TENSÕES DE FLEXÃO e de CISALHAMENTO EM VIGAS - PDF
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Moisés Chaplin Castilho
1 DIRETORIA ACADÊMICA DE CONSTRUÇÃO CIVIL Tecnologia em Construção de Edifícios Disciplina: Construções em Concreto Armado TENSÕES DE FLEXÃO e de CISALHAMENTO EM VIGAS Notas de Aula: Edilberto Vitorino de Borja
2 ÍNDICE 1 OBJETIVO 2 2 Viga - DEFINIÇÃO 2 3 TENSAO TENSÃO DE FLEXÃO EM UMA VIGA DIAGRAMA DE TENSÕES RESULTANTES 4 4 HIPÓTESE FUNDAMENTA DA TEORIA DA FLEXÃO LEI DE NAVIER 4 5 SUPERFÍCIE NEUTRA 5 6 ANÁLISE DAS DISTÂNCIAS DAS FIBRAS EM RELAÇÃO A L.N. 5 7 TENSÃO DE FLEXÃO 7.1 TENSÕES DE FLEXÃO DE VIGA SUJEIRA A MOMENTO FLETOR POSITIVO EXEMPLO DETERMINAÇÃO DAS TENSÕES DE FLEXÃO 9 8 VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE TENSÃO MÁXIMA DE FLEXÃO EXEMPLO VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE À FLEXÃO 10 9 TENSÃO DE CISALHAMENTO MOMENTO ESTÁTICO DE ÁREA SEÇÃO TRANSVERSAL RETANGULAR EXEMPLO DETERMINAÇÃO DA TENSÃO DE CISALHAMENTO VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE TENSÃO MÁXIMA DE CISALHAMENTO EXEMPLO REVISÃO 16 Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 1
3 1. OBJETIVO Esta apostila tem como objetivo os seguintes itens: definir o que é uma viga; definir o que é tensão; como se faz a verificação da estabilidade de um elemento estrutural e, identificar quais são as tensões que ocorrem em uma viga quando submetida a cargas. 2. VIGA - Definição Estrutura linear que trabalha, geralmente, em posição horizontal (ou inclinada), assentada em um ou mais apoios e que tem a função de suportar os carregamentos normais à sua direção (Figura 1). As vigas podem ser de Madeira, Concreto, Aço ou mistas. CARREGAMENTO x EIXO LONGITUDINAL y Figura 1. Ilustração de carregamento em vigas. 3. TENSÃO (para qualquer elemento estrutural) Resposta dos elementos estruturais (lajes, vigas, pilares, fundações), aos esforços internos aplicados - força normal (N) que dá origem à tração ou à compressão, momento fletor (M) que dá origem à flexão, momento torçor (Mt) que dá origem à torção e força cortante (V) que dá origem ao cisalhamento. A fórmula geral para qualquer que seja a tensão (Normal, flexão, torção ou cisalhamento) é: Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 2
4 Tensão EsforçoInterno Aplicado Característica Geométrica da Seção Transversal Esforço interno: Característica geométrica da seção transversal: Normal; Momento Fletor; Momento Torçor; Esforço Cortante Área (A); Momento de Inércia (I); Momento Estático (Q); Base (b); Altura (h); 3.1 TENSÃO DE FLEXÃO EM UMA VIGA Em vigas, quando submetidas a esforços externos (carregamentos transversais com relação ao seu eixo longitudinal), ocorrem deformações de flexão devido ao esforço de momento fletor, surgindo desta forma as tensões de flexão. As fibras superiores tendem a se aproximar (tensões de compressão) e as fibras inferiores tendem a se afastar (tensões de tração), quando ocorre o momento fletor positivo e o contrário, quando ocorre o momento fletor negativo, conforme ilustrado nas figuras 2 (a) e (b), respectivamente. (a) momento fletor positivo. (b) momento fletor negativo. Figura 2. Tensões de flexão em vigas. Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 3
5 3.2 DIAGRAMA DE TENSÕES RESULTANTE Ao analisarmos a figura 2(a), observamos que a tensão máxima de compressão ocorre na fibra superior e a tensão máxima de tração ocorre na fibra inferior da viga (figura 3). compressão EIXO LONGITUDINAL x tração y Figura 3. Fibra Central. Colocando-se os esforços de compressão nas fibras superiores, tração nas fibras inferiores e ainda nenhum esforço na fibra central, pode-se obter o diagrama de tensões, conforme ilustrado na figura 4 (lembrando que a viga está submetida a esforço de momento fletor positivo). Compressão Tração Figura 4. Diagrama de tensões de flexão. 4. HIPÓTESE FUNDAMENTAL DA TEORIA DA FLEXÃO - LEI DE NAVIER As seções planas de uma viga, tomadas normalmente a seu eixo, permanecem planas após a viga ser submetida à flexão. Essa conclusão é válida para vigas de qualquer material, seja ele elástico ou inelástico, linear ou não-linear. Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 4
6 As propriedades dos materiais, assim como as dimensões, devem ser simétricas em relação ao plano de flexão. As linhas longitudinais na parte inferior da viga são alongadas (tracionadas), enquanto aquelas na parte superior são diminuídas (comprimidas). 5. SUPERFÍCIE NEUTRA É uma superfície em algum lugar entre o topo e a base da viga em que as linhas longitudinais não mudam de comprimento. Linha Neutra é a interseção da superfície neutra com qualquer plano de seção transversal. Na, não há esforço, nem de tração, nem de compressão. Para materiais homogêneos (aço, madeira, concreto simples), a passa no centro de gravidade (CG) da seção transversal (figura 5). Plano Neutro Figura 5. Identificação da superfície e linha Neutra. 6. ANÁLISE DAS DISTÂNCIAS DAS FIBRAS EM RELAÇÃO A L.N. Figura 6. Seções planas em vigas. Façamos agora a análise das distâncias entre as seções transversais e conseqüentemente dos esforços nas fibras superiores, inferiores e na em alguns pontos da viga ilustrada na figura 6: Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 5
7 Sobre o apoio Meio do vão Fibras superiores Fibras se afastam: tração Fibras se aproximam: compressão Linha Neutra Não há alteração Não há alteração Fibras inferiores Fibras se aproximam: compressão Fibras se afastam: tração 7. TENSÃO DE FLEXÃO Esta tensão é a resposta da viga decorrente da flexão. A flexão aparece em uma viga devido ao esforço interno aplicado - momento fletor (M) TENSÕES DE FLEXÃO DE VIGA SUJEITA A MOMENTO FLETOR (M) POSITIVO. M N L Figura 7. Diagrama de tensões de flexão (viga de seção transversal retangular). M Tensao de Flexão - ft fc + Convenção das tensões de flexão: tensão de flexão/compressão: positiva; tensão de flexão/tração: negativa. Onde: f: tensão de flexão (fcft); Fórmula Geral da Tensão de flexão f My I M : Momento fletor na seção considerada; y: distância da à fibra considerada; I; momento de Inércia em relação à Linha Neutra Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 6
8 12,5 12,5 12,5 12, EXEMPLO DETERMINAÇÃO DAS TENSÕES DE FLEXÃO Determinar as tensões de flexão nas fibras 1e 2, superior e inferior dos pontos D e B da viga abaixo. fibra superior fibra 1 L N fibra 2 A D B C 10 fibra inferior M = 30kN.m D M = -20kN.m B Ponto D: Momento de Inércia (em rel. à ): I b.h cm 4 Fibra 1 Fibras acima da : M.y 3012,5(100) 0,36 kn/cm² f I Fibra Superior f M.y 3025(100) 0,72 kn/cm² I Obs.: o valor 100 na fórmula acima serve para transformar o momento fletor de knm para kncm. O resultado foi positivo, logo a tensão de flexão na fibra superior no ponto D (meio do vão) é de compressão. Fibra 2 Fibras abaixo da : M.y 30( 12,5) (100) - 0,36 kn/cm² f I Fibra Inferior f M.y 30( 25) (100) - 0,72 kn/cm² I O resultado foi negativo, logo a tensão de flexão na fibra inferior no ponto D (meio do vão) é de tração. Diagrama das tensões de flexão no ponto D: Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 7
9 Figura 8. Diagrama das tensões de flexão no ponto D. Ponto B: Fibra 1 Fibras acima da : M.y (-20) 12,5 (100) - 0,24 kn/cm² f I Fibra Superior f M.y I (-20) 25 (100) - 0,48 kn/cm² Obs.:O resultado foi negativo, logo a tensão de flexão na fibra superior no ponto B (apoio) é de tração. Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 8
10 Fibra 2 Fibras abaixo da : M.y (-20) (-12,5) (100) 0,24 kn/cm² f I Fibra Inferior f M.y (-20) (-25) (100) 0,48 kn/cm² I O resultado foi positivo, logo a tensão de flexão na fibra inferior no ponto B (apoio) é de compressão. 8. VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE Para não haver rompimento, ou para que haja estabilidade, é necessário que a seguinte inequação seja verificada: Tensão admissível Tensão máxima. Coeficiente de segurança Portanto, para que se verifique a estabilidade à flexão de uma viga, as inequações abaixo devem ser obedecidas, tanto para a seção de Momento fletor máximo positivo como para a seção de Momento fletor máximo negativo. f c Fórmula máx. atuante 1.4 f c máx. atuante 1.4 f t f t Observação: A barra acima dos símbolos de tensão de flexão ( f ), indica que esta tensão é uma tensão admissível. Na verificação da estabilidade à flexão, o que interessa são as tensões máximas de flexão (tração ou compressão). Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 9
11 8.1. TENSÃO MÁXIMA DE FLEXÃO Fórmula f t ou c M.y I As tensões máximas de flexão ocorrem nas seções de momento fletor máximo positivo e negativo nas fibras superior e inferior da seção transversal de uma determinada viga. As fibras superiores e inferiores são definidas a partir da (ysup e yinf), que passa pelo centro de gravidade da seção transversal, conforme ilustrado na figura 9. Figura 9. Viga T EXEMPLO VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE À FLEXÃO (DE UMA VIGA) Seja o Diagrama de momentos fletores de uma viga: 25 fibra superior L A B 25 N MMÁX = 50kN.m fibra inferior 10 Onde: f 2,00 kn/cm² c Prof. Borja f 1,75 kn/cm² t Tensões de Flexão e Cisalhamento 10
12 Características geométricas da seção transversal Momento de Inércia (retangular): I b.h cm 4 Flexão: Fórmula f T ou C máx Para M ou máx y I sup.ou inf M = 50 kn máx Fibras superiores: f T ou C máx M máx I y sup (50100) 25 1,20 kn/cm² (compressão) f c max = 1,20 kn/cm² Fibras inferiores: f T ou C máx M máx I y inf f T max = -1,20 kn/cm² (50100) ( 25) -1,20 kn/cm² (tração) Verificação (utiliza-se os valores das tensões em módulo, pois não teria sentido comparar uma tensão máxima com valor negativo com uma tensão admissível que é sempre positiva). Comparação Compressão Tração f C max. 1,4 2,00 1,20. 1,4 2,00 1,68 verifica f T max. 1,4 1,75 1,20. 1,4 1,75 1,68 verifica Conclusão Como as inequações relativas à flexão se verificaram, chega-se a conclusão de que a viga é estável considerando-se a flexão. Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 11
13 9. TENSÃO DE CISALHAMENTO Esta tensão é a resposta da viga decorrente do cisalhamento. O cisalhamento aparece em uma viga devido ao esforço interno aplicado - força cortante (V). A tensão de cisalhamento é paralela ao plano da seção transversal, ao contrário da tensão de flexão que é normal ao plano da seção transversal, conforme ilustrado na Figura 11. Figura 11. Tensões de Cisalhamento. A tensão de cisalhamento é determinada segundo a equação dada abaixo: Fórmula b w V I Q Onde: : tensão de cisalhamento. V: força cortante na seção considerada. Q: momento estático da área, definida pela fibra considerada, em relação à linha neutra. bw : largura da seção transversal na fibra considerada. I: momento de inércia em relação à Linha Neutra MOMENTO ESTÁTICO DE ÁREA SEÇÃO TRANSVERSAL RETANGULAR Momento estático produto entre área (A) e distância (d) = A x d. A - Área compreendida entre a fibra analisada e a fibra superior. d distância compreendida entre o centro de gravidade e a linha neutra. Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 12
14 L NN N LL L NN N d L L N d d N N 37,5 L d d d L L 37,5 37, d d d 25 12,5 12,5 12,5 fibra 1 fibra fibra 1 1 fibra 2 2 fibra 2fibra h Q (b ) d h Q (b ) d 2 Q (b 3h ) d 2 EXEMPLO DETERMINAÇÃO DA TENSÃO DE CISALHAMENTO. 12,5 Determinar as tensões cisalhantes nas fibras 1 e 2 e na fibra da na seção A da viga abaixo: 12,5 fibra 1 L N 12,5 A B C 12,5 fibra 2 VA = 25kN 10 Seção A: 1 Fibra 1 Fibra Fibra 2 Prof. Borja 2 V Q A 1 (25) ((10 12,5) (18,75)) 0,056 kn/cm² b I w V Q A (25) ((10 25) (12,5)) 0,075 kn/cm² b I w V Q A 2 (25) ((10 37,5) (6,25)) 0,056 kn/cm² b I w Tensões de Flexão e Cisalhamento 13
15 Diagrama das tensões de cisalhamento no ponto A: Obs.: nas fibras superior e inferior a tensão de cisalhamento é nula VERIFICAÇÃO DA ESTABILIDADE Para não haver rompimento, ou para que haja estabilidade, é necessário que a seguinte inequação seja verificada: Fórmula Tensão admissível Tensão máxima. Coeficiente de segurança Verificação da estabilidade de uma viga Portanto, para que se verifique a estabilidade ao cisalhamento de uma viga, a inequação abaixo deve ser obedecida, para a seção de Força Cortante máxima. Fórmula 1,4 max Observação A barra acima do símbolo de tensão de cisalhamento ( ), indica que esta tensão é uma tensão admissível. Na verificação da estabilidade ao cisalhamento, o que interessa é a tensão máxima de cisalhamento. Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 14
16 9.4. TENSÃO MÁXIMA DE CISALHAMENTO Fórmula b w V I Q Define-se o centro de gravidade (CG) da seção transversal da viga. Por este centro de gravidade passa a que define o momento de inércia em relação à (I). A partir da, define-se a largura da seção transversal em relação à (bw) e o momento estático em relação à (Q). bw Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 15
17 9.5. EXEMPLO Verificar a estabilidade da viga quanto a tensão de cisalhamento, conhecendo-se o diagrama do esforço cortante e dimensões da seção transversal: Seção Transversal: Onde: = 0,25 Características geométricas da seção transversal: bw = 10 cm ; b,h I cm ; bh Q cm 4 As fórmulas acima são validas somente para seção transversal retangular. Fórmula max Vmáx b I w b w V I Q Q 0,21kN/cm Verificação: Cálculo max. 1,4 0,25 0,21. 1,4 0,25 0,30 não verifica Conclusão: Como a inequação relativa ao cisalhamento não se verificou, chega-se a conclusão de que a viga não é estável considerando-se o cisalhamento. Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 16
18 IMPORTANTE: Para que uma viga seja estável, tanto as inequações relativas à flexão quanto à inequação relativa ao cisalhamento devem ser verificadas. Portanto se uma das inequações não for verificada, a viga "rompe". REVISÃO: Para que uma estrutura qualquer seja estável, a seguinte inequação, válida para qualquer tipo de esforço, deve ser verificada: Tensão admissível Tensão máxima. 1,4 A tensão admissível é uma característica do material, ou seja, cada material tem a sua tensão admissível para cada tipo de esforço. A tensão máxima é uma relação entre o esforço interno máximo que dá origem a esta tensão e uma característica geométrica da seção transversal (área, momento de inércia, momento estático, etc.). O esforço interno máximo é obtido através do cálculo e desenho dos diagramas dos respectivos esforços. Para que seja possível o cálculo dos diagramas é necessário que se faça previamente o cálculo das reações de apoio da estrutura em questão. Resumindo dados o carregamento e a geometria, calcula-se as reações de apoio; com as reações de apoio, faz-se o cálculo e desenho dos diagramas; com os diagramas, obtém-se os esforços internos máximos; a partir dos esforços internos máximos e com a geometria da seção transversal, calcula-se a tensão máxima; uma vez obtida a tensão máxima, faz-se a comparação com a tensão admissível (que é uma característica do material), levando-se em consideração também o coeficiente de segurança através da seguinte inequação: Tensão admissível Tensão máxima. 1,4 Se a inequação for verificada, logo a estrutura é estável. Prof. Borja Tensões de Flexão e Cisalhamento 17