Juliana Cruz Vianna et al. Engenharia Civil: Estrutura em Aço · de laje de piso com fôrma de...

325REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 60(2): 325-331, abr. jun. 2007

Juliana Cruz Vianna et al.

AbstractThe composite steel-concrete system has been used

in various major projects motivating the developmentof an efficient composite floor system using cold-formedsteel sections with web corrugations. The system wasbased on previous investigations that involved thedevelopment of steel deck prototypes using various typesof interlocking mechanisms in the concrete to steel deckinterface. An ideal section evaluation was made todetermine an efficient steel profile that presented a goodmechanical adherence to the concrete interface whilekeeping a ductile behavior. Variables like weight,height, thickness and yield stress amongst others wereinvestigated. An experimental program consisting of afull-scale composite slab test was executed to validatethe proposed composite cold-formed system.

Keywords: Composite slab, cold-formed steel section,corrugations, composite construction.

Um sistema de laje mista para edificaçõesresidenciais usando perfis de chapa

dobrada com corrugações

(Composite slab system for residential constructions usingcold-formed steel plates with embossments)

Juliana Cruz ViannaDepartamento de Engenharia Civil. PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ, Brasil - E-mails: [email protected]

Sebastião Arthur Lopes de Andrade Departamento de Engenharia Civil. PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ, Brasil - E-mails: [email protected]

Pedro Colmar Gonçalves da Silva VellascoDepartamento de Estruturas e Fundações. Faculdade de Engenharia - UERJ,RJ, Brasil E-mails: [email protected]

Luciano Rodrigues Ornelas de LimaDepartamento de Estruturas e Fundações. Faculdade de Engenharia - UERJ,RJ, Brasil E-mails: [email protected]

José Guilherme Santos da SilvaDepartamento de Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia - UERJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil -

E-mail: [email protected]

ResumoSistemas mistos aço-concreto têm sido largamente

utilizados na construção civil e vêm motivando o desen-volvimento de sistemas de lajes de piso com forma de açoincorporado, usando-se perfis formados a frio com corru-gações na alma. O sistema aqui investigado baseou-seem protótipos de fôrmas metálicas, usando várias formasde ligação na interface aço/concreto. Para desenvolverum novo perfil metálico, que apresentasse uma boa ade-rência mecânica entre o concreto e o aço e com comporta-mento dúctil, avaliou-se uma seção transversal ideal. Di-versas variáveis foram consideradas, tais como: peso,altura, espessura e tensão de escoamento. A investiga-ção, também, contemplou ensaios em escala real de formaa validar, experimentalmente, o sistema de laje mista (aço-concreto) proposto.

Palavras-chave: Laje mista, perfil de chapa dobrada,corrugações, construção mista.

Engenharia Civil: Estrutura em Aço

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 60(2): 325-331, abr. jun. 2007326

Um sistema de laje mista para edificações residenciais usando perfis de chapa dobrada com corrugações

1. IntroduçãoO sistema misto aço-concreto, além

de possibilitar a obtenção de benefíciosarquitetônicos e econômicos, apresentavantagens, como a dispensa de fôrmas eescoramentos, redução do peso próprioe do volume da estrutura, redução con-siderável do consumo do aço estrutural,etc. Estas foram as principais motivaçõespara o desenvolvimento de um sistemade laje de piso com fôrma de aço incor-porada, utilizando perfis indentados dechapa dobrada com mossas (corruga-ções) na alma.

A idéia teve origem em alguns tra-balhos já concluídos nessa linha de pes-quisa, nas quais foram desenvolvidosprotótipos de fôrma metálica (steel-deck),empregando-se diversas formas de liga-ção entre a chapa de aço e o concretoarmado, tais como: corrugações na alma(Andrade, 1986), parafusos autobrocan-tes (Takey, 2004), septos em perfis tipobandeja (Vieira, 2003) e perfis com corru-gações circulares profundas (Beltrão,2003). Com a intenção de se desenvol-ver um novo perfil metálico, que apre-sentasse uma boa aderência mecânicaentre o aço e o concreto e com caracte-rísticas de comportamento dúctil, foramavaliadas várias formas da seção trans-versal. Variáveis como peso, altura, es-pessura, tensão de escoamento, vãomáximo e capacidade de suporte de car-ga foram consideradas.

Esse artigo apresenta os resultadosobtidos com base em testes experimen-tais, em escala real, realizados sobre umalaje mista aço-concreto (Vianna, 2005). Ainvestigação apresenta uma comparaçãodos resultados experimentais com outros

dois trabalhos existentes na literatura(Takey, 2004 e Beltrão, 2003) e, também,com resultados teóricos, objetivando avalidação dos resultados obtidos para osistema estrutural proposto.

2. Ensaiosexperimentais

O sistema estrutural analisado con-sistiu em uma laje de concreto com doisperfis metálicos e blocos de poliestirenoexpandido (EPS - isopor) preenchendoos espaços entre os perfis, conformeapresentado na Figura 1(a).

A Figura 1(a) e a Figura 1(b) apre-sentam uma comparação entre os doissistemas estruturais estudados: o que foialvo dessa investigação, com perfis dechapa dobrada com espessura de 1,20mm,120mm de altura e um f

ck do concreto igual

a 25MPa, e o sistema proposto por outroautor (Takey, 2004), o qual utilizou perfiscom espessura de 2,00mm, com 75mm dealtura e f

ck da ordem de 40MPa.

A armadura de pele utilizada na lajemista, para evitar fissurações na superfí-cie, foi confeccionada com vergalhõesde bitola 6,3mm dispostos a cada 200mmna largura e no comprimento. Essa arma-dura foi disposta a, aproximadamente,25mm da face da mesa superior do perfilmetálico. A utilização dessa armadura depele proporcionou um pequeno ganhode resistência na estrutura.

O sistema estrutural utilizado foi bi-apoiado. Foram adotados apoios comroletes para simular essa configuração.A resistência do concreto esperada paraos ensaios foi de 25 MPa. Após os 28

dias, obteve-se uma resistência média de27,61 MPa dos 9 corpos de prova ensai-ados. O traço utilizado foi de 1:2,6:1,8(cimento, areia e brita) com um fator água/cimento de 0,52.

Foram utilizados, como equipamen-tos de medição de deslocamentos verti-cais, laterais e deslizamento da laje, cin-co relógios para consulta analógica e cin-co LVDT’s para medição eletrônica (Fi-gura 2). Foram posicionados um relógioe um LVDT em cada extremidade da lajecom a base sendo fixada no perfil metáli-co e o marcador no concreto. Esses ins-trumentos serviram para medir o desliza-mento entre o concreto e o aço. Para ve-rificar a rotação/deslocamento lateral,ocorrida na laje durante o ensaio, foramposicionados dois relógios analógicos,sendo um em cada extremidade lateraloposta da laje com base fixa fora da laje emarcador no concreto. Para medir o des-locamento vertical da laje, para cada car-ga aplicada, foram posicionados um re-lógio analógico no meio do vão e umLVDT a 60mm de distância do relógio.Os outros dois LVDT’s foram posiciona-dos a 900mm, aproximadamente, de cadaextremidade.

Para medir a deformação do perfilmetálico da laje mista durante o ensaio,foram instalados seis extensômetros elé-tricos na face inferior da mesa superiordo perfil, sendo três em cada perfil. Umextensômentro foi instalado no meio dovão e os outros dois a 775mm da extremi-dade do perfil.

A Figura 2 apresenta a configura-ção global dos relógios (R1 ao R5), dosLVDT’s (83 ao 87), dos extensômetros(Strain 0 ao Strain 5) utilizados no en-saio e os pontos de aplicação de carga.

a) mista com perfil metálico e EPS, Vianna, 2005. b) pré-moldada com perfis e EPS, Takey, 2004.

Figura 1 - Sistemas de lajes.



No programa de ensaios, foi testa-da uma laje de 1,45m x 3,0m, sendo o vãolivre de 2,91m de comprimento, com doisperfis de chapa dobrada com mossasestampadas na alma a cada 100mm e namesa superior a cada 310mm conformeapresentado na Figura 3.

As cargas foram aplicadas, igual-mente, em dois pontos através de umaviga de distribuição de cargas, a uma dis-tância dos apoios de 1/4 do comprimen-to do vão, Figura 4. Foram realizados trêsensaios de pré-carga para aferir a ins-trumentação e mobilizar a estrutura deforma gradativa. Para todos os ensaiosde pré-carga, foram aguardados 15 mi-nutos antes do descarregamento para aacomodação da estrutura.

Após a realização do último ensaiode pré-carga, realizou-se o ensaio finalda estrutura. O carregamento foi aplica-do até o colapso da estrutura. As medi-ções foram realizadas a cada 5kN até atin-gir o nível de carregamento do últimopré-ensaio, que foi de 60kN. Após 60kN,prosseguiu-se com a aplicação do carre-gamento e com as medições a cada 2kNaté o colapso estrutural por deslizamen-to na interface aço-concreto. Durante ocarregamento, quando se atingiam os ní- Figura 2 - Instrumentação do ensaio da laje mista.

Figura 3 - Detalhe das mossas na alma do perfil.

veis de carga dos pré-ensaios (20kN,40kN e 60kN), aguardavam-se 5 minutospara acomodação da estrutura. A cargade colapso foi de 72kN.

A laje teve um comportamento pra-ticamente linear, tanto para os desloca-mentos, como para as deformações atéum nível de carga de 60kN. Quando acarga atingiu 48kN, foram detectados osprimeiros ruídos no ensaio e houve oprimeiro deslizamento entre o concreto e

o perfil metálico, conforme mostram asFigura 5(a) e Figura 6. Após esse nívelde carga, a estrutura adquiriu uma rigi-dez adicional, até que um novo desliza-mento ocorreu com um carregamento de72kN, ficando, evidente, a ruptura pordeslizamento entre o aço e o concreto.

A Figura 5(a)apresenta o gráficocarga versus deslocamento vertical nomeio do vão medido pelo LVDT 84 nosensaios de pré-carga (20kN, 40kN e 60kN)



e no ensaio final. A Figura 5(b) apresenta o gráfico de cargaversus deslizamento aço/concreto medidos pelos LVDT’s 86 e87 localizados nas extremidades opostas da laje durante o en-saio final. A Figura 6 apresenta os deslocamentos verticaismedidos pelos LVDT’s 83, 84 e 85, na fase de carregamentodos ensaios de pré-carga e do ensaio final. Os LVDT’s 83 e 85estavam localizados a um terço do vão e o LVDT 84, no meiodo vão.

As deformações do perfil metálico, na estrutura da lajemista, foram obtidas através de extensômetros posicionadosna face inferior da mesa superior do perfil metálico. A Figura 7apresenta os gráficos carga versus deformação no ensaio finaldos pares de extensômetros. Nota-se que o escoamento(1379,3me), valor aferido com ensaio de caracterização do ma-terial da chapa, não foi atingido durante o ensaio. A aceleraçãodas deformações observadas na Figura 7 ocorreu devido aodeslizamento na interface aço-concreto ter se iniciado.

Figura 4 - Esquema de apoios e aplicação de carga.

Figura 5 - Curvas carga versus deslocamento.

a) Deslocamento vertical no meio do vão b) deslizamento aço-concreto na extremidade da laje

Figura 6 - LVDT’s 83, 84 e 85 na fase de carregamento dosensaios de pré-carga e ensaio final.



A equação 1 relaciona a rigidez dalaje mista (EI) com a carga e o desloca-mento vertical no regime elástico.

3L.11

I.E.384P=

δ (1)

onde P é o carregamento aplicado, δ é odeslocamento vertical no meio do vão eL é o vão da laje.

A Figura 8(a) apresenta a configu-ração inicial e a Figura 8(b), a configura-ção final do deslizamento ocorrido entreo concreto e o aço na extremidade dalaje. A Figura 8(c) apresenta as fissurasno concreto que ocorreram próximas aum dos pontos de aplicação de carga daestrutura.

De acordo com a curva registradapelo LVDT 84, apresentada na Figura 9,a relação P/δ é igual a 6,76 kN/mm. Subs-tituindo esse valor, na equação 1, toman-

Figura 7 - Gráfico de deformação do perfil metálico.

Figura 8 - Deslizamentos entre o concreto e o aço e fissuras no concreto.

a) deslizamento inicial. b) deslizamento final. c) fissuras no concreto.

do-se L=2910mm, obtém-se a rigidez àflexão da laje no regime elástico igual a4,77x109 kN.mm².

Para uma comparação entre o resul-tado experimental e o teórico da laje mis-ta, calculou-se a rigidez teórica (EI), con-siderando-se: I = 3,613x107 mm4 (com atransformação da seção de concreto emaço) e E = 203000MPa, resultando em7,334x109kN.mm².

A Tabela 1 apresenta o valor de ri-gidez inicial, considerando a carga até9,0kN, a rigidez de serviço, com a cargade 4,38kN/m correspondendo a 12,74kNe a já descrita anteriormente. A Figura 9apresenta o gráfico carga versus deslo-camento vertical com as retas indicandoos ângulos α (P/δ) para cada intervalodescrito. Verifica-se que o valor teóricoestá no intervalo entre a rigidez de servi-ço e a do ensaio 1, correspondendo auma carga de, aproximadamente, 38kN.

Para analisar os resultados obtidosnesse ensaio, fez-se uma comparaçãoentre esses resultados e os resultadosdos trabalhos desenvolvidos por Takey(2004) e Beltrão (2003). A Figura 10 apre-senta o gráfico carga versus deslocamen-to vertical no meio do vão de todos osensaios acima referidos, cujos vãos fo-ram de 3,00m. Esse gráfico apresenta osvalores de carga de serviço de Beltrão(2003) corrigidos para mais 50%, além deuma correção desse trabalho com o deBeltrão (2003) para a resistência do con-creto, já que o valor adotado no trabalhode Takey (2004) foi de 40 MPa, diferente-mente dos 25MPa adotados nos outrostrabalhos. No trabalho desenvolvido porTakey (2004), foram executados três en-saios com perfil de chapa dobrada comespessura de 2,00mm, variando-se o es-paçamento entre os conectores de cisa-lhamento do tipo parafusos autobrocan-tes ¼”x ¾” (self drilly bolts). O primeiro

(a) (b) (c)



ensaio foi realizado com perfil liso, semconector, o segundo com conectores namesa superior a cada 200mm e o terceiroensaio com conectores a cada 100mm.No trabalho de Beltrão (2003), foram exe-cutados três ensaios com lajes de 3,00mde vão e com perfis com mesma seçãotransversal utilizada por Takey (2004),apresentando corrugações na alma doperfil a cada 50mm, no primeiro e segun-do ensaio, e a cada 100mm, no terceiroensaio.

A Tabela 2 apresenta as relaçõesde carga por deslocamento (α) originais

Figura 9 - Determinação da r ig idezexperimental.

Figura 10 - Comparação com redução de 21% da carga no trabalho de Takey (2004).

Tabela 1 - Valores de rigidez, carga aplicada e deslocamentos.

Tabela 2 - Comparação de valores de rigidez dos ensaios.



dos ensaios de Takey (2004) e Beltrão(2003), a rigidez calculada pela equação1, a rigidez e carga última corrigidas, odeslocamento vertical máximo e a cargaem kN/m em função do momento de to-dos os ensaios.

Nota-se, na Tabela 2, que não hou-ve uma diferença significativa em rela-ção à rigidez para todos os ensaios dalaje, quando os valores corrigidos sãocomparados.

O sistema de laje mista, estudadonesse trabalho, apresentou a maior rigi-dez entre todos os ensaios. Esse aumen-to de rigidez se deve à utilização de umalaje com espessura maior em relação aosoutros ensaios, além de o perfil metálicopossuir corrugações na alma do perfil edois enrijecedores intermediários namesa superior (substituindo os conec-tores de cisalhamento), possuindo umainércia consideravelmente maior em re-lação aos outros ensaios.

Segundo o EUROCODE 4 (2001), ocomportamento dúctil de uma laje mistaé caracterizado, quando a carga final al-cançada pelo sistema supera, em pelomenos 10%, o valor da carga no momen-to em que o escorregamento, entre o açoe o concreto, atingir 0,5mm. Caso con-trário, o sistema é considerado frágil.Como pode ser visto no gráfico da Figu-ra 5(b), a carga de 40kN, referente ao des-locamento de 0,5mm, corresponde a55,5% da carga final (72kN). Portanto osistema estudado apresentou um com-portamento dúctil.

A análise desses resultados mos-tra que é viável a utilização do sistemaestrutural desenvolvido nessa investi-gação, devido à economia de tempo, cus-to e trabalhabilidade em relação aos co-nectores utilizados no trabalho de Takey(2004).

3. Considerações finaisEssa investigação apresentou os resultados de testes experimentais desenvol-

vidos no estudo de perfis metálicos de chapa dobrada com mossas (corrugações) naalma, a fim de compor um sistema de laje de piso com fôrma de aço incorporado.

Desse modo, foi estudada uma opção para um sistema de laje mista (aço-con-creto) com conectores (Takey, 2004), substituindo-os por corrugações nas almas epor dois enrijecedores intermediários na mesa superior do perfil.

O objetivo principal desse trabalho de pesquisa foi o de apresentar uma contri-buição associada a uma nova alternativa de um perfil metálico. Para tal, foi feita umavariação da seção transversal do mesmo, de modo a avaliar, teórica e experimental-mente, o comportamento estrutural do perfil, bem como o sistema estrutural de lajemista.

Os ensaios experimentais comprovaram a resistência adequada do novo siste-ma estrutural, como também a viabilidade da solução técnica, suposta economica-mente viável para emprego na construção civil.

O ensaio, em escala real da laje mista, apresentou um comportamento dúctil ecomprovou o tipo de colapso mais usual, que ocorreu por cisalhamento longitudi-nal, não sendo atingida a resistência última ao momento-fletor do sistema estrutural.

4. Referências bibliográficasANDRADE, A., VELLASCO, P., SILVA, J., TAKEY, T. Standardized composite slab systems

for building constructions. Journal of Constructional Steel Research, 60, p. 493-524.2004.

ANDRADE, S. A. L. de. Laje mista com deck-metálico, 6º CECAP. Colóquio sobre Estruturasde Concreto Armado e Protendido. Rio de Janeiro, 1990. v. 2, p. 54-75.

BELTRÃO, A. J. N. Comportamento estrutural de lajes mistas com corrugações na alma deperfis de chapa dobrada. Rio de Janeiro: Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio,2003. 124p. (Dissertação de Mestrado).

CRISINEL, M., MARIMON, F. A new method for the design of composite slabs. Journalof Constructional Steel Research, 60, p. 481-491. 2004.

CSA S136-01. North american specification for the design of cold-formed steel structuralmembers, AISI Committee on Specifications, CSA’s S136 Committee and CANACERO,2001.

CSA STANDARD S136-94. Cold formed steel structural members. Canadian StandardsAssociation. Ontario, Canadá, 1994. 178 p.

EUROCODE 4. EN 1994. Design of composite steel and concrete structures Part 1.1 Generalrules and rules for buildings. CEN, European Committee for Standardisation. DocumentCEN/TC 250/SC 4, Brussels, 2001. p. 135.

VIANNA, J. C. Sistema de laje mista para edificações residenciais com uso de perfisembossados de chapa dobrada. Rio de Janeiro: Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio. 2005. 189p. (Dissertação de Mestrado).

VIEIRA, J. D. Estudo teórico-experimental do comportamento de lajes mistas com perfisincorporados de aço. Rio de Janeiro: Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio, 2003.121p. (Dissertação de Mestrado).

Artigo recebido em 24/11/2006 e aprovado em 28/11/2006.

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