ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE LIGAÇÕES VIGA-PILAR PREENCHIDO SUBMETIDAS A AÇÕES CÍCLICAS

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1 ISSN ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE LIGAÇÕES VIGA-PILAR PREENCHIDO SUBMETIDAS A AÇÕES CÍCLICAS Marcela Novischi Kataoka 1 & Ana Lúcia Homce de Cresce El Debs 2 Resumo A presente pesquisa aborda o comportamento de ligações mistas e será desenvolvida com o auílio de simulação numérica e eperimentação. Os modelos serão compostos por ligações com parafusos passantes entre pilares metálicos preenchidos com concreto e vigas metálicas com laje com fôrma de aço incorporada. As ligações serão submetidas a força cíclica reversível. Além do efeito da força cíclica, este trabalho avaliará também a influência, na rigidez da ligação, da taa de armadura da laje e do detalhe de ancoragem da armadura de continuidade ao pilar. Serão obtidos dados numéricos e eperimentais que permitirão a construção de curvas momento versus rotação e força versus deslocamento para a quantificação da rigidez e determinação da ductilidade da ligação. Palavras-chave: Estruturas mistas. Ligações mistas. Análise numérica. STUDY ON BEHAVIOR OF STEEL BEAM TO CFT COLUMN CONNECTION SUBJECTED TO CYCLIC LOADING Abstract The present research deals with the behavior of steel-concrete composite connections and it will be developed through numerical simulation and eperimental tests. The structural connections have end plates and bolts passing through the concrete filled tube (CFT) column and steel beams with a deck. The connections will be subjected to reversible cyclic loading. Beyond the effect of the cyclic loading, this research will also evaluate the influence of the reinforcement ratio of the slab and the anchorage detail of the continuity bars to the column on the connection stiffness. The obtained numerical and eperimental values will allow the construction of moment versus rotation and force versus displacement curves for the quantification of the stiffness and determination of the connection ductility. Keywords: Mied structures. Steel-concrete composite connections. Numerical analysis. Linha de Pesquisa: Estruturas Metálicas 1 INTRODUÇÃO Devido à grande importância da ligação em estruturas pré-fabricadas, este trabalho abordará o estudo do comportamento de ligações mistas submetidas à carregamento cíclico. As ligações mistas a serem analisadas nesta pesquisa são parafusadas, com chapa de topo, realizadas entre viga metálica de seção I e pilar misto preenchido com concreto. Haverá laje, do tipo com fôrma de aço incorporada, onde os parâmetros a serem analisados são a influência da presença dessa laje na resistência da ligação, da taa de armadura e do método de fiação das barras de 1 Doutoranda em Engenharia de Estruturas - EESC-USP, kataoka@sc.usp.br 2 Professor do Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP, analucia@sc.usp.br

2 88 Marcela Novischi Kataoka & Ana Lúcia Homce de Cresce El Debs continuidade ao pilar misto. Os protótipos simularão ligações com pilares intermediários, sendo composto, cada um dos modelos, por um pilar misto e duas vigas em balanço. Os métodos de fiação das barras de continuidade que serão utilizados nos protótipos são a soldagem e ancoragem mecânica por meio de luvas rosqueadas. A comparação das taas de armadura das lajes será realizada para 1% e 1,5% e para ser utilizado como referência, também será ensaiado um protótipo sem a presença da laje, tido neste trabalho como o modelo piloto. Para que todos esses parâmetros sejam analisados será estudado um total de quatro protótipos: um piloto, dois protótipos com laje armada com 1%, sendo que um possuirá a armadura de continuidade ancorada ao pilar por meio de luvas e outro por meio de solda. Já para a comparação entre as taas de armadura, será produzido um protótipo com laje armada com 1,5% e barras de continuidade ancoradas ao pilar por meio de luvas. 2 METODOLOGIA A metodologia de desenvolvimento dessa pesquisa é dividida em duas partes principais: parte teórica e parte eperimental. A parte teórica compreende as etapas de revisão bibliográfica e análise numérica. A revisão bibliográfica permite a discussão de vários aspectos referentes aos estudos já realizados em diversas instituições do mundo sobre o assunto ligações mistas, contribuindo para a obtenção de subsídios para a análise e entendimento do comportamento das ligações em estudo no presente trabalho. A análise numérica compõe uma parte importante, pois a partir dela é possível prever o comportamento dos modelos. A parte eperimental engloba o desenvolvimento de um esquema de ensaio que satisfaça as necessidades da pesquisa de acordo com os recursos disponíveis, bem como o dimensionamento, produção e montagem dos protótipos antes dos ensaios propriamente ditos. Os protótipos serão submetidos a forças cíclicas reversíveis, causando na ligação momentos positivos e negativos. 3 DESENVOLVIMENTO No momento o trabalho se encontra na fase eperimental, aguardando a liberação do laboratório para a realização dos ensaios. Já foram realizadas análises numéricas preliminares para a previsão do comportamento dos protótipos, assim como, também foi realizada a previsão do momento resistente das ligações por meio de método analítico para comparação e validação dos resultados. 3.1 Programa eperimental Para a definição da ligação a ser estudada neste trabalho foram levados em consideração muitos aspectos que influenciam na viabilidade do projeto e no andamento da pesquisa. De acordo com a revisão bibliográfica realizada, muitos estudos mostraram que a melhor e mais resistente seção transversal para ser utilizada em pilares mistos preenchidos é a circular, mas também se verificou que a o processo construtivo da ligação com este tipo de pilar é muito mais complicado, devido a sua geometria. Pensando nisso e também na continuidade das pesquisas realizadas pelo Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos, optou-se por utilizar pilares se seção transversal quadrada e ligações com chapa de topo e parafusos passantes como em DE NARDIN (2003). Este tipo de ligação é muito utilizado em todo mundo e tido como adequado para a

3 Estudo do comportamento de ligações viga-pilar preenchido submetidas a ações cíclicas 89 utilização em áreas sísmicas, devido a seu bom comportamento na transmissão de momentos fletores (ver figura 1). A presença da laje é, para muitos pesquisadores, essencial para o aumento da absorção de momento fletor pela ligação. Tendo isso em vista, adotou-se para os modelos a laje com fôrma de aço incorporada e conectores de cisalhamento do tipo pino com cabeça. Figura 1 Projeto dos elementos que compõem as ligações. Tabela 1 Resumo das características dos modelos Modelo Presença da laje Taa de armadura Fiação da barras Piloto Não Sim 1% Luvas rosqueadas 2 Sim 1,5% Luvas rosqueadas 3 Sim 1% Solda Figura 2 Configuração final dos modelos.

4 90 Marcela Novischi Kataoka & Ana Lúcia Homce de Cresce El Debs Para o estudo de todos os parâmetros almejados nessa pesquisa serão ensaiados quatro protótipos, de acordo com a tabela 1. A figura 2 ilustra qual será a configuração final dos modelos. 3.2 Análise numérica Os modelos numéricos foram concebidos inicialmente planos e com aplicação de força monotônica para se ter uma estimativa dos valores de força e deslocamentos que seriam encontrados nos ensaios. Em Kulkarni et al. (2008) foi estudado o comportamento de ligações em estruturas prémoldadas de concreto realizadas com chapas de aço e, de acordo com esses autores, a modelagem bidimensional forneceu bons resultados. Para agilizar o processamento, os modelos numéricos foram feitos detalhando apenas metade do modelo real (ver figura 3). Deslocabilidades restringidas: Deslocabilidades restringidas: y e y y e y Figura 3 Indicação da malha e condições de contorno. Os resultados das três modelagens realizadas estão representados na figura 4 com curvas força versus deslocamento. Figura 4 Curvas força versus deslocamento obtidas numericamente.

5 Estudo do comportamento de ligações viga-pilar preenchido submetidas a ações cíclicas Análise analítica A previsão do momento resistente foi realizada de acordo com o modelo analítico proposto por SIMÕES (2000) apud SILVA et al. (2001). Por esse método deve-se primeiramente estabelecer as forças e, supondo que a linha neutra se encontra na alma da viga, o momento fletor resistente (M u ) da ligação mista é obtido a partir dos respectivos momentos fletores gerados com relação ao ponto médio da espessura da mesa inferior da viga. A equação 1, de acordo com os conceitos estabelecidos anteriormente, fornece o momento resistente de ligações mistas. M u = F L tr r + m w fb h wtwb f ywb + i= ( FbiLi ) h t (1) A partir do momento fletor obtido, sabendo-se que a distância do ponto de aplicação da força até a ligação é de 1,6 m, é possível determinar o valor da força última para cada modelo, como mostra a tabela 2. Tabela 2 Resumo das características dos modelos Modelo M u, analítico Força última (kn.m) (kn) Piloto 81,9 51, ,0 207, ,0 288, ,0 207,50 4 RESULTADOS OBTIDOS Até o presente momento não há resultados eperimentais para apresentação, mas com os resultados fornecidos pelas análises numérica e analítica tem-se uma estimativa do comportamento dos modelos. Comparando os resultados obtidos nas modelagens numéricas e nos cálculos analíticos, para os modelos com ligações mistas, ou seja, com a presença da laje, os valores de momentos fletores últimos ficaram muito próimos, mas para o modelo piloto a diferença foi superior, como indicado na tabela 3. Tabela 3 Tabela comparativa entre resultados numéricos e analíticos Modelo M u, numérico M u, analítico M u, ensaio / (kn.m) (kn.m) M u,analítico Piloto 126,40 81,90 1, ,00 332,00 1, ,00 462,00 0, ,00 332,00 1,08 5 CONCLUSÕES PARCIAIS A partir dos resultados obtidos, algumas conclusões parciais podem ser feitas. De acordo com os resultados numéricos, a presença da laje aumenta a resistência da ligação e quanto mais armada for essa laje, maior será o momento fletor resistido.

6 92 Marcela Novischi Kataoka & Ana Lúcia Homce de Cresce El Debs A comparação entre os resultados numérico e analítico validaram ambos os métodos, pois de acordo com a tabela 3, eles se apresentaram próimos, com eceção do modelo piloto, que a grande diferença entre os momentos pode ser justificada por não se tratar de uma ligação mista, para qual a equação utilizada é especificamente indicada. Com relação ao método de ancoragem da armadura de continuidade, ainda não foi possível prever o comportamento das ligações, apenas os ensaios fornecerão informações a respeito desse parâmetro. 6 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPQ pela bolsa de doutorado concedida, à FAPESP pelo projeto temático ao qual essa pesquisa faz parte e ao Laboratório de Estruturas do Departamento de Engenharia de Estruturas que realizará os ensaios. 7 REFERÊNCIAS DE NARDIN, S. Pilares mistos preenchidos: estudo da fleo-compressão e de ligações vigapilar p. Tese (Doutorado em Engenharia de Estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, KULKARNI, S. A.; LI, B.; YIP, W. K. Finite element analysis of precast hybrid-steel concrete connections under cyclic loading. Journal of Constructional Steel Research, v. 64, p , SILVA, L. S.; SIMÕES, R. D.; CRUZ, P. J. S. Eperimental behaviour of end-plate beam-to-column composite joints under monotonical loading. Engineering Structures, v. 23, p , 2001.