Universidade de So Paulo Escola de Engenharia de So Carlos

Departamento de Engenharia de Estruturas

Estudo da aderncia ao-concreto em pilares mistos preenchidos

Romulo Dinalli da Silva

Dissertao apresentada Escola de

Engenharia de So Carlos, da Universidade de

So Paulo, como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do Ttulo de

Mestre em Engenharia de Estruturas.

Orientadora: Profa. Dra. Ana Lucia H. de C. El Debs

So Carlos

2006

Aos meus pais, Romilda e Jacob, aos meus

irmos Maria Auxiliadora e Rodolfo e minha

querida Simone. Amo todos vocs.

AGRADECIMENTOS

Agradeo,

a Deus, o Criador, pelo dom da vida, pela perseverana e pacincia nos dias difceis

da pesquisa;

CNPq pela bolsa de estudos e Fapesp pela reserva tcnica que permitiu a

realizao da investigao experimental;

minha orientadora, Professora Ana Lcia, meu muito obrigado pela confiana em

mim depositada, pela leitura e sugestes no texto final e pela oportunidade que me

proporcionou durante esses trs anos de curso;

ao Professor Joo Carlos Antunes, meu introdutor no mundo da teoria estrutural.

Seu entusiasmo e dedicao ao tema foram exemplos a seguir nos meus estudos;

ao querido Professor de Estruturas Metlicas, Alex Sander, por ter me acolhido

como orientado no trabalho de concluso de curso de graduao e por ter sido um

grande incentivador ao meu ingresso no programa de ps-graduao em estruturas;

ao amigo e coordenador, merson, pelo apoio, oportunidade e pelo otimismo que

me transmitiu nas viagens, sempre ricas em ensinamentos e exemplos de vida.

ao meu pai, Jacob, por ter me ensinado a ser simples e honesto no convvio com

meus semelhantes; minha querida me, Romilda, pela sua dedicao, suas

oraes e por ser uma luz a guiar meus passos rumo ao sucesso;

minha querida esposa Simone, meu muito obrigado pela pacincia, carinho e

apoio incondicional;

e minha co-orientadora, Dra. Silvana De Nardin. Somente Deus para retribuir toda

a fora, pacincia e compreenso durante esses trs anos. Sem a sua colaborao

este trabalho no teria acontecido. Muito obrigado, que Deus a abenoe.

Sumrio

Lista de figuras .......................................................................................................... i

Lista de tabelas ......................................................................................................... vi

Resumo....................................................................................................................... vii

Abstract....................................................................................................................... viii

CAPTULO 1: Introduo .......................................................................................... 1

1.1- Consideraes iniciais ......................................................................................... 11.2- Os pilares mistos ................................................................................................. 2

1.2.1- Classificao das sees .......................................................................... 21.2.2- Propriedades principais ............................................................................. 4

1.3- Objetivo ................................................................................................................ 51.4- Justificativa .......................................................................................................... 51.5- Metodologia ......................................................................................................... 8

CAPTULO 2: Princpios tericos da aderncia ..................................................... 9

2.1- Consideraes iniciais ......................................................................................... 92.2- A aderncia no concreto armado ......................................................................... 9

2.2.1- Modos de runa .......................................................................................... 102.2.2- Mecanismos de resistncia da aderncia .................................................. 12

2.3- A aderncia nos pilares mistos preenchidos ....................................................... 152.3.1- Adeso ....................................................................................................... 15

2.3.2- Aderncia mecnica .................................................................................. 162.3.3- Atrito ........................................................................................................... 17

2.4- Conectores de cisalhamento ............................................................................... 182.4.1- Os conectores tipo pino-com-cabea ........................................................ 18

2.4.1.1- Processo de soldagem ................................................................. 192.4.1.2- Resistncia nominal ..................................................................... 202.4.1.3- Transferncia de tenses nos CFTs ............................................ 21

2.4.2- Os conectores tipo shot-fired nail ............................................................ 222.5- Ao conjunta dos materiais ................................................................................ 22

2.5.1- Distribuio de foras ................................................................................ 242.5.2- Redistribuio de foras ............................................................................ 25

2.6- Consideraes acerca dos princpios tericos da aderncia................................ 27

CAPTULO 3: Estudos sobre a aderncia nos CFTS ............................................. 28

3.1- Aspectos gerais ............. 283.2- Virdi & Dowling (1980) ... 293.3- Cederwall & Engstron & Grauers (1990) 323.4- Hunaiti (1991) e Hunaiti et al. (1992) ................................................................... 343.5- Okamoto & Maeno (1988) .................................................................................... 353.6- Yoshioka (1992) ............ 353.7- Shakir Khalil (1993a) e Shakir Khalil (1993b) .................. 373.8- Kilpatrick & Rangan (1999) ... 433.9- Parsley & Yura & Jirsa (2000) ............. 453.10- Johansson & Gylltoft (2002) ............................................................................... 503.11- Giakoumelis & Lam (2004) ................................................................................ 543.12- Comentrios acreca das pesquisas ................................................................... 55

CAPTULO 4: Programa experimental ..................................................................... 58

4.1- Consideraes iniciais ......................................................................................... 584.2- Apresentao do programa de ensaios ............................................................... 59

4.2.1- Srie piloto ................................................................................................. 604.2.2- Srie 1 ........................................................................................................ 61

4.2.3- Srie 2 ....................................................................................................... 614.3- Construo dos tubos de ao .............................................................................. 644.4- Obteno das propriedades mecnicas do ao .................................................. 654.5- Instrumentao .................................................................................................... 674.6- Instrumentos e equipamentos empregados ........................................................ 694.7- Dosagem do concreto ......................................................................................... 71

4.7.1- Insumos para a dosagem do concreto ...................................................... 714.7.2- Consumo de insumos ................................................................................ 72

4.8- Moldagem, adensamento e cura do concreto ...................................................... 724.9- Procedimento de ensaio ...................................................................................... 74

CAPTULO 5: Apresentao e anlise dos resultados .......................................... 76

5.1- Introduo ............................................................................................................ 765.2- Propriedades mecnicas dos materiais ............................................................... 775.3- Anlise dos resultados da Srie Piloto ................................................................ 78

5.3.1- Escorregamento do concreto Srie Piloto .............................................. 785.3.2- Deformao axial nos materiais Srie Piloto .......................................... 795.3.3- Distribuio de foras Srie Piloto .......................................................... 835.3.4- Configuraes finais dos modelos Srie Piloto ....................................... 85

5.4- Anlise dos resultados da Srie 1 ....................................................................... 865.4.1- Escorregamento do concreto Srie 1 ..................................................... 875.4.2- Deformao axial nos materiais Srie 1 ................................................. 885.4.3- Distribuio de foras Srie 1 ................................................................. 915.4.4- Configuraes finais dos modelos Srie 1 .............................................. 93

5.5- Anlise dos resultados da Srie 2 ....................................................................... 945.5.1- Escorregamento do concreto Srie 2 ..................................................... 955.5.2- Deformao axial nos componentes Srie 2 .......................................... 965.5.3- Distribuio de foras Srie 2 ................................................................. 1015.5.4- Configurao final dos modelos Srie 2 ................................................. 103

5.6- Anlise comparativa entre as sries .................................................................... 1065.6.1- Valores de fora e escorregamentos correspondentes ............................. 1065.6.2- Escorregamento do concreto ..................................................................... 1075.6.3- Tenso de aderncia ................................................................................. 109

CAPTULO 6: Consideraes finais ........................................................................ 112

6.1- Concluso ............................................................................................................ 1126.2- Sugestes para novas pesquisas ........................................................................ 117

Referncias bibliogrficas .......................................................... 118

Bibliografia complementar ............................................... 123

APNDICE: Determinao da dosagem do concreto ............................................ 126

i

Lista de figuras

Figura 1.1: Exemplos de sees mistas ............................................................. 3Figura 1.2: Sees transversais de pilares mistos revestidos ............................ 3Figura 1.3: Exemplos de pilares mistos preenchidos ......................................... 4Figura 1.4: Exemplos da utilizao de pilares preenchidos

em sistemas estruturais de edifcios ................................................ 6

Figura 1.5: Esquema de aplicao de carregamento e regio de ligao viga-pilar misto preenchido ............................... 7

Figura 2.1:

Microfissurao do concreto em torno da barra em

decorrncia da mobilizao da aderncia

FUSCO (1995) ............................................................................... 11

Figura 2.2: Fendilhamento longitudinal do concreto FUSCO (1995) ............................................................................... 11

Figura 2.3: Curvas tenso de cisalhamento x escorregamento ......................... 12Figura 2.4: Aderncia por adeso de bloco sobre chapa

de ao - FUSCO (1995) ................................................................... 13

Figura 2.5: Aderncia por atrito - FUSCO (1995) ............................................... 13Figura 2.6: Aderncia mecnica - FUSCO (1995) .............................................. 14Figura 2.7: Acabamento superficial de fios e barras

lisas - REHM & ELIGEHAUSEN1 apud FUSCO(1995)

........................................................................................................... 14

Figura 2.8: Modelos idealizados de transferncia de cisalhamento na interface ao-concreto JOHANSSON (2003) .............................. 15

ii

Figura 2.9: Conector tipo pino com cabea QUEIROZ & PIMENTA & MATA (2001 ................................................................. 19

Figura 2.10: Mecanismos idealizados de transferncia de cisalha- -mento por meio de conectores JOHANSSON (2002) .................. 21

Figura 2.11: Exemplos de ligaes ...................................................................... 23Figura 2.12: Componentes das aes de clculo e

propriedades geomtricas para o clculo da tenso de

cisalhamento - JOHANSSON (2003) ............................................... 26

Figura 3.1: Esquema de ensaio .......................................................................... 29Figura 3.2: Curvas Fora x Deslocamento, relativas ao topo,

um tero, dois teros e base do modelo VIRDI

& DOWLING (1980) .......................................................................... 30

Figura 3.3: Relao entre valores tericos e experimentais HUNAITI et al. (1992) ....................................................................... 35

Figura 3.4: Detalhes dos ensaios realizados por YOSHIOKA (1992) ................ 36Figura 3.5: Comportamento Fora x Deslocamento lateral para

os pilares R3S e F3S YOSHIOKA (1992) ..................................... 36

Figura 3.6: Detalhe dos modelos da Srie X SHAKIR-KHALIL (1993a) ................................................................. 37

Figura 3.7: Curvas Foras x Deslocamentos, dos modelos da Srie X SHAKIR-KHALIL (1993a) ............................................... 38

Figura 3.8: Modelos das Sries C e D SHAKIR-KHALIL (1993b) ................. 40Figura 3.9: Modelos das Sries G e H SHAKIR-KHALIL (1993b) ................. 41Figura 3.10: Detalhe dos danos causados s chapas de

ligao, modelos D1a e D1b

SHAKIR-KHALIL (1993b) ................................................................. 41

Figura 3.11: Esquema de furao para a introduo dos parafusos e efetivao da condio de aderncia mxima

KILPATRICK & RANGAN (1999) .................................................. 44

Figura 3.12: Dispositivo especial para permitir a aplicao de fora excntrica ........................................................................... 45

iii

Figura 3.13: Detalhe de modelos com seo quadrada, com b = 203 mm, com e sem a regio da ligao

PARSLEY & YURA & JIRSA (2000) ................................................ 46

Figura 3.14: Curvas Fora x Deslocamento, b = 203 mm, sem a regio da ligao PARSLEY &

YURA & JIRSA (2000) ..................................................................... 47

Figura 3.15: Curva %P x Comprimento dos modelos, b = 203 mm, sem a regio da ligao PARSLEY &

YURA & JIRSA (2000) ..................................................................... 48

Figura 3.16: Diferentes tipos de aplicao de ao ............................................. 51Figura 3.17: Esquema das tenses atuantes no tubo de ao e

no concreto de preenchimento para diferentes

modos de aplicao de fora JOHANSSON &

GYLLTOFT (2002) ............................................................................ 53

Figura 4.1: Detalhe dos modelos ensaiados na Srie Piloto

medidas em mm ........................................................................... 61

Figura 4.2: Detalhe dos modelos ensaiados na Srie 1 medidas em mm ........................................................................... 62

Figura 4.3: Esquema de ensaio adotado na Srie 2 .......................................... 63Figura 4.4: Ilustrao em perspectiva da montagem dos

modelos da Srie 2 .......................................................................... 63

Figura 4.5: Detalhe de alguns elementos da ligao e da seo transversal dos pilares ..................................................................... 64

Figura 4.6: Desenhos esquemticos do perfil longitudinal e sees transversais dos pilares Srie Piloto ............................................. 65

Figura 4.7: Detalhe do perfil longitudinal e sees transversais dos pilares ........................................................................................ 66

Figura 4.8 : Dimenses de corpo-de-prova para ensaio trao segundo ASTM A370:1992 .............................................................. 66

Figura 4.9: Ilustraes do processo de obteno das propriedades mecnicas do ao ...................................................... 67

iv

Figura 4.10: Posicionamento dos extensmetros nas sees transversais e longitudinais Sries Piloto e 2 ................................ 68

Figura 4.11: Posicionamento dos extensmetros nas sees transversais e longitudinais

dos modelos Srie 1 ...................................................................... 68

Figura 4.12: Mquina INSTRON e esquema de ensaio da Srie 2 ...................... 69Figura 4.13: Concretagem, adensamento e acabamento da

superfcie de concreto dos modelos ................................................. 70

Figura 4.14: Ilustraes das etapas realizadas nos ensaios de arrancamento .............................................................................. 73

Figura 5.1:

Comportamento fora x escorregamento Srie Piloto .................. 79

Figura 5.2: Comportamento de deformaes axiais nos elementos de ao e de concreto Srie Piloto .......................... 80

Figura 5.3: Distribuio de foras ao longo do comprimento do modelo Srie Piloto ............................................ 82

Figura 5.4: Configurao final dos modelos ensaiados na Srie Piloto .................................................................................. 84

Figura 5.5: Comportamento fora x escorregamento Srie 1 ......................... 86Figura 5.6: Comportamento de deformaes axiais

nos elementos de ao e de concreto Srie 1 ................................ 87

Figura 5.7: Distribuio de foras ao longo do comprimento do modelo Srie 1 ................................................... 89

Figura 5.8: Distribuio de foras ao longo do comprimento do modelo (Dados originais) Srie 1 ....................... 91

Figura 5.9: Configurao final dos modelos ensaiados na Srie 1 .................... 93Figura 5.10: Esquema de ensaio e de instrumentao

adotados na Srie 2 ......................................................................... 94

Figura 5.11: Comportamento fora x escorregamento Srie 2 ......................... 95Figura 5.12: Comportamento de deformaes axiais nos

elementos de ao e de concreto Srie 2 ....................................... 97

Figura 5.13: Comportamento de deformaes axiais nas barras rosqueadas da ligao Srie 2 ........................................... 96

v

Figura 5.14: Distribuio de foras ao longo do comprimento do modelo Srie 2 ................................................... 99

Figura 5.15: Configurao final dos modelos ensaiados na Srie 2 .................... 100Figura 5.16: Comportamento fora x deslocamento

relativo chapa/tubo de ao ............................................................... 102

Figura 5.17: Comportamento fora x escorregamento Todas as sries ........... 104Figura A.1: Curva de Abrams do cimento CP-V

ARI PLUS HOLCIM / CIMINAS ..................................................... 131

Figura A.2: Diagrama de dosagem Trao unitrio x Relao gua/cimento ...................................................................... 131

Figura A.3: Diagrama de dosagem Resistncia compresso x Relao gua/cimento .............................................. 134

Figura A.4: Diagrama de dosagem Trao unitrio x Relao gua/cimento ...................................................................... 135

Figura A.5: Diagrama de dosagem Trao unitrio x Consumo de cimento ....................................................................... 135

vi

Lista de tabelas

Tabela 1 Principais propriedades dos pilares mistos preenchidos ................ 4Tabela 2.1 Dimenses e tolerncias de conectores de

Cisalhamento usuais AWS D1.1:2000 apud QUEIROZ &

PIMENTA & MATA (2001) .............................................................. 19

Tabela 2.2 Espessuras mnimas de chapas de ao para asolda por arco eltrico do conector ....................................... 20

Tabela 3.1 Capacidade resistente dos pilares CEDERWALL &

ENGSTRON & GRAUERS (1990) .................................................. 33

Tabela 3.2 Programa de ensaios em sees mistas Preenchidas JOHANSSON & GYLLTOFT (2002) ....................... 51

Tabela 4.1 Nomenclatura dos modelos e legenda ........................................... 60Tabela 4.2 Propriedades dos modelos das sries de ensaios ......................... 60Tabela 4.3 Instrumentos de medio utilizados nos ensaios ........................... 69Tabela 4.4 Consumo de insumos um metro cbico de concreto ................... 72

Tabela 5.1 Propriedades dos modelos ensaiados ............................................ 76Tabela 5.2 Propriedades mecnicas dos materiais .......................................... 78Tabela 5.3 Valores de fora mxima e

escorregamentos correspondentes ................................................ 107

vii

Tabela A.1 Composio granulomtrica do agregado mido segundo a NBR 7217:1987 ............................................................. 127

Tabela A.2 Composio granulomtrica do agregado grado, segundo a NBR 7217:1987 ............................................................. 127

Tabela A.3 Parmetros preliminares do concreto a ser dosado ....................... 130Tabela A.4 Resumo dos dados obtidos no estudo experimental ...................... 133Tabela A.5 Trao individual definitivo e consumo

dos materiais constituintes da mistura ............................................ 136

RESUMO

SILVA, R. D. (2006). Estudo da aderncia ao-concreto em pilares mistos

preenchidos. So Carlos. Dissertao (Mestrado). Escola de Engenharia de So

Carlos, Universidade de So Paulo.

Este trabalho aborda o estudo da aderncia ao-concreto em pilares mistos

preenchidos atravs de reviso bibliogrfica e de investigao experimental. De

modo esquemtico, a aderncia dividida em trs parcelas: adeso, aderncia

mecnica e atrito, que em conjunto compem a aderncia natural. Adicionalmente,

podem ser empregados conectores de cisalhamento, que so dispositivos

mecnicos fixados nas superfcies internas dos tubos, como meio de ampliar a

resistncia ao escorregamento. Foram realizados ensaios de arrancamento em

alguns tipos de modelos de pilar preenchido: modelos simples, com adio de

conectores tipo pino com cabea, com cantoneiras na interface ao-concreto e

semelhantes aos anteriores mais elementos de ligao. Com os resultados obtidos

traaram-se comportamentos fora x escorregamento do concreto, fora x

deformaes axiais nos materiais e curvas de distribuio de fora ao longo do

comprimento dos modelos. Concluiu-se que conectores tipo pino com cabea e

cantoneiras so uma excelente alternativa como dispositivos auxiliares na

transferncia de tenses de cisalhamento na interface ao-concreto. Entretanto,

necessrio garantir resistncia ligao para que esses mecanismos sejam

mobilizados.

Palavras-chave: aderncia, cisalhamento, pilares mistos preenchidos, estrutura mista, investigao experimental, escorregamento.

ABSTRACT

SILVA, R. D. (2006). A study on the steel-concrete bond in concrete filled steel

tubular columns. Master dissertation, 2006. So Carlos Engineering School, So

Paulo University.

This research presents a study about the influence of bond on concrete-filled steel

tubes by means of a bibliography review and an experimental investigation. The

bond strength counts on three mechanisms: adhesion of the concrete to the steel

surface, friction and wedging of the concrete core. In order to improve the shear

resistance of the steel-concrete interface, shear connectors can be used. A series of

push-out tests of rectangular concrete-filled steel tubes was conducted in specimens

without mechanical shear connectors, specimens with stud-bolt shear connectors,

and specimens with angles. They were also tested the corresponding beam-column

connections. The results are shown in curves force x slip of concrete, force x axial

deformation of materials and distribution of axial load to the steel and to the concrete.

The results of the tests permitted to identify the mechanisms of natural bond and

indicated that the stud bolts and the angles are excellent alternatives as auxiliary

mechanisms to transfer shear between concrete and steel in the concrete filled

composite columns. However, it is necessary to guarantee the connection enough

strength in order to permit these resistance be developed.

Keywords: bond, shear forces, concrete filled steel tubes, composite construction, push-out tests, slip.

CAPTULO 1

Introduo

1.1- Consideraes iniciais

Ao longo da a histria, o homem tem explorado diversas concepes estruturais, sempre em funo da cultura, dos padres arquitetnicos vigentes, dos aspectos financeiros e das limitaes tcnicas existentes. Diversos so os materiais e infinitas so as combinaes entre eles, porm, a associao entre o ao e o concreto para formar peas estruturais resistentes aos diferentes tipos de esforos, mostrou ser a soluo mais vivel, no somente pelo aspecto econmico e tcnico como tambm pela disponibilidade dos materiais.

A associao entre o ao e o concreto em vigas, pilares e lajes tem ocorrido em maior escala nas estruturas de concreto armado. Nestas, os elementos so compostos por concreto de qualidade estrutural e as barras de armadura adequadamente dimensionadas e detalhadas so inseridas no concreto simples. Nos elementos de concreto armado, admite-se a interao completa entre os dois materiais para que ocorra a integral transferncia dos esforos e a compatibilidade de deformaes.

As ltimas trs dcadas tm presenciado a adoo de uma nova alternativa para a associao ao-concreto nas edificaes. So as estruturas mistas ao-concreto, que se diferenciam das estruturas de concreto armado usuais pela maneira como se apresenta o ao estrutural.

Nos elementos mistos, o ao empregado na forma de perfis laminados, soldados ou formados a frio. Estes perfis trabalham em conjunto com o concreto, simples ou armado, formando as vigas, os pilares e as lajes mistas. Neste trabalho

2

so abordados os pilares mistos, particularmente os preenchidos, cujas propriedades e classificao so apresentadas nas prximas sees.

1.2- Os pilares mistos

1.2.1- Classificao das sees Ao elemento vertical sujeito a foras predominantes de compresso,

formado pela unio de um ou mais perfis estruturais de ao preenchidos ou revestidos por concreto estrutural, d-se o nome de pilar misto ao-concreto. A diferenciao entre um e outro tipo de pilar misto se d em funo da posio que o concreto ocupa na seo.

Quando o concreto reveste parcial ou totalmente os perfis metlicos, tm-se os pilares mistos revestidos. Aos elementos em que o concreto preenche o ncleo dos tubos de ao d-se a designao de pilares mistos preenchidos. Alm desses dois tipos principais, destacam-se ainda os pilares tipo battened e os parcialmente revestidos.

Os pilares tipo battened so elementos formados por dois perfis tipo U, unidos entre si por meio de pequenas talas e preenchidos com concreto. Foram investigados por HUNAITI et al. (1992) por facilitarem a instrumentao do concreto, mas no tm tido aplicao prtica corrente. J nas sees parcialmente revestidas no ocorre o envolvimento completo da seo de ao pelo concreto. A Figura 1.1 mostra esses dois tipos de pilares mistos.

A criao dos pilares mistos revestidos foi uma soluo simples e pouco onerosa de amenizar a ao nociva do fogo e da corroso atuantes nesses elementos em edifcios. Apresentam duas vantagens principais: o fato de o concreto contribuir para o aumento da capacidade resistente do pilar, minimizando os fenmenos de flambagem local e global, e por proporcionarem grande variabilidade de formatos de seo transversal final.

3

0,6m

0,6m

0,6m 2

,0m

xx

100 mm16

0 m

m

60 m

m

y

y

seo U 100 x 50 x 7,5

a) Pilar tipo battened b) Pilar misto parcialmente revestido

Figura 1.1: Exemplos de sees mistas

Como possveis inconvenientes, os pilares revestidos carecem de frmas durante a concretagem e maior ateno para posicionar e fixar os perfis e barras de armaduras. Estas barras so empregadas para evitar o surgimento de fendilhamento na capa de concreto e so dispostas prximas s extremidades da seo transversal. A Figura 1.2 ilustra as sees de pilares mistos revestidos usualmente empregadas.

Figura 1.2: Sees transversais de pilares mistos revestidos

Nos pilares mistos preenchidos, o concreto de preenchimento tem a funo de aumentar a rigidez e a resistncia do pilar, em comparao aos pilares formados apenas por perfis metlicos. Exemplos de sees mistas preenchidas podem ser vistas na Figura 1.3.

4

Figura 1.3: Exemplos de pilares mistos preenchidos

1.2.2- Propriedades principais As diversas propriedades associadas ao emprego dos pilares preenchidos

so responsveis pela sua crescente utilizao na composio de sistemas estruturais de edifcios residenciais e comerciais. Algumas dessas propriedades so apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1 Principais propriedades dos pilares mistos preenchidos

Em relao ao concreto armado Em relao ao ao

Dispensa frmas e escoramentos;

Reduo de peso; Aumento da preciso

dimensional; Maior industrializao da

construo com conseqente reduo de custos de mo-de-obra.

Aumento da resistncia ao fogo e corroso;

Reduo substancial do consumo de ao estrutural;

Melhoria geral do desempenho estrutural do elemento e da estrutura como um todo.

Uma das principais vantagens da utilizao de pilares preenchidos a reduo do desperdcio de materiais, fundamental para a reduo do custo final da edificao e, de maneira direta, para a racionalizao da construo civil. Decorrente da sua composio, o pilar preenchido representa alm de uma opo estrutural, uma opo construtiva e, em funo disso, o processo construtivo deve ser planejado com cuidado a fim de que se usufrua de todos os benefcios construtivos intrnsecos sua utilizao.

Ainda em relao ao processo construtivo, o tubo de ao atua como seo resistente parcial durante o lanamento e bombeamento do concreto, at que se

5

atinja a resistncia adequada do concreto para compor a seo resistente mista final.

A grande capacidade de absorver energia confere aos pilares mistos preenchidos papel importante na resistncia s aes ssmicas. Nesse contexto, esses elementos tm sido empregados nos pases do continente asitico. UY & PATIL (1996) ressaltam que a alta resistncia e o baixo custo do pilar misto so fatores que se completam, contribuindo para um melhor comportamento diante das aes ssmicas em edifcios de mltiplos andares.

1.3- Objetivo

Este trabalho tem como objetivo principal avaliar os efeitos da aderncia ao-concreto no comportamento dos pilares mistos preenchidos. Para isso, foi estudada a influncia da aderncia no mecanismo de transferncia de tenses de cisalhamento entre o ncleo de concreto e o perfil tubular que o envolve.

Como objetivos especficos deste estudo podem ser citados: Estudar a importncia da aderncia nas ligaes viga-pilar preenchido; Analisar as diferenas nos valores de capacidade resistente, decorrentes da

utilizao de conectores de cisalhamento tipo stud bolts e cantoneiras, como dispositivos auxiliares na transferncia de tenses do concreto para o ao;

Investigar os diversos componentes do mecanismo de transferncia de tenses de cisalhamento na interface ao-concreto.

1.4- Justificativa

A utilizao de pilares mistos preenchidos na composio de sistemas estruturais apresentou crescimento significativo nas ltimas dcadas. Tal crescimento justificado por vantagens econmicas, construtivas e estruturais inerentes a estes elementos. Exemplos da presena de pilares preenchidos na composio do sistema estrutural de edifcios so mostrados na Figura 1.4.

Estes exemplos esto presentes em diversos continentes e demonstram que as propriedades favorveis dos pilares preenchidos so fato j comprovado pelo meio tcnico. No Brasil, provavelmente j tenham sido utilizados pilares preenchidos

6

na composio de sistemas estruturais de alguns edifcios, entretanto, o acesso a tais informaes difcil e fica restrito regio em que tais elementos estruturais foram utilizados. Contudo, h diversos edifcios construdos no Brasil em que foram utilizados sistemas estruturais mistos, compostos por vigas, lajes e pilares mistos, mas estes so do tipo revestido ou parcialmente revestido.

Os aspectos econmicos e de desenvolvimento inerentes aos pilares preenchidos justificam investimentos em pesquisas de ponta, que se propem a disseminar importantes fatores do comportamento estrutural, como o caso desse trabalho.

a) Ed. Casselden Place: Melbourne-

Austrlia. Pilares de seo circular1

b) Ed. Forrest Centre: localizado em Perth

Austrlia 2

c) Ed. Two Union Square: Washington-

EUA 3

d) Ed. Commerzbank: Frankfurt-Alemanha.

Pilares de seo triangular 4

Figura 1.4: Exemplos da utilizao de pilares preenchidos em sistemas estruturais de edifcios

Estudos com pilares preenchidos vm sendo realizados desde 1995 no Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de So Carlos - USP. Dentre eles destaca-se um estudo terico-experimental em pilares curtos, de seo quadrada, retangular e circular, preenchidos com concreto de alta resistncia e submetidos compresso axial DE NARDIN (1999).

Posteriormente, pilares com geometria e materiais semelhantes foram investigados flexo-compresso em DE NARDIN (2003). Este estudo consistiu em investigao experimental com pilares mistos preenchidos, sendo que a influncia da aderncia ao-concreto no comportamento do pilar e na sua capacidade resistente

1 Council on tall buildings and urban habitat. Committee 3, p. 128, 1985.

2 Council on tall buildings and urban habitat. Committee 3, p. 357, 1985.

3 Commercial design (1998). http://www.nbbj.com/SEAPRO~3.HTM (06/06/1998).

4 The highest office building in Europe (1998). http://www.hebel.com/commerzb.htm (06/06/1998).

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foi investigada. Na tentativa de reduzir ao mnimo possvel a aderncia ao-concreto, as superfcies internas de alguns tubos foram revestidas com desmoldante, semelhante quele utilizado para impedir a aderncia de peas de concreto armado frma metlica.

Alguns problemas ocorridos durante a concretagem dos modelos acarretaram o comprometimento dos resultados e apontaram para a necessidade de investigar mais detalhadamente a questo da aderncia entre o ncleo de concreto e o perfil tubular, sobretudo nas situaes em que a ao aplicada apenas em um dos materiais que compe a seo preenchida.

Em DE NARDIN (2003), foram desenvolvidas anlises experimental e numrica de ligaes viga de ao-pilar misto preenchido. Nestas anlises, foram investigados os mecanismos de transferncia de tenses entre a viga e o pilar, mediante a aplicao de fora constante em toda a seo mista do pilar, e de foras verticais variveis nas extremidades das vigas Figura 1.5. O esforo predominante na ligao para este neste mtodo de aplicao de fora foi o momento fletor.

Figura 1.5: Esquema de aplicao de carregamento e regio de ligao viga-pilar misto preenchido DE NARDIN (2003)

Baseando-se na Tipologia 1 empregada em DE NARDIN (2003), pretende-se dar nova abordagem ao problema, mediante a aplicao de fora apenas no concreto de preenchimento do perfil tubular, com reao nas vigas ligadas ao pilar por meio de chapas de extremidade e parafusos passantes.

Com esse esquema de aplicao de foras, predominam as tenses de cisalhamento e, portanto, permite-se avaliar a influncia da aderncia ao-concreto tambm na regio de ligao.

Alm desses aspectos, a reviso bibliogrfica inicial revelou a necessidade de mais estudos relativos aderncia na transferncia de tenses entre os materiais

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componentes das sees. Este fato se comprova diante da escassez de trabalhos abordando este tema e dos resultados, ainda inconclusivos, apresentados pelos seus autores.

Dentro deste contexto, o presente trabalho se prope a investigar os mecanismos de transferncia de tenses concreto-tubo de ao em sees mistas preenchidas, buscando quantificar em ensaios a parcela de tenses transferida do concreto ao tubo de ao, usando-se para tal conectores de cisalhamento tipo pino com cabea e cantoneiras.

1.5- Metodologia

A fim de atingir os objetivos propostos, adotou-se a seguinte metodologia de investigao:

Reviso bibliogrfica realizada com o objetivo de compreender melhor o fenmeno da aderncia e da transferncia de foras ao-concreto e coletar estudos j realizados e relacionados com o tema: pilares mistos preenchidos e estudo da aderncia;

Investigao experimental visando obter dados do comportamento da interface ao-concreto e do mecanismo de transferncia de tenses de cisalhamento, aplicado regio de ligao viga-pilar. A investigao experimental foi dividida em trs etapas, a saber:

a) Srie Piloto para avaliar a instrumentao e o esquema de ensaio adotado;

b) Srie 1 - ensaios em pilares utilizando conectores de cisalhamento tipo stud bolts e cantoneiras;

c) Srie 2 - ensaios em pilares utilizando conectores de cisalhamento tipo stud bolts e cantoneiras. Nesta srie adotou-se esquema de ligao como meio de reao.

Anlise de resultados obtidos no programa experimental e comparao desses com os apresentados nos estudos presentes na literatura. Com base nas anlises e estudos comparativos desenvolvidos neste item, sero elaboradas as concluses possveis e pertinentes ao assunto em questo e sero propostos trabalhos futuros.

CAPTULO 2

Princpios tericos da aderncia

2.1- Consideraes iniciais

O presente captulo compreende uma introduo terica aderncia ao-concreto em estruturas. Primeiramente, feita uma abordagem geral sobre a aderncia nas estruturas de concreto armado, apresentando os modos de runa freqentes e os mecanismos de transferncia de tenses entre o concreto e as barras de armadura.

Em seguida, trata-se da aderncia ao-concreto nas estruturas mistas, particularmente nos pilares mistos preenchidos. So apresentados os meios de transferncia de tenses de cisalhamento entre o perfil tubular e o concreto de preenchimento e como se consolida a ao conjunta dos materiais constituintes das sees mistas.

2.2- A aderncia no concreto armado

Nas estruturas de concreto armado, a aderncia entre as barras da armadura e o concreto um fator determinante no comportamento estrutural dos elementos. Esta propriedade a responsvel pela transferncia de tenses e pela compatibilidade de deformaes entre os materiais, que caracteriza o concreto armado e o define como material de construo.

Os elementos estruturais em concreto armado so solicitados simultaneamente compresso e trao. Nas regies comprimidas, o concreto e o

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ao apresentam as mesmas deformaes. J nas regies onde predominam as tenses de trao, a aderncia impede o deslocamento relativo entre as barras da armadura e o concreto circunvizinho. Resumindo: o concreto armado existe somente se ocorrer a interao entre os materiais.

Segundo LEONHARDT & MNNIG (1977), a aderncia em peas de concreto armado surge sempre que houver variao de tenses em determinado trecho de barras de ao. As principais causas dessas variaes de tenses so: aes externas, fissuras, foras de ancoragem nas extremidades das barras, variaes de temperatura, retrao do concreto e deformao lenta.

A aderncia permite a absoro das tenses de trao pelas barras da armadura e a ligao entre essas e o concreto controla as aberturas das fissuras. Conseqentemente, quanto maior a aderncia, maior a possibilidade de ocorrncia de fissuras com menor abertura individual, o que melhora as condies de proteo da armadura.

2.2.1- Modos de runa Os principais modos de falha da aderncia so a runa por arrancamento ou

por fendilhamento. No primeiro caso, a perda da aderncia se d, principalmente, em decorrncia do corte do concreto entre as nervuras das barras de armadura, propiciando o arrancamento da barra. Esse tipo de runa est intimamente relacionado resistncia do concreto e ao tipo e geometria das nervuras das barras.

FUSCO (1995) salienta que a ruptura da aderncia no se d por simples deslizamento da barra de ao dentro do concreto, visto que os esforos mobilizados pela aderncia criam no concreto uma regio microfissurada no entorno das barras - Figura 2.1.

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Figura 2.1: Microfissurao do concreto em torno da barra em decorrncia da mobilizao da aderncia FUSCO (1995)

O segundo modo de runa ocorre quando as foras de trao causam fendilhamento longitudinal do concreto circunvizinho barra, que tende a se propagar em direo s bordas. A capacidade de aderncia exaure-se logo que a fissurao radial atinge a superfcie externa do elemento estrutural e rompe o cobrimento de concreto - Figura 2.2. A ruptura por fendilhamento brusca e, normalmente, ocorre sem aviso prvio, manifestando-se em situaes onde a armadura no esteja confinada.

Plano de fendilhamento Resistncia trao do concreto

Mxima tenso circunferencial de trao

Figura 2.2: Fendilhamento longitudinal do concreto FUSCO (1995)

Vale lembrar que somente em ensaios experimentais, representando curtos comprimentos de ancoragem ou de emenda por traspasse, possvel estudar, separadamente, esses dois modos de falha, porque em estruturas reais provvel que ocorra fendilhamento em maior ou menor intensidade. Nos casos de arrancamento, freqentemente pode-se observar um fendilhamento parcial, embora pequenas e delgadas fissuras radiais prejudiquem a eficincia da aderncia.

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2.2.2- Mecanismos de resistncia da aderncia Com o objetivo de melhor entender o fenmeno da aderncia, faz-se uma

separao esquemtica dos seus mecanismos resistentes. As trs parcelas so: aderncia por adeso, por atrito e aderncia mecnica. A separao entre estas trs parcelas na prtica muito difcil, porm, alguns autores procuram caracteriz-las por meio de curvas tenso de cisalhamento x deslocamento relativo, como ilustrado na Figura 2.3.

s21 ss u

0

1

2

u

Escorregamento

Tenso

s lim

lim

Figura 2.3: Curvas tenso de cisalhamento x escorregamento

De modo geral, a variao inicial muito inclinada da curva corresponde aderncia por adeso; o trecho inclinado est relacionado aderncia mecnica e o trecho plano, tpico de barras lisas, se refere aderncia por atrito. Se a curva for horizontal ou descendente, a aderncia foi destruda e a barra desliza com resistncia ao atrito insuficiente.

A adeso a aderncia qumica que surge durante as reaes de pega do cimento, em decorrncia das ligaes fsico-qumicas na interface ao-concreto. Essa parcela tambm depende da rugosidade e da limpeza da superfcie das armaduras. Pode ser constatada pela resistncia de adeso, Rb1, que se ope separao de um bloco concretado diretamente sobre uma chapa de ao, conforme ilustra a Figura 2.4. A adeso destruda logo que ocorrem os primeiros deslocamentos relativos entre os materiais, ainda que pequenos.

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Rb1

Rb1

Ao

Concreto

Figura 2.4: Aderncia por adeso de bloco sobre chapa de ao

O atrito se manifesta quando h a tendncia de deslocamento relativo entre os dois materiais. Essa parcela depende do coeficiente de atrito entre o ao e o concreto, que segundo LEONHARDT & MNNIG (1977) varia entre 0,3 e 0,6. A contribuio do atrito na tenso de aderncia s tem importncia nas barras lisas.

A aderncia por atrito identificada pela presso transversal, pt, decorrente da retrao. A barra de ao que restringe as deformaes do concreto faz surgir essa presso transversal que exercida pelo concreto na barra. Outros fatores podem ser citados como de grande relevncia para o aumento da capacidade de aderncia por atrito. A presena de confinamento e de compresso transversal externa, usualmente encontrada nos apoios diretos das vigas, aumentam essa parcela de aderncia.

A parcela relativa ao atrito pode ser verificada por ensaios de arrancamento, conforme apresentado na Figura 2.5. Neste caso existe tambm uma parcela de aderncia por adeso, que segundo FUSCO (1995), pode ser considerada como acrscimo na resistncia de aderncia, pois a fora de arrancamento, Rb2, consideravelmente superior aos limites que podem ser previstos a partir da resistncia Rb1.

Figura 2.5: Aderncia por atrito - FUSCO (1995)

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As salincias presentes na superfcie da barra, que funcionam como peas de apoio, so as responsveis pela parcela de aderncia mecnica. Quando a barra tracionada e tende a deslizar, so mobilizadas tenses de compresso que surgem perpendicularmente s salincias, como pode ser visto na Figura 2.6.

Figura 2.6: Aderncia mecnica - FUSCO (1995)

Nas barras nervuradas, a aderncia mecnica a principal responsvel pela solidariedade das barras ao concreto. O valor da resistncia de aderncia mecnica dessas barras depende da forma e da inclinao das nervuras, da altura e da distncia livre entre elas.

Nas barras lisas, existe o efeito da aderncia mecnica, em virtude das irregularidades superficiais inerentes ao processo de laminao, conforme constatado pela investigao realizada por REHM & ELIGEHAUSEN1 apud FUSCO (1995), apresentada na Figura 2.7.

Figura 2.7: Acabamento superficial de fios e barras lisas - REHM & ELIGEHAUSEN1 apud FUSCO(1995)

1 REHM, G.; ELIGEHAUSEN, R. (1973). Einfluss von dauerlast und ermdungsbeanspruchung auf das

rissverhalten von stahlbetonbauteilen unter ubernoiegender biege beanspruchung. CEB, Bulletin dInformation n.89 apud FUSCO (1995).

15

2.3- A aderncia nos pilares mistos preenchidos

O modo pelo qual se d a transferncia de cisalhamento na interface ao-concreto em pilares mistos preenchidos usualmente investigada atravs de comportamento fora x escorregamento. Aps anlises das formas das curvas, os pesquisadores identificaram trs mecanismos de transferncia distintos, denotados por: adeso, aderncia mecnica e atrito, que em conjunto compem a aderncia natural. Adicionalmente, podem ser empregados conectores de cisalhamento, que so dispositivos mecnicos dispostos nas superfcies internas dos tubos, como meio de ampliar a resistncia ao escorregamento.

A adeso uma parcela desprezvel quando comparada com as demais e pode ser considerada separadamente, pois tanto o atrito quanto a aderncia mecnica esto intimamente ligadas e dependem das propriedades mecnicas da interface ao-concreto. Por representarem fenmenos semelhantes, as tenses provenientes desses dois ltimos mecanismos podem ser somadas no clculo da tenso de aderncia. A Figura 2.8 ilustra o comportamento existente na interface, decorrente dos mecanismos de transferncia de cisalhamento.

a) Adeso b) Aderncia mecnica c) Atrito

Figura 2.8: Modelos idealizados de transferncia de cisalhamento na interface ao-concreto JOHANSSON (2003)

2.3.1- Adeso A adeso, ou aderncia qumica entre o concreto e o tubo de ao (Figura

2.8a) est relacionada ao primeiro trecho da curva fora x escorregamento. considerado um mecanismo elasto-frgil que se manifesta nos estgios iniciais do carregamento, quando os deslocamentos ainda so pequenos e as tenses atingem valores mximos equivalentes a 0,1 MPa. Segundo KENNEDY (1984), a contribuio decorrente da adeso em pilares preenchidos pode ser desprezada

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desde que a tenso de aderncia devida adeso no corresponda a deslocamentos superiores a 0,1 mm.

Dentre os fatores que influenciam a intensidade da adeso ao-concreto, a retrao do concreto que preenche o ncleo o predominante. De acordo com ROEDER et al. (1999), a ocorrncia da adeso est relacionada combinao entre a retrao e o deslocamento radial do tubo, sendo este uma funo da presso exercida pelo concreto fresco no momento de seu lanamento no interior do tubo. Para que a adeso atue de modo integral, a presso deve ser exercida at que a retrao se complete, sendo requeridas altas presses, o que em geral, no ocorre na prtica. Portanto, h o predomnio da retrao em detrimento da adeso.

2.3.2- Aderncia mecnica Segundo VIRDI & DOWLING (1980), a aderncia mecnica est relacionada

ao grau de rugosidade da superfcie interna do tubo e definido pelo termo micro-engrenamento. Esse mecanismo de transferncia resulta do engrenamento mecnico entre o concreto do ncleo e as irregularidades superficiais do do tubo de ao.

A parcela mecnica tem maior relevncia apenas enquanto as superfcies do ao e do concreto esto em contato; com o aumento da fora aplicada, h a tendncia ao deslocamento relativo entre os materiais. Por outro lado, como o tubo confina passivamente o concreto do ncleo, a separao entre as partes impedida e surgem, conseqentemente, tenses normais resistentes ao escorregamento Figura 2.8b. Conclui-se da que a aderncia mecnica pode ser considerada um mecanismo parcial de atrito.

A aderncia mecnica contribui para o trecho de rigidez inicial do comportamento fora x deslocamento, obtida dos ensaios de arrancamento. Ainda de acordo com VIRDI & DOWLING (1980):

a) A ruptura desse mecanismo ocorre quando o concreto da interface atinge uma deformao especfica de aproximadamente 0,0035 e

b) Superfcies internas mais rugosas acarretam maior engrenamento ao-concreto, concorrendo para tenses de cisalhamento mais elevadas.

Assim como no caso da adeso, a retrao tambm um fator adverso intensidade da aderncia mecnica. Todavia, a experincia tem mostrado que a propriedade que mais influencia a parcela mecnica o grau de adensamento do

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concreto. Desse modo, adensamentos bem efetuados conduzem a maior engrenamento ao-concreto, isto , a maiores valores de aderncia mecnica.

2.3.3- Atrito A transferncia de cisalhamento ao longo da interface tambm pode se dar

por atrito. Esta parcela depende da fora normal aplicada na interface e do coeficiente de atrito, . Este, por sua vez, est relacionado ao grau de rugosidade da superfcie de ao e condio da interface Figura 2.8c.

O coeficiente de atrito pode variar de zero, para superfcie interna revestida por leo lubrificante, a 0,60, em condies normais de utilizao. Alguns estudos tentaram revelar o valor mdio desse coeficiente. BALTAY & GJELSVIK (1990) desenvolveram ensaios para determinar o coeficiente de atrito entre o ao e o concreto para uma ampla faixa de tenses normais: de 7 kPa a 490 MPa . Obteve-se o valor mdio de 0,47. OLOFSSON & HOLMGREN (1992)2 apud JOHANSON (2002) chegaram a um valor mdio de 0,60. As variveis do estudo foram a fora normal, a rugosidade da superfcie e a velocidade de escorregamento.

As tenses normais podem advir de foras normais externas e ativas ou de restries ao deslocamento, que so causas passivas. As foras ativas ocasionam atrito ativo e as passivas, atrito passivo. Nos pilares mistos preenchidos, o atrito ativo pode ser causado pelas rotaes das ligaes que acarretam o efeito conhecido na literatura por pinching effect; o atrito passivo nos CFTs provm de irregularidades de forma do tubo de ao, denominadas macro-engrenamentos. Essas irregularidades decorrem das tolerncias de fabricao do dimetro interno do tubo.

Nos ensaios de arrancamento, o macro-engrenamento possibilita a manuteno de foras em nveis superiores aos picos de carregamentos associados aderncia mecnica. Essa reserva corresponde tenso de aderncia dada no Eurocode 4 :1994, que obtida baseando-se nos resultados de ensaios de arrancamento apresentados em ROIK et al (1994). No entanto, a parcela

2 Olofsson, U. and Holmgren, M. (1992). Anvndning av en servo-hydraulisk drag-vridningsmaskin fr

friktionsmtning mellan stl och betong vid lga glidhastigheter. (Using a Servo Hydraulic Tension-Torsion Machine for Measurement of Friction at Low Sliding Speed. In Swedish.) Swedish National Testing and Research Institute, Bors, Sweden.

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proveniente das foras normais externas ativas pode ser muito superior tenso de projeto, segundo JOHANSSON (2003).

Como citado em 2.3.2, a parcela de atrito relacionada aderncia mecnica pode ser classificada como atrito passivo, induzido por restries passivas. Apesar de a aderncia mecnica ser um fenmeno parcial de atrito, a literatura muitas vezes a trata como um mecanismo independente, pois essa atua em nveis de atrito baixos comparados aos devidos ao macro-engrenamento. Contudo, difcil e talvez desnecessria a separao de resistncia por atrito decorrente de micro-engrenamento e de macro-engrenamento.

2.4- Conectores de cisalhamento

Quando a aderncia natural no capaz de resistir s tenses de cisalhamento requeridas, faz-se uso dos conectores de cisalhamento. Existe uma grande variedade de conectores, com diferentes formas e dimenses, no entanto, nem todos so adequados ao uso em pilares preenchidos. Nessa seo so apresentados os conectores tipo pino-com-cabea e os shot-fired nails, os quais j foram estudados por outros pesquisadores.

2.4.1- Os conectores tipo pino-com-cabea Os conectores tipo pino-com-cabea, tambm denotados por stud bolts,

so bastante empregados como instrumento de transmisso de tenses de cisalhamento em vigas mistas e, em alguns casos, tambm em pilares mistos preenchidos. Estes dispositivos foram desenvolvidos na dcada de 40 pela Nelson Stud Welding e consistem de pinos especialmente projetados para atuarem como eletrodos de solda por arco eltrico e, ao mesmo tempo, aps a soldagem, como conectores de cisalhamento Figura 2.9. As suas cabeas so padronizadas para cada dimetro, conforme ilustra a Tabela 2.1.

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Figura 2.9: Conector tipo pino com cabea QUEIROZ & PIMENTA & MATA (2001)

Tabela 2.1 Dimenses e tolerncias de conectores de cisalhamento usuais AWS D1.1: 20003 apud QUEIROZ & PIMENTA & MATA (2001)

Dimetro ( C ) Tolerncias de comprimento

( L ) Dimetro da cabea do

conector ( H )

Altura mnima da cabea do conector ( T )

(pol) (mm) (mm) (mm) (mm) +0,00

5/8 15,9 -0,25

1,6 31,70,4 7,1

+0,00 3/4" 19,1

-0,38

1,6 31,70,4 9,5

+0,00 7/8 22,2

-0,38 1,6 34,90,4 9,5

T

L

H

C

O ao usado na fabricao dos pinos o ASTM A-08, graus 1010 e 1020, dimensionados para resistirem trao mnima de 415 MPa e limite de escoamento no inferior a 345 MPa.

2.4.1.1- Processo de soldagem A soldagem compreende os mesmos princpios e aspectos metalrgicos de

uma solda por arco eltrico convencional, no qual um arco eltrico controlado usado para fundir a extremidade do pino ou do eletrodo com o metal base, resultando em uma solda de excelente qualidade, mais resistente que o prprio pino - QUEIROZ & PIMENTA & MATA (2001). Este processo de soldagem tratado no Captulo 4 da norma americana AWS D1.1:2000.

H uma relao entre o dimetro do pino e a espessura da chapa onde ele ser soldado. A espessura da chapa, para que no ocorra danificao do material-base, no deve ser inferior quela dada na Tabela 2.2. No entanto, para que a

3 AMERICAN WELDING SOCIETY (2000). AWS D1.1:Structural Welding Code Steel. 17th Edition.

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resistncia do pino seja alcanada integralmente, essa espessura no deve ser inferior a 40% do dimetro do pino.

Tabela 2.2 Espessuras mnimas de chapas de ao para a solda por arco eltrico do conector - Nelson Stud Welding apud QUEIROZ & PIMENTA & MATA (2001)

Dimetro do conector Espessura mnima do material-base

(pol) (mm) (mm) 5/8 15,9 3,75

3/4" 19,1 4,75

7/8 22,2 6,30

2.4.1.2- Resistncia nominal A resistncia nominal ao cisalhamento dos conectores tipo pino-com-cabea

dada, de acordo com a NBR 8800:1986 e com o AISC-LRFD:1993, pelo menor dos dois valores:

cckcsn EfAR = 5,0 (2.1)

ucsn fAR = (2.2)

onde, fck = resistncia caracterstica do concreto compresso, no podendo ser tomado valor superior a 28 MPa (NBR 8800:1986) conectores dcteis; Acs = rea da seo transversal do conector; fu = limite de resistncia trao do ao do conector; Ec = mdulo de elasticidade do concreto.

O Eurocode 4:1992 traz expresses semelhantes para o clculo da resistncia nominal, mas com coeficientes mais conservadores 0,37 em vez de 0,5 na Eq. 2.1 e 0,8 no lugar de 1,0 na Eq. 2.2 e permite a utilizao de conectores no-dcteis, com relao comprimento/dimetro a partir de 3,0. J no AISC-LRFD:1993 no h limitao da resistncia caracterstica compresso do concreto; o conector considerado dctil se o seu comprimento aps a soldagem for igual ou superior a quatro vezes o seu dimetro.

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2.4.1.3- Transferncia de tenses nos CFTs Os conectores de cisalhamento tm a funo de impedir a separao entre

as superfcies, assim como se faz no caso das vigas mistas. Nos pilares preenchidos, porm, no existe a necessidade real desse tipo de elemento, visto que o perfil tubular envolve o concreto de preenchimento e, dessa forma, impede a separao.

As tenses de cisalhamento so transferidas por meio do efeito de pino que produz concentrao de tenses prximo regio de fixao dos conectores, no concreto que o envolve Figura 2.10a. Assim sendo, a resistncia compresso do concreto influencia o modo de ruptura. A mxima fora, caracterstica da ruptura da ligao conector-concreto pode ser atingida quando o concreto da vizinhana fissura; porm, em concretos de alta resistncia a concentrao de tenses pode levar ao deslizamento do conector em sua base. Em ambos os casos, so evidenciados comportamentos bastante dcteis em funo das deformaes plsticas tanto do concreto quanto do pino. A ruptura, no entanto, pode ocorrer repentinamente.

a) Tipo pino-com-cabea b) Shot fired nail

Figura 2.10: Mecanismos idealizados de transferncia de cisalhamento por meio de conectores JOHANSSON (2002)

2.4.2- Os conectores tipo shot-fired nail Os shot-fired nails so inseridos nos perfis metlicos por meio de furao -

processo flow-drilling - conforme descreve BECK (1999). Esse tipo de conector apresenta dimetro do fuste menor que o do tipo pino-com-cabea, e conseqentemente, so mais deformveis, o que torna o efeito de pino menos pronunciado; ao se deformarem, assumem a forma de gancho sem, no entanto, perderem a aderncia com o concreto, conforme ilustra a Figura 2.10b. Eles perdem

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o contato com o concreto que os envolve somente quando so arrancados aps sofrerem grandes deslocamentos e, em alguns casos, podem ter suas cabeas cortadas, conforme relatado em SHAKIR KHALIL (1993b).

Uma propriedade comum a qualquer tipo de conector a grande capacidade de se deformar, sendo susceptveis a deslocamentos maiores que os observados quando somente ocorrem os mecanismos de aderncia natural. Este fato pode limitar o seu emprego como dispositivo de transferncia de cisalhamento em pilares preenchidos, visto que esto presentes apenas pequenos deslocamentos. ROEDER et al. (1999) recomendam que a transferncia de cisalhamento seja efetuada de modo integral, atravs dos mecanismos de aderncia natural ou somente por meio de conectores.

2.5- Ao conjunta dos materiais

As vantagens obtidas pelo emprego dos pilares mistos preenchidos somente so alcanadas quando h a ocorrncia de transferncia integral de tenses entre o tubo de ao e o concreto do ncleo, de modo que a ao conjunta seja concretizada.

Esse fenmeno ainda mais indispensvel quando se preenche o tubo com concreto de alta resistncia, pois nesses elementos o concreto tende a absorver a maioria dos esforos, surgindo a necessidade de maior transferncia ao ao do tubo que o envolve.

Para que o carregamento proveniente das vigas, em edifcios de mltiplos andares, seja introduzido de modo correto nos pilares importante que as extremidades dos pilares simplesmente apoiados ou as ligaes entre as vigas e os pilares contnuos sejam devidamente detalhadas. Segundo KILPATRICK & RANGAN (1999) e JOHANSON (2001), no ocorrem grandes problemas quanto transferncia das tenses em pilares simplesmente apoiados, uma vez que as foras provenientes das vigas contnuas so transferidas aos pilares por meio de chapas de extremidade, conforme ilustrado na Figura 2.11a.

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Figura 2.11: Exemplos de ligaes: a) Pilares simplesmente apoiados com chapas de extremidade e b) Pilares contnuos com ligaes simples JOHANSSON (2003)

No caso dos pilares contnuos Figura 2.11b a compatibilidade de deformaes no facilmente atingida, pois as ligaes so geralmente efetuadas por meio de chapas soldadas s superfcies externas dos pilares, ficando a transferncia das tenses entre o tubo e o concreto sob a dependncia exclusiva da capacidade resistente ao cisalhamento da interface.

Segundo relata JOHANSSON (2003), apesar de existir um grande nmero de estudos que abordam a realizao de ensaios de arrancamento, so fornecidas informaes limitadas sobre o real comportamento da aderncia e, muitas vezes, os resultados dos ensaios no so capazes de expressar com fidelidade as reais condies de introduo das foras nos pilares. De modo geral, os mecanismos pelos quais as tenses so transferidas entre o ao e o concreto no so ainda bem entendidos. Na prxima seo introduz-se o modo pelo qual o Eurocode 4:1992 considera a distribuio de foras entre os materiais constituintes da seo mista dos pilares preenchidos.

2.5.1- Distribuio de foras O Eurocode 4:1992 define a ao conjunta ao-concreto como sendo a

compatibilidade de deformaes entre a seo de ao e o concreto do ncleo, ou seja, no deve ocorrer o deslocamento relativo entre os materiais. Isto equivale ao seguinte: foras internas e momentos atuantes sobre o pilar devem ser distribudos entre o concreto e o ao do perfil de acordo com as suas respostas s deformaes impostas.

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No estado limite ltimo, a distribuio de fora normal pode ser calculada a partir da resistncia plstica das partes da seo transversal. A relao entre a parcela de fora resistida pelo ao, Na,Sd, e a fora normal de clculo, NSd, comumente definida como taxa de contribuio, , pode ser expressa por meio da Eq. 2.3:

cocya

ya

Rdpl

Rdapl

Sd

Sda

fAfAfA

NN

NN

..

.

,

,,,

+=== (2.3)

onde, Npl,a,Rd a fora resistente de clculo da seo de ao, Npl,Rd a fora resistente de clculo da seo integral, Aa a rea de ao, Ac a rea de concreto, fy a tenso de escoamento do ao e fco a resistncia compresso do concreto. A parte restante da fora normal corresponde parcela de fora resistida pelo concreto, que pode ser expressa por:

= 1,Sd

Sdc

NN

(2.4)

A distribuio de foras no estado limite ltimo no necessariamente coincide com a distribuio no estado limite de servio. Para esse, a distribuio depende da rigidez longitudinal. Os componentes de fora relativos ao ao e ao concreto so expressos, respectivamente, por:

ccaa

aa

Sd

Sda

EAEAEA

NN

..

.,

+== (2.5)

Sd

Sda

Sd

Sdc

NN

NN

,, 1= (2.6)

onde Ea e Ec so os mdulos de elasticidade do ao e do concreto, respectivamente. Se o concreto do ncleo possuir armadura complementar, a parcela correspondente fora por ela conduzida deve ser somada ao componente do concreto.

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2.5.2- Redistribuio de foras

Na regio de introduo do carregamento, pode ser difcil garantir que as tenses sejam distribudas s partes constituintes da seo de acordo com suas resistncias. Desse modo, a ao conjunta no se consolida, sendo necessrio que ocorra a redistribuio das tenses ao longo da interface ao-concreto. De acordo com o Eurocode 4:1992, essa parcela de tenses transmitida por meio dos mecanismos mecnico e atrito, ou por conectores de cisalhamento.

Para tanto, o comprimento de transferncia, lv, no deve exceder duas vezes a dimenso predominante da seo transversal. No caso de sees quadradas, aquele comprimento no deve ser maior que duas vezes a largura da seo. Por exemplo, se uma fora externa introduzida apenas no tubo de ao, o componente de fora dado pelas equaes 2.4 e 2.6 devem ser transferidos ao concreto ao longo do comprimento de transferncia, lv, para o estado limite ltimo e de servio, respectivamente.

No existe um procedimento padro para o clculo da tenso de cisalhamento transferida longitudinalmente na interface. Contudo, o clculo geralmente se baseia na obteno de um valor mdio dessa tenso, dado pela razo entre o componente da fora normal do concreto, Nc,Sd, e a rea de transferncia na interface. Esta rea corresponde ao produto do permetro transversal, ua, pelo comprimento, lv Figura 2.12. A tenso de cisalhamento de clculo dada por:

va

SdcSd lu

N.

,

= (2.7)

O valor da tenso de cisalhamento atuante, Sd, no deve exceder o valor da

tenso resistente de clculo, Rd= 0,40 MPa. Se isso acontecer, a transferncia de

foras deve ser efetivada por meio de conectores de cisalhamento, o que no recomendado para pilares de sees transversais de dimenses reduzidas.

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= + v

NSd NSd

NSd

ua

Na,Sd Nc,Sd

Composite Steel Concrete

Sd Rd

Misto Ao Concreto

Figura 2.12: Componentes das aes de clculo e propriedades geomtricas para o clculo da tenso de cisalhamento JOHANSSON (2003)

Preenchendo o tubo com concreto de alta resistncia, h o aumento tanto da resistncia compresso quanto do mdulo de elasticidade, o que ocasiona maior participao do concreto na transferncia das tenses, nos estados limites ltimo e de servio.

Nas regies de ligao, isso significa maiores tenses sendo transferidas ao longo da interface e, portanto, a redistribuio de foras do concreto para o tubo de ao efetivada pelos efeitos de longo-prazo, melhor representados pelo estado limite de servio. Segundo ROIK & BODE (1980), os efeitos relativos fluncia podem ser considerados no clculo mediante adoo de mdulo de elasticidade fictcio para o concreto, na Eq. 2.5.

2.6- Consideraes acerca dos princpios tericos da aderncia

Nas estruturas de concreto armado a aderncia a propriedade que garante a transferncia de tenses e a compatibilidade de deformaes entre o ao da armadura e o concreto circunvizinho. Essa propriedade se manifesta tambm nos pilares mistos preenchidos, nos quais ocorre transferncia de tenses ao longo da interface ao-concreto.

Os resultados dos ensaios de arrancamento representados na forma de comportamento fora x escorregamento permitiram aos pesquisadores distinguir os

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mecanismos de transferncia e expressar a contribuio de cada um deles no valor da tenso de aderncia. Tanto nas peas de concreto armado quanto nos pilares mistos preenchidos, os mecanismos de transferncia, que juntos formam a aderncia natural so a adeso, o atrito e a parcela mecnica de aderncia.

A adeso a menor das parcelas e corresponde aos estgios iniciais de aplicao de fora; o atrito e a aderncia mecnica representam mecanismos semelhantes e dependem principalmente do coeficiente de atrito da superfcie interna dos perfis, valor esse compreendido entre 0 e 0,6.

A ao conjunta dos materiais tambm foi abordada, concluindo-se que as vantagens obtidas pelo emprego dos pilares mistos preenchidos somente so alcanadas quando h a ocorrncia de transferncia integral de tenses entre o tubo de ao e o concreto do ncleo, condio complexa de se obter na prtica devido aos modelos de ligao empregados. Um valor mdio para tenso de aderncia, dado pelo Eurocode 4:1992, pode ser calculado pela razo entre o componente da fora normal do concreto, Nc,Sd, e a rea de transferncia na interface. Se esse valor for maior que 0,40 MPa, o emprego de conectores necessrio.

CAPTULO 3

Estudos sobre a aderncia nos CFTs

3.1- Aspectos gerais

A anlise e o projeto de pilares mistos tm sido temas de muitas investigaes atualmente. Invariavelmente, assume-se continuidade integral das deformaes entre o ao do perfil e o concreto do ncleo, isto , admite-se que no ocorra a perda da aderncia entre os materiais com o aumento das foras atuantes ao longo da interface ao-concreto.

Em alguns casos, particularmente quando h a aplicao de fora em toda a seo transversal, vrios estudos j comprovaram a pequena significncia da aderncia no comportamento dos pilares mistos preenchidos. Em contrapartida, existem casos em que ocorre a predominncia de tenses de cisalhamento longitudinais, notadamente quando a estrutura submetida a foras laterais, nos quais torna-se interessante o estudo da tenso de aderncia.

As prximas sees trazem uma coletnea dos principais estudos relacionados aderncia ao-concreto em pilares mistos preenchidos. As metodologias e esquemas de ensaio foram fundamentais na definio do programa de ensaios desenvolvido neste trabalho.

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3.2- Virdi & Dowling (1980)

O trabalho desenvolvido por VIRDI & DOWLING (1980) foi um dos primeiros trabalhos relacionados influncia da tenso de aderncia no comportamento e capacidade resistente de pilares mistos preenchidos. A pesquisa objetiva estabelecer um valor de referncia para a tenso de aderncia na interface ao-concreto e investiga a influncia de alguns parmetros nessa tenso.

A anlise experimental compreendeu ensaios de arrancamento em pilares curtos de sees circulares, com as seguintes variveis: idade e resistncia compresso do concreto de preenchimento, relao comprimento/dimetro (L/D), relao dimetro/espessura da chapa de ao do perfil (D/t), tecnologia de execuo do concreto e condies de tratamento da superfcie interna do perfil tubular.

Para a aplicao da ao foi usada uma placa cilndrica com dimetro 12 mm menor que dimetro interno do tubo, de modo que o carregamento fosse introduzido somente no concreto do ncleo (41 MPa). Na extremidade inferior do modelo deixou-se um trecho sem preenchimento (37 mm), para que a reao se desse apenas no perfil tubular. O esquema do ensaio ilustrado na Figura 3.1.

Figura 3.1: Esquema de ensaio. (1) Trecho sem concreto de preenchimento - 37 mm; (2) transdutores de deslocamento; (3) Atuador mecnico; (4) placas auxiliares para a aplicao da fora (400 mm x 400 mm x 18 mm); (5) placa circular para a aplicao da fora com dimetro 12 mm inferior ao dimetro interno do tubo VIRDI & DOWLING (1980).

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Para calcular o valor da tenso de aderncia na interface ao-concreto dispunha-se de dois mtodos: (a) adotar uma tenso de compensao, correspondente a 0,2% de deformao, desprezando-se a parcela decorrente do atrito nos estgios finais de carregamento, uma vez que os dois materiais tm comportamentos no-lineares, ou, (b) considerar a deformao ltima do concreto (compreendida entre 0,0035 e 0,0040) como referncia para calcular a tenso de aderncia. Ambos os mtodos forneceram valores equivalentes; foi adotado o segundo procedimento no clculo.

Por meio de barras de ao inseridas no concreto de preenchimento, mediu-se o escorregamento do concreto em relao ao tubo de ao. Essas barras foram dispostas em quatro pontos do comprimento dos modelos. Pde-se constatar que, para pequenas foras aplicadas, o escorregamento foi maior junto extremidade superior, diminuindo nos demais. Nos ltimos estgios de fora, registraram-se escorregamento e comportamento semelhantes, como ilustrado na Figura 3.2. Por esses ensaios confirmou-se que prximo da runa, o atrito o mecanismo de transferncia predominante.

Deslocamento (pol)

For

a (tf

)

Figura 3.2: Comportamentos fora x deslocamento, relativos ao topo, um tero, dois teros e

base do modelo VIRDI & DOWLING (1980).

Com o objetivo de considerar diferentes condies de tratamento da superfcie interna do tubo de ao, dividiram-se os modelos em dois grupos: no primeiro fez-se a usinagem dos tubos ao longo de seus comprimentos para

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regulariz-los e obter um formato o mais prximo possvel de um cilindro reto e no outro grupo, aplicou-se lubrificante s faces internas dos modelos para tentar reduzir a tenso de aderncia entre o concreto e o tubo de ao.

Os resultados dos ensaios mostraram que nos modelos que receberam lubrificante, o comportamento e fora mxima aplicada foram semelhantes aos observados nos modelos sem tratamento de interface, porm, com menor rigidez inicial. Nos pilares com perfis usinados, observou-se alguma rigidez inicial, mas com forte reduo da fora ltima resistida, evidenciando a importncia das irregularidades da superfcie de contato na transferncia de fora.

Em relao aos demais parmetros considerados no estudo, concluiu-se o seguinte:

a) Idade do concreto - at os 21 dias houve crescimento das tenses de aderncia e decrscimo em idades mais avanadas;

b) Resistncia compresso do concreto para uma variao entre 24 MPa e 41 MPa, as tenses correspondentes foram semelhantes, mostrando que a resistncia compresso do concreto exerce influncia desprezvel na tenso de aderncia.

c) Relao Comprimento x Dimetro do tubo (L/D) - foram consideradas cinco relaes Comprimento x Dimetro, compreendidas entre 1,0 e 3,0, concluindo-se que ocorreu uma variao linear entre a tenso de aderncia e o comprimento da interface ao-concreto, porm, sem influncia significativa no valor da tenso de aderncia.

d) Relao Dimetro x Espessura do tubo (D/t) - concluiu-se, observando os ensaios, que a dimenso do tubo e a espessura da chapa pouco influenciam a tenso de aderncia.

e) Tecnologia para preparo do concreto - foram consideradas as seguintes variveis na preparao do concreto: relao gua/cimento, modo e intensidade de adensamento. O adensamento mecnico forneceu maiores tenses de aderncia que o adensamento manual e, quanto maior o grau de compactao do concreto, maior o engrenamento entre as irregularidades da superfcie interna do tubo e o concreto e, conseqentemente, maior a tenso de aderncia.

Como concluso geral do programa de ensaios, foi possvel constatar que a tenso de aderncia no influenciada por nenhum desses fatores: comprimento da

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interface ao-concreto, dimetro e espessura do tubo e resistncia compresso do concreto.

Por outro lado, a resistncia ao arrancamento em pilares mistos preenchidos est diretamente relacionada com o grau de rugosidade ou de ondulao natural da superfcie interna do tubo metlico e com a forma da seo. A primeira corresponde resistncia oferecida no incio do carregamento, isto , rigidez inicial da curva fora x escorregamento. Esta parcela inicial rompida quando se atinge a deformao especfica de 0,0035, correspondente deformao ltima do concreto na compresso.

O formato da seo transversal interfere nos ltimos estgios de foras. Quanto mais prxima da forma circular for a seo, mantendo-se regular ao longo do comprimento, menor a influncia da forma da seo no valor da tenso de aderncia.

Por meio de correes estatsticas, obteve-se um valor de referncia para a tenso de aderncia: 1,0 MPa. Os autores ressaltam que este valor pode ser utilizado tanto para os pilares preenchidos como para outros tipos de seo mista, tais como os pilares revestidos.

3.3- Cederwall & Engstron & Grauers (1990)

CEDERWALL & ENGSTRON & GRAUERS (1990) estudaram o emprego de concreto de alta resistncia no preenchimento de pilares, com enfoque nos seguintes aspectos: efeitos do confinamento do concreto pelo tubo de ao e transferncia de tenses de cisalhamento entre os materiais constituintes da seo. As variveis adotadas na pesquisa foram: resistncia compresso do concreto, resistncia ao escoamento do ao e espessura do tubo de ao.

Para verificar a eficincia da aderncia ao-concreto no comportamento e capacidade resistente dos pilares submetidos flexo-compresso procedeu-se da seguinte forma:

reduo da aderncia por meio de utilizao de filme plstico de 0,2 mm de espessura no interior dos tubos;

variao da rea de aplicao da fora excntrica: somente no concreto, somente no perfil ou simultnea nos dois materiais.

33

A Tabela 3.1 reproduz os valores de capacidade resistente encontrados no estudo.

Tabela 3.1 - Capacidade resistente dos pilares - CEDERWALL & ENGSTRON & GRAUERS (1990)

Pilar fc (MPa) Aderncia Fora Nu (kN) No (kN) 4 96 Sim Seo total 830 2240

15 96 Sim Concreto 920 2340

16 96 No Concreto 1040 1160

17 92 Sim Ao 1010 1380

18 92 No Ao 750 1460 Nu: fora excntrica ltima aplicada com 20 mm de excentricidade No: mxima fora axial correspondente situao de compresso simples

Os resultados apresentados na Tabela 3.1 permitem afirmar que: Pilares com aderncia: para fora aplicada somente no concreto, a

capacidade resistente foi menor quando comparada com o modelo sob fora aplicada somente no tubo de ao. Em relao ao comportamento, quando a aderncia foi mantida, pilares com foras excntricas apresentaram os mesmos comportamentos, independente da fora ser exercida no tubo, no concreto ou simultnea nos elementos da seo;

Pilares sem aderncia: foi verificada maior capacidade resistente quando a fora foi aplicada apenas no concreto. Ao se aplicar a fora no tubo e se eliminar a aderncia ao concreto, aquele se comportou como um tubo isolado, sem ncleo de concreto. Provavelmente, o concreto submetido flexo apresentou grande nmero de fissuras e no foi capaz de contribuir para a capacidade resistente. Ao contrrio, quando somente o ncleo de concreto foi solicitado e se suprimiu a aderncia ao-concreto, a fora no pde ser transferida para o tubo e, com isso, o escoamento do ao na regio comprimida foi adiado em relao ao pilar preenchido sob fora simultnea nos dois materiais e com aderncia.

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3.4- Hunaiti (1991) e Hunaiti et al. (1992)

HUNAITI (1991) estudou pilares mistos do tipo "battened" - Figura 1.1. No total, foram investigados 139 elementos submetidos compresso simples e os resultados mostraram que a presena ou no da aderncia no influencia a capacidade resistente.

Ao estudar sees "battened" flexo-comprimidas, HUNAITI et al. (1992) ensaiaram 14 pilares, divididos em dois grupos:

Grupo 1: Aderncia natural ao-concreto mantida; Grupo 2: Reduo da aderncia por meio de aplicao de graxa na

superfcie interna dos perfis tipo U. A seo transversal era semelhante do estudo anterior. O emprego desse

tipo de seo facilitou a realizao dos ensaios por permitir a instrumentao do concreto de preenchimento, exposto entre os perfis metlicos. O uso prtico dos pilares com essa configurao no tem sido explorado.

De acordo com os resultados obtidos por HUNAITI et al. (1992), a aderncia ao-concreto no exerce nenhum efeito sobre a capacidade resistente dos pilares mistos tipo battened submetidos flexo-compresso Figura 3.3. Os pesquisadores ressaltam que, por se tratar de uma seo mista do tipo battened, os resultados encontrados podem ser estendidos para as sees revestidas e preenchidas e, portanto, valem tambm as mesmas concluses. Desse modo, seria possvel afirmar que a aderncia ao-concreto no exerce influncia significativa sobre o comportamento e a capacidade resistente flexo-compresso dos pilares mistos preenchidos.

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20 40 60 80 100 120 140 1601,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8 Momento

sem aderncia com aderncia

Fora axial sem aderncia com aderncia

Rela

o

te

ric

o/e

xper

imen

tal

Excentricidade ex (mm)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

Fora axial sem aderncia com aderncia

Momento sem aderncia com aderncia

Excentricidade ey (mm)

Rela

o

te

ric

o/e

xpe

rimen

tal

Figura 3.3: Relao entre valores tericos e experimentais - HUNAITI et al. (1992)

3.5- Okamoto & Maeno (1988)

Este foi o primeiro estudo visando avaliar a importncia da aderncia nos pilares preenchidos submetidos a flexo-compresso. Utilizando concreto de alta resistncia (98,1 MPa) como material de preenchimento, foi aplicado carregamento somente no tubo de ao. A fim de controlar a tenso de aderncia ao-concreto, foi aplicada uma camada de argamassa com 10 mm de espessura entre o ncleo de concreto e o tubo de ao.

Os autores destacam que, em funo dos resultados obtidos, a aderncia no tem efeito significativo na capacidade resistente a flexo-compresso de pilares preenchidos, porm, o fato de se variar a intensidade da fora axial e a resistncia da argamassa, para cada elemento, dificulta e compromete as concluses decorrentes do estudo experimental.

3.6- Yoshioka (1992)

A influncia da aderncia em pilares submetidos a foras horizontais cclicas foi estudada em YOSHIOKA (1992) por meio de ensaios em pilares de seo quadrada, submetidos a fora axial constante e a uma fora horizontal cclica. Para melhorar a aderncia ao-concreto foram utilizados alguns tubos de ao com salincias internas. A Figura 3.4 ilustra o detalhe da superfcie com salincias e o esquema de ensaio utilizados por YOSHIOKA.

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Para avaliar a influncia da presena de salincias internas no tubo de ao, foram ensaiados pilares nos quais o carregamento era aplicado simultaneamente nos dois materiais e outros em que a fora era aplicada apenas no tubo de ao e transferida para o concreto pelas salincias.

De modo geral, foi constatado que os pilares cujos perfis possuam salincias nas paredes internas apresentaram maior ductilidade e capacidade de dissipar energia.

3

40mm675

Figura 3.4: Detalhes dos ensaios realizados por YOSHIOKA (1992)

Na Figura 3.5 reproduzido o comportamento fora x deslocamento para os elementos R3S e F3S que correspondem, respectivamente, a tubo com e sem salincias, ambos com a fora aplicada apenas no tubo de ao - correspondente a 30% da fora ltima compresso simples (Fo).

Figura 3.5: Comportamento Fora x Deslocamento lateral para os pilares R3S e F3S

YOSHIOKA (1992)

De acordo com os resultados experimentais, quando a fora foi aplicada simultaneamente nos dois materiais, a aderncia no exerceu efeito significativo na capacidade resistente flexo e a presena das salincias no tubo no se mostrou relevante.

Em contrapartida, quando a fora foi aplicada somente no tubo de ao, o comportamento global do pilar foi fortemente afetado pela presena de tenso de

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aderncia e as salincias revelaram-se importantes, tanto para melhorar o comportamento quanto para aumentar a capacidade resistente. Isto porque a presena das salincias foi fundamental para a transferncia das foras do perfil para o ncleo de concreto.

3.7- Shakir Khalil (1993a) e Shakir Khalil (1993b)

SHAKIR KHALIL (1993a) desenvolveu ensaios de arrancamento em pilares mistos preenchidos para estudar a influncia do emprego de conectores de cisalhamento na transferncia de tenses em ligaes viga-pilar. Ao todo, foram ensaiados 40 pilares mistos de sees quadradas, retangulares e circulares, preenchidos com concreto de 40 MPa de resistncia compresso, nos quais as foras foram aplicadas apenas no ncleo de concreto.

Adicionalmente, em alguns modelos, foi aplicado leo na superfcie interna do tubo antes da moldagem do concreto para avaliar o efeito da reduo da aderncia entre os materiais.

As sees transversais estudadas tinham as seguintes dimenses: 120 mm x 80 mm x 5,0 mm (retangular), 150 mm x 150 mm x 5,0 mm (quadrada) e 168,3 mm x 5,0 mm (circular). Na Srie X avaliou-se o comportamento das sees retangulares com 450 mm de comprimento, sem conectores ou com 2, 4 e 6 conectores de cisalhamento. Na Srie Y foram ensaiadas as sees circulares e as quadradas, com 250 mm, 450 mm e 600 mm de comprimento. A Figura 3.6 ilustra os modelos da Srie X.

Figura 3.6: Detalhe dos modelos da Srie X SHAKIR-KHALIL (1993a)

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Os valores tericos da tenso de aderncia e da fora de runa foram calculados segundo as Normas Britnicas BS 5400:1979, BS 5950:1985 e BS 8110:1985. O valor de referncia da tenso de aderncia, dado pela primeira das anteriores, era de 0,40 MPa.

Dos resultados dos ensaios da Srie X, obtiveram-se valores de tenso de aderncia duas vezes superiores aos respectivos valores tericos e a capacidade resistente mostrou-se proporcional ao nmero de conectores.

Nesta mesma srie, o comportamento fora x escorregamento do concreto revelaram que o conector de cisalhamento estudado no interfere no valor da tenso de aderncia. Esta concluso se deu mediante a anlise da mudana de inclinao das curvas, que evidenciam solicitao dos pinos somente aps a runa da aderncia ao-concreto. A Figura 3.7 ilustra a curva Fora x Deslocamento de alguns modelos da Srie X.

Os autores ressaltam que as maiores foras de runa se deveram provavelmente ao giro do perfil na regio da fixao dos conectores, para grandes deslocamentos. Esta rotao acarretou a transferncia de parte dos esforos aos pinos por trao e o respectivo aumento da rea de transferncia de cisalhamento.

Deslizamento (mm)

For

a ( k

N )

Figura 3.7: Curvas fora x Deslizamento para os modelos da Srie X SHAKIR-KHALIL

(1993a)

39

A Srie Y tinha como principais diferenciais o emprego de sees circulares e a aplicao de leo superfcie interna dos perfis tubulares visando reduo da aderncia. Obtiveram-se as seguintes concluses:

a relao entre o comprimento de interface e a fora de runa deve ser mais bem investigada em ensaios futuros;

as sees circulares propiciaram maiores valores