Cada 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 o 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 determinam a estrutura mais do que o próprio peso da construção, ao contrário do que se espera em construções mais pesadas de 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 conforme sua ocupação e uso: pessoas, móveis, veículos e materiais armazenados. Seu valor depende da ocupação e não da estrutura em si; portanto, o piso de um armazém, de um escritório e de uma área de montagem são projetados com valores diferentes estabelecidos pelo ASCE 7 e pelo código local. A carga viva de piso e a carga viva de cobertura são tratadas separadamente, sendo que a carga viva de cobertura geralmente refere-se aos trabalhadores e equipamentos durante a construção e manutenção. Para entender a diferença prática entre as categorias permanente e variável, nossa análise sobre carga viva vs carga permanente vs carga de neve compara esses três tipos 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 em suas superfícies, exercendo força na face de barlavento e criando sucção no telhado, paredes laterais e face de sotavento. Em edifícios metálicos leves, a sucção costuma ser mais relevante que a força de pressão para dentro, pois um telhado leve tem pouca carga permanente 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, além da altura e forma do edifício. O tratamento detalhado sobre carga de vento em edifícios metálicos pode ser encontrado em nosso guia sobre carga de vento em edifícios metálicos.
Carga sísmica (terremoto)
A carga sísmica vem da inércia, não de algo empurrando a edificação externamente. Quando o solo se move em um terremoto, a massa da própria estrutura impulsiona a força, que escala com a massa e a rigidez estrutural. Como a força segue a massa, o baixo peso de uma edificação de aço geralmente joga a seu favor, e a ductilidade do aço permite que um pórtico bem detalhado absorva energia flexionando-se em vez de fraturar. A demanda depende dos parâmetros sísmicos mapeados do local e das condições do solo, portanto, duas edificações com a mesma forma podem se enquadrar em categorias sísmicas muito diferentes. Tanto a carga sísmica quanto a de vento são laterais, mas são verificadas separadamente, e uma ou a outra geralmente determina o 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
Impactos e cargas dinâmicas resultam de equipamentos que se movem, aceleram ou param dentro do edifício, sendo as pontes rolantes o exemplo clássico em estruturas metálicas industriais. Uma ponte rolante em movimento gera cargas verticais nas rodas, além de empuxo lateral e longitudinal ao trafegar e frear; esses ciclos repetidos provocam fadiga, algo que cargas estáticas não causam. É nesse ponto que entram os perfis laminados a quente reforçados e as vigas de rolamento projetadas especificamente, detalhadas em nosso guia sobre projeto de vigas para pontes rolantes em edifícios metálicos. Máquinas vibratórias e o tráfego de empilhadeiras produzem efeitos semelhantes em menor escala e devem ser comunicados ao engenheiro com antecedência.
Como essas cargas se combinam em um projeto real
Nenhuma estrutura é projetada para suportar uma única carga de forma isolada; os códigos exigem que as cargas sejam somadas em combinações predeterminadas, pois o caso mais crítico para um elemento raramente provém de uma única carga. O ASCE 7 define essas combinações tanto para dimensionamento por resistência (LRFD) quanto para dimensionamento por tensões admissíveis (ASD), atribuindo pesos diferentes a cada carga. Uma coluna pode ser governada pela combinação de carga permanente e carga viva, enquanto os reforços do mesmo edifício são determinados pela combinação de carga permanente e carga de vento. Casos de sucção líquida são importantes para estruturas metálicas leves, onde a sucção do vento aliada à baixa carga permanente pode levantar o telhado ou suas ancoragens; por isso, a combinação de sucção líquida é verificada explicitamente. Selecionar a combinação determinante e converter seus valores em dimensões dos elementos estruturais constitui uma etapa quantitativa própria, abordada em nosso guia sobre cálculo de cargas em estruturas metálicas.
Quais cargas regem um edifício metálico ou de aço comercial
Em um edifício metálico típico, as cargas ambientais geralmente determinam o projeto da estrutura mais do que o próprio peso do edifício. A baixa carga permanente que torna o aço econômico também faz com que a sucção do vento e o acúmulo de neve, e não o peso próprio, definam o telhado e suas conexões; a demanda sísmica permanece moderada devido à baixa massa. A ocupação ainda define a carga viva, motivo pelo qual projetos de edifícios metálicos comerciais, como lojas, escritórios e áreas de montagem, são dimensionados conforme o uso previsto para seus pisos e mezaninos. Uma fabricante que projeta tanto estruturas metálicas leves quanto pesadas, como nós na KAFA, adapta a estrutura ao tipo de carga predominante. Um bom projeto de edifício metálico baseia-se nessa adequação: perfis secundários mais leves para telhados sujeitos a vento e neve, e treliças rígidas mais robustas onde cargas de pontes rolantes ou industriais predominam. Independentemente do que governe o projeto, o caminho de cargas termina da mesma forma, com toda força sendo transmitida à fundação de edifícios metálicos e ao solo sob ela.
Conclusão
Identificar os tipos de carga é o ponto de partida; transformá-los em um projeto significa fixar as entradas em uma ordem específica. Comece pela localização do projeto, que define os valores mapeados de neve, vento e sismicidade que frequentemente regem uma estrutura de aço, depois defina a ocupação, que determina a carga viva que os pavimentos devem suportar. O restante segue: peso próprio da composição escolhida, água da chuva proveniente da drenagem do telhado e quaisquer cargas de guindaste ou pressão do solo específicas ao projeto, todas alimentando as combinações de cargas. Manter essa ordem correta evita que um edifício seja governado por uma carga não prevista, como a acumulação de neve em um telhado de baixa inclinação ou a elevação em uma estrutura leve de metal. O tipo de carga é a questão; já a combinação governante, obtida a partir dos mapas corretos do 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 permanente é permanente e a carga variável é variável. A carga permanente é o peso próprio fixo da estrutura e de tudo o que está permanentemente fixado, podendo ser calculada diretamente a partir dos materiais do próprio edifício. A carga variável provém de ocupação mutável, como pessoas, móveis e mercadorias armazenadas, sendo retirada de tabelas de código conforme o uso, em vez de medida. A consequência prática é que a carga permanente é conhecida com precisão, enquanto a carga variável é uma tolerância conservadora para a forma como o espaço pode ser utilizado.
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?
O 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 o ASCE 7 por referência, de modo que a obtenção de uma licença de construção efetivamente exige que o projeto siga esse padrão. As jurisdições locais podem alterar disposições específicas, razão pela qual 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 cargas permanentes, carga viva, carga de neve, carga de vento, demanda sísmica, chuva, gelo, solo, inundação e tsunami, bem como suas combinações para projetos nos EUA.
- Desmistificando as Cargas (2024 IBC / ASCE 7-22) — Conselho Internacional de Códigos. Um guia de linguagem simples sobre como o código de construção aplica cada tipo de carga, útil para entender a origem dos valores utilizados.
- MBMA Recursos de Projeto para Sistemas de Edifícios Metálicos — Associação de Fabricantes de Edifícios Metálicos. Orientações de projeto e cargas para sistemas de edifícios metálicos, incluindo o Manual de Sistemas de Edifícios Metálicos alinhado ao 2024 IBC e ASCE 7-22.
