Estudo teórico-experimental do comportamento de laje mista com perfis incorporados de chapa dobrada

Transcrição

1 Janine Domingos Vieira Estudo teórico-experimental do comportamento de laje mista com perfis incorporados de chapa dobrada Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciências da Engenharia Civil da PUC-Rio. Área de Concentração: Estruturas. Orientador: Sebastião A. L. de Andrade Rio de Janeiro Fevereiro de 2003

2 Janine Domingos Vieira Estudo teórico-experimental do comportamento de lajes mistas com perfis incorporados de aço Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Sebastião Arthur L. de Andrade Orientador Departamento de Engenharia Civil PUC-Rio Prof. Pedro Colmar G. da Silva Vellasco Universidade do Estado do Rio de Janeiro Prof. Eduardo de Miranda Batista Universidade Federal do Rio de Janeiro Prof. Giuseppe Barbosa Guimarães Departamento de Engenharia Civil PUC-Rio Prof. Ney Augusto Dumont Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico PUC-Rio Rio de Janeiro, 24 de fevereiro de 2003

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora e do orientador. Janine Domingos Vieira Graduou-se em Engenharia Civil na UCG (Universidade Católica de Goiás) em Concluiu o mestrado em fevereiro de 2003, no Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, com ênfase em estruturas. Vieira, Janine Domingos Ficha Catalográfica Estudo teórico-experimental do comportamento de laje mista com perfis incorporados de chapa dobrada / Janine Domingos Vieira; orientador: Sebastião A. L. de Andrade. Rio de Janeiro : PUC, Departamento de Engenharia Civil, [18], 104 f. : il. ; 30 cm Dissertação (mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil. Inclui referências bibliográficas. 1. Engenharia civil Teses. 2. Laje mista. 3. Perfil de chapa dobrada. 4. Momentos positivos. 5. Momentos negativos. 6. Momentos resistentes. 7. Séptos. 8. Modos de ruínas. I. Andrade, Sebastião A. L. de. II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título. CDD: 624

4 Aos meus pais, Vanda e Vieira, pelo suporte, carinho e incentivo ao meu trabalho.

5 Agradecimentos Ao meu irmão, Robson e minha cunhada, Tatiana, pelo incentivo e ajuda na realização deste trabalho. A minha irmã, Janaina, pelo incentivo durante todo este trabalho. Ao Evandro César, pelo amor e carinho. este trabalho. Ao amigo, Luciano R. O. Lima, pelo incentivo e colaboração durante todo Ao professor orientador Sebastião A. L. De Andrade, pela toda orientação durante este trabalho. Ao Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, principalmente a Ana Roxo, o Cristiano e o Lenílson, pela ajuda. Aos funcionários do Laboratório de Estruturas e Materiais PUC-Rio Euclides, José Nilson, Evandro e Haroldo, pela colaboração na montagem e execução dos ensaios. Ao ITUC, pelos serviços de confecção dos corpos de prova e realização dos ensaios de caracterização dos materiais. Aos amigos Ivy Jean, Alexandre Galvão, Walter Menezes, Araken Dumont pela agradável companhia e pelo incentivo. Aos amigos Rodrigo Amaral, André Muller, Fabiana Freitas, Fernanda Dantas, Pablo Furtado, Allyson Beltrão, Eduardo Pasqueti, pela companhia e pelas longas horas de estudos. Ao CNPq e à PUC-Rio, pelo auxílio financeiro recebido durante o curso.

6 Resumo Vieira, Janine Domingos, Andrade, Sebastião A.L. Estudo Teórico- Experimental do Comportamento de Laje Mista com Perfis Incorporados de Chapa Dobrada. Rio de Janeiro, 2003, 104p..Dissertação de Mestrado Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Esta dissertação apresenta um novo tipo de laje mista com uso de perfil de chapa dobrada incorporada. O perfil substitui as barras de aço, a fôrma e as escoras. O sistema estrutural construído consistiu em uma laje mista com perfil C enrijecido preenchido com concreto estrutural. Foram realizados dez testes experimentais em que foram analisados os momentos positivos, os momentos negativos e a influência de séptos. Através da análise teórico-experimental, foi possível perceber a grande influência dos séptos na resistência das lajes mistas testadas. Palavras chaves Laje mista, perfil de chapa dobrada, momentos positivos, momentos negativos, momentos resistentes, séptos, modos de ruínas.

7 Abstract Vieira, Janine Domingos, Andrade, Sebastião A.L (Advisor). Theoretical- Experimental Behavior Study of Composite Deck-Slab with Incorporate Formed Steel Shape. Rio de Janeiro, 2003, 104p..MSc.Dissertation Department of Civil Engineering, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. This work presents a new type of composite deck-slab using incorporate formed steel profiles. The steel profile replaces the reinforcement bars, the form and charry system. The structural system is built by one composite deck-slab with C stiffness steel profile, filed with reinforced concrete. It was performed ten tested and it was analyzed the positive moments, the negative moments and the influence of the diaphragm. Analizing the results it was possible to realize the great influence of the diaphragm over the resistence of composite deck slab tested. Keywords Composite deck slab, formed steel shape, positives moments, negatives moments, resistences moments, diaphragm.

8 Sumário 1. Introdução Motivação Objetivos Escopo Sistemas de Lajes Considerações Gerais de Lajes Empregadas em Estrutura de Aço Laje Maciça Lajes Pré-fabricadas ou Pré-moldadas com Nervuras e Blocos Lajes Treliçadas Lajes Protendidas Lajes Mistas Tipos de Lajes Mistas Sistema Misto com Deck-Metálico (Steel Deck) Sistema Proposto por Takey Sistema de Laje Mista Proposto Descrição dos Testes Experimentais Considerações Iniciais Descrição Geral dos Testes Experimentais Preparação dos Testes Fôrma de Contenção Lateral Armadura de Pele Contra Fissuras de Superfície Apoios Concreto Instrumentação Testes Experimentais Testes das Lajes BMP-1 e BMP Teste da Laje BMN Teste da Laje BMP Testes das Lajes BMN-2 e BMN

9 Testes das Lajes BMP-4 e BMP Testes das Lajes BMP-6 e BMP Resultados Experimentais Propriedades dos Materiais Propriedades Mecânicas Resultados dos Testes das Lajes Mistas com Perfil Tipo Bandeja Teste da Laje BMP Teste da Laje BMP Teste da Laje BMN Teste da Laje BMP Teste da Laje BMN Teste da Laje BMN Teste da Laje BMP Teste da Laje BMP Teste da Laje BMP Teste da Laje BMP Análise dos Resultados Cálculo do Momento de Inércia de uma Seção Mista Momento Positivo Momento Negativo Momento Positivo para Três Bandejas Cálculo da Resistência de Projeto das Lajes Mistas Cálculo da Resistência de Projeto para Momento Positivo Cálculo da Resistência de Projeto para Momento Negativo Cálculo da Resistência de Projeto para Momento Positivo para Três Bandejas Cálculo das Flechas das Lajes Mistas Considerações Finais Trabalhos Futuros Referências Bibliográficas...121

10 Lista de Figuras Figura Passarela construída com perfil C...21 Figura Escada construída com perfil C...21 Figura Detalhe das escoras e fôrmas para uma laje maciça...23 Figura Disposição dos elementos de uma laje pré-fabricada...24 Figura Concretagem de uma laje pré-moldada com blocos cerâmicos...25 Figura Modelo de treliça utilizada nas lajes...26 Figura Laje treliçada com enchimento de cerâmica...27 Figura Laje treliçada com enchimento de isopor...27 Figura Execução de uma laje protendida...28 Figura Execução da protensão de uma laje...29 Figura Lajes com fôrma de aço incorporado...30 Figura Geometria e fôrmas de aderência mecânica...32 Figura Modos de ruínas de lajes mistas...33 Figura Modos de ruínas...33 Figura Seção transversal do perfil C enrijecido...37 Figura Esquema da aplicação de carga...38 Figura Esquema de aplicação de carga para laje mista com uma bandeja...38 Figura Esquema de aplicação de carga para laje mista com três bandejas...39 Figura Modelo da seção transversal da laje mista...40 Figura Modelo da seção transversal da laje mista de três bandejas...40 Figura Forma de contenção lateral da laje mista...41 Figura Armadura de pele...42 Figura Apoio de primeiro gênero da laje mista...43 Figura Apoio de segundo gênero da laje mista...43 Figura Apoio de primeiro gênero da viga de distribuição...44 Figura Apoio de segundo gênero da viga de distribuição...44

11 Figura LVDT de 50 milímetros...46 Figura LVDT de 300 milímetros...47 Figura Relógio analógico...47 Figura Posicionamento dos LVDTs e do relógio na laje mista...48 Figura Detalhe do relógio...48 Figura Detalhe do LVDT...49 Figura Esquema do extensômetro no concreto na laje mista BMP Figura Esquema do extensômetro no aço na laje mista BMP Figura Detalhe dos extensômetros no concreto na laje mista BMP Figura Detalhe da laje BMN Figura Detalhe da fôrma com séptos nas extremidades e a cada terço do vão...51 Figura Posicionamento dos LVDTs e do relógio na laje mista...52 Figura Detalhe das lajes BMN-2 e BMN Figura Posicionamento dos LVDTs e do relógio nas lajes BMN-1 e BMN Figura Detalhe da fôrma com séptos nas extremidades e em cada terço do vão...54 Figura Posicionamento do relógio e dos LVDTs nas lajes mistas...55 Figura Detalhe das fôrmas soldadas...55 Figura Detalhe da solda nas fôrmas...56 Figura Detalhe da seção transversal das lajes BMP-6 e BMP Figura Detalhe dos espaçadores de vergalhões dobrados...57 Figura Detalhe dos vergalhões nos séptos...57 Figura Vista superior da laje...58 Figura Posicionamento dos relógios na laje mista...58 Figura Ensaio de Tração - Máquina Universal...59 Figura Detalhe do clip-gage de medição...60 Figura Posições dos corpos de prova...61 Figura Dimensões dos corpos de prova segundo ASTM

12 Figura Gráfico de Carga x Deslocamento, a partir dos valores medidos pelo relógio analógico no centro do vão - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir dos valores medidos pelos LVDTs, no centro e a cada terço do vão - BMP Figura Gráfico de Carga Deformação, a partir de valores medidos pelos extensômetros no centro do vão - BMP Figura Configuração final da laje após a ruptura do concreto - BMP Figura Detalhe da extremidade da laje - BMP Figura Detalhe da flambagem distorsional - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir dos valores medidos pelo relógio analógico no centro do vão - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir dos valores medidos pelos LVDTs no centro e em cada terço do vão - BMP Figura Gráfico de Carga Deformação, a partir de valores medidos pelos extensômetros no centro do vão - BMP Figura Detalhe da extremidade da laje - BMP Figura Detalhe da flambagem distorsional - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelo relógio analógico no centro do vão - BMN Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelos LVDTs no centro e nos terços do vão - BMN Figura Gráfico de Carga Deformações, a partir de valores medidos pelos extensômetros no centro do vão - BMN Figura Detalhes das fissuras - BMN

13 Figura Detalhe da ruptura dos extensômetros - BMN Figura Vista da flecha da laje BMN Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelo relógio analógico no centro do vão - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelos LVDTs no centro e em cada terço do vão - BMP Figura Detalhe da ruptura do concreto - BMP Figura Detalhe da flambagem distorsional - BMP Figura Vista da flecha da laje - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelo relógio analógico no centro do vão - BMN Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelos LVDTs no centro e em cada terço do vão - BMN Figura Detalhe das fissuras da laje - BMN Figura Foto mostrando a ausência de deslizamento do concreto - BMN Figura Vista da flecha da laje - BMN Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelo relógio analógico no centro do vão - BMN Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelos LVDTs no centro e em cada terço do vão - BMN Figura Detalhe da ruptura do concreto - BMN Figura Foto mostrando a ausência de deslizamento do concreto - BMN Figura Detalhe da flambagem distorsional da fôrma da laje - BMN

14 Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelo relógio analógico no centro do vão - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelos LVDTs no centro e a cada terço do vão - BMP Figura Foto da ruptura do concreto -BMP Figura Detalhe da flambagem distorsional da aba da fôrma - BMP Figura Vista da flecha da laje - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelo relógio analógico no centro do vão - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelos LVDTs no centro e em cada terço do vão - BMP Figura Foto da ruptura do concreto - BMP Figura Detalhe da flambagem distorsional - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelo relógio analógico no centro e em cada terço do vão - BMP Figura Foto 1 da ruptura do concreto - BMP Figura Foto 2 da ruptura do concreto - BMP Figura Foto 3 da ruptura do concreto - BMP Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelo relógio analógico no centro e em cada terço do vão - BMP-7 (pré-teste)...89 Figura Gráfico de Carga Deslocamento, a partir de valores medidos pelo relógio analógico no centro e em cada terço do vão - BMP Figura Foto 1 da ruptura do concreto - BMP Figura Foto 2 da ruptura do concreto - BMP Figura Vista da flecha da laje - BMP

15 Figura Seção transversal da laje mista para momento positivo...93 Figura Seção transversal da laje mista para momento negativo..95 Figura Seção transversal da laje mista composta de três bandejas...96 Figura Seção transversal da laje mista para momento positivo...98 Figura Seção transversal da laje mista para momento negativo Figura Seção transversal da laje mista para momento positivo composta de três bandejas Figura Gráfico de Carga x Deslocamento das lajes mistas BMP-1 - BMP Lista de Tabelas Tabela Valores de a para diversos tipos de blocos...24 Tabela Dimensões dos blocos de concreto...25 Tabela Especificação técnica das treliças...26 Tabela Dimensões das lajes mistas testadas...36 Tabela Resultados dos corpos de prova ensaiados...45 Tabela Características dos instrumentos utilizados...46 Tabela Dimensões dos corpos de prova do aço...61 Tabela Propriedades mecânicas do aço utilizado...62 Tabela Características dos testes realizados...63 Tabela Resultados dos testes realizados...92 Tabela Dados da seção mista para momento positivo...94 Tabela Dados da seção mista para momento negativo...95

16 Tabela Dados da seção mista composta de três bandejas...96 Tabela Momentos de inércia calculados...97 Tabela Forças abaixo da linha neutra Tabela Forças acima da linha neutra Tabela Braços de alavanca para forças abaixo da linha neutra Tabela Braços de alavanca para forças acima da linha neutra Tabela Forças abaixo da linha neutra Tabela Forças acima da linha neutra Tabela Braços de alavanca para forças abaixo da linha neutra Tabela Braços de alavanca para forças acima da linha neutra Tabela Forças abaixo da linha neutra Tabela Forças acima da linha neutra Tabela Braços de alavanca para forças abaixo da linha neutra Tabela Braços de alavanca para forças acima da linha neutra Tabela Resultado dos momentos para a primeira situação Tabela Resultado dos momentos para a segunda situação Tabela Resultado dos momentos para a terceira situação Tabela Comparação entre carga última e carga de serviço Tabela Flechas calculadas para uma carga de serviço de 300 kg/m Tabela Flechas calculadas para uma carga de serviço de kg/m Tabela Flechas medidas para uma carga de 9,5 kn Lista de Símbolos Letras Romanas Maiúsculas A E E a Área da seção transversal Braços de alavanca para forças abaixo da linha neutra Módulo de elasticidade do aço

17 E c F F a F aço F ck F concreto F y I local I sm L M M r M último P Q Y c Módulo de elasticidade do concreto Forças abaixo da linha neutra Força aplicada Força de resistência do aço Resistência característica do concreto Força de resistência do concreto Tensão de escoamento do aço Momento de inércia local de cada material Momento de inércia da seção mista Comprimento do vão Momento Momento resistente Momento último Carga Carga de serviço Centróide da seção mista Letras Romanas Minúsculas b e f l m n n q y Largura efetiva da laje mista Braços de alavanca acima da linha neutra Forças acima da linha neutra Comprimento do vão 3 Número de forças acima da linha neutra Número de forças abaixo da linha neutra Fator de transformação do concreto/aço Carga distribuída na laje mista Centróide de cada material Letras Gregas φ φ c ρ Coeficiente de resistência do aço Coeficiente de resistência do concreto Relação entre momento medido e momento previsto

18 χ Relação entre carga última e carga de serviço Flecha da laje mista Lista de Abreviaturas BMP BMN LN ASTM LVDT CSA NBR LEM-DEC PUC-Rio Bandeja para momento positivo. Bandeja para momento negativo. Linha neutra. American Society for Testing and Materials. Linear Variable Differential Transducer. Canadian Standards Association. Norma Brasileira Registrada. Laboratório de Estruturas e Materiais Departamento de Engenharia Civil. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.