Estas condutas e tubagens são geralmente colocadas abaixo da face inferior da viga e, por razões estéticas, são cobertas por um teto falso, criando assim um espaço morto. Em cada piso, a altura deste espaço morto acresce à altura total do edifício, dependendo do número e da dimensão das condutas.
Assim, as aberturas na alma permitem ao projetista reduzir a altura da estrutura, especialmente em edifícios altos. Por outras palavras, conduzem a um projeto economicamente eficiente.
Concentração de tensões
A concentração de tensões é observada na vizinhança de irregularidades geométricas, como uma variação abrupta de secção ou as aberturas. Designam-se geralmente por entalhes. Os entalhes criam um aumento local da tensão nominal. O resultado é um fluxo de tensões não uniforme ao longo da secção transversal. A razão entre a tensão máxima e a tensão nominal designa-se por fator de concentração de tensões. Este fator depende da posição da carga e da geometria do entalhe. Os valores eram habitualmente obtidos a partir de ensaios experimentais. Atualmente, utiliza-se a análise por elementos finitos para determinar o fator de concentração de tensões.
Aberturas pequenas vs. grandes em vigas
Aberturas pequenas
As aberturas classificam-se como pequenas ou grandes e a melhor posição da abertura é definida com base no seu tamanho. As aberturas na alma podem assumir diversas formas, tais como circular, retangular, losangular, triangular, trapezoidal e até formas irregulares. No entanto, as aberturas circulares e retangulares são as mais comuns.
As aberturas podem ser consideradas grandes quando o seu diâmetro excede 0,25 vezes a altura da alma. Quando a abertura é suficientemente pequena para manter o comportamento típico de viga (ou seja, quando se aplica a teoria usual de vigas), a abertura pode ser designada como pequena.
Se o mecanismo resistente à flexão pura da viga não for alterado pela abertura, a capacidade de flexão no estado limite último não é afetada.
Tensão principal no betão e tensão nas armaduras para uma abertura a meio vão
Com base na teoria da elasticidade, a tensão de corte máxima é atingida na zona central da secção transversal. Devido à solução não linear, o CSFM (Método do Campo de Tensões Compatível) permite observar a redistribuição das tensões para a zona onde existe energia suficiente para transferir a carga. Isto significa que as aberturas na vizinhança do apoio afetam mais a capacidade resistente do que as aberturas a meio vão, onde atua o momento fletor máximo.
Tensão principal no betão e tensão nas armaduras para três aberturas nas secções críticas para flexão e corte
Aberturas grandes
A presença de aberturas grandes em vigas de betão armado requer atenção especial nas fases de análise e dimensionamento, devido à redução tanto da resistência como da rigidez da viga e à fendilhação excessiva junto à abertura provocada pela elevada concentração de tensões. Na prática, as aberturas localizam-se próximo dos apoios, onde o corte é predominante.
Ensaios experimentais demonstraram que uma viga com armadura insuficiente e pormenorização inadequada na zona da abertura colapsa prematuramente de forma frágil. O mecanismo de rotura consiste claramente em quatro rótulas, uma em cada extremidade dos banzos superior e inferior.
As observações experimentais do modo de rotura final conduziram ao desenvolvimento de um método de análise para prever a resistência última de uma viga com uma grande abertura retangular. Este método baseia-se na análise da carga de colapso, na qual os requisitos fundamentais de equilíbrio, cedência e mecanismo são satisfeitos simultaneamente.
Rótulas plásticas e fendas na vizinhança das rótulas plásticas
À semelhança de uma viga com aberturas pequenas, a incorporação de uma abertura grande na zona de flexão pura de uma viga não afetará a sua capacidade de momento, desde que a profundidade do bloco de tensões de compressão última seja inferior ou igual à altura do banzo comprimido e que a rotura por instabilidade do banzo comprimido seja evitada mediante a limitação do comprimento da abertura, o qual deverá ser cuidadosamente analisado.
Análise de encurvadura, primeiro modo de deformação e fator crítico
Resumo
As aberturas em vigas, paredes e lajes são como o pão nosso de cada dia para os engenheiros estruturais. O mundo moderno exige estruturas transparentes, altas e esbeltas, que trazem benefícios tanto do ponto de vista económico como ambiental. A compreensão clara do mecanismo de rotura e a sua prevenção são essenciais para estruturas altas, transparentes e arrojadas. Além disso, permite também poupar altura estrutural para as condutas, tubagens ou outras instalações.
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