd Área de estribos por metro de comprimento da viga Prof. José Milton de raújo - FURG 14

Observações: No caso da torção, só se pode contar com um ramo dos estribos, pois todos os ramos estão submetidos à força de tração F te, inclusive aqueles situados nas faces superior e inferior da viga. Desse modo, os estribos para torção devem ser fechados, obrigatoriamente. ntes de empregar as tabelas para estribos de ramos constantes no pêndice 3 do Volume, deve-se multiplicar a área por. sw Prof. José Milton de raújo - FURG 15 Dimensionamento da armadura longitudinal: b m F ts sl Modelo e disposição real das barras longitudinais na seção F b m modelo T disposição real d te = Fts = (equação (1.3.5)) bm F ts = força de tração solicitante concentrada em cada quina da seção Força f ts por unidade de comprimento da linha média da parede Fts Td fictícia: fts = = (1.3.10) b m e Prof. José Milton de raújo - FURG 16

Força de tração resistente por unidade de comprimento da linha sl f yd média: ftsr = (1.3.11) u onde sl é a área da seção das barras longitudinais distribuídas ao longo da linha média da parede fictícia e u é o perímetro da linha média da parede. Igualando (1.3.11) a (1.3.10), resulta sl Td u =, cm (1.3.1) f e yd Área total da armadura longitudinal, distribuída ao longo da linha média Prof. José Milton de raújo - FURG 17 Verificação das bielas de compressão: F c vista lateral h o t Solicitação na biela inclinada 45 o b m seção vazada força F c atua em uma área c = tho, onde t é a espessura da parede fictícia e h o é a dimensão normal à força, dada por Td F c = (1.3.4) b m o h = b sen 45 h = b (1.3.13) o Visto anteriormente m o m Fazendo σ c = Fc c, resulta: σ Td c = t (1.3.14) e Prof. José Milton de raújo - FURG 18

Considerando a distribuição das tensões tangenciais na seção transversal vazada, pode-se demonstrar (ver cap.1, Volume 4) que σ c = τ td, onde T τ d td = Tensão et convencional de cisalhamento (1.3.) Segundo a NBR-6118, deve-se limitar haver esmagamento das bielas. σ 0, 50α c v f cd, para não Fazendo isto, resulta onde tu τ td τ tu (1.3.4) τ = 0, 5α f (1.3.5) v cd sendo α v = 1 fck 50, com f ck em MPa. Prof. José Milton de raújo - FURG 19 1.4- CRITÉRIO DE PROJETO D NBR-6118 Verificação da segurança das bielas: Td τ td = τ tu ; τ tu = 0, 5α v fcd ; t e α v = 1 fck 50 com f ck em MPa Nos casos correntes, onde há torção com flexão, deve-se garantir τ td τ wd que + 1 τ τ tu wu onde τ wd e τ wu são as tensões tangenciais obtidas no dimensionamento ao esforço cortante. Prof. José Milton de raújo - FURG 0

Estribos verticais para torção: rmadura longitudinal: sw sl 100Td =, cm /m f e e yd Td u =, cm f yd Para o cálculo das armaduras, deve-se limitar a tensão de escoamento do aço em 435 MPa. Observações: 1) Os estribos para torção devem ser fechados e com extremidades ancoradas por meio de ganchos em ângulo de 45 o. O diâmetro da barra do estribo deve ser maior ou igual a 5 mm e não deve exceder 1/10 da largura da alma da viga. Prof. José Milton de raújo - FURG 1 ) s armaduras obtidas nos dimensionamentos à torção e à flexão são superpostas. Na soma das seções necessárias dos estribos, deve-se lembrar que para a torção só se pode contar com um ramo dos mesmos. Área total de estribos: sw, tot = sw, V + sw, T sw, V = área dos estribos para o esforço cortante, = área de estribos para torção. sw T 3) área total dos estribos, sw, tot, deve respeitar a área mínima, sw, min = ρw,min100bw, cm /m, onde b w é a largura média da seção da peça. fctm ρ w, min = 0, f yk Prof. José Milton de raújo - FURG

Tabela 1.4.1 - Valores de ρ w, min (%) para o aço C-50 f ck (MPa) 0 5 30 35 40 45 50 ρ 0,09 0,10 0,1 0,13 0,14 0,15 0,16 w,min f ck (MPa) 55 60 70 80 90 ρ 0,17 0,17 0,18 0,19 0,0 w,min 4) O espaçamento máximo dos estribos é dado por s = 0,6d 30 cm, se τ τ τ τ 0, 67 ; max td tu + wd wu tu + τ wd τ wu smax = 0,3d 0 cm, se τ td τ > 0, 67 ; onde d é a altura útil da seção da viga. 5) área mínima da armadura longitudinal, sl, min, é dada por sl, min wmin, = ρ ub w, cm, onde u é o perímetro da linha média da parede da seção vazada equivalente e ρ wmin, é dado na tabela. Prof. José Milton de raújo - FURG 3 6) Em cada canto da armadura transversal, devem-se colocar barras longitudinais de bitola pelo menos igual à da armadura transversal e não inferior a 10. 7) Em seções retangulares com dimensões não superiores a 40cm, a armadura longitudinal para torção pode ser concentrada nos cantos. Em seções maiores, a armadura longitudinal deve ser distribuída ao longo do perímetro da seção, para limitar a abertura das fissuras. Recomenda-se que o espaçamento dessas barras não seja superior a 0 cm. Em qualquer caso, as barras longitudinais devem ser distribuídas de forma a manter constante a relação sl u. Prof. José Milton de raújo - FURG 4

1.5- EXEMPLO DE DIMENSIONMENTO P1-5x5 lv=3,m marquise P-5x5 0,5 1,5m 40 5 parede: h=1m, e=15cm 10cm - 6 Viga suportando uma marquise Prof. José Milton de raújo - FURG 5 f Concreto: fck = 0 MPa; fcd = ck = 14, 3 MPa 1,4 α v = ck 1 f 50 = 1 0 50 = 0,9 τ wu = 0,7α v fcd τ wu = 3,5 MPa τ tu = 0,5α v fcd τ tu = 3, MPa ) Cálculo da marquise Cargas de serviço na marquise: 0,10 + 0,06 - peso próprio: 5 = kn/m - revestimento: 0,8 kn/m - carga acidental: 0,5 kn/m - carga acidental na extremidade do balanço: 1 kn/m Prof. José Milton de raújo - FURG 6

3,3 kn/m 1 kn/m Rk = 6,4 kn/m X k l m =1,63 m X k = 6 knm/m R k Modelo de cálculo da marquise B) Esforços na viga Momento torçor por unidade de comprimento X = 6 knm/m. X klv 6x3, Tk = = Tk = 9,6 knm (momento torçor) k Prof. José Milton de raújo - FURG 7 Cargas verticais aplicadas na viga: - ação da marquise: Rk = 6, 4 kn/m - peso próprio: 5 x0,5x0,4 =, 5 kn/m - parede de tijolo furado: 13 x 0,15x1 = 1, 95 kn/m Carga total de serviço: p = 10, 85 kn/m. k Esforço cortante de serviço: V k p l 10,85x3, = V k v = k = 17,36 kn Prof. José Milton de raújo - FURG 8

M 1 = M eng 4I p 4I l p p l p + I v l v Momento negativo na viga M = p l 1 = momento de engastamento perfeito eng k v I v = momento de inércia da seção da viga I = momento de inércia das seções dos pilares. p lv = 3, m ; l p = 3, 5 m ; pk = 10, 85 kn/m M1 =, 86 knm. Prof. José Milton de raújo - FURG 9 Momento positivo no vão: pklv 10,85x3, M = + M1 =,86 = 8 8 11,03 knm Diagramas de esforços solicitantes de serviço na viga Prof. José Milton de raújo - FURG 30

Seções para dimensionamento da viga: engaste e seção central Seção central: apenas o momento fletor M k = 11, 03 knm. Seção do engaste: M1k =,86 knm (momento fletor) = 17,36 kn (esforço cortante) Vk T k = 9,6 knm (momento torçor) C) Dimensionamento à flexão Resulta armadura mínima para os dois momentos fletores. 015, smin, = ρminbh = x5x40 = 1, 5cm 100 Deve-se dispor uma armadura longitudinal com área s = 15, cm na face inferior e na face superior da viga. Prof. José Milton de raújo - FURG 31 D) Dimensionamento ao esforço cortante V d = 1,4x17,36 = 4,30 kn resulta sw V Dimensionando para o esforço cortante V = 4, 30 kn,, = 0, pois d = 1,11( τ wd τ c ) = 0 τ. d E) Dimensionamento à torção Momento torçor de cálculo: = 1,4x9,6 = 13, 44 knm T d Prof. José Milton de raújo - FURG 3

C 1 =4 Dados da seção vazada equivalente 4 h=40 d=36 t = bh ( b + h) = 7,69 cm C 1 = x4 = 8 cm b=5cm Como t < C1 : seção vazada do caso t max = b C 1 = 5 8 = 17 Como t < tmax t = 7, 69 cm e = ( b C )( h C ) 544 cm u = ( b + h 4 C 1 ) = 98 1 1 = cm cm Prof. José Milton de raújo - FURG 33 Verificação das tensões no concreto: Td 1344 τ td = = τ td = 0,161kN/cm ( τ td = 1, 61MPa) t x544x7,69 e Vd 4,3 τ wd = = τ wd = 0,07 kn/cm ( τ wd = 0, 7 MPa) b d 5x36 w τ τ td tu τ + τ wd wu = 0,58 < 1 OK! Prof. José Milton de raújo - FURG 34

Cálculo das armaduras ( f = 43, 48 kn/cm ): yd sw 100Td 100x1344 = = sw, T = 84, cm /m f x544x43, 48 e yd Td u 1344x98 sl = = sl =,78 cm f x544x43,48 e yd rmadura longitudinal mínima: = 009%é dado na tabela ρ wmin,, ( ) sl, min = ρw, min ubw = 110cm, Logo, prevalece o valor calculado sl = 78, cm. Prof. José Milton de raújo - FURG 35 F) Superposição das armaduras Área total dos estribos:, =, +, = 0+ x84, = 568, cm /m sw tot sw V sw T Área mínima de estribos: ρ b, 5 cm /m. sw, min = w,min 100 w = Logo, deve-se adotar sw, tot = 568cm, /m. Como resultou τ τ τ τ 0, 67 : td tu + wd wu s 0,6d = 1,6cm = = 1cm 30cm max s max Da Tabela 3.3 (pêndice 3 do Volume ): para sw, tot = 568cm, /m, obtém-se a solução φ 6,3c. 10. OK! Prof. José Milton de raújo - FURG 36

rmadura longitudinal: alternativa 1 Como a seção possui dimensão máxima de 40 cm, a armadura longitudinal para torção pode ser concentrada nos cantos. Em cada canto da seção: 4 =,78 4 0, 70 cm. sl Nas faces superior e inferior: = 1, 5 cm (da flexão). s s sl /4 sl /4 φ1,5 para M d s =1,5cm + para T d = sl /4 sl /4=0,70cm 1φ8 1φ8 φ1,5 (,95cm ) (,95cm ) Engastar as armaduras longitudinais nos pilares Observar que as barras dos cantos possuem φ 10 mm. Prof. José Milton de raújo - FURG 37 rmadura longitudinal: alternativa rmadura para torção distribuída uniformemente ao longo da linha média da seção vazada equivalente (solução exigida para vigas de seções grandes). rmadura para torção Prof. José Milton de raújo - FURG 38

s sl /3 φ1,5 para M d s =1,5cm + para T d = φ8 sl /3=0,9cm φ8 φ1,5 (,45cm ) (,45cm ) Solução alternativa para a armadura longitudinal Prof. José Milton de raújo - FURG 39 Cálculo alternativo como viga biapoiada pvlv 10,85x3, Momento positivo no vão: M = = = 13, 89 knm 8 8 Momento negativo nos apoios: M = 0,5x13,89 = 3, 47 knm 1 Essa solução fornece momentos fletores maiores que os obtidos como pórtico (nesse exemplo em particular). Entretanto, o dimensionamento para esses momentos também resulta em armadura mínima, não havendo alteração na solução final. Prof. José Milton de raújo - FURG 40