COMPORTAMENTO AO FOGO DE LIGAÇÕES VIGA-PILAR EM ESTRUTURAS MISTAS DE AÇO-BETÃO SUJEITAS A CARREGAMENTO CÍCLICO

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COMPORTAMENTO AO FOGO DE LIGAÇÕES VIGA-PILAR EM

ESTRUTURAS MISTAS DE AÇO-BETÃO SUJEITAS A

CARREGAMENTO CÍCLICO

Neste artigo apresenta-se os resultados de um programa experimental realizado recentemente na Universidade de Coimbra; ensaiaram-se seis modelos, constituídos por uma viga mista aço-betão ligada a um pilar metálico com aço-betão entre os banzos, sob acção de cargas cíclicas e temperaturas elevadas. Neste estudo avaliou-se não só o comportamento e modos de rotura da ligação após carregamento cíclico à temperatura ambiente e o seu comportamento e modo de rotura a altas temperaturas após carregamento cíclico.

Palavras-chave: fogo, sismo, ligação viga pilar, estrutura mista aço-betão, interacção momento flector-esforço axial.

1.INTRODUÇÃO

A possibilidade de ocorrência de incêndio após sismo é uma das grandes ameaças das zonas sísmicas, tal como observados em vários sismos que ocorreram ao longo dos tempos [1]: Lisboa 1755, São Francisco 1906 e 1989, Tokyo 1923 e Kobe 1995. As estruturas mistas aço-betão têm tido uma utilização crescente em muitos países (EUA, Japão e alguns países da Europa), principalmente em edifícios comerciais, escritórios, estacionamentos e pontes. O comportamento ao fogo deste tipo de estruturas após terem sido sujeitas a cargas cíclicas é um assunto complexo, existindo ainda pouca informação sobre o mesmo; refira-se no entanto, Nogueiro et al. [2] que avaliou numericamente o comportamento do edifício misto aço-betão de Cardington considerando a deflagração dum incêndio após sismo e Pucinotti et al. [3] que realizou ensaios em ligações mistas ao fogo após carregamento cíclico. A regulamentação actual referente a estruturas mistas aço-betão [4] permite o dimensionamento das mesmas para acções sísmicas e para temperaturas elevadas, separadamente; não apresentando qualquer indicação para a consideração destas acções em simultâneo.

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Autor correspondente – Departamento de Engenharia Civil. Faculdade de Ciências e Tecnologia. Universidade de Coimbra – Polo II. Rua Luís Reis Santos. 3030-788 Coimbra. PORTUGAL. Telef.: +351 239 797237 Fax: +351 239 797242. e-mail: jpaulocr@dec.uc.pt

2 Os trabalhos prévios que justificam o estado da arte actual neste tema são apresentados de seguida. A primeira avaliação, a temperaturas elevadas, das curvas momento-rotação duma ligação metálica viga-pilar, resultou de uma pesquisa conjunta do Building Research Establishment, BRE, da Universidade de Sheffield e do Steel Construction Institute, SCI [5]; posteriormente, este estudo foi alargado de forma a analisar a influência de vários parâmetros da ligação: i) dimensões dos elementos constituintes da ligação, ii) tipologia da ligação; iii) modos de rotura da ligação [6].

No entanto, e ao contrário do que se passa à temperatura ambiente, o comportamento das ligações em situação de incêndio não pode ser representado pela curva momento-rotação apenas. Muitos fenómenos do seu comportamento ocorrem devido à interacção entre elementos, nomeadamente à variação contínua da combinação momento-flector e esforço axial, Santiago et al. [7] e Liu et al., 2002 [8]. Recentemente, os estudos realizados nesta área têm-se direccionado para a consideração destes dois tipos de esforços na ligação. Hongxia et al. [9] realizou um estudo sobre o comportamento e o modo de rotura de ligações metálicas sujeitas a esforços de tracção e momento flector, a várias temperaturas. Os resultados demonstraram que o modo de rotura altera com a temperatura: nos ensaios realizados a 450ºC e 550ºC, o modo de rotura da ligação ocorreu devido à fractura da cantoneira, no entanto a 650ºC ocorreu devido ao corte nos parafusos. Nogueiro et al. [2] realizou um conjunto de simulações numéricas de modo a avaliar a resistência residual de uma estrutura mista aço-betão sujeita a uma acção sísmica seguida de um incêndio. A calibração do modelo foi realizada com base na estrutura do edifício de Cardington, sendo a acção sísmica aplicada com um acelerograma artificial com um PGa de 0,6g. Esse valor foi escolhido de forma a ocorrer considerável dissipação de energia nas ligações. O incêndio definido foi como natural (aquecimento-arrefecimento) e considerou-se limitado a um compartimento no edifício, tal como o observado durante os ensaios anteriores [10]. A avaliação dos danos mecânicos causados pelo sismo e a resposta da estrutura ao fogo permitiram concluir que a ductilidade residual das ligações não foi suficiente para evitar o colapso estrutural. Pucinotti et al. [3] realizou o dimensionamento de uma ligação com pilares mistos circulares preenchidos com betão através de uma metodologia multiobjectivo. Essa metodologia consistiu em dimensionar a ligação para um cenário de incêndio após sismo tendo em conta a sequência das acções aplicadas, ao contrário da abordagem tradicional em que, não é tida em conta a sequência das acções, tratando-as independentemente. Neste trabalho realizaram-se ensaios experimentais que comprovaram que o dimensionamento proposto se adequa ao comportamento real da estrutura.

2. ENSAIOS EXPERIMENTAIS 2.1 Programa experimental

O programa experimental, realizado no Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra, consistiu no ensaio de 6 modelos de nó de extremidade constituídos por uma viga mista aço-betão ligada a um pilar metálico com betão entre os banzos. Os ensaios foram realizados em duas campanhas de ensaios: campanha A) ensaio de três modelos à temperatura ambiente com carregamento monotónico negativo, M- (E1), monotónico positivo, M+ (E2), e cíclico seguido de momento flector negativo, M- (E3); campanha B) ensaio de três modelos a temperaturas elevadas após carregamento cíclico à temperatura ambiente. A temperatura aplicada nos ensaios da campanha B foi de 600ºC e o carregamento mecânico aplicado a esta temperatura correspondeu à combinação de momento flector negativo M- e esforço axial de tracção, N+ até à rotura da ligação. Dos ensaios com carregamento monotónico à temperatura ambiente obtiveram-se os parâmetros elásticos da ligação que serviram para definir o carregamento dos ensaios cíclicos. Os ensaios à temperatura ambiente

3 serviram ainda para comparação com a resistência da ligação sujeita a combinação M--N+ a temperaturas elevadas. Os ensaios realizados encontram-se resumidos no Quadro 1.

Quadro 1 – Plano de ensaios

Ensaio 1ª Fase 2ª Fase 3ª Fase

A

E1 Monotónico (M-) -

E2 Monotónico (M+) -

E3 Cíclico Monotónico (M-) -

B

E4 Cíclico Monotónico (M -) Aquecimento* E5 Cíclico Aquecimento a 600ºC Combinação M-- N+ E6 Cíclico Aquecimento a 600ºC Combinação M-- N+

* A curva de aquecimento seguiu aproximadamente a curva ISO 834, tal como descrito em [11]

2.2 Provetes de ensaio

Os provetes de ensaio, Figura 1, consistiram numa ligação de nó de extremidade constituída por uma viga mista aço-betão ligada a um pilar metálico com betão entre os banzos. A viga tinha 1,4 m de comprimento e 90 cm de largura e era constituída por um perfil metálico IPE 270 de classe S355, com uma laje mista executada com perfil de chapa colaborante com uma espessura total de 120 mm, armadura longitudinal de 8∅12 e armadura transversal ∅8 com espaçamento de 10 cm. O pilar tinha 3 m de altura e era de secção transversal HEA240 de classe S355 preenchido com betão entre os banzos de classe C20/25, com armadura longitudinal de 4∅12, com estribos ∅8 de classe A500NR, espaçado de 100 mm na zona da ligação e de 200 mm fora da ligação. Os estribos passaram através da alma do pilar de modo a aumentar o confinamento do betão. A ligação entre a laje e a viga mista foi realizada através de conectores de corte soldados no banzo superior da viga. A ligação viga-pilar foi efectuada através de uma chapa de topo estendida na zona inferior, com 12 mm de espessura e 6 parafusos M20 da classe 8.8.

Figura 1 – Provete de ensaio

IPE 270 1 2 0 165 P 1400 1 2 0 H E A 2 4 0 IP E 2 7 0 PARAF. M20 3 5 0 5 0 1 7 0 9 0 4 0 40 80 40 FURO Ø22 Ø8//0.10 8Ø12 4Ø12 Ø6//0.10 4Ø12 HEA240 Furo

4 2.3 Instalação Experimental

2.3.1 Campanha A: aplicação de carregamento monotónico e de carregamento cíclico Na Figura 2 mostra-se a instalação experimental utilizada na realização dos ensaios à temperatura ambiente. A estrutura de reacção era constituída por um conjunto de pórticos, com grande rigidez, fixos a uma parede e laje de reacção.

Figura 2 – Esquema de ensaios

Na Figura 3 observa-se o posicionamento das células de carga (1), bem como da guia (2) e dos roletes (3), que restringiram a viga ao deslocamento lateral durante aplicação da carga. O carregamento foi aplicado na extremidade da viga metálica (1,95 m do banzo do pilar), através de um actuador com controlo em deslocamento e a uma velocidade constante de 0.02 mm/s, em todos os ensaios.

Figura 3 – Vista geral do sistema de ensaios à temperatura ambiente

2.3.2 Campanha B: aplicação de carregamento térmico e da combinação momento flector-esforço axial 1374 mm 1912 mm HEB 500 H E B 3 0 0 P a re d e d e R e a c ç ã o Célula de carga 270 mm 1 4 8 2 m m Célula de carga 120 mm 1 3 3 0 m m Sapata Laje Reacção 4 2 0 m m IPE 700 1 8 7 0 ,8 1 4 8 2 ,1 1374,4 1 2 0 1 3 2 9 ,2 2 7 0 4 2 0 1912,3 2 1 3 1

5 Os ensaios a alta temperatura foram realizados com o esquema apresentado na Figura 4, o sistema constituído por um conjunto de vigas e pórticos, com grande rigidez, ligados a uma parede e laje de reacção. O forno eléctrico era constituído por dois módulos acoplados entre si e colocados sobre a sapata de modo a permitir o aquecimento da parte inferior do modelo.

Figura 4 – Sistema de ensaio de ligações a altas temperaturas

O carregamento mecânico M--N+ foi aplicado através do sistema representado nas Figuras 4 e 5. O referido sistema era constituído por um macaco hidráulico (1), uma célula de carga TML com capacidade de 200kN (2), rótula (3) e dois tirantes (4). Um dos tirantes encontrava-se ligado a uma estrutura de reacção (5) e o outro estava ligado à extremidade da viga do modelo a ensaiar (6). A carga foi aplicada em controlo de deslocamentos a uma velocidade de 0,1 mm/s, com os deslocamentos medidos no ponto (7). Na figura 5 representa-se a variação dos ângulos de inclinação dos tirantes no início e fim do carregamento.

Figura 5 – Sistema para aplicação da carga ao modelo a alta temperatura (imagem obtida no final do ensaio)

2.4 Instrumentação

Nos ensaios foi utilizada instrumentação para medir as grandezas que permitem avaliar o estado de tensão, de deformação e temperaturas na ligação e nos vários componentes do modelo; na figura 6 apresenta-se a localização dos deflectómetros e extensómetros.

1 2 3 4 5 6 8 4 7 ainicial=12º ainicial=35º afinal=26º afinal=31º

6 Figura 6 – Esquema com localização

dos deflectómetros e extensómetros

Figura 7 – Esquema com localização dos termopares

Para a medição das extensões utilizaram-se vários tipos de extensómetros: i) nos ensaios de temperatura ambiente colaram-se extensómetros do tipo FLK 6-11; ii) nos parafusos foram utilizados extensómetros do tipo BTM 6C, colocados no interior dos mesmos; iii) para os ensaios a temperaturas elevadas foram utilizados extensómetros do tipo ZFLA 6-11, que permitiram fazer a medição das extensões numa gama de temperaturas entre -20ºC e 300ºC. O carregamento mecânico aplicado foi medido através de células de carga. Nos ensaios a temperaturas elevadas utilizaram-se termopares tipo K (cromel-alumel) para medição da evolução da temperatura no aço.

2.5 Procedimento de ensaios

2.5.1 Ensaios à temperatura ambiente

O carregamento foi aplicado na viga metálica a 1,95 m do banzo do pilar, através de um actuador com controlo em deslocamento, com uma velocidade de 0,02 mm/s. Antes de se iniciar o ensaio, foi feito um pré-carregamento para eliminar folgas existentes no sistema. Os ensaios cíclicos (E3, E4, E5 e E6) foram realizados de acordo com a metodologia proposta pela ECCS [12]. A amplitude dos ciclos aplicados foi calculada com base no valor dos parâmetros elásticos ey+ e ey-, segundo o apresentado na Figura 8. Os valores ey+ e ey

-representam o deslocamento no limite elástico da ligação, respectivamente para momento negativo e positivo; ey- da ligação é A amplitude aplicada nos ensaios foi a seguinte: i) um ciclo

de amplitude ey +

/4, ey

-/4; ii) Um ciclo de amplitude ey +

/2, ey

-/2; iii) um ciclo de amplitude 3.ey+/4,3.ey-/4; iv) três ciclos de amplitude ey+, ey-; v) três ciclos de amplitude (2+2n).ey+,

(2+2n).ey- , (com n=0,1,2…).Dada a limitação do curso do actuador (280 mm) não foi possível

levar a ligação à rotura apenas com carregamento cíclico; após se aplicar as amplitudes máximas possíveis, aplicou-se momento flector negativo até à rotura.

Extensómetros Deflectómetros T12 T13 T17 T15 T14T16 T2 T5 T1 T6 T3 T4 T9 T8 T7 Viga Pilar

7 Figura 8 – Parâmetros elásticos da ligação [12]

2.5.2 Ensaios a temperatura elevada

Nos ensaios a temperaturas elevadas, antes de se proceder ao aquecimento da ligação, aplicou-se um carregamento cíclico à temperatura ambiente, que pretendeu simular a acção sísmica. Foi usada a mesma metodologia de carregamento mas com uma amplitude inferior, já que o objectivo não era levar a ligação à rotura mas sim fazer com que a ligação tivesse um histórico de carga cíclica. As amplitudes usadas foram as seguintes: i) um ciclo de amplitude ey+/4, ey-/4; ii) um ciclo de amplitude ey+/2, ey-/2; iii) um ciclo de amplitude 3.ey+/4,3.ey-/4; iv) três

ciclos de amplitude ey+, ey-.Na 2ª fase do ensaio E4, após o carregamento cíclico, aplicou-se

um carregamento mecânico na viga através de um sistema gravítico (27kN) esse valor reproduz a combinação de acções para a situação de incêndio segundo a EN 1991 1-2 [13] e corresponde a cerca de 30% da carga última. De seguida, ligou-se o forno eléctrico, que seguiu aproximadamente a curva ISO 834 até se observar a rotura da ligação.

Nos ensaios E5 e E6, após o carregamento cíclico foi ligado o forno, que seguiu aproximadamente a curva ISO834 até aos 600ºC, mantendo esse valor constante até se atingir 550ºC nos parafusos, a escolha deste valor deve-se à redução significativa das propriedades mecânicas dos parafusos entre 500ºC e 600ºC, (kb,q = 0,55). Atingido esse valor, foi aplicado o

carregamento monotónico, com uma velocidade de 0,1 mm/s, de acordo com o anteriormente descrito. Esse sistema permitiu a aplicação de momento flector, esforço de corte e esforço axial na ligação, conseguindo-se simular o efeito de continuidade numa estrutura real.

3. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

3.1 Ensaios monotónicos à temperatura ambiente

Foram realizados dois ensaios monotónicos à temperatura ambiente, nos quais se aplicou um momento negativo (E1) e um momento positivo (E2). Na Figura 10 representa-se a variação do momento flector com a rotação da ligação. Esta ligação apresenta um momento flector resistente positivo de 217 kN.m e um momento flector resistente negativo de -161,6 kN.m. A rigidez secante positiva é de 12,1 kN.m/mrad e a rigidez secante negativa é de 15,8 kN.m/mrad.

Durante o ensaio E1 verificou-se o arrancamento (pull-out) dos conectores da laje, resultando na redução da resistência da ligação para momentos negativos, uma vez que a viga metálica passou a funcionar isoladamente. Este efeito encontra-se representado na figura 10 pela redução da resistência da ligação após se obter o momento flector resistente. De forma a solucionar este problema, no ensaio E2 foi colocado um sistema que impediu o arrancamento dos conectores.

8 Figura 10 – Curvas momento-rotação dos ensaios E1 e E2

No ensaio E2 observou-se a rotura dos parafusos por tracção na linha inferior e da solda entre o banzo inferior e a chapa de topo, houve também deformação por tracção da chapa de topo, Figura 12. Na laje observou-se o destacamento do betão na parte superior, devido à compressão dos varões longitudinais e também se verificou o aparecimento de uma folga entre o banzo do pilar e a laje na parte posterior devido, ao esmagamento do betão e rotura da laje na zona da ligação. Na linha dos conectores entre a viga metálica e a laje mista houve o aparecimento de uma fissura em todo o comprimento da laje devido ao esforço de corte. Adicionalmente, em ambos ensaios observou-se flexão da chapa de topo na zona de tracção (fig. 11).

Figura 11 – Chapa de topo no ensaio E1 após rotura

Figura 12 - Chapa de topo no ensaio E2 após rotura

3.2 Ensaio Cíclico à Temperatura Ambiente

A Figura 13 representa a curva de histerese momento flector - rotação no ensaio E3; observa-se que nos primeiros ciclos não existe degradação da rigidez da ligação, ou observa-seja, a curva segue aproximadamente o mesmo trajecto na carga e na descarga, isso acontece porque o carregamento é efectuado em regime elástico (curvas representadas a vermelho). Quando se atinge o limite elástico começa a observar-se uma degradação dos valores da resistência e da rigidez da ligação com o aumento do número de ciclos (curvas representadas a azul).

SJ ini + = 17,4 kN.m/mrad SJ ini = 41,1 kN.m/mrad Mj Rd- = -161,6 kN.m Mj Rd + = 217 kN.m

9 Figura 13- Curva de histerese momento flector - rotação no ensaio E3

Na Figura 14 apresenta-se a deformação existente na chapa de topo após o carregamento cíclico do ensaio E3, verificar-se o alongamento na linha superior dos parafusos bem como da folga existente devido à deformação da chapa de topo em flexão e à extensão nas armaduras.

Figura 14 - Chapa de topo ensaio E3 após rotura

Na Figura 15 apresenta-se a comparação dos resultados da resistência da ligação do ensaio E1 (monotónico) versus E3 (cíclico): o ensaio E3 apresenta uma menor rigidez da ligação (SJ,1=16,5 kN.m/mRad e SJ,3=7,6 kN.m/mrad;) e uma maior rotação última ((∅u,1=-13,4 mrad e

∅u,3=-26,9 mrad). Durante o ensaio observou-se uma diminuição das extensões nos varões

longitudinais da laje, Figura 16, acompanhada de um aumento das extensões nos parafusos, Figura 17. Esta medição comprova a diminuição da resistência da ligação e o aumento dos esforços nos parafusos, que por sua vez provocou o aparecimento de folgas na ligação e consequentemente diminuição da sua rigidez (fig. 17). Para a degradação dos momentos, contribiu a fissuração da laje de betão na zona da ligação e na zona de ancoragem dos varões), a extensão dos parafusos e o esmagamento do betão na zona de contacto entre banzo do pilar e a laje.

10 Figura 15 - Curvas momento - rotação nos ensaios E3 e E1

Figura 16 – Extensões nos varões longitudinais durante o ensaio E3

Figura 17 – Extensões nos parafusos durante o ensaio E3

3.3 Ensaios a altas temperaturas

A realização do ensaio (E4) apresentou grandes problemas e os resultados não serão aqui apresentados. Nos ensaios subsequentes (E5 e E6) o carregamento mecânico foi de combinação M--N+. Na Figura 18 apresenta-se o carregamento aplicado durante o ensaio E5 na fase 3. A combinação M--N+ aumenta quase linearmente até ao valor máximo de Mapl =

-67,5 kN.m e Napl = 46,58 kN, após esse ponto e até ocorrer a rotura do parafuso, há um

aumento da rotação da ligação e uma redução do momento e esforço axial aplicado.

Na Figura 19 apresenta-se a curva momento-esforço axial do ensaio E6 na fase 3. A evolução da combinação de esforços é semelhante ao ensaio anterior, a rotura do parafuso ocorre para valores menores que no ensaio anterior. Este ensaio é de geometria e carregamento igual ao ensaio E5 e serviu para aferir os resultados do ensaio anterior; os resultados obtidos foram similares.

Figura 18 – Curva momento- esforço axial do ensaio E5, na 3ª fase.

Figura 19 – Curva momento- esforço axial- do ensaio E6, na 3ª fase.

Os modos de rotura da ligação neste ensaio foram encurvadura local no banzo inferior da viga e rotura por tracção na linha superior de parafusos; esta rotura verificou-se quando se atingiu aproximadamente, 180 mm de deslocamento, no topo do macaco hidráulico, Figura 20. No

SJE3 SJE1 Rotura do parafuso Momento (kN.m) Esforço Axial (kN) Momento (kN.m) Esforço Axial (kN) Rotura do parafuso

11 pilar, apesar da fissuração do betão na zona da ligação, observou-se uma deformação muito pequena que se deveu à grande rigidez do pilar misto, S = 23,6 MN/m2, este valor é cerca de 40% superior ao observado num pilar equivalente constituído apenas em aço. Verificou-se, igualmente, fissuração no betão na direcção longitudinal e transversal principalmente na zona de tracção das armaduras.

Figura 20 – Pormenor da ligação após ensaio E5 na fase 3

A Figura 21 mostra o protótipo deformado após o ensaio E6, pode-se também observar o destacamento da chapa colaborante do betão durante o ensaio, devido à dilatação da chapa.

Figura 21 – Aspecto após o ensaio E6

Na figura 22 apresenta-se a evolução das temperaturas nos parafusos na ligação durante o ensaio E6. Verifica-se que na primeira e na segunda linha de parafusos (P1 e P2) as temperaturas são próximas, sendo que na primeira linha é ligeiramente superior. Está também representada a evolução da temperatura do banzo inferior num ponto afastado da ligação (T4_2).

Figura 22 – Evolução da temperatura nos parafusos no ensaio EF3

P2 P1

12 A evolução da temperatura na viga é apresentada na Figura 23, podemos observar que a temperatura do banzo inferior (T4) é superior à temperatura do banzo superior (T6), sendo que a temperatura da alma (T5) é muito semelhante à do banzo inferior. A diferença de temperatura medida entre o banzo superior e as outras partes da viga é resultado do efeito sombra provocado pela laje e também pela dissipação de calor no contacto existente entre a laje e o banzo superior. O termopar T4_2 representa a temperatura no banzo inferior da viga, num ponto afastado da ligação.

Figura 23 – Evolução da temperatura na viga no ensaio EF3

Apresenta-se na figura 24, a evolução da temperatura nos elementos da laje. A flutuação apresentada no gráfico, em algumas das curvas, resulta da fissuração e da migração de vapor de água existente no betão. Pode-se concluir também, que à medida que o gradiente térmico vai diminuindo, o fluxo de calor é menor e consequentemente a temperatura aumenta mais lentamente.

Figura 24 – Evolução da temperatura nos termopares localizados na laje no ensaio EF3

4. CONCLUSÕES

Os ensaios monotónicos à temperatura ambiente permitem concluir que este tipo de ligação tem uma elevada capacidade de rotação, ou seja, exibe grandes deformações antes da rotura. Nos ensaios cíclicos verificou-se uma degradação do momento resistente à medida que se aumentou a amplitude e o número dos ciclos de carregamento, especialmente depois de se atingir o limite elástico da ligação. O valor da rigidez da ligação sofreu uma redução, para cerca de 50%, devido à fissuração do betão e ao aparecimento de folgas na ligação.

Nos ensaios realizados a temperaturas elevadas pode-se concluir que o modo de rotura da ligação foi alterado, ou seja, à temperatura ambiente o modo de rotura da ligação foi a chapa de topo em flexão, quando submetida a alta temperatura, o modo de rotura da ligação alterou para rotura dos parafusos em tracção.

T5 T6

13 5. REFERÊNCIAS

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