A engenharia estrutural mudou meu mundo de várias maneiras, desde a construção de arranha-céus altos até a construção de pontes que atravessam rios inteiros.
A coluna de viga simples é uma das partes mais importantes de muitos desses edifícios.
Esta parte da estrutura está sujeita a cargas axiais e momentos fletores causados por forças laterais ou pela excentricidade da carga longitudinal ao mesmo tempo.
Muitas das maravilhas da engenharia de hoje não seriam possíveis sem colunas de vigas.
Neste artigo, examinarei as colunas de vigas e falarei sobre o que são, como funcionam e por que são importantes.
Este post é para qualquer pessoa, seja você um novo estudante de engenharia ou um engenheiro experiente que deseja aprender algo novo.
Então, vamos começar e descobrir o que são colunas de vigas e o que elas fazem.
Introdução
Definição formal:
Um membro estrutural é submetido simultaneamente a cargas axiais e momentos fletores produzidos por forças laterais ou pela excentricidade da carga longitudinal.
A coluna de viga é uma parte importante da engenharia usada para suportar edifícios, pontes e outras estruturas.
Neste artigo, veremos as diferentes maneiras como as colunas de vigas são usadas na engenharia e em projetos de construção.
O que é uma viga de coluna?
Uma coluna de viga é um membro estrutural feito para suportar cargas em seu longo eixo.
Pode ser chamado de membro de compressão, o que significa que a maior parte do peso é colocada sobre ele quando é comprimido.
Uma coluna de viga pode suportar o peso de vigas, paredes, lajes e outras estruturas.
Tipos de colunas de vigas
Existem muitos tipos diferentes de colunas de vigas usadas na engenharia.
Colunas de vigas de aço laminadas são um tipo comum de coluna usado na construção de aço.
É feito rolando placas de aço em uma forma que pode suportar cargas quando elas são pressionadas juntas.
- Pilar de viga de concreto armado: Este tipo de pilar de viga é feito de concreto e reforçado com barras de aço.
É usado para construir com concreto armado e é uma ótima maneira de mover coisas pesadas.
- Coluna de viga de madeira: Este tipo de coluna de viga é feita de madeira e é muito utilizada na construção residencial.
- Coluna de viga composta: Este tipo de coluna de viga é feito combinando dois ou mais materiais, como aço e concreto, para criar uma estrutura mais forte e durável.
Por que se contentar com menos quando a coluna de vigas oferece tudo?
Ainda difícil de entender? Deixe-me mudar um pouco o ponto de vista:
Você está cansado de vigas chatas e retas que só podem fazer uma coisa de cada vez? Não olhe para nenhum outro lugar além da coluna da viga! Por que usar uma viga unidimensional simples quando você pode usar um membro que faz tudo?
Sim, a coluna de viga é o sucesso da engenharia estrutural porque pode lidar facilmente com cargas axiais e momentos fletores.
Então, por que escolher apenas um tipo de carga quando você pode ter todas? Com a coluna de viga versátil, você pode abraçar a estranheza da carga longitudinal e adicionar alguma força lateral à sua vida.
Ok, isso foi apenas uma piada feita para parecer um anúncio de TV.
Agora vamos voltar para a explicação.
Materiais Utilizados em Vigas-Colunas
As vigas-colunas podem ser feitas de pedra, madeira, concreto ou aço, entre outras coisas.
Na construção moderna, no entanto, as colunas de aço em forma de H são frequentemente usadas porque são fortes e rígidas.
Os lados mais longos do flange da coluna em forma de H são mais espessos do que a peça central da alma, o que a torna mais capaz de resistir às forças de compressão.
Edifícios modernos também são frequentemente sustentados por sistemas de vigas e pilares feitos de concreto armado.
Definição e diferenças
Definição de Viga e Coluna
Uma viga é uma peça de um edifício que é feita para resistir a cargas por flexão.
Normalmente, é plano e sustentado nas extremidades ou ao longo de seu comprimento.
A maioria dos pisos, telhados e pontes são sustentados por vigas.
Por outro lado, uma coluna é uma parte vertical de um edifício feita para resistir principalmente a cargas de compressão.
Geralmente é usado para sustentar um edifício ou outra estrutura e mover o peso para a fundação.
Diferenças entre Viga e Coluna
Existem algumas diferenças principais entre vigas e colunas.
- Capacidade de carga: As vigas são feitas principalmente para suportar cargas dobradas, enquanto as colunas são feitas principalmente para suportar cargas comprimidas.
Por causa disso, as vigas tendem a ser mais fortes quando dobradas e mais fracas quando comprimidas, enquanto as colunas tendem a ser mais fortes quando comprimidas e mais fracas quando dobradas.
- Orientação: as vigas geralmente estão nas laterais e as colunas geralmente estão no topo.
- Condições de suporte: As vigas geralmente são apoiadas em suas extremidades ou ao longo de seu comprimento, enquanto as colunas geralmente são apoiadas em sua base e em seu topo.
- Formato da seção transversal: as vigas geralmente são quadradas, circulares ou em forma de I, enquanto as colunas geralmente são quadradas, circulares ou retangulares.
Principais Conceitos e Diferenças
Uma coluna de viga é uma peça de um edifício feita para lidar com cargas axiais e de flexão.
É usado quando cargas pesadas precisam ser movidas da estrutura para a fundação.
A coluna de viga vai da subestrutura para a superestrutura.
É uma parte fundamental da movimentação de peso do topo do edifício para a fundação.
Diferenças entre colunas de vigas, vigas e colunas
Aqui estão as diferenças mais importantes entre colunas de vigas, vigas e colunas:
- Capacidade de carga: Uma coluna de viga é feita para suportar cargas axiais e de flexão, enquanto uma viga é feita principalmente para suportar cargas de flexão e uma coluna é feita principalmente para suportar cargas axiais.
Uma coluna é um membro de compressão vertical, enquanto uma viga é um membro de compressão horizontal.
Uma coluna de vigas conecta a fundação à camada superior, que pode ser horizontal ou vertical.
Em termos de forma de seção transversal, uma viga é geralmente quadrada, circular ou em forma de I, enquanto uma coluna é geralmente quadrada, circular ou retangular.
A seção transversal de uma coluna de viga pode ter qualquer forma, mas geralmente é uma mistura de formas quadradas e redondas.
- Uso: As vigas são usadas principalmente para suportar pisos, telhados e pontes, enquanto as colunas são usadas principalmente para suportar o peso de um edifício ou outra estrutura.
As colunas de vigas são usadas em edifícios que precisam transferir cargas axiais e de flexão para a fundação.
Conexão viga-coluna
As conexões viga-coluna mantêm vigas e colunas juntas em uma estrutura.
Neste artigo, veremos os diferentes tipos de conexões viga-pilar e como elas ajudam a manter um edifício seguro e estável.
Tipos de Conexões Viga-Coluna
Com base na rigidez da ligação, existem dois tipos principais de ligações viga-pilar: ligações flexíveis e ligações rígidas.
- Conexão Flexível: Em uma conexão flexível, também chamada de conexão simples ou conexão pinada, não há transferência de momento entre as partes que estão conectadas.
Ele move forças axiais ou de cisalhamento, mas não momentos.
As ligações flexíveis são frequentemente utilizadas em estruturas onde as ligações entre vigas e pilares têm de lidar com pequenas torções ou voltas.
- Conexão Rígida: Uma conexão rígida, também chamada de conexão resistente ao momento ou fixa, transfere cisalhamento e momento entre as partes que estão conectadas.
As ligações rígidas são utilizadas quando a ligação entre uma viga e um pilar tem de lidar com grandes torções ou forças de torção.
Conexões especiais
Para juntas tortas, vigas excêntricas a colunas e conexões a almas de colunas, podem ser usadas conexões simples.
Essas conexões são consideradas especiais.
Ao tornar as seções da viga menores, as conexões simples podem ter mais resistência ao serem amarradas.
Isso pode ser feito cortando furos na alma da viga ou cortando parte das mesas da viga (seção da alma reduzida).
Fatores que influenciam o projeto de conexão viga-coluna
O tipo de conexão viga-pilar usada depende de vários fatores, como a quantidade de peso que a estrutura pode suportar, os requisitos do projeto estrutural e as propriedades dos materiais.
Algumas das coisas que afetam como as conexões viga-pilar são feitas são:
- Capacidade de Carga: A ligação viga-pilar deve ter capacidade de carga suficiente para resistir às forças e momentos que possam atuar sobre ela.
- Requisitos para o Projeto Estrutural: O projeto da ligação viga-pilar deve atender ao código de construção e às especificações do projeto para o projeto estrutural.
- Propriedades do Material: O projeto deve levar em consideração a resistência e rigidez dos materiais utilizados na ligação viga-pilar.
Momento máximo e design
No projeto estrutural, a capacidade de uma estrutura de resistir a momentos de flexão é uma parte fundamental para garantir que ela permaneça estável.
Momento Máximo
As equações e fórmulas do momento fletor são usadas para descobrir quanto uma viga pode dobrar.
O momento máximo é o maior momento que uma estrutura pode ter sob um determinado caso de carga.
É importante lembrar que o caso mais importante para o projeto nem sempre é o momento máximo.
Devido à interação entre as forças de flexão e axiais ou de torção, um caso de carga diferente com um valor de momento menor pode acabar sendo relatado como o caso mais importante para o projeto.
Momentos de design
Momentos de design e momentos máximos não são a mesma coisa.
Os momentos de projeto são calculados observando os requisitos do código e os fatores de segurança, enquanto os momentos máximos são calculados observando os resultados de uma análise.
Os momentos de projeto levam em consideração coisas como as propriedades do material, fatores de segurança e combinações de cargas com base no que diz o código.
Os momentos de projeto são muito importantes para garantir que a estrutura aguente as cargas que são colocadas sobre ela e ainda tenha espaço suficiente para segurança.
Considere as seguintes coisas para descobrir o momento do design:
- Propriedades do material: Ao determinar o momento de projeto, a resistência ao escoamento e o módulo de elasticidade da viga são levados em consideração.
- Combinações de carga: O momento de projeto é calculado usando a lista do código de construção das diferentes combinações de carga.
- Fatores de segurança: O momento de projeto inclui fatores de segurança para garantir que a estrutura possa suportar cargas acima e além das cargas máximas esperadas.
Projetando colunas de vigas
Vigas-colunas são membros estruturais que são comprimidos ao longo de seu comprimento e dobrados em sua largura.
Em edifícios, eles são usados para mover o peso da viga acima para a fundação.
Para projetar uma viga-coluna, você deve descobrir quanto peso está sobre ela e qual é o seu tamanho.
Você pode fazer isso com um software como o Calculador de vigas/colunas do Autodesk Inventor ou manualmente usando fórmulas de livros didáticos de engenharia civil ou sites como CivilJungle.com ou Civiconcepts.com.
Cálculo de cargas em uma viga-pilar
O primeiro passo para fazer uma estrutura de viga-coluna é descobrir quanto peso está sendo colocado na viga e na coluna.
Na maioria das vezes, as cargas são aplicadas nas extremidades dos pilares, o que causa tensões axiais de compressão.
Às vezes, forças axiais, forças transversais e momentos fletores podem atuar em uma coluna (por exemplo, vigas-colunas).
Ao dividir a distribuição de carga real pelo comprimento da viga, você pode encontrar a carga uniformemente distribuída em kilonewtons por metro.
Calculando o tamanho da viga e da coluna
Depois de descobrir quanto peso há na viga-coluna, você precisa descobrir o tamanho que a viga e a coluna precisam ter com base em quanto peso está em cada uma.
Por exemplo, o volume de concreto para uma viga de 230mm x 450mm, excluindo a espessura da laje, seria 0,23 x 0,60 x 1 = 0,138 m3, e pesaria 0,138 x 2400 = 333 kg.
Da mesma forma, o peso total de uma coluna cujo comprimento é geralmente três vezes a menor largura da seção transversal pode ser encontrado somando-se os pesos de todas as suas partes.
Conexão Viga-Coluna
Uma conexão viga-coluna é onde uma viga e uma coluna se juntam em um edifício.
É formado pela junta e pelas partes das vigas, pilares e laje que ficam próximas à junta.
Dependendo da rigidez da ligação, existem diferentes tipos de ligações viga-pilar.
Uma conexão flexível, também chamada de conexão simples ou pinada, transfere cisalhamento ou força axial, mas não momentos.
Uma conexão rígida, também chamada de conexão resistente ao momento ou conexão fixa, move tanto o cisalhamento quanto o momento entre as partes que estão conectadas.
Para juntas tortas, vigas excêntricas a colunas e conexões a almas de colunas, podem ser usadas conexões simples.
Momento máximo de flexão
Quando uma força externa é aplicada a uma viga-pilar, fazendo com que ela entorte e eventualmente quebre, é quando o momento fletor atinge seu máximo.
Quando apoios com pinos são usados para sustentar uma viga contínua, os momentos de sobrecarga ocorrem nos apoios intermediários e os momentos de flacidez ocorrem nos vãos.
Muito perto dos apoios intermediários estão os pontos de contraflexão.
É possível que o ponto de máximo momento esteja onde o maior momento primário é aplicado.
Momentos de design e momentos máximos
Os momentos de projeto são calculados observando os requisitos do código e os fatores de segurança, enquanto os momentos máximos são calculados observando os resultados de uma análise.
Ao projetar momentos, muitas coisas são levadas em consideração, como as propriedades do material, fatores de segurança e combinações de carga.
Os momentos máximos levam em conta apenas as cargas que são colocadas em uma estrutura, não os requisitos de segurança ou de código.
Razão de Magreza
Na engenharia civil, o índice de esbelteza é a relação entre o comprimento de uma coluna e sua menor dimensão lateral.
Para descobrir, divida o comprimento efetivo da coluna por seu raio de giro.
A taxa de esbelteza é usada para descobrir quanto peso uma coluna pode suportar antes de dobrar.
Se a razão de esbelteza for menor ou igual a 12, as colunas são consideradas curtas.
Se for maior que 12, as colunas são consideradas longas ou estreitas.
Colunas curtas são controladas por seu comprimento e largura, enquanto colunas longas e finas são controladas por suas proporções de comprimento para largura.
Uniões de vigas/colunas
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Coluna de viga usa
Pontes:
As colunas de vigas são frequentemente usadas para construir pontes porque podem suportar os momentos de flexão causados pelo peso dos veículos, bem como as forças laterais causadas pelo vento e terremotos.
Eles também podem ser feitos para atender a diferentes vãos e cargas, o que os torna uma boa escolha para pontes de vãos curtos e longos.
Edifícios grandes e altos:
As colunas de vigas são frequentemente usadas em edifícios altos porque podem suportar pesos pesados e suportar as forças do vento e terremotos.
Eles também são ótimos para edifícios altos porque podem ser feitos com diferentes comprimentos e diâmetros.
Isso ajuda a distribuir o peso de maneira mais uniforme e torna o edifício mais estável como um todo.
Estruturas industriais:
Como podem conter equipamentos e maquinários pesados, as colunas de vigas são frequentemente usadas em edifícios industriais, como fábricas e armazéns.
Nesses tipos de edifícios, as colunas de vigas são frequentemente usadas para suportar as treliças do telhado e mover o peso do telhado para a fundação.
Estruturas residenciais:
As colunas de vigas também são usadas em edifícios residenciais, especialmente para paredes e fundações de porões.
Eles também podem ser usados como colunas de suporte em plantas baixas abertas para ajudar a manter os andares superiores estáveis.
Projetos de infraestrutura:
As colunas de vigas são frequentemente usadas em projetos de infraestrutura, como túneis, barragens e muros de contenção.
Nos túneis, as colunas de vigas sustentam o teto e as paredes.
Nas barragens, eles ajudam a espalhar o peso da água uniformemente pela estrutura.
As colunas de vigas podem ser usadas em muros de contenção para interromper as forças laterais causadas pela pressão do solo e pela água.
Conclusão
Ao concluirmos nossa análise das colunas de vigas, fica claro que essas partes da construção são muito importantes no mundo da engenharia.
Das fundações de nossos edifícios às estradas que conectam nossas cidades, as colunas de vigas fornecem a muitas das estruturas que usamos todos os dias o suporte e a estabilidade de que precisam.
Mas as colunas de vigas também são interessantes porque nos dão uma visão única de como a forma e a função funcionam juntas.
A maneira como uma coluna de vigas é feita e colocada pode ter um grande efeito na aparência e na sensação de um edifício como um todo.
Por causa disso, podemos pensar nas colunas de vigas não apenas como ferramentas úteis, mas também como uma parte importante da engenharia como arte e ciência.
Portanto, da próxima vez que você passar por um arranha-céu ou atravessar uma ponte, reserve um momento para apreciar a simples coluna de vigas que ajuda a tornar tudo isso possível.
Links e referências
Introdução ao projeto de colunas de aço ou membros de compressão
Detalhe Edifício com Aço
Uso Estrutural do Concreto
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