Comportamento e falha em condições estáticas

Na viga mista carregada monotonicamente, a tendência de deslizamento da laje sobre o perfil é impedida pelo contato do concreto com os conectores. Durante esse contato, ocorre a transmissão de esforços horizontais que atuam de forma distribuída no conector. No início do carregamento, as deformações dos conectores ainda são pequenas e reversíveis. No entanto, à medida que o carregamento aumenta, as deformações vão se tornando cada vez mais significativas e permanentes. Considerando o caso de disposição homogênea dos conectores, haverá um momento em que os das extremidades terão atingido a sua plastificação, enquanto os intermediários e os centrais ainda não. Se os conectores forem dúcteis, à medida em que forem entrando no patamar de escoamento, continuarão a deformar sem acréscimo de carregamento absorvido, que é então gradativamente transferido para os vizinhos no sentido contrário ao do fluxo de cisalhamento, ou seja, dos apoios para o meio do vão. Ao mesmo tempo, a seção transversal também está em processo de plastificação. Caso a interação seja total o diagrama de fluxo cisalhante e a distribuição de tensões ao longo da seção transversal passam de um comportamento triangular para retangular na plastificação total (Figura 3.19).

Figura 3.19 – Diagrama de cisalhamento longitudinal na plastificação dos conectores

Fonte: (PFEIL; PFEIL, 2009)

Para fins de projeto, admite-se que esse seja o comportamento da viga mista com interação total em seu estado limite último. Na interação parcial ocorre de forma similar, porém o diagrama retangular não chega a se desenvolver por completo, visto que a conexão tem sua capacidade resistente superada antes que isso possa ocorrer. Esse aspecto de distribuição homogênea do fluxo de cisalhamento horizontal na ruptura dos conectores dúcteis é a razão pela qual eles podem ser dispostos de maneira igualmente espaçada em todo o comprimento da viga mista. Em termos construtivos, essa forma de aplicação se traduz em maior produtividade. A distribuição dos esforços horizontais para os conectores, no entanto, não ocorre em todo o seu comprimento, mas apenas ao longo da sua altura efetiva, que é equivalente a aproximadamente duas vezes o seu diâmetro. Além disso, essa distribuição não é constante, assumindo o formato de uma parábola (Figura 3.20). Por essas evidências, pode-se entender que o comportamento do conector de cisalhamento pode ser modelado como uma viga confinada em balanço, com engaste fixo na base devido à solda.

Figura 3.20 – Distribuição do esforço ao longo da altura do conector

Os esforços horizontais que o concreto transmite para o conector pelo contato provocam nele a existência de uma zona comprimida que é confinada pelo conector, pela mesa superior do perfil de aço e pelo próprio concreto circundante. Essa região – chamada de zona de compressão triaxial – está com o concreto altamente esmagado, tornando-se um local de falha em potencial (Figura 3.21).

Figura 3.21 – Região de falha do conector de cisalhamento

Fonte: (KOTINDA, 2006)

Em decorrência desses esforços horizontais, os conectores ficam submetidos a tensões cisalhantes desde o início da aplicação do carregamento em serviço. No entanto, a distribuição de esforços horizontais tem sua resultante localizada a uma certa distância da base do conector, gerando nela, além da reação de força, uma reação de momento (Figura 3.22). A distância da resultante à base depende da rigidez relativa entre o concreto e o conector. Quanto maior for essa relação, mais próxima de 0 será a distância. Caso contrário – ou seja, quanto maior for a rigidez do conector em relação à do concreto – a distância da resultante tenderá à metade da altura do conector (CHAVES, 2009). O fato é que, de modo geral, o conector sofre flexão e também fica submetido a tensões normais significativas (ao contrário daquelas decorrentes do uplift). Na base da ligação, a combinação dessas tensões reflete uma possível zona de falha.

Figura 3.22 – Equilíbrio de forças no conector de cisalhamento

A ruína da conexão de cisalhamento se dá com a evolução da deformação horizontal dos conectores. Nesse movimento, ocorre a rotação da cabeça do pino, desencadeando dois fenômenos. No primeiro, surgem fissuras de fendilhamento no concreto que partem da região inferior da cabeça do pino em direção à mesa do perfil num ângulo de aproximadamente 45 graus, no lado oposto à zona de compressão triaxial. Já no segundo, à medida que o conector vai se inclinando, os esforços horizontais passam a atuar em sua cabeça, que juntamente com a tendência agora mais severa de separação vertical da laje solicitam-no predominantemente à tração. A depender da rigidez do concreto, um desses fenômenos irá se efetivar primeiro que o outro, definindo assim a ruptura.

Se o concreto for menos rígido do que o conector, ele começa a fissurar por fendilhamento antes do conector plastificar. A resultante dos esforços horizontais no conector fica mais distante da mesa, aumentando nele o momento fletor e consequentemente as tensões normais que o levam à ruptura por tração. Já se o concreto for mais rígido que o conector, a distância da resultante e o momento diminuirão. Nesse caso, o concreto irá suportar as tensões até o seu esmagamento na zona de compressão triaxial, fissurando-a por embutimento até que ele se torne menos rígido que os conectores, ocorrendo com isso o primeiro modo de falha descrito (CHAVES, 2009).

Dessa forma, para lajes maciças, o mecanismo de resistência dos conectores de cisalhamento se associa aos dois possíveis modos de falha, dependendo da rigidez do concreto na zona de compressão triaxial e da resistência à tração do pino conector. Há, ainda, um terceiro modo de falha, mas que só acontece nos ensaios push-out, caracterizado pelo arrancamento do concreto em formato de cone em volta do conector (Figura 3.23). Além desses, outros modos de falhas são registrados em outros tipos de lajes.

Figura 3.23 – Modos de falha do conector de cisalhamento embutido lajes maciças

A lajes participantes das vigas mistas possuem armaduras adicionais necessárias ao adequado funcionamento da seção mista. A importância dessas armaduras se torna ainda mais evidente quando se constatam os possíveis casos de fissuração que o concreto pode sofrer no seu estado limite último. Além da fissuração por embutimento decorrente do esmagamento do concreto na zona de compressão triaxial, outras três fissurações são possíveis (Figura 3.24). As fissuras por fendilhamento são as mais prejudiciais, pois ocorrem na frente dos conectores e logo se unificam de forma longitudinal, prejudicando a colaboração da laje na viga mista. As duas outras fissurações surgem nas outras direções da decomposição do esmagamento do concreto segundo a treliça de Mörsch: as fissuras por rasgamento, na direção perpendicular ao perfil de aço (devendo ser combatidas pela chamada armadura transversal ou de costura), e as fissuras por cisalhamento na direção inclinada das bielas de compressão.

Figura 3.24 – Tipos de fissuração na laje devido à força concentrada nos conectores de cisalhamento

Fonte: (TRISTÃO, 2002)