Todo edifício de aço é projetado para resistir a um conjunto definido de cargas. Essas cargas dividem-se em dois grupos básicos: cargas mortas e cargas vivas, além de uma série de cargas ambientais: vento, neve, sismicas, chuva, gelo e pressão do solo. Nos Estados Unidos, a referência normativa para todas elas é a ASCE/SEI 7, o padrão de cargas mínimas de projeto adotado pelo Código Internacional de Construção (IBC). Para um edifício leve de aço ou metal, as cargas ambientais frequentemente moldam a estrutura mais do que o próprio peso da construção, ao contrário do que se costuma esperar de construções mais pesadas em concreto.
Como as cargas estruturais são classificadas
As cargas estruturais são mais facilmente organizadas segundo a direção em que atuam e seu comportamento ao longo do tempo. Quanto à direção, dividem-se em cargas verticais (gravitacionais), que pressionam para baixo; cargas horizontais (laterais), que empurram para os lados; e, em alguns sistemas de estrutura, cargas longitudinais, que atuam ao longo do comprimento do edifício. Quanto ao comportamento, dividem-se em cargas permanentes, que permanecem inalteradas, e cargas variáveis, que mudam conforme o clima e o uso; além de cargas estáticas, que permanecem constantes, e cargas dinâmicas, que se movem, fazem ciclos ou atingem.
Essa divisão vai além da contabilidade, pois indica ao engenheiro como cada carga percorre a estrutura. As cargas gravitacionais seguem do telhado e dos pavimentos até as vigas e colunas e descem até a fundação, enquanto as cargas laterais devem ser resistidas por contraventamentos, estruturas rígidas ou paredes de cisalhamento antes de alcançar o solo. A tabela abaixo relaciona os tipos comuns de carga a esse esquema; as seções seguintes explicam onde cada uma governa. Nem todo projeto apresenta todas elas: a pressão do solo, o encharcamento e o impacto de guindastes surgem apenas quando o local ou o uso os gera.
| Tipo de carga | Age principalmente | O que a produz | Onde geralmente prevalece | Onde os projetistas dos EUA obtêm os valores |
|---|---|---|---|---|
| Morto | Vertical | Peso próprio da estrutura, revestimento e equipamentos fixos | Vãos longos, telhados e pisos pesados | Pesos dos materiais, desenhos do projeto |
| Ao vivo | Vertical | Ocupação: pessoas, mobiliário, mercadorias armazenadas | Pisos por uso, mezaninos | ASCE 7 / IBC por ocupação |
| Neve | Vertical | Neve acumulada e ventania sobre o telhado | Telhados em clima frio e com baixa inclinação | Mapas de neve no solo ASCE 7 |
| Vento | Lateral + elevação | Pressão e sucção nas paredes e no telhado | Edifícios altos, expostos ou leves | Mapas de vento e exposição da ASCE 7 |
| Sísmico | Lateral (dinâmico) | Movimento do solo durante um terremoto | Regiões de alta atividade sísmica, massa pesada | Mapas sísmicos ASCE 7 |
| Chuva / gelo | Vertical | Água estagnada ou gelo acumulado | Telhados de baixa inclinação ou mal drenados | Disposições da ASCE 7 para chuva e gelo |
| Solo | Lateral | Pressão do solo contra paredes enterradas | Porões, muros de contenção, fossos | Relatório geotécnico, ASCE 7 |
| Impacto / dinâmico | Varia | Guindastes, máquinas e equipamentos móveis | Baias industriais, pistas de guindaste | ASCE 7, dados do fabricante do guindaste |
Cargas gravitacionais: o que a estrutura suporta de cima para baixo
As cargas gravitacionais são as forças descendentes que uma estrutura transmite por meio de sua estrutura até a fundação, estando presentes em todos os projetos, independentemente do clima. Elas incluem o peso que o edifício sempre carrega e o peso que varia conforme o uso.
Carga morta
A carga morta é o peso permanente do próprio edifício: a estrutura de aço, o revestimento do telhado e das paredes, as lajes de piso e quaisquer equipamentos fixos que permanecem no lugar. Por ser constante, é o único tipo de carga que um engenheiro pode calcular diretamente a partir dos elementos e acabamentos escolhidos, em vez de consultar um mapa normativo. Um ponto que confunde os proprietários é a carga morta colateral: o peso de itens permanentemente fixados, como tetos, sistemas de sprinklers, dutos e estruturas solares. Esse peso é carga morta, não carga viva, e omiti-lo é uma forma comum de subdimensionar um telhado. Em um edifício de aço, a carga morta é relativamente leve, razão pela qual a estrutura reage tão intensamente ao vento e à neve.
Carga viva
A carga viva é o peso variável que um edifício suporta devido à sua ocupação e uso: pessoas, móveis, veículos e materiais armazenados. Seu valor depende da ocupação e não da estrutura; assim, um piso de armazém, um piso de escritório e um espaço de montagem são projetados com valores diferentes estabelecidos pela ASCE 7 e pelo código local. A carga viva do piso e a carga viva do telhado são tratadas separadamente, sendo que a carga viva do telhado geralmente abrange trabalhadores e equipamentos durante a construção e a manutenção. Quanto à diferença prática entre as categorias permanente e variável, nossa análise de Carga viva versus carga morta versus carga de neve Trabalhos realizados lado a lado.
Carga de neve
A neve e o gelo acumulados exercem uma carga vertical sobre o telhado que varia significativamente conforme a localização, a inclinação do telhado e a forma como o vento redistribui a neve em acumulações. Os projetistas partem de um valor mapeado da neve no solo para o local e ajustam de acordo com a exposição, a forma do telhado e as condições térmicas; assim, dois edifícios idênticos em condados diferentes podem suportar cargas de neve muito distintas. O acúmulo contra parapeitos, equipamentos e degraus do telhado costuma determinar a estrutura local, mesmo quando a carga equilibrada do telhado parece modesta. Telhados de aço com baixa inclinação requerem cuidados especiais, pois pendentes rasas retêm a neve por mais tempo e a liberam de maneira menos previsível do que telhados íngremes.
Carga de chuva e encharcamento
A carga de chuva é o peso da água que se acumula sobre um telhado quando a drenagem não consegue acompanhar, tornando-se perigosa por meio de um ciclo de feedback chamado encharcamento. À medida que a água se acumula, o telhado sofre uma deflexão; essa deflexão forma uma depressão mais profunda, que retém ainda mais água, podendo, em telhados planos ou mal drenados de aço, evoluir até sobrecarregar a estrutura. As medidas de proteção incluem inclinação adequada do telhado, drenos primários dimensionados para a tempestade de projeto e drenos secundários ou bueiros que assumem o papel caso o sistema principal fique obstruído. Tanto a chuva quanto a neve favorecem um telhado que escoe a água rapidamente.
Cargas laterais e dinâmicas: o que empurra, sacode ou provoca ciclos
As cargas laterais e dinâmicas empurram, sacodem ou fazem ciclos em uma estrutura, em vez de apenas pressioná-la para baixo, e geralmente determinam o projeto de contraventamento e da estrutura de um edifício de aço. Ao contrário das cargas gravitacionais, elas podem mudar de direção, exigindo que a estrutura resista tanto na ida quanto na volta.
Carga de vento
O vento atua sobre um edifício como pressão nas suas superfícies, empurrando a face exposta ao vento e exercendo sucção sobre o telhado, as paredes laterais e a face oposta. Para edifícios metálicos leves, a elevação muitas vezes é mais importante do que a pressão interna, pois um telhado leve possui pouco peso próprio para resistir à pressão negativa; por isso, os padrões de fixação e as zonas de borda recebem atenção especial. O valor de projeto depende da velocidade do vento mapeada para o local, da categoria de exposição do terreno, bem como da altura e forma do edifício. O vento recebe tratamento detalhado em nosso guia para Carga de vento em edifícios de aço.
Carga sísmica (terremoto)
A carga sísmica provém da inércia, e não de qualquer força externa que empurre o edifício. Quando o solo se move durante um terremoto, a própria massa da estrutura gera a força, que aumenta proporcionalmente à massa e à rigidez da estrutura. Como a força segue a massa, o baixo peso de um edifício de aço geralmente favorece sua resistência, e a ductilidade do aço permite que uma estrutura bem projetada absorva energia flexionando-se em vez de fraturar. A demanda depende dos parâmetros sísmicos mapeados para o local e das condições do solo; assim, dois edifícios de mesma forma podem ser classificados em categorias sísmicas muito diferentes. Tanto a carga sísmica quanto a carga de vento são laterais, mas são verificadas separadamente, e geralmente uma delas governa o sistema de contraventamento.
Solo e pressão lateral do solo
A pressão lateral do solo é o empurrão horizontal exercido pelo solo retido sobre as paredes abaixo do nível do solo, sendo relevante apenas quando o projeto inclui subsolos, fossas ou muros de contenção. Sua magnitude depende do tipo de solo, da umidade e da possibilidade de movimentação da parede, razão pela qual um laudo geotécnico, e não um mapa do código, determina o valor. Aterros saturados ou mal drenados aumentam drasticamente a pressão, e a pressão da água se soma a ela. Para a maioria dos edifícios metálicos de um andar sobre laje, essa carga é pequena, mas cresce rapidamente assim que a estrutura vai para o subsolo.
Cargas de impacto e dinâmicas
As cargas de impacto e dinâmicas provêm de equipamentos que se movem, iniciam ou param dentro do edifício, sendo os guindastes aéreos o caso clássico nas estruturas industriais de aço. Um guindaste em movimento adiciona cargas verticais das rodas, além de surtos laterais e longitudinais ao se deslocar e frear, e esses ciclos repetidos provocam fadiga que as cargas estáticas não causam. É aqui que entram as estruturas pesadas laminadas a quente e as vigas de passarela especialmente projetadas, detalhadas em nosso guia para projeto de viga de guindaste para edifício de aço. Máquinas vibratórias e o tráfego de empilhadeiras geram versões menores do mesmo efeito e devem ser informados ao engenheiro desde o início.
Como essas cargas se combinam em um projeto real
Nenhuma estrutura é projetada para suportar apenas uma carga isoladamente; as normas exigem que as cargas sejam combinadas de acordo com procedimentos prescritos, pois o pior cenário para um elemento raramente resulta de uma única carga. A ASCE 7 define essas combinações tanto para o projeto baseado na resistência (LRFD) quanto para o projeto baseado na tensão admissível (ASD), e cada uma atribui pesos diferentes às cargas. Uma coluna pode ser governada por carga morta mais carga viva, enquanto o contraventamento do mesmo edifício é governado por carga morta mais vento. Casos de elevação são importantes para edifícios leves de aço, onde a sucção do vento combinada com baixa carga morta pode levantar o telhado ou suas ancoragens; por isso, a combinação de elevação líquida é verificada explicitamente. Selecionar a combinação controladora e converter os valores em dimensões dos elementos é uma etapa quantitativa própria, que abordamos em cálculo de carga de estruturas de aço.
Quais cargas regem um edifício metálico ou de aço comercial
Em um típico edifício metálico, as cargas ambientais costumam determinar a estrutura mais do que o próprio peso do edifício. A leve carga morta que torna o aço econômico também implica elevação pelo vento e arraste de neve, não o peso próprio, definindo a cobertura e as conexões, enquanto a demanda sísmica permanece moderada devido à baixa massa. A ocupação ainda determina a carga viva, razão pela qual edifícios metálicos comerciais Projetos como lojas, escritórios e espaços de montagem são dimensionados com base no uso previsto para seus pavimentos e mezaninos. Um fabricante que projeta tanto estruturas leves quanto pesadas em aço, como nós da KAFA, ajusta a estrutura à carga que prevalecer. É lógico Projeto de edifício em aço depende dessa correspondência: estruturas secundárias mais leves para coberturas sujeitas a vento e neve, e estruturas rígidas mais pesadas onde predominam cargas de guindastes ou industriais. Seja qual for a carga dominante, o caminho da carga termina da mesma forma: todas as forças são transmitidas até a Fundação de edifício metálico e o solo subjacente.
Conclusão
Identificar os tipos de carga é o ponto de partida; transformá-los em projeto significa definir rigidamente as entradas. Comece pela localização do projeto, que fixa os valores mapeados de neve, vento e sismicidade que frequentemente governam uma estrutura de aço, e depois defina a ocupação, que determina a carga viva que os pisos devem suportar. O restante segue: peso morto proveniente da composição escolhida, chuva decorrente da drenagem do telhado e qualquer carga de guindaste ou pressão do solo exclusiva do projeto, todos alimentando as combinações de cargas. Manter essa ordem correta evita que um edifício seja governado por uma carga que ninguém planejou, como neve acumulada em um telhado de baixa inclinação ou elevação em um edifício leve de metal. O tipo de carga é a questão; já a combinação governante, obtida a partir dos mapas corretos da ASCE 7 para o local, é aquilo que a estrutura foi projetada para resistir.
Perguntas Frequentes
Quais são os principais tipos de carga em uma edificação?
Os principais tipos são cargas mortas, vivas, de neve, de vento, sísmicas, de chuva, de gelo, do solo e de impacto, agrupadas em cargas gravitacionais (verticais) e cargas laterais ou dinâmicas. As cargas mortas e vivas são as duas cargas estruturais básicas presentes em todos os projetos, enquanto as demais são ambientais ou específicas ao uso e dependem do local e da ocupação. A ASCE 7 também define as cargas de inundação e tsunami para as regiões costeiras específicas onde se aplicam.
Qual a diferença entre carga morta e carga viva?
A carga morta é permanente e a carga viva é variável. A carga morta corresponde ao peso próprio fixo da estrutura e de tudo o que está permanentemente fixado, podendo ser calculada diretamente a partir dos materiais do edifício. Já a carga viva provém da ocupação mutável, como pessoas, móveis e mercadorias armazenadas, sendo obtida de tabelas do código conforme o uso, em vez de medir-se diretamente. A consequência prática é que a carga morta é conhecida com precisão, enquanto a carga viva é uma margem conservadora para o uso possível do espaço.
A carga de neve e a carga viva do telhado são a mesma coisa?
Não, a carga de neve e a carga viva da cobertura são cargas distintas, verificadas separadamente. A carga de neve é uma carga ambiental baseada na neve acumulada no terreno mapeada para o local e ajustada conforme o arraste e a inclinação, enquanto a carga viva da cobertura é uma margem mínima de ocupação para trabalhadores e equipamentos durante a construção e a manutenção. Em climas frios, a carga de neve costuma ser a maior das duas e determina o projeto da cobertura.
Qual tipo de carga é mais crítico para um edifício de aço?
Para a maioria dos edifícios leves de aço, o vento e a neve tendem a ser determinantes, pois a estrutura é suficientemente leve para que a elevação e o arraste superem a modesta carga morta. A resposta ainda varia conforme o local e o uso: uma área com guindastes é governada por impacto e fadiga, um local de alta atividade sísmica pela demanda sísmica, e um piso muito carregado pela carga viva. O projeto avalia todas essas cargas por meio de combinações e escolhe o pior cenário para cada elemento.
Qual código define os tipos de carga nos Estados Unidos?
A ASCE/SEI 7, “Cargas Mínimas de Projeto e Critérios Associados para Edifícios e Outras Estruturas”, define os tipos de carga e as combinações utilizadas no projeto nos EUA. O Código Internacional de Construção adota a ASCE 7 por referência, de modo que uma licença de construção efetivamente exige projetar de acordo com ela. As jurisdições locais podem alterar disposições específicas, por isso a edição do código adotada no local é importante.
Leitura Adicional
- ASCE/SEI 7-22, Cargas Mínimas de Projeto e Critérios Associados — Sociedade Americana de Engenheiros Civis. A norma que define as cargas mortas, vivas, de neve, de vento, sísmicas, de chuva, de gelo, do solo, de inundação e de tsunami, bem como suas combinações, para o projeto nos EUA.
- Desmistificando as Cargas (2024 IBC / ASCE 7-22) — Conselho Internacional de Códigos. Um guia em linguagem simples sobre como o código de construção aplica cada tipo de carga, útil para entender de onde vêm os valores.
- Recursos de Projeto da MBMA Metal Building Systems — Associação dos Fabricantes de Edifícios Metálicos. Orientações de projeto e de carga para sistemas de edifícios metálicos, incluindo o Manual de Sistemas de Edifícios Metálicos alinhado com o IBC 2024 e a ASCE 7-22.
