CONFIGURAÇÕES DE ENSAIO
3.2.1 Aplicação de Carga Axial através de Tirantes Pré-esforçados
Neste tipo de configuração de ensaio, a aplicação de carga axial é realizada por intermédio de tirantes exteriores rotulados na base (pavimento rígido, bloco de fundação ou outro elemento que garanta fixação adequada) e na extremidade superior do provete onde é aplicado o pré-esforço que comprime a peça em estudo (Figura 3.1). Neste contexto, a amarração dos tirantes reveste-se de particular importância, uma vez que, normalmente, limita a sua utilização ao estudo de pilares ligados a uma fundação rígida ou, mais genericamente, a pilares em consola.
Como se pode verificar, neste esquema a verticalidade e a direcção da carga aplicada através dos tirantes pré-esforçados varia em função do deslocamento horizontal do topo do pilar induzido pelas acções horizontais cíclicas. Por causa deste efeito, a força, que se pretende vertical, vai inclinar de um determinado ângulo e o seu ponto de aplicação vai desviar-se do alinhamento da base.
Voltando à observação da Figura 3.1 – b), percebe-se que o facto de a carga inclinar em relação à vertical implica o aparecimento de uma componente horizontal parasita que justifica a diferença entre os diagramas de momentos apresentados na Figura 3.2. Sendo assim, pode concluir-se que as configurações de ensaio que recorrem à aplicação da carga axial através de tirantes pré-esforçados não simulam
correctamente o efeito P-∆, tal como ocorre nas estruturas sujeitas à acção sísmica No entanto, isso não quer dizer que não seja possível corrigir os resultados obtidos de maneira a eliminar o efeito produzido pela inclinação da carga.
a) b) c)
Figura 3.1 – Aplicação de carga axial através de tirantes pré-esforçados (Esmaeily- Ghasemabadi e Xiao (2002))
Voltando aos esquemas apresentados nas Figuras Figura 3.1 e Figura 3.2 verifica-se que é possível relacionar o efeito P-∆ (real) com o efeito P-δ (deste tipo de ensaio) através da expressão: M=V× −H
(
P senα)
×H+(
Pcosα)
∆ ; que relaciona o momento máximo, que se produz na secção da base do pilar. Nesta equação cada uma das parcelas representa: V×H o momento produzido pelo actuador horizontal na base do pilar;(
P senα)
× o momento produzido pela componente horizontal da Hforça aplicada aos tirantes (no sentido contrário à acção); e
(
Pcosα)
∆ o efeito P-∆ real.Casos haverá em que, dado o nível de deslocamento horizontal máximo que se pretende atingir em função da altura do provete de ensaio, se pode considerar que o ângulo α é suficientemente pequeno para que não possa influenciar de forma significativa os resultados obtidos. Nestes casos pode admitir-se que o processo de ensaio, que recorre a tirantes pré-esforçados para aplicar a carga axial, é válido directamente na caracterização do comportamento dos pilares submetidos a ensaio, sujeitos à flexão composta e, portanto, os valores do esforço aplicado nos tirantes pode ser usado directamente na caracterização do efeito P-∆.
A bibliografia consultada permite identificar configurações de ensaio distintas, adoptadas por diferentes autores. Essas configurações, embora tendo particularidades
δ= V P H L α ∆ δ M (L-H)sin(α)=∆cos(α )-Hsin(α) M=Pδ=[V-Psin(α)]H+Pcos( α)∆ H L α M V P ∆ α P
Macaco usado para aplicação do pré-esforço M=(V-W)H+Q M=[V-Psin(α)]H+Pcos(α)∆ W=Psin(α) H ∆ M P Q = P co s( α ) P'=Pcos(α) V'=[V-Psin(α)] P'∆
que as distinguem, apresentam em comum o facto de a carga axial ter sido aplicada recorrendo a tirantes pré-esforçados.
Figura 3.2 – Influência do tipo de aplicação da carga axial no efeito P-∆ (Esmaeily- Ghasemabadi e Xiao (2002))
Para este tipo de configuração de ensaio, a carga horizontal cíclica é aplicada por intermédio de um actuador fixo a uma estrutura de reacção. Consoante as disponibilidades laboratoriais, a estrutura de reacção de alguns ensaios, que obrigatoriamente tem que ter uma rigidez suficientemente elevada, consiste, em geral, numa estrutura articulada metálica (Xiao e Ma (1997)) ou em pórtico (Saadatmanesh et al. (1997)) ou numa parede de reacção em betão armado (Mo e Hwang (1999), Yao et al. (2001), Pavese et al. (2004), Mo et al. (2004), Chang et al. (2004), Xiao et al. (2005), Chun e Park (2002), Lukkunaprasit e Sittipunt (2003), Júlio (2001) e Rodrigues (2005)).
Há, também, exemplos de aplicação biaxial da carga cíclica, recorrendo a dois carregamentos laterais em duas direcções ortogonais, sob controlo de deslocamentos e segundo leis de carga previamente estabelecidas (Qiu et al. (2002)).
Relativamente à aplicação da carga axial com recurso a tirantes pré-esforçados, constituídos por aço de alta resistência, estes podem ser articulados numa das extremidades – rotulados na base – (Xiao et al. (2005), Rodrigues (2005), Chun e Park (2002) e Lukkunaprasit e Sittipunt (2003)) ou nas duas – tirantes bi-articulados – (Mo e Hwang (1999) e Mo et al. (2004)) para, assim, evitar que se instalem esforços de flexão nos tirantes.
∆ P
V
δ
H
(a) Aproximação do ensaio tradicional (b) Correcção necessária para o ensaio
Pδ VH M=VH+Pδ ∆ P ∆ H V VH P∆ M=VH+P∆
A carga axial é aplicada, em geral, por intermédio de macacos hidráulicos que permitem fixar o esforço de tracção constante que se pretende instalar nos tirantes. No entanto, este esforço nos tirantes também pode ser aplicado com recurso a um actuador hidráulico que possibilita variar o esforço axial a instalar nos provetes durante a realização dos ensaios cíclicos (Yao et al. (2001), Qiu et al. (2002)).
A sapata do provete é fixa ao pavimento rígido dos laboratórios de ensaio por intermédio de tirantes pré-esforçados, variando o seu número de autor para autor e em função das dimensões dos provetes. Lukkunaprasit e Sittipunt (2003) realizaram uma série de ensaios com a sapata encastrada ao pavimento rígido por intermédio de seis tirantes de alta resistência e, adicionalmente, foi colocado um sistema de escora - tirante que restringe significativamente o deslocamento lateral da fundação. Na Figura 3.3 apresenta-se a configuração de ensaio adoptada por Xiao e Ma (1997), concebida para o ensaio de modelos de pilares sujeitos a carga axial constante e forças horizontais cíclicas em condições de curvatura simples. A carga axial é aplicada ao provete através de dois tirantes de aço, de alta resistência e com 51 mm de diâmetro, pré-esforçados e a força horizontal por meio de um actuador com cerca de 1000 kN de capacidade máxima, 15 cm de curso (cerca de 6.5% de drift). A sapata foi fixada por oito tirantes pré-esforçados a uma viga de reacção.
Figura 3.3 – Configuração de ensaio usada por Xiao e Ma (1997). Actuador hidráulico Célula de carga Varões Ø51 pré-esforçados Macaco hidráulico
Saadatmanesh et al. (1997) utilizaram uma configuração concebida para ensaiar pilares sujeitos a carregamento lateral semelhante ao utilizado por Xiao e Ma (1997) excepto no tipo de estrutura de reacção. Os provetes são colocados no interior de um pórtico de reacção e a rigidez lateral, que é fundamental para a aplicação da carga horizontal, é conseguida através dos pilares do pórtico, de grandes dimensões, ligados por uma viga devidamente contraventada. A fixação do provete na base é realizada por interposição de uma viga de fundação, ligeiramente elevada, que permite o aperto da sapata através de tirantes.
A carga axial é aplicada ao pilar por intermédio do pré-esforço de um par de tirantes de aço com 25 mm de diâmetro. As forças laterais são aplicadas através de um actuador hidráulico capaz de produzir deslocamentos horizontais de cerca de 127 mm (cerca de 7% de drift) em ambos os sentidos sendo o ensaio controlado pelo deslocamento do topo do pilar.
Na Figura 3.4 apresenta-se um esquema da configuração de ensaio utilizada por Mo e Hwang (1999). Nesta configuração a carga axial é aplicada por intermédio de um macaco hidráulico com capacidade de 450 kN, colocado no topo do provete em cima de uma calote esférica que transfere a carga para o topo do pilar, sendo a reacção realizada por intermédio de dois tirantes amarrados ao pavimento rígido com ligações que permitem rotações (tirantes bi-articulados). A acção lateral é realizada através de um actuador com capacidade de 500 kN e de aplicar um deslocamento de ±75 mm, montado horizontalmente contra uma parede de reacção. O provete com a respectiva fundação de betão armado é fixado verticalmente ao pavimento rígido através de tirantes e a uma base metálica através de calços o que garante todas as ligações necessárias. Os provetes foram ensaiados sob controlo de deslocamento do topo do pilar.
Cheng et al. (2003) ensaiaram pilares ocos de betão armado com recurso à configuração que se apresenta na Figura 3.5. Esta configuração de ensaio é muito parecida com a maioria das anteriormente referidas apenas divergindo na adaptação considerada para permitir o ensaio de pilares ocos, normalmente com secções transversais bastante maiores.
Figura 3.4 – Configuração de ensaio usada por Mo e Hwang (1999).
Figura 3.5 – Configuração de ensaio usada por Cheng et al. (2003). Actuador hidráulico Célula de carga Varões Ø51 pré-esforçados Macaco hidráulico Apoio metálico da fundação Actuador hidráulico Varões pré-esforçados Macaco hidráulico
Melek et al. (2003), Pavese et al. (2004) e Mo et al. (2004) também efectuaram ensaios em pilares ocos diferindo, globalmente no número e na localização dos tirantes. Enquanto Pavese et al. (2004) utilizaram apenas um tirante localizado no interior do pilar oco, os restantes autores fizeram uso de 2 tirantes exteriores ao pilar. Matamoros e Sozen (2003) adoptaram a configuração de ensaio ilustrada na Figura 3.6, onde previram a colocação dos provetes, compostos por dois elementos de pilar ligados a um mesmo maciço em duas faces opostas, na horizontal, e o maciço devidamente fixado ao elemento de reacção. Em cada uma das extremidades do provete (pontos de inflexão estimados) estão ligados actuadores horizontais, recorrendo a varões de aço que simulam a carga axial, e verticais ligados a dois pórticos metálicos de reacção para aplicação dos deslocamentos laterais aplicados anti-simetricamente.
Figura 3.6 – Configuração de ensaio usada por Matamoros e Sozen (2003)
Vista lateral macacos de 300kN varões de alta resistência Dywidag base de betão células de carga actuador 245 kN pórtico metálico provete de ensaio 0.9m 2.4m 1.2m