3. Programa Experimental
3.1 Introdução
O programa experimental desenvolvido neste trabalho foi realizado no Laboratório de Estruturas do Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos – USP. Tal programa consistiu de ensaios cíclicos de ligações viga-pilar, nas quais as vigas são metálicas e os pilares mistos, preenchidos com concreto.
Para a definição da ligação a ser estudada neste trabalho foram levados em consideração muitos aspectos que influenciam na viabilidade do projeto e no andamento da pesquisa. De acordo com a revisão bibliográfica realizada, muitos estudos mostraram que a melhor e mais resistente seção transversal para ser utilizada em pilares mistos é a circular, mas também foi verificado que o processo construtivo da ligação com esse tipo de pilar é muito mais complicado, devido à sua geometria.
Pensando nisso e também na continuidade das pesquisas realizadas no Departamento de Engenharia de Estruturas, optou-se por utilizar pilares de seção transversal quadrada e ligações com chapa de topo e parafusos passantes aderentes ao núcleo de concreto.
De acordo com os parâmetros que se pretende analisar neste trabalho, quatro modelos físicos foram suficientes para determinação da influência da laje e sua taxa de armadura e também do método de fixação das barras de aço da armadura de continuidade na rigidez da ligação.
O modelo piloto foi a base de comparação para todos os outros modelos. Seu ensaio, além de verificar a viabilidade do esquema de ensaio adotado, também forneceu informações sobre o comportamento de uma ligação sem a influência da laje.
Os modelos de ligações principais, que somam três, tiveram suas características determinadas de acordo com as comparações a serem realizadas. Para a avaliação da influência da taxa de armadura foi definido o Modelo 1 com 1% de armadura e o Modelo 2 com taxa superior, de 1,5%. Ambos os modelos tiveram a armadura de continuidade fixada ao pilar misto por meio de luvas rosqueadas.
Também foi investigado o modo de fixação da armadura de continuidade. Como nos modelos 1 e 2 ela foi feita com luvas rosqueadas (Figura 3-1 e Figura 3-2), no terceiro modelo a continuidade foi estabelecida por meio de soldagem. Essas formas de fixação foram selecionadas com o intuito de analisar um método convencional (a soldagem), e um método alternativo, com luvas rosqueadas.
Figura 3-1 – Luvas rosqueadas para barras de diâmetro de 12,5 mm e 20 mm.
Figura 3-2 – Esquema de posicionamento das luvas rosqueadas (Unidade: milímetro).
A utilização das luvas traz ao canteiro-de-obras maior facilidade de montagem, pois dispensa a soldagem no local, os pilares vêm prontos de fábrica com as luvas posicionadas e já soldadas nos locais da ligação, aguardando apenas a colocação das barras de aço que
compõem a armadura de continuidade. As luvas escolhidas para utilização nos modelos possuem rosca dos dois lados, isso para que na parte interna do pilar, as luvas de ambos os lados fossem conectadas, na tentativa de proporcionar maior interação nas armaduras de continuidade, como ilustra a Figura 3-2.
Todos os três modelos de ligações principais possuem laje e, seguindo a linha de estudo em estruturas mistas, optou-se pela laje com forma de aço incorporada, popularmente conhecida como “steel deck”. A presença da laje é, para alguns pesquisadores como Liu e Astaneh-Asl (2000), essencial para o aumento da transmissão de momento fletor pela ligação. A forma de aço incorporada à laje proporciona maior rapidez na execução da obra, pois, ao mesmo tempo que trabalha como armadura positiva, também desempenha o papel de forma durante a concretagem da laje. A Tabela 3-1 apresenta um resumo detalhado dos modelos de ligações estudados neste trabalho.
Tabela 3-1 – Resumo dos modelos de ligações.
Modelo Presença da laje Taxa de armadura Fixação da barras
Piloto 0,0% Sem armadura
1 1,0% Luvas rosqueadas
2 1,5% Luvas rosqueadas
3 1,0% Solda
Dessa forma, as comparações entre os modelos piloto e os outros modelos determinam qual a influência da laje. Entre os Modelos 1 e 2, a taxa de armadura foi analisada e, por fim, comparando o Modelo 1 com o Modelo 3, o método de fixação da armadura de continuidade foi colocado à prova. As comparações foram realizadas sempre em termos de rigidez da ligação.
O modo de aplicação da força cíclica foi outro ponto importante na definição do programa experimental. Desde o século XIX, quando o uso dos metais em aplicações na Engenharia começou a aumentar, reconheceu-se que os componentes e as estruturas de metal submetidos a ciclos repetidos da carga podem falhar em serviço, mesmo que fossem
geralmente capazes de suportar cargas consideravelmente maiores se o carregamento fosse de origem monotônica (BALLIO e CASTIGLIONE, 1995).
As ações cíclicas podem ser classificadas segundo dois aspectos: número de ciclos e tipo de tensão aplicada. De acordo com a quantidade de ciclos, os elementos estruturais podem estar submetidos a um baixo número de ciclos (“low-cycle fatigue”), mas com uma variação grande na intensidade de carregamento, chegando ao nível do estado limite ultimo, como é o caso das ações causadas por vento e terremoto. Já, para um número elevado de ciclos (“high-cycle fatigue”), com carregamento no nível do estado de serviço, as ações cíclicas provocam a fadiga desses elementos.
A respeito do tipo de tensão aplicada, o carregamento cíclico pode ser definido como repetido ou alternado. No carregamento repetido as tensões provocadas na estrutura não apresentam inversão de sinal, como no caso da fadiga. No alternado ocorre a inversão de sinal das tensões, como é o caso das ações sísmicas.
Levando em conta esses aspectos, foi definido que o carregamento cíclico seria aplicado com um baixo número de ciclos e que haveria alternância na direção de aplicação da força em cada extremidade das vigas, de acordo com a Figura 3-3.
Figura 3-3 – Esquema de aplicação do carregamento cíclico.
Os ensaios com carregamentos com baixo número de ciclos são caracterizados por grandes deformações plásticas aplicadas à estrutura sob condições controladas de deformação. Geralmente, problemas com forças cíclicas de baixos ciclos surgem na engenharia civil quando edifícios são submetidos a carregamento sísmico, como ilustra a Figura 3-4.
Figura 3-4 – Deslocamentos gerados em edifícios submetidos a carregamento sísmico.