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ESTUDO DE CONECTORES DE CISALHAMENTO DO TIPO TRELIÇADO EM VIGAS MISTAS
Samuel Bezerra Cordeiro 1 Otávio Rangel de Oliveira e Cavalcante 2
1 Introdução/ Desenvolvimento
As estruturas mistas demonstram ser uma excelente opção do ponto de vista estrutural e construtivo, pode-se ressaltar que as mesmas possibilitam um melhor aproveitamento das propriedades de resistência dos materiais, pois permitem que na mesma estrutura, o concreto esteja predominantemente comprimido e o aço sujeito a esforços de tração. Desta forma, ao final é possível obter uma estrutura mais otimizada e leve.
Fisicamente, as vigas mistas, são elementos estruturais constituídas pela associação de uma laje de concreto com um perfil metálico de seção transversal “I”, ficando a interação perfil-laje garantida pelo conector de cisalhamento, sua função é de, segundo Tristão (2002) “garantir que ambos os materiais funcionem em conjunto para resistir a esforços de flexão [...] transferir esforços de cisalhamento longitudinais do concreto para o aço, na interface da viga mista, bem como impedir a separação vertical entre laje de concreto e perfil de aço”.
Logo fica explícita a importância do conector na composição das vigas mistas, dentre os principais modelos de conectores aplicados no Brasil cita-se: o pino com cabeça (STUD), Perfil U, Barra com alça, Espiral, Pino com gancho e Perfobond, onde cada modelo apresenta configurações distintas e características próprias.
O objetivo deste trabalho foi desenvolver um novo conector de cisalhamento do tipo treliçado plano. Este conector de cisalhamento apresenta-se como uma inovação tecnológica aplicada a construção civil, direcionada a obras de pequeno a grande porte. O material aplicado ao conector consiste de vergalhão CA-50 aplicado em estrutura de concreto armado. O método de fixação pode ser feita com solda elétrica convencional, o que reduz o custo operacional. Sua resistência e rigidez proporcionam uma interação da laje de concreto armado e perfil compatível com os modelos de conectores mais aplicados no Brasil, o stud e o conector tipo U.
2 Metodologia/ Resultados
Para atingir os objetivos estabelecidos, foi adotado inicialmente um estudo numérico em elementos finitos, com base em análises experimentais desenvolvidas por Cavalcante (2010), em análises numéricas aplicadas por Kotinda (2006) e Tristão (2002).
A partir destes estudos foram extraídos dados referentes á caracterização dos materiais, resistência à capacidade de compressão do concreto (NBR 5739:2007), e relação constitutiva (NBR 6892:2002) do vergalhão e do conector stud bolt que é o conector de cisalhamento referência para
1 Graduando, UFC- Campus Cariri, Juazeiro do Norte, Ceará, samuelbezerraufc@hotmail.com
2 Dsc, UFC- Campus Cariri, Juazeiro do Norte, Ceará, otaviorc@hotmail.com
2 este estudo, além dos parâmetros de calibração oriundos dos ensaios de push-out realizados por Cavalcante (2010) em laboratório, normatizado pela EM 1994 PART-1- 1:2004.
Este ensaio de push-out (Figura 1) consiste na aplicação vertical de carga sobre um perfil metálico preso por meio dos conectores de cisalhamento a duas lajes de concreto de 60x60x15cm.
A aplicação dessa carga é feita de forma gradativa e controlada, iniciando com uma força que varia entre 5% a 40% da força de ruptura esperada e posteriormente, aplicam-se 25 ciclos incrementados de força sucessiva, de modo a não causar a ruptura antes de um período de 15 minutos.
Figura 1– Ensaio de push-out com conector de cisalhamento stud (EUROCODE 4 - 1994) Para a construção do modelo numérico tridimensional, foi desenvolvido um programa gerador de malha, através de planilhas confeccionadas com o auxílio do programa Excel (ver Figura 2), cujos dados de entrada são os aspectos geométricos da estrutura mista e as propriedades mecânicas de cada material. Como resultado é gerado um arquivo de entrada, no formato txt, com aproximadamente 600 linhas de comando que fará a geração da malha do modelo numérico. O modelo em elementos finitos é constituído por uma malha de aproximadamente 77.952 nós e 5.925 elementos finitos, sendo possível controlar todo o modelo numérico e conhecer toda a conectividade dos elementos.
Figura 2– Planilha para a formulação da malha numérica.
No modelo numérico 3D em elementos finitos (ver Figura 3) para a simulação computacional, pelo programa ANSYS, de ensaios do tipo push-out, são aplicados elementos
3 sólidos tetraédricos para a laje de concreto e o perfil metálico, e no conector de cisalhamento e na armadura da laje elementos de viga e barra.
(a) Conector stud (b) Conector treliçado plano
Figura 3– Modelo computacional aplicado nas análises numéricas
O processo de calibração do modelo correspondia a uma análise gráfica comparativa entre os ensaios experimentais de push-out, realizadas pelo Cavalcante (2010) em laboratório, com os simulados numericamente, observando o deslizamento relativo do perfil em relação à laje, pela aplicação de cargas verticais no perfil.
O resultado do processo de calibração mostrado na Figura 4, ilustrada pela curva Anl. Stud Bolt, apresenta resultados aceitáveis, em vista da sua aproximação gráfica em comparação aos resultados experimentais de Cavacante (2010) (curva da Anl Exp 02).
Com base nestes resultados gráficos, foi elaborado um modelo semi-empírico que permitisse estimar com precisão aceitável a capacidade resistente de carga do conector, grau de interação entre laje e o perfil metálico, além de conhecer seu mecanismo de ruptura, para desta forma dimensionar e simular o conector tipo treliçado plano em cinco diâmetros comerciais distintos de: 8mm (Treliça:Diam-8), 10mm (Treliça:Diam-10), 12,5mm (Treliça:Diam-12,5), 16mm (Treliça:Diam-16) e 20mmc(Treliça:Diam-20), e todos com altura única de 12,5cm (a mesma altura do stud de 19mm de diâmetro).
Figura 4– Análise gráfica experimental e numérica do ensaio de push-out dos conectores tipo treliçado plano e tipo stud.
4 Analisando os resultados da Figura 4, é possível observar que os conectores treliçado de diâmetro 8.0 e 10mm apresentam deslizamentos semelhantes ao do conector stud (Anl stud bolt) de diâmetro de 19mm. Fixando, visualmente no gráfico, a carga de ensaio de 10Tf o conector stud apresentou deslizamento de aproximadamente 15% inferior ao conector treliçado de diâmetro de 8mm e respectivamente 9% e 29% superior aos diâmetros 12,5mm e 16mm, como está apresentado na Tabela 1.
Tabela 1 – Análise comparativa do conector stud e treliçado para uma carga de 10 Tf
Conector Carga (Tf) Deslizamento (mm)
Stud-Numérico 10,13 5,04
Treliçado: Diam-8 mm 10,10 5,80
Treliçado: Diam-10 mm 10,31 5,37
Treliçado: Diam-12,5 mm 10,39 4,58
Treliçado: Diam-16 mm 10,41 3,54
Treliçado: Diam-20 mm 10,59 3,49
Outro parâmetro de análise foi o da distribuição das tensões horizontais, no perfil metálico e no conector, ilustrado na figura 5, pela tensão equivalente de Von Mises, o que foi verificado que o par de conectores na parte frontal reproduz maior concentração de tensão na mesa do perfil e com isso, estes são o mais solicitados, onde foi observado que quanto menor o diâmetro do conector, maior é a concentração de tensões no conector, e que no conector treliçado os esforços se distribuem em uma maior área do que o conector stud, visto que o conector se apoia em dois pontos distintos na mesa do perfil.
(a) Conector stud (b) Conector Treliçado Ø12,5 mm (c) Conector Treliçado Ø 20 mm
Figura 5– Tensão de Von Mises (kN/cm²) para uma carga 10.9Tf por conector.
A ligação entre a laje e o perfil é mais rígida quanto maior for o diâmetro do conector, o que reflete em menor deslizamento do perfil em relação à laje. O deslizamento do perfil implica em deformações e empenamento do conector, o que reduz o momento fletor na mesa do perfil metálico.
Neste caso o conector absorve uma maior parcela dos esforços.
A ligação do perfil com o concreto se torna mais rígida, quando se refere ao conector treliçado com diâmetros superiores a 12.5 mm. Como consequência a resistência última da ligação entre concreto e perfil é maior quando se refere aos conectores treliçados também de diâmetros
5 superiores a 12.5 mm. Outra propriedade observada para conectores treliçados com diâmetros superiores a 12.5 mm é que existem menores deslizamentos entre o perfil e a laje de concreto. Os conectores treliçados com diâmetros de 8.0 mm e 10 mm, apresentaram resultados tanto de carga final quanto de deslizamento, muito semelhantes ao conector stud.
3 Considerações Finais
Este trabalho apresenta um estudo inicial de um novo modelo de conector de cisalhamento aqui chamado de treliçado plano. A análise numérica apesar da carência de alguns dados, principalmente relativos à aderência do conector com a laje, proporcionaram uma visão global do funcionamento dos conectores stud e treliçado.
Nota-se que quando maior o valor do diâmetro do conector treliçado plano, mais rígida se torna a ligação desta com o perfil, além de um aumento na resistência ao cisalhamento. Portanto sugere-se o conector de 12,5 mm de diâmetro como sendo o de melhor custo benefício, tanto pela sua corriqueira aplicabilidade em construções, quanto da facilidade no processo de dobra da barra para a configuração do conector.
Também sugere-se uma análise experimental, iniciando com ensaios de push-out, para melhor avaliar o desempenho do conector treliçado, visto que esta análise numérica consiste em uma estimativa do funcionamento deste tipo de conector treliçado.
4 Referências
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (2007). NBR 5739 – Concreto - Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos - Método de ensaio. Rio de Janeiro.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (2002). NBR 6892 – Materiais metálicos– Ensaio de tração à temperatura ambiente Concreto. Rio de Janeiro
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. (2008). NBR 8800. Projeto e execução de estruturas de aço e de mistas aço e concreto de edifícios.
CAVALCANTE, Otávio R.O. (2010), Estudo de Conectores de Cisalhamento do Tipo ‘V’ em Viga Mista, Tese de Doutorado, Departamento de Estruturas e Construção Civil Universidade de Brasília, UnB
European committee for standardization (1994). PART-1-1: Eurocode 4- Design of composite steel and concrete structures Part 1.1General rules and rules for buildings.
TRISTÃO, Gustavo A. (2002), Comportamento de conectores de cisalhamento em vigas mistas aço-concreto com análise da resposta numérica, Dissertação de Mestrado, Departamento de Estruturas da EESC-USP, São Carlos
KOTINDA, T. I. (2006). Modelagem numérica de vigas mistas aço-concreto simplesmente apoiadas: ênfase ao estudo da interface laje-viga, Dissertação de Mestrado, Departamento de Estruturas da EESC-USP, São Carlos.
