Vigas de Acoplamento e IDEA StatiCa

As vigas de acoplamento são tipicamente adicionadas a uma estrutura para melhorar a sua resistência às forças laterais. Ligam dois elementos separados e independentes (como paredes de corte) para aumentar a rigidez do sistema global. São geralmente curtas e espessas, semelhantes a vigas-parede. Em edifícios de betão, em particular, assumem a forma de vigas de betão, que são frequentemente um dos elementos mais críticos.

Figura 1. Fisher, Andrew W., et al. "Response of Heavily Reinforced High-Strength Concrete Coupling Beams." ACI Structural Journal, vol. 114, no. 6, Nov.-Dec. 2017, pp. 1483+. Gale Academic OneFile, link.gale.com/apps/doc/A558752923/AONE?u=anon~dff1dbd&sid=googleScholar&xid=6f6988a6. Accessed 1 Nov. 2022.

As vigas de acoplamento desempenham dois papéis na maioria dos edifícios. Em primeiro lugar, a viga acopla duas paredes de corte para aumentar o momento resistente. Se existirem duas paredes de corte não acopladas, a força exercida a partir de um lado de uma parede não influenciaria a segunda parede, uma vez que não estão ligadas por vigas com uma secção transversal retangular típica. Isto significa que a força exercida afetará apenas uma parede, o que pode causar movimentos independentes da outra. Tal reduz significativamente a integridade estrutural do edifício. Em contrapartida, ao acoplar as duas paredes, reduz-se a tensão que cada parede atrai, distribuindo as forças de uma parede para a outra através do sistema de vigas. As vigas de acoplamento também distribuem a força lateral ao longo do comprimento da segunda parede, o que propaga ainda mais a tração ao longo do elemento e melhora a resistência global dos elementos estruturais.

Figura 2. Yang Liu, Hai Chen, Zi-Xiong Guo & Hong-Song Hu (2020) Seismic performance of subassemblies with composite wall and replaceable steel coupling beam, Journal of Asian Architecture and Building Engineering, 19:2, 123-137, DOI: 10.1080/13467581.2020.1718679

O segundo papel de uma viga de acoplamento é atuar como fonte de dissipação de energia durante solicitações extremas. Por exemplo, em caso de sismo, um edifício tem de ser resiliente à pressão. Para ser resiliente, uma estrutura não pode ser demasiado rígida. Caso contrário, perante um sismo (por exemplo), o edifício poderia romper ao nível do pilar da parede e colapsar. Em contrapartida, uma ligeira flexibilidade sob pressões extraordinárias significa que a estrutura é muito mais capaz de manter a integridade estrutural essencial sob pressão.

Uma viga de acoplamento tanto reforça o projeto do edifício como um todo, como é dimensionada para ceder em primeiro lugar, de modo a preservar as partes mais vitais do edifício em caso de solicitações extremas. Ao acomodar o movimento do edifício no dimensionamento das vigas, os engenheiros estruturais criam estruturas mais estáveis e seguras.

Modelos de vigas de acoplamento

O modelo pode ser dividido de acordo com o mecanismo de dissipação de energia em função do rácio de acoplamento baixo/alto. Devido ao rácio de armadura e principalmente ao rácio comprimento/altura, o mecanismo de rótulas plásticas desenvolver-se-á nas vigas de acoplamento. O Modelo 1 abaixo tem um rácio de acoplamento baixo e l/h >4, podendo ser dimensionado de acordo com a teoria de vigas, e as rótulas plásticas surgirão nas extremidades da viga. Os Modelos 2 e 3 abaixo têm um rácio de acoplamento elevado com l/h<2, o que conduz a diferentes mecanismos de rótulas plásticas provocados pela força de corte. Os modelos foram modelados e sujeitos a verificação normativa em IDEA StatiCa Detail e IDEA StatiCa Member.

Figura 3. Tipos de viga de acoplamento de acordo com o rácio de acoplamento e o desenvolvimento de rótulas plásticas

Cargas e otimização topológica

As paredes de corte podem servir como um sistema estrutural eficaz para resistir a cargas laterais, como sismos ou vento, em edifícios de grande altura. As vigas de acoplamento que ligam estas paredes, que se comportam de forma independente em cada piso, podem melhorar a capacidade de resistência lateral do edifício e dissipar energia. As forças internas induzidas por estas ações dinâmicas são principalmente forças no plano. As tensões principais revelam as zonas mais solicitadas da estrutura e ajudam a compreender o correto posicionamento da armadura. A otimização topológica utiliza o método escora e tirante, que é familiar aos engenheiros estruturais.

Figura 4.1. Forças internas e otimização topológica para rácio de acoplamento baixo

Figura 4.2. Forças internas e otimização topológica para rácio de acoplamento elevado

Mecanismo de rótulas plásticas

As rótulas plásticas desenvolvem-se com base no rácio de acoplamento. As vigas de acoplamento do tipo viga-parede com rácio de acoplamento elevado desenvolvem rótulas plásticas de corte localizadas no meio da viga. Por outro lado, uma viga com rácio de acoplamento baixo aproveita a baixa rigidez à flexão das vigas para criar as rótulas plásticas nas extremidades das vigas de acoplamento. 

Figura 5. Rótulas plásticas de corte e de flexão

Singularidades vs. tensão

O canto vivo criado na junção da viga de acoplamento com a parede de corte origina um pico de tensão local que distorce os resultados do modelo. Este pico é causado pelas singularidades no ponto do canto reentrante vivo. A questão é como lidar com estes picos nos próprios modelos. Saiba mais aqui.

Verificação normativa de vigas de acoplamento

A verificação normativa, de acordo com a norma, é a parte principal do procedimento de análise. Vamos analisar o que podemos obter dos resultados para vigas de acoplamento de betão e mistas, utilizando IDEA StatiCa Detail e IDEA StatiCa Member.

Vigas de acoplamento – rácio de acoplamento baixo

Devido à sua pormenorização relativamente simples e facilidade de construção, a viga de acoplamento em betão armado convencional é o tipo de viga de acoplamento mais amplamente utilizado no dimensionamento de edifícios. Em zonas de baixo risco sísmico, as vigas de acoplamento em betão armado convencional são por vezes dimensionadas com largura superior à das paredes de corte em edifícios de laje fungiforme. No entanto, a viga de acoplamento em betão armado convencional não proporciona boas capacidades de dissipação de energia sob tensões de corte cíclicas elevadas, e fenómenos significativos de "pinching" estão presentes na sua resposta histerética. A rotura por corte diagonal e a rotura por corte deslizante não são evitáveis neste tipo de viga de acoplamento, mesmo com pormenorização de armadura transversal de espaçamento reduzido.

Figura 6. Tensão principal de compressão 

Figura 7. Tensão nas varões de armadura

 Figura 8. Tensão de aderência de ancoragem na armadura

 Figura 9. Desenvolvimento e direção das fendas

 Figura 10. Deformação não linear 

Vigas de acoplamento – rácio de acoplamento elevado

As vigas de acoplamento em betão armado com armadura diagonal são reconhecidas como o tipo de viga de armadura mais eficaz para proporcionar um desempenho dúctil com excelente capacidade de dissipação de energia, especialmente quando o rácio vão/altura é inferior a dois. Embora as vigas de acoplamento com armadura diagonal apresentem excelente rigidez e capacidades de dissipação de energia altamente dúcteis, alguns problemas de construtibilidade limitam a sua aplicação.

Figura 11. Tensão principal de compressão 

Figura 12. Tensão nos varões de armadura

 Figura 13. Tensão de aderência de ancoragem na armadura

 Figura 14. Desenvolvimento e direção das fendas

Figura 15. Deformação não linear 

A viga de acoplamento mista

As vigas de acoplamento são difíceis e morosas de reparar após danos causados por um sismo. Recentemente, vários investigadores desenvolveram diversos tipos de vigas de acoplamento substituíveis que podem ser reparadas após o sismo. Uma preocupação principal para a viga de acoplamento substituível é melhorar a sua capacidade de auto-centramento para reduzir a deriva residual das estruturas. 

Figura 16. Modelo de vigas de acoplamento mistas

Figura 17. Tensão equivalente

Figura 18. Primeira forma de encurvadura linear 

Figura 19. Segunda forma de encurvadura linear

Figura 20. GMNIA e forma deformada

Conclusão

Cada tipo de viga de acoplamento adotado pela indústria tem os seus próprios benefícios e limitações. Ainda assim, nenhum tipo único de viga de acoplamento é aplicável a todos os casos no dimensionamento de edifícios. A viga de acoplamento em betão armado convencional é frequentemente a solução mais viável e económica sempre que a tensão de corte na viga é baixa e a viga é controlada pela flexão. Quando os rácios vão/altura das vigas de acoplamento são reduzidos, são esperadas tensões de corte elevadas. As limitações destes tipos de vigas de acoplamento e os requisitos de ancoragem associados devem ser tidos em conta na escolha de um tipo de viga de acoplamento adequado para projetos específicos. Como sempre, o projetista deve considerar as preferências da equipa de construção sempre que possível, uma vez que muitos empreiteiros terão opiniões variadas relativamente a cada metodologia.