Juliana da Cruz Vianna
Avaliação do comportamento
estrutural de conectores
Perfobond e T-Perfobond para
vigas mistas
Tese de Doutorado
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Civil da PUC-Rio como requisito
parcial para obtenção do título de Doutor em
Engenharia Civil.
Orientadores: Sebastião A. L. de Andrade
Pedro C. G. da S. Vellasco
Luis F. da C. Neves
Rio de Janeiro
Agosto de 2009
Juliana da Cruz Vianna
Avaliação do comportamento estrutural de
conectores Perfobond e T-Perfobond em vigas
mistas
Tese apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Doutor pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Prof. Sebastião Arthur Lopes de Andrade Presidente / Orientador Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio Prof. Pedro Colmar Gonçalves da Silva Vellasco Co-Orientador Departamento de Estruturas e Fundações - UERJ Prof. Luis Filipe da Costa Neves Co-Orientador Departamento de Engenharia Civil - FCTUC - Portugal
Profa. Marta de Souza Lima Velasco Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio Prof. Luciano Rodrigues Ornelas de Lima Departamento de Estruturas e Fundações - UERJ Profa. Arlene Maria Sarmanho Freitas Departamento de Engenharia Civil - UFOP Prof. José Guilherme Santos da Silva Departamento de Estruturas e Fundações - UERJ
Prof. José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico – PUC-Rio
Rio de Janeiro, 19 de agosto de 2009
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial deste trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.
Juliana da Cruz Vianna Graduou-se em Engenharia Civil pela Unifoa-Centro Universitário de Volta Redonda em 2001. Obteve o título de Mestre em Ciência pela Universidade Católica do Rio de Janeiro em 2005. Possui vários trabalhos publicados em atas de conferência e revistas internacionais na área de construção mista de aço e concreto.
Ficha catalográfica
CDD: 624
CDD: 624
Vianna, Juliana da CruzAvaliação do comportamento estrutural de conectores Perfobond e T-Perfobond para vigas mistas. / Juliana da Cruz Vianna ; orientadores: Sebastião A. L. de Andrade, Pedro C. G. da S. Vellasco, Luis F. da C. Neves. – Rio de Janeiro : PUC, Departamento de Engenharia Civil, 2009. 300 f. : il. ; 30 cm
Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil.
Inclui referências bibliográficas.
1. Engenharia civil – Teses. 2. Viga mista. 3. Conector de cisalhamento. 4. Perfobond. 5. Sistemas construtivos mistos. 6. Construção mista. I. Andrade, Sebastião A. L. de. II. Vellasco, Pedro C. G. da S. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. IV. Título.
Agradecimentos
A Deus pela vida. Aos meus queridos pais, Ivan e Mariinha, pelo suporte, carinho e incentivo durante toda a minha vida. A toda minha família pelo apoio e incentivo, e em especial aos meus irmãos, Rodrigo e Janaina, pelo carinho e amizade.
Aos professores e orientadores Sebastião Arthur Lopes de Andrade e Pedro Colmar G. da S. Vellasco, pelos relevantes conhecimentos transmitidos e orientação durante o trabalho.
Ao orientador português Luis F. da C. Neves, por ter possibilitado a realização da maior parte da campanha experimental da tese no Laboratório de Mecânica Estrututal do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra. Pela orientação, apoio, acolhimento em Portugal, pela paciência, amizade e carinho.
A Teresa Cordeiro, que juntamente com Luis F.C.N., me acolheram como uma filha em Portugal. Agradeço a amizade, o carinho, o apoio, a companhia e a dedicação. Obrigada por tudo. Agradeço também aos seus pais pelo acolhimento em Portugal.
Ao Patrício, pelo amor, carinho, compreensão, companhia e apoio durante toda a fase deste trabalho. “A nossa história está apenas começando”, (Pires, 2009).
A minha querida amiga Patrícia C. da Cunha, uma das grandes incentivadoras. Seu incentivo foi fundamental para realização deste trabalho.
Ao prof. Luciano Lima, pelo incentivo e apoio na realização do programa Sandwich em Coimbra, e pela amizade e companhia.
Aos meus grandes e queridos amigos, Ângela Ávila, Gustavo Christani, ao meu primo Fabrício, que sempre me apoiaram e incentivaram.
As amizades nascidas e fortalecidas na PUC-Rio, Gisele e Júlio, Diego, Alexandre e Alberto, pela companhia e pelo incentivo.
Em especial aos amigos Fernando Ramires, Ricardo Araújo, Magnos Freitas e Larissa que auxiliaram e motivaram o desenvolvimento deste trabalho. E aos amigos Arthur, João, Suellen, André, Lucas entre outros, que trabalharam no LEM-DEC e que de alguma forma colaboraram no meu trabalho.
Aos funcionários do Laboratório de Estruturas e Materiais da PUC-Rio, Euclides, Evandro, José Nilson e Haroldo, pela colaboração na montagem e execução dos ensaios.
Aos funcionários do Laboratório de Mecânica Estrutural da Universidade de Coimbra, João, Miguel, Zé, pela ajuda na execução dos ensaios. Em especial ao Luís Gaspar, pela sua dedicação para realizar os ensaios, pela amizade e pelo ótimo convívio.
Aos colegas portugueses da Universidade de Coimbra, Rui Simões, Sandra Jordão, Aldina Santiago, Eduardo Júlio, Luis Simões, Afonso Mesquita, e ao amigo João Veludo, por toda motivação no desenvolvimento deste trabalho. A todos os demais funcionários da Universidade de Coimbra e da PUC-Rio pela colaboração.
As amizades especiais nascidas em Coimbra, Thais, Aura e Raquel, pela amizade, apoio, companhia e carinho.
A empresa brasileira Metalfenas e a portuguesa J. Rascão, pelos serviços de fabricação dos perfis metálicos.
A empresa portuguesa Pascoal & Pascoal Ltda. pelo apoio e suporte financeiro para a realização deste projeto de pesquisa em Coimbra.
A colaboração do Engenheiro Tiago Pires Ferreira, da empresa SCA, Serralharia Central de Alvarelhos, Lda (Portugal) e do Engenheiro Ricardo Davi, da empresa Projetec (Brasil), na avaliação dos custos que permitiram suportar o estudo econômico apresentado neste trabalho.
Ao CNPq pela bolsa no Brasil, à Capes-Grices pela bolsa em Portugal.
Resumo
Vianna, Juliana da Cruz; Andrade, Sebastião Arthur Lopes de (orientador); Vellasco, Pedro Colmar G. da Silva (co-orientador), Neves, Luís Filipe da Costa (co-orientador, Universidade de Coimbra, Portugal). Avaliação do comportamento estrutural de conectores Perfobond e T-Perfobond para vigas mistas. Rio de Janeiro, 2009. 307p. Tese de Doutorado – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
As vigas mistas são um exemplo das cada vez mais difundidas estruturas mistas, e resultam da associação de uma viga de aço com uma laje de concreto ou mista, ligadas por meio dos conectores de cisalhamento. Dentre os diversos tipos existentes pode-se citar os pernos com cabeça (stud bolts), perfis C e o Perfobond. Um conector alternativo foi proposto para estruturas mistas, o T-Perfobond, que deriva do conector Perfobond acrescentando a componente da mesa, que trabalha como um bloco. Combina portanto a alta resistência do conector tipo bloco com a ductilidade e resistência ao levantamento dos furos do Perfobond. Para determinação da sua capacidade resistente foi realizado um programa experimental envolvendo cinquenta e dois ensaios do tipo push-out com conectores Perfobond, T-Perfobond e T, um ensaio em escala real e uma modelagem numérica. Os ensaios push-out estabeleceram a carga máxima e a capacidade de deformação dos conectores. Procurou-se com o ensaio em escala real determinar a resistência última da estrutura, o modo de ruína, as deflexões e as deformações, e validar o comportamento do conector T-Perfobond em uma estrutura real. Os resultados indicaram que o modelo de plastificação total pode ser adotado para a determinação do momento fletor resistente em vigas mistas bi-apoiadas com conectores T-Perfobond. Os modelos numéricos auxiliaram no estudo da capacidade de deformação da mesa do conector T-Perfobond, e na investigação das vigas com interação total ou parcial ao cisalhamento. Sob o ponto de vista econômico, um estudo comparativo dos custos dos conectores Perfobond, T-Perfobond e Studs foi conduzido e concluiu-se que os conectores Perfobond e T-Perfobond são mais econômicos em até 33% que os conectores Studs. Dentre as vantagens estruturais e construtivas de utilizar os tipos de conectores alternativos destacam-se: a alta resistência, a fácil produção e instalação no perfil de aço através de solda corrente, e bom comportamento à fadiga.
Palavras-chave
Viga mista; Conector de cisalhamento; Perfobond; Sistemas construtivos mistos; Construção mista; Análise experimental de estruturas.
Abstract
Vianna, Juliana da Cruz; Andrade, Sebastião Arthur Lopes de; Vellasco, Pedro Colmar G. da Silva, Neves, Luís Filipe da Costa (advisors). Assessment of Perfobond connector behaviour for composite beams. Rio de Janeiro, 2005. 307p. DSc. Thesis – Department of Civil Engineering, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Steel and composite beams have been extensively used in buildings and bridges. The component that assures the shear transfer between the steel profile and the concrete deck, enabling the composite action to develop, is the shear connector. Among the different types of connectors the headed studs, C sections and the Perfobond may be referred. An alternative connector has been proposed for composite structures, the T-Perfobond. The main difference between the studied Perfobond and T-Perfobond connectors is the presence of a flange, providing a further anchorage to the system. This connector combines the high strength of the block connector with ductility and resistance to uplift of the Perfobond holes. To evaluate their shear capacity an experimental programme that consisted of fifty-two push-out test and one full-size test, and some numerical analysis were performed. The push-out tests have established the maximum load capacity and deformation of the connectors. The full-size test has determined the composite beam load carrying capacity, typical failure modes, associated stresses and displacements, and has validated the behaviour of the T- Perfobond connector in an actual structure. The results indicated that the plastic distribution can be adopted for T- Perfobond connectors. The numerical analysis helped in the assessment of the deformation capacity of the T-Perfobond flange connector, and the investigation of the composite beam with total or partial connection. From the economic point of view, a comparative study of the cost of Perfobond, T-Perfobond and Studs connectors was conducted and it was concluded that the Perfobond and T-Perfobond connectors lead to an economy of up to 33% when comparing to the Studs connectors. Among the structural and constructive advantages of the use of alternative types of connectors, an high resistance, easy manufacturing and installation of steel beam by current welding and good performance to fatigue may be referred.
Keywords
Composite beams; shear connector; Perfobond; composite construction; experimental structural analysis.
Sumário
1 Introdução 28
1.1. Vigas mistas 29
1.1.1. Características das vigas mistas 29
1.1.2. Comportamento da viga mista em relação ao cisalhamento na interface 30
1.2. Motivação 35 1.3. Objetivos 36 1.4. Estrutura do documento 37 2 Revisão Bibliográfica 39 2.1. Conectores de Cisalhamento 39 2.1.1. Histórico 39
2.1.2. Classificação dos conectores 50
2.1.3. Ensaios de push-out segundo EUROCODE 4 (2005) 52 2.1.4. Ensaios de conectores em modelos experimentais não usuais 53 2.1.5. Equações para cálculo da resistência de conectores 55
2.2. Vigas Mistas 64
2.2.1. Histórico 64
2.2.2. Largura efetiva 68
2.2.3. Dimensionamento de vigas mistas biapoiadas 70
3 Concepção do conector e programa experimental dos ensaios tipo
Push-out 71
3.1. Concepção do conector 71
3.2. Programa experimental dos ensaios tipo Push-out 72
3.3. Primeira etapa 74 3.3.1. Conectores de cisalhamento 74 3.3.1.1. Primeira série 77 3.3.1.2. Segunda série 78 3.3.1.3. Terceira série 79 3.3.1.4. Quarta série 80
3.3.2. Preparação do Ensaio tipo Push-out 81
3.3.2.1. Forma e Armadura 83
3.3.2.2. Concreto 84
3.3.2.3. Montagem do Ensaio 85
3.3.2.4. Instrumentação e aplicação do carregamento 86 3.3.3. Resultados 90 3.3.3.1. Primeira série 90 3.3.3.1.1. Concreto 90 3.3.3.1.2. Ensaios Push-out 91 3.3.3.1.3. Mecanismos de colapso 98 3.3.3.1.4. Conclusões 100 3.3.3.2. Segunda série 101 3.3.3.2.1. Concreto 101 3.3.3.2.2. Ensaios Push-out 102 3.3.3.2.3. Mecanismos de colapso 111 3.3.3.2.4. Conclusões 114 3.3.3.3. Terceira série 115 3.3.3.3.1. Concreto 115 3.3.3.3.2. Ensaios Push-out 115 3.3.3.3.3. Mecanismos de colapso 121 3.3.3.3.4. Conclusões 125 3.3.3.4. Quarta série 125 3.3.3.4.1. Concreto 125 3.3.3.4.2. Ensaios Push-out 126 3.3.3.4.3. Mecanismos de colapso 129 3.3.3.4.4. Conclusões 129
3.3.3.5. Comparação entre as séries iniciais 129
3.3.3.5.1. Influência do concreto 129
3.3.3.5.2. Influência do tipo de conector: Perfobond versus T-Perfobond 132 3.3.3.5.3. Influência das armaduras no conector T-Perfobond 135
3.3.4. Conclusões Gerais - Primeira Etapa 136
3.3.4.1. Influência da espessura da chapa do conector 137 3.3.4.2. Influência do número de furos e do espaçamento entre eles 138
3.3.4.3. Importância da altura do conector 138
3.3.4.4. Influência das armaduras 138
3.3.4.5. Influência da resistência à compressão do concreto 139
3.3.4.6. Ductilidade da ligação 140
3.3.4.7. Modo de ruptura 140
3.4. Segunda etapa 145
3.4.1. Conectores de cisalhamento 145
3.4.1.1. Quinta série 146
3.4.1.2. Sexta série 146
3.4.2. Preparação do Ensaio tipo Push-out 147
3.4.2.1. Forma e Armadura 148
3.4.2.2. Concreto 150
3.4.2.3. Montagem do Ensaio 151
3.4.2.4. Instrumentação e aplicação do carregamento 153
3.4.3. Resultados 158
3.4.3.1. Concreto 158
3.4.3.2. Quinta série 159
3.4.3.3. Sexta série 161
3.4.3.4. Comparação entre as séries da segunda etapa 166
3.4.3.5. Mecanismo de colapso 168
3.4.3.6. Conclusões 171
3.5. Comparação entre a primeira e a segunda etapa 172
3.6. Propriedades dos materiais 174
3.6.1. Concreto 174
3.7. Conclusões gerais 175
4 Programa experimental do ensaio em escala real 177
4.1. Introdução 177
4.1.1. Preparação do Ensaio em Escala Real 177
4.1.1.1. Apoios 179
4.1.1.2. Forma e Armadura 180
4.1.1.3. Concreto 183
4.1.1.4. Instrumentação e aplicação do carregamento 184
4.2. Resultados 191
4.2.1. Propriedades dos materiais 191
4.2.1.1. Concreto 191
4.2.2. Ensaio em escala real 191
4.2.2.1. Modo de colapso 191
4.2.2.2. Momento máximo e deslocamentos verticais 192
4.2.2.3. Deformações 195
4.2.2.4. Deslizamento relativo na interface 210
4.2.2.5. Avaliação teórica da resistência 211
4.3. Conclusões 215
5 Modelagem numérica 217
5.1. Conectores T-Perfobond 217
5.1.1. Elementos finitos utilizados 217
5.1.1.1. Elemento Shell 63 217
5.1.2. Malha, condições de contorno e aplicação da solicitação 218
5.1.3. Relações constitutivas utilizadas 219
5.1.4. Análise dos resultados 220
5.1.5. Conclusões 221
5.2. Ensaio em escala real 222
5.2.1. Elementos finitos utilizados 223
5.2.1.1. Elemento Solid 65 223
5.2.1.2. Elemento Shell 43 224
5.2.1.3. Combin 39 225
5.3. Modelagem Numérica 225
5.4. Validação da modelagem numérica 228
5.5. Conclusões 234
6 Discussão dos resultados 235
6.1. Introdução 235
6.2. Discussão dos resultados dos ensaios de push-out com Perfobond 235 6.2.1. Análise das equações de Oguejiofor & Hosain 239 6.2.2. Análise da equação de Medberry & Shahrooz 240 6.2.3. Análise da equação de Ushijima et al. 241
6.2.4. Análise da equação de Al-Darzi 242
6.2.5. Análise da equação de Veríssimo 243
6.2.6. Considerações iniciais 244
6.2.7. Modelo ajustado com análise de regressão múltipla 246 6.3. Discussão dos resultados dos ensaios de push-out com T-Perfobond 248 6.3.1. Modelo ajustado com análise de regressão múltipla 251 6.4. Comparação do ensaio em escala real com ensaio push-out 255 6.4.1. Força de cisalhamento por conector e deslizamento entre a seção de aço
e concreto 255
6.4.2. Conclusões 259
6.5. Estudo econômico 259
6.5.1. Conclusões 264
6.6. Conclusões gerais 265
7 Considerações finais 267
7.1. Introdução 267
7.2. Principais conclusões 269
7.3. Principais contribuições do presente trabalho 271
7.4. Sugestões para trabalhos futuros 272
Referências bibliográficas 274
Anexo A Dimensionamento da armadura transversal 278
Anexo B Dimensionamento da viga mista 281
Anexo C Verificação dos momentos e tensões 291
Anexo D Comparação push-out e ensaio escala real 298
Lista de Figuras
Figura 1.1 – Vigas mistas (a) Seção de aço em I. (b) Seção de aço em caixão.
(c) Sistema treliçado. 30
Figura 1.2 – (a) Pontes mistas. (b) e (c) Laje steel deck em sistema de piso 30 Figura 1.3 – Comparação de vigas fletidas sem ação mista e com ação mista,
Queiroz et.al (2001) 31
Figura 1.4 – Transferência de forças de cisalhamento longitudinal por meio de
conectores studs, David (2007). 32
Figura 1.5 – Tipos de fissuração na laje, Kotinda (2006) 33 Figura 1.6 – Superfície típica de falha ao cisalhamento, Cosenza & Zandonini
(1999) 35 Figura 1.7 – Conector proposto: T-Perfobond. 36
Figura 2.1 – Desenvolvimento histórico dos conectores de cisalhamento. (a) Sistemas de abas. (b) Conectores espirais. (c) Perfil U. (d) Studs. Cosenza &
Zandonini (1999) 40
Figura 2.2 – Visão geral da discretização para os modelos com conector perfil
“U” formado a frio, Tristão (2005) 41
Figura 2.3 – Conector T, Cruz (2006) 41
Figura 2.4 - Exemplos de conectores disponíveis, Vianna et al. (2008a) 44 Figura 2.5 - Cisalhamento dos pinos virtuais de concreto, em dois planos de corte, nos furos do Perfobond, Veríssimo (2007) 44 Figura 2.6 – Conectores Perfobond para reforço de estrutura, Neves & Lima
(2005) 47 Figura 2.7 - Conectores PSC, Chromiak & Studnicka (2008) 48
Figura 2.8 – Geometria do corpo de prova do ensaio do conector disposto em
paralelo, Martins (2008) 49
Figura 2.9 – Curva carga versus deslizamento, Cosenza & Zandonini (1999). 50 Figura 2.10 – Classificação dos conectores e suas curvas características, David
(2007). 51 Figura 2.11 – Ensaio de push-out, Eurocode (2005) 52
Figura 2.12 – Esquema do ensaio push-out, Topkaya et al. (2004) 54 Figura 2.13 – Single push-out test, Valente (2007) 55 Figura 2.14 – Conectores tipo bloco, EUROCODE 4 (2001). 58
Figura 2.15 – (a) Definição das áreas Af1 e Af2. (b) Definição dos ângulos α e β. 59 Figura 2.16 – Variação da excentricidade da força frontal, Veríssimo et al. (2007)
64 Figura 2.17 – Largura efetiva b, Queiroz et al.(2001) 69 Figura 2.18 – Incompatível deslocamento complementar em uma
descontinuidade do cortante, Oelhlers & Bradford, 1999. 69 Figura 2.19 – Distribuição de tensões na laje, David 2007. 70
Figura 3.1 – Conector T-Perfobond rib proposto por Ferreira (2000) 71 Figura 3.2 – Concepção do conector T-Perfobobond 72 Figura 3.3– Geometria dos conectores, Leite (2006) 74 Figura 3.4 – Configurações dos conectores Perfobond, Vianna et al. (2008d) 75 Figura 3.5 - Configurações dos conectores T-Perfobond, Vianna et al. (2008d) 76 Figura 3.6 – Conectores Perfobond e T-Perfobond primeira série 78 Figura 3.7 – Protótipos dos conectores Perfobond e T-Perfobond da primeira
série 78
Figura 3.8 – Conectores Perfobond da segunda série 79 Figura 3.9 – Protótipos dos conectores Perfobond da segunda série 79 Figura 3.10 – Conectores T-Perfobond da terceira série 80 Figura 3.11 – Protótipos com conectores T-Perfobond da terceira série 80 Figura 3.12 – Conectores T-Perfobond da quarta série 81 Figura 3.13 – Protótipos com conectores T-Perfobond da quarta série 81 Figura 3.14 – Configuração do perfil com conector T-Perfobond – Portugal 82 Figura 3.15 – Configuração detalhada do protótipo TP-2F-120. 82 Figura 3.16 – Montagem das armaduras e formas no DEC, Coimbra. 83 Figura 3.17 – Concretagem dos protótipos no DEC, UC – Portugal 85 Figura 3.18- – Estrutura de reação e instrumentação para o ensaio tipo push-out,
DEC. 86
Figura 3.19 – Instrumentação dos protótipos, DEC – Coimbra. 87 Figura 3.20 – Instrumentação dos extensômetros dos protótipos da primeira
série. 87
Figura 3.21 – Instrumentação dos extensômetros do protótipo P-2F-AR-120-A,
da segunda série. 88
Figura 3.22 – Instrumentação dos extensômetros do protótipo P-2F-AR-200-A,
da segunda série. 88
Figura 3.23 – Instrumentação dos extensômetros do protótipo P-4F-AR-200-A,
da segunda série. 89
Figura 3.24 – Instrumentação dos extensômetros do protótipo TP-2F-AR-120-A,
da terceira série. 89
Figura 3.25 – Esquema de carregamento para o controle do ensaio de push-out 90 Figura 3.26 – Conectores Perfobond com dois furos com 120 e 200mm de
espessura de laje. 92
Figura 3.27 – Conectores Perfobond, primeira série 92 Figura 3.28 – Histórico da tensão no conector Perfobond, Vianna et al. (2008b).
93 Figura 3.29 – Conectores T-Perfobond com dois furos com 120 e 200mm de
espessura de laje. 94
Figura 3.30 – Conectores T-Perfobond, primeira série 94 Figura 3.31 – Histórico da tensão no conector T-Perfobond, Vianna et al.
(2008b). 95 Figura 3.32 – Comparação do Perfobond com T-Perfobond com dois furos e laje
de 120mm. 96
Figura 3.33 – Comparação do Perfobond com T-Perfobond com dois furos e laje
de 200mm. 97
Figura 3.34 – Comparação do Perfobond com T-Perfobond com quatro furos e
laje de 200mm. 97
Figura 3.35– Demolição dos protótipos. 98
Figura 3.36– Modos de ruína dos Perfobond, Vianna et al.(2007) 99 Figura 3.37– Modos de ruína dos T-Perfobond. 99 Figura 3.38– Plastificação dos conectores, primeira série. 100 Figura 3.39 – Conectores Perfobond para laje com 120mm, segunda série 102 Figura 3.40 – Conectores Perfobond para laje com 200mm, segunda série 102 Figura 3.41 – Detalhe das armaduras nos furos 103 Figura 3.42 – Conectores Perfobond para laje com 120mm e 200mm, segunda
série 103 Figura 3.43 – Separação horizontal do conector Perfobond sem furos,
P-SF-120-A. 104
Figura 3.44 – Conectores Perfobond para laje com 200mm e presença das
armaduras. 105 Figura 3.45 – Deformações no ensaio do conector P-2F-AR-120-A. 107
Figura 3.46 – Extensômetros no conector e na barra no protótipo
P-2F-AR-120-A. 107
Figura 3.47 – Extensômetros no conector e na barra no protótipo
P-2F-AR-200-A. 108
Figura 3.48 – Deformações no ensaio do conector P-2F-AR-200-A. 108 Figura 3.49 – Extensômetros no conector e na barra no protótipo
P-4F-AR-200-A. 109
Figura 3.50 – Deformações no ensaio do conector P-4F-AR-200-A. 110 Figura 3.51 – Deformações no conector P-4F-AR-200-A. 111 Figura 3.52 – Deformações no conector P-4F-AR-200-A, para carga de 350kN.
111 Figura 3.53– Protótipo P-SF-120-A após ensaio, segunda série. 112 Figura 3.54– Protótipo P-2F-120-A após ensaio, segunda série. 112 Figura 3.55– Modos de ruína dos conectores Perfobond, P-2F-AR-120-A,
segunda série. 113
Figura 3.56– Protótipo P-2F-AR-120-A após ensaio, segunda série. 113 Figura 3.57– Protótipo P-SF-200-A após ensaio, segunda série. 113 Figura 3.58– Protótipo P-2F-200-A após ensaio, segunda série. 114 Figura 3.59– Protótipo P-4F-200-A após ensaio, segunda série. 114 Figura 3.60 – Conectores para laje de 120mm, terceira série 116 Figura 3.61 – Conectores Perfobond para laje com 120mm, segunda série 116 Figura 3.62 – Conectores Perfobond para laje com 120mm, segunda série 117 Figura 3.63 – Conectores T-Perfobond para laje com 120mm, terceira série 117 Figura 3.64 – Conectores T-Perfobond para laje com 120mm e 200mm, terceira
série 118 Figura 3.65 – Histórico da tensão no conector T-Perfobond, terceira série. 120
Figura 3.66 – Deformações no ensaio do conector TP-2F-AR-120-A 120 Figura 3.67– Protótipo TP-2F-120-B após ensaio, terceira série. 121 Figura 3.68– Protótipo TP-2F-120-B-IN após ensaio, terceira série. 122 Figura 3.69– Protótipo T-2F-120-A após ensaio, terceira série. 123 Figura 3.70– Protótipo TP-2F-200-A após ensaio, terceira série. 124 Figura 3.71– Protótipo TP-4F-200-B após ensaio, terceira série. 124 Figura 3.72 – Conectores T e T-Perfobond, quarta série. 126 Figura 3.73 – Protótipos com armaduras de 10mm, quarta série. 127 Figura 3.74 – Protótipos com armaduras de 12,5mm, quarta série. 127 Figura 3.75 – Influência das armaduras nos conectores da quarta série. 128 Figura 3.76 – Configuração dos protótipos após ensaios, quarta série. 129
Figura 3.77 – Influência do concreto nos Perfobond com dois furos 130 Figura 3.78 – Influência do concreto nos Perfobond com quatro furos 130 Figura 3.79 – Influência do concreto nos T-Perfobond com dois furos 131 Figura 3.80 – Influência do concreto nos T-Perfobond com quatro furos 132 Figura 3.81 – Perfobond versus T-Perfobond – laje de 120mm 133 Figura 3.82 – Perfobond versus T-Perfobond- Conectores com armadura nos
dois furos 133
Figura 3.83 – Perfobond versus T-Perfobond – laje de 200mm 134 Figura 3.84 – Influência das armaduras nos conectores T-Perfobond e T. 136 Figura 3.85 – Condições de ruptura do concreto em função da espessura,
Veríssimo (2007). 137
Figura 3.86– (a) Distribuição da tensão de tração abaixo do conector. (b) Bloco de tensão idealizado, Medberry & Shahrooz (2002) 142 Figura 3.87 – Carregamento num pino de concreto, Kraus & Wurzer (1997) 144 Figura 3.88 - Configurações dos conectores T-Perfobond, segunda etapa 145 Figura 3.89 – T-Perfobond invertido, segunda etapa 146 Figura 3.90 – Configuração do perfil com conector T-Perfobond - Brasil 147 Figura 3.91 – Detalhamento da armadura e configuração do push-out, segunda
etapa. 148 Figura 3.92 – Montagem das formas e armaduras no LEM, PUC-Rio. 149
Figura 3.93 – Concretagem dos protótipos no LEM, PUC-Rio. 150
Figura 3.94 – Separação horizontal 151
Figura 3.95 – Configuração dos ensaios com e sem neoprene. 152 Figura 3.96- – Estrutura de reação e instrumentação para o ensaio tipo push-out,
LEM. 152 Figura 3.97- – Rótula para o ensaio tipo push-out, LEM. 153
Figura 3.98 – Instrumentação dos protótipos, LEM – PUC-Rio. 154 Figura 3.99 - Instrumentação global dos protótipos, LEM – PUC-Rio. 154 Figura 3.100 – RDL´s verticais no perfil / laje e RDL´s na viga de transição, LEM.
155 Figura 3.101 – Extensômetros no protótipo TP-2F-AR-IN-10-12-C. 155 Figura 3.102 – Identificação das barras instrumentadas com extensômetros. 156 Figura 3.103 –Extensômetros rosetas no conector. 156 Figura 3.104 –Extensômetros lineares da alma do conector. 156 Figura 3.105 – Identificação dos extensômetros lineares nas barras. 157 Figura 3.106 – Extensômetros lineares nas barras passantes nos furos e no
estribo. 157
Figura 3.107 – Extensômentros no protótipo TP-2F-AR-IN-10-12-C protegidos 157 Figura 3.108 – Sistema de aplicação e controle de carga, segunda etapa 158 Figura 3.109 – Conectores T-Perfobond da quinta série. 160 Figura 3.110 – Conectores T-Perfobond da sexta série. 161 Figura 3.111 – Deformação nas mesas dos conectores. 162 Figura 3.112 – Deformação na alma do conector da Laje 1 163 Figura 3.113 – Deformação na alma do conector da Laje 2 163 Figura 3.114 – Deformação das barras passantes nos furos dos conectores da
laje 1 164
Figura 3.115 – Deformação das barras da laje 1. 164 Figura 3.116 – Deformação das barras passantes nos furos dos conectores da
laje 2. 165
Figura 3.117 – Deformação das barras da laje 2. 165
Figura 3.118 – Deformação dos estribos. 166
Figura 3.119 – Conectores T-Perfobond da quinta série e sexta série. 167 Figura 3.120 – Conectores T-Perfobond, segunda etapa de ensaios 168 Figura 3.121 – Modos de ruína, segunda etapa de ensaios 169 Figura 3.122 – Modos de ruína, TP-2F-AR-IN-10-16-B. 170 Figura 3.123 – Modos de ruína, TP-2F-AR-IN-10-12-C. 170 Figura 3.124 – Comparação do T-Perfobond IPN 340 versus HP 200x53. 173 Figura 3.125 – Conectores T-Perfobond: IPN 340 e HP 200x53. 173
Figura 4.1 - Configurações dos conectores T-Perfobond, a partir do HP200x53 178 Figura 4.2 - Configurações do perfil da viga de 9,0m, W410x60 178 Figura 4.3 – Espaçamento entre os conectores 178
Figura 4.4 – Dimensões dos espaçadores 179
Figura 4.5 – Sistema de apoios: móvel e fixo. 179 Figura 4.6 – Sistema de apoios: móvel e fixo – vão de 8,8m. 180 Figura 4.7 – Montagem das armaduras e formas no LEM. 181 Figura 4.8 – Detalhamento das armaduras em torno do conector. 182
Figura 4.9 – Acabamentos finais na laje. 182
Figura 4.10 – Concretagem da laje, LEM – PUC-Rio. 183
Figura 4.11 – Extensômetros. 184
Figura 4.12 – Extensômetros. 184
Figura 4.13 – Instrumentação e aplicação do carregamento. 186
Figura 4.14 – Instrumentação da viga mista. 187 Figura 4.15 – Instrumentação e aplicação do carregamento. 188
Figura 4.16 – Célula de carga. 188
Figura 4.17 – Esquema de aplicação de carga. 190
Figura 4.18 – Falha por cisalhamento. 192
Figura 4.19 – Fissuras verticais na laje de concreto 192 Figura 4.20 – Momento máximo versus deslocamento vertical no meio do vão.
193 Figura 4.21 – Momento máximo versus deslocamento vertical do ensaio final. 194 Figura 4.22 – Fissura longitudinal no meio do vão. 195 Figura 4.23 – Identificação e posição dos extensômetros. 195 Figura 4.24 – Momento máximo versus deformação da mesa inferior da viga,
seção AA. 196
Figura 4.25 – Momento máximo versus deformação da mesa superior da viga,
seção AA. 196
Figura 4.26 – Momento máximo versus deformação da mesa inferior da viga,
seção BB. 197
Figura 4.27 – Momento máximo versus deformação da mesa superior da viga,
seção BB. 198
Figura 4.28 – Seção A-A, 1/5 do vão, 2P = 100kN, Mmax = 345kNm 199 Figura 4.29 – Seção A-A, 1/5 do vão, 2P = 155kN, Mmax = 491kNm 199 Figura 4.30 – Seção A-A, 1/5 do vão, 2P = 200kN, Mmax = 613kNm 200 Figura 4.31 – Seção A-A, 1/5 do vão, Ensaio final - 2P = 220kN, Mmax =
665kNm 200 Figura 4.32 – Meio do vão - Seção BB, 2P = 100kN, Mmax = 345kNm 201
Figura 4.33 – Meio do vão - Seção BB, 2P = 155kN, Mmax = 491kNm 201 Figura 4.34 – Meio do vão - Seção BB, 2P = 200kN, Mmax = 613kNm 202 Figura 4.35 – Meio do vão - Seção BB, Ensaio final - 2P = 220kN, Mmax =
665kNm 202 Figura 4.36 – Seção A-A, 1/5 do vão - 2P = 220kN, Mmax = 665kNm 203
Figura 4.37 – Meio do vão, Seção BB, Ensaio final - 2P = 220kN, Mmax =
665kNm 204 Figura 4.38 – 2P = 200kN – Deformações nos conectores das extremidades. 205
Figura 4.39 – 2P = 220kN – Deformações nos conectores das extremidades. 205 Figura 4.40 – Deformações nos conectores intermediários. 206 Figura 4.41 –Deformações nos conectores centrais. 206
Figura 4.42 –2P = 200kN – Deformações das armaduras passantes do conector
(1). 207
Figura 4.43 –2P = 200kN – Deformações das armaduras passantes do conector
(2). 207
Figura 4.44 –Ensaio final – Deformações das armaduras passantes do conector
(1). 208
Figura 4.45 –Ensaio final – Deformações das armaduras passantes do conector
(2). 208
Figura 4.46 – Extensômetros nas armaduras passantes 209 Figura 4.47 – Deformações das armaduras passantes dos conectores
intermediários. 209 Figura 4.48 –Deformações das armaduras passantes dos conectores centrais.
210 Figura 4.49 – Momento máximo versus deslizamento no meio do vão. 210 Figura 4.50 – Flecha teórica e experimental 213 Figura 4.51 – Determinação da rigidez experimental 214
Figura 5.1 – Elemento Shell 63, Manual do Ansys 218
Figura 5.2 – Conector T-Perfobond 219
Figura 5.3 – Malha e restrições da mesa do conector 219 Figura 5.4 – Conector IPN340 – espessura 18,3mm. 220
Figura 5.5 – Chapa de 12mm. 220
Figura 5.6 – Conector HP200x53 – espessura 11,3mm. 221 Figura 5.7 – Força versus deslizamento dos conectores Perfobond e
T-Perfobond 223 Figura 5.8 – Elemento SOLID65, fonte: Manual do Ansys 224
Figura 5.9 – Elemento SHELL43, fonte: Manual do Ansys 224 Figura 5.10 – Discretização típica da viga mista 225 Figura 5.11 – Modelagem dos conectores, Queiroz et al. (2007) 227 Figura 5.12 – Diagrama tensão-deformação idealizado do concreto, NBR 6118
(2002) 228 Figura 5.13 – Layout da viga simplesmente apoiada, Queiroz et al. (2007) 228
Figura 5.14 – Carga versus deslocamento vertical no meio do vão 230 Figura 5.15 – Carga versus deslocamento vertical no meio do vão 230 Figura 5.16 – Carga versus deslocamento vertical no meio do vão 231 Figura 5.17 – Deformação da laje de concreto – 3 Perfobonds. 232 Figura 5.18 – Deformação da laje de concreto – 9 Perfobonds. 232
Figura 5.19 – Deformação da laje de concreto – regiões sob maiores tensões
dos modelos com Perfobond e T-perfobond. 232
Figura 5.20 – Deformação da laje de concreto - 3 T-Perfobonds (IPN 340). 233 Figura 5.21 – Deformação da laje de concreto – 3 T-Perfobonds (HP200x46,1).
233 Figura 5.22 – Deformação da laje de concreto – 50 Studs 234
Figura 6.1 – Experimental versus teórico da primeira série 237 Figura 6.2 – Experimental versus teórico da segunda série 237 Figura 6.3 – Experimental versus teórico da primeira série 238 Figura 6.4 – Experimental versus teórico da segunda série 239 Figura 6.5 – Experimental versus teórico da segunda série 245 Figura 6.6 – Experimental versus teórico da segunda série 245 Figura 6.7 – Experimental versus modelo proposto 248
Figura 6.8 – Conectores T-Perfobond 249
Figura 6.9 – Experimental versus teórico - conector T-Perfobond 250 Figura 6.10 – Experimental versus teórico - conector T-Perfobond invertido 250 Figura 6.11 – Experimental versus modelo proposto conector T-Perfobond. 254 Figura 6.12 – Experimental versus modelo proposto conector T-Perfobond
Invertido. 254 Figura 6.13 – Seção transversal da viga mista 256
Figura 6.14 – Modelo esquemático para o cálculo da força de compressão 257 Figura 6.15 – Força por conector versus deslizamento 258
Figura 6.16 – Número de conectores por vão 261
Figura 6.17 – Conectores T-Perfobond mais econômicos 261 Figura 6.18 - Peso relativo (expresso em termos de custos) do material para as vigas, do material para os conectores, e da mão de obra de fabricação e
instalação dos conectores. 262
Figura 6.19 - Economia no custo total de produção e instalação dos conectores, por vão e por tipo (expressa em valores percentuais, em relação ao conector
tipo Stud) 264
Figura 6.20 - Custos do material dos conectores no Brasil e Portugal. 264
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 – Ensaios Push-out, primeira etapa 77 Tabela 3.2 – Resistência à compressão média do concreto da primeira série. 91 Tabela 3.3 – Resultados dos ensaios da primeira série. 96 Tabela 3.4 – Resistência à compressão média do concreto da segunda série. 101 Tabela 3.5 – Resultados dos ensaios da segunda série. 106 Tabela 3.6 – Resistência à compressão média do concreto da terceira série. 115 Tabela 3.7 – Resultados dos ensaios da terceira série. 121 Tabela 3.8 – Resistência à compressão média do concreto da quarta série. 126
Tabela 3.9 – Resultados da quarta série 128
Tabela 3.10 – Influência do concreto nos conectores Perfobond 131
Tabela 3.11 – Perfobond versus T-Perfobond 134
Tabela 3.12 – Influência das armaduras nos conectores T e T-Perfobond 136 Tabela 3.13 – Ensaios Push-out, segunda etapa 146 Tabela 3.14 – Resistência à compressão dos cp´s da quinta e sexta série,
segunda etapa. 159
Tabela 3.15 – Resultados dos ensaios da quinta série 161 Tabela 3.16 - Resultados dos ensaios da segunda etapa 167 Tabela 3.17 – Comparação entre a primeira e segunda etapa 174 Tabela 3.18 – Resistência à compressão média do concreto 174
Tabela 4.1 – Cargas consideradas 189
Tabela 4.2 – Resistência à compressão média do concreto 191 Tabela 4.3 – Momentos e tensões experimentais 211
Tabela 4.4 – Rigidez e carga aplicada 214
Tabela 5.1- Configurações dos modelos e resultados 229
Tabela 6.1 – Resultados experimentais versus teóricos do conector Perfobond 236 Tabela 6.2 – Resultados experimentais versus teóricos do conector Perfobond
238 Tabela 6.3 – Resultados experimentais versus teóricos do conector Perfobond –
Oguejiofor & Hosain 240
Tabela 6.4 – Resultados experimentais versus teóricos do conector Perfobond –
Medberry e Shahrooz 241
Tabela 6.5 – Resultados experimentais versus teóricos do conector Perfobond –
Ushijima 242 Tabela 6.6 – Resultados experimentais versus teóricos do conector Perfobond –
Al-Darzi 243 Tabela 6.7 – Resultados experimentais versus teóricos do conector Perfobond –
Veríssimo 244 Tabela 6.8 – Dados considerados na análise de regressão e resultados 246
Tabela 6.9 – Coeficientes de regressão 247
Tabela 6.10 – Resultados experimentais versus teóricos do conector
T-Perfobond 249 Tabela 6.11 – Dados considerados na análise de regressão e resultados obtidos
251
Tabela 6.12 – Coeficientes de regressão 252
Tabela 6.13 - Quantidade de conectores para os vãos analisados 260
Lista de Quadros
Quadro 3.1 – Conectores Perfobond e T-Perfobond por etapas 73
Lista de Símbolos
Letras Romanas Maiúsculas
Ac área efetiva de concreto da seção longitudinal da laje
Acc área de cisalhamento do concreto por conector
Acs área da seção transversal do conector Af1 área da superfície frontal
Af2 área da superfície dianteira do conector
AR presença de armaduras passantes nos furos As área da seção transversal da barra
Asc área de concreto nos furos do conector
Atr área das barras de armadura transversal
E módulo de elasticidade do aço Ec módulo de elasticidade do concreto
Eci módulo de elasticidade
Ecs módulo de elasticidade secante
I inércia da viga de aço
Ie inércia da seção mista considerando a interação parcial Im inércia da seção mista
IN posição do conector invertida L vão da viga
Lc comprimento de contato entre o concreto e a mesa do perfil
Lcs comprimento do perfil “U” laminado
Mcc momento atuante devido a carga concentrada
MDF Medium-density fiberboard, placa de fibra de madeira de média densidade Mpp momento devido ao peso próprio
Mre momento resistente experimental Mt momento total
P Perfobond P carga concentrada
Prd resistência de cálculo do conector
Prk menor resistência encontrada dos três ensaios de modelos idênticos
reduzida em 10%
Prk resistência característica do conector
PrkNormaliz resistência característica ao cisalhamento normalizada do conector
Rg coeficiente para consideração do efeito de atuação de grupos de
conectores
Rp coeficiente para consideração da posição do conector
SF sem furos
T conector T
TP T-Perfobond
Letras Romanas Minúsculas
a distância entre o apoio e a carga concentrada b espessura da laje
bef largura efetiva
bf largura da mesa
bf largura da mesa do perfil de aço
d diâmetro do furo do conector
dst diâmetro das armaduras que passam pelos furos
f´c resistência média do concreto à compressão f´y resistência nominal à tração do aço
fck resistência característica do concreto à compressão
fck resistência característica do concreto à compressão em corpos de prova
cilíndricos
fckmedio valor médio da resistência característica do concreto à compressão em
corpos de prova cilíndricos
fcmcubos resistência do concreto à compressão em corpos de prova cúbicos fmax flecha devido ao peso próprio
fmaxcc flecha devido a carga aplicada
fu resistência à ruptura especificada para o material do conector
fu limite de resistência
fut resistência à ruptura do conector obtida no ensaio experimental
fy limite de escoamento do aço
fyd resistência ao escoamento da barra h altura da laje abaixo do conector hsc altura do conector
n número de furos do conector
n grau de interação
q peso próprio
qu resistência do conector ao cisalhamento qu barra resistência da barra ao cisalhamento
qu bloco resistência do bloco ao cisalhamento
qu,test resistência do conector ao cisalhamento do ensaio qutotal resistência total do conector
s espaçamento entre conectores tc espessura da laje
tf espessura da mesa
tfcs espessura da mesa do conector tPL espessura da pré-laje
tsc espessura do conector
tw espessura da alma do conector
Letras Gregas
α ângulo entre a barra e o plano da mesa
β ângulo no plano horizontal entre a barra e o eixo longitudinal da viga
β1, β2, β3, β4 Coeficientes de regressão δ flecha devido a carga aplicada δmax deslocamento vertical experimental
δteor deslocamento vertical teórico durante a fase elástica do ensaio
δu capacidade de deslizamento
δuk capacidade de deslizamento característico φ diâmetro das armaduras
γa fator de segurança do para o aço estrutural
γc fator de segurança do concreto
γcs coeficiente de ponderação da resistência do conector
γs fator de segurança da armadura
γv coeficiente de ponderação da resistência, igual a 1,25
σa tensão no aço
σap tensão no aço com interação parcial
σc tensão no concreto σmax tensão máxima
Lista de Abreviaturas
ASTM American Society for Testing and Materials DEC Departamento de Engenharia Civil
LEM-DEC Laboratório de Estruturas e Materiais – Departamento de Engenharia Civil
LVDT Linear Variable Differential Transducer NBR Norma Brasileira Registrada
PUC-Rio Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro RDL Régua de deslocamento linear
UC Universidade de Coimbra
Esta tese apresenta a avaliação do comportamento estrutural de conectores de cisalhamento tipo Perfobond e T-Perfobond em estruturas mistas compostas por dois materiais fundamentais para a concretização de grandes projetos de engenharia: o aço e o concreto armado.
O comportamento de estruturas mistas é baseado na ação conjunta entre o perfil de aço e o concreto armado. Para que isto ocorra, é necessária que na interface aço-concreto desenvolvam-se forças longitudinais de cisalhamento. Ensaios em estruturas mistas mostram que, para baixos valores de carga, a maior parte do cisalhamento longitudinal é desenvolvida na interface por aderência química entre a nata de cimento e a superfície de aço. No entanto, continuando o carregamento, percebe-se que, para cargas mais elevadas, ocorre o rompimento desta aderência e que, uma vez rompida, esta não pode mais ser restaurada. Os valores de carga que provocam a quebra da adesão química são bastante variados, dependendo de fatores tais como: fator água-cimento, desenvolvimento de fissuras, retração do concreto, tensões provocadas pela variação de temperatura, falhas locais de contato entre o concreto e o aço devido a problemas durante a execução, entre outros. Desta forma, exceto em vigas totalmente envolvidas por concreto, pilares mistos e fôrmas de aço com cantos reentrantes, torna-se impraticável levar em conta esses fenômenos no cálculo de sistemas mistos. É necessário, portanto, o uso de conectores de cisalhamento para transmitir o cisalhamento na interface aço-concreto.
Preliminar a todo o tratamento das características comportamentais e dos critérios de projeto do conector de cisalhamento é conveniente dar algumas definições e classificações úteis baseadas nos parâmetros chaves comportamentais da rigidez, resistência, e ductilidade:
• Rigidez: um conector de cisalhamento realiza a interação total (a interação é "rígida" e nenhum deslizamento ocorre sob tensão na interface aço-concreto) ou a interação parcial (a interação é flexível e o deslizamento ocorre na interface).
• Resistência: quando todo esforço de cisalhamento existente entre a viga de aço e a laje de concreto é transmitido, trata-se de um caso
de interação total. (Os conectores são colocados em número suficiente para desenvolver a resistência máxima à flexão da viga mista.) Entretanto, quando a resistência de cálculo do sistema é muito superior à solicitação pode-se transmitir parte deste esforço de cisalhamento reduzindo a resistência de cálculo do sistema misto, e neste caso trabalha-se com a Interação Parcial.
• Finalmente, uma conexão é dúctil se sua capacidade de deformação (deslizamento) for adequada para uma redistribuição completa das forças que agem nos conectores individuais.
Os parâmetros comportamentais relevantes para o tipo de análise adotado no projeto (isto é, análise elástica, inelástica, ou plástica) têm que ser consideradas. Em particular, a flexibilidade da interação deve ser considerada nas análises elásticas e inelásticas, que fariam o projeto menos complexo. Entretanto, a suposição simplificada da interação total é satisfatória para a maioria dos conectores de cisalhamento utilizados na prática onde o efeito do deslizamento não é considerado.
1.1.
Vigas mistas
1.1.1.
Características das vigas mistas
As vigas mistas de aço e concreto consistem em um componente de aço simétrico em relação ao plano de flexão, que pode ser um perfil I (outros perfis, como caixão ou tubular retangular) ou uma treliça, com uma laje de concreto acima de sua face superior, segundo a NBR 8800:2008. Os tipos de lajes previstos são: maciça moldada no local, mista e com laje de concreto pré-moldada. Deve haver ligação mecânica por meio de conectores de cisalhamento entre o componente de aço e a laje, de tal forma que ambos funcionem como um conjunto para resistir à flexão. Em qualquer situação, a flexão ocorrerá no plano que passa pelos centros geométricos das mesas ou dos banzos superior e inferior do componente de aço.
As vigas mistas são empregadas em construções de edifícios e pontes, Figura 1.1 e Figura 1.2, Cosenza & Zandonini (1999).
Figura 1.1 – Vigas mistas (a) Seção de aço em I. (b) Seção de aço em caixão. (c) Sistema treliçado.
Figura 1.2 – (a) Pontes mistas. (b) e (c) Laje steel deck em sistema de piso
O benefício de se usar o aço estrutural com o concreto é de se aproveitar ao máximo o desempenho de cada material: a tração do aço, e a compressão do concreto, formando assim um sistema mais eficiente se comparado à viga somente de aço. Algumas vantagens da consideração da ação mista em vigas de aço e lajes de concreto são:
- redução do peso global da estrutura e consequente alívio nas fundações; - diminuição da altura dos perfis;
- possibilidade de vencer maiores vãos; - redução de flechas;
- redução de custos.
As vigas podem ser simplesmente apoiadas ou contínuas. As simplesmente apoiadas contribuem para maior eficiência do sistema misto, pois a viga de aço trabalha predominantemente à tração e a laje de concreto à compressão, embora não seja muitas vezes a solução mais econômica.
1.1.2.
Comportamento da viga mista em relação ao cisalhamento na
interface
A ação mista é desenvolvida quando dois elementos estruturais são interconectados de tal forma a se deformarem como um único elemento como,
por exemplo, o segundo sistema da Figura 1.3 formado por uma viga de aço biapoiada suportando uma laje de concreto em sua face superior.
Não existindo qualquer ligação na interface, os dois elementos se deformam independentemente e cada superfície da interface estará submetida a diferentes deformações, o que provocará um deslizamento relativo entre elas. Considerando que o elemento de aço esteja interligado ao elemento de concreto por meio de conectores de cisalhamento, com resistência suficiente para resistir ao fluxo de cisalhamento gerado na interface, os dois elementos tenderão a se deformar como um único elemento.
A ligação entre o aço e o concreto é dimensionada em função do diagrama de esforços cortantes longitudinais por unidade de comprimento, conhecido como fluxo de cisalhamento longitudinal. A resultante do diagrama do fluxo de cisalhamento longitudinal é dada em função da máxima força cortante que se pode transmitir através da ligação.
Figura 1.3 – Comparação de vigas fletidas sem ação mista e com ação mista, Queiroz et.al (2001)
O índice que permite avaliar o grau de interação entre laje e perfil, ηi, é determinado pela relação entre o somatório das resistências individuais dos conectores situados entre uma seção de momento fletor máximo e a seção adjacente de momento nulo, já a resultante do fluxo de cisalhamento, tem valor igual a menor resistência oferecida pela laje ou pelo perfil. Quando η i ≥ 1 a
interação é completa e quando η i < 1 a interação é parcial.
O fluxo de cisalhamento longitudinal que se gera na interface entre a laje de concreto e a viga de aço, em vigas mistas, é transferido por meio de um
número discreto de pontos, representados pelos conectores de cisalhamento, conforme mencionado em Oehlers (1989). No caso do conector pino com cabeça (stud), as forças de cisalhamento longitudinal são transferidas da laje de concreto para a viga de aço, conforme Figura 1.4.
O fuste do conector é submetido à força de cisalhamento (Fsh), distante da mesa do perfil metálico de uma distância z, segundo Oehlers & Park (1992). O produto da força Fsh pela correspondente excentricidade z gera um momento
Msh. Logo, essas forças atuantes resultam em tensões de cisalhamento e normais aplicadas ao corpo do conector.
Figura 1.4 – Transferência de forças de cisalhamento longitudinal por meio de conectores studs, David (2007).
A magnitude destas tensões não depende somente da força de cisalhamento Fsh, mas também da excentricidade, z, que é função da rigidez
relativa entre o concreto e o conector. Se a rigidez do concreto é muito maior que a rigidez apresentada pelo conector, a excentricidade, z, tenderá a zero, caso contrário, z tenderá a metade da altura do conector pino com cabeça.
A zona de concreto que se encontra imediatamente em frente ao conector de cisalhamento, denominada zona de compressão triaxial, está sujeita a elevadas tensões de compressão, conforme apresentada na Figura 1.4. Segundo os mesmos autores, existem diversos mecanismos que levam à ruptura do conector pino com cabeça quando da transferência das forças de cisalhamento longitudinal da laje para a viga:
a) quando o concreto for menos rígido quando comparado ao conector, o concreto começa a fissurar antes que o conector plastifique, proporcionado assim o aumento da excentricidade z. Conseqüentemente, as tensões normais no pino do conector aumentarão mais rapidamente que as tensões de cisalhamento, conduzindo o conector à ruptura.
b) se o conector for menos rígido que o concreto, z diminui, reduzindo assim o momento (Msh) no conector. Além disso, a zona de compressão triaxial se
reduzirá, diminuindo a altura efetiva do conector, ocasionando assim a ruptura do concreto na zona de compressão triaxial e, conseqüentemente, o aumento de z, já que a rigidez do concreto diminui. A partir daí, retorna-se ao mecanismo de ruptura descrito no item a.
Quanto aos modos de fissuração que podem ocorrer na laje, associados à ruptura do conector de cisalhamento, por conseqüência da redução gradual da resistência e rigidez do concreto na zona de compressão triaxial, destacam-se três tipos, segundo Oehlers (1989):
- fissuração perpendicular à direção longitudinal da viga,
- fissuração que se propaga na direção das bielas de compressão
- fissuração longitudinal à viga, sendo essa a mais nociva ao concreto, tendo como conseqüência a ruptura do conector.
Segundo essa mesma referência, a armadura transversal não impede a ruptura do concreto, porém limita a propagação das fissuras. Os tipos de fissuração estão ilustrados na Figura 1.5.
Figura 1.5 – Tipos de fissuração na laje, Kotinda (2006)
Desta forma, recomenda-se que sejam adotadas armaduras transversais com o objetivo de se limitar a propagação da fissura longitudinal na região onde se encontram as linhas de conectores de cisalhamento. Esta armadura deverá ser uniformemente distribuída ao longo do vão da viga, posicionada na face inferior da laje e calculada de acordo com o modelo de treliça de Morsh.
De acordo com a NBR 8800:2008 a fissuração da laje, causada por cisalhamento, na região adjacente à viga de aço, paralelamente a esta, deve ser controlada por armadura adicional, transversal à viga, a não ser que se demonstre que as armaduras necessárias para outros fins, devidamente ancoradas, sejam suficientes para esta finalidade. A referida armadura, denominada armadura de costura, deve ser espaçada uniformemente ao longo do comprimento, entre as seções de momento máximo positivo e momento nulo nas regiões com momento positivo, ou entre as seções de momento máximo negativo e momento nulo nas regiões com momento negativo.
A área da seção desta armadura, As, não pode ser inferior a 0,2% da área
da seção de cisalhamento do concreto por plano de cisalhamento (plano A-A na Figura 1.6) no caso de lajes maciças ou de lajes mistas com nervuras longitudinais ao perfil de aço e 0,1% no caso de lajes mistas com nervuras transversais, não sendo em nenhum caso inferior a 150 mm2/m. Deve-se ainda atender, para cada plano de cisalhamento longitudinal, tanto nas regiões de momentos positivos quanto nas de momentos negativos, às seguintes condições, Cosenza & Zandonini (1999):
1
v
v≤ (1.1)
Onde: ν é a força de cisalhamento longitudinal de projeto
s
u
q
v
=
(1.2)E ν1 (força de cisalhamento longitudinal de cálculo) o menor entre:
sd
.f
efv
A
u
.
cv
.
.
5
,
2
1
v
ysr
A
v
=
η
τ
+
+
(1.3) 3 sd c .f cv . . 2 , 0 1 A v v =η
+ (1.4) Onde:qu é a resistência do conector de cisalhamento;
s é o espaçamento entre os conectores
Acv é a área de cisalhamento do concreto no plano considerado, por
unidade de comprimento (mm2/mm);
Aefv é a área da armadura transversal disponível na seção da laje
considerada (corte A-A da Figura 1.6) por unidade de comprimento (mm2/mm); η é o fator que considera a densidade do concreto, para concreto normal η=1;
τu é a resistência ao cisalhamento dada por 0,25.fct;
fct é a resistência a tração do concreto dada por 0,21.(fck)2/3; sendo fck a
resistência característica do concreto a compressão (MPa); νsd é a contribuição da forma de aço no caso do steel-deck;
fysr é a resistência de cálculo ao escoamento do aço da armadura dada por
fy/γs, fy é a resistência ao escoamento do aço e γs é o coeficiente de ponderação
do aço igual a 1,15;
fc é a resistência de cálculo à compressão do concreto dada por fck/γc, γc é
o coeficiente de ponderação do concreto igual a 1,50;
Figura 1.6 – Superfície típica de falha ao cisalhamento, Cosenza & Zandonini (1999)
1.2.
Motivação
O emprego de estruturas mistas já é bastante difundido em vários países, e vem sendo a cada ano mais comum no Brasil.
A motivação para desenvolvimento de novos produtos para a transferência de cisalhamento em estruturas mistas é relacionada a assuntos que envolvem particular tecnologia, necessidades econômicas ou estrutural de projetos específicos. Neste contexto, alguns outros conectores de cisalhamento alternativos são propostos para estruturas mistas, o T-Perfobond (Figura 1.7). Este conector deriva do conector Perfobond acrescentando a componente da mesa ao conector, trabalhando como um bloco. A motivação por desenvolver este 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.
Figura 1.7 – Conector proposto: T-Perfobond.
1.3.
Objetivos
O principal objetivo deste trabalho foi desenvolver e caracterizar um conector de cisalhamento, o T-Perfobond, que possui alta capacidade de carga e deslizamento, sendo portanto um conector dúctil.
Para avaliar a eficiência de tal conector, foi necessário o estudo do comportamento estrutural do conector Perfobond, já que este compõe uma parte do conector proposto.
Uma série de ensaios experimentais do tipo push-out com conectores Perfobond e T-Perfobond foi realizada. O ensaio push-out, definido no EUROCODE 4 (2005), é um ensaio padrão para analisar e caracterizar o comportamento da ligação entre o aço e o concreto. Este tipo de ensaio foi realizado neste trabalho por ser apropriado para estudar a resistência e características de tais conectores e possibilitar uma comparação com trabalhos realizados por outros autores.
Neste trabalho foi analisado o projeto ideal dos ensaios de push-out, variando o tipo de apoio, com ou sem o neoprene na base, e variando sua espessura. Verificou-se que dependendo da espessura adotada, esta tem grande influência no comportamento e, consequentemente, nos resultados dos ensaios.
Através dos ensaios de push-out, foi possível determinar a capacidade de carga máxima do conector, a capacidade de deformação e a relação carga-deslizamento, antes e depois que a carga máxima é atingida. Os valores de carga máxima e deslizamento máximo são importantes para o projeto de vigas mistas, pois estes determinam o possível modo de falha.
Os ensaios de push-out simulam o comportamento do aço e concreto da viga mista. No entanto, a distribuição de carga ao longo da viga mista não é a
mesma que ocorre nos ensaios de push-out, que é de forma direta. Em uma viga mista, o fluxo de cisalhamento na interface aço-concreto varia ao longo da viga e depende da distribuição da carga. Além disso, em uma viga mista, as deformações dos conectores alteram o fluxo da força de cisalhamento, havendo uma dimuinção da força máxima de cisalhamento e redistribuição da mesma. Portanto, foi importante verificar se os resultados obtidos dos ensaios de push-out são adequados para serem utilizados em análises de viga mista. Pela primeira vez no país, um ensaio em escala real foi realizado para verificar o comportamento do conector T-Perfobond numa simulação de uma estrutura real, verificando sua capacidade de deformação, sua ductilidade e sua capacidade de carga. O ensaio, cuja dimensões foram 9,0m de vão, com laje de 2,30m de largura e 0,12m de espessura, foi realizado no Laboratório de Estruturas da PUC-Rio, com carregamento distribuído. Com este ensaio de flexão da viga mista foi possível verificar os resultados dos push-out, e analisar a transferência dos esforços entre os elementos estruturais.
Como alternativa aos ensaios em escala real, os quais são bastante onerosos, a modelagem numérica através dos Elementos Finitos foi adotada afim de verificar a aplicação dos conectores aqui estudados em vigas mistas, variando o espaçamento entre os conectores e, consequentemente, o grau de interação.
A intenção deste trabalho foi analisar o conector T-Perfobond, através de ensaios de push-out, ensaio em escala real e em uma modelagem numérica.
1.4.
Estrutura do documento
Esta tese começa com o presente capítulo, onde o escopo do trabalho, as motivações e os objetivos são estabelecidos.
A primeira parte deste estudo, apresentada no Capítulo 2, é dedicada a revisão bibliográfica. São apresentados alguns tipos de conectores de cisalhamento, os ensaios usuais para obter a caracterização destes, as características de viga mista e seu comportamento em relação ao cisalhamento na interface entre seus elementos, perfil de aço e laje de concreto.
O Capítulo 3 descreve a campanha experimental dos ensaios de push-out realizados com os conectores Perfobond, T-Perfobond e T. É apresentado em duas etapas. A primeira etapa é dedicada a campanha experimental realizada na Universidade de Coimbra, em Portugal, que é composta por quarenta e seis
ensaios. A segunda etapa apresenta uma nova geometria do conector T-Perfobond, que foi analisado através de seis ensaios do tipo push-out. Neste capítulo apresenta-se além das descrições da preparação dos ensaios, os resultados obtidos e suas conclusões.
No Capítulo 4 apresenta-se o ensaio experimental de uma viga mista em flexão. A viga em questão tem 8,8m de vão livre e uma laje de concreto com espessura de 120mm e 2,30m de largura. Nesta viga são instalados seis conectores de cisalhamento do tipo T-Perfobond, e foi dimensionada para interação parcial. São apresentadas a montagem do ensaio, os resultados obtidos e uma avaliação teórica da resistência.
A modelagem numérica utilizada neste trabalho é apresentado no Capítulo 5. Apresenta-se um breve estudo das mesas dos conectores T-Perfobond com ênfase na sua capacidade de deformação. Descreve-se também a modelagem numérica de uma viga mista no qual abrange o estudo do emprego dos conectores Studs, Perfobond e T-Perfobond em quantidades variadas.
A discussão dos resultados são apresentados no Capítulo 6. É descrito uma comparação dos resultados dos ensaios de push-out com as equações teóricas existentes e são apresentadas novas propostas de equações para o dimensionamento dos conectores aqui apresentados. Uma comparação do resultado do ensaio em escala real da viga mista com o resultado obtido do push-out é apresentada.
Por fim, o Capítulo 7 apresenta as considerações finais deste trabalho sob forma de suas principais conclusões e sugestões para trabalhos futuros.
Os anexos presentes no final deste volume apresentam: Anexo A: Dimensionamento da armadura transversal.
Anexo B: Dimensionamento da viga mista do ensaio em escala real segundo o EUROCODE 4 (2005).
Anexo C: Verificação dos momentos e tensões atuantes no ensaio em escala real.
Anexo D: Tabela dos dados de comparação entre o ensaio push-out e ensaio escala real.
2.1.
Conectores de Cisalhamento
2.1.1.
Histórico
O comportamento de estruturas mistas é baseado na ação conjunta entre o perfil de aço e o concreto armado. Para que isto ocorra, é necessária que na interface aço-concreto se desenvolvam forças longitudinais de cisalhamento, que são transmitidas através de conectores de cisalhamento.
Melhoras no sistema de ligação vem sendo feitas desde o início do século passado, como mostra a Figura 2.1a que apresenta o sistema de abas patenteado por Julius Kahn em 1903. O desenvolvimento de conectores mecânicos eficientes progrediu lentamente, apesar dos esforços notáveis ambos na Europa (conectores espirais e rígidos) e na América do Norte (conectores flexíveis – perfil U). O uso dos conectores studs (em 1956) era consequentemente uma inovação significativa. Coincidentemente, os studs foram utilizados no mesmo ano em dois diferentes tipos de contrução, uma ponte e em um edifício. Desde então, passaram a ser os conectores de uso mais popular em sistemas mistos, Cosenza & Zandonini (1999).
Segundo David (2007), estudos a respeito de conectores de cisalhamento iniciaram em 1933 na Suíça. O conector espiral analisado era formado por meio de barras redondas com forma de hélice. Para tal estudo, já nesta época, foram realizados ensaios de cisalhamento direto e ensaios de flexão em vigas mistas.
Em 1943, os conectores em perfis laminados em forma de U, cantoneiras e seções H foram submetidos a ensaios experimentais.
Os ensaios de flexão de vigas mistas e cisalhamento direto apresentam algumas diferenças quanto ao comportamento dos conectores. Nos ensaios de flexão, os conectores são solicitados indiretamente. A força no conector não é proporcional à força aplicada à viga, pois depende da rigidez de vários componentes.
Os estudos com os conectores de uso mais difundido, studs, iniciaram em 1954, Figura 2.1d. Este conector consiste de um pino especialmente projetado para funcionar como um eléctrodo de solda por arco eléctrico e ao mesmo tempo, após a soldagem, como conector de corte possuindo uma cabeça com dimensões padronizadas para cada diâmetro. O conector stud difundiu-se mundialmente, em função da produtividade que proporciona, da velocidade de aplicação, a boa ancoragem no concreto e a facilidade de colocação de armaduras entre os conectores. As desvantagens deste conector são, por um lado, apresentar limitações no caso de ligações sujeitas à fadiga, já que é um conector flexível e se deforma sob cargas de serviço, e por outro lado, a necessidade de um equipamento de solda especial, que inclui um gerador de grande potência no estaleiro de obras.
Um outro tipo de conector é o perfil U laminado padrão americano, Figura 2.1c. Estes conectores são instalados com uma das mesas apoiada sobre o perfil de aço e com o plano de alma perpendicular ao eixo longitudinal do perfil.
Figura 2.1 – Desenvolvimento histórico dos conectores de cisalhamento. (a) Sistemas de abas. (b) Conectores espirais. (c) Perfil U. (d) Studs. Cosenza & Zandonini (1999)
Tristão (2005) realizou uma simulação numérica dos conectores tipo studs e tipo U por meio de uma modelagem do ensaio experimental tipo push-out, cujos resultados foram confrontados com valores experimentais obtidos em ensaios realizados em laboratório, Figura 2.2. Ele utilizou o Método dos Elementos Finitos (MEF), cujas ferramentas disponibilizadas permitiram análises dos modelos em regime de não-linearidade física e geométrica. Os modelos numéricos apresentaram como variáveis de interesse o número de conectores na laje de concreto, a quantidade de armadura inserida no concreto, o diâmetro do conector tipo pino com cabeça (stud), a resistência do concreto, a espessura e posição de soldagem do conector tipo perfil “U” formado a frio. A variação destes parâmetros tiveram a finalidade de determinar a resistência última e a
relação força-deslocamento dos conectores, bem como avaliar a concentração de tensão e deformação nas partes constituintes dos modelos.
Figura 2.2 – Visão geral da discretização para os modelos com conector perfil “U” formado a frio, Tristão (2005)
O conector T, Cruz (2006), consiste basicamente de um pedaço curto de perfil T soldado à mesa do perfil metálico (Figura 2.3), podendo ser produzido com diferentes tamanhos, a partir do corte de perfis laminados comerciais. A possibilidade de produzir conectores a partir de perfis laminados tem a vantagem de não ser necessário produzir um novo elemento de conexão específico. A solda de conectores T não requer equipamento especial e apresenta as características de uma solda usual. A espessura da alma e o comprimento do T formam a área de corte do conector, que é usualmente superior à do stud.
Figura 2.3 – Conector T, Cruz (2006)
Em relação aos studs, os conectores T apresentam como desvantagem a necessidade de utilizar uma maior quantidade de material para produzir um conector. Uma maior dificuldade em dispor a armadura ao longo da laje ocorre apenas quando a distribuição de conectores escolhida é muito densa. Em termos
