Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira

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Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira

J O R G E B R A N C O

A l u n o d e D o u t o r a m e n t o

Assistente – Grupo de Estruturas - Universidade do Minho

jbranco@civil.uminho.pt ∗ www.civil.uminho.pt/structures

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Coordenação de Luís Juvandes 2 Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira

Jorge Branco

Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira

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O material

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A madeira é um material orgânico e natural de estrutura celular. Não sendo homogénea é constituída por um conjunto de células (fibras) responsáveis pela condução da seiva, armazenamento de substâncias nutritivas e suporte.

A árvore produz esta estrutura tubular em resposta aos esforços a que está sujeita ao longo da sua vida: flexão por acção do vento e de compressão por acção da gravidade.

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Aço 7800 170 170 170 100 210

-Bom comportamento à flexão;

- Bom comportamento na direcção das fibras; - Redução das capacidades resistentes na direcção normal às fibras;

- Baixa resistência ao corte; - Baixo módulo de elasticidade.

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Regras Práticas

- Não retrai nem dilata na direcção do fio;

- A ∆Volumétrica ocorre apenas para ω ≤ PSF; - A retracção/dilatação tangencial é dupla da radial: o coeficiente de retracção/dilatação pode assumir-se com o valor de 1% por cada 3% de variação ω, para a direcção tangencial, sendo metade deste valor para a radial.

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Aparecimento dos GLULAM (1906)

Desenvolvimento das resinas sintéticas

Construção rápida e económica

Aperfeiçoamento das técnicas de ligação

Meios de classificação

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Novos

Produtos

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Novas

Tecnologias

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Jorge Branco 55 55 55 55 55 55 55 55 55 S1 / S4 S2 S3 y,d y,d M M y,d M 120 120 40 120 120 180 80 120 120 100 150 100 100 80 120 120 120 120 180 40 45º 45º 45º 45º

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Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira Jorge Branco 30º 60º 220 80 422 45

Pinus pinaster, Ait. NP 4305:1995 and EN 408:2004 45 80 220 75º 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 ; 2,5 1,4 ; 2,5 1,4 ; 2,5 σc(MPa) 30º 30º 30º 30º 30º 30º 30º 30º 30º 30º ; 60º 30º ; 60º 30º ; 60º Ângle Cyclic Monotonic (-) Monotonic (+) Binding strip Cyclic Monotonic (-) Monotonic (+) Bolt Cyclic Monotonic (-) Monotonic (+) Stirrup Strengthened Cyclic Monotonic (-) Monotonic (+) Unstrengthened (Originals) Loading Joints - Unstrengthened - Strengthening techniques 30

TEST SETUP AND LOADING PROCEDURES

03 02 01 Section A-A A A 10,11 Load cells LVDTs 00,01,02,03 Transducers Channels 02,03 01 00 11 10 _ + F F N d _ d+ TEST SETUP - A steel test-hand - Two independent jacks - Four LVDT’s

- F-d curves measured

Monotonic:

50mm with 0.028 mm/s Cyclic:

quasi-static cyclic loading

5.0 d e 4.0 d e 3. 0 de 2. 0 de 1. 0 de Time Displacement 0.75 de

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Jorge Branco 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 2 A3 Deslocamento (mm) -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 1,4 MPa 2,5 MPa A4 A5 A6 F orç a (k N) F d -σc -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 30º 60º F o rça (kN ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1 Deslocamento (mm)

Jorge Branco 32 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 -15 -10 -5 0 5 30º 60º Fo rça (k N) Deslocamento (mm) Compression Shear No damage -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 σc = 1,4 MPa σ_c = 2,5 MPa Fo rç a (k N ) Deslocamento (mm) F+ F -d d+ σc= 1.4 MPa UNSTRENGTHENED CONNECTIONS

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STIRRUP BOLT BINDING STRIP

Metal devices were intended to counteract out-of-plane actions. Strengthening also concerns the behaviour of the friction-based connection in its own plane, and is intended to avoid the detachment of the connected members.

In seismic areas, strengthening can prevent loss of capacity and possible separation of friction surfaces due to the decrease of compression forces. 34 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 Fo rce (kN) Displacement (mm) Unstrengthened + Unstrengthened Binding Strip + Binding Strip Stirrup + Stirrup Bolt + Bolt -F _ d _ F+ d+ N = 25 kN STRENGTHENING TECHNIQUES

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Jorge Branco -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -20 -10 0 10 20 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 -30 -20 -10 0 10 20 Displacement (mm) Displacement (mm) Binding Strip F o rce (kN ) Displacement (mm) Bolt F o rce (kN ) Displacement (mm)

Jorge Branco 36 STRENGTHENING TECHNIQUES 15,60 18,09 50,43 14,57 1859 Stirrup 21,08 15,29 48,60 12,86 1877 Bolt 25,47 23,38 58,01 6,85 2874 Binding Strip 17,00 9,45 30,32 3,96 380 Unstrengthened (2,5 MPa) 11,57 6,20 32,32 2,45 230 Unstrengthened (1,4 MPa) Fmax -(kN) Fmax+ (kN) [dmax+; dmax-] (mm) Veq (%) Dissipated Energy (kJ) Joint

Strengthening techniques were efficient in the improvement of the hysteretic behaviour:

- Increase in the amount of energy dissipated

- Considerable hysteretic equivalent viscous damping ratios (V_eq) - More cycles achieved (bigger displacement amplitude)

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Initial tangent stiffness- k0

k R -k_P+ φ_u+ φ_y+

Initial secant stiffness-k1

Maximum moment-M_u Maximum rotation-φ_u Yielding moment-M_y Yielding rotation -φ_y

Residual stiffness-kU Unloading secant stiffness -kP

Residual stiffness passing from the positive to the negative moment -kR

M_u+ _{; M} u -φ_u+ _;φ u -My+ ; My -φ_y+ _;φ y -kP+ ; kP -k_R+ _{; k} R -38 1.1m 1.1m

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Jorge Branco 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 (mm) M1 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 (mm) A1 0 2 4 10 15 20

Jorge Branco 40 0 2 4 6 8 10 (m m ) A3 A5 0 2 4 6 8 10 12 14 (m m ) A7 A6 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Lo ad ( kN ) Dx Sx

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Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira Jorge Branco 0 10 20 30 Load ( kN ) 0 5 10 15 20 25 (mm) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 (m m ) R5 R6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 (m m ) M1 - Asymmetric M1- Symmetric 42 STRENGTHENING

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Jorge Branco 0 20 40 Load 0 10 20 Lo Sx

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INVESTIGAÇÃO U.M. + UNITN

SEM CHAPA DE TESTA COM CHAPA DE TESTA

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Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira Jorge Branco EXTREMIDADE’ i i F k E ∆ = ⋅ 2 , ₁ j ini i E z S k ⋅ =

∑

, j Ed M = ⋅F z i Ed z φ =

∑

∆ 2 , , j Ed j ini Ed i M F z S φ ⋅ = = ∆

∑

z

φ

Ed

M

j,Ed

k

1

k

2

k

3 ALMA MADEIRA CHAPA DE EXTREMIDADE VARÃO

k →

∞

50 • MOMENTO RESISTENTE M_j,Rd • RIGIDEZ DE ROTAÇÃO S_j • CAPACIDADE DE ROTAÇÃOφCd φEd,l Mj,Ed,r φEd,r Mj,Ed,l

RELAÇÃO MOMENTO - ROTAÇÃO:

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Jorge Branco

Jorge Branco 52 0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 35 40 P6 P10

P10 - senza piastra di testa P14 P18 P20 - flangia irrigidita Carico [ kN] Abbassamento [mm] PLASTIFICAÇÃO DAS CHAPAS E VARÕES

PROPRIEDADES DA LIGAÇÃO FÁCEIS DE SEREM ALTERADAS  VALORES DE DUCTILIDADE ESTÁTICA ELEVADOS

 BOM COMPORTAMENTO DA LIGAÇÃO SEM CHAPA DE EXTREMIDADE

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Jorge Branco

RÓTULAS PLÁSTICAS (FRAME HINGES )

0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Ca ric o [k N] Abbassamento [mm] ANÁLISE REALIZADA

ANÁLISE ESTÁTICA LINEAR: • peso proprio

• carga aplicada (controlo de deslocamentos) RESULTADOS PRÓXIMOS AOS ENSAIOS FERRAMENTA ÚTIL DE DIMENSIONAMENTO:

• análise elástica linear • análise push-over

PROVINO P18

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LIGAÇÕES DE NÓS DE PÓRTICOS

REVESTIMENTO COM PANÉIS

 Estética  Protecção ao fogo  Possibilidade de inspecção CARACTERÍSTICAS  pré-fabricação  fácil montagem  versatilidade da ligação SISTEMAS VIGA-PILAR

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Jorge Branco Width 238 132 66 66 460 238 300 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 0 10 20 30 Time (s) Accel erat io n (m /s2)

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SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO

• pode evitar a remoção de estruturas antigas de madeira

• betão à compressão e madeira à tracção • capacidade resistente duplicada

• rigidez aumentada 3 a 4 vezes • diminuição de vibrações • isolamento acústico • protecção ao fogo • protecção face à água

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Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira Jorge Branco Viga Viga principal Betão Malhasol Prego Betão _Malhasol Prego 58

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Jorge Branco

Madeira

Jorge Branco 60 4500 6000 7500 9000 12000 15000 18750 (6) 1.0 1.1 1.3 1.2 1.5 1.4 1.6 1.7 2.0 1.8 1.9 1.0 1.2 1.6 1.4 2.2 2.0 2.4 1.8 Ku ef (EI ) ufin (cm) (N/mm) (10 Nmm )12 (8) (10) (12) (16) (20) (25) 2 E σ σ 1, A1, I1 2 2 2, A, I E b₂ Ku h2 h₁ 1 b 1 a 2 a 1 h /2 /2 2 h m,2 2 m,1 σ σ1

( )

=∑

(

+γ

)

= 2 1 2 i i i i i i i ef EI EAa EI max min eq . s . s s =075⋅ +025⋅

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Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira Jorge Branco 180 18 60 18 60 50 50 125 125 Malhasol Ligador Betão leve Contraplacado

Provete de madeira Malhasol Betão leve

Contraplacado 90 60 60 90 60 60 18 18 180 Ligador Provete de madeira LM3 – Conector SFS

LM4 – Prego sem cofragem perdida

Esquema de ensaio Específicos 62 0 1 2 3 4 5 6 7 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 0 10 20 30 40 50 60 70 Provete 2 Provete 3 Provete 1 Fo rç a (k N) Deslocamento (mm) 3,0 4,5 6,0 0 2 4 6 8 10 12 kser=9.81 kN/mm kser=9.99 kN/mm LM1

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Jorge Branco 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 0 10 20 30 40 50 _{Provete 1} Provete 2 F orça (k N ) Deslocamento (mm) LM2

Jorge Branco 64 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 0 10 20 30 40 50 60 70 Provete 3 Provete 2 Provete 1 Fo rç a ( kN ) Deslocamento (mm) LM3

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Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira Jorge Branco 0 1 2 3 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 0 10 20 30 40 50 60 70 Plastificação do ligador Provete 3 Provete 2 Provete 1 Fo rç a (k N) Deslocamento (mm) LM4 66

•Os sistemas de ligação da SFS e da TECNARIA são mais adequados; • O conector Tecnaria® apresenta uma maior capacidade resistente e maior k_ser;

• Espera-se uma maior aposta nos ligadores desenvolvidos

especificamente para utilização em lajes mistas madeira-betão em detrimento dos pregos ou mesmo de varões;

• O comportamento evidenciado pelo betão leve permite concluir que a sua utilização maximiza as vantagens evidenciadas pelas lajes mistas madeira-betão (redução do peso próprio).

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Jorge Branco 72 TRÊS FORMAS DE REFORÇO: EXTERNO INTERNO SEM CAVIDADE INTERNO COM CAVIDADE

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Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira Jorge Branco • aplicação de primário? • sistema compósito Estudo 2 Compósito - madeira Estudo 1 Cola - madeira 74 18 VIGAS GLULAM (9x22.5X400 cm3₎

• 1 viga de referência sem reforço

• 9 vigas reforçadas com mantas de CFRP:

- 3 com reforço externo.

- 3 reforçadas internamente na face inferior da

penúltima lamela.

penúltima lamela onde se efectuou uma cavidade para colocar o reforço.

• 8 vigas reforçadas com laminados de CFRP: - 2 com reforço externo.

penúltima lamela.

penúltima lamela onde se efectuou uma cavidade para colocar o reforço.

2 camadas com 70 mm de largura (e = 0.167 mm)

1 tira com 20 mm de largura (e = 1.4 mm)

Ensaios à flexão - concepção dos modelos

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Jorge Branco 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 Car g a ( k N) Deslocamento Central (mm)

Jorge Branco

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Reforço – sistema e materiais

Madeira maciça

Manta CFRP

Madeira: Eucalipto antigo

Manta: MAPEWRAP C UNI-AX 300/20 Resina: MAPEWOOD GEL 120

1ª FASE: avaliação da aderência madeira-resina (ensaios pull-off) 2ª FASE: ensaios à flexão de vigas reforçadas

(2 x 6 cm) 0.167 2.1 230 >4800 Manta -1.2 2 30 Resina Esp. (mm) εult. (%) E (GPa) Tensão (MPa) Sistema

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Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira Jorge Branco 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 L o ad (k N ) Vm-1 Vm-2 Vm-3 Vm-4

Mid-span deflection (mm) ROTURA POR FLEXÃO ROTURA POR CORTE

Vm-4 Vm-1 e Vm-3 LENHO DE COMPRESSÃO 78 Reforço - eficácia +2.1 90.9 88.4 Resistência à Flexão f_m(MPa)

+23.5 22.6

18.3 Módulo de elasticidade E₀(GPa)

Var. (%)

Reforçadas Não reforçadas

Propriedade

- eficaz no aumento do E (+ rigidez) - aumento do comportamento plástico - não são claros os benefícios na resistência - forte influência das irregularidades detectadas na

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BIBLIOGRAFIA

Branco J.M., Cruz P.J. (2002) Lajes Mistas de MadeiraBetão. em Engenharia Civil -Revista do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, N.º 15, pp. 5-18. Branco J. M. (2003) - Comportamento das Ligações Tipo Cavilha em Estruturas Mistas Madeira-Betão. Tese de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, Universidade do Minho, Fevereiro, Guimarães.

Branco J., Cruz P., Piazza M. and Varum H. (2006) – Modelling of timber joints in traditional structures. International Workshop on “Earthquake Engineering on Timber Structures”. Coimbra, Portugal, November 2006, pp. 1-15.

Dias S., Branco J. and Cruz P. (2006) - Compósitos de CFRP unidireccionais no reforço de vigas de madeira lamelada-colada. Revista Internacional Construlink, ISSN 1645-5576, Nº 11 – Fev. 2006, Vol. 4, pp. 25-33.

Branco J., Cruz P., Piazza M. and Varum H. (2006) - Strengthening Techniques of

Portuguese Traditional Timber Connections. Structural Analysis of Historical

Constructions. P.B. Lourenço, P. Roca, C. Modena, S. Agrawal (Eds.), New Delhi, 2006, pp. 359-366.

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J O R G E B R A N C O

A l u n o d e D o u t o r a m e n t o

Assistente – Grupo de Estruturas - Universidade do Minho