Resistência à força cortante de vigas de concreto armado com seção transversal circular

Resumos

A proposed adequation of NBR 6118, Item 7.4, related to shear strength of reinforced concrete beams is presented with aims to application on circular cross-section. The actual expressions are most suitable to rectangular cross-section and some misleading occurs when applied to circular sections at determination of VRd2, Vc and Vsw, as consequence of bw (beam width) and d (effective depth) definitions as well as the real effectiveness of circular stirrups. The proposed adequation is based on extensive bibliographic review and practical experience with a great number of infrastructure elements, such as anchored retaining pile walls, where the use of circular reinforced concrete members is frequent.

shear; reinforced concrete; circular section; retaining walls

Resistência à força cortante de vigas de concreto armado com seção transversal circular

P. W. G. N. Teixeira^I; C. E. M. Maffei^II; M. C. Guazzelli^III

^IUniversidade de São Paulo, Escola Politécnica, Departamento de Estruturas e Geotécnica, [e-mail]. Av. Prof. Luciano Gualberto - Travessa 3 no 380 - Cidade Universitária - Butantã, CEP 05.508-010, São Paulo-SP, Brasil

^IIUniversidade de São Paulo, Escola Politécnica, Departamento de Estruturas e Geotécnica, [e-mail]. Av. Prof. Luciano Gualberto - Travessa 3 no 380 - Cidade Universitária - Butantã, CEP 05.508-010, São Paulo-SP, Brasil

^IIIMaffei Engenharia, [e-mail], Rua Moura Brasil, 183. Butantã. São Paulo, SP - Brasil

RESUMO

Neste trabalho apresenta-se proposta de adequação das expressões da ABNT NBR 6118 referentes à verificação da resistência à força cortante de vigas de concreto armado para o caso de seção circular. As expressões atuais são mais adequadas à seção retangular e apresentam algumas dúvidas quando se utilizam para seções circulares, no cálculo de VRd2, Vc e Vsw, devido às definições de bw (largura da viga) e d (altura útil da viga) e também à eficiência de estribos circulares. A adequação proposta é baseada em extensa revisão bibliográfica e em experiências práticas obtidas com grande número de projetos de elementos de infraestrutura, tais como paredes de contenção com estacas atirantadas, nos quais o uso de elementos de seção circular sujeitos a altos valores de forças cortantes é bastante frequente.

Palavras-chave: força cortante; concreto armado; seção circular; paredes de contenção.

1. Introdução

Vigas de concreto armado com seção circular são correntemente empregadas em obras de infraestrutura, como por exemplo, em estruturas de contenção de escavações (Figura 1). O uso de vigas de seção circular para túneis de pequena cobertura têm se verificado em projetos recentes (Maffei [8], [9]) (Figura 2).

A determinação da resistência à força cortante desses elementos no Estado Limite Último deve ser feita conforme o Item 17.4 da NBR 6118 [1]. No entanto, a aplicação das expressões da norma brasileira em seções circulares apresenta alguns problemas, tais como: (a) a aplicabilidade da expressão usada para determinação de V_Rd2, força cortante resistente de cálculo referente à ruína das diagonais comprimidas de concreto; (b) a definição do valor de b_w para cálculo de V_c, parcela da força cortante resistida por mecanismos complementares ao de treliça; (c) dúvidas referentes à eficiência de estribos circulares na resistência à força cortante quando da determinação de V_sw, parcela da força cortante resistida pela armadura transversal.

A preocupação com o tema é encontrada na literatura [2], [3], [4], [5], [6].Jensen et al. [2], apresentam resultados de dezesseis ensaios de vigas de seção circular. As vigas ensaiadas apresentavam diâmetro de 25cm e foram armadas com diversos arranjos de armaduras longitudinais (Figura 3) e transversais. Os citados autores utilizaram a norma americana AASHTO LFRD Bridge Design Specifications,2007 [11], a fim de estimar a resistência das vigas ensaiadas. Os resultados apresentados levam a crer que a aplicação das expressões da AASHTO (2007)pode conduzir a valores seguros da resistência à força cortante de vigas de concreto armado com seção circular como se verifica no Item 4 deste trabalho.

Merta [4], apresenta um modelo analítico que permite determinar a resistência de vigas de concreto armado de seção circular à força cortante. Para determinação do valor de V_c, o referido autor apresenta expressão na qual a influência das principais variáveis foi determinada empiricamente com base nos resultados de 44 ensaios de vigas de seção circular armadas apenas com armadura longitudinal, isto é, sem uso de estribos. Para o cálculo de V_sw, Merta [4] propõe um modelo que leva em conta os estribos curvos e divide a contribuição da armadura em duas parcelas: a componente vertical da força no estribo que atravessa a fissura de cisalhamento e mais uma parcela adicional devida às forças radiais que surgem em função da aderência entre o aço e o concreto.

Um conceito útil apresentado por Merta& Kolbitsch [5] e Li [3] é o de área efetiva (A_ef) para força cortante, também chamada "shear area" em um dos trabalhos.

Um conceito semelhante é utilizado pela norma brasileira de dimensionamento de estruturas de aço, NBR 8800 (2010). De acordo com esta norma, a área efetiva, nesse contexto, seria aquela obtida pelo quociente V/ζ_máx, onde V é a força cortante na seção e ζ_máx a tensão tangencial máxima na seção obtida com a fórmula de Jourávski [7]. A aplicação da fórmula de Jourávski a seções circulares pode trazer uma boa indicação de como as tensões de cisalhamento oriundas da força cortante são distribuídas pela seção. Um procedimento alternativo para aplicação da referida expressão pode ser baseado na divisão da seção circular em elipses, com eixo maior paralelo à direção da força cortante, e distribuindo a força cortante entre cada uma dessas elipses. Trata-se de procedimento simplificado que permite visualização da orientação das tensões tangenciais na seção transversal (Figura 4). De acordo com esse procedimento ζ_máx=1,33V/A. Porém, o valor exato da tensão máxima é dado pela Teoria da Elasticidade e depende do coeficiente de Poisson do material [10]. Para o concreto, com ν=0,2, ζ_máx=1,42V/A.

No caso de uma seção circular de concreto armado, a área efetiva é definida pelos citados autores de forma diferente, considerando-se apenas uma parte da seção de concreto. Dessa forma, a área efetiva seria a área do segmento da seção circular correspondente à altura útil "d", onde "d" é a distância entre o ponto da seção transversal mais comprimido pelo momento fletor e o centro de gravidade das barras longitudinais tracionadas (Figura 4). O valor de "d" deve ser determinado após conhecimento da posição da linha neutra na seção a fim de que se identifiquem quais barras longitudinais estariam de fato tracionadas havendo, portanto, necessidade de cálculo iterativo. Para dimensões usuais e arranjos uniformes de armadura, de acordo com [5], A_ef=0,7A_g, onde A_g é a área bruta da seção circular.

Utilizando-se o conceito de área efetiva pode-se eliminar a dificuldade de se determinar o valor de b_w a ser utilizado nas expressões da NBR 6118, substituindo-se o produto b_wd que aparece nas expressões de V_c e de V_Rd2 pela área efetiva. No entanto, além do fato de que essa substituição precisaria apresentar maior embasamento, teórico e ou experimental, esse não é o único problema a ser sanado para aplicação das expressões do Item 17.4 da NBR 6118 à seções circulares. Esses aspectos serão discutidos nos itens seguintes.

2. Aspectos de cálculo

2.1 Cálculo de V_Rd2

Jensen et al. [2], apresentam a expressão da AASHTO (2007), dada por, para determinação da força cortante resistente de cálculo referente à ruína das diagonais comprimidas de concreto. Nessa expressão, os citados autores dizem que devem ser empregados b_v=D e d_v=0,72D para seções circulares. Aplicando essa expressão às vigas ensaidas pelos citados autores, obtém-se:

Caso fosse empregado o conceito de área efetiva, obter-se-ia valor ainda inferior o que indica que provavelmente o uso da área efetiva deve ser associado a outros parâmetros:

Dentre as dezesseis vigas ensaiadas, ao menos oito delas alcançaram valores maiores que 356kN, sendo que uma das vigas apresentou ruptura com V_u,exp=479kN - diferença de 34%. Os autores não comentaram esse aspecto no artigo, mas é interessante que se procure discutir tal resultado. Dentre essas vigas que alcançaram valor de carga última que supera a resistência ao esmagamento das bielas, a diferença ocorria apenas na armadura transversal, e todas elas tinham armadura longitudinal pesada, com taxa geométrica ρ=6,4%. A viga que apresentou maior resistência tinha armadura transversal constituída por estribos duplos de 12mm com espaçamento de 10cm. Referindo-se ao diâmetro (D=25cm), isso fornece taxa geométrica de armadura transversal de aproximadamente 4x1,25cm²/(25cmx10cm)=2%, o que é um valor elevado para uma viga com f_ck da ordem de 30MPa.Considerando-se os parâmetros vigentes da ABNT NBR 6118, a taxa de armadura transversal máxima seria da ordem de 1,2% em tal situação (ver Figura 6). Os ensaios mostram, portanto, que em uma viga de seção circular o confinamento causado por estribos circulares pode aumentar a resistência ao esmagamento das bielas comprimidas. Por outro lado, pode-se afirmar que para as taxas de armaduras usuais a determinação de V_Rd2 com as dimensões b_w=D e d=0,72D, sugeridas pela AASHTO (2007), poderia conduzir a valores razoáveis para vigas usuais.

2.2 Cálculo de V_c

A determinação da parcela da força cortante resistida por mecanismos complementares aos de treliça é bastante complexa. A fim de comparar os poucos parâmetros disponíveis, serão aplicados os procedimentos propostos por Merta [4] aos ensaios de Jensen et al [2]. De acordo com [4], o valor de V_c poderia ser estimado a partir de:

Aplicando-se às vigas ensaiadas que não tinham estribos e que apresentavam 2,56% de armadura longitudinal, obtém-se:

De acordo com a NBR 6118, o valor de V_c é função apenas da resistência à tração do concreto. A norma recomenda que se adote o valor inferior de resistência à tração. No caso das vigas do ensaio o valor de "f_ctk,inf" poderia ser estimado com base no valor médio da resistência à compressão apresentado (f_c=31,7MPa), resultando em f_ctk,inf=0,21kN/cm². Aplicando aos dados do problema e adotando-se b_w=D e d=0,72D, conforme recomendações da AASHTO (2007)encontra-se o seguinte valor de V_c.

Finalmente, aplicando-se o conceito de área efetiva juntamente com a expressão da NBR 6118, obtém-se:

Nos ensaios, o valor da força cortante resistente para as vigas sem estribos variou entre 70kN e 117kN, sendo que todas tinham taxa de armadura longitudinal composta por barras distribuídas ao longo do perímetro, de maneira uniforme, de 2,56%. Portanto, os valores obtidos nos ensaios superam com certa folga as previsões da norma e do modelo de Merta [4]. As duas previsões chegam a valores bastante próximos. No entanto, considerando que o valor de V_c está sendo estimado como sendo o produto de uma tensão resistente por uma área, observa-se que essas grandezas assumem valores bastante diferentes, pois:

■ A tensão resistente é de 1,55MPa na expressão de Merta [4] e de 1,26MPa na expressão da NBR 6118;

■ A área resistente é de 344cm² na expressão de Merta [4] e foi usada com valor de 450cm² para aplicação da expressão da NBR 6118;

■ Os produtos ficam próximos: 0,155x344 ~ 0,126x450 = 53kN a 57kN.

■ Caso o valor de V_c fosse estimado como aquele correspondente à formação da primeira fissura de cisalhamento, considerando-se Estádio I, ter-se-ia, de acordo com [10] e adotando-se ν=0,2 para o concreto:

■ ζ_máx=1,42 (V / A) = 0,21kN/cm², logo V = 72,5kN.

No ensaio, obteve-se V entre 70kN e 117kN, que demonstra certa dispersão nos resultados, com valor médio de 83,75kN. Descartando-se o valor de V=117kN, a média passa a ser de 72,7kN.

2.3 Cálculo de V_sw

Para cálculo de V_sw, parcela da força cortante resistida pela armadura transversal, o modelo proposto por Merta [4], é bastante elaborado, pois considera a geometria dos estribos circulares de forma adequada. O modelo consiste em determinar a componente vertical das resultantes de forças (A_sf_yw) em cada estribo que atravessa a fissura de cisalhamento (Figura 7). Portanto, deve-se definir quantos estribos existem em uma distância (D-x-c) cotgθ, onde D é o diâmetro da seção transversal, x a posição da linha neutra na seção transversal, c o cobrimento da armadura e θ o ângulo que a fissura faz com o eixo longitudinal da viga. O modelo mecânico consiste em imaginar que os estribos que atravessam a fissura irão ser mobilizados, após a fissuração, considerando-se no Estado Limite Último, que alcancem a resistência de escoamento (f_ywd). Comparando-se com uma seção retangular, os estribos circulares seriam menos eficientes. Tome-se, por exemplo, uma seção com estribos de dois ramos com diâmetro de 10mm espaçados de 10cm. Caso a seção seja retangular, com d=60cm, o valor de V_sw fornecido, por exemplo, pela NBR 6118, seria de:

Calcule-se uma seção circular com diâmetro D=60/0,72=83,33cm, de forma que se tenha mesma altura útil "d" da seção retangular acima. Considerando cobrimento de 3cm e que a posição da linha neutra seja de 0,3D=25cm, ter-se-ia (D-x-c) cotgθ, com valor de 55,33cm caso θ=45º - Modelo de cálculo I. Nesse intervalo, haveria 5 estribos cruzando a fissura, conforme se ilustra na Figura 8. Determinando-se as componentes verticais das forças em cada estribo, conforme a Figura 8,encontra-se o valor de 7,16f_ywd - portanto 17% inferior ao de uma seção retangular com mesma altura útil.

Merta [4] propõe a expressão abaixo para cálculo dessa parcela:

onde

sendo n_t o número total de estribos que atravessa a fissura, D o diâmetro da seção transversal, x a posição da linha neutra na seção transversal, c o cobrimento da armadura, s o espaçamento dos estribos, θ o ângulo de inclinação da fissura em relação ao eixo da viga e A_sw a área da seção transversal do estribo circular. Aplicando a expressão acima, com n_t=5, chega-se a 7,2f_ywd, praticamente o mesmo valor calculado anteriormente. Portanto, a eficiência dos estribos circulares é menor que a dos estribos verticais, usuais em vigas retangulares.

Porém, além dessa parcela resistente, Merta [4], propõe que há outra parcela de contribuição oriunda da armadura formada por estribos circulares. Essa parcela poderia ser explicada como sendo formada pelas componentes verticais das forças normais que surgem na região de aderência dos estribos adjacentes à fissura - seriam componentes verticais de forças devidas à mudança de direção do estribo, determinadas com uso da fórmula de Coulomb para atrito em polias com coeficiente de atrito aço-concreto, µ=1,5. Em um estribo vertical tal componente não existiria, pois as tensões de aderência não teriam tais componentes verticais. Merta [4], apresenta a dedução e propõe a expressão abaixo para determinação dessa parcela:

onde

sendo λ=0,53, n_d o número de estribos que cruzam a fissura até metade da altura da seção e os outros termos conforme as expressões anteriores. Aplicando-se ao caso em questão chega-se a n_d=3 e V_sw,2=2,072f_ywd. Ou seja, a parcela decorrente das forças de desvio seria da ordem de 29% da primeira parcela calculada anteriormente.

2.4 Cálculo de V_Rd3

A resistência à força cortante relativa à ruína por tração diagonal, V_Rd3, seria obtida pela soma de V_c e V_sw. Tomando-se quatro exemplares dos ensaios de Jensenet al [2] que não esgotaram a capacidade das bielas comprimidas, pode-se fazer comparação de valores, apresentada na Tabela 1. Observa-se que os resultados de ensaios são sempre superiores aos obtidos com as expressões de Merta [4] e da NBR 6118, utilizando-se nestas últimasb_w=D e d=0,72D.

3. Resultados e discussões

Os resultados numéricos obtidos com as expressões empregadas nos itens anteriores levam a crer que a determinação da capacidade resistente de elementos de concreto armado com seção circular é um tema que ainda requer maiores estudos experimentais para que se possam propor expressões adequadas para utilização em projetos desses elementos.

As tentativas numéricas feitas no sentido de determinar a parcela da força cortante resistida por mecanismos complementares aos de treliça utilizaram duas abordagens: o conceito de área efetiva proposta por Li [3] e por Merta [4] e o conceito de altura útil equivalente apresentado pela AASHTO, conforme Jensenet al. [2]. As diferenças encontradas com valores experimentais foram significativas. Por outro lado, equiparando-se essa parcela à força cortante que provocaria a primeira fissura de cisalhamento obteve-se resultado mais próximo dos ensaios de Jensen [2], embora isso ainda não possa ser confirmado devido ao pequeno número de resultados experimentais disponíveis na literatura.

A determinação da parcela resistida pela armadura deve levar em conta a menor eficiência dos estribos circulares, haja vista que apenas a componente vertical da força no estribo deve resistir à força cortante. No entanto, os ensaios demonstram que a simples consideração dessa decomposição subestima a resistência fornecida pelos estribos. A explicação de Merta [4] é relacionada à ocorrência de forças de desvio de direção da tração nos estribos circulares. No exemplo analisado, tais forças de desvio corresponderam a 29% da parcela correspondente à mobilização dos estribos que atravessam a fissura de cisalhamento.

Os ensaios de Jensenet al [2] indicam que estribos circulares com taxas de armaduras pesadas elevam significativamente a capacidade das bielas comprimidas o que pode estar associado ao confinamento do concreto fornecido pelos estribos circulares. Talvez este efeito de confinamento tenha influência também nos mecanismos complementares aos de treliça e sejam responsáveis pelos valores de força cortante última dos ensaios analisados terem sempre superado as estimativas teóricas. Nos artigos consultados, tais como [2] e [4], é reportada a dificuldade de medição das deformações das armaduras transversais, relacionando-se tal dificuldade ao fato de que as deformações maiores estariam localizadas na região da fissura de cisalhamento, cuja posição não é conhecida a priori o que dificulta a instrumentação dos estribos.

Também é importante ressaltar que em todos os ensaios analisados a armadura transversal era constituída exclusivamente por estribos circulares, muito embora em alguns projetos existam situações nas quais os estribos circulares são complementados com ramos verticais.

4. Conclusões

Após análise de resultados de ensaios de elementos de concreto armado com seção transversal circular bem como das diversas contribuições teóricas encontradas na literatura, com vistas a verificar a adequação das expressões do Item 7.4 da norma brasileira ABNT NBR 6118 (2004), apresentam-se as seguintes conclusões:

■ A dificuldade na definição dos valores de b_w e d para seção circular tem sido abordada de duas formas distintas, quais sejam, o conceito de área efetiva e a adoção de b_w=D e d=0,72D, sendo que esta última conduz a resultados que aproximam um pouco melhor os resultados experimentais analisados.

■ A determinação de V_Rd2, valor da força cortante correspondente à ruína das diagonais comprimidas de concreto, conduziu a resultados inferiores aos obtidos nos ensaios analisados, mesmo adotando-se b_w=D e d=0,72D, conforme recomendações de normas internacionais,o que parece estar relacionado ao confinamento do concreto produzido pelos estribos circulares.

■ A determinação de V_Rd3, força cortante correspondente à ruína da diagonal tracionada também foi sempre inferior aos valores verificados nos ensaios analisados, mesmo adotando-se b_w=D e d=0,72D, conforme recomendações de normas internacionais e considerando-se a menor eficiência dos estribos circulares. A explicação deve estar relacionada também ao confinamento do concreto produzido pelos estribos circulares bem como ao surgimento de componentes verticais de forças de aderência decorrentes da mudança de direção dos estribos, conforme sugerido por [4]. Porém, mesmo com essas considerações, não foram obtidos valores próximos aos dos ensaios analisados.

Portanto, o uso de b_w=D e d=0,72D, ou seja, A_ef=0,72D², conforme apresentado em [2], pode conduzir a resultados a favor da segurança para determinação de V_Rd2 e de V_c. O uso da expressão de V_sw da NBR 6118 com d=0,72D também parece conduzir a resultados a favor da segurança na determinação de V_Rd3, mesmo não sendo feita a redução da eficiência dos estribos circulares.

Estas conclusões são baseadas apenas nos resultados dos ensaios analisados e referem-se a Estado Limite Último. Porém, a experiência prática dos autores com projetos de vigas de seção circular submetidas a forças cortantes elevadas indica que o uso de tais expressões tem conduzido a resultados adequados para situações de serviço com coeficiente de segurança aparentemente alto.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  18 Dez 2012
• Data do Fascículo
  Dez 2012

Histórico

• Recebido
  24 Abr 2012
• Aceito
  04 Jul 2012