Trabalhos científicos relevantes

Como já referido, muitos são os trabalhos de experimentais sobre ensaios cíclicos em pilares e mesmo em nós viga-pilar (entendido como a intersecção dos dois elementos). A um nível local, os principais problemas das subestruturas viga-pilar que podem provocar uma resposta histerética inadequada estão associados a mecanismos de rotura frágeis, devidos a: inadequado confinamento nas zonas críticas; armadura transversal insuficiente nos nós; resistência insuficiente nos pilares e deficiências na ancoragem da armadura longitudinal e transversal. A um nível global, estes problemas podem degenerar em sistemas viga forte - pilar fraco, exibindo mecanismos de rotura localizados e indesejados associados a deformações excessivas.

No presente estudo, pretende-se estudar a ligação viga-pilar admitindo que a zona crítica se desenvolve na viga. Importa portanto abordar estudos científicos sobre ensaios cíclicos em vigas. De seguida apresentam-se os estudos científicos e conclusões mais relevantes.

Brown e Jirsa (1971) apresentaram os resultados de um estudo experimental, envolvendo ensaios

cíclicos de 12 vigas de betão armado. O modelo experimental foi materializado através de uma viga em consola.

O objectivo do estudo foi analisar o efeito da história de carregamento na resistência, na ductilidade e no modo de rotura observado, fazendo variar o carregamento - monotónico, cíclico unidireccional e cíclico reversível - o afastamento da armadura transversal e o vão de corte.

O estudo salienta a influência do esforço transverso no comportamento histerético das vigas em estudo. Os autores identificam que o comportamento não-linear observado como uma combinação do efeito de Bauschinger nas armaduras, deformações por corte, refecho de fendas e escorregamentos da armadura longitudinal na zona ancoragem.

Os resultados demonstram que a redução do afastamento dos estribos permite uma resposta histerética mais estável e uma capacidade de dissipação de energia superior. A redução do vão de corte ou o aumento do esforço transverso conduz a uma rotura por corte prematura, reduzindo o número de ciclos até à rotura.

Ma et al. (1976) realizou um trabalho experimental e analítico sobre o comportamento das zonas

criticas que se formam na viga junto à ligação viga-pilar. Admitindo que o ponto de inflexão da viga se localiza a meio-vão, o modelo experimental foi materializado através de uma viga em consola com um comprimento correspondente a metade do vão da viga. A campanha experimental compreendeu o ensaio de 9 vigas à escala 1:2, pretendendo-se estudar: o efeito da presença da laje; da relação entre a armadura longitudinal inferior e superior; da existência de cintas envolvendo os varões não restringidos; da presença de esforço transverso elevado variando o vão de corte e da imposição de histórias de deslocamento cíclicas e reversíveis e monotónicas.

Os resultados mostram que a consideração do efeito da presença da laje na configuração do modelo com uma secção em T conduz a um aumento da resistência para momentos na direcção “forte” Ao considerar uma quantidade de armadura inferior igual à armadura superior, conseguem-se acréscimos de dissipação de energia. Ao introduzir cintas suplementares, permitindo cintar varões comprimidos não restringidos pelos estribos, verificaram-se acréscimos significativos de dissipação de energia. Nas vigas com um vão de corte menor verificou-se rotura prematura por corte.

No que se refere à imposição de histórias de deslocamento diferentes, concluíram que a viga sujeita a uma história de deslocamentos cíclicos e reversíveis com amplitude gradualmente crescente apresentou uma capacidade de dissipação de energia superior do que a viga sujeita directamente deslocamentos cíclicos e reversíveis de grande amplitude. De facto, a capacidade de dissipação de energia depende da história de deslocamentos imposta.

Scribner e Wight (1978) realizaram uma campanha de ensaios cíclicos na subestrutura viga-pilar,

dimensionamento do modelo foi ponderado o princípio viga fraca - pilar forte, sendo o comportamento não-linear expectável na zona crítica da viga. O programa experimental compreendendo o ensaio cíclico de 12 vigas em consola (4 vigas à escala real e 8 vigas a metade da escala real), apresentando a viga uma secção em T. Foi aplicada uma história de deslocamentos cíclicos, reversíveis com amplitudes crescentes, baseada na amplitude do deslocamento de cedência para momentos negativos e positivos.

O principal objectivo do estudo era avaliar experimentalmente o efeito da colocação de uma armadura longitudinal intermédia, na alma da viga, a fim de controlar a rotura por corte e a degradação da rigidez em elementos de betão armado sujeitos à repetição de acções reversíveis. Foram também parâmetros de análise: a dimensão dos modelos; o vão de corte; o diâmetro e o tipo de armadura de esforço transverso e a percentagem de armadura longitudinal.

Os autores observaram que algumas características se mantinham no comportamento de todos os modelos. Desta forma, os autores observaram que, no desenvolvimento do comportamento não-linear, as fendas inclinadas mantêm-se abertas até que a deformação plástica residual nas armaduras (anteriormente traccionadas) seja anulada em compressão durante a solicitação na direcção oposta. A sequência de imposição de deslocamentos alternados e reversíveis conduz ao cruzamento das fendas que se formam nas duas direcções, de forma aproximadamente perpendicular ao eixo longitudinal do elemento. Neste sentido, a expectativa dos autores seria de interceptar as fendas com a colocação de uma armadura intermédia, protelando a degradação do elemento, garantindo uma resposta histerética mais estável e uma maior dissipação de energia.

O comprimento da rótula plástica observado foi aproximadamente igual à altura útil da viga, não sendo alterado pela colocação das armaduras intermédias. No entanto, nos modelos com um vão de corte menor verificou-se um comprimento de rótula plástica menor, indicando uma tendência para se observar uma rotura por corte.

A encurvadura das armaduras comprimidas foi condicionante na limitação da resposta estável dos modelos. Face à dimensão dos varões utilizados, os autores observaram que a dimensão e resistência dos estribos seriam mais relevante que o seu afastamento para controlar a encurvadura.

Nmai e Darwin (1986) realizaram uma campanha de ensaios cíclicos de 7 modelos de vigas de betão

armado, admitindo uma percentagem de armadura longitudinal baixa. Assumindo que o ponto de inflexão se situa a meio-vão, o modelo experimental consistiu numa viga em consola apresentando um comprimento correspondente a metade do vão.

Neste estudo pretendeu-se avaliar o efeito da variação da percentagem de armadura longitudinal, transversal, o afastamento dos estribos e a relação entre a armadura longitudinal inferior e superior. Os resultados foram analisados em termos de capacidade de energia dissipada, tendo sido aplicado um índice de dano proposto em trabalhos anteriores.

Os autores salientam a influência do esforço transverso na degradação da resposta histerética. O nível de esforço transverso induzido pelas acções horizontais depende da capacidade resistente de flexão da viga e, portanto, da quantidade de armadura de flexão. Neste sentido, o esforço transverso observado foi menor nas vigas com percentagens de armadura longitudinal mais baixas, tendo apresentado uma degradação menos acentuada e um melhor desempenho cíclico.

Os resultados demonstram que a redução do afastamento dos estribos e o aumento da relação entre a armadura longitudinal inferior e superior permitem a imposição de um maior número de ciclos e uma capacidade de dissipação de energia maior. No entanto, numa estrutura real o aumento da armadura inferior pode ser contraproducente visto que, ao aumentar a capacidade resistente de flexão, o nível de esforço transverso induzido pelas cargas horizontais poderá ser superior.

Sucuoǧlu e Erberik (2004) apresentaram um trabalho sobre a dissipação de energia sísmica devido à

repetição de ciclos. Este trabalho é sustentado por uma campanha de ensaios experimentais que compreendeu 12 vigas de betão armado sujeitas a histórias de deslocamentos com amplitude constante e 4 vigas sujeitas a histórias de deslocamentos com amplitude variáveis obtidos a partir de registos de sismos reais. Para interpretação dos resultados, a definição dos ciclos é efectuada entre 2 pontos consecutivos de força nula, o que se traduz na determinação de uma ductilidade absoluta e efectiva.

Os autores observaram a variabilidade da degradação da resistência e da rigidez face ao efeito de acções repetidas. Tendo constatado que a energia dissipada depende do caminho de carga (número de ciclos, amplitude dos mesmos e sua sequência), propõem um modelo de dano baseado na energia.

Proença et al. (2006) apresentaram um trabalho experimental que compreendeu a realização de

ensaios cíclicos em 30 vigas de aço.

Os autores referem que a imposição de uma história de deslocamentos cíclicos, reversíveis permite a determinação da ductilidade, dos índices de desempenho e a observação do comportamento histerético do elemento mas não contabiliza o efeito das forças gravíticas. Desta forma, neste estudo foi implementado um procedimento de ensaio que pretende contabilizar o efeito das forças gravíticas na resposta de uma viga sujeita a acções horizontais. Para tal, é proposta a imposição de uma história de deslocamentos cíclicos a partir do estabelecimento da força gravítica (expressa como uma

percentagem da força que provoca a cedência), onde a rotura é definida como o instante em que o elemento não apresenta capacidade suficiente para resistir à força gravítica.

Os autores observaram que a contabilização da força gravítica conduz à imposição de uma história de deslocamentos não simétrica, observando-se acumulação de deformação e uma resposta histerética não-simétrica.

Walker e Dhakal (2008) apresentam um estudo que teve como principal objectivo a avaliação dos

valores regulamentares da extensão limite dos materiais para as três classes de exigência da

NZS 3101 (2006). Na regulamentação da Nova Zelândia NZS 3101 (2006), a pormenorização das

potenciais rótulas plásticas que se formam numa estrutura é estabelecida de acordo com a capacidade de deformação local requerida nestas zonas. De acordo com o nível de exigência, as zonas críticas são classificadas em três classe - namely ductile, limited ductile e nominally ductile - baseadas na deformação plástica requerida em termos de extensão limite nos materiais. A regulamentação Neozelandesa admite a possibilidade de formação de dois tipos de rótula plástica na viga: reversíveis - em zonas de elevada sismicidade, correspondente à formação de 2 rótulas nas extremidades da viga;

unidireccionais - na presença de forças gravíticas significativas que induzem a formação de uma rótula

no vão, provocando a acumulação de deformação unidireccional nas rótulas plásticas.

O estudo compreendeu a realização de uma campanha de ensaios experimentais visando a definição de regras para rótulas bidireccionais e unidireccionais de classe nominally ductile. Foram realizados 8 ensaios cíclicos em vigas em consola de classe nominally ductile, pormenorizadas de acordo com as disposições construtivas preconizadas pelo NZS 3101 (2006), fazendo variar: a tensão de cedência das armaduras longitudinais; percentagem de armadura longitudinal; afastamento dos estribos; a largura da viga e a história de deslocamentos imposta.

Neste trabalho experimental foram aplicados dois tipos de história de deslocamentos no ensaio dos modelos de viga: um para induzir a formação de uma rótula reversível e outro para induzir a formação de uma rótula unidireccional. De modo a estudar a rótula plástica reversível foi imposto ao modelo uma história de deslocamentos cíclicos e alternados correspondentes “drifts” crescentes, admitindo duas repetições para cada amplitude. Para induzir a formação de uma rótula unidireccional, aplicou-se ao modelo uma história de deslocamentos/”drifts” semelhante à anterior, em que a descarga cessava no instante em que a força correspondente a 75% da força de cedência fosse restabelecida.

Nas Figura 3.16 e Figura 3.17 ilustra-se a história de deslocamentos/”drifts” imposta e a resposta histerética correspondente à formação de uma rótula reversível e unidireccional no modelo experimental de viga.

Figura 3.16 História de deslocamentos/”drifts” imposta e a resposta histerética correspondente à formação da rótula reversível [Walker e Dhakal (2008)]

Figura 3.17 História de deslocamentos/”drifts” imposta e a resposta histerética correspondente à formação da rótula unidireccional [Walker e Dhakal (2008)]

Como se pode observar nos gráficos anteriores, a capacidade de deformação observada nas rótulas unidireccionais é superior à das rótulas reversíveis.

Os resultados obtidos experimentalmente foram interpretados em termos de curvaturas (em vez de extensões limites nos materiais) e comparados com os previstos na norma NZS 3101 (2006) - ver Capítulo 2. Os autores constataram que os valores da norma são conservativos, especialmente no que se refere às rótulas unidireccionais onde as exigências são superiores e a capacidade deformação também.

3.5. APRESENTAÇÃO DOS MODELOS EXPERIMENTAIS