Influência do Carregamento

Pretende-se avaliar a influência do nível de carregamento inicial aplicado ao provete, no seu comportamento. Deste modo, incluem-se na Figura 4.47, as várias curvas que relacionam força e escorregamento, obtidas nos ensaios realizados e nos modelos numéricos desenvolvidos.

Na primeira fase das curvas força  escorregamento, é possível identificar um elevado aumento de carga, para pequenos escorregamentos. Se compararmos as rigidezes dos provetes sujeitos a cargas instantâneas, MA e MB, vemos que esta diminui à medida que o valor da carga aplicada aumenta. O mesmo se passa com os provetes sujeitos a carregamentos de longa duração, provete A e B. As rigidezes dos modelos MA e MB aproximam-se mais das do modelo M0 e dos provetes CN 19, que não tiveram nenhum tipo de carregamento.

A segunda fase da curva permite avaliar a ductilidade dos provetes. Os provetes sujeitos a carregamento instantâneo mantêm o nível de carga à medida que o escorregamento aumenta, enquanto os provetes sujeitos ao carregamento de longa duração apresentam um decréscimo

de carga. Por outro lado, os provetes CN 19 e o modelo M0, que não sofrem nenhum carregamento inicial, apresentam um aumento de carga ao longo do escorregamento.

Figura 4.47-Curva força  escorregamento de vários ensaios e modelos

A capacidade de carga dos provetes e dos modelos é afetada pelo carregamento inicial que lhes é aplicado antes do carregamento correspondente ao ensaio standard do tipo push-out. Para perceber a influência deste pré-carregamento, aplicaram-se diferentes níveis de pré-carga ao modelo M0 e registou-se a correspondente carga máxima alcançada. Os dados são apresentados na Tabela 4.5, juntamente com os dados relativos aos provetes A e B, onde P é a carga máxima obtida no modelo M0 (499 kN a que corresponde 124,8 kN/conector).

Tabela 4.5-Valores de cargas máximas atingidas nos modelos numéricos, para diferentes níveis de carregamento inicial

P (kN) 0P 0,1P 0,2P 0,3P 0,4P 0,53P 0,6P 0,69P 0,8P 0 49,9 100 149,7 200 265 300 345 399 Modelos Numéricos (kN/conector) 124,8 123,9 122,0 120,6 118,0 114,7 109,7 103,4 98,0 Provetes A e B (kN/conector) - - - 111,4 - 97,2 -

A Figura 4.48 representa graficamente os dados apresentados na Tabela 4.4, onde é possível identificar a relação entre o tipo de carregamento aplicado, instantâneo ou de longa duração, e a sua intensidade. Verifica-se que quanto maior for o valor da carga inicial aplicada, menor será a carga máxima atingida pelos provetes. Constata-se também que os provetes sujeitos ao carregamento de longa duração atingiram uma menor carga máxima comparativamente aos

respetivos modelos numéricos. As linhas de tendência visíveis na Figura 4.48, permitem identificar duas zonas de tendência relativas aos carregamentos instantâneos. Até 0,5 P os decréscimo nas cargas máximas são suaves não provocando a pré-carga fissuração relevante nem deformação dos pernos. A partir de 0,5 P os decréscimos nas cargas máximas são mais acentuados, provocando a carga instantânea fissuração no betão, e a deformação dos pernos. À medida que o valor da carga instantânea aumenta, os níveis de fissuração do betão e a deformação dos pernos aumentam também, atingindo-se menores valores de cargas máximas nos ensaios do tipo push-out.

Capítulo 5

Conclusões e desenvolvimentos futuros

No presente capítulo são apresentadas as conclusões gerais da investigação realizada no âmbito da presente dissertação. Além disso, são apontadas algumas sugestões para desenvolvimentos futuros.

5.1. CONCLUSÕES GERAIS

A presente dissertação aborda a modelação numérica da conexão entre o perfil metálico e a laje de betão, quando se utilizam conectores do tipo perno e betão leve. Utiliza-se elementos finitos de volume para definir todos os elementos presentes na ligação, recorrendo ao software ATENA 3D. A partir dos modelos desenvolvidos avalia-se os parâmetros que são identificados como relevantes para o comportamento da conexão aço-betão. Para validar os modelos numéricos desenvolvidos, recorre-se a resultados de ensaios do tipo push-out anteriormente realizados, e são testados novos provetes do tipo push-out, com geometrias específicas, nos quais foi previamente aplicado um carregamento de valor constante durante um período de tempo pré-definido. Em todos os ensaios realizados, obteve-se a curva que relaciona força e escorregamento, ao longo do carregamento.

No ensaio do tipo push-out para carregamentos de longa duração, onde se aplicou de forma constante uma carga de 345 kN no provete A e de 265 kN no provete B, durante 1491 dias verificou-se que o provete mais carregado apresenta maiores escorregamentos iniciais e uma evolução desses escorregamentos ao longo do tempo de ensaio, enquanto os escorregamentos no provete menos carregado tendem a acomodar. Em ambos os provetes, uma das lajes regista maior deformação que a outra.

Nos ensaios do tipo push-out realizados aos provetes A e B, as primeiras fendas registadas apareceram nas lajes de betão por baixo do perfil metálico. Seguiram-se fendas horizontais na parte exterior das lajes, ao nível dos pernos posicionados no nível superior (pernos mais afastados das bases das lajes de betão). Por fim, observa-se fissuração no topo das lajes de

betão. À medida que o escorregamento do perfil aumenta, as fendas existentes alargam e aumentam formando-se novas fendas radiais ao nível dos pernos. Após a abertura dos provetes, verificou-se que os pernos mais deformados e os que apresentam rotura na zona da soldadura estavam posicionados nas lajes que sofreram maior deformação no ensaio do tipo

push-out de longa duração. De um modo geral o betão que envolve os pernos estava

esmagado.

Através dos resultados obtidos nos ensaios do tipo push-out realizados, e da comparação com os resultados obtidos por (Valente,2007) nos provetes CN 19, foi possível efetuar diversas análises, que permitiram caracterizar a conexão aço-betão quanto à sua rigidez, ductilidade e capacidade de carga máxima, e aferir o efeito do carregamento de longa duração. Como tal, nos provetes CN 19, a rigidez tende a decrescer à medida que a carga aumenta. O provete A exibe um valor de rigidez praticamente constante, no entanto inferior aos provetes CN 19 e provete B. O provete B exibe uma oscilação do parâmetro rigidez, com valores superiores aos obtidos nos restantes provetes. Associando as rigidezes calculadas aos carregamentos de longa duração sofridos, é plausível que o provete A, onde o nível de carregamento foi superior, apresentasse algum dano na altura do ensaio push-out nos pernos e no betão que os envolve, o que explica a baixa rigidez obtida. Enquanto o provete B onde a carregamento de longa duração aplicado foi menor, logo a sua deformação, desgaste e dano são também menores comparativamente ao provete A, é possível que tenha sofrido uma deformação plástica, o que conduziu a um maior valor da rigidez no ensaio do tipo push-out. Relativamente à ductilidade dos provetes, nomeadamente ao escorregamento plástico, constata-se que o provete B apresenta resultados similares aos provetes CN 19, cerca de 6,5 mm, contrariamente ao provete A que exibe um escorregamento plástico inferior, 1,64 mm. Depreende-se então que o carregamento de longa duração influencia a ductilidade, sendo os escorregamentos plásticos dos provetes menores à medida que o carregamento de longa duração aplicado é maior. Quanto às cargas máximas alcançadas, os provetes CN 19 apresentam um valor médio de 140,25 kN/conector, enquanto os provetes A e B registam 97,18 e 111,43 kN/conector, respetivamente. Esta diferença deve-se ao efeito da geometria presente nos provetes A e B, e ao carregamento de longa duração aplicado. Constata-se que quanto mais elevado é o carregamento de longa duração, menor é a capacidade de carga alcançada pelos provetes e pelos pernos.

No Capitulo 4 inicia-se a modelação numérica da conexão aço-betão, utilizando os provetes CN 19 e os seus resultados experimentais como base na calibração de um modelo numérico.

Após diversas iterações onde se variaram diferentes propriedades do modelo numérico disponíveis no software ATENA 3D, resultou o modelo L5-c6-b16 que apresenta resultados bastante próximos dos conseguidos pelos provetes CN 19. Comparando as suas curvas força  escorregamento identificamos rigidezes e patamares de ductilidade semelhantes. A capacidade de carga máxima média dos provetes CN 19 é de 140,25 kN/conector alcançada aos 6 mm de escorregamento, e para um mesmo escorregamento o modelo L5-c6-b16 apresenta 133,25 kN/conector, existido uma diferença de 7 kN/conector. Para além disso, foram encontradas outras semelhanças entre os resultados obtidos nos ensaios experimentais e no modelo numérico, como as deformações e tensões nos pernos a que se associa a rotura na zona adjacente à soldadura, o destacamento e o esmagamento do betão envolvente dos pernos, e a fissuração das lajes.

Na análise paramétrica efetuada, variando a resistência dos pernos, verifica-se através da comparação das curvas força  escorregamento obtidas pelos modelos M400, L5-c6-b16, e M600 que a rigidez e ductilidade da ligação se mantêm, sendo a principal diferença a capacidade de carga. Quanto maior é a tensão de cedência dos pernos, mais elevada é a capacidade de carga máxima alcançada pelos modelos numéricos verificando-se uma relação quase linear entre estas grandezas. Este comportamento é também visível nas diversas expressões analíticas apresentadas, sendo a Expressão (2.3) a que traduz resultados mais próximos dos modelos e dos resultados experimentais.

Na análise paramétrica realizada, variando a resistência do betão leve, constata-se através da comparação das curvas força  escorregamento obtidas pelos modelos M16, L5-c6-b16, e M35 que a rigidez e a capacidade de carga máxima aumentam para betões leves de melhor qualidade. No modelo M16 que contem o betão leve menos resistente verifica-se uma diminuição da capacidade de carga para escorregamentos superiores a 4 mm, resultante de uma progressiva fendilhação e esmagamento das lajes de betão limitando assim a capacidade de carga do modelo, ao contrário do que acontece nos modelos L5-c6-b16, e M35 onde a capacidade de carga é limitada pela resistência dos pernos. Das diversas expressões analíticas apresentadas, a Expressão (2.3) é a que apresenta melhores resultados.

Na comparação dos resultados do modelo L5-c6-b16, correspondente aos provetes CN 19 construídos com betão leve, com o respetivo modelo em betão normal CN19-BN, considerou- se que o módulo de elasticidade do betão normal e a sua resistência à tracção são superiores, sendo a resistência à compressão idêntica à do betão leve. Estas diferenças nas características

do betão geraram alterações na curva de força  escorregamento do modelo CN 19-BN proporcionando-lhe uma maior rigidez e uma capacidade de deformação que se desenvolve para um nível de carga superior ao do modelo L5-c6-b16 e aos provetes CN 19. O modelo numérico construído em betão normal, CN 19-BN apresenta também uma capacidade de carga máxima superior ao respectivo modelo em betão leve, L5-c6-b16, sendo a diferença entre máximos de 5,35 kN/conector.

Utilizando o modelo numérico já calibrado, criou-se o modelo M0 cuja geometria e propriedades são semelhantes aos provetes A e B, porem não lhe foi aplicado um carregamento de longa duração, o que permitiu obter uma curva força  escorregamento de controlo para os provetes ensaiados. As características da curva assemelham-se as dos provetes CN 19, nomeadamente na rigidez e na ductilidade, diferenciando na capacidade de carga alcançada, que se verifica ser menor devido ao tamanho reduzido do provete. O modelo M0 possui uma rigidez superior à do provete A e inferior à do provete B.. A carga máxima atingida pelo modelo M0 é de 124,8 kN/conector que é superior as cargas máximas atingidas pelos provetes A e B.

Com base no modelo numérico já calibrado, criaram-se o modelo MA e o modelo MB, que procuram reproduzir numericamente as características dos provetes A e B. Não sendo possível aplicar-lhes um carregamento de longa duração semelhante ao ensaio experimental, foi-lhes aplicado um carregamento instantâneo de igual valor, 345 kN e 265 kN, respetivamente. Este carregamento instantâneo introduziu dano nos modelos, principalmente nos pernos e no betão. Assim que descarregados, os modelos recuperaram parte do dano. Posteriormente submeteu- se os modelos MA e MB ao ensaio do tipo push-out onde foram obtidas as curvas força  escorregamento que permitem a comparação com os resultados experimentais. Na primeira fase da curva, o modelo MA maior rigidez do que o provete A. Na segunda fase da curva, o modelo MA apresenta valores crescentes de escorregamento para uma capacidade de carga que se mantém estável, enquanto o provete A desenvolve deformação associada com progressiva perda de carga. O provete A atinge o seu máximo de carga, 97,18 kN/conector, aos 1,36 mm de escorregamento. Para um mesmo escorregamento, o modelo MA regista 100,37 kN/conector, o que corresponde a uma diferença de 3,18 kN/conector. Comparativamente à curva do provete B, o modelo MB regista na primeira fase uma rigidez menor. Na segunda fase da curva o modelo MB mantém um patamar de carga constante ao longo do escorregamento, enquanto o provete B regista perdas de carga. O provete B atinge o seu máximo de carga, 111,43 kN/conector, aos 2,56 mm de escorregamento. Para esse

escorregamento o modelo MB regista 114,3 kN/conector, o que faz uma diferença de 2,87 kN/conector. Nos modelos numéricos é possível encontrar aspetos do comportamento que são comuns aos obtidos nos ensaios experimentais, como a deformação dos pernos e as tensões nas zonas de soldadura, o destacamento e o esmagamento do betão envolvente aos pernos, e a fissuração das lajes.

A diversidade de resultados obtidos em diferentes tipos de carregamento alterações nas curvas força  escorregamento, ao nível da rigidez, ductilidade, e cargas máximas atingidas. Se compararmos as rigidezes dos provetes sujeitos a cargas instantâneas, MA e MB, vemos que esta diminui à medida que o valor da carga aplicada aumenta. O mesmo se passa com os provetes A e B, sujeitos a carregamentos de longa duração. As rigidezes dos modelos MA e MB aproximam-se mais das do modelo M0 e dos provetes CN 19, que não tiveram nenhum tipo de carregamento. Os provetes sujeitos a carregamento instantâneo mantêm o nível de carga à medida que o escorregamento aumenta, enquanto os provetes sujeitos a carregamento de longa duração apresentam um decréscimo de carga. Quanto à capacidade de carga alcançada pelos provetes e pelos modelos é possível identificar que independentemente do tipo de pré-carga aplicada, quanto maior esta for, menor será a carga máxima atingida pelos provetes. Constata-se também que os provetes sujeitos ao carregamento de longa duração alcançam uma menor carga máxima comparativamente aos respetivos modelos numéricos. Nos resultados dos modelos sujeitos aos carregamentos instantâneos é possível identificar duas zonas de tendência. Até uma carga instantânea de 0,5 P os decréscimos nas cargas máximas são suaves, já que as cargas aplicadas não provocam uma fissuração relevante nem deformação dos pernos. A partir de cargas iguais a 0,5 P os decréscimos nas cargas máximas são mais acentuados, pois a carga instantânea aplicada provoca fissuração no betão e deformação dos pernos. À medida que o valor da carga instantânea aumenta, os níveis de fissuração do betão e a deformação dos pernos aumentam também, atingindo-se menores valores de cargas máximas nos ensaios do tipo push-out.

5.2. DESENVOLVIMENTOS FUTUROS

A presente dissertação pretende dar um contributo para o conhecimento disponível na análise experimental e numérica da conexão aço-betão leve realizada com pernos. Em termos de desenvolvimentos futuros, alguns aspetos devem ser objeto de análise:

 Obter resultados experimentais em provetes de tipo push-out semelhantes aos ensaiados, onde não é aplicado um carregamento de longa duração, e comparar os resultados obtidos com os resultados da modelação numérica efetuada dos provetes A e B;

 Obter resultados experimentais em provetes push-out semelhantes aos ensaiados, quando lhes é aplicado um carregamento instantâneo, e comparar os resultados obtidos com os resultados da modelação numérica efetuada, e dos provetes A e B.

 Desenvolvimento de um modelo de carga no tempo em ATENA science para estudo do efeito da fluência;

 Estudar a variação de outros parâmetros, nomeadamente os geométricos, e a sua influência na ligação aço - betão;

Capítulo 6 – Referências Bibliográficas

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