2.4 Comportamento estrutural dos painéis sandwich: Modo de rotura
2.4.3 Painéis sandwich sujeitos a carregamento axial
Os painéis sandwich de betão são geralmente utilizados na construção de apenas um piso, e estes podem funcionar como elemento estrutural resistente a cargas axiais ou não. De forma a conhecer o comportamento estrutural das diversas tipologias de painéis sandwich quando sujeitos a carregamento axial foram realizados ensaios experimentais por alguns autores.
Benayoune et al. (2006, 2007) estudaram 12 painéis sandwich com panos de betão armado separados por uma camada de isolamento de poliestireno. Os dois panos de betão eram ligados por conectores contínuos ao longo da altura do painel, em forma de treliça metálica, que atravessavam a camada de isolamento, tal como representado na Figura 2.34.
Figura 2.34: Painel sandwich com conector em treliça metálica, adaptado de Benayoune et al. (2007)
Os 12 painéis tinham de largura 1.2 m e altura variável de 1.4 m, 1.8 m e 2.4 m. Em cada grupo de 4 painéis com a mesma altura, a espessura variava de 120 mm a 130 mm. A espessura das camadas de betão era de 40 mm, constante, e a espessura da camada de isolamento variava entre 40 mm e 50 mm.
Foram formados dois grupos de seis painéis sandwich de grandes dimensões, com índice de esbeltez variável e testados sobre condições de carregamento axial diferente.
Normalmente, a carga axial não atua no centro de gravidade dos painéis. Tendo isso em consideração, Benayoune et al. (2006, 2007) testaram um grupo de 6 painéis em condições de carga axial excêntrica e outro grupo de 6 painéis em condições de carga axial centrada.
Todos os provetes foram testados na posição vertical e foi realizado um nivelamento dos painéis para assegurar um apropriado nivelamento do ensaio. Os painéis foram testados com a extremidade inferior encastrada e a extremidade superior apoiada (Figura 2.35). Deste modo, foram simuladas as condições de apoio dos painéis quando colocados numa construção real de apenas um andar.
Em todos os ensaios, foi controlado o carregamento em termos de carga. Após uma carga inicial de 100 kN, aplicou-se um incremento gradual de aproximadamente 150 kN até à rotura do painel.
Figura 2.35: Set-up adaptado de Benayoune et al. (2006)
No caso do ensaio com carga excêntrica, a carga foi aplicada a uma excentricidade de 40 mm, de modo que os painéis foram submetidos a um momento fletor (Figura 2.36).
Figura 2.36: Pormenor de carregamento axial adaptado de Benayoune et al. (2006)
No que diz respeito à análise do ensaio com carga excêntrica, foi observado o comportamento estrutural dos painéis através da medição das extensões à superfície de ambas as camadas de betão, extensões nos conectores e no aço de reforço e os deslocamentos laterais em locais estratégicos, em cada painel. Para entender melhor o desempenho de cada painel, os resultados do ensaio foram analisados no contexto de capacidade de carga excêntrica, de curvas carga-deformação, esbeltez, padrões de fendilhação e modo de rotura.
O ensaio mostrou que, numa fase inicial as curvas de carga-deformação a meia altura das seis amostras eram quase lineares, e que os painéis apresentaram um comportamento elástico. Após o aparecimento da primeira fenda, os painéis testados apresentaram um comportamento não linear e a deformação máxima foi de 21.2 mm.
Uma vez que a carga foi aplicada na camada exterior, esta foi submetida a tensões de compressão mais elevadas. Verificou-se também que a extensão nos conectores era maior na parte superior do que a meio do painel. Além disso, notou-se que as extensões apresentadas foram menores que a resistência do aço. Os conectores transferiram esforços entre as duas camadas de betão eficientemente até à rotura, mostrando um comportamento misto.
Os painéis tinham algumas fendas antes do ensaio que podiam ter ocorrido por retração ou manuseio descuidado. Estas fendas foram identificadas e marcadas e não influenciaram significativamente o aparecimento de novas fendas durante o ensaio, sendo observado que as fendas horizontais existentes fecharam com o aumento da carga
.
O aparecimento das primeiras fendas ocorreu a 38-55% da carga máxima e dois tipos de fendas foram observadas (horizontal e vertical).Todos os provetes sofreram rotura por esmagamento do betão e dois painéis mostraram fendas inclinadas junto da extremidade superior do painel, onde houve o esmagamento. Fendas horizontais também foram observadas nestes painéis, próximas do topo da camada descarregada. Estas fendas podiam ser devidas ao maior momento de flexão induzido pela carga excêntrica que estes dois painéis mostraram apresentar em relação aos restantes painéis. Fendas verticais foram predominantes em todos os painéis. Foi verificado também uma separação das duas camadas de betão, nos seis painéis, perto da parte superior. Esta separação possivelmente deveu-se à pouca capacidade resistente do betão ou a uma incorreta fixação dos conectores.
Na fase final do carregamento ocorreu uma rotura explosiva no topo, onde a carga estava a ser aplicada.
Em relação ao ensaio com carregamento axial centrado os resultados do ensaio foram analisados para avaliar a capacidade de carga axial do painel, os perfis de carga-deformação, esbelteza, padrão de fendilhação e modo de rotura.
As curvas de carga-deformação, a 300 mm a partir da borda superior carregada, mostram que antes das primeiras fendas no betão aparecerem, os painéis apresentaram um comportamento elástico, sendo as curvas carga-deformação lineares. No entanto, depois da fendilhação, o
comportamento foi não-linear, mas o aumento das deformações laterais ainda se apresentava proporcional ao aumento do carregamento.
Na fase inicial de carregamento, observou-se que existia apenas uma pequena descontinuidade das tensões com o aumento do carregamento. No entanto, a descontinuidade tornou-se significativa quando se foi aproximando a carga de rotura, explicando a razão das fendas não aparecerem simultaneamente nas duas camadas de betão. Conclui-se que todos os painéis apresentaram uma interação total, até à rotura. Verificou-se ainda que as extensões no conector eram muito inferiores à capacidade resistente do aço.
Neste ensaio, quando a carga atingiu o valor máximo, foi verificada uma violenta rotura em todos os seis painéis por esmagamento do betão, numa ou ambas as extremidades dos painéis.
As primeiras fendas foram notadas para uma carga de 44-79% da carga máxima. A propagação de fendas também foi registada e um dos painéis apresentou fissuras inclinadas. Estas fissuras podiam ser devido à instabilidade (encurvadura) do painel. A maioria das fendas era vertical e inicialmente de pequena largura.
Mohamad e Mahdi (2011) estudaram o desemprenho estrutural de dois painéis sandwich sob carga excêntrica.
Estes painéis tinham 2.0 m de altura, 0.75 m de largura e 100 mm de espessura. O painel tipo era composto por dois panos de betão leve reforçado, separados por uma camada de núcleo de poliestireno. Os panos de betão foram ligados por conectores contínuos de aço, sendo que no painel 1 foi utilizada uma treliça simples (Figura 2.37) e no painel 2 foi usada uma treliça dupla simétrica (Figura 2.38).
Figura 2.37: Conector do painel 1 adaptado de Mohamad e Mahdi (2011)
Figura 2.38: Conector do painel 2 adaptado de Mohamad e
Mahdi (2011)
Os dois provetes foram testados na posição vertical e foram suspensos por meio de uma empilhadora e colocados na estrutura de suporte. Foram devidamente nivelados e testados
com a extremidade inferior encastrada e a extremidade superior simplesmente apoiada.
O ensaio foi efetuado com controlo de carga. Uma carga inicial de 1 kN foi aplicada pela primeira vez para certificar que toda a instrumentação estava a funcionar e então a carga foi aumentada gradualmente.
Os resultados foram analisados de forma a estudar a resistência máxima alcançada, as curvas de carga-deformação, as extensões na superfície do betão em ambas as camadas, o efeito do conector de treliça dupla simétrica de aço sobre o grau de interação do painel, o padrão de fendilhação e o modo de rotura.
Verificou-se que o painel com um conector em treliça simétrico tem maior capacidade resistente, tendo sido atingida uma carga máxima de 355 kN, enquanto que no painel com conector de treliça simples a carga máxima foi de 188 kN.
Registou-se uma deformação máxima de 4.3 mm no painel 1, com conector em treliça simples, sendo a deformação do painel 2 de 0.7 mm.
Os ensaios mostraram que os painéis foram esmagados tanto na parte inferior como na parte superior (Figura 2.39). Foi observada uma falha prematura devido à baixa resistência à compressão do betão.
Figura 2.39: Modo de rotura (Mohamad e Mahdi, 2011)
Verifica-se então que a rotura típica para painéis sujeitos a cargas de compressão é pelo esmagamento do betão, resultante do esgotamento da resistência à compressão do betão.