PLACA DE BASE PARA COLUNAS METÁLICAS TUBULARES: ABORDAGEM EXPERIMENTAL (1) HOLLOW STEEL COLUMN BASE PLATES: EXPERIMENTAL APPROACH (1)

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1 PLACA DE BASE PARA COLUNAS METÁLICAS TUBULARES: ABORDAGEM EXPERIMENTAL (1) HOLLOW STEEL COLUMN BASE PLATES: EXPERIMENTAL APPROACH (1) Arlene Maria Sarmanho Freitas (2) João Aberto Venegas Requena (3) William Dener Assis Fonseca (4) Daniela Grintaci Vasconcellos Minchillo (5) Resumo O uso de perfis de seções tubulares na construção de estruturas metálicas possui muitas vantagens sendo utilizado no Brasil na execução de diversas estruturas. Neste presente trabalho apresenta-se um estudo experimental para analisar a resistência de placas de base de colunas formadas por barras metálicas tubulares. O programa experimental envolve ensaios em colunas curtas com placas de base conectadas através de chumbadores a uma base de concreto com resistência controlada. A excentricidade de carregamento é um parâmetro crítico para a análise sendo observado nos ensaios os modos de colapso obtidos e as conformidades destes com as avaliações teóricas realizadas em outra pesquisa. Palavras-chave: Sistemas tubulares, Seções tubulares, Ligações. Abstract: The use of tubular sections in steel construction has a lot of advantages. In Brazil frequently use these sections in a lot of structures. This paper presents an experimental program to analysis the strength of column base plates connections made of steel tubes. The experimental program developed use stub columns with steel base plates connected by bolts in concrete foundation and the concrete strength was control. The load eccentricity is important in analysis, than during the tests were observed the mechanism of collapse. The tests results were compared with theoretical analysis presents in other paper. Key-words: Hollow Systems, Hollow Sections, Connections, Base Plates (1) - Contribuição Técnica a ser apresentada no II Congresso Internacional da Construção Metálica II CICOM - novembro, 2002 São Paulo, SP, Brasil. (2) - Prof. Adjunto do Departamento de Engenharia Civil EM/UFOP Ouro Preto, MG, Brasil. (3) - Prof. Adjunto do Departamento de Estruturas FEC-UNICAMP Campinas, SP, Brasil. (4) - Graduando do Curso de Engenharia Civil EM/UFOP Ouro Preto, MG, Brasil. (5) - Mestranda do Departamento de Estruturas FEC-UNICAMP Campinas, SP, Brasil.

2 1-INTRODUÇÃO As placas de base são utilizadas para distribuir a carga de uma coluna em aço para a fundação em concreto. As placas de base de colunas podem estar submetidas a tipos de carregamento que dependem da excentricidade da aplicação da carga. Para carregamento centrado e de pequenas excentricidades praticamente toda a placa de base está submetida à compressão, neste caso a ancoragem através dos chumbadores não é essencial para o equilíbrio do sistema. No entanto quando se tem excentricidade maior a ancoragem passa a ser importante e responsável pelo equilíbrio. Alguns pesquisadores têm apresentado programas experimentais para avaliação do comportamento de placas de base principalmente observando a influência de sua espessura e da posiç ão do carregamento, entre eles podemos citar como exemplo, DEWOLF (1980), DEWOLF (1990), THAMBIRATNAM (1986). Nestas pesquisas observa-se que as regiões de maiores tensões dependem da influência da excentricidade e conseqüentemente o momento tem papel importante nas avaliações de projeto. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental para avaliar a influência da excentricidade no modo de colapso da placa de base e os valores de carga de projeto são comparados com os resultados experimentais. Nesta fase do projeto a posição do carregamento foi variada considerando-se o mesmo protótipo. A excentricidade foi igual a uma vez o raio no primeiro ensaio, ou seja, próximo do núcleo central (área interna do tubo) este ensaio será chamado de Ensaio 1. No segundo ensaio, Ensaio 2, a excentricidade foi igual a duas vezes o raio externo do tubo. Foi avaliada ainda a distribuição de deformações medidas através de extensômetros elétricos de resistência a cada etapa de carregamento, bem como a sua comparação com as diferentes excentricidades. 2- AVALIAÇÕES TEÓRICAS Para a confecção do protótipo utilizou-se o dimensionamento de placas de bases proposto por PACKER (1997), AISC (1997) e descrito a seguir. Os resultados apresentados a seguir das avaliações restringem-se a placa de base. As placas de bases de colunas tubulares são dimensionadas baseando-se na projeção do balanço que se forma na placa pela transferência do carregamento através das paredes do perfil tubular. DEWOLF & RICKER (1990) indicam que para perfis tubulares de seção circular a projeção do balanço, m, deve ser calculada, subtraindo-se à largura da placa um valor igual a 0,8 vezes o diâmetro do tubo (Figura 1). m D P2 P1 m l 0,8D m Figura 1 Projeção m e ilustração da placa e pressão de contato (MINCHILLO (2002)).

3 Adotando-se uma placa de base quadrada de lado igual a 300mm, calcula-se o momento de solicitação de cálculo, M sd, e a pressão de contato, P 1 e P 2 (figura 1) em função da excentricidade do carregamento axial. Para o dimensionamento têm-se os dados listados a seguir e os resultados encontram-se na tabela I. Estes procedimentos foram baseados em estudos teóricos e numéricos apresentados em MINCHILLO (2002). f y = 350 MPa (tensão de escoamento da placa de base); Diâmetro: 168,3mm (diâmetro da coluna); Espessura: 11,0mm (espessura do tubo da coluna); f ck do bloco: 34,2 MPa (resistência do bloco de concreto); Carregamento axial: determinado para obter a espessura final da placa igual a 12,5 mm; E aço : 205 GPa (módulo de elasticidade do aço da placa de base); E concreto : 28,8 GPa (módulo de elasticidade do bloco de concreto). Tabela I: Pressão de contato nas placas de bases para as excentricidades dos ensaios realizados. Excentricidade (mm) Momento (kn.mm) P 1 (MPa) P 2 (MPa) e 1 = 84,2 7657,7 2,7 1,8 e 2 = 168,3 9761,4 2,8 1,6 A projeção m do balanço é de 82,7mm (figura 1). Pelas expressões da literatura, nas duas abordagens principais, variando em função da excentricidade do carregamento, temos na tabela II os momentos nas bordas para as espessuras de 12,5 mm para as placas de bases. Tabela II: Espessuras das placas de bases para as excentricidades dos ensaios. Excentricidade (mm) Momento na borda (N.mm) Espessura (mm) e 1 = 84,2 8203,7 12,5 e 2 = 168,3 8254,8 12,5 3- PROGRAMA EXPERIMENTAL A seguir é apresentado o programa experimental desenvolvido neste trabalho seguindo o projeto do protótipo baseado no apresentado no item anterior, e o projeto do sistema de apoio e de carregamento. São apresentados também os esquemas de instrumentação, aquisição de dados e metodologia de ensaio. 3.1-Projeto da Placa de Base Para avaliação da placa de base foi projetado 1 (um) protótipo com coluna curta tubular de seção transversal circular de comprimento definido para que não ocorra fenômenos como de flambagem da mesma. Para a aplicação de carga foi projetado um consolo na extremidade livre da coluna de forma a absorver os níveis de carga previstos. A placa de base foi dimensionada para níveis de cargas tais que o colapso ocorra na placa de base que é o objeto da pesquisa em desenvolvimento. Na figura 2 tem-se as dimensões de projeto do protótipo ensaiado.

4 6 6 placa de aplicação da carga x 250 x 16 mm Corte A-A perfil tubular circular d = mm esp. 11 mm placa de base 300 x 300 x 12.5 mm 6 Vista Frontal placa de aplicação da carga 395 x 250 x 16 mm Det. Placa de Base φ placa de base 300 x 300 x 12.5 mm Ø 168,3mm esp. 11 mm Figura 2 Projeto do protótipo ensaiado Observou-se ainda que houve imperfeições de fabricação na placa de base em função de tensões residuais oriundas do aquecimento durante a execução das soldas de ligação. Na figura 3 observam-se estas imperfeições de fabricação em que as extremidades da placa de base foram deslocadas nas extremidades com uma curvatura em relação a vertical. Para destacar a visualização das imperfeições na fotografia, foram colocadas moedas sob a placa de base, conforme indicado pelas setas desenhadas. Figura 3 Detalhe das imperfeições na placa de base

5 3.2 Confecção do Bloco de Apoio. Para a confecção do bloco de apoio foi utilizado cimento tipo ARI e com resistência de projeto do concreto, f ck, igual a 20 MPa. Os ensaios de resistência do concreto a 7 dias e nos dias dos ensaios realizados são apresentados na tabela III e foram utilizados no dimensionamento apresentado no item 2. Tabela III: Resistência do concreto medido através de ensaios em corpos de prova moldados no dia da concretagem do bloco de apoio. Idade do concreto Resistência do concreto (MPa) 7 dias 33,85 22 dias (Ensaio 1) 34,3 35 dias (Ensaio 2) 37,2 O bloco de apoio foi armado nas duas direções utilizando barras de diâmetro de 8,0 mm de modo a evitar ruptura e danos no mesmo e ainda possibilitar sua fixação na placa de reação. A figura 4 ilustra o esquema de projeto do bloco. Observa-se que o furo previsto na base do bloco de apoio possibilita diversas posições do mesmo e conseqüentemente excentricidades variadas no protótipo utilizando-se para este fim um único bloco de apoio. Após a retirada da forma do bloco foi executado o grout de aproximadamente 3 cm para nivelamento da superfície do mesmo e ajuste do protótipo ,4 229,2 83, ,4 229,2 83, ,9 76,2 161,9 400 Dimensões em mm Figura 4 - Detalhes do bloco de apoio projetado para os ensaios do protótipo Chumbadores Para a ancoragem da placa de base foram utilizadas barras rosqueadas de 19 mm como chumbadores. Na extremidade inferior das barras foram utilizadas porcas de modo a possibilitar maior ancoragem da mesma. No projeto dos chumbadores foi prevista uma resistência de modo a induzir inicialmente o colapso da placa de base para posterior colapso das barras (AISC (1997)).

6 3.4- Montagem dos ensaios Os ensaios realizados foram em número de dois com excentricidades de carregamento diferentes para cada ensaio. Os ensaios têm a nomenclatura de Ensaio 1 e Ensaio 2 e possuem o mesmo esquema de montagem. A foto da figura 5 ilustra o esquema geral de montagem dos dois ensaios realizados. A excentricidade do carregamento aplicado no protótipo foi igual ao raio externo do tubo para o Ensaio1 (e 1 = 84,2 mm) e de duas vezes o raio externo para o Ensaio 2 (e 2 = 168,3 mm). Inicialmente o bloco foi posicionado de modo a ter-se a excentricidade de carga de cada ensaio realizado. Após o posicionamento, o bloco de apoio foi nivelado com gesso para retirar os desníveis oriundos da concretagem. Na posição ajustada para a excentricidade da carga o bloco foi preso a laje de reação através de parafusos e na região submetida à tração. Em seguida a placa de base foi parafusada no bloco de apoio com o grout ainda trabalhável de modo a ajustar as imperfeições da placa de base (figura 3). Para aperto das porcas utilizou-se torquímetro de modo a ter a mesma carga nas 4 barras de ancoragem do projeto. Figura 5 Esquema geral de montagem dos ensaios 1 e 2.

7 3.5- Instrumentação Para a instrumentação dos corpos de prova foram utilizados extensômetros elétricos de resistência (EER), LVDT, defletômetros, célula de carga, indicador de deformação e sistema automático de aquisição de dados. Os extensômetros são do tipo roseta e linear fabricado pela KYOWA e de modelos KFC 2 D16-11 (90 graus) e KFC C1 11, respectivamente. Estes foram posicionados na placa de base e em chumbadores. A foto da figura 6 e a figura 7 ilustram a instrumentação com EER lineares (E1 e E2). Estes estão localizados nos chumbadores tracionados de modo a monitorar as deformações nos mesmos. O corte A-A da figura 7 mostra o posicionamento dos extensômetros na face superior da placa de base e localizados a 3 cm do tubo, os EER identificados como E5 a E8 são do tipo roseta e o E9 linear. O corte B-B da figura 7 ilustra o posicionamento dos extensômetros tipo roseta (E3 e E4) no centro da placa e na sua face inferior. Estes extensômetros foram colados de modo a possibilitar a medida das deformações na região de maiores deformações. As regiões de instrumentaç ão foram selecionadas a partir de avaliação numérica do ensaio utilizando o software comercial (MINCHILLO (2002)). Figura 6 Detalhe do esquema de instrumentação com extensometria utilizado nos chumbadores dos ensaios 1 e 2.

8 Chumbadores Instrumentados E5 30 E6 E7 E8 E9 30 Corte B - B E2 E1 Seção transversal dos chumbadores instrumentados 73,2 E4 73,2 E3 E2 E1 Dimensões em mm Figura 7 Detalhe do esquema de instrumentação com extensometria utilizado nos ensaios 1 e 2. Para medição dos deslocamento s na extremidade livre do protótipo foi posicionado um LVDT modelo MVL da SENSOTEC, com região linear nominal igual a 2 (5,08mm). Três defletômetros mecânicos, fabricante MITUTOYO, foram utilizados de modo a avaliar recalques do bloco e sua influência nos resultados de ensaio. A figura 8 ilustra o posicionamento dos defletômetros e LVDT. LVDT D1 D3 D2 D1, D2, D3 - Defletômetro Bloco de Concreto Figura 8 Detalhe do posicionamento do defletômetros e LVDT utilizados nos ensaios 1 e 2.

9 Para a aplicação da carga utilizou-se atuador hidráulico ENERPAC-RC 1008, com capacidade máxima de kn, fixado à mesa inferior da viga do pórtico de reação. Logo abaixo deste, foi posicionado, para medição do carregamento, célula de carga BERG CELL com capacidade de kn. O esquema geral do sistema de aplicação de carga e do posicionamento em relação a laje de reação estão ilustrados na figura 9. Viga do Pórtico de Reação Atuador Hidráulico Célula de Carga Laje de Reação Figura 9 Detalhe da montagem do sistema de aplicação de carga e fixação do bloco de apoio utilizado nos ensaios 1 e Sistema de Aquisição de Dados Nos ensaios realizados foram utilizados dois processos de obtenção de resultados: o primeiro deles para a medição dos deslocamentos na extremidade livre do protótipo e para acompanhamento e controle do carregamento aplicado e o segundo para a medição dos valores de deformação fornecida pelos extensômetros lineares e rosetas Deslocamentos e carregamento Utilizou-se um sistema de aquisição de dados via computador para a obtenção dos resultados fornecidos pela célula de carga e pelo LVDT. Para isto foi necessário um micro -computador e um amplificador de sinais para o LVDT e célula de carga. Um software específico foi utilizado para permitir um acompanhamento dos dados durante os ensaios através de gráficos, sendo os resultados armazenados em um arquivo ao final de cada experimento Deformações Os resultados fornecidos pelos extensômetros lineares e rosetas foram obtidos através de indicador de deformação e as medições foram realizadas a cada passo de carga enquanto o carregamento era mantido constante para que isto fosse possível.

10 3.7- Metodologia de Ensaio Inicialmente realizou-se um pré-ensaio para avaliação da instrumentação e sistema de aquisição. Para o pré-ensaio do ensaio 1 a carga máxima foi de 40,96 kn e observou-se deslocamentos no Defletômetro D1, para melhor avaliar a causa destes deslocamentos foram colocados os defletômetros D2 e D3. Observou-se que causa dos deslocamentos eram devidas as acomodações do conjunto bloco de concreto e protótipo. A cada etapa de carga foi realizada a aquisição de deformações e deslocamento. Para o ensaio 2 a acomodação citada deu-se a níveis menores de carga. 4- APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS Os resultados obtidos serão apresentados e analisados separadamente para cada ensaio realizado. 4.1 Ensaio 1 Para o ensaio 1 a carga máxima obtida foi de 600,3 kn este valor não levou a placa de base ao colapso e o ensaio foi paralisado por problemas no sistema de aplicação de carga. Após o descarregamento do protótipo as deformações obtidas anteriormente voltaram a original, ou seja, não houve deformação residual nos pontos instrumentados do protótipo. Assim, foi avaliado que o colapso se daria para níveis de carga maiores devido principalmente a excentricidade de carga, ou seja, próximo ao núcleo do tubo. Observaram-se ainda trincas no grout não oriundas do ensaio, mas de teste realizado anteriormente aos ensaios devido a necessidade de definir o material a ser utilizado no nivelamento do bloco de concreto. Estas trincas não aumentaram após o ensaio 1 não caracterizando influência no mesmo. A deformação máxima obtida foi de 687 microstrain no extensômetro E6. Observou-se ainda que as maiores deformações ocorreram no centro do tubo na região do núcleo de carga, caracterizando assim a alta concentração das tensões através de transmissão de cargas pelo tubo para a placa de base. Na figura 10 tem-se o gráfico de carga x deformação dos extensômetros colados no protótipo 1. Ressalta-se ainda que não houve deslocamentos na extremidade do protótipo onde se posicionava o LVDT. Após atingir a carga máxima citada, o protótipo foi descarregado e observou-se que o material da placa de base não sofreu escoamento com as deformações retornando a valores próximos a zero, portanto dentro da fase elástica do material. Assim, o mesmo protótipo foi carregado a uma excentricidade igual a duas vezes o raio, sendo este o Ensaio 2.

11 ENSAIO 1 CARGA x DEFORMAÇÃO 600 Carga (kn) VISTA INFERIOR DA PLACA DE BASE E4 E3 Seção transversal dos chumbadores instrumentados Tracionados Microstrain E1 E2 VISTA SUPERIOR DA PLACA DE BASE E5 E6 E7 E8 E9 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 Figura 10 Relação carga x deformação dos extensômetros E1 a E9 do Ensaio Ensaio 2 O ensaio2 foi realizado para uma excentricidade duas vezes o raio externo do tudo se obtendo o colapso da placa de base. A carga máxima foi de 301,30 kn e a deformação máxima foi de 3364 microstrain no extensômetro E6. A figura 11 ilustra a deformada na face mais tracionada da placa de base para a carga máxima. Na figura 12 observa-se a vista lateral da placa de base com um modo similar ao da figura anterior, mas de menor deformaç ão. P = 301,30 kn Figura 11 - Vista da deformada na região tracionada, da placa de base.

12 P = 281,1 kn Figura 12 - Vista da deformada na região lateral, da placa de base. Na figura 13 têm-se os valores medidos das deformações. Observa-se que os extensômetros E6 e E5, que estão na crista mais tracionada e deformada da placa de base, possuem os maiores valores de deformação. O E7 e E8 possuem menores deformações que E6 e E7 em função da proximidade com os chumbadores, sendo que E8 tende a diminuir seu valor em função da forma do amassamento da placa de base. Os extensômetros E3 e E4 praticamente não apresentam deformação já que para o nível de excentricidade deste ensaio a placa de base passa a ser determinante na eficiência do conjunto placa-bloco. Com relação E1 e E2 tem-se ambos tracionados sendo o mais distante da carga, E2, com maiores valores. ENSAIO 2 CARGA x DEFORMAÇÃO 300 Carga (kn) VISTA INFERIOR DA PLACA DE BASE E4 E3 Seção transversal dos chumbadores instrumentados Tracionados E1 E8 E Microstrain Figura 13 Relação carga x deformação dos extensômetros E1 a E9 do Ensaio 2. E5 E7 E2 VISTA SUPERIOR DA PLACA DE BASE E6 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9

13 A deformação no escoamento de 1731 microstrain para a carga de 219,7 kn e ocorreu no extensômetro E6 e o nível desta carga é elevado (58 kn) quando comparado a carga de projeto calculada como no item 2 tendo-se a espessura fixa em 12,5 mm. No gráfico da figura 14 têm-se os deslocamentos nos defletômetros e LVDT. Observa-se que os defletômetros, responsáveis pela leitura de possíveis movimentos do bloco de apoio indicaram que para níveis baixos de carga já houve a estabilização do mesmo. O LVDT para a carga máxima mediu 6,89 mm de deslocamento na extremidade do bloco que é função do deslocamento da placa de base. ENSAIO 2 CARGA x DESLOCAMENTO 350 LVDT D1 D2 D LVDT Carga (kn) D1 D3 100 D Deslocamento (mm) Figura 14 Relação carga x deslocamento dos defletômetros D1 a D3 e LVDT do Ensaio CONCLUSÕES Este trabalho apresenta os resultados de uma análise experimental de placa de base solicitada à força normal e momento fletor. Nos ensaios realizados foi variada a excentricidade de carga para uma mesma espessura. Para a menor excentricidade, Ensaio 1, a carga máxima foi aproximadamente 100% superior que a de maior excentricidade relativa ao Ensaio 2. De acordo com as deformações medidas observou-se que para um mesmo valor de carga nos dois ensaios tem-se que as deformações aumentam significativamente para o ensaio com maior excentricidade. No entanto, variações no tamanho da espessura, o que está previsto em trabalhos futuros, possibilitarão a avaliação da variação da espessura conjuntamente com a excentricidade. Observou-se que para excentricidade elevadas, Ensaio 2, o colapso se deve ao escoamento da placa de base, e para a excentricidade do Ensaio 1, que é próxima do núcleo, parte interna do tubo, o mesmo não ocorre, sendo que o blo co exerce forte contribuição na resistência do conjunto. Observa-se ainda que a excentricidade do Ensaio 1 é caracterizada de valor

14 moderado no dimensionamento, ou seja, maior que 1/6 da largura da placa e menor que 1/2 do mesmo valor (AISC (1997)). Esta consideração gera resultados mais conservadores. Com relação às avaliações teóricas, a teoria de uma viga em balanço com carregamento uniformemente distribuído utilizada para avaliar a resistência da placa de base conduzem a resultados conservadores apesar da simplicidade de sua utilização. 6- REFERÊNCIAS AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION AISC, 1997, Hollow Structural Sections Connections Manual. DEWOLF, J.T.& SANSLEY, E.F., 1980, Column Base Plates with Axial Loads and Moments. Journal of the Structural Division ASCE, v.106, p DEWOLF, J.T.& RICKER, D. T., 1990, Column Base Plates, AISC Design Guide I. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL. MANCHILLO, D. G. V., REQUENA, J. A. V., FREITAS, A. M. S., 2002, Placa de Base para Colunas Metálicas Tubulares: Abordagem Teórica. II Congresso Internacional de Construção Metálica, São Paulo, cd room. PACKER, J.A.; HENDERSON, J.E., 1997, Hollow Structural Section: Connections and Trusses - a Design Guide. Canadian Institute of Steel Construction, Universal Offset Limited, Toronto, Canada, 2.ed. THAMBIRATNAM, D.P. & PARAMASIVAM, P., 1986, Base plates under axial loads and moments. Journal of Structural Engineering, v.112, n.5, p AGRADECIMENTOS Os autores deste trabalho agradecem o apoio da V&M do Brasil.