Aviso técnico e de segurança importante: Este é um texto educacional de arquivo, não um projeto estrutural, cálculo estático, norma aplicável, detalhe de junta ou instrução para construção, soldagem, concretagem, escoramento, protensão ou reabilitação. Todas as fórmulas, marcações, dimensões, materiais, procedimentos e reivindicações originais são transferidos sem verificação de acordo com os regulamentos atuais. O projeto e a execução de estruturas acopladas aço-concreto são de competência exclusiva dos engenheiros civis, projetistas estruturais, empreiteiros e fiscalizadores autorizados com base no objeto específico, carga, solo, material e normas aplicáveis.
As construções conectadas não são um serviço especial na atual oferta pública de Savo Kusić. O foco atual é janelas de madeira, janelas de madeira-alumínio e portas personalizadas. Para um projeto de janela ou porta, você pode enviar solicitação de orçamento.
Introdução
Em algumas construções, são utilizadas lajes de concreto armado sobre suportes de aço, como lajes de pavimento de pontes em vigas I-longitudinais e transversais ou tetos em edifícios sobre vigas I. Anteriormente, tais sistemas eram dimensionados sob a suposição de que estes dois elementos poderiam mover-se entre si e que os momentos na direção do vão principal eram recebidos apenas por apoios de aço. A laje de concreto transferiu a carga para as vigas metálicas, mas não participou do recebimento dos valores estáticos correspondentes (fig. 1).
Imagem 1 — Portadora acoplada, sistema
Para este método de construção estão previstas juntas transversais na laje de concreto em intervalos regulares, a fim de permitir a retração do concreto armado e evitar fissuras indesejáveis, ou seja, tensões suplementares. No entanto, a experiência tem mostrado que as forças reais num tal sistema são significativamente diferentes daquelas calculadas. No contato entre a laje de concreto armado e o suporte de aço ocorre um grande atrito (tensão de aderência), de modo que ambos os elementos sempre cooperam.
A desvantagem do efeito de acoplamento inesperado é o aparecimento de um efeito de entalhe nas juntas da laje de concreto. As tensões de cisalhamento ao longo da superfície de apoio aumentam acentuadamente perto da junta, semelhantes às tensões de cisalhamento nas extremidades das costuras laterais. Como a posição da linha zero na junta praticamente não muda, as tensões normais no suporte de aço podem ser significativamente superiores às calculadas para acoplamento uniforme. A partir deste entalhe, pode ocorrer o domínio da adesão que se espalha ainda mais. Portanto, as juntas da laje do pavimento não cumprem sua função e não são eficazes.
Colchetes acoplados
No caso de apoios acoplados, assume-se que as forças cortantes na superfície de contato entre o apoio de aço e a laje de concreto podem ser transmitidas com segurança (forças nas vigas). A regra é que a laje de concreto fique apoiada diretamente na cinta superior do suporte metálico e que não haja movimentos relativos. Neste chamado Com acoplamento rígido são utilizados meios especiais de conexão (hastes, estribos, âncoras), que são embutidos no concreto.
Observaremos o caso de uma viga acoplada com uma laje de concreto sem juntas transversais. Se uma determinada carga (por exemplo, momento fletor) atua apenas por um curto período de tempo, as tensões e deformações correspondentes Δσ, resp. Δε de acordo com a ciência da resistência elementar, semelhante ao concreto armado. As tensões no aço e no concreto, em um determinado alongamento, estão relacionadas ao seu módulo de elasticidade: σst/σb = Est/Eb = n. Se a carga for de longo prazo, ocorrem deformações do concreto devido à retração e escoamento. Se com ε0 = σ/E0 marcamos a deformação devido à carga de curto prazo no momento t = 0, então a deformação aumenta sob carga permanente devido ao atrito até o momento t para o valor εt = ε0 (t + φt). Nas mesmas condições, as deformações de escoamento são calculadas como se fossem proporcionais às tensões. É por isso que se diz que a lei de Hooke se aplica às deformações devidas ao fluxo. O coeficiente de fluxo φt depende do tempo, classe do concreto, temperatura externa, umidade do ar, momento de carga do elemento, etc.
Em vez de flexão de acordo com Bernoulli\ e Navier, aparecem relações diferenciais, ou seja, a distribuição de tensões deve ser determinada a partir da equação diferencial para fluxo. Como resultado do escoamento, as tensões no concreto diminuem, enquanto as tensões no aço aumentam. Estas alterações de tensão dependem, além das dimensões da secção transversal, das dimensões elásticas e do momento de carga. Consequências semelhantes às do fluxo ocorrem com a retração do concreto. A quantidade de medidas de retração εs depende do concreto, do método de sua produção, bem como das condições climáticas. A retração do concreto não depende da carga aplicada ao elemento.
Acoplamentos
Os meios de acoplamento devem transferir com segurança todas as forças de cisalhamento nas superfícies de concreto e aço em contato, devido às cargas que ocorrem, e assim evitar escorregamentos. Além disso, devem receber as forças de tensionamento principais oblíquas, se devido ao seu tamanho a própria seção de concreto não puder recebê-las. O tamanho das forças é determinado de acordo com a teoria elementar da flexão. Os seguintes agentes de acoplamento são considerados:
- Âncoras de acoplamento: São placas de ferro redondas ou planas, soldadas à cinta superior do suporte metálico, que agem de forma semelhante às armaduras dobradas de vigas de concreto armado. São feitos em forma de ganchos ou estribos, na diagonal ou na vertical. Essas âncoras atuam apenas em uma direção e não são eficazes se a força de cisalhamento mudar de sinal.
- Suportes: São fixados na superfície superior do suporte de aço, podendo receber forças de cisalhamento em ambas as direções. Deve ser feita uma distinção entre cérebros moles e rígidos na direção da força de cisalhamento. As células cerebrais moles sofrem deformações significativas e distribuem de forma desigual as forças de cisalhamento sobre a sua superfície. Os cérebros rígidos proporcionam uma melhor distribuição de forças em deformações menores.
Imagem 2 — Ponte sobre o rio Ruhr perto de Herdecke
- Reforço espiral: Apoia-se sobre um suporte de aço e é soldado nos pontos de contato. As espirais não são adequadas para forças de acoplamento significativas. O mesmo se aplica ao aço redondo corrugado. Como exemplo de meios para acoplamento em pontes, na fig. 2 são mostradas as vigas da ponte sobre o Ruhr perto de Herdecka (vigas 60x40 com estribos verticais ϕ12, que são soldados às próprias vigas, a fim de evitar mais entalhes de soldagem); na fig. 3 meios para conectar as vigas transversais de uma ponte, dependendo do tamanho da força transversal, foram aplicados estribos soldados lateralmente para as vigas, bem como estribos soldados diretamente para a correia superior com vigas especiais. No caso de estribos longos, os estribos também podem ser soldados em lados opostos, fig. 4a. Na fig. 4b é a solução mostrada com estribos inclinados.
Figura 3 — Apoio transversal de uma ponte
Imagem 4 — Cérebro com estribos
Na construção civil também são utilizados estribos rígidos com estribos ou apenas estribos, mas também são encontradas soluções com estribos macios, como por exemplo. cantos rebitados. Por razões econômicas, são mais utilizadas âncoras de acoplamento, que são soldadas a um suporte de aço (fig. 5a), ou apoiadas no suporte com uma extremidade dobrada (fig. 5b). Na fig. 5c mostra a solução correspondente com ganchos deslocados. Na fig. 6 mostra uma solução normal para suportes de teto na construção civil, nomeadamente a) um suporte acoplado feito de vigas I, b) feito de vigas T, que é criado através do corte das vigas I. Nas extremidades dos suportes, devem ser sempre fornecidas escoras particularmente fortes (fig. 7). Ancoragens inclinadas são usadas para introduzir tensões de retração e temperatura na laje.
Imagem 5 — Âncoras de Acoplamento
Imagem 6 — Suporte da estrutura do mezanino
O dimensionamento dos meios de acoplamento é feito de acordo com princípios elementares. Os meios individuais devem receber uma força de cisalhamento correspondente ao seu espaçamento. Ao dimensionar a conexão soldada do tronco encefálico, o momento de tombamento deve ser levado em consideração.
Imagem 7 — a) Cérebro final com ancoragem; b) ancoragem
Acoplamento elástico
As apresentações anteriores foram relacionadas ao acoplamento rígido, onde o deslocamento relativo entre o suporte de aço e a placa é igual a zero, e os meios de acoplamento atuam continuamente. A deformação dos meios de acoplamento, a deformação local do concreto e do suporte de aço são desprezadas.
Imagem 8 — Suporte com acoplamento elástico
Sob a suposição de acoplamento rígido, as forças transmitidas por meios individuais de acoplamento são proporcionais à força transversal e à distância do cérebro. Se ocorrerem movimentos relativos significativos entre o suporte de aço e a laje de concreto em determinadas áreas, isso causa um notável reagrupamento de forças. O concreto pode deixar parcialmente de atuar como placa de pressão de uma viga acoplada, reduzindo significativamente os valores máximos das forças cortantes. Na fig. 8 é um exemplo de estrutura com acoplamento elástico, semelhante à ponte sobre o Reno, Koln-Rodenkirchen. Na fig. 9 mostra o efeito do acoplamento elástico em um suporte contínuo, para uma força concentrada e uma carga totalmente distribuída uniformemente. O deslocamento ψ, que é uma medida da rigidez do acoplamento para receber cisalhamento, é definido na fig. 8. A influência do acoplamento elástico é, portanto, muito grande, se as propriedades do acoplamento forem escolhidas propositalmente para receber cisalhamento.
Figura 9 — Exemplo de ponte com acoplamento elástico
Cálculo de estruturas acopladas
Em princípio, é econômico que a espessura da laje de concreto seja a menor possível, devendo ser observadas as espessuras mínimas determinadas pela regulamentação.
Construções determinadas estaticamente
Para construções determinadas estaticamente (por exemplo, vigas simples), as influências estáticas na seção comum para uma determinada carga são constantes, respectivamente. independente do tempo. Apenas os momentos fletores e as forças normais em certas partes da seção são variáveis devido ao efeito do fluxo e da retração.
O efeito da retração pode ser representado como uma diferença de temperatura correspondente entre o suporte de aço e a laje de concreto. Como resultado da retracção do betão, surgem tensões internas na secção acoplada, nomeadamente tensões de tracção por retracção no betão, cuja retracção é evitada pela influência do suporte de aço (bem como da própria armadura), enquanto as correspondentes tensões de compressão ocorrem na secção de aço (fig. 10). A contração aumenta com o tempo até um valor final de acordo com uma única função exponencial. Como as tensões de contração também aumentam com as deformações de contração, isso resulta no chamado fluxo de contração.
Figura 10 — a) Contração da placa livre sem acoplamento; b) tensões por retração em apoios acoplados
Dependendo do sistema estático que assume o peso próprio da laje de concreto, há uma diferença: acoplamento apenas para a carga móvel (o peso próprio é assumido apenas pelo suporte de aço, e o sistema acoplado recebe apenas as cargas que atuam na estrutura acabada), acoplamento para o peso próprio e a carga móvel (todo o peso próprio e a carga móvel atuam sobre o sistema acoplado).
O primeiro caso ocorre quando as vigas metálicas servem de suporte da fôrma, sem estarem apoiadas, e durante a concretagem podem dobrar no campo (fig. 11a). Neste caso, o próprio suporte de aço suporta o peso do concreto e da fôrma. A aderência ocorre apenas quando o concreto está suficientemente duro (fig. 11b), portanto o suporte não deve ser carregado imediatamente após a concretagem, para evitar danos ou escoamento excessivo do concreto.
No segundo caso, quando o peso próprio da laje de concreto também é recebido pelo sistema acoplado (fig. 11c), presume-se que o apoio de aço esteja apoiado durante a concretagem em locais suficientes, para que não receba momentos fletores significativos. A distribuição de tensão após a remoção do andaime é mostrada na fig. 11d.
Figura 11 — Acoplamento para carga móvel e permanente, com distribuições de tensão antes e depois da remoção do andaime
Pré-carregamento
No caso de vigas simples, tensões de tração menores ocorrem no concreto apenas devido à retração e à diferença de temperatura. Tensões de tração substanciais ocorrem em vigas salientes, vigas contínuas e outras estruturas, e podem causar fissuras no concreto. Se aparecerem fissuras na área de momentos negativos, o efeito de acoplamento é perdido. Portanto, é útil induzir antecipadamente pequenas tensões de compressão na laje de concreto, a fim de evitar com segurança a formação de fissuras devido à retração do concreto. As tensões de tração na laje de concreto de vigas acopladas podem ser reduzidas:
1. Pela correspondente pré-carga negativa da viga de aço (pré-tensionamento da borda superior). Ao mesmo tempo, a sequência de concretagem deve ser cuidadosamente estudada.
2. Elevando e abaixando os suportes intermediários dos suportes contínuos. pelo que, com o procedimento adequado, tensões de compressão podem ser causadas na laje de concreto do apoio acoplado.
3. Por protensão. O caso mais simples é quando uma laje de concreto livre é protendida e só posteriormente conectada a um suporte de aço. A vantagem deste procedimento é uma força de protensão relativamente pequena, uma vez que a cinta comprimida do suporte de aço não é protendida. Esta viga recebe momentos fletores apenas devido ao escoamento e retração da laje de concreto, portanto permanece reta devido à força de protensão. Na fig. 12a mostra a distribuição de tensões para este caso de protensão (t=0), e na fig. 12b estado final no final do fluxo (t=tE) e na fig. 12c tensões de flexão devido ao carregamento momentâneo de curto prazo (t=a). Na fig. 12d mostra a distribuição de tensões para t=0 no caso de protensão da laje de concreto colada.
Figura 12 — Protensão de laje de concreto autoportante com posterior acoplamento
Construções estaticamente indeterminadas
Vigas contínuas e estruturas semelhantes recebem momentos fletores negativos, o que muitas vezes causa altas tensões de tração na laje de concreto armado. As fissuras são indesejáveis principalmente em pontes, considerando a vida útil das vigas acopladas e o efeito dos entalhes nas fissuras. Sistemas estaticamente indeterminados são calculados para cargas de curto prazo (cargas móveis) de acordo com os métodos usuais de estática para um sistema inalterado. As quantidades estáticas e deformações correspondentes são as mesmas de um sistema idealmente elástico. Sob o efeito de carregamento constante, especialmente alto pré-esforço, sempre ocorre grande fluxo. Ao determinar a força de protensão, deve-se levar em consideração o atrito dos elementos de protensão dobrados. Durante a construção, o balanço das pontes acopladas deve ser cuidadosamente selecionado. Os suportes acoplados prontos são muito rígidos, sendo quase impossível fazer correções posteriores da posição da altura. O nível final só é alcançado depois de vários anos, considerando o fluxo. Esse nivelamento é até certo ponto incerto, uma vez que os efeitos da retração e do fluxo são variáveis, dependendo das condições climáticas que não podem ser previstas.
Conclusão
A aplicação do acoplamento não se limita a vigas de chapa metálica, mas também pode incluir suportes para reforço de vigas Langer, pontes suspensas, etc., bem como vigas treliçadas com faixa de rodagem para cima ou para baixo. Pontes treliçadas - ocorrem altas tensões de tração nas lajes próximas à pista abaixo, uma vez que essas lajes devem acompanhar em maior ou menor extensão o alongamento da cinta tensionada da viga principal. É necessária uma protensão longitudinal adequada para evitar fissuras. Na fig. 13 é um caso limítrofe em que a grade de aço não possui mais cinta inferior e seu papel é totalmente assumido por uma laje de concreto armado protendida em ambas as direções. Na fig. 13b você pode ver os canais de seção transversal 60x180 mm no próprio suporte.
Imagem 13 — Ponte Gahle: a) trecho; b) entroncamento da faixa inferior, à esquerda na estação principal, à direita em Vešaljka