Como Calcular Cargas para Estruturas Metálicas: Combinações e Considerações Práticas

O cálculo de cargas para a verificação estrutural de edifícios e outras construções exige um entendimento aprofundado das combinações de forças e ações que podem atuar sobre a estrutura. O objetivo é garantir que a construção seja estável, segura e capaz de resistir a diversas condições ambientais e operacionais. Com base nos padrões europeus e norte-americanos, este processo envolve a análise de diferentes tipos de cargas, suas combinações e a forma como elas influenciam o comportamento da estrutura, como veremos a seguir.

Em primeiro lugar, é essencial realizar verificações detalhadas tanto da estabilidade da estrutura (EQU) quanto das ações de deformação (STR). De acordo com a equação 6.10 do EN 1990, deve-se combinar as cargas de forma a refletir adequadamente os cenários mais críticos para a segurança e funcionalidade da construção. Um exemplo clássico de combinação de cargas é a verificação de dispositivos de fixação nos apoios finais da estrutura, como ilustrado na Figura 2.13, onde as combinações de cargas se apresentam da seguinte forma:

• 1,5 Qk1 A B C D

• 0,9 (Gk1 + Gk2)

• 1,1 (Gk1 + Gk2)

Essas combinações são ajustadas conforme a natureza da carga (seja ela favorável ou desfavorável), e a verificação deve ser feita para garantir que todas as forças, incluindo as verticais e horizontais, sejam levadas em consideração adequadamente.

Além disso, um fator importante a ser considerado é a combinação das cargas verticais favoráveis e desfavoráveis. Para as cargas verticais favoráveis, por exemplo, a combinação de cargas é dada por:

• Gk + 1,5 FK,W

Enquanto para as cargas verticais desfavoráveis, a combinação será ajustada com um fator de segurança maior, como ilustrado pela fórmula:

• 1,35Gk + 1,5(FK ,W + 0,5QK ,n + 0,7Qk ,es) = 1,35Gk + 1,5Fk ,w + 0,75Qk ,n + 1,05Qk ,es

O impacto de diferentes tipos de carga é outro aspecto crítico. Por exemplo, a carga de neve pode se tornar a carga predominante em algumas situações, o que exige que a combinação seja revista para refletir seu peso superior:

• 1,35Gk + 1,5(Qk ,n + 0,7QK ,es + 0,6 FK ,W) = 1,35Gk + 0,9Fk ,w + 1,5Qk ,n + 1,05Qk ,es

Por outro lado, em construções onde a carga de serviço é predominante, a combinação de cargas será ajustada conforme a fórmula:

• 1,35Gk + 1,5(Qk ,es + 0,5Qk ,n + 0,6Fk ,w) = 1,35Gk + 1,5Qk ,es + 0,75Qk ,n + 0,9Fk ,w

Esses exemplos evidenciam a complexidade do processo, que envolve a combinação precisa de várias fontes de carga para garantir a segurança e o desempenho estrutural sob diferentes condições.

Outro fator importante no cálculo das cargas é a consideração das cargas permanentes e variáveis, também conhecidas como cargas mortas e cargas vivas, respectivamente. As cargas mortas (Gk) são fixas e resultam do peso próprio dos elementos estruturais, materiais, e outros componentes permanentes da construção. Já as cargas vivas (Qk) podem variar, sendo causadas por fatores como ocupação, equipamentos, e outros elementos não permanentes.

Com relação às cargas de vento, a situação se complica ainda mais, pois estas são altamente dependentes da topografia, da velocidade do vento, da exposição ao vento e da altura do edifício. O coeficiente de pressão de velocidade (qz) é calculado levando em consideração uma série de fatores, como o coeficiente de exposição Kz, o fator topográfico Kzt, e o fator de direção Kd. A fórmula para o cálculo do vento é a seguinte:

• qz = 0,613KzK2ztKdKeV

Esses fatores devem ser ajustados para refletir as condições específicas de cada local, com ênfase na topografia ao redor da construção e na velocidade básica do vento.

A consideração do tipo de carga e sua redução é igualmente crucial nas estruturas de telhado. Para os telhados, a redução das cargas de vento e as cargas vivas no telhado devem ser feitas com base em tabelas específicas que consideram a área tributária e a inclinação do telhado. Para telhados com menor carga ou estruturas de coberturas especiais, é importante aplicar fatores de redução adequados, sem comprometer a segurança estrutural.

Ademais, a combinação de diferentes tipos de carga, como neve, vento e serviço, deve ser realizada de forma a identificar os cenários mais críticos, onde as forças de maior magnitude se combinam. Esse processo exige a análise detalhada dos diagramas de forças internas, momentos fletores e tensões geradas na estrutura para cada combinação de carga, a fim de garantir que a construção tenha a capacidade de suportar qualquer combinação de forças sem falhas.

Ao compreender essas variáveis e aplicar as normas corretamente, é possível realizar um cálculo preciso e confiável, que leva em conta todos os aspectos necessários para a construção segura e eficiente de estruturas metálicas. A precisão nesse cálculo é essencial para o desenvolvimento de projetos que atendam aos mais altos padrões de segurança e desempenho.

Como Projetar Vigas de Aço: Considerações Críticas e Abordagens Práticas

O design de vigas de aço é uma das tarefas fundamentais no campo da engenharia estrutural. As vigas são componentes carregados transversalmente ao longo de seu comprimento, resistindo principalmente a momentos de flexão, forças de cisalhamento e torção. A concepção de vigas não envolve apenas garantir que elas sejam fortes o suficiente para suportar os carregamentos aplicados, mas também que possuam rigidez adequada para evitar deformações excessivas que possam afetar a usabilidade da estrutura. Assim, a análise de vigas deve abranger três aspectos principais: resistência, estabilidade e desempenho.

As vigas são estruturadas como elementos sujeitos apenas a momentos de flexão e forças de cisalhamento, sendo o esforço normal (componente axial) considerado nulo. Dependendo da carga e do vão da viga, diferentes tipos de seções e formas de vigas podem ser utilizadas. A escolha do tipo de viga e a configuração da seção devem ser baseadas na magnitude da carga e na necessidade de garantir tanto a resistência quanto a estabilidade da estrutura.

Em termos de design de vigas de aço conforme as normas europeias, o Eurocódigo 3 (EC3) fornece orientações detalhadas sobre como projetar essas vigas de acordo com suas propriedades geométricas e as características das forças atuantes. Em particular, as vigas podem ser projetadas de maneira simples com base na resistência ao momento fletor, o que exige garantir que o momento máximo aplicado seja inferior ao momento de resistência da seção escolhida. Adicionalmente, a viga deve ser suficientemente rígida para não sofrer deflexões excessivas que comprometam a funcionalidade do sistema.

A importância da restrição lateral da viga é um aspecto crítico a ser considerado no design de vigas de aço. Quando uma viga é restrita lateralmente, ela não está sujeita a flambagem lateral-torcional, o que a torna mais estável. Para que a viga seja considerada restrita, a estrutura deve fornecer restrição lateral completa. Isso pode ser obtido através da conexão de uma laje ao flange superior da viga ou por meio de reforços adicionais que garantam a estabilidade torsional. A restrição lateral adequada também pode ser alcançada por meio de elementos de escora, posicionados de maneira a garantir que a flecha maior da viga, em relação ao seu eixo menor, seja suficientemente baixa, evitando o risco de flambagem lateral.

O design de vigas também deve abordar a resistência ao momento fletor. O processo de falha de uma viga pode ser descrito em várias etapas progressivas. Inicialmente, quando a carga aplicada é baixa, a viga não sofre deformações plásticas, com os esforços nos extremos superior e inferior da seção transversais sendo menores que o limite de escoamento. À medida que a carga aumenta, os esforços chegam ao limite de escoamento, com o momento de flexão atingindo seu valor máximo (My). Quando a seção inteira da viga começa a sofrer deformações plásticas, atingindo o momento plástico (Mp), a viga atinge seu limite de resistência.

Para que a viga continue a suportar a carga sem falhas, é crucial distinguir entre seções compactas e não compactas. Seções compactas são aquelas capazes de suportar a carga até o momento plástico, sem sofrer flambagem local na alma ou nos flanges. Em contraste, seções não compactas alcançam o limite de escoamento apenas nas fibras superior e inferior da seção, sem causar flambagem na alma ou nos flanges. A escolha do tipo de seção e a avaliação da sua capacidade de resistir a momentos de flexão plásticos e de escoamento é essencial para garantir a resistência e a estabilidade da viga.

Além disso, a flexibilidade do projeto também deve considerar a torsão da viga. Alguns tipos de seções, como as seções tubulares ou quadradas, oferecem maior rigidez torsional, o que pode ser vantajoso em certos contextos, como em estruturas que precisam resistir a forças torsionais significativas. Isso é especialmente relevante em projetos de pontes ou em estruturas de grandes vãos, onde a rigidez torsional pode evitar falhas causadas por instabilidade lateral-torcional.

Ao projetar vigas de aço, é importante estar atento a esses aspectos para garantir a segurança, funcionalidade e durabilidade da estrutura. É fundamental que o engenheiro considere a combinação de momentos de flexão, forças de cisalhamento e torção, além da necessidade de garantir a estabilidade local e a resistência ao movimento lateral. A aplicação correta dessas diretrizes técnicas no design de vigas não só otimiza os recursos materiais, mas também assegura a integridade estrutural ao longo de toda a vida útil do projeto.

Como Analisar a Estabilidade Estrutural e o Comportamento dos Juntas em Estruturas de Aço

A análise estrutural de um sistema de armações em aço frequentemente utiliza uma simplificação significativa no comportamento das juntas, tratando-as como rígidas ou, em alguns casos, como articulações. No entanto, com o avanço das técnicas de modelagem, tornou-se possível integrar elementos de juntas, ou seja, modelar uma estrutura semi-contínua, permitindo uma análise mais precisa. Esse tipo de modelagem possibilita estudar os efeitos das deformações nas fundações, atribuindo propriedades adequadas aos apoios das juntas, um aspecto importante para a análise completa do comportamento da estrutura.

Uma técnica bastante útil para simplificação e cálculos manuais é o uso de um elemento de viga equivalente. Isso é alcançado tratando as juntas nas extremidades da viga como uma extensão da própria viga, o que possibilita o estabelecimento de um modelo que integra as propriedades das juntas. Essa abordagem é particularmente vantajosa quando se analisa a estabilidade no plano de uma armação ou de um membro individual, levando em consideração o comportamento das juntas.

A maioria dos softwares modernos de análise estrutural utiliza o método das rigidezes. Este método é baseado na determinação dos deslocamentos e rotações de cada junta, de modo que as condições de compatibilidade sejam atendidas. A compatibilidade, neste caso, refere-se à necessidade de que as deformações dos membros sejam geometricamente compatíveis com os deslocamentos e rotações das juntas e apoios. Além disso, é crucial que as forças e deformações nos membros e nas juntas satisfaçam as leis comportamentais do material em questão, levando em consideração fatores como o módulo de Young, a resistência ao escoamento e a capacidade última do material.

Uma vez estabelecidos os deslocamentos e rotações, as forças podem ser calculadas para atender às equações de equilíbrio estático. Tradicionalmente, a determinação das forças nos membros ocorre por meio da análise do equilíbrio nas juntas, sendo este o método das forças, que é bastante utilizado em métodos manuais, como o método de distribuição de momentos. Porém, a simplificação desse método nem sempre consegue detectar o início de uma instabilidade estrutural.

Os cálculos manuais para a análise de uma armação com um vão, com ou sem beiral, podem ser facilitados pelo uso das Tabelas 6.1-6.3, que oferecem expressões para momentos plásticos reduzidos e fatores de momento uniforme. Esses fatores são úteis para calcular momentos distribuídos de carga ou momentos concentrados em diversas situações, como cargas laterais no plano.

Além disso, deve-se sempre considerar a possibilidade de desestabilização da estrutura, que não é um fenômeno isolado, mas sim um comportamento complexo influenciado por múltiplos fatores: as propriedades geométricas dos membros, o tipo de ligação entre as juntas e a interação com as fundações. O modelo de análise escolhido influencia diretamente a forma como esses comportamentos são tratados, seja por métodos mais simples como a teoria de primeira ordem ou por métodos mais complexos, como a teoria de segunda ordem.

É importante também destacar que, ao realizar uma análise mais avançada, deve-se ter um bom entendimento das diferenças entre a análise elástica e a plástica, sendo a análise elástica aplicável a todos os casos, enquanto a análise plástica possui limitações específicas. A análise plástica é aplicada para estruturas que podem alcançar estados plásticos antes de falharem, sendo adequada para certas condições onde as deformações plásticas podem ser assumidas.

Por fim, as variáveis estruturais, como os momentos e as forças nas juntas, devem ser tratadas com cuidado, pois a combinação de diferentes tipos de momento, forças e as condições de suporte podem afetar significativamente a segurança e estabilidade da estrutura. As tabelas e expressões fornecidas ao longo da análise podem ser essenciais para realizar cálculos precisos e garantir a integridade da armação de aço, considerando tanto os aspectos estáticos quanto as possíveis deformações plásticas e efeitos de segundo ordem.