RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS E DIMENCIONAMENTO DE ESTRUTURAS PARA CONSTRUÇÕES RURAIS - PDF
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Raphaella Marroquim Angelim
1 UNIVERSIDADE FEDERA DE VIÇOSA DEARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOA UNIVERSIDADE FEDERA DE VIÇOSA fone (01) fa (01) VIÇOSA - MG - BRASI RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS E DIMENCIONAMENTO DE ESTRUTURAS ARA CONSTRUÇÕES RURAIS ENG 50 rof. Fernando da Costa Baêta rof. Valmir Sartor
2 RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS E DIMENSIONAMENTOS DE ESTRUTURAS ARA CONSTRUÇÕES RURAIS O projeto da estrutura de qualquer edificação, máquina ou outro elemento qualquer é um estudo através do qual a estrutura em si e suas partes componentes são dimensionadas de forma que tenham resistência suficiente para suportar os esforços para as condições de uso a que serão submetidas. Este processo envolve a análise de tensões das partes componentes da estrutura e considerações a respeito das propriedades mecânicas dos materiais. A análise de tensões, esforços e as propriedades mecânicas dos materiais são os principais aspectos da resistência dos materiais. A determinação dos esforços e as deformações da estrutura quando as mesmas são solicitadas por agentes eternos (cargas, variações térmicas, movimentos de seus apoios, etc.) são os principais aspectos da análise estrutural. Finalmente, com base em um coeficiente de segurança desejável e na análise estrutural chega-se às dimensões dos elementos estruturais. 1. Tensão, Resistência e Coeficiente de Segurança Tensão. As parcelas de forças interiores de um corpo, que atuam na unidade de superfície de uma seção qualquer desse corpo (1mm, 1cm, 1m ), denominam-se TENSÕES, sendo também chamadas SOICITAÇÕES. As unidades de tensão são as seguintes: t/cm, kg/cm, kg/mm e a N/m. Distinguem-se dois tipos de tensões: a) Tensões Normais, que atuam na direção perpendicular à seção transversal da peça, e podem ser: -tensão de compressão, σ c (-) ou -tensão de tração, σ t (+). b) Tensões Cisalhantes ou de Corte (τ), que atuam tangencialmente à seção transversal. Então: σ ± A ou τ ± A Aumentando-se gradativamente a força eterna que atua em um determinado corpo, ocorrerá, finalmente, a destruição ou ruptura do mesmo. A tensão calculada com a carga máima que o corpo suporta ( ma ) e a seção transversal original (A o ) do mesmo, denomina-se TENSÃO DE RUTURA ou TENSÃO ESTÁTICA. Ou seja: σ r ± A ma o
3 1.. Resistência Um elemento estrutural pose ser levado à ruptura de diversas maneiras, de modo que se pode distinguir diversas espécies de RESISTÊNCIAS a serem oferecidas por estes elementos, quais sejam: a) Resistência à tração. Verificar-se em tirantes, hastes de treliças, pendurais, armaduras de concreto armado, etc. b) Resistência à compressão. Verifica-se em paredes, pilares, apoios, fundações, etc. c) Resistência ao cisalhamento ou corte. Verifica-se no corte de chapas, nos rebites, pinos, parafusos, nós de tesoura de telhados, etc. / / d) Resistência à fleão. Verifica-se em vigas, postes engastados, etc. 1 e) Resistência à flambagem. Verifica-se nos elementos estruturais solicitados à compressão e que apresentem seção transversal com dimensões reduzidas quando comparadas com o comprimento. or eemplo: colunas, escoras, pilares, hastes e outros elementos estruturais com cargas de compressão atuando paralelamente ao eio longitudinal da peça.
4 f) Resistência à torção. Ocorre com menor freqüência em elementos de construção. A torção produz um deslocamento angular de uma seção transversal em relação a outra. A resistência à torção está relacionada à resistência ao cisalhamento. Verifica-se em vigas com cargas ecêntricas, vigas curvas, eios, parafusos, etc. g) Resistência composta. Verifica-se em elementos estruturais que são submetidos simultaneamente por diversos tipos de solicitações. 1 As resistências dos materiais de construção são determinadas em Máquinas Universais de Ensaios, obedecendo procedimentos rotineiros, que são padronizados pela ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Os valores obtidos variam de acordo com o material, de material para material, e de acordo com o tipo de carga aplicada. Em algumas estruturas, como por eemplo pontes, deve-se considerar, além da resistência estática a resistência do material à fadiga, aplicando-se cargas variáveis, alternadas e oscilantes. 1.. Coeficiente de Segurança (Trabalho) e Tensão Admissível Nas aplicações práticas só pode ser admitido (TENSÃO ADMISSÍVE) uma fração das resistências máimas ou de ruptura (TENSÃO DE RUTURA) apresentadas pelos diversos materiais. Isto, para prevenir o aparecimento de deformações ecessivamente grandes ou, até mesmo, o rompimento do elemento estrutural. Assim: σ r σ adm ν O COEFICIENTE DE SEGURANÇA depende dos seguintes fatores: consistência da qualidade do material; durabilidade do material; comportamento elástico do material; espécie de carga e de solicitação; tipo de estrutura e importância dos elementos estruturais; precisão na avaliação dos esforços e seus modos de atuarem sobre os elementos; construtivos; e qualidade da mão de obra e controle do qualidade dos serviços. Os progressos constantes na teoria da estática das construções, o aprimoramento da qualidade dos materiais e um controle de eecução de obras cada vez mais efetivo, têm nas ultimas décadas, permitindo a redução constante dos coeficientes de segurança: Aço... ν 1,5 a (correlação ao escoamento) Ferro fundido... ν 4 a 8 madeira... ν,5 a 7,5 Alvenaria... ν 5 a 0 4
5 Na escolha do coeficiente de segurança, com conseqüente determinação da tensão admissível, o calculista deve freqüentemente consultar prescrições, regulamentos e resultados de ensaios que são continuamente atualizados e publicados por órgãos oficiais. Na falta de valores de tensão admissível determinados especificamente para o material que se vai utilizar, as Tabelas a seguir fornecem os valores médios para diversos materiais de construção. TENSÕES ADMISSÍVEIS (de Trabalho) e ESOS ESECÍFICOS para Diferentes Materiais de Construção. Materiais p. Espec. (kg/m ) Tração (kg/cm ) Compressão (kg/cm ) Cisalhamento (kg/cm ) Fleão (kg/cm ) FERRO aminado Fundido MADEIRAS* Duras Semi-duras Brandas AVENARIA edra Tijolos comuns Tijolos furados Tij. rensados CONCRETOS Simples 1:: Armado 1:: Ciclópico ::6 * Compressão paralela às e cisallamento perpendicular às fibras. 5
6 ropriedades Mecânica e TENSÕES ADMISSÍVEIS (de Trabalho) de Algumas Madeiras Brasileiras. Madeiras eso específico (a 15 % de Módulo de Elasticidade E m Tensões admissiveis (eças de a categ.) kg/cm Nomes vulgares Nomes umidade) (fleão) Compessão Fleão Cisalhamento botânicos e tração kgf/m Kg/cm σ c σ c σ f σ t igações Vigas Maçaranduba Manikara Ipê tabaco Tecoma ou Ipê amarelo eimia Eucalipto Eucalyptus citriodora citriodora Ipê roo ou Tecoma Ipê preto lipetiginosa Gonçalo Alves ou Astronium Guanta frainifolium Canafistula Cassia ferruginea Andiroba Carapa guianensis eroba de Campos aralecoma ou Ipê eroba peroba inho do araná Araucaria ou inho Brasileiro Angustifolia
7 1.4. Aplicações a) A carga de ruptura por tração de uma barra redonda de aço, com diâmetro de 0 mm, é de kg. Qual é a resistência à tração desse aço e qual é o coeficiente de segurança eistente quando σ adm kg/cm? kg 0mm kg σ r má A π. / 4 kg cm.981 kg / cm ν σ σ r adm kg / cm kg / cm,84ν b) Um prisma de madeira de pinho com seção 66 cm é comprimido paralelamente às fibras. Verifica-se a ruptura quando a carga atinge 11,8 t. Qual a resistência à compressão dessa madeira e a σ adm quando ν 4? 18,8 t σ r má A kg 6 cm 8 kg / cm 18,8 t σ adm ν σ r 8 kg / cm 4 8kg / cm c) Um pilar está carregado com 5 t. Com que carga dever-se-á registrar a ruptura se o mesmo foi calculado com coeficiente de segurança igual a 8? σ r má σ σ r ν. σ adm ν ν A adm. A adm Ou seja, r ν. adm 8 5 t 80 t 7
8 . Deformação e eis da Deformação.1. Elasticidade e lasticidade Todo corpo sujeito a forças eternas sofre deformação. As deformações lineares, que ocorrem na tração e na compressão, são epressas em função da VARIAÇÃO DE COMRIMENTO ( ) e do COMRIMENTO ORIGINA (), resultando assim, na epressão DEFORMAÇÃO REATIVA (ε), ou seja: ε No cisalhamento, as deformações são angulares. As deformações a que corresponde cada tipo de esforços são: - tração: alongamento - compressão: encurtamento 1 1 a 1 a a 1 a b b 1 b 1 b a 1 < a ; b 1 > b ; 1 + a 1 < a ; b 1 > b ; 1 + -cisalhamento: escorregamento γ a 1 a a 1 a ; b 1 b b 1 b Se cessada a aplicação da força, o corpo retoma seu estado inicial, diz-se que o corpo é EÁSTICO, a eemplo do aço, borracha, madeira (até certo limite), etc. Se cessada a força, o corpo permanece em sua forma atual, o material é ÁSTICO, a eemplo do chumbo, argila, etc. A maioria dos materiais apresentam as duas características, dependendo da intensidade dos esforços a que estão submetidos. Até certo limite de carga atuam como elásticos e partir dai como plásticos. Não eiste material perfeitamente elástico. ermanece sempre uma deformação residual. praticamente nula, chamada DEFORMAÇÃO ERMANENTE OU RESIDUA. 8
9 .. Deformação Transversal Foi mostrado anteriormente que qualquer corpo sob à ação de forças eternas (tração e compressão) apresenta deformação longitudinal (ε). Simultaneamente ocorre também deformação transversal (ε q ). Na tração ocorre contração transversal e na compressão ocorre alongamento transversal. d ε q d Obs: Nos desenhos da página anterior, d b b 1. Os ensaios mostram que a relação entre a deformação longitudinal e a transversal é aproimadamente constante. Esta relação é denominada COEFICIENTE DE OISSON (m), matematicamente representada por: m ε ara os metais m varia de a 4 e para o concreto de 4 a 8. ε q.. Deformação no Cisalhamento Sua grandeza é definida como deformação angular (γ), conforme desenho do item.1. γ y Nas tensões normais, εσ/e. Identicamente, pode-se epressar o ESCORREGAMENTO REATIVO (γ) empregando-se o MÓDUO DE EASTICIDADE TRANSVERSA. (G) e a TENSÃO CISAHANTE (τ), ou seja: τ γ G Entre o Módulo de Elasticidade (E) e o Módulo de Elasticidade Transversal (G), eiste uma relação devido à dependência de alongamentos transversais e longitudinais, que pode ser epressa com o auílio do Coeficiente de oisson (m), ou seja: m G E ( m + 1).4. Comportamento do Aço de Construção no Ensaio de Tração. Em laboratório são realizados testes para obter o comportamento dos diversos materiais. Nas Máquinas Universais de Ensaios pode-se medir as deformações correspondentes aos diversos tipos de esforços eternos até à ruptura. Os dados obtidos possibilitam traçar o diagrama tensão-deformação para cada material. O diagrama característico do aço de baia resistência para construção esta apresentado abaio: 9
10 5000 Tensão de tração (kg/cm ) Deformação (%) Onde: AEFBZ Diagrama Tensão-Deformação de Tração, imite de proporcionalidade, E imite de elasticidade, F Tensão de escoamento, B onto de força máima, e Z Ruptura. A partir do ponto F as deformações do corpo continuam a aumentar até um certo limite, para um mesmo valor de tensão aplicada, ocorrendo escoamento no interior do corpo e provocando deformação quase sempre visual, com posterior rearranjo de sua estrutura, normalmente capaz de suportar maiores cargas. σ F Desta forma, para efeitos práticos, a tensão admissível é assim calculada: σ adm ν ma A resistência máima é dada por: σ ma A O alongamento total até à ruptura é dado por: δ ma o.5. Materiais Dúcteis e Quebradiços Dá-se o nome de DUCTIBIIDADE à propriedade apresentada pelos materiais que têm grandes alongamentos de ruptura, ou seja, apresentam grandes deformações antes de romperem (caso do aço e do alumínio). Se a ruptura ocorre de súbito, já com pequenos alongamentos, diz-se que o material é QUEBRADIÇO ou frágil, sendo sensível a pancadas e solicitações do tipo vibratório (caso do ferro fundido e do concreto). o 10
11 .6. ei de Hooke e Módulo de Elasticidade No intervalo em que o diagrama tensão-deformação se desenvolve retilineamente, as tensões são proporcionais às deformações. Matematicamente pode ser traduzida: σ ε ε α. σ Onde α é o COEFICIENTE DE EASTICIDADE, número que epressa o alongamento da peça ( ) por unidade de tensão (σ). Como α é muito pequeno, normalmente trabalha-se com o seu inverso, ou seja: E 1 α Onde E é denominado MÓDUO DE EASTICIDADE, que substituído na equação anterior obtêm-se a epressão clássica de HOOKE: σ ε E O módulo de Elasticidade (E) é definido como sendo a tesão imaginária (ideal, e medida em kg/cm ) que na tração seria capaz de duplicar o comprimento original da peça. Valores aproimados de Módulo de Elasticidade (em kg/cm ) para alguns materiais são os seguintes: Aço Ferro fundido Concreto à Alvenaria de Tijolo à Madeira de inho (II à fibra) ( à fibra) Variação de Comprimento devido à Variações de Temperatura. O aquecimento das estruturas causa DIATAÇÃO das mesmas, enquanto o arrefecimento causa CONTRAÇÃO. Estas deformações podem causar tensões internas nos materiais dos elementos estruturais, semelhantes àquelas devido à esforços eternos. ara evitar tensões adicionais nas estruturas, deve-se: - empregar apoios móveis e/ou - juntas de dilatação. A dilatação ou compressão das peças estruturais pode ser calculada pela equação: ± α t. t. Onde, comprimento do elemento estrutural t variação de temperatura do elemento estrutural, e α t coeficiente de dilatação térmica 11
12 O coeficiente de dilatação térmica (α t ), indica a variação de comprimento do elemento estrutural para cada 1 C de mudança de temperatura do mesmo. Alguns valores aproimados de α t, são aço... 0,00001 C -1 ferro fundido e concreto... 0, C -1 alvenaria de tijolo... 0, C -1 madeira... 0,00000 C -1 ara estruturas de concreto considera-se, em geral, uma variação de temperatura de ± 0 C, e para as estruturas metálicas, de ± 5 C. A retração de argamassa pela evaporação da água tem ação semelhante à variação de comprimento provocada pela diminuição de temperatura. Nas estruturas em concreto simples e concreto armado, a retração deve ser considerada correspondente à uma queda adicional da temperatura de aproimadamente 0 C..8. Aplicações a) Uma barra de aço circular com 50 cm de comprimento e,6 mm de diâmetro, solicitada por uma força de tração de kg, apresenta num comprimento de 0 cm um alongamento de 0,19 mm. Calcular a tensão atuante (σ), o alongamento relativo (ε), o módulo de elasticidade (E). Finalmente, determinar a resistência de ruptura e o alongamento percentual, tendo a peça rompido sob a carga de kg e sendo, então, a distância entre as referências de 4,6 cm. σ /A 8.000/(π,6 /4) kg/cm. ε / 0,019/0 0, E 1/α σ/ε.000/0, kg/cm σ r má /A o /(π.6 /4) 4.18 kg/cm. δ % 100. / o 100 (4,6-0)/0 %. b) Um tirante de aço de um telhado tem 18 m de comprimento e,8 cm de diâmetro, deve resistir a uma força de tração de kg. Calcular sua variação de comprimento total, devido à força aplicada e devido à uma variação de temperatura de + 5 C. Alongamento do tirante devido à força: ε / e ε σ/e, então, (. σ)/e. Considerando E kg/cm, e σ 9.600/(π 1,4 ) kg/cm. ( )/ ,4 cm. Alongamento do tirante devido à variação de temperatura: t α t. t. 0, t 0,76 cm. total 1,4 cm + 0,760 cm,1 cm. 1
13 c) Calcular a espessura das juntas de dilatação para um terreiro de café de m, que será construído em concreto. As juntas serão colocadas nas duas direções a cada 10m. Considerando que o terreiro foi feito no inverno, é possível um t de aproimadamente 40 C. E, como haverá juntas nas duas direções, pode-se considerar dilação linear α t.. t 0, ,04 m 4 cm 40 mm. 100m Como, em 100m pode-se contar com 9 juntas para acomodar a dilatação total, tem-se: 40 mm/9 juntas 4,4 mm/junta. (mínimo).. Dimensionamento de Elementos Tracionados e Comprimidos.1. Dimensionamento de Elementos Tracionados Nos cálculos de resistência à tração, devem ser considerados todos os enfraquecimentos na seção transversal, provocados por orifícios de rebites, parafusos e pinos, enchimento, encaies de qualquer espécie, recortes e roscas Aplicações a) Um tirante de telhado tem 10m de comprimento e deve resistir a uma força de tração de kg. Calcular o diâmetro do tirante a ser eecutado em aço redondo de forma que o mesmo tenha rosca de 1,5mm de profundidade. Dados: σ adm aço kg/cm ; e E aço kg/cm. σ /A A nec /σ adm tirante A nec / ,4 cm A nec π d /4 5,4 cm d,5 cm 6 mm. 10 m ara que seja confeccionada a rosca, o tirante deverá ter um diâmetro de: d final 6 mm + mm 9 mm. 1
14 b) Substituir o tirante de aço acima por um tirante de madeira (Eucalipto citriodora), considere um enfraquecimento de,0 cm, conforme desenho abaio. Dimensionar o referido tirante (valores de b e h ). Dados: σ adm. tr. 170 kg/cm ; E kg/cm ; kg; 10m. b h cm h min Dimensionar sem considerar o enfraquecimento: σ /A A nec /σ adm A nec / ,5 cm A nec b h min 50,5 cm adotando-se: b 7 cm. h min 50,5 / 7 7, cm ogo, h h min + enfraquecimento h 7, + 9, cm Resposta: b 7 cm e h 9, cm. Obs: normalmente o valor de b é menor que o de h... Dimensionamento de Elementos Comprimidos Nas peças comprimidas somente considera-se os enfraquecimentos da seção transversal quando a parte retirada não tiver sido substituída ou for preenchida com material de menor resistência. No dimensionamento de dois materiais diferentes em contato, considera-se apenas a tensão admissível do material de menor resistência. Assim, o dimensionamento de uma fundação é conduzido de acordo com a tensão admissível do solo e não com o material que a constitui. No dimensionamento de elementos estruturais de madeira tem-se que considerar o ângulo entre a força aplicada e a direção das fibras. A tabela a seguir eemplifica a relação eistente entre ângulo da força e tensão admissível, para uma madeira que possui tensão admissível à compressão paralela de 85 kg/cm e tensão admissível à compressão perpendicular de 0 kg/cm. α 90 o α 0 o α 45 o Angulo α entre direção da força e direção da fibra Tensão Admissível de Compressão em kg/cm 14
15 ..1. Dimensionamento de ilares ou Colunas de Alvenaria Na compressão é importante a relação ente a menor dimensão da seção transversal (d) e a altura (h) da peça. ara efetuar o dimensionamento de um pilar de alvenaria a tensão admissível, a ser considerada nos cálculos, diminuiu à medida que o GRAU DE ESBETEZ (h/d) aumenta. A TENSÃO ADMISSÍVE CORRIGIDA (σ adm ) em função do grau de esbeltez é dada por: σ σ ' adm S adm onde, para h/d s 1,0 1,4,0 d Normalmente, não se trabalha com h/d >10, somente em casos especiais Aplicação a) Que carga pode suportar um pilar de alvenaria de tijolo maciço comum, σ adm 10 kg/cm, com seção de 0 5cm e m de altura? O cálculo do grau de esbeltez é feito com a menor dimensão transversal, ou seja: h/d 00/0 10 h σ ' adm σ S adm 10 kg / cm 5 kg / cm Então, a carga total admissível para a coluna, sem considerar o peso próprio da coluna, será: σ adm. A kg. Descontando o peso próprio do pilar, uma vez que esta carga também atua sobra o material da base do mesmo, e considerando o peso específico da alvenaria de tijolo igual a kg/m, tem-se: (0,0 0, ).0 kg.... Dimensionamento de ilares ou Colunas de Madeira ou de Aço As colunas ou qualquer outro elemento comprimido que seja de madeira ou de aço podem ser dimensionados verificando: a) A carga máima que o corpo suporta levando-se em conta a flambagem, empregando-se a equação de Euler ou seja: crit π E I ν e Onde: crít carga crítica admissível, kg; E módulo de elasticidade do material, kg/cm ; Ι momento de inércia da seção, cm 4 ; e comprimento efetivo de flambagem, cm; e v coeficiente de segurança, admensional. 15
16 b) A tensão à compressão atuante no material, ou seja: σ at σ adm do material. A Se as duas condições anteriores são satisfeitas, tudo bem, a coluna é estável. O Momento de Inércia da seção depende da forma, das dimensões e da orientação da mesma. ara o cálculo de elementos comprimidos simples, emprega-se o menor valor entre as direções e y. A tabela a seguir apresenta as fórmulas para algumas seções usuais. Momentos de Inércia para algumas Seção Usuais (cm 4 ). Seções y Momento de Inércia Retangular h h I bh 1 ; b h I y 1 b Circular Cheia I I y π. r 4 4 π. d 64 4 Circular Oca 4 4 π( d 1 d ) A/ I I y 64 erfil Ι h h` b` I bh 1 b'. h'. ; I a. b + h'. A 1 y 1 b 16
17 O comprimento efetivo de flambagem depende do comprimento de suas etremidades. São quatro os casos a serem considerados: e e e 0,7 e 0, Aplicações a) Uma coluna de m de comprimento tem seção quadrada e é de pinho. Assumindo E kg/cm, σ adm 10 kg/cm para compressão paralela às fibras, e usando um fator de segurança de,5 para calcular a carga crítica de flambagem usando a equação de Euler. Determine as dimensões da seção transversal para as cargas de kg e de kg. Sabe-se que a coluna é articulada nas duas etremidades. (1) ara a carga de kg Dados: crít kg; E kg/cm ; ν,5; e m 00 cm crit π E I ν e I π e E ν I kg (00cm),5 811 π kg / cm cm 4 a 4 Ι a cm 4 h a 1 a (1 811 cm 4 ) 1/4 a 9,9 cm 10 cm b a Verificando a tensão normal da coluna: kg σ at 100 kg/cm < 10 kg/cm OK! A 100cm Obs: A σ adm já incorpora o coeficiente de segurança. 17
18 () ara a carga de kg: I 0.000kg (00cm),5 161 π kg / cm cm 4 Ι a 4 / cm 4 ; a (1 161 cm 4 ) 1/4 11,8 cm 1 cm. Verificando a tensão normal: 0.000kg σ at 18 kg/cm > 10 kg/cm A 1cm 1cm Não está bom, portanto deve-se dimensionar pela tensão admissível kg A 10 kg / cm σ at 166,6 cm A a 166,6 cm a 1,9 1 cm. Uma seção 1 1 cm é aceitável, pois atende à flambagem e à compressão do material. b) Determinar o diâmetro de um pilar com m de comprimento, para suportar uma carga de 15 toneladas. Considerar: E kg/cm, σ adm 15kg/cm para compressão paralela às fibras e coeficiente de segurança,5. Dados: crít kg; E kg/cm ; ν,5; e. 600 cm crit π E I ν e I π e E ν I kg (600cm), π kg / cm cm 4 I 4 4 πr 9.770cm 4 r ,6 cm e d cm. π Verificando a tensão normal: σ at σ at 9,46 kg/cm < 15 kg/cm OK! A π.11 Obs: Quando a seção for retangular, verificar a flambagem nas duas direções, e y, e considerar a menor carga crítica como limite. 18
19 ... Dimensionamento de ilares de Concreto Armado ara concreto armado, quando a carga normal que atua sobre o pilar não se situa no seu centro de gravidade, diz-se o mesmo está sendo solicitado por uma fleão composta normal. Estas solicitação corresponde à combinação da força normal com o momento fletor devido à ecentricidade. raticamente, não há pilar que não esteja sobre fleão composta, e por isto, as normas determinam que assim devem ser calculados. Segundo as normas brasileiras, a menor largura permitida para os pilares é de 0 cm, embora, na prática dimensões menores são usuais. A tabela a seguir apresenta a ferragem necessária, a carga admissível em toneladas e o comprimento máimo de pilares engastados, de acordo com a seção, tendo como base a Norma Brasileira, NB-1-78, empregado a teoria do Estado imite Último. Carga Admissível (toneladas força), Número de ferros com diâmetro em mm e Comprimento Máimo () para ilares Retangulares Sujeitos à Compressão Aial, para um Concreto com fck (tensão admissível à compressão) 180 kg/cm, e para o Aço C A-50. Espessura argura 0 cm 0 cm 40 cm 15 cm,5 m 0 t t t cm,00 m 4 t t t cm,75 m 4 t 4 1,5 51 t 6 1,5 68 t 8 1,5 0 cm 4,50 m - 60 t 6 1,5 80 t 8 1,5 5 cm 5,5 m t 10 1,5 40 cm 6,00 m t 1 1,5 OBS: Considerar somente metade da carga admissível quando o pilar tive um etremo engastado e o outro etremo livre. Ferragem principal Estribos d 5mm / cada 0 cm 1,5 cm de cobertura 19
20 ..4. Tensões Admissíveis do Solo à Compressão e Cálculo de Fundações Diretas As fundações têm como objetivo compatibilizar a carga transmitida pela obra e a resistência do solo. As fundações diretas são assim chamadas por transmitirem a carga diretamente sobre o solo, e a área de contácto é então função da carga e da tensão admissível do solo. Geralmente as fundações diretas são eecutadas com 40 a 60 cm de profundidade, dependendo da carga a ser transmitida e do solo, procurando sempre apoia-las em terrenos firmes. A tensão admissível ao solo pode ser estimada pelo processo de percurção e empregando a seguinte equação: N H N + 1 σ adm + S C E Onde: roldana σ adm Tensão Admissível do Solo (kg/cm ) eso (kg) tripé S seção do peso (cm ) C coeficiente de segurança (5-10) N número de quedas (5-10) H altura de queda (cm) H E aprofundamento no solo (cm) vala de fundação E Cada amostragem do método consiste em deiar cair, de uma determinada altura, um peso cilíndrico de valor conhecido, por um determinado número de vezes, e verificar o aprofundamento total causado no solo pelas quedas do mesmo. A determinação deve ser feita na profundidade em que se vai apoiar a sapata, e deve-se fazer no mínimo amostragens em locais diferentes. De uma forma geral são encontradas as seguintes tensões admissíveis para os solos: 1 - Aterros ou entulhos suficientemente tecalcados e consolidados... 0,5 kg/cm - Aterros de areias sem possibilidade de fuga... 1,0 kg/cm - Terrenos comuns, bons, como os argilo-arenosos, embora úmido...,0 kg/cm 4 - Terrenos de ecepcional qualidade como os argilo-arenosos secos...,5 kg/cm 5 - Rocha viva... 0,0 kg/cm ara calculo das cargas da obra pode-se utilizar a tabela apresentada a seguir: 0
21 Cargas por Unidade de Área e eso Específico de Alguns Elementos Construtivos: Material Cargas (kg/m ) eso (kg/m ) Sobrecarga (kg/m ) Telhado colonial Telhado T. Francesa Telhado C. Amianto aje Maciça ou pré-fabricada de forro aje Maciça ou pré-fabricada de piso Alvenaria Tijolo Maciço Alvenaria Tijolo Furado Concreto Armado Concreto Ciclópico Revestimento Forro avimentos iso Revestimento arede * ara depósito vai até 600 kg/m, dependendo do material a ser estocado, enquanto para residências e escritório fica em torno de 00 kg/m Aplicação a) Dimensionar as sapatas isoladas de um galpão com cobertura de cimento-amianto, vão de 11 m, beiral de 0,5 m e pé direito de m. Os pilares são de 0,0.0,0m, em concreto armado, espaçados de 4 m entre si. Considere a tensão admissível do solo igual a 1, kg/cm. - Área de telhado sobre o pilar: (5,5 m + 0,5 m) 4 m 4 m 11m - Carga e sobrecarga da cobertura: 90 kg/m + 60 kg/m 150 kg/m (ver tabela anterior) - Carga sobre o pilar: 150 kg/m 4 m.600 kg 0,5m 4m - eso do próprio pilar: 0,m 0,m m.400kg/m 88kg. Área de influência do telhado sobre 1 pilar 4 6m - eso próprio estimado da sapata, considerando-a com altura de 50 cm: 0,5 m. X. X..00 kg/ m 1.100X kg - Carga total sobre o solo:.600 kg + 88 kg X kg ( X ) kg 0,5 0,5 X sapata (seção X m ) 1
22 ( X σ at kg / m A X m ) X X X 0,57 X 0,60 m Obs: A verificação de que a altura da sapata está aceitavel é empiricamente feita pela fórmula: h (B b). 0,50 Onde: B largura maior da sapata b largura menor do pilar kg ortanto: H (0,60 0,0). 0,50 0,0 m < 0,50 m OK! Finalmente, o dimensionamento complementar é feito recortando, se econômico for, o material que estiver fora da linha do ângulo de 60, na forma de escada, por ser de fácil construção. b) Dimensionar as sapatas de um galpão com cobertura de telha cerâmica francesa, vão de 11 m, beiral de 0,5 m e pé direito de m. A estrutura de sustentação da cobertura (engradamento) e o forro, apoia-se sobre a parede de alvenaria. Considere a tensão admissível do solo igual a 1,0 kg/cm. Obs: No caso de instalações onde as sapatas são contínuas, fia-se 1 m de comprimento da mesma, calcula-se a carga de telhado, forro, da parede e peso próprio da fundação neste comprimento, e acha-se a largura necessária. 1- Telhado - Área para 1m de parede (5,5 m + 0,5 m) 1 m 6 m 11m - Carga e sobrecarga: 15 kg/m + 60 kg/m 185 kg/m (ver tabela ) - eso sobre 1m de parede 185 kg/m 6 m kg - aje do forro considerando espessura de 6cm. 0,5m - Área para 1m de parede 1 m (5,5 m + 0,5 m) 1 m 6 m - eso próprio: (tabela).400 kg/m 0,06m 144 kg/m - Carga, sobrecarga e revestimento: (tabela) ( ) kg/m 69 kg/m - eso sobre 1m de parede 69 kg/m kg Alvenaria (tijolos furados) 0,5 considerando 0cm de espessura. - eso sobre 1m de parede X sapata (seção X m ) (1.00 kg/m 0,m 1m m) 70 kg
23 4 eso próprio da sapata (concreto ciclópico) (.00 kg/m 0,5m 1m Xm) 1.100X kg eso total sobre o solo: ( X) kg ( X) kg levando-se à fórmula, chega-se ao valor de X. ( X ) kg σ at kg / m A X. m X X X 0,85m aproimadamente 40 cm...5. roblemas ropostos a) As tesouras de telhado de uma construção transmitem sobre cada pilar, com m de altura, uma carga da ordem de kg. Considerando um etremo engastado e o outro livre, e o coeficiente de segurança igual a, dimensionar o pilar: 1) em alvenaria. σ adm. Comp. 8 kg/cm ) em madeira roliças. E kg/cm e σ adm. Comp. 100 kg/cm ) em concreto armado, especificando a seção, ferragem e resistência do concreto. b) A asna da tesoura de telhado deve suportar um esforço de compressão da ordem de kg. Dimensionar a peça estrutural de forma que uma das dimensões de sua seção seja 7,5 cm. Considerar a peça simplesmente apoiada nos dois etremos, e coeficiente de segurança. Dados: σ adm. comp. 90 kg/cm ; E kg/cm e,10 m. 4. Dimensionamento de Elementos Solicitados ao Esforço Cortante ou Cisalhamento (τ) A tensão de cisalhamento ou corte atua paralelamente à superfície considerada, produzindo unicamente um escorregamento das seções adjacentes, sem que se altere o seu afastamento mútuo. Em geral, as tensões não se distribuem uniformemente na seção transversal, mas para simplificar os cálculos, a distribuição uniforme da tensão de cisalhamento é normalmente considerada. Onde: τ ou A nec A τ adm A resistência ao corte tem especial importância nas peças em balanço, ligações de madeira, rebites, parafusos, pinos, etc. A madeira, devido as suas características estruturais, apresenta resistência ao cisalhamento diferenciada com relação à direção das fibras. Nas tabelas normalmente encontram-se τ adm paralela e perpendicular às fibras, ao contrário dos outros materiais.