A capacidade de carga de uma viga é limitada, em quase todos os casos, pela flambagem da faixa comprimida. Isto só ocorre quando é atingido o limite de escoamento, após a uniformização das tensões em toda a aba comprimida. Apenas com fortes apoios laterais pode ser aumentada a tensão de bordo admissível até à zona de endurecimento do aço de construção. Na avaliação da capacidade de carga deve ser considerada a distribuição real das tensões. Com a hipótese de uma distribuição linear das tensões, a capacidade de carga seria subestimada. Os fenómenos de instabilidade devem ser analisados em especial.
Dedução dos furos em elementos apoiados e sujeitos à flexão
No lado tracionado da viga atua o enfraquecimento da secção, como nos elementos tracionados (rasgamento da mesa tracionada pela secção enfraquecida). Para a disposição dos furos, neste sentido, aplicam-se as mesmas regras que para um elemento tracionado.
Como os furos preenchidos com rebites na zona comprimida da viga influenciam muito pouco a distribuição de tensões e deformações, e a capacidade resistente é na maioria das vezes limitada pela flambagem lateral da mesa comprimida, o grau de enfraquecimento da secção em vigas de secção simétrica não afeta de forma significativa a carga resistente. Assim, já F. Hartmann levantou a questão de saber se, nas vigas simétricas, é de facto necessário considerar o enfraquecimento por furos. Em secções assimétricas (lado comprimido mais resistente), a dedução dos furos no lado tracionado da viga pode tornar-se decisiva para a capacidade resistente. Sob cargas frequentemente repetidas, os furos têm influência considerável, mesmo quando se encontram a uma distância maior das fibras extremas.
Hoje, no cálculo da capacidade resistente da secção à flexão, utilizam-se a secção bruta e a secção líquida (além de outros modos relevantes de rotura). A rotura pela secção bruta ocorre na parte da secção não enfraquecida por furos. A rotura pela secção líquida ocorre na secção enfraquecida por furos, e a área considerada é a área bruta reduzida pela área de todas as aberturas.
Rebites no pescoço e na cabeça
Na flexão, além das tensões normais, surgem também tensões de cisalhamento que, em apoios com banzos paralelos, são proporcionais à força transversal Q. Em seções compostas, os rebites que unem os perfis laminados individuais recebem as tensões de cisalhamento nas superfícies de contato entre eles. A distribuição das forças de cisalhamento T na alma é parabólica; nos banzos, quase retilínea. Em apoios com banzos pesados, T na alma difere pouco do valor médio Tm, que muitas vezes é suficiente para uma primeira avaliação.
Fig. 1
Os rebites na cabeça (fig. 1b) devem, em conjunto, suportar a força do perno TK < TH. A força do perno entre as lâminas individuais da alma é ainda menor e, para o caso da fig. 1c, distribui-se por um maior número de rebites.
Continuação da viga
A extensão longitudinal da chapa vertical é necessária quando a altura da chapa é maior do que as larguras das chapas disponíveis. Também pode ser necessária em função da execução e do transporte. As braçadeiras e os rebites na extensão longitudinal de um suporte devem suportar a mesma força TL que teria a chapa sem extensão na junta longitudinal. Como o enfraquecimento por furos na braçadeira é igual ao da chapa vertical, a espessura da braçadeira deve ser maior ou igual à espessura da nervura.
Fig. 2 - Extensão longitudinal da chapa vertical
A emenda transversal sob carregamento de flexão pode ser coberta de várias maneiras por grampos. A Fig. 3 mostra várias possibilidades de emenda de oficina, na qual apenas a chapa vertical é emendada. Se os grampos estiverem apenas entre os cantoneiros de flange (fig. 3a), permanecem faixas descobertas da chapa vertical abaixo dos cantoneiros de flange. Nesse caso, os cantoneiros e rebites na região da emenda da chapa vertical ficam significativamente mais solicitados, por isso esse tipo de emenda deve ser limitado a ligações de menor importância, com pequenas forças. Deve-se sempre dar preferência à emenda totalmente coberta. Grampos especiais nas pernas verticais dos cantoneiros absorvem as tensões longitudinais dessa faixa, mas participam apenas ligeiramente na absorção da força transversal. Uma certa melhoria nisso é apresentada na fig. 3c. Para grandes forças, deve-se buscar grampos em toda a altura da chapa vertical (fig. 3d), o que pressupõe que os cantoneiros de flange devam ser interrompidos. Os grampos recebem a espessura da perna do cantoneiro; em grandes espessuras de cantoneiro utilizam-se calços de nivelamento para economizar na espessura desnecessária do grampo.
Fig. 3 - Emenda transversal (de oficina) da chapa vertical
Emenda de chapa vertical sob ação de força transversa: A viga, no local da emenda, está solicitada apenas por Q (M = 0). Para uma emenda com espaçamentos iguais dos rebites (fig. 4) deve-se admitir que as forças nos rebites NiQ correspondem aproximadamente ao elemento de área e*t da junta de emenda, isto é, que as forças nos rebites estão distribuídas da mesma forma que as tensões de cisalhamento ao longo da altura da viga, NiQ = e*t*τi = e*Ti. No dimensionamento, porém, considera-se uma distribuição uniforme por todos os n rebites NiQ = Q/n.
Fig. 4 - Continuação da chapa vertical com a distribuição do esforço cortante
Fig. 5 mostra a continuação em oficina_ da chapa vertical (os cantoneiros de reforço e as lâminas continuam noutro local).
Fig. 5
Flexão com força normal: As vigas que estão simultaneamente solicitadas por momentos de flexão e forças normais são dimensionadas segundo os mesmos princípios e sob a suposição de uma distribuição linear das tensões. Com a dedução total dos rebites em ambos os banzos, a secção útil e a posição da linha neutra não dependem do caso de carga, de modo que as tensões de M e N podem ser simplesmente somadas. O carregamento dos rebites na emenda obtém-se por superposição das forças dos casos parciais de carga M, respetivamente N.
Apoio e ligação do suporte
Aqui será considerada apenas a mais comum entre as inúmeras soluções. Na avaliação, é sempre preciso pensar nas forças complementares que resultam dos desvios em relação a cálculos de resistência mais ou menos idealizados.
O apoio simples de uma viga sobre a aba superior de outro elemento construtivo é uma opção quando existe uma grande altura construtiva disponível. O caso normal é a ligação rígida com rebites ou parafusos. Na fig. 6 está representado o apoio normal de terças I contínuas na construção de edifícios, que também evita a perfuração em almas I estreitas. As vigas devem, nesse caso, ser protegidas contra o tombamento, bem como contra as forças transversais (fig. 7 e 8). Na construção de pontes, as vigas são frequentemente associadas em pares (fig. 9); apoio fixo de uma viga longitudinal sobre uma viga transversal (fig. 10). Em caso de maiores forças de apoio, as vigas devem ser enrijecidas com cantoneiras encaixadas ou perfis soldados (fig. 8 até 10). Nos elementos compostos, a carga deve ser transmitida para a alma.
Fig. 6 - Fixação das terças
Fig. 7 e 8
Fig. 9 e 10
Ligação da alma: Na fig. 11 e 12 são apresentadas ligações de vigas I, utilizadas na construção civil como ligações normais. O recorte recebe um grande arredondamento para evitar o rasgamento da alma da viga. O engastamento elástico da ligação da alma traz um certo aumento da capacidade de carga. As deformações descritas são, de facto, inofensivas sob carregamento predominantemente estático, como por exemplo nos pontes mais antigos.
Fig. 11. - Ligações normais de uma viga I com secção final perpendicular
Fig. 12 - Ligações normais com extremidades cortadas das vigas I
Ligações rígidas à flexão são executadas quando é necessária uma ligação sem alteração de ângulo (apoios contínuos, cantos rígidos de pórticos) ou quando existe risco de rotura por fadiga sob carga variável, especialmente em pontes ferroviárias. Podem ser usadas lâminas de continuidade, ligações rígidas à flexão, cantos rígidos à flexão, cantos de pórtico.
- Lamelas de continuidade – Se for necessário ligar elementos de suporte que se situam no mesmo plano, então unem-se ambas as cordas superiores com uma lamela ou tira de continuidade. Assim, os rebites da ligação ficam livres de forças de tração e evitam-se grandes deformações.
Fig. 13 - Ligação com lâmina para continuidade
Fig. 14 - Ligação das vigas longitudinais a) da ponte rodoviária; b) da ponte ferroviária
- Ligações rígidas à flexão – Este tipo de ligação encontra-se em consolas maciças de passadiços de pontes rodoviárias. Para momentos menores, a sua chapa vertical é ligada apenas em dupla secção entre os perfis angulares de enrijecimento do elemento principal. O momento introduzido é distribuído, através do enrijecimento, por toda a altura do elemento principal, ou seja, é introduzido nas suas cintas como um par de forças.
Fig. 15 e 16
- Ângulos rígidos à flexão – Os ângulos rígidos à flexão entre pilares e vigas de travamento na construção civil devem ser concebidos de modo que o ângulo permaneça inalterável e não ocorram quaisquer ultrapassagens locais de tensões. Ligações fiáveis nos ângulos surgem, por exemplo, segundo a fig. 16, quando se utilizam chapas de asa, ou segundo a fig. 100, quando o momento de encastramento nos banzos do pilar é recebido como um binómio de forças.
- Ângulos da estrutura – Em estruturas poligonais, a ligação pode ser executada no ponto de inflexão, se a diferença angular for pequena; as barras unidas são cobertas por grampos, como barras tracionadas e comprimidas. As forças de rotação concentram-se no ponto de inflexão e devem ser absorvidas pelos enrijecimentos. Na fig. 101, prestar atenção à diferença na cobertura da ligação e ao enrijecimento, consoante o sentido do momento fletor e das forças desviadoras. No caso de forças elevadas e de uma diferença angular considerável, evita-se que a ligação fique numa parte fortemente curva da estrutura. As ligações junto aos cantos da estrutura permitem uma forma construtiva melhor e facilitam a fabricação. Exemplos com ligações universais rebitadas em ambos os lados do ponto de inflexão são mostrados na fig. 102a e na fig. 102b, na qual o ângulo consiste numa parte soldada. Na fig. 103 é mostrada a ligação rígida à flexão do pilar da estrutura com a travessa contínua.
Fig. 17a
Fig. 17b
Ligações inclinadas: Nas ligações até agora consideradas, as nervuras estavam mutuamente perpendiculares. Se, porém, o ângulo não for reto, então os cantoneiros (fig. 18) são torcidos; em ângulos muito agudos utilizam-se calços em cunha. Devem usar-se cintas de continuidade e peças de apoio, conforme o caso, como nas ligações retas. As chapas de ligação dobradas (fig. 19) estão ligadas com grande excentricidade e forças suplementares significativas. A execução de ligações inclinadas é facilitada quando se utilizam pequenas placas de ligação soldadas (fig. 20).
Fig. 18
Fig. 19
Fig. 20