LIGAÇÕES NAS BASES

As bases das colunas constituem uma parte pouco lembrada quando se fala da influência da semirrigidez das ligações nas estruturas. Faz-se uma apresentação nesta seção apenas para complemento do assunto, já que ainda não se dispõem de curvas M- bem calibradas e, assim, não se adotaram ligações nas bases nos exemplos desta tese.

Os primeiros estudos dessas ligações aparecem com Salmon et al. (1955). Já De Wolf & Sarisley (1980) verificaram bases à compressão excêntrica e Thambiratnam & Paramasivam (1986) avaliaram as espessuras das chapas de base à compressão excêntrica, com apenas um chumbador à tração. A partir daí, surgiram os trabalhos de Melchers (1992) e associados (Hon & Melchers, 1987) e Ermopoulos & Stamatopoulos (1996a,b), os primeiros para as bases rotuladas e os últimos, para as rígidas. Wald et al. (1996) e Jaspart & Vandegans (1998) realizaram uma série de ensaios e desenvolveram fórmulas analíticas com o método das “componentes” para ambos os tipos de base, com o primeiro artigo definindo a rigidez da ligação e o segundo, propondo as curvas M-θ.

A influência das bases no comportamento estrutural já foi comprovada tanto em coluna isoladas (Lau et al., 2003), como também em pórticos (Hayalioglu & Degertekin, 2005), o que justifica a sua inclusão neste estudo.

Em nível de construção, identificam-se, tradicionalmente, dois tipos de base: a. rotuladas – nas quais se supõe, a priori, que os chumbadores não resistem aos

esforços rotacionais, e um pequeno giro da base é permitido sem a presença de esforços. Experimentalmente, entretanto, comprova-se a existência de uma pequena resistência que pode ser considerada para a coluna; e

b. engastadas – nas quais se supõe que os chumbadores e a placa de base fornecem à estrutura a rigidez necessária para absorver todos os esforços e transmiti-los às fundações, não apresentando qualquer rotação da coluna naquele ponto. De fato, tanto sob condições últimas como nas de serviço, podem ocorrer rotações que não se devem desprezar. Cabe verificar qual a influência delas no comportamento estrutural, principalmente em relação à consequente movimentação horizontal dos pavimentos superiores.

Como já esperado, nenhuma dessas hipóteses se cumpre perfeitamente na prática e, por consequência, ambos os tipos de base dependem também da parcela de esforço axial atuante para definir o seu comportamento de ligação quanto ao giro M- .

Não foram realizados muitos experimentos, tampouco se dispõe de muitos trabalhos de pesquisadores, o que torna um ensaio experimental desse tipo desafiador. O Eurocode 3 (1992), por exemplo, apenas aborda o caso da compressão pura, ignorando o efeito dos momentos e excentricidades (Ermopoulos & Stamatopoulos, 1996a).

A maior parte dos resultados disponíveis foi produzida por métodos numéricos (MEF) ou analíticos (das “componentes”) e alguns foram obtidos por meio de fórmulas matemáticas explícitas, como as da seção 2.5. Os tipos de base tradicionais são descritos nas subseções seguintes.

2.7.1 BASES ROTULADAS

Essa ligação é representada na Fig. 2.39 e tradicionalmente não absorve momentos. Por essa razão, como se elucida na figura, os chumbadores são colocados:

a. um par no centro, que é mais tradicional; ou

b. quatro chumbadores centrais, quando o esforço cortante é maior.

Quando ocorre o giro da ligação ( r) porém, surgem esforços de tração e a

resultante do axial se desloca do centro linear da coluna, gerando um pequeno momento na base. Murray (1983) fez os primeiros estudos modernos desse tipo de base, incluindo o arrancamento do chumbador, mas considerando uma pequena carga de compressão.

Melchers (1992) propôs um método analítico para obtenção da rigidez inicial e da curva M- . Melchers & Hon (1987) adotaram a Eq. 2.41 (Yee & Melchers, 1986) para descrever o comportamento dessa ligação, que inclui vários parâmetros (ver Fig. 2.39):

a. dimensões da chapa – extensão ap, largura bp e a espessura da chapa tp;

b. excentricidade – e = M/N (relação entre a carga axial e o momento na base); c. dimensões e propriedades do chumbador – comprimento de ancoragem lc,

extensão da rosca lr, diâmetro dc, tensão de escoamento yb, forma da ponta; e

d. dimensões e propriedades da base de concreto – extensão ac, largura bc, altura

hc, tensão última de referência ck, altura do enchimento te, módulo elástico do

concreto Ec; entre outros.

Algumas dimensões são empregadas para definir larguras de borda, pressões na base e a tração dos chumbadores, bem como o possível efeito de alavanca. A desvantagem de se empregar esse modelo é que há muitos parâmetros envolvidos.

Adicionalmente, a base de dados empregada para calibrar as fórmulas é bem reduzida ainda, carecendo de maior comprovação experimental, principalmente para colunas de seções maiores e sujeitas a maiores esforços nas bases.

2.7.2BASES ENGASTADAS

A ligação avaliada nesse contexto, representada na Fig. 2.40, refere-se às condições de pequenos a médios esforços, não se requerendo reforços locais da chapa, ou mesmo a construção de grelhas para transmissão de esforços de compressão.

Soldas Elementos : Chumbadores (a) (b) Concreto Enchimento p a b p p b tp p t _te e t ac _l lr c (c) hc bc dc c b

Figura 2. 39 Bases de colunas rotuladas:

(a) com 2 chumbadores; (b) com 4 chumbadores centrais; (c) detalhe do chumbador.

b bp c c a ap c d tp e t Soldas Elementos : Chumbadores Concreto Enchimento

Os parâmetros são os mesmos do tipo anterior, porém, aqui, supõe-se que a base terá rigidez suficiente para absorver os esforços (momentos) de projeto.

Ermopoulos & Stamatopoulos (1996a,b) desenvolveram modelos de curvas M- tanto para análise estática como dinâmica. Esses pesquisadores apresentaram uma formulação analítica em que o esforço normal atuante e as tensões de compressão resultantes determinam em qual dos 15 possíveis diagramas de equilíbrio a base será enquadrada. Conforme a posição da resultante das pressões sobre a placa, o alongamento do chumbador e a tração atuante, calcula-se o momento resultante e o ângulo de giro procurado.

Scacco (1992) avaliou o efeito do cisalhamento e da tração combinados nos chumbadores para projeto. Jaspart & Vandegans (1998) desenvolveram métodos analíticos das “componentes” para essa base. O dimensionamento, segundo a ótica dos estados limite pelo AISC (1993), foi tratado por Drake & Elkin (1999).

Kotonleon et al. (1999) realizaram uma série de ensaios experimentais e numéricos com o MEF, abordando o comportamento de bases à flexocompressão considerando o efeito do contato e o levantamento da base.

Liew et al. (1997) e Chan et al. (2005) empregaram a análise avançada para alguns estudos de estruturas com ligações não lineares nas bases também.

As deformações dessas bases podem ser entendidas acompanhando a Fig. 2.41, na qual se mostra que quando o chumbador se alonga permite o giro da base, em geral, em relação ao flange mais comprimido, e aí placa sofre esmagamento e dobramento, enquanto no lado oposto se separa da base.

(a)

(b)

Figura 2. 41 Deformações das bases:

Observe-se que foi indicado um tipo chumbador na Fig. 2.39(c), com a ponta encurvada (tipo “bengala”), que é uma das formas mais antigas. Hoje, existem outros tipos de ponta (cabeça de martelo, arruela de chapa, etc.) que propiciam maior ancoragem ao concreto e, também, melhoram o comportamento do chumbador.

As ligações nas bases não foram incluídas neste trabalho de pesquisa, mas serão objetos de trabalhos posteriores, acompanhando a comunidade científica mundial.

Note-se que não se falou aqui de uma série de trabalhos envolvendo pilares, vigas e ligações mistas, nos quais o concreto trabalha associado ao aço. Nos últimos quinze anos essa área tem tido um enorme crescimento, todavia, não foi incluída no escopo deste trabalho. As condições dinâmicas ou situação de incêndio também não foram tratadas pelo mesmo motivo, embora sejam metas de futuros trabalhos.

Os vários trabalhos hoje já publicados sobre ligações (Nethercot & Zandonini, 1990; Chen, 1988; Bjorhovde et al., 1987, 1996) tornam esse assunto facilmente acessível ao projetista ou engenheiro. Procurou-se, então, neste capítulo fazer uma visão geral sobre o estado da arte das ligações, talvez não tão atualizada, afinal, no último decênio muito material foi produzido, em diversas áreas correlatas ou complementares. Alguns aspectos particulares, porém, foram abordados, para que a seção seguinte possa apresentar uma nova proposta de curva M- .