Avaliação do comportamento estrutural de conectores Perfobond … Sistemas construtivos mistos. 6....
Transcript of Avaliação do comportamento estrutural de conectores Perfobond … Sistemas construtivos mistos. 6....
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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 Cruz Avaliação 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.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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%
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
1 Introdução
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
29
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 pré-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).
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
30
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,
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
31
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
32
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.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
33
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.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
34
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):
1vv ≤ (1.1)
Onde: ν é a força de cisalhamento longitudinal de projeto
suqv = (1.2)
E ν1 (força de cisalhamento longitudinal de cálculo) o menor entre:
sd.fefvAu.cv..5,21 vysrAv ++= τη (1.3)
3
sdc.fcv..2,01
vAv += 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;
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
35
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.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
36
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
37
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
38
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.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
2 Revisão bibliográfica
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.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
40
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
41
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
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
42
de fadiga, os conectores T apresentam as mesmas desvantagens do conector
stud.
David (2007) realizou uma análise experimental e teórica com conectores
em perfil U formado a frio, Figura 2.4b, e vigas mistas constituídas por perfis
formados a frio e laje de vigotas pré-moldadas. Nos ensaios do tipo push-out
avaliou o tipo de carregamento, a espessura e altura do conector e a taxa de
armadura transversal. A variável de maior importância para a resistência foi a
espessura do conector. David (2007) apresentou uma nova proposta de equação
para o cálculo de resistência de conectores em perfil U laminado com intuito de
se avaliar melhor a resistência dos conectores U formados a frio.
Nos ensaios em escala real, as oitos vigas ensaiadas possuíram as
mesmas dimensões e tipo de carregamento, variou-se a espessura dos perfis,
tanto da viga como dos conectores, posição da vigota treliçada e taxa de
armadura transversal adicional. A variação no grau de interação foi obtida pela
variação de espessura dos perfis. As dimensões desses ensaios foram: vão total
de 3,65m; largura da laje de 0,9m; espessura de 0,12m.
No seu trabalho, David (2007) desenvolveu também uma estratégia de
modelagem numérica para simulação do comportamento estrutural da vigas
mistas aço-concreto simplesmente apoiadas, utilizando métodos de elementos
finitos através da ferramenta Ansys versão 8.0. As simulações numéricas
consideraram a não linearidade física e geométrica. Ela utilizou três estratégias
de modelagem: nós da interface acoplados em todas as direções; conectores
modelados com elementos de casca juntamente com par de contato; e
conectores simulados como molas, apresentando esta terceira estratégia, os
melhores resultados.
Maleki & Bagheri (2008) realizaram dezesseis ensaios tipo push-out com
conectores em perfil U variando os tipos das lajes: concreto puro (C), concreto
armado (RC), concreto reforçado com fibra (FRC), e com compósitos
cimentíceos (ECC). Dos ensaios, nove foram realizados com carregamento
monotónico (estático) e sete com carregamento com pequenos ciclos, que
devem ser aplicáveis a estruturas mistas sujeitas a eventos sísmicos. Os modos
de ruínas de todos os ensaios foram classificados em dois tipos: falha do
conector e esmagamento do concreto. O modo de ruína do conector apresentou
um comportamento dúctil com capacidade de deslizamento significativa em
todos os ensaios. Os resultados mostraram que a utilização de fibras de
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
43
polipropileno (PP), tem um ligeiro efeito sobre a capacidade de resistência ao
cisalhamento e no comportamento da curva carga-deslocamento dos modelos,
mas utilizando as fibras de álcool polivinílico (PVA) (ECC) há um ganho na
resistência e na ductilidade consideravelmente. Na verdade, o comportamento
do ECC sem qualquer reforço de armaduras, é como os de concreto armado. Ao
se usar fibras e concreto puro com armaduras, há um ganho de resistência
significativo.
Sobre carregamento cíclico, a maioria dos modelos apresentaram 10%-
23% de perda de carga comparando com o carregamento monotônico, sem
alterar o modo de ruína. Nenhum dos modelos puderam sustentar por mais de
dois ciclos os 90% da capacidade de carga do carregamento monotônico.
Os mesmos autores realizaram uma análise numérica através da
simulação do ensaio de push-out num modelo de elemento finito. O foco
principal foi obter a capacidade de carga do conector tipo U em laje de concreto
armado sobre carregamento monotônico. O modelo foi validado com os
resultados dos modelos experimentais.
O conector Hilti HVB, Figura 2.4c, foi desenvolvido pela Hilti Corporation e
é utilizado mais na Europa, Queiroz (2001). Estes conectores são presos ao
perfil metálico por meio de fixadores à pólvora. Essa forma de ligação possui a
vantagem de não necessitar de energia na obra para a sua colocação, ao
contrário dos conectores Studs. Dentre suas características e vantagens,
destacam-se por serem conectores dúcteis, de fácil e simples instalação.
O conector Perfobond rib, foi inicialmente projetado pela empresa de
engenharia alemã Leonhardt, Andrä and Partners para aumentar a resistência à
fadiga em uma ponte mista de concreto e aço na Venezuela, como alternativa
aos studs, que apresentam baixo desempenho a fadiga, Zellner (1987). Este
conector é composto por uma chapa retangular de aço, com furos, sendo este a
posteriori soldados na viga de aço, como mostra a Figura 2.4d, e embutidos na
laje de concreto. Durante a concretagem, os furos da chapa são preenchidos por
concreto, formando cilindros que fornecem a resistência ao cisalhamento
longitudinal e previnem a separação vertical entre a viga de aço e a laje de
concreto, Figura 2.5. Além disto, o seu desempenho estrutural é melhorado com
a colocação de barras de armaduras passando através dos furos do mesmo.
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
44
a) Studs b) Perfil C, David(2007) c) X-HVB da Hilti
d) Perfobond e) Crestbond (Veríssimo et al., 2006)
Figura 2.4 - Exemplos de conectores disponíveis, Vianna et al. (2008a)
Figura 2.5 - Cisalhamento dos pinos virtuais de concreto, em dois planos de corte, nos
furos do Perfobond, Veríssimo (2007)
No passado recente diversos autores realizaram uma quantidade
considerável de ensaios tipo push-out para aferir a resistência do conector
Perfobond, tendo sido concluído que diversos parâmetros geométricos e do
material influenciam significativamente o comportamento estrutural do conector,
tais como: a resistência à compressão do concreto, o número de furos, a
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
45
espessura e dimensões da placa, e a quantidade de armadura transversal
utilizada. São de referir os trabalhos de Machacek e Studnika (2002) , Vellasco
et al. (2007), Veríssimo (2007), Al-Darzi (2007).
Veldanda & Hosain (1992) realizaram quarenta e oito ensaios tipo push-out
com Perfobond descontínuo e studs na Universidade de Saskatchewan, no
Canadá. Eles variaram o tipo de laje, maciça e com forma de aço incorporada, a
posição e quantidade de furos dos conectores, e a presença ou não de
armaduras nos furos.
Oguejiofor e Hosain (1992) com o objetivo de avaliar a aplicabilidade dos
conectores Perfobond em sistemas de pisos mistos, ensaiaram seis vigas mistas
em escala real. Estes ensaios foram divididos em duas séries, uma com
conectores Perfobond e outra com conectores studs para que fosse comparado
o comportamento de cada tipo de conector e sua capacidade última.
Dando continuidade a sua pesquisa, Oguejiofor e Hosain (1994)
realizaram mais 40 ensaios do tipo push-out com laje maciça para obter maiores
detalhes sobre esse conector. Neste trabalho avaliaram os efeitos da presença e
da quantidade de furos, do espaçamento entre eles, da armadura transversal e
da resistência do concreto e propuseram a primeira equação para o cálculo da
sua capacidade de resistência.
Após propor a primeira equação, Oguejiofor e Hosain (1997) realizaram
algumas análises numéricas e estabeleceram uma nova equação, que
quantificaria melhor a capacidade de resistência ao cisalhamento da ligação.
Essas equações são apresentadas posteriormente.
Kraus & Wurzer (1997) propuseram um modelo numérico para análise não-
linear do efeito de pino no concreto (nos furos) por elementos finitos. O modelo
foi validado comparando seu resultado com resultados de ensaios
experimentais.
Ferreira (2000) adaptou a geometria do Perfobond para menores
espessuras de laje para aplicação em lajes de edifícios residenciais. Realizou
oito ensaios do tipo push-out e um ensaio em escala real de um pórtico plano
semi-rígido misto com Perfobond. Foi o primeiro autor a isolar a componente da
ponta do conector no ensaio de push-out.
Hegger et al. (2001) realizaram um estudo sobre a ductilidade de
conectores utilizados em concreto de alta resistência.
Ushijima et al. (2001) investigaram algumas variáveis, até então não
estudadas suficientemente, através de ensaios experimentais. Estas variáveis
foram: espessura da chapa do conector, distância entre dois conectores em
DBDPUC-Rio - Certificação Digital Nº 0510763/CA
-
46
paralelo, presença da armadura passante e diâmetro dos furos. A partir destes
ensaios, propuseram duas equações para o cálculo da resistência do Perfobond,
considerando a presença ou não de armaduras nos furos.
Machacek & Studnicka (2002) realizaram ensaios do tipo push-out e em
escala real com conectores com furos de 32 e 60mm. Eles variaram o tipo de
concreto, normal e alta resistência, a quantidade de armadura transversal, a
altura do conector e a disposição dos conectores em paralelo.
Medberry & Shahrooz (2002) propuseram uma terceira equação para o
cálculo da resistência do conector Perfobond. Para determinação desta nova
equação, realizaram uma campanha experimental de trinta ensaios na
Universidade de Cincinnati, comparando seus resultados com alguns relatados
por Oguejiofor & Hosain (1994). Eles realizaram além de ensaios experimentais
uma modelagem numérica afim de verificar melhor a contribuição de cada termo.
Valente & Cruz (2004) investigaram conectores tipo Stud, Perfobond e T-
connector com concreto de alta resistência comparando com trabalhos
anteriores e com as equações existentes para cálculo teórico.
Rovnak & Duricova (2004) estudaram o comportamento dos conectores
tipo Perfobond, Comb-Shaped, que é um conector com chapa dentada, e
conectores Studs sob carregamento estático e cíclico, os possíveis modos de
falha dos pinos de concreto e a maneira de quantificar as diferenças nos modos
de falha. Eles realizaram ensaios do tipo push-out na Universidade de Kosice na
Eslováquia com estes conectores para que seus resultados fossem comparados
com resultados obtidos de outros autores.