UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Projeto de ligação viga-pilar com inserto metálico em estruturas pré-moldadas de concreto Luís Augusto Bachega Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de São Carlos como parte dos requisitos para a conclusão da graduação em Engenharia Civil Orientador: Marcelo de Araújo Ferreira São Carlos 2010

2 RESUMO Estruturas pré-fabricadas de concreto possuem características que comparadas com o concreto in loco são bem desconhecidas, ou ainda, que necessitam de muito estudo para que se tenha uma afirmação mais categórica sobre seu comportamento. Uma dessas características é a ligação entre elementos estruturais. No sistema pré-fabricado praticamente todos os elementos que são considerados separadamente no cálculo são também separados fisicamente, como estacas, blocos, pilares, vigas, painéis etc. O presente estudo preocupou-se em conhecer as ligações viga-pilar e, mais ainda, ligações utilizando inserto metálico. Fez-se uma bibliografia levantando alguns tipos destas ligações. Escolheu-se um e foram levantadas algumas metodologias de cálculo existentes para a ligação. Realizou-se um exemplo numérico, por dois métodos, e confeccionaram-se planilhas eletrônicas para realizar a variação dos parâmetros de cálculo. Conseguiu-se obter certa sensibilidade nos cálculos através destas planilhas e, a partir disto, fazer considerações de cálculo e de critérios de projeto para o dimensionamento dos constituintes da ligação. Palavras-chave: concreto pré-fabricado; ligações semi-rígidas; inserto metálico; steel billet

3 ABSTRACT ABSTRACT Precast concrete characteristics that are compared with in situ concrete are well known, or which require much study to have a more categorical statement about its behavior. One such feature is the connection between structural elements. In the precast system that virtually all elements are considered separately in the calculation are also physically separated, as pegs, blocks, columns, beams, panels etc.. This study was concerned to know the beam-column connections and even more connections using steel billet. He became a bibliography raising some types of these connections. Picked up and were raised a few existing methods of calculation for the connection. We conducted a numerical example, by two methods, and crafted to spreadsheets to perform the variation of the calculation parameters. We managed to get some sensitivity calculations using these spreadsheets, and from this, do considerations of calculation and design criteria for sizing of the constituents of the connection. Key-words: precast concrete; semi-rigid connections; steel billet

4 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 2-1: Ligação viga-pilar de face (à esquerda) e de extremidade (à direita) do pilar Figura 2-2: Representação esquemática do comportamento de diferentes tipos de ligações Figura 2-3: Relação entre o comportamento estrutural de ligações e o membro ao qual é fixada Figura 2-4: Tipos de ligações viga-pilar Figura 2-5: Modelo teórico de uma das ligações ensaiadas por OZDEN et. al. (2007) Figura 2-6: Foto do ensaio de ligação viga-pilar realizado por OZDEN et. al. (2007) Figura 2-7: Modelo de ligação ensaiado por CATOIA et al. (2008) Figura 2-8: Modelo de ligação ensaiado por CATOIA et al. (2008) Figura 2-9: Modelo de pórtico i), por MOTA (2009) Figura 2-10: Modelo de pórtico ii), por MOTA (2009) Figura 2-11: Modelo de pórtico iii), por MOTA (2009) Figura 2-12: Manual chinês de pré-moldado Figura 2-13: Manual estadusunidense de pré-moldado Figura 2-14: Exemplo numérico resolvido no Handbook do PCI Figura 2-15: Catálogo da ligação Rapid Lock, por Meadow Burke Products Figura 2-16: Ligação de chapa deslizante, por ELLIOTT (2005) Figura 2-17: Detalhes da ligação com chapa deslizante Figura 2-18: Detalhe da ligação viga-viga com chapa deslizante Figura 2-19: Ligação com chapa soldada Figura 2-20: Detalhe das barras soldadas lateralmente Figura 2-21: Vista geral da ligação Figura 2-22: Ligação com cleated connector Figura 2-23: Detalhe da chapa parafusada no pilar Figura 2-24: Viga montada no pilar Figura 2-25: Ligação com steel billet Figura 2-26: Estabilidade temporária da estrutura Figura 2-27: Outra opção para estabilidade temporária da estrutura Figura 2-28: Montagem do soquete-guia do billet no pilar Figura 2-29: Colocação do billet após concretagem do pilar Figura 2-30: Aplicação de resina (ou grauteamento) do billet no pilar Figura 2-31: Vista superior de protótipo ensaiado (billet preenchido com concreto) Figura 3-1: Caminho das forças para uma ligação viga-pilar tipo billet durante a montagem. 25 Figura 3-2: Caminho das forças para uma ligação viga-pilar tipo billet depois de solidarizada Figura 3-3: Armadura da extremidade de viga (gaiola) usando uma combinação de estribos e barras dobradas Figura 3-4: Shear box pré-fabricada Figura 3-5: Estribos concentrados no pilar envolvendo o inserto metálico Figura 3-6: Encolhimento, e outros movimentos que causam fissuração, nas interfaces do nicho grauteado Figura 3-7: Ligação viga-pilar com billet, segundo o método P.C.I. (1971) Figura 3-8: Geometria da ligação do P.C.I Figura 3-9: Distribuição das tensões na ligação segundo o método P.C.I. (1971) Figura 3-10: Ligação viga-pilar com billet, segundo o método CP110 (1972) Figura 3-11: Distribuição das tensões na ligação segundo o método CP110 (1972) Figura 3-12: Ligação viga-pilar com billet, segundo o método I.S.E. (1978)

5 Figura 3-13: Geometria da ligação I.S.E Figura 3-14: Distribuição das tensões na ligação segundo o método I.S.E. (1978) Figura 3-15: Geometria da ligação Markaris & Mitchell Figura 3-16: Distribuição das tensões na ligação segundo o método Markaris & Mitchell (1980) Figura 3-17: Distribuição das tensões na ligação segundo o método Mattock & Gaafar (1982) Figura 3-18: Distribuição das tensões na ligação segundo o método Holmes & Martin (1983) Figura 3-19: Esquema do exemplo numérico

6 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Força resistente da armadura adicional quando da variação do diâmetro das mesmas Tabela 2: Força resistente da armadura adicional quando da variação da largura do pilar e do diâmetro das barras soldadas Tabela 3: Largura do perfil metálico (billet) necessária quando da variação da largura do pilar e do diâmetro das barras soldadas Tabela 4: Largura do perfil metálico (billet) necessária quando da variação da largura do pilar e do diâmetro das barras soldadas, para carga de projeto = 400 kn Tabela 5: Largura do perfil metálico (billet) necessária quando da variação da largura do pilar e do diâmetro das barras soldadas, para carga de projeto = 500 kn Tabela 6: : Largura do perfil metálico (billet) necessária quando da variação da largura do pilar e do diâmetro das barras soldadas, para carga de projeto = 600 kn

7 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Objetivos Justificativa REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Ligações semi-rígidas Ligação viga-pilar com inserto metálico Tipologias estudadas encaixado Soldado Parafusado Pré-concretado Escolha realizada Procedimento de cálculo comportamento estrutural formulação Método do P.C.I MÉTODO CP Método I.S.E Método markaris & Mitchell Método Mattock & gaafar Método Holmes & Martin Exemplos numéricos Aplicação da ligação sensibilidade de cálculo Adequação de critérios de projeto CONCLUSÃO REFERÊNCIAS... 57

8 1 1. INTRODUÇÃO Para elementos pré-moldados de concreto, ligações entre viga-pilar são de grande importância no comportamento da estrutura tanto para a fase de montagem quanto para a fase de utilização. As práticas de trabalho que a fábrica possui também podem determinar o tipo da ligação. Um fator importante que existe nas ligações de estruturas pré-moldadas de concreto é a sua consideração da semi-rigidez. Ao contrário do concreto moldado local, estas ligações possuem um comportamento intermediário entre a articulação e o engastamento. Esta consideração recebe na literatura técnica a denominação de ligações semi-rígidas. Os estudos em ligações de estruturas pré-moldadas tem se intensificado cada vez mais visando sempre uma melhor maneira de se construir. Com isso, existe a tendência de se aproveitar a potencialidade que as ligações semi-rígidas têm com relação ao seu comportamento estrutural. Uma das alternativas desenvolvidas pelos pesquisadores é a introdução de insertos metálicos como componentes integrantes da ligação, considerando a velocidade de fabricação e execução deste tipo de ligação. As ligações com insertos metálicos normalmente são do tipo embutidas, ou seja, os componentes constituintes ficam escondidos quando concretados. As ligações embutidas trazem uma estética mais agradável à estrutura pré-moldada já que a conexão de elementos estruturais fica camuflada neles mesmos. A possibilidade de introduzir insertos metálicos neste tipo de ligação normalmente torna mais rápida sua fabricação e execução. Na fabricação, os pilares que são içados das formas são retirados com menos complicações devido à inexistência de consolos nesta fase; na execução, os insertos podem ser colocados com boa precisão e de forma rápida, pois, trata-se de um procedimento mais simples de montagem quando comparado com consolos de concreto tradicionais. Desta forma, pode-se aumentar ainda mais a facilidade das construções prémoldadas de concreto conciliando rapidez, estética e aproveitamento dos materiais quando da utilização do comportamento semi-rígido das ligações. No Brasil este tipo de ligação não se encontra comumente usada nas suas construções, o que habilita um estudo mais aprofundado desta tipologia.

9 2 1.1 OBJETIVOS Pretende-se estudar as ligações viga-pilar com inserto metálico, em estruturas prémoldadas de concreto. Como objetivos específicos, tem-se: Revisão bibliográfica referente às ligações semi-rígidas para conhecer seu comportamento, e referente às ligações com insertos metálicos para identificar as tipologias; Estudar as características e o comportamento das ligações com insertos metálicos em viga-pilar pré-moldados de concreto; Escolher um tipo de ligação com inserto metálico e adequar um procedimento de cálculo para dimensionamento; Realizar exemplos numéricos para desenvolver a sensibilidade nos resultados do dimensionamento para aplicação. 1.2 JUSTIFICATIVA Apesar de o Brasil possuir um conhecimento consolidado na indústria da préfabricação, suas tecnologias nem sempre são de nível adequado. Podem-se observar fábricas de pré-moldados de concreto nas quais os métodos de execução não possuem um caráter de intensa modificação no processo de produção, comparado com a execução do concreto moldado local. Outro fator importante para elementos pré-fabricados é a consideração que foi feita para sua ligação com outro elemento. As ligações entre elementos são de fundamental importância para a estabilidade de estruturas pré-moldadas de concreto. Estas ligações podem ser arbitradas devido às considerações de cálculo ou de acordo com as possibilidades de fabricação e/ou execução da tipologia escolhida. A ligação com inserto metálico é pouco conhecida pelos fabricantes brasileiros. Esta tipologia de ligações torna-se uma solução quando se tem a estética como prioridade, pois elas são ligações embutidas no qual os conectores se encontram internos aos elementos. Também se torna solução quando requerido menor tempo de execução e, muitas vezes, praticidade, já que os conectores, em sua maioria, podem ser executados tanto na fábrica como na obra. Os insertos em sua maioria possuem encaixes nos quais os elementos são unidos facilmente, necessitando apenas de um grauteamento ou selamento posteriores.

10 3 O conhecimento de ligações com insertos metálicos em elementos pré-moldados de concreto é bem difundido nos Estados Unidos e na Europa. Existem inúmeras tipologias destas ligações que foram estudadas através de ensaios em laboratório com protótipos, conferindo bons resultados, principalmente para a confiabilidade de modelos matemáticos. O estudo que se pretende realizar nesta monografia confere um caráter de implementação de um uma tipologia de ligação que acrescenta um novo processo na produção e na execução objetivando menor tempo de execução, praticidade e estética para a estrutura. Como exposto, este trabalho baseia-se no estudo de ligações com insertos metálicos, para estruturas pré-moldadas de concreto, para se obter maior conhecimento sobre elas incorporando nova tecnologia para o Brasil aliada à rápida execução.

11 4 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA As principais ligações viga-pilar que podem existir em uma estrutura pré-moldada de concreto estão nas faces e nas extremidades dos pilares (Figura 2-1). Figura 2-1: Ligação viga-pilar de face (à esquerda) e de extremidade (à direita) do pilar. A escolha da ligação se restringi aos requisitos estruturais considerados e à capacidade de reprodução. Alguns principais fatores que interferem nesta escolha são apresentados a seguir, segundo ELLIOTT (2005). Estabilidade da estrutura: contraventamentos e estabilidade temporária na montagem; Layout da estrutura; Momento nas ligações de extremidades de vigas; Proteção contra incêndio; Aparência da ligação (embutidas ou visíveis) e as zonas estruturais; Facilidade e economia na fabricação; Local de acesso; Juntas: graute, chumbador, solda; Capacidades de içamento e manuseio da fábrica.

12 5 Ainda segundo ELLIOTT (2005), o projeto da ligação de elementos pré-moldados se difere do concreto moldado local não apenas nas dimensões e materiais apropriados para os dispositivos da ligação, mas principalmente na compreensão da natureza das trajetórias da força por uma das partes conectadas e os efeitos das mudanças volumétricas que sofrem. Também na ligação pré-moldada é necessário calcular especificamente a resistência frente aos efeitos de temperatura, fluência e movimentos de retração, seja por articulação seja por restrição da ligação, já que no moldado local estes efeitos são resistido por uma área mínima de armadura. Deve-se detalhar as zonas de contato de transferência de forças das ligações e de apoios para evitar concentrações de tensões e de fissuras. Em seu livro, ELLIOTT (2005) explicitou a importância que se deve dar às características das ligações de acordo com o desempenho requerido quanto à resistência, rigidez e ductilidade. Na Figura 2-2 pode-se descrever diferentes comportamentos: i) a ligação A possui grande rigidez elástica e pouca ductibilidade, ideal para carregamentos cíclicos onde não há perigo de sobrecarga no conector; ii) a ligação B possui deformação não-linear considerada satisfatória se a ligação está preocupada apenas com a resistência; e iii) a ligação C, com baixa resistência e bastante ductibilidade, pode ser adequada quando deformações excessivas são aceitáveis. Figura 2-2: Representação esquemática do comportamento de diferentes tipos de ligações.

13 6 Em todos os casos, o comportamento estrutural da ligação deve ser superior à do elemento conectado (Figura 2-3). A ligação X é adequada porque sua capacidade de deformação é maior do que o exigido pelo elemento conectado (linha tracejada, conhecida como beam-line). A resistência residual, no lugar da atual resistência última, é freqüentemente utilizada no projeto. Já a ligação Y não é uma ligação satisfatória porque a ruptura ocorre de forma frágil antes de se igualar com as exigências do elemento. ELLIOTT (2005) diz ainda que as ligações viga-pilar determinam o comportamento da viga na flexão - controlando os deslocamentos e as zonas estruturais do andar - e do pilar em termos de estabilidade estrutural e da capacidade de flambagem, se subdividindo em vários outros tipos de acordo com suas especificidades (Figura 2-4). Tipo I: o elemento vertical é contínuo (tanto no projeto como na construção) e elementos horizontais são ligados a ele; Tipo II: elemento vertical é descontínuo (só em termos de construção) e os elementos horizontais são contínuos estruturalmente ou separados através de junção. Figura 2-3: Relação entre o comportamento estrutural de ligações e o membro ao qual é fixada.

14 7 Figura 2-4: Tipos de ligações viga-pilar. Para as ligações do Tipo I tem-se as categorias: Categoria A: ligações embutidas. Categoria B: ligações visíveis. 2.1 LIGAÇÕES SEMI-RÍGIDAS As ligações viga-pilar de elementos pré-fabricados são comumente feitas no Brasil do tipo semi-rígidas, ou seja, possuem um comportamento intermediário entre a rigidez total (sem rotação relativa entre elementos) e a rótula (onde o giro é permitido). Alguns autores pesquisados preocuparam-se em estudar especificamente esta característica de ligações viga-pilar, já que é muito usada nas estruturas pré-fabricadas de concreto brasileiras. As ligações com inserto metálico, em sua grande maioria, não fogem deste comportamento semi-rígido.

15 8 Segundo FERREIRA et al. (2002), as ligações se classificam em articuladas, semirígidas e rígidas, de acordo com o fator de restrição à rotação α R. Ligação articulada: corresponde àquela que não possui capacidade de restrição às rotações relativas entre a viga e o pilar; Ligação semi-rígida: comportamento intermediário à ligação articulada e rígida, ou seja, apresenta um engastamento parcial que pode estar próximo da situação engastada ou da situação articulada; Ligação rígida: possui elevada capacidade de restringir as rotações relativas entre a viga e o pilar. A fim de classificar as ligações, vários autores realizaram ensaios em laboratórios para determinar o grau de engastamento para algumas tipologias de ligação, assim como determinação de modelos teóricos para cálculo. De acordo com OZDEN et al. (2007), pensando em estabilidade da estrutura em zonas sísmicas elevadas, realizaram-se testes em estruturas pré-moldadas de concreto, dentre eles ligações monolíticas e ligações resistentes a momentos,. Analisou-se a ligação entre viga e pilar, cada tipo com sua especificidade de execução e procedimento de cálculo (Figura 2-5 e Figura 2-6). Já CATOIA et al. (2008), realizou um estudo experimental em modelos de ligação viga-pilar de elementos pré-moldados de concreto com o objetivo de encontrar a rigidez à flexão deste tipo de ligação de extremidade (Figura 2-7 e Figura 2-8). Figura 2-5: Modelo teórico de uma das ligações ensaiadas por OZDEN et. al. (2007).

16 9 Figura 2-6: Foto do ensaio de ligação viga-pilar realizado por OZDEN et. al. (2007). Figura 2-7: Modelo de ligação ensaiado por CATOIA et al. (2008).

17 10 Figura 2-8: Modelo de ligação ensaiado por CATOIA et al. (2008). Em um estudo mais teórico, MOTA (2009), através de modelos teóricos, desenvolveu uma metodologia de análise para avaliação da eficiência de uma ligação semi-rígida na melhoria do comportamento de uma estrutura pré-moldada. O autor utilizou-se de três modelos: i) modelo de pórtico similar ao da norma NBR 6118:2003 para o cálculo simplificado do momento de engastamento em vigas (Figura 2-9); ii) modelo que avalia a eficiência da ligação no travamento de um pilar de galpão, onde o projetista se foca no dimensionamento do pilar (Figura 2-10); e iii) modelo que é um programa de análise da estabilidade de pórtico com 1 a 15 pavimentos utilizando-se dos coeficientes gama Z e CSF (Figura 2-11). Figura 2-9: Modelo de pórtico i), por MOTA (2009).

18 11 Figura 2-10: Modelo de pórtico ii), por MOTA (2009). Figura 2-11: Modelo de pórtico iii), por MOTA (2009).

19 12 Os trabalhos apresentados obtiveram conclusões que fizeram com que uma tipologia de ligação fosse recomendada para o uso em zonas sísmicas, OZDEN et al. (2007); que o modo como os elementos são apoiados para o ensaio muda significativamente a rigidez da ligação, CATOIA et al. (2008), onde diferença de flechas nas vigas devido à maior ou menor rigidez da ligação interfere na relação momento-rotação; e ainda, que o grau de engastamento da ligação pode ser usado como parâmetro para referência e comparação entre ligações e que a contribuição da ligação na estabilidade cresce proporcionalmente ao grau de engastamento, em taxas variávies, MOTA (2009). 2.2 LIGAÇÃO VIGA-PILAR COM INSERTO METÁLICO Existem muitas formas de se projetar, calcular e executar ligações com inserto metálico. Com uma breve revisão bibliográfica é possível entender como pode variar estas características. Muitas instituições confeccionam manuais de projeto, produção e de execução na área de pré-moldados de concreto. Na China, por exemplo, o Code Of Practice For Precast Concrete Construction (Figura 2-12) é um manual de estruturas pré-fabricadas de concreto elaborado em Hong Kong e tem por objetivo controlar o projeto, a construção e a qualidade de elementos pré-moldados de concreto. Figura 2-12: Manual chinês de pré-moldado.

20 13 No manual chinês obtém-se parâmetros de projeto e dimensionamento, nos Estados Limites, inclusive para ligações com insertos metálicos. Já nos EUA, o PCI (Precast/Prestressed Concrete Institute), Instituto responsável por normalizar parâmetros e critérios de projeto no país, através de um comitê próprio Pci Industry Handbook Committee (2004) desenvolveu o manual PCI Design Handbook (Figura 2-13). Figura 2-13: Manual estadusunidense de pré-moldado. Este manual procura mostrar o dimensionamento de elementos e verificações necessárias, só não é tão auto-explicativo, pois, a idéia deste Handbook é de ser um manual prático e de fácil acesso para conferência. Com relação as ligações com inserto metálico, existe um tópico Design of Connections onde o manual trata o dimensionamento de alguns tipos de insertos, incluindo exemplos numéricos. (Figura 2-14)

21 14 Figura 2-14: Exemplo numérico resolvido no Handbook do PCI. No livro de ELLIOTT (2005) pode-se encontrar desde a teoria e conceituação do prémoldado até detalhes de dimensionamento e critérios de cálculo, para estruturas prémoldadas de concreto. Em seu livro Precast Concrete Structures, o autor descreve as características que uma estrutura pré-moldada de concreto pode ter, bem como fatores de correção, coeficientes e parâmetros de critérios para projetos. Em um de seus capítulos, faz a abordagem das ligações viga-pilar, mostrando tipologias, exemplos de execução e de cálculo. Para insertos metálicos, o livro aborda mais especificamente o cálculo da ligação do tipo steel billet no qual, através de exemplos numéricos, define o dimensionamento de insertos e armadura de viga e pilar. Além de livros e manuais, existem catálogos para insertos metálicos usados nas ligações viga-pilar. O Rapid-Lok Connection Plate System: Generation II, publicado em 2006 (Figura 2-15), é um catálogo de uma empresa que fabrica insertos metálicos para o uso em estruturas de concreto.

22 15 Figura 2-15: Catálogo da ligação Rapid Lock, por Meadow Burke Products. É um catálogo explicativo sobre um sistema de ligação chamado Rapid-Lock, produzido na Florida, EUA, pela editora Meadow Burke Products. Contém informações referentes ao comportamento do sistema, principais utilidades, tabelas de dimensionamento e escolha das dimensões do inserto. Além disso, o catálogo trás informações para o projetista identificar os critérios de projeto que lhe convém, bem como as tipologias de insertos disponíveis. Juntamente com o catálogo, fez-se um trabalho, pelo Southwest Research Institute, que verificou a resistência ao fogo do inserto metálico Rapid-Lock para uso em ligações prémoldadas de concreto em seus vários modelos. O texto explica o procedimento dos ensaios e como se obteve os resultados. Por fim, determina o desempenho ao fogo para cada modelo de inserto do tipo Rapid-Lock.

23 TIPOLOGIAS ESTUDADAS Um inserto de pilar é o nome usado para descrever uma seção de aço que é incorporada nos pilares pré-fabricados a fim de transferir forças de cisalhamento e axial e, por vezes, momentos fletores e torçores para o pilar. Existem muitos tipos de insertos, incluindo: pilar universal ou viga universal (UC, UB); perfil laminado ou chapa dobrada; perfil laminado de seção quadrada/retangular oca (SHS, RHS); chapa fina; pinos roscáveis, chapa parafusada ou tubos de plástico; e parafusos em soquetes de aço moldado local. O inserto pode ter seções sólida, tubular (steel billet e chapa soldada) ou moldada local (tipo cleat e chapa deslizante). Os quatro tipos de ligações viga-pilar avaliados estão descritos a seguir ENCAIXADO A ligação do tipo encaixada consiste em uma ligação baseada em chapa deslizante, ou seja, uma chapa metálica que se encontra dentro da viga e que é empurrada e encaixada no pilar. Figura 2-16: Ligação de chapa deslizante, por ELLIOTT (2005).

24 17 A ligação é versátil e rápida, porém requer alguma restrição a torção temporária. É uma ligação ideal para viga-viga. É importante neste tipo de ligação o grauteamento das juntas para a proteção contra incêndio e corrosão do aço. Figura 2-17: Detalhes da ligação com chapa deslizante. Figura 2-18: Detalhe da ligação viga-viga com chapa deslizante.

25 SOLDADO A ligação com chapa soldada realiza o processo de soldagem em um inserto metálico introduzido no pilar com uma chapa fixada à viga. Além disso, possui barras soldadas lateralmente à chapa na direção do inserto (barras conectadas ao pilar) ou ainda perpendicular ao mesmo (barras conectadas à viga). Figura 2-19: Ligação com chapa soldada. Este tipo de ligação necessita de escoramento até que seja realizada a solidarização pela solda, por isso, sua utilização torna-se menos viável. Figura 2-20: Detalhe das barras soldadas lateralmente.

26 19 Figura 2-21: Vista geral da ligação PARAFUSADO Uma ligação custosa, porém muito segura, baseada em chapas parafusadas. Possui um inserto metálico (cleat) composto por duas chapas contidas em planos diferentes, parafusadas uma no pilar e outra na viga. Figura 2-22: Ligação com cleated connector. Na montagem é preciso parafusos e uma chave de torque. Quanto mais parafusos a ligação tiver mais resistente ela será (e mais cara também).

27 20 Figura 2-23: Detalhe da chapa parafusada no pilar. Figura 2-24: Viga montada no pilar.

28 PRÉ-CONCRETADO A ligação com steel billet nada mais é do que uma ligação embutida usando apenas o inserto metálico e um dispositivo que permite a estabilidade temporária da estrutura durante a montagem. Este dispositivo pode ser um pino rosccável ou um parafuso presos inferiormente a viga e superiormente ao pilar através de uma cantoneira parafusada ou similiar. Figura 2-25: Ligação com steel billet. Na Figura 2-26 é possível enxergar uma condição de solicitação do dispositivo para estabilidade temporária quando da montagem de uma laje, por exemplo. É notório que não apenas o dispositivo, mas também o próprio inserto contribuirá para a estabilidade temporária da estrutura. Figura 2-26: Estabilidade temporária da estrutura.

29 22 Existem outras maneiras de se obter esta estabilidade temporária, basta apenas que a criatividade do engenheiro seja condizente com o seu esquema estrutural e seu cálculo. Um exemplo segue na Figura Figura 2-27: Outra opção para estabilidade temporária da estrutura. 2.4 ESCOLHA REALIZADA A ligação escolhida deve possuir características que contribuam para a fácil fabricação e execução e que, ao mesmo tempo, tenha o menor custo possível. Para tanto, é muito importante entender como a indústria da pré-fabricação no Brasil funciona, quais os principais processos utilizados e como eles estão ligados ao custo do produto final. Adquirir todas as informações necessárias para apontar a melhor solução não é uma tarefa trivial, já que muitas delas fazem parte de segredos industriais. Então, foram considerados os processos já consolidados do setor e utilizada a experiência profissional do professor orientador deste Trabalho de Conclusão de Curso. Escolheu-se a ligação com inserto tipo steel billet, pois, nela encontraram-se as seguintes características: Facilidade de execução: possui um soquete-guia concretado no pilar e o inserto segue posteriormente;

30 23 Rápida produção em comparação com consolos de concreto convencionais; Um pouco mais custoso por exigir um soquete-guia, porém, há a possibilidade de usar perfis ocos preenchidos com concreto para aumentar resistência da ligação (o custo deve ser analisado considerando também a rapidez de execução); Não necessita de escoramento para solidarização, pois, possui sistema de estabilidade temporária; Figura 2-28: Montagem do soquete-guia do billet no pilar. Figura 2-29: Colocação do billet após concretagem do pilar.

31 24 Figura 2-30: Aplicação de resina (ou grauteamento) do billet no pilar. Figura 2-31: Vista superior de protótipo ensaiado (billet preenchido com concreto). Além das características supracitadas, o inserto metálico pré-concretado parece ser o mais eficiente do que os outros três tipos frente ao custo, resistência e velocidade de produção. Um estudo mais aprofundado desta tipologia de ligação conseguiria identificar com mais clareza e confiança estas vantagens.

32 25 3. Procedimento de cálculo 3.1 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL O modelo estrutural da ligação steel billet durante a montagem é mostrado na Figura 3-1. Depois de solidarizada a ligação o modelo estrutural muda, já que agora está preparada para a utilização, Figura 3-2. Figura 3-1: Caminho das forças para uma ligação viga-pilar tipo billet durante a montagem.

33 26 Figura 3-2: Caminho das forças para uma ligação viga-pilar tipo billet depois de solidarizada. Em X: transferir a força cortante na extremidade de vigas por uma combinação de estribos verticais e/ou barras dobradas, Figura 3-3, ou introduzir uma seção de aço pré-fabricada, chamada shear box, Figura 3-4. Em Y: garantir uma capacidade ao cisalhamento adequada, no plano da descontinuidade física entre a viga e o pilar, por qualquer seção de aço projetada (sólida ou oca). Em Z: transferir os carregamentos de compressão dentro do concreto do pilar. Os efeitos das forças de ruptura horizontal, ambos acima e abaixo da ligação no caso de pilares carregados excentricamente, são controlados usando estribos próximos, Figura 3-5. A ancoragem dos pilares é feita geralmente ou por ancoragem total em cálices moldados, ou por caixa metálica ou insertos de seção H.

34 27 Figura 3-3: Armadura da extremidade de viga (gaiola) usando uma combinação de estribos e barras dobradas. Figura 3-4: Shear box pré-fabricada.

35 28 Figura 3-5: Estribos concentrados no pilar envolvendo o inserto metálico. Entre as superfícies de contato é considerada a posição mais desfavorável, tendo em conta a acumulação das tolerâncias da estrutura e do elemento. O vão entre os elementos pré-fabricados é preenchido usando argamassa fluida ou graute contendo uma propriedade de agente expansor. A Figura 3-6 mostra o resultado da retração e de outros movimentos do edifício se esta operação não é realizada corretamente. Em alguns casos, especialmente quando a distância do cobrimento da superfície dos insertos metálicos mais próximos exceder 50 mm, estribos de pequeno diâmetro são soldados no local ou senão são ligados aos insertos para formar uma pequena gaiola no espaço grauteado. O graute, que possui uma resistência de projeto mínima de 30 MPa proporciona para a ligação durabilidade e até duas horas de proteção contra incêndios. Em alguns tipos de conectores, um chumbador vertical (ou dois chumbadores lado a lado) passa, através de um tubo na viga, por um buraco (circular ou fendas) no inserto do pilar. O diâmetro do tubo depende do diâmetro do chumbador, mas normalmente é de mm por mm do chumbador. A distância de cobrimento da face para o tubo é de no mínimo 25 mm. Dois ou três fios de pequeno diâmetro passam ao redor do tubo para prevenir fissuras localizadas. O tubo é preenchido no local usando graute expansivo.

36 29 Figura 3-6: Encolhimento, e outros movimentos que causam fissuração, nas interfaces do nicho grauteado. O comportamento da ligação pode variar dependendo dos tipos de materiais utilizados, já que o trajeto que as tensões devem percorrer depende, em partes, da resistência dos constituintes da ligação. 3.2 FORMULAÇÃO Muitos são os métodos existentes para o cálculo da ligação. Na realidade, o cálculo de uma ligação viga-pilar de elementos pré-moldados é, resumidamente, encontrar as dimensões de seus constituintes, seus possíveis modos de falha e então defini-la. É necessário realizar verificações para que o estudo tenha aplicação e maior veracidade, já que modelos matemáticos, importantes fontes de erros, são usados para os cálculos. Serão apresentados alguns métodos de cálculo para a ligação com o billet MÉTODO DO P.C.I. O P.C.I. Precast/Prestressed Concrete Institute numa primeira publicação sobre o billet em 1971, EUA, considerou um inserto metálico com armaduras adicionais soldadas à ele. O método de cálculo continha três etapas: i) cálculo da força resistida pela armadura adicional (P W ) com diâmetro arbitrado; ii) cálculo da largura do billet (b p ) tal que a força

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