Cargas Civis e Arquitetônicas
Cargas Mortas
As cargas permanentes representam as forças gravitacionais permanentes e imutáveis exercidas pelos componentes inerentes de uma estrutura, incluindo o seu peso próprio e elementos fixos que permanecem no lugar durante toda a vida útil do edifício. De acordo com ASCE/SEI 7-16, essas cargas abrangem o peso de todos os materiais de construção incorporados ao edifício, como paredes, pisos, telhados, tetos, escadas, divisórias embutidas, acabamentos, revestimentos e outros itens arquitetônicos e estruturais, bem como o peso de equipamentos de serviço fixo, como encanamentos, alimentadores elétricos, sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) e sistemas de sprinklers automáticos. Esta definição está alinhada com o Eurocódigo EN 1991-1-1, que classifica de forma semelhante as cargas permanentes como os pesos da estrutura, acessórios e equipamentos permanentes que não variam ao longo do tempo.
Para calcular as cargas permanentes, os engenheiros determinam a massa de cada elemento estrutural e não estrutural fixo multiplicando seu volume pela densidade de massa do material e, em seguida, convertem isso em força aplicando aceleração gravitacional. As densidades de materiais comuns incluem 2.400 kg/m³ para concreto armado de resistência normal e 7.850 kg/m³ para aço estrutural.[26] Os volumes são derivados de planos arquitetônicos e dimensões de membros, muitas vezes exigindo refinamento iterativo à medida que os projetos preliminares evoluem. Para cargas distribuídas, como em pisos ou telhados, o resultado é normalmente expresso por unidade de área (por exemplo, kN/m²), enquanto elementos lineares como vigas usam por unidade de comprimento (kN/m) e colunas usam cargas pontuais (kN).[27]
A carga permanente total DDD para uma estrutura ou componente é dada por:
onde ρ\rhoρ é a densidade de massa (kg/m³), VVV é o volume (m³) e ggg é a aceleração da gravidade (9,81 m/s²), sendo a soma considerada todos os elementos relevantes; o resultado está em newtons (N), conversível em quilonewtons (kN) dividindo por 1000.[3]
Na prática, as cargas permanentes variam de acordo com o tipo de construção e materiais; por exemplo, uma estrutura de telhado leve pode impor 0,5-1,5 kN/m², contabilizando elementos como telhas de asfalto (0,10 kN/m²), revestimento de compensado (0,15 kN/m²) e vigas leves.[28] As cargas permanentes no piso em ambientes residenciais geralmente variam de 1,5 a 3,0 kN/m², incluindo lajes e acabamentos de concreto.[29] Esses valores estabelecem forças de base que, quando combinadas com outras cargas em padrões de projeto como ASCE 7, garantem a integridade estrutural.[25]
Cargas ao vivo
Cargas móveis referem-se às forças transitórias, móveis ou móveis impostas a uma estrutura devido ao seu uso e ocupação pretendidos, incluindo contribuições de pessoas, móveis, veículos, equipamentos móveis e atividades associadas.[30] Essas cargas são variáveis em magnitude e localização ao longo do tempo, distinguindo-as das cargas permanentes, e são críticas para garantir a segurança estrutural nas condições de ocupação esperadas.[30]
Os códigos de projeto, como ASCE/SEI 7-22, especificam cargas móveis mínimas distribuídas uniformemente com base no tipo de ocupação para levar em conta essas forças variáveis. Por exemplo, edifícios de escritórios exigem um mínimo de 50 psf (2,4 kN/m²), enquanto áreas de reunião sem assentos fixos, como lobbies ou teatros, exigem 100 psf (4,8 kN/m²) para acomodar maiores densidades de multidão.[30] Esses valores representam as cargas máximas esperadas do uso típico e são aplicados uniformemente em todas as áreas do piso, a menos que cargas concentradas ou fatores de impacto sejam especificados separadamente.[30]
Para reflectir a baixa probabilidade de ocupação total simultânea em grandes áreas, são permitidas reduções de carga móvel no projecto para membros que suportam áreas de influência expansivas. As reduções normalmente variam de 20% a 50%, dependendo do elemento estrutural e da área suportada, garantindo um projeto econômico sem comprometer a segurança.[30] A carga móvel reduzida LLL é calculada usando a fórmula:
onde L0L_0L0 é a carga móvel não reduzida das tabelas de código, KLLK_{LL}KLL é o fator do elemento de carga móvel (por exemplo, 4 para colunas internas ou 2 para vigas), e AIA_IAI é a área de influência suportada pelo membro, muitas vezes considerada como quatro vezes a área tributária para sistemas de piso típicos.[30] Esta abordagem limita a carga mínima de projeto a 50% de L0L_0L0 para a maioria dos casos, com restrições adicionais para áreas de carga pesada ou vários andares.[30]
Cargas Ambientais
As cargas ambientais na engenharia estrutural referem-se a forças impostas aos edifícios e estruturas civis por fenómenos naturais como o vento, a acumulação de neve e os terramotos, que devem ser tidas em conta para garantir a segurança e a estabilidade. Estas cargas são normalmente incontroláveis e variáveis, exigindo modelagem probabilística baseada em dados climáticos e geológicos regionais para determinar os valores de projeto. Normas como a ASCE 7 fornecem metodologias para calcular essas cargas, enfatizando a exposição, a topografia e os fatores específicos do local para mitigar os riscos de falha.
Wind loads arise from air movement exerting pressure on structures, potentially causing uplift, drag, or suction effects that challenge lateral and vertical stability. The velocity pressure qqq, a key component in wind load determination, is calculated using the formula q=0.613KzKztKdV2q = 0.613 K_z K_{zt} K_d V^2q=0.613KzKztKdV2 (in N/m²), where VVV is the basic wind speed in m/s, KzK_zKz is the velocity pressure exposure coefficient accounting for terrain roughness, KztK_{zt}Kzt is the topographic factor for speed-up effects due to hills or escarpments, and KdK_dKd is the directionality factor reducing pressure for non-tornado winds. This pressure is then multiplied by external and internal pressure coefficients to obtain net forces on walls, roofs, and other elements, with design wind speeds varying by region (e.g., 25-50 m/s in hurricane-prone areas).[31]
As cargas de neve resultam do peso da neve acumulada nos telhados, influenciada pelos padrões locais de queda de neve, temperatura e geometria estrutural, apresentando riscos de colapso se não forem devidamente estimados. A carga de neve no solo pgp_gpg serve como ponto de partida, que é ajustada para exposição (por exemplo, reduzida em terrenos abertos devido à deriva), condições térmicas, importância da estrutura e inclinação do telhado para produzir a carga de neve em telhado plano pfp_fpf. Em zonas temperadas, como grande parte do centro e leste dos Estados Unidos ou partes da Europa, as cargas de neve projetadas normalmente variam de 1,0 a 3,0 kN/m² após ajustes, refletindo um intervalo de recorrência de 50 anos para equilibrar segurança e economia. Os telhados inclinados reduzem ainda mais as cargas através de um fator de inclinação, evitando deslizamentos em climas mais quentes.[32]
As cargas sísmicas decorrem de acelerações do solo durante os terremotos, induzindo forças inerciais que exigem comportamento dúctil e resistência lateral nas estruturas. O método de força lateral equivalente simplifica o projeto distribuindo um cisalhamento de base V=CsWV = C_s WV=CsW, onde CsC_sCs é o coeficiente de resposta sísmica derivado da aceleração espectral, tipo de solo e período de construção, e WWW é o peso sísmico efetivo incluindo cargas permanentes e porções de outros componentes permanentes. Esta abordagem garante que a estrutura possa suportar tremores sem colapso, com CsC_sCs limitados para evitar projeto excessivo em áreas de baixa sismicidade. O terremoto de São Francisco de 1906, com magnitude de 7,8, exemplificou as consequências da subestimação das cargas sísmicas, uma vez que os códigos de construção pré-evento ignoraram os efeitos do terremoto, levando a falhas estruturais generalizadas, apesar de alguns reforços de alvenaria; este evento estimulou as primeiras disposições sísmicas nos códigos dos EUA, exigindo considerações de força lateral.
Construção e outras cargas
As cargas de construção referem-se às forças temporárias impostas a uma estrutura durante a sua montagem, incluindo os pesos associados à fôrma, equipamentos de manuseio de materiais e sistemas de suporte temporário, como contraventamentos. Estas cargas são distintas das cargas permanentes ou operacionais, uma vez que surgem exclusivamente das atividades de construção e devem ser tidas em conta para evitar instabilidade ou colapso durante a montagem. A norma ASCE/SEI 37-14 estabelece requisitos mínimos para essas cargas, enfatizando a necessidade de combinações de cargas que incorporem fatores de incerteza nos processos construtivos.[35]
A fôrma, usada para moldar o concreto, deve suportar o peso do concreto úmido, das armaduras embutidas e das cargas móveis de trabalhadores, carrinhos ou equipamentos motorizados. Uma carga móvel mínima de 2,4 kN/m² (50 psf) na área horizontal projetada é recomendada para projeto para cobrir a movimentação de pessoal e colocação de material durante o vazamento. Os sistemas de contraventamento temporário são críticos para a estabilidade lateral, particularmente em elementos altos ou esbeltos, onde resistem ao vento ou a impactos acidentais até que o sistema permanente de resistência à força lateral esteja completo; ASCE/SEI 37-14 especifica fatores de carga de até 1,6 para tal contraventamento sob efeitos verticais e horizontais combinados.[35]
Outras cargas nesta categoria abrangem efeitos diversos não classificados como forças ambientais mortas, vivas ou primárias. A expansão térmica induz tensões internas em membros restringidos devido a variações de temperatura, com a mudança no comprimento calculada como ΔL=αLΔT\Delta L = \alpha L \Delta TΔL=αLΔT, onde α\alphaα é o coeficiente de expansão térmica do material (normalmente 12×10−6/∘12 \times 10^{-6}/^\circ12×10−6/∘C para aço), LLL é o comprimento original e ΔT\Delta TΔT é o diferencial de temperatura; este efeito é particularmente relevante durante a construção faseada onde ocorre restrição parcial.[2] As pressões do solo provenientes de escavações ou aterros atuam lateralmente em muros de contenção temporários, modelados usando coeficientes de pressão de terra ativos (por exemplo, Ka=(1−sinϕ)/(1+sinϕ)K_a = (1 - \sin \phi)/(1 + \sin \phi)Ka=(1−sinϕ)/(1+sinϕ) para solos sem coesão, onde ϕ\phiϕ é o ângulo de atrito) conforme ASCE/SEI 7-22 Capítulo 3.[2] As cargas de inundação durante a construção envolvem pressões hidrostáticas em elementos temporários submersos, equivalentes a γwh\gamma_w hγwh (onde γw\gamma_wγw é a densidade da água e hhh é a profundidade), além de arrasto hidrodinâmico se houver água corrente, com profundidades de água paradas projetadas com base nas elevações de inundação específicas do local da ASCE/SEI 7-22 Capítulo 5.[2]
Cargas de explosão e impacto são eventos extremos e pouco frequentes, tratados como forças impulsivas transitórias que podem causar danos localizados ou globais. As cargas explosivas das explosões são representadas por históricos de pressão-tempo, apresentando uma fase inicial de sobrepressão positiva seguida de sucção negativa, com o impulso I=∫P(t) dtI = \int P(t) , dtI=∫P(t)dt quantificando a transferência de momento; escala de pressões de pico com distância de impasse e rendimento explosivo, conforme padronizado no UFC 3-340-02 para cenários acidentais ou intencionais. Cargas de impacto, como queda de objetos ou colisão de equipamentos, são igualmente impulsivas, muitas vezes amplificadas por fatores dinâmicos (por exemplo, 1,5–2,0 para colisões de veículos em barreiras) para modelar a absorção de energia.[2]
Combinações e fatores de carga
Na engenharia estrutural, as combinações de cargas são essenciais para determinar os cenários de carregamento mais críticos que uma estrutura deve suportar durante o projeto, garantindo segurança contra falhas sob ações simultâneas de múltiplas cargas. Essas combinações integram vários tipos de carga – como morta, viva, neve, vento e sísmica – usando fatores específicos para levar em conta incertezas nas magnitudes de carga, propriedades dos materiais e métodos de análise. O objetivo principal é avaliar a estrutura em estados limites últimos, onde as cargas fatoradas produzem os efeitos máximos na resistência e estabilidade.[37]
O método Load and Resistance Factor Design (LRFD), amplamente adotado em códigos modernos, aplica fatores de carga maiores que a unidade às cargas nominais para amplificar seus efeitos para o projeto de resistência, contrastando com o tradicional Allowable Stress Design (ASD) que utiliza cargas não fatoradas combinadas com um fator de segurança global na resistência. No LRFD, o efeito de carga último UUU é calculado como U=∑γiQiU = \sum \gamma_i Q_iU=∑γiQi, onde γi\gamma_iγi são os fatores de carga para cada efeito de carga QiQ_iQi, garantindo que a resistência de projeto exceda a demanda fatorada com uma margem de segurança calibrada. Esta abordagem visa estados limites de resistência, como escoamento ou flambagem, enquanto as verificações de capacidade de serviço sob cargas não fatoradas tratam de deflexões e fissuras.[38][37]
Os fatores de carga em padrões como ASCE/SEI 7 são derivados da teoria da confiabilidade baseada em probabilidade, que os calibra para atingir uma probabilidade anual alvo de falha, normalmente na ordem de 10−410^{-4}10−4 para edifícios comuns, com base em modelos estatísticos de variabilidade de carga e distribuições de resistência. Por exemplo, ASCE/SEI 7 especifica combinações LRFD como 1,2D+1,6L+0,5S1,2D + 1,6L + 0,5S1,2D+1,6L+0,5S, onde DDD é o efeito de carga morta, LLL é o efeito de carga viva e SSS é o efeito de carga de neve; esses fatores refletem a maior variabilidade e a menor previsibilidade das cargas vivas e ambientais em comparação com as cargas permanentes. Esta calibração probabilística, originada de estudos fundamentais nas décadas de 1970 e 1980, garante uma fiabilidade uniforme em todos os componentes estruturais, ajustando factores para manter um índice de fiabilidade alvo, muitas vezes em torno de 3,0 para um período de referência de 50 anos.[37]