Modelos de conectores de cisalhamento

Desde o primeiro conector de cisalhamento proposto na Suíça, diversos modelos têm sido testados por pesquisadores. Buscou-se aqui fazer um levantamento de algumas das principais soluções conhecidas até a presente data para conectores de cisalhamento em vigas mistas.

2.2.3.1 Conectores de cisalhamento soldados

A solda é um tipo de união por coalescência do material, obtida por fusão das partes adjacentes. A energia necessária para provocar a fusão pode ser de origem elétrica, química, óptica ou mecânica, sendo que as soldas mais empregadas na indústria da construção civil são as de energia elétrica.

Com a evolução e a grande versatilidade dos processos de soldagem, atualmente a grande maioria dos conectores de cisalhamento empregados na construção civil são fixados nas vigas metálicas através de solda.

2.2.3.1.1 Conector stud bolt

Desenvolvido na década de 1940 pela Nelson Stud Welding, o conector stud bolt, ou pino com cabeça, como também é conhecido no Brasil, é o mais largamente utilizado pela indústria da construção civil. Este conector consiste de um pino especialmente projetado para funcionar como um eletrodo de solda por arco elétrico e ao mesmo tempo, após a soldagem, como conector de cisalhamento, possuindo uma cabeça com dimensões padronizadas para cada diâmetro. Na Figura 2.15 são apresentados detalhes do conector stud

bolt e de sua aplicação na construção civil.

Figura 2.15 – Detalhes do conector stud (Verissimo, 2007).

O aço utilizado na fabricação dos pinos é o ASTM A-108 grau 1020, com resistência à tração mínima de 415 MPa e limite de escoamento não inferior a 345 MPa.

As principais vantagens do conector stud bolt são: alta velocidade de soldagem; boa ancoragem no concreto; facilidade de disposição da armadura da laje e facilidade de produção em grande escala (Mahdi et al., 2012).

Dentre as desvantagens atreladas a este tipo de conector está o fato de a pistola de solda específica para o stud bolt demandar um gerador próprio, com potência de 225 kVA. Verissimo (2007) destaca que a própria pistola de solda tem um alto custo de aquisição, e que o gerador e a necessidade de boa infra-estrutura de energia no canteiro de obras oneram o projeto, podendo até mesmo inviabilizá-lo. Na Figura 2.16 são apresentados detalhes do sistema de fixação do conector stud bolt.

Além disso, o stud bolt é um conector flexível, não sendo recomendado para situações onde a sobrecarga de utilização (variável) represente grande parcela do carregamento total, o que leva ao comprometimento do sistema misto por conta da fadiga (Cruz et al., 2006). Mahdi

concretos classe C30 ou superiores, porque a resistência destes passa a ser governada pela resistência da seção transversal do stud.

(a) Gerador e fonte elétrica para solda dos

studs.

(b) Pistola para solda dos studs. Figura 2.16 – Gerador e pistola para solda do conector stud bolt (Cavalcante, 2010). O conector stud bolt, junto com o conector do tipo U laminado, estão previstos na norma brasileira ABNT NBR 8800:2008, que traz o procedimento de cálculo que deve ser adotado para seu correto dimensionamento.

2.2.3.1.2 Conector U

No Brasil, além do conector tipo pino com cabeça (stud), utiliza-se também o conector tipo perfil “U”, ilustrado nas Figura 2.17. O conector U é obtido de pedaços de perfis U ou C, dispostos com o plano da alma perpendicular ao eixo da viga. Este conector possui baixa inércia em relação a direção da força cisalhante devido a pequena espessura da sua alma, o que o caracteriza como um conector flexível, mais suscetível à deformações que o conector

stud. A área de contato entre o conector e o concreto da laje é consideravelmente maior do

que para o stud bolt, o que leva a uma melhor distribuição de tensões no concreto (Cavalcante, 2010). Na Figura 2.18 é mostrada um exemplo da aplicação dos conectores do tipo U.

Verissimo (2007) aponta três dificuldades associadas à utilização do perfil U como conector de cisalhamento:

 Em sistemas com pré-laje, geralmente o espaço disponível sobre a mesa da viga metálica é insuficiente para o emprego do perfil U;

 O perfil U é incompatível com a forma metálica e geralmente é utilizado em sistemas com laje maciça;

 A produtividade na instalação é baixa.

Figura 2.18 – Conector U soldado às vigas em um canteiro de obras.

2.2.3.1.3 Conector V

Buscando melhorar a ductilidade do conector U, mantendo sua vantagem sobre o conector tipo stud bolt, quanto a distribuição de tensões no concreto, Cavalcante (2010) propôs o conector V, fabricado a partir de perfis em U. O conector de cisalhamento do tipo V assim como o conector U apresenta uma considerável área de contato com o concreto, reduzindo assim os efeitos de fissuração no concreto, apresentando valor de rigidez de ligação laje/perfil compatível com o conector stud. A alteração da disposição da alma do conector, plana para o conector U, para um formato de V aumentou consideravelmente o momento de inércia da peça.

O conector V pode ser fabricado a partir de perfis metálicos do tipo U. O processo para obtenção do perfil V testado em laboratório e simulado numericamente está ilustrado na Figura 2.19 e o aspecto do conector V pronto assim como seu posicionamento na viga metálica são apresentados na Figura 2.20.

(a) Perfil U. (b) Corte no perfil. (c) Unindo A e B. (d) Conector pronto. Figura 2.19 - Detalhes da fabricação do Conector V (Cavalcante, 2010).

(a) Vista global. (b) Detalhe da solda. (c) Fixação dos conectores. Figura 2.20. Conectores de cisalhamento V e stud (Cavalcante, 2010).

Os resultados mostraram que o conector V tem menores deslizamento e separação transversal entre perfil e laje (uplift), melhor distribuição de tensões no concreto e permite escolha de espessura menor do flange do perfil metálico em relação ao stud.

2.2.3.1.4 Conectores Perfobond e Crestbond

O conector Perfobond foi criado em 1987 pela empresa Leonhardt, Andra and Partners. A motivação para sua criação foi o comportamento insatisfatório dos conectores stud à fadiga em pontes, onde a carga variável é mais relevante (Leonhardt et al., 1987 apud Mahdi et al., 2012). O conector consiste de uma chapa de aço com furos soldada ao perfil metálico e tem comportamento mais rígido. Uma desvantagem desse conector é a dificuldade para o posicionamento da armadura inferior da laje, quando as barras de aço têm que passar por dentro das aberturas. As pesquisas continuaram em andamento principalmente no departamento de Transporte da Universidade de Iowa e na Universidade das Forças Armadas de Munique (Universitat der Bundeswehr Munchen).

Em Veríssimo et al., (2006) é apresentado o projeto e os resultados de ensaios de cisalhamento direto em um conector formado por uma chapa com reentrâncias, denominado

de Crestbond (CR). O conector Crestbond é uma variação do Perfobond, em que os furos são abertos para facilitar a montagem da armadura da laje. Proposto por Verissimo, este, assim como o Perfobond, tem sua resistência e ductilidade influenciadas pela resistência do concreto e pela armadura dentro ou próxima aos furos (Leonhardt, 1987 e Oguejiofor e Hosain, 1994 apud Verissimo et al., 2006). Segundo Verissimo et al. (2006), o Perfobond e o Crestbond apresentam boa capacidade de retenção de carga após o pico, sendo que para dimensões semelhantes, o Crestbond suporta uma carga um pouco menor que o Perfobond, mas se apresenta mais ductil na ruptura. A Figura 2.21 apresenta detalhes dos conectores Perforbond e Crestbond.

(a) Conector Perforbond. (b) Conector Crestbond.

Figura 2.21 – Conectores de cisalhamento Perfobond e Crestbond (Cruz et al., 2006).

2.2.3.1.5 Conector T-Rib

O conector T-Perforbond ou T-Rib deriva do conector Perfobond, acrescentando a componente da mesa ao conector, trabalhando como bloco. A motivação para desenvolver o conector T-Perfobond é combinar a alta resistência do conector tipo bloco com alguma ductilidade e resistência ao levantamento que surge dos furos do Perfobond. Na figura 2.22 são apresentados detalhes do conector tipo T-Perforbond.

Vellasco et al. (2007) propuseram um conector tipo Perfobond, mas com uma mesa com plano perpendicular ao eixo do perfil metálico, denominado T-Rib ou T-Perfobond, que visa transferir melhor as forças advindas de momento negativo de vigas em balanço para as mesas da coluna (o hogging moment).

Segundo Vianna (2009), os conectores do tipo Perfobond e T-Perfobond fornecem vantagem adicional de bom desempenho em situações de cargas cíclicas e fadiga em conectores. Quando comparados ao comportamento de conectores do tipo stud bolt os conectores Perfobonds fornecem valores de resistência à fadiga mais elevados. Estas considerações de projeto são de grande importância para estruturas submetidas à ações de trafego e ações sísmicas. Na Figura 2.23 são mostrados detalhes do conector T-Perfobond ensaiado por Vianna (2009).

(a) IPN 340 – Universidade de Coimbra. (b) HP 200x53 – PUC-Rio. Figura 2.23 - Conectores T-Perfobond (Vianna et al., 2009).

2.2.3.1.6 Conectores Horizontais

Segundo Jurkiewiez e Hottier (2005) os conectores horizontais tem sido pouco explorados. Os autores comentam que Nishimura et al. (1971) propuseram um conector horizontal que consistia em barras que passavam por orifícios de uma placa com furos soldada à mesa da viga e que veio a dar origem ao Perfobond. Segundo os autores, Kraus e Wurzer (1997) desenvolveram um tipo de conector soldando stud bolts horizontalmente a uma chapa soldada sobre o perfil metálico da viga. Este conector foi estudado por Kuhlman e Kürchner (2001). Detalhes dos conectores horizontais são apresentados na Figura 2.24.

Figura 2.24 – Conector de barras horizontais e conectores stud bolts horizontais (Nishimura et al., 1971; e Kuhlman e Kürchner, 2001).

Jurkiewiez e Hottier (2005) estudaram um conector horizontal composto por barras de aço nervuradas soldadas a alma recortada do perfil metálico, que é inserida na laje de concreto. O perfil tem sua mesa superior retirada anteriormente. Uma malha de fios soldados é posicionada antes das barras nervuradas do conector. As vigas ensaiadas romperam com formação de rótula plástica na viga e não por falha nos conectores. O deslizamento e o uplift tiveram valores máximos de 1,8 mm e 70 μm na ruptura, respectivamente, o que é muito baixo. O conector estudado por Jurkiewiez e Hottier (2005) é ilustrado na Figura 2.25.

Figura 2.25 – Conector de barras horizontais soldadas a alma recortada do perfil metálico (Jurkiewiez e Hottier, 2005).

2.2.3.1.7 Conector Piramidal

Lee e Han (1998) estudaram o conector piramidal para vigas compostas de chapa de aço e laje de concreto solicitadas à fadiga, por ser este o maior empecilho para seu uso em pontes. Os autores propuseram uma formulação analítica que prevê, com boa precisão, a resistência do conector, e constataram que a ruptura das vigas ensaiadas, com 2 milhões de ciclos de cargas e para uma carga estimada em 940 kgf/cm², se deu na chapa de aço e no conector. O conector piramidal ensaiado é ilustrado na Figura 2.26.

Figura 2.26 – Conector piramidal (Lee e Han, 1998).

2.2.3.1.8 Conectores Alternativos

Galjaad e Walraven (2001) realizaram estudos que envolveram ensaios de push-out de modelos experimentais considerando alguns tipos de conectores. Foram utilizados diferentes tipos de concretos para a conformação dos modelos experimentais, foram utilizados concretos de alta resistência, com adição de fibras de aço e com agregado leve. Para este estudo foram realizados ensaios de modelos com conectores do tipo stud, Perfobond e com mais três tipos de conectores: o Perfobond sinuoso, um conector formado por uma chapa de aço ondulada e um conector em perfil T. A Figura 2.27 apresenta detalhes destes conectores.

(a) Perfobond sinuoso. (b) Tira ondulada. (c) Perfil T. Figura 2.27 - Conectores ensaiados por Galjaard e Walraven (2001).

Galjaad e Walraven (2001) constataram que para concretos com resistência acima de 30 MPa o colapso da conexão com studs é governado pelo corte do conector. Assim, para concretos mais resistentes a conexão com studs não esgota a capacidade resistente da laje.

O conector Perfobond sinuoso ensaiado por Galjaad e Walraven (2001) apresentava 100 mm de altura, espessura de 8 mm, 5 furos de 50 mm de diâmetro e uma onda e meia com amplitude de 110 mm. O conector foi soldado através de filetes com 5 mm de perna em ambos os lados da chapa. A tira ondulada apresentava largura de 50 mm, espessura de 6 mm

e duas ondas com amplitude de 110 mm. O perfil T apresentava 120 mm de altura, 300 mm de comprimento e foi soldado com dois filetes de 6 mm de perna.

Galjaard e Walraven (2001) idealizaram o conector T a partir de uma observação feita por Oguejiofor (1994) de que uma parcela significativa da resistência do conetor Perfobond descontínuo se deve à pressão de contato entre o concreto e o conector na face frontal do conector. O objetivo foi avaliar o desempenho do conector T, que possui uma área frontal superior à de um conector Perfobond de mesma altura.

Os estudos realizados por Galjaard e Walraven (2001) conduziram a resultados que mostram que o conector T apresenta resistência equivalente ao conector Perfobond e ductilidade superior. Os modelos com Perfobond sinuoso apresentaram resistências superiores em relação aos modelos com conectores Perfobond com chapa reta. Com os resultados da pesquisa Galjaard e Walraven (2001) constataram que em concretos leves todos os tipos de conexão testados apresentam ductilidade superior à que se observa para os modelos com concreto de densidade normal.

2.2.3.2 Conectores Não Soldados

Os conectores de cisalhamento para vigas mistas de aço e concreto podem ser classificados quanto à sua fixação nas vigas metálicas como soldados e não soldados. Os conectores de cisalhamento soldados demandam uma fonte de energia elétrica para sua instalação na estrutura, enquanto os conectores de cisalhamento não soldados são instalados utilizando-se pinos impulsionados à pólvora ou através de porcas com ou sem protensão dos conectores. Além disso, alguns conectores não soldados (desmontáveis e aparafusados) vêm sendo estudados por proporcionarem maior produtividade na execução e montagem de estruturas mistas de aço e concreto, com performance equivalente aos conectores do tipo stud bolt. Visando maior sustentabilidade nas construções, com maiores possibilidades de reutilização de elementos estruturais e substituição de elementos danificados nas estruturas, observa-se a intensificação de estudos experimentais e numéricas envolvendo conectores de cisalhamento não soldados.

2.2.3.2.1 Conectores fixados através de pinos cravados à pólvora

Com o objetivo de desenvolver um conector cuja fixação à viga não se dê por soldagem, Crisinel (1990) propõe um conector mecânico em L, formado a frio, em que a base é fixada por pinos. Posteriormente, a Hilt Corporation patenteou este conector com o nome de X-HVB, e oferece tal componente em alturas que variam de 80 a 140 mm. Em termos de capacidade resistente, o conector Hilt X-HVB tem cerca de 40% da capacidade de um conector tipo pino com cabeça de 19 mm.

Os ensaios de push-out com o conector X-HVB mostraram um comportamento força x deslizamento dúctil, semelhante ao observado para conectores tipo pino com cabeça (Crisinel, 1990). Detalhes do conector X-HVB podem ser observados na Figura 2.28.

Figura 2.28 – Conector não soldado Hilti (Crisinel, 1990).

Tahir et al. (2009) ensaiou um conector semelhante ao stud bolt fixado por pinos e fabricado pela primeira vez pela empresa Pneutek, em Hudson, E.U.A, em 1971. Sua velocidade de fixação é de 5 a 10 vezes maior que a do stud bolt tradicional. Os ensaios em escala real mostraram que a resistência do sistema é comprometida por fraturas surgidas nos conectores antes do escoamento do seu aço, e os autores sugerem aumento da resistência e tamanho do pino e da sua base. A Figura 2.29 apresenta detalhes do conector ensaiado por Tahir et al. (2009).

Figura 2.29 – Conector não soldado (Tahir et al., 2009).

2.2.3.2.2 Conectores de cisalhamento desmontáveis

Todos os anos, 1500 milhões de toneladas de aço são produzidas em todo o mundo (WSA, 2011). Embora os processos de produção de aço sejam relativamente eficientes (Allwood, et

al., 2012), estes ainda provocam a emissão de quantidades significativas de dióxido de

carbono na atmosfera. Cerca de 9% das emissões antropogênicas globais são provenientes de geração de energia e serviços (IEA, 2008). A indústria da construção usa aproximadamente a metade do aço produzido (Wang et al., 2007) e a reutilização do aço tem grande potencial para reduzir a produção de aço e as emissões de carbono associadas a estes processos (Allwook, et al., 2012).

As lajes mistas de aço e concreto são o sistema estrutural mais utilizados em edifícios de múltiplos andares no Reino Unido, correspondendo a cerca de 40% da área útil construída por ano (BCSA, 2011). No entanto, as estruturas mistas são listadas como barreira para a desconstrução de sistemas (Densley e Davison 2011). Sistemas que permitem a ação mistas entre aço e concreto e permitem a desconstrução eficiente, possibilitando a reutilização dos seus componentes, podem diminuir significativamente a emissão de dióxido de carbono na atmosfera.

A motivação no desenvolvimento de conectores de cisalhamento desmontáveis está atrelada a fatores ambientais. Além disso, conectores de cisalhamento desmontáveis podem ser instalados no local de aplicação sem maiores dificuldades, considerando as mesas das vigas e as formas metálicas das lajes mistas previamente furadas. O aumento da taxa de emissão

de carbono para a atmosfera tem levado ao surgimento de preocupações sobre a sustentabilidade e reutilização de materiais. Isto conduziu a pesquisas sobre a reutilização de vigas de aço em estruturas mistas de aço e concreto. Quando as estruturas mistas alcançam o fim de sua vida útil de projeto, os conectores tradicionais ou alternativos de cisalhamento, soldados nas mesas das vigas metálicas, fazem com que a desmontagem, o reforço e desconstrução das vigas mistas se torne difícil. Na prática, vigas de aço devem passar por um processo de reciclagem e não podem ser imediatamente reutilizadas na construção civil. O processo de reciclagem do aço requer uma quantidade significativa de energia e gera emissão de carbono para o meio ambiente. Portanto, uma nova possibilidade de conectores de cisalhamento desmontáveis pode ser utilizada como alternativa aos conectores soldados usuais em vigas mistas de aço e concreto. Estes conectores desmontáveis permitem a reutilização das vigas metálicas, no final de sua vida útil de projeto, sem a necessidade de processos de reciclagem e recondicionamento demorados.

Nas estruturas mistas de aço e concreto, os esforços longitudinais de cisalhamento são transferidos entre a mesa da viga metálica e as lajes de concreto através da interface pela ação mecânica de conectores de cisalhamento. A capacidade da conexão para transferir forças longitudinais de cisalhamento depende da resistência e da rigidez dos conectores de cisalhamento e também da resistência do concreto das lajes à fissuração induzida pela grande concentração de cargas gerada pelo efeito de pino na região de contato com os conectores de cisalhamento.

O comportamento dos stud bolts soldados em sistemas mistos com lajes maciças de concreto é apresentado por Mottram e Johnson (1990) e Menzies (1971). Os conectores usados em estruturas mistas de aço e concreto tem, primordialmente, sido deste tipo. Estes conectores de cisalhamento podem ser classificados como flexíveis pois, quando submetidos a pequenas forças de cisalhamento, proporcionam um deslizamento relativo entre as vigas metálicas e as lajes de concreto na interface de contato. Em estudos sobre conectores de cisalhamento desmontáveis desenvolvidos por Lam e Saveri (2012), utilizou-se conectores do tipo stud

bolt padrão com 19 mm e 16 mm de diâmetro com e sem colarinho no fim da rosca,

compostos com porcas do tipo M16 grau 8.8 usadas para rápida conexão com a viga metálica. Os conectores de cisalhamento desmontáveis foram construídos através de conectores do tipo stud bolt padrão, assim, são constituídos de material de mesmas

propriedades mecânicas dos stud bolts tradicionais. Detalhes dos conectores estudados por Lam e Saveri (2012) são apresentados na Figura 2.30.

De acordo com Lam e Dai (2013), o Governo do Reino Unido estabeleceu um programa obrigatório para redução das emissões de gases causadores do efeito estufa em pelo menos 80% até 2050, buscando a marca de 34% de redução até 2020, portanto é importante considerar todos os processos de fabricação e ciclo de vida das construções mistas. Sistemas mistos compostos por lajes de concreto e vigas metálicas têm sido amplamente utilizados durante muitos anos pelo mundo. Estruturas metálicas e mistas estão bem estabelecidas, com custos competitivos para sistemas de lajes mistas e edifícios de múltiplos andares. A ação mista entre vigas de aço e lajes de concreto é obtida através do uso de conectores de cisalhamento, que são responsáveis por um aumento considerável na capacidade de carga e na rigidez das vigas metálicas, com o qual são utilizados em projeto, podendo resultar em significativa economia no peso de aço e no custo final da construção. No entanto, os conectores de cisalhamento são soldados através das formas metálicas e embutidos no concreto; isto faz com que o reuso dos componentes de aço após a desconstrução seja difícil. Conectores de cisalhamento desmontáveis foram desenvolvidos e testados para avaliar seu potencial e adequação como alternativa aos tradicionais conectores de cisalhamento do tipo

stud bolt. Os resultados dos ensaios mostraram que os conectores de cisalhamento propostos

podem ser facilmente desmontados depois dos ensaios, possuindo capacidade de carga e comportamento semelhante aos conectores do tipo stud bolt. Detalhes dos conectores de cisalhamento ensaiados por Lam e Dai (2013) são apresentados na Figura 2.30.

Moynihan e Allwood (2014) testaram três vigas mistas, de 2 m, 5 m e 10 m de comprimento, construídas utilizando parafusos desmontáveis como conectores de cisalhamento. Seus resultados sugerem que as vigas mistas com conectores desmontáveis apresentaram momentos resistentes comparáveis aos de vigas mistas com studs soldados. Nas Figuras 2.30 e 2.31 são apresentados, respectivamente, os conectores de cisalhamento e o sistema de ensaio empregado por Moynihan e Allwook (2014).

(a)

(b) (c) (d)

Figura 2.30 - Conectores de cisalhamento desmontáveis (Lam e Dai, 2013).