Novas Tecnologias para as Estruturas de Madeira

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1 SEMINÁRIO DE MATERIAIS E PROCESSOS DE CONSTRUÇÃO CURSO DE MESTRADO EM ESTRUTURAS DE ENGENHARIA CIVIL J O R G E B R A N C O A l u n o d e D o u t o r a m e n t o Assistente Grupo de Estruturas - Universidade do Minho jbranco@civil.uminho.pt 2 Coordenação de Luís Juvandes 1

2 3 4 Coordenação de Luís Juvandes 2

3 5 6 Coordenação de Luís Juvandes 3

4 7 8 Coordenação de Luís Juvandes 4

5 9 1 Coordenação de Luís Juvandes 5

6 11 12 Coordenação de Luís Juvandes 6

7 13 O material 14 A madeira é um material orgânico e natural de estrutura celular. Não sendo homogénea é constituída por um conjunto de células (fibras) responsáveis pela condução da seiva, armazenamento de substâncias nutritivas e suporte. A árvore produz esta estrutura tubular em resposta aos esforços a que está sujeita ao longo da sua vida: flexão por acção do vento e de compressão por acção da gravidade. Coordenação de Luís Juvandes 7

8 15 Material Massa Volúmica (kg/m 3 ) Tracção (MPa) Compressão (MPa) Flexão (MPa) // // Corte (MPa) Módulo de Elasticidade (GPa) Madeira Betão Aço Bom comportamento à flexão; - Bom comportamento na direcção das fibras; - Redução das capacidades resistentes na direcção normal às fibras; - Baixa resistência ao corte; - Baixo módulo de elasticidade. 16 Regras Práticas - Não retrai nem dilata na direcção do fio; -A Volumétrica ocorre apenas para ω PSF; - A retracção/dilatação tangencial é dupla da radial: o coeficiente de retracção/dilatação pode assumir-se com o valor de 1% por cada 3% de variação ω, para a direcção tangencial, sendo metade deste valor para a radial. Coordenação de Luís Juvandes 8

9 17 18 Aparecimento dos GLULAM (196) Desenvolvimento das resinas sintéticas Construção rápida e económica Aperfeiçoamento das técnicas de ligação Meios de classificação Processos de secagem Coordenação de Luís Juvandes 9

10 19 Novos Produtos 2 Coordenação de Luís Juvandes 1

11 21 22 Coordenação de Luís Juvandes 11

12 23 24 Coordenação de Luís Juvandes 12

13 25 Novas Tecnologias 26 LIGAÇÕES Coordenação de Luís Juvandes 13

14 27 LIGAÇÕES INVESTIGAÇÃO U.M S1 / S4 S2 S º 45º 8 12 My,d M y,d M y,d º 45º REFORÇO METÁLICO Coordenação de Luís Juvandes 14

15 29 TESTS ON FULL-SCALE BIRDSMOUTH JOINTS LEST (U. MINHO) 22 Unstrengthened (Originals) Strengthened - Monotonic and cyclic tests - Unstrengthened - Strengthening techniques Joints Stirrup Bolt Binding strip Loading Monotonic (+) Monotonic (-) Cyclic Monotonic (+) Monotonic (-) Cyclic Monotonic (+) Monotonic (-) Cyclic Monotonic (+) Monotonic (-) Cyclic σ c (MPa) 1,4 ; 2,5 1,4 ; 2,5 1,4 ; 2,5 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4 45 Ângle 3º ; 6º 3º ; 6º 3º ; 6º 3º 3º 3º 3º 3º 3º 3º 3º 3º 8 3º º 8 6º º 8 Pinus pinaster, Ait. NP 435:1995 and EN 48:24 3 TEST SETUP AND LOADING PROCEDURES _ d N 1 _ d + 11 F + F A 2,3 1 A Channels Transducers,1,2,3 LVDTs 1,11 Load cells Section A-A TEST SETUP - A steel test-hand - Two independent jacks - Four LVDT s - F-d curves measured Monotonic: 5mm with.28 mm/s Displacement.75d e 1. d e 2. d e 3. d e 4. d e 5. d e Cyclic: Time quasi-static cyclic loading Coordenação de Luís Juvandes 15

16 31 Força (kn) A1 A2 A3 1,4 MPa 2,5 MPa Deslocamento (mm) d - σ c F - UNSTRENGTHENED CONNECTIONS σ c d + F+ A4 A5 A6 1,4 MPa 2,5 MPa Força (kn) Força (kn) Deslocamento (mm) º 6º 3º 6º Força (kn) UNSTRENGTHENED CONNECTIONS Força (kn) 5-5 Força (kn) -5 - d d + σ c = 1.4 MPa F + F σ c = 1,4 MPa σ c = 2,5 MPa -1 3º 6º Deslocamento (mm) Deslocamento (mm) No damage Compression Shear Coordenação de Luís Juvandes 16

17 33 STRENGTHENING TECHNIQUES STIRRUP BOLT BINDING STRIP Metal devices were intended to counteract out-of-plane actions. Strengthening also concerns the behaviour of the friction-based connection in its own plane, and is intended to avoid the detachment of the connected members. In seismic areas, strengthening can prevent loss of capacity and possible separation of friction surfaces due to the decrease of compression forces. 34 STRENGTHENING TECHNIQUES 15 1 _ d d + N = 25 kn _ F + F 5 Force (kn) Unstrengthened + Unstrengthened - Binding Strip + Binding Strip - Stirrup + Stirrup - Bolt + Bolt Displacement (mm) INCREASE OF THE DUCTILITY Coordenação de Luís Juvandes 17

18 35 STRENGTHENING TECHNIQUES 2 2 Force (kn) 1-1 Unstrengthened Stirrup 1-1 Force (kn) Displacement (mm) Displacement (mm) 2 2 Force (kn) Binding Strip Bolt Force (kn) Displacement (mm) Displacement (mm) 36 STRENGTHENING TECHNIQUES Joint Dissipated Energy (kj) V eq (%) [d max+ ; d max- ] (mm) F max + (kn) F max - (kn) Unstrengthened (1,4 MPa) 23 2,45 32,32 6,2 11,57 Unstrengthened (2,5 MPa) 38 3,96 3,32 9,45 17, Binding Strip ,85 58,1 23,38 25,47 Bolt ,86 48,6 15,29 21,8 Stirrup ,57 5,43 18,9 15,6 Strengthening techniques were efficient in the improvement of the hysteretic behaviour: - Increase in the amount of energy dissipated - Considerable hysteretic equivalent viscous damping ratios (V eq ) - More cycles achieved (bigger displacement amplitude) - Increase of the joint resistance Coordenação de Luís Juvandes 18

19 37 k U + ; k U - k P + ; k P - k R + ; k R - NUMERICAL MODELLING Model parameters + k + M u + k + 1 M + y k U + k P + + φ y φ u - k R k + ; k - k + 1 ; k - 1 M + u ; M - u φ + u ; φ - u M + y ; M - y φ + y ; φ - y Initial tangent stiffness - k Maximum moment - M u Yielding moment - M y Residual stiffness - k U Initial secant stiffness - k 1 Maximum rotation - φ u Yielding rotation - φ y Unloading secant stiffness - k P Residual stiffness passing from the positive to the negative moment - k R 38 FULL SCALE TESTS 1.1m 1.1m Coordenação de Luís Juvandes 19

20 39 RESULTS Symmetric loads Dx Sx A7 A Load (kn) (mm) ,6 A1 3,5 3 M1 2,5 (mm) 1,2,8 (mm) 2 1,5,4 1,5 4 RESULTS Symmetric loads Dx Sx A7 A Load (kn) (mm) A3 A5 (mm) Coordenação de Luís Juvandes 2

21 41 RESULTS Asymmetric loads Load (kn) Dx Sx (mm) A7 A M1 - Asymmetric M1- Symmetric 1,8 R5 R6 (mm) (mm),6,4 4 2,2 42 STRENGTHENING Coordenação de Luís Juvandes 21

22 43 FAILURE TRUSS 1 TRUSS Dx Sx 4 8 Load (kn) 3 2 Dx Sx Load (kn) FAILURE TRUSS 1 Coordenação de Luís Juvandes 22

23 45 FAILURE TRUSS 2 46 ARMADURA Coordenação de Luís Juvandes 23

24 47 VARÕES INSERIDOS 48 INVESTIGAÇÃO U.M. + UNITN COM CHAPA DE TESTA SEM CHAPA DE TESTA Coordenação de Luís Juvandes 24

25 49 MÉTODO DAS COMPONENTES COMPONENTES MOLA ELÁSTICA F = k i E i ALMA CHAPA DE EXTREMIDADE MADEIRA z k k3 φed Mj,Ed CHAPA DE EXTREMIDADE VARÃO k1 k2 M jed, φ = F z 2 jed, S jini, = = i φed i Ed = z M F z F i = k E i S E z = k 2 jini, 1 i 5 CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS MOMENTO RESISTENTE M j,rd RIGIDEZ DE ROTAÇÃO S j CAPACIDADE DE ROTAÇÃO φ Cd Mj,Ed,l Mj,Ed,r φed,l φed,r RELAÇÃO MOMENTO - ROTAÇÃO: Coordenação de Luís Juvandes 25

26 51 ENSAIO 52 4 COMPORTAMENTO DÚCTIL DA LIGAÇÃO Carico [kn] P6 P1 P1 - senza piastra di testa P14 P18 P2 - flangia irrigidita 1 5 PLASTIFICAÇÃO DAS CHAPAS E VARÕES Abbassamento [mm] PROPRIEDADES DA LIGAÇÃO FÁCEIS DE SEREM ALTERADAS VALORES DE DUCTILIDADE ESTÁTICA ELEVADOS BOM COMPORTAMENTO DA LIGAÇÃO SEM CHAPA DE EXTREMIDADE Coordenação de Luís Juvandes 26

27 53 MODELO NUMÉRICO SAP 2 LIGAÇÕES MOLAS ELÁSTICAS (ROTAÇÃO -FRAME PARTIAL FIXITY SPRINGS) RÓTULAS PLÁSTICAS (FRAME HINGES ) ANÁLISE REALIZADA 4 ANÁLISE ESTÁTICA LINEAR: peso proprio carga aplicada (controlo de deslocamentos) RESULTADOS PRÓXIMOS AOS ENSAIOS FERRAMENTA ÚTIL DE DIMENSIONAMENTO: análise elástica linear análisepush-over Carico [kn] PROVINO P Abbassamento [mm] 54 SISTEMAS VIGA-PILAR CARACTERÍSTICAS pré-fabricação fácil montagem versatilidade da ligação LIGAÇÕES DE NÓS DE PÓRTICOS REVESTIMENTO COM PANÉIS Estética Protecção ao fogo Possibilidade de inspecção Coordenação de Luís Juvandes 27

28 55 EXEMPLO DE APLICAÇÃO GL 24h Plywood (26mm) b Plan b-b Steel ring (Ø3mm) Bolts M24 Class Width 3 2 Acceleration(m/s2) Time (s) 56 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO pode evitar a remoção de estruturas antigas de madeira betão à compressão e madeira à tracção capacidade resistente duplicada rigidez aumentada 3 a 4 vezes diminuição de vibrações isolamento acústico protecção ao fogo protecção face à água utilização de construções antigas Coordenação de Luís Juvandes 28

29 57 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO Tábuas de soalho Viga secundária Tábuas de soalho Viga Viga principal Betão Malhasol Betão Malhasol Prego Prego 58 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO Coordenação de Luís Juvandes 29

30 59 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO Conector Hilt - Hit Betão Madeira 6 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO h 1 b 1 σ 1 σ m,1 2 h 1/2 ( ) = ( + γ 2 EI ef Ei I i i Ei Ai ai i= 1 ) h 2 E1, A1, I 1 K u a 1 a 2 s eq =. 75 s s min max E2, A 2, I2 b 2 σ σ m,2 2 h 2 /2 (EI) u ef fin (1 Nmm ) 2.2 (cm) (6) 1. (8) (1) (12) (16) (2) (25) K u (N/mm) Coordenação de Luís Juvandes 3

31 61 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO - INVESTIGAÇÃO LM1 Prego LM2 Conector Tecnaria LM3 Conector SFS Específicos LM4 Prego sem cofragem perdida Provete de madeira Malhasol Betão leve Esquema de ensaio 5 Betão leve Ligador Provete de madeira Malhasol Contraplacado Ligador 18 5 Contraplacado SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO - INVESTIGAÇÃO k ser =9.99 kn/mm Força (kn) Provete k ser =9.81 kn/mm 3, 4,5 6, Provete 1 Provete 3 LM , 12,5 15, 17,5 2, Deslocamento (mm) Coordenação de Luís Juvandes 31

32 63 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO - INVESTIGAÇÃO 9 8 Provete Força (kn) Provete 1 Provete 2 LM2 2 1, 2,5 5, 7,5 1, 12,5 15, 17,5 2, 22,5 Deslocamento (mm) 64 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO - INVESTIGAÇÃO 7 6 Provete 1 5 Força (kn) 4 3 Provete Provete 3 LM3, 2,5 5, 7,5 1, 12,5 15, 17,5 2, 22,5 Deslocamento (mm) Coordenação de Luís Juvandes 32

33 65 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO - INVESTIGAÇÃO Provete 1 Provete 2 Força (kn) Plastificação do ligador LM4 1 Provete ,5 1, 12,5 15, 17,5 2, Deslocamento (mm) 66 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO - INVESTIGAÇÃO Os sistemas de ligação da SFS e da TECNARIA são mais adequados; O conector Tecnaria apresenta uma maior capacidade resistente e maior k ser ; Espera-se uma maior aposta nos ligadores desenvolvidos especificamente para utilização em lajes mistas madeira-betão em detrimento dos pregos ou mesmo de varões; O comportamento evidenciado pelo betão leve permite concluir que a sua utilização maximiza as vantagens evidenciadas pelas lajes mistas madeira-betão (redução do peso próprio). Coordenação de Luís Juvandes 33

34 67 SISTEMAS MISTOS MADEIRA BETÃO - APLICAÇÕES 68 SOLUÇÃO INOVADORA Coordenação de Luís Juvandes 34

35 69 PRÉ- ESFORÇO 7 REFORÇO COM FRP s Coordenação de Luís Juvandes 35

36 71 REFORÇO COM FRP s INVESTIGAÇÃO U.M. 72 MANTA CURADA IN SITU LAMINADO PRÉ-FABRICADO TRÊS FORMAS DE REFORÇO: EXTERNO INTERNO SEM CAVIDADE INTERNO COM CAVIDADE Coordenação de Luís Juvandes 36

37 73 Aderência madeira - CFRP cola (resina, adesivo e FRF) ENSAIOS PULL-OFF preparação da superfície aplicação de primário? sistema compósito Estudo 1 Cola - madeira Estudo 2 Compósito - madeira 74 Ensaios à flexão - concepção dos modelos 1 viga de referência sem reforço 18 VIGAS GLULAM (9x22.5X4 cm 3 ) 9 vigas reforçadas com mantas de CFRP: - 3 com reforço externo. - 3 reforçadas internamente na face inferior da penúltima lamela. - 3 reforçadas internamente na face inferior da penúltima lamela onde se efectuou uma cavidade para colocar o reforço. 2 camadas com 7 mm de 8 vigas reforçadas com laminados de CFRP: largura (e =.167 mm) - 2 com reforço externo. [ EA] la min ado = [ EA ] manta - 3 reforçadas internamente na face inferior da 1 tira com 2 mm de largura (e = 1.4 mm) penúltima lamela. - 3 reforçadas internamente na face inferior da penúltima lamela onde se efectuou uma cavidade para colocar o reforço. Coordenação de Luís Juvandes 37

38 Carga (kn) Deslocamento Central (mm) 76 Reforço sistema e materiais Madeira: Eucalipto antigo Madeira maciça Manta: MAPEWRAP C UNI-AX 3/2 Resina: MAPEWOOD GEL 12 Manta CFRP (2 x 6 cm) Sistema Resina Tensão (MPa) 3 E (GPa) 2 ε ult. (%) 1.2 Esp. (mm) - Manta > ª FASE: avaliação da aderência madeira-resina (ensaios pull-off) 2ª FASE: ensaios à flexão de vigas reforçadas Coordenação de Luís Juvandes 38

39 77 Load (kn) Vm-1 3 Vm-2 2 Vm-3 1 Vm Mid-span deflection (mm) ROTURA POR CORTE Valores médios: E = 22,6 GPa f m = 9,9 MPa Vm-1 e Vm-3 LENHO DE COMPRESSÃO ROTURA POR FLEXÃO Vm-4 78 Reforço - eficácia Propriedade Não reforçadas Reforçadas Var. (%) Módulo de elasticidade E (GPa) Resistência à Flexão f m (MPa) eficaz no aumento do E (+ rigidez) - aumento do comportamento plástico - não são claros os benefícios na resistência - forte influência das irregularidades detectadas na inspecção visual Coordenação de Luís Juvandes 39

40 79 COLAGEM MADEIRA-VIDRO - INVESTIGAÇÃO U.M. 8 BIBLIOGRAFIA Branco J.M., Cruz P.J. (22) - Lajes Mistas de Madeira-Betão. em Engenharia Civil - Revista do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, N.º 15, pp Branco J. M. (23) - Comportamento das Ligações Tipo Cavilha em Estruturas Mistas Madeira-Betão. Tese de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil, Universidade do Minho, Fevereiro, Guimarães. Branco J., Cruz P., Piazza M. and Varum H. (26) Modelling of timber joints in traditional structures. International Workshop on Earthquake Engineering on Timber Structures. Coimbra, Portugal, November 26, pp Dias S., Branco J. and Cruz P. (26) - Compósitos de CFRP unidireccionais no reforço de vigas de madeira lamelada-colada. Revista Internacional Construlink, ISSN , Nº 11 Fev. 26, Vol. 4, pp Branco J., Cruz P., Piazza M. and Varum H. (26) - Strengthening Techniques of Portuguese Traditional Timber Connections. Structural Analysis of Historical Constructions. P.B. Lourenço, P. Roca, C. Modena, S. Agrawal (Eds.), New Delhi, 26, pp Coordenação de Luís Juvandes 4

41 81 OBRIGADO PELA ATENÇÃO.. J O R G E B R A N C O A l u n o d e D o u t o r a m e n t o Assistente Grupo de Estruturas - Universidade do Minho jbranco@civil.uminho.pt Coordenação de Luís Juvandes 41