Dimensões de vigas de aço explicadas: altura, mesa e alma
As dimensões de uma viga de aço descrevem a forma de sua seção transversal: altura total, largura das mesas, espessura das mesas e espessura da alma. Essas medidas afetam a forma como a viga suporta flexão e esforço cortante, o espaço que ocupa e a maneira como outros componentes podem ser conectados a ela. Duas vigas com alturas semelhantes podem apresentar comportamentos muito diferentes se as proporções das mesas e da alma forem distintas.
As dimensões são lidas em conjunto com a designação da seção, o grau do material e a norma aplicável. Uma dimensão nominal identifica uma seção, mas as dimensões reais, as tolerâncias e as propriedades da seção são obtidas nas tabelas publicadas pertinentes ou na documentação aprovada do produto.
Uma viga de aço típica em forma de I tem duas mesas conectadas por uma alma. Quando a viga é instalada na orientação usual, as mesas formam as partes superior e inferior da seção; a alma é a parte em forma de chapa entre elas. As quatro dimensões mais usadas para descrever essa forma são apresentadas abaixo.
Os símbolos variam entre normas e catálogos, por isso o desenho correspondente costuma ser a referência mais clara. As dimensões, por si só, também não abrangem todos os detalhes: perfis laminados têm transições arredondadas, ou raios de concordância, onde a alma encontra as mesas. Alguns tipos de seção têm faces das mesas inclinadas, fazendo com que a espessura indicada da mesa seja medida em um local especificado, e não na borda.
A altura total é medida da face externa superior à face externa inferior. É fácil confundi-la com a distância livre entre as mesas, que é menor porque não inclui suas espessuras. Os raios de concordância também reduzem a área plana da alma disponível para uma chapa, um parafuso ou uma solda perto da junção com a mesa.
Na flexão em torno do eixo forte de uma seção I convencional, posicionar o material das mesas mais longe do centro geralmente aumenta a rigidez à flexão e a resistência da seção à flexão. Por isso, uma seção mais alta pode proporcionar maior rigidez sem um aumento proporcional de peso. O efeito não é determinado apenas pela altura: a área das mesas, as dimensões da alma e a geometria completa da seção transversal também são relevantes.
Uma altura maior tem consequências físicas. Uma viga que se encaixa estruturalmente pode deixar espaço insuficiente acima de um teto, abaixo de um piso ou em uma abertura. A altura também afeta a geometria das conexões de extremidade e o espaço disponível para instalações que passam ao redor da viga. Se a viga precisar se encaixar em uma estrutura existente, a altura real e a tolerância admissível são mais importantes do que uma designação nominal arredondada.
Uma viga mais alta não é automaticamente a escolha certa para todas as condições de carga. O comprimento sem contraventamento, a contenção lateral, os detalhes das conexões e a direção da flexão influenciam seu desempenho. O projeto estrutural utiliza as propriedades pertinentes da seção e as condições de carga, em vez de selecionar a viga apenas pela altura.
Largura da mesa é a distância entre as bordas externas da mesa. Ela afeta o espaço disponível para apoio, soldas e chapas de conexão. Também contribui para a resistência à flexão em torno do eixo fraco, na qual a largura da mesa é particularmente importante.
A largura não deve ser tratada como uma medida direta de estabilidade lateral. Mesas mais largas podem contribuir para a rigidez, mas a contenção lateral, o comprimento sem contraventamento e a posição da carga ainda influenciam a suscetibilidade da viga à flambagem lateral com torção. A tabela da seção e o projeto estrutural fornecem a base para essa avaliação.
Espessura da mesa afeta a quantidade de material concentrada longe do centro da seção. Mesas mais espessas podem aumentar a resistência à flexão, mas também adicionam peso e alteram os detalhes das conexões. Por exemplo, o comprimento de aperto dos parafusos, o acesso às bordas e a preparação para soldagem podem precisar acomodar uma mesa mais espessa.
Ao comparar perfis, confirme se as superfícies das mesas são paralelas ou inclinadas. Uma medição com paquímetro na borda de uma mesa inclinada pode não corresponder à espessura tabelada, mesmo quando a viga está em conformidade com sua especificação. O ponto de medição definido pela norma esclarece essa aparente discrepância.
A alma une as mesas e suporta grande parte do esforço cortante vertical em uma viga submetida a cargas verticais usuais. A espessura da alma também afeta o comportamento local perto de cargas concentradas, apoios e conexões. Uma alma fina pode exigir uma avaliação mais cuidadosa quanto à flambagem ou ao escoamento local; aumentar a altura total da viga não elimina essa necessidade.
A altura útil da alma é menor do que a altura total. Em uma seção com mesas paralelas, subtrair as espessuras das duas mesas fornece a distância entre suas faces internas, mas a região plana é ainda menor devido aos raios de concordância. Essa distinção é importante ao posicionar furos para parafusos ou ajustar uma chapa de conexão. Uma chapa dimensionada para toda a altura interna calculada pode interferir nas transições curvas.
As aberturas na alma introduzem outra distinção. Um furo que cabe fisicamente entre as mesas não é necessariamente aceitável do ponto de vista estrutural. Seu tamanho e sua posição em relação aos apoios, às cargas concentradas, a outras aberturas e às conexões precisam ser avaliados. A abertura altera a seção transversal local; as propriedades tabeladas originais, por si só, deixam de descrever esse local.
A designação de uma viga é uma forma abreviada de identificar uma seção padronizada, não um conjunto completo de medidas. Em um sistema, a designação pode combinar uma altura aproximada com a massa por unidade de comprimento; outro pode usar o nome de uma série e uma dimensão nominal. As unidades são importantes: um valor de massa por comprimento e um valor de peso por comprimento não devem ser comparados como números idênticos sem conversão.
A altura nominal pode ser arredondada, e as seções da mesma série de altura nominal podem ter alturas reais, dimensões das mesas e massas diferentes. Por outro lado, duas vigas com alturas medidas semelhantes podem pertencer a famílias de seções distintas. Portanto, a designação deve ser lida em conjunto com a norma e a respectiva tabela de seções.
A massa por unidade de comprimento está relacionada à área da seção transversal e à densidade do material. Ela é útil para estimar requisitos de manuseio e transporte, mas não revela como o material está distribuído. Duas seções com massas semelhantes podem ter alturas e proporções de mesas diferentes, resultando em rigidez e resistência distintas em cada eixo.
As dimensões indicadas são valores nominais sujeitos a tolerâncias de fabricação. Uma variação medida não é automaticamente um defeito, e uma medição aparentemente próxima, por si só, não comprova conformidade. As disposições de tolerância pertinentes, o tipo de seção e o método de medição determinam o que é aceitável.
As tabelas de vigas traduzem a geometria da seção transversal em propriedades usadas nos cálculos estruturais. Essas propriedades estão relacionadas à altura, à largura e à espessura, mas não são intercambiáveis com essas dimensões.
Cada eixo tem suas próprias propriedades. Uma viga instalada com a alma na vertical tem um eixo forte e um eixo fraco; girar a seção altera quais propriedades resistem a uma determinada direção de carga. Por isso, um único valor de altura não permite determinar a capacidade de flexão ou a deflexão.
O grau do material é independente da geometria. Duas vigas com as mesmas dimensões podem ter limites de escoamento especificados diferentes. Por outro lado, um grau de maior resistência não torna necessariamente uma viga visivelmente mais rígida sob a mesma carga: para vigas com a mesma geometria, a deflexão elástica depende do módulo de elasticidade, da carga e das condições de apoio. Resistência e rigidez são verificações de projeto distintas.
Primeiro identifique a seção e sua orientação; em seguida, meça a altura total e a largura das mesas entre as faces externas acessíveis. Uma régua reta pode ajudar a transpor pequenas irregularidades superficiais durante a medição de uma seção grande. Para medir espessuras, use um paquímetro ou medidor de espessura apropriado e evite medir a alma através de acúmulo de tinta, uma solda ou o raio de concordância da mesa.
Registre o local de cada medição. Em uma mesa inclinada, siga o ponto de medição especificado para aquela seção. Na alma, meça a parte plana, afastada da junção arredondada. Revestimentos superficiais, corrosão, carepa de laminação e danos locais podem afetar as leituras; registre sua presença em vez de considerar uma única medição como representação exata do aço original.
O comprimento é uma dimensão distinta da altura da seção transversal. Em uma viga instalada, diferencie o comprimento físico de corte do vão entre apoios: eles podem ser diferentes devido aos comprimentos de apoio ou à disposição das conexões. Da mesma forma, a distância entre as extremidades das mesas não descreve a flecha, a contraflecha ou a torção ao longo da peça, que exigem observações separadas.
As chapas de conexão e de reforço são especificadas por sua própria espessura, largura e comprimento e, em seguida, ajustadas à geometria real da viga. A folga em relação aos raios de concordância, o acesso aos parafusos e o tamanho da solda afetam o formato final da chapa. Um desenho que especifique apenas a designação da viga pode não fornecer informações suficientes para fabricar uma chapa que se ajuste à alma.
O material também deve ser identificado independentemente da forma. Por exemplo,Chapa de aço inoxidável 316L é um material de chapa de aço inoxidável; sua espessura e resistência à corrosão não determinam o tamanho, o grau ou a capacidade de carga de uma viga estrutural. Quando materiais diferentes se encontram, o detalhe da conexão e as condições de exposição precisam ser considerados separadamente.
Comece pela designação completa e pela norma; em seguida, compare a altura real, a largura das mesas, as espessuras das mesas e da alma, a massa por comprimento e as propriedades pertinentes da seção. Mantenha o mesmo eixo de carga durante toda a comparação. Uma alteração que melhora o desempenho à flexão em torno do eixo forte pode ter um efeito diferente no comportamento em torno do eixo fraco ou no espaço disponível para as conexões.
Para substituir uma seção, corresponder apenas à altura original não é suficiente. A largura e a espessura das mesas podem afetar as conexões aparafusadas ou soldadas, enquanto uma espessura diferente da alma altera o encaixe das chapas na alma e pode afetar a resistência local. Os furos existentes, as superfícies de apoio e as folgas também precisam estar alinhados com a seção proposta.
Para uma nova seção, o desenho deve especificar claramente a série, o tamanho, o grau e a norma da viga pretendida. Quando o espaço de encaixe é limitado, inclua a geometria das conexões e as folgas necessárias, em vez de confiar em uma altura nominal para indicar o espaço disponível.