COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE COLUNAS CURTAS DE PERFIL TUBULAR DUPLO DE AÇO INOXIDÁVEL E CARBONO REVESTIDO DE CONCRETO

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1 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE COLUNAS CURTAS DE PERFIL TUBULAR DUPLO DE AÇO INOXIDÁVEL E CARBONO REVESTIDO DE CONCRETO STRUCTURAL BEHAVIOUR OF STUB STAINLESS STEEL-CONCRETE-CARBON STEEL DOUBLE-SKIN TUBULAR COLUMNS Glauco Bezerra da Silva I* ; Evandro da Silveira Goulart II ; Luciano Rodrigues Ornelas de Lima II ; Pedro Colmar Gonçalves da Silva Vellasco II I Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil PGECIV. Faculdade de Engenharia UERJ. glaucobz2211@gmail.com II Departamento de Estruturas e Fundações. Faculdade de Engenharia UERJ. Rio de Janeiro, RJ, Brasil. s: goulartbr@gmail.com lucianolima@uerj.br vellasco@uerj.br RESUMO Este artigo visa investigar o comportamento estrutural de um novo tipo de coluna mista composta por dois tubos concêntricos de aço inoxidável e de aço carbono preenchido com concreto. Com objetivos de demonstrar que esta combinação de materiais é vantajosa, executam-se ensaios de resistência em amostras com vários tipos de seções tubulares e colunas, a im de assegurar que, este novo elemento estrutural misto, comporte-se de maneira satisatória comparado ao desempenho de uma coluna mista de peril duplo de aço carbono com concreto, já amplamente desenvolvida em pesquisas anteriores. Com isso espera-se expandir oportunidades para a utilização do aço inoxidável como material estrutural primário, ora como proteção e recuperação de estruturas existentes, ora como eliminação de recursos tais como ormas e armaduras, e, ora com baixos custos de manutenção. Para isso, az-se uso de modelo numérico apresentado em trabalhos de pesquisa anteriores para seções tubulares de aço carbono. Para a execução do ensaio, adotam-se, inclusive, as mesmas condições de ensaio executadas nas pesquisas anteriores. A comparação dos resultados numéricos com os resultados experimentais mostra-se satisatória, porém, conservadores, devido à utilização de normas que abrangem somente colunas de peril tubular duplo de aço carbono preenchidas de concreto. Palavras-chave: Coluna mista. Peril tubular duplo. Aço inoxidável. Comportamento estrutural. ABSTRACT This paper aims to analyze the structural behavior o a new type o composite column that consists o two concentric concrete-illed tubes o stainless steel and carbon steel. With aims to show that this combination o materials is advantageous to perorm endurance tests on specimens with several types o tubular sections and columns in order to ensure that this new type o composite member behave satisactorily compared to the perormance a concrete-illed double-skin tubular cross-section, widely developed in previous researches. With this expected to expand opportunities or the use o stainless steel as the primary structural material, either as protection and restoration o existing structures, sometimes as removing resources such as ormworks and reinorced, and sometimes with low maintenance costs. For this, use is made o the numerical model studies presented in previous search to carbon steel tubular sections. To implement the test, they take up even the same test conditions perormed in previous researches. The comparison o numerical results with experimental results show satisactory, however, conservative due to the use o standards covering only concrete-illed carbon steel double-skin tubular cross-section. Keywords: Composite column. Double-skin tube. Stainless steel. Structural behavior.

2 1. Introdução As construções mistas de aço e concreto têm sido muito empregadas como solução estrutural de diversos tipos de construção. Dentre os vários tipos de construção mista, além das seções de concreto armado, temos as colunas de peril tubular preenchidas de concreto. Este tipo de construção mista tem alcançado grande utilização em países como Austrália, Japão, China e do Oriente Médio, além de registros de construções de arranha-céus nos Estados Unidos e Canadá. Possui vantagens em termos estruturais e econômicos por garantir alta resistência, alta ductilidade, alta rigidez e utilização plena dos materiais (Ellobody e Young, 2005). Em anos recentes veriica-se o emprego do aço inoxidável também em peris tubulares preenchidos de concreto, potencializando as vantagens acima citadas e agregando a este elemento misto as vantagens de resistência a corrosão, acilidade de construção e manutenção e apelo estético. Nos últimos anos, também, tem sido desenvolvido um novo tipo de construção mista: peris tubulares duplos de aço carbono preenchidos de concreto. As seções mais comuns são as circulares, quadradas e retangulares. Com o avanço na pesquisa sobre o potencial do emprego do aço inoxidável em estruturas, (Lin-Hai Han et al, 2011) propôs um novo tipo de elemento misto: um peril tubular duplo de aço inoxidável-concreto-aço carbono.com oco no comportamento estrutural e não somente em aspectos arquitetônicos e resistência à corrosão. Este artigo visa investigar o comportamento estrutural deste novo tipo de coluna mista composta por dois tubos concêntricos de aço inoxidável e de aço carbono preenchido com concreto. Com objetivos de demonstrar que esta combinação de materiais é vantajosa, executam-se ensaios de resistência em amostras com vários tipos de seções tubulares e colunas, a im de assegurar que, este novo elemento estrutural misto, comporte-se de maneira satisatória comparado ao desempenho de uma coluna mista de peril duplo de aço carbono com concreto, já amplamente desenvolvida em pesquisas anteriores. Com isso espera-se expandir oportunidades para a utilização do aço inoxidável como material estrutural primário, ora como proteção e recuperação de estruturas existentes, ora como eliminação de recursos tais como ormas e armaduras, e, ora com baixos custos de manutenção. A Figura 1 e a Figura 2 apresentam imagens de aplicações de colunas mistas com a utilização do aço inoxidável como material estrutural primário. Figura 1 - Coluna de aço inoxidável preenchida de concreto (Passarela Hingbraudt - Reikjavik, Islândia) Recuperada em 23 de agosto de 2012.de Studio Granda,

3 Figura 2 - Píer da pista D no Aeroporto Internacional de Tóquio Haneda. Recuperada em 15de agosto de 2012 de Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Corporation, 2. Programa Experimental. A análise experimental consiste em calcular e observar o comportamento estrutural de uma coluna curta de peril tubular dupla circular de aço inoxidável e aço carbono, respectivamente, tubo externo e tubo interno, preenchido ou não por concreto submetido a ensaio de compressão axial com materiais selecionados através de parâmetros apresentados por Han et al (2006). Um dos parâmetros é a relação entre os diâmetros dos dois tubos, (), onde, pode ser obtido da expressão: D o D i 2t so onde D o é o diâmetro externo do tubo externo de aço inoxidável, D i é o diâmetro interno do tubo de aço carbono interno e t so é a espessura da parede do tubo externo de aço inoxidável. As amostras oram observadas tinham parâmetro igual a 0,75 e 0,50 e oram submetidas em pares preenchidos de concreto e pares ocos. Os tubos de aço inoxidável e aço carbono eram tubos com costura, soldados de chapas metálicas, oriundos de abricantes e distribuidores de aço disponíveis no país. Também oi considerada para a seleção do tubo inoxidável a classiicação de seção transversal de acordo com o Eurocode 3, parte 1.4 (2003). O concreto utilizado oi um concreto autoadensável industrial de alta resistência inal. Tal concreto deveria luir por entre os tubos para evitar qualquer vazio de concretagem durante o preenchimento da amostra. A utilização deste tipo de concreto minimiza o eeito da retração do concreto no estado resco e elimina a etapa de adensamento. Para garantir a correta transmissão de carga aos três elementos que compõem a seção mista, chapas de base de aço carbono oram soldadas à coluna. As propriedades obtidas em ensaios de caracterização dos materiais oram realizadas em amostras retiradas dos próprios tubos. O traço de concreto auto-adensável oi desenvolvido para obter ck próximo de um concreto C60. Tabela 1 - Propriedades dos aços Tipo Espessura (mm) Fy(MPa) u(mpa) E(N/mm²) v (Poisson) Aço Carbono x Aço Inoxidável x

4 A coluna idealizada como coluna curta oi garantida pela relação entre o diâmetro externo do tubo de aço inoxidável e a altura igual a 1/3. A carga oi aplicada no topo da coluna. Cada amostra teve extensômetros para medir as deormações à meia altura da coluna nas direções longitudinais e transversais. Transdutores de deslocamento também oram instalados para medir os deslocamentos verticais. A Figura 3 mostra o esquema típico da amostra de ensaio. O intervalo de carga de 1/10 da carga crítica estimada oi utilizado no carregamento, e cada intervalo de carga mantida por cerca de 2 minutos. Figura 3 Seção transversal e esquema da amostra de ensaio (Han et al, 2011) 3. Observações Experimentais e Resultados A Figura 4 mostra o desempenho das amostras. Os autores veriicaram que o comportamento das colunas de peril tubular duplo de aço inoxidável-concreto-aço carbono é geralmente similar, se comparado ao comportamento de colunas de peril tubular duplo de aço carbono preenchido de concreto Os tubos tiveram comportamentos distintos. Nas amostras preenchidas de concreto, o tubo externo de aço inoxidável apresentou lambagem local á meia altura do tipo pé-de-eleante Já nas amostras sem concreto a lambagem local ocorreu próximo do topo da coluna. A lambagem ocorrida no tubo interno de aço carbono oi do tipo diamond shape (Figura 5). Fica evidente, também, que a resistência da seção transversal das colunas mistas preenchidas de concreto é signiicantemente maior que as amostras de colunas ocas. Os resultados mostram que o acréscimo de resistência oi superior a 64% do que os tubos ocos. Isto se dá, pelo ato de que o concreto retarda o eeito da lambagem no tubo interno, aumentando a rigidez da seção como um todo. Figura 4 - Resultados das amostras (Han et al, 2011)

5 4 Análise e Discussões Figura 5 - Amostras após a execução do ensaio (Han et al, 2011) Han et al (2006) adotaram para previsão da capacidade da seção transversal da coluna de peril duplo tubular de aço inoxidável-concreto-aço carbono, modelo desenvolvido por Tao et al (2004), que através de estudos paramétricos conduzidos em colunas de peril duplo tubular preenchidos de concreto. Percebeu-se que neste modelo, o comportamento estrutural desta nova coluna mista é aetado pelo coeiciente de Poisson de cada material envolvido. Observa-se que o tubo interno comporta-se como se agisse sozinho, e o tubo externo e o concreto coninado exibem o mesmo comportamento de um tubo preenchido totalmente de concreto sem presença de vazios. Em outras palavras, o estado de coninamento do concreto é o mesmo do que uma coluna tubular totalmente preenchida de concreto se a relação de diâmetros () não or tão grande. Tao e Yu (2006) veriicaram que em geral, as curvas carga versus deslocamento de colunas com são similares a uma coluna totalmente preenchida de concreto (). Portanto no dimensionamento da coluna de peril tubular duplo preenchido de concreto, oi sugerido () igual a 0,75 ou menor. Portanto a capacidade da seção transversal (N uc ) de uma coluna curta de peril tubular duplo de aço inoxidável-concreto-aço carbono é a soma da capacidade do tubo interno de aço carbono e a capacidade da contribuição do tubo externo de aço inoxidável junto com o concreto, isto é: N uc Nosc, u Ni, u onde, = A si. syi e N osc,u é determinado semelhantemente as seções tubulares totalmente preenchidos de concreto (Han, 2007): N osc, u osc A soc onde, A soc = A so + A c, A so e A c são respectivamente, áreas da seção transversal do tubo externo de aço inoxidável e do concreto coninado. Para seções circulares: soc C yo C C1 onde,.as unidades de so e ck são N/mm². C2 n É o ator nominal de coninamento da coluna de peril tubular duplo de aço inoxidávelconcreto-aço carbono expresso por: ck A A so ce syo ck. Sendo que A ce é a área da seção transversal do concreto considerando o tubo totalmente preenchido. As resistências obtidas no cálculo acima (N uc ) são comparadas com os resultados obtidos nos ensaios experimentais desenvolvidos por Lam e Gardner (2008) com tubos de aços inoxidáveis

6 preenchidos de concreto e pela metodologia de cálculo utilizado pelo Manual de dimensionamento de estruturas em aço inoxidável publicado pela Euroinox (2006) conorme mostrado na Tabela 3. Os valores demonstram claramente que o modelo teórico prever com razoabilidade a capacidade da coluna de peril tubular duplo de aço inoxidável-concreto-aço carbono. Os valores comparativos de N uc /N ue e N uc /N EC4 são apresentados na Tabela 2. Tabela 2 - Comparações entre os métodos de dimensionamento Amostra Tubo externo Tubo Interno N ue (kn) N uc (kn) N EC4 (kn) N ue /N uc N ue /N EC4 C x 220 x x 159 x ,06 1,09 C x 220 x x 159 x ,06 1,09 C x 220 x x 106 x ,20 1,27 C x 220 x x 106 x ,20 1,27 CH x 220 x x 159 x CH x 220 x x 159 x CFST1 220 x 220 x CFST2 220 x 220 x Inere-se, pelos cálculos dos métodos adotados pelo Eurocode 4 (2002), que os resultados das colunas com relação entre os diâmetros dos dois tubos () tiveram perormance próxima das colunas totalmente preenchidas de concreto. Isto sugere que ambas possam atender as solicitações impostas em estruturas de ediícios. Mesmo assim, os resultados experimentais oram 20% e 27% superiores aos métodos de cálculo desenvolvidos por Han et al (2011) e do Eurocode 4 (2002), respectivamente. 5 Conclusões Os resultados demonstraram que a nova coluna mista composta de peris tubulares duplo de aço inoxidável-concreto-aço carbono tem desempenho estrutural semelhante às colunas tubulares de aço carbono preenchidos por concreto. Também se veriica que o comportamento do tubo de aço inoxidável associado ao concreto preenchido, contribui para maximizar a capacidade da seção transversal como um todo. Com base nos resultados encontrados, averigua-se uma metodologia simpliicada para o dimensionamento desta nova coluna mista, a im de prever a capacidade de uma seção típica qualquer para esta coluna. Para isso, ez-se uso de modelo numérico apresentado em trabalhos de pesquisa anteriores para seções tubulares de aço carbono. A comparação dos resultados numéricos com os resultados experimentais mostrou-se satisatória, porém, conservadores, devido à utilização de normas que abrangem somente colunas de peril tubular de aço carbono preenchidas de concreto. O estudo abre, então, possibilidades no avanço na pesquisa quanto ao desenvolvimento de uma metodologia que envolva novos avanços na determinação das propriedades do aço inoxidável de maneira a potencializar sua utilização como material primário em estruturas. 6. Agradecimentos Os autores deste artigo agradecem à UERJ, ao CNPQ e à FAPERJ pelo suporte inanceiro. 7. Reerências Bibliográicas ELLOBODY, E.; YOUNG, B. Design and behaviour o concrete-illed cold-ormed stainless steel tube columns. Engineering Structures. v.28, p , EUROCODE 3: ENV , 2003: Design o steel structures Part 1.4: General rules Supplementary rules or stainless steel. CEN European Committee or Standardisation

7 EUROCODE 4: ENV , 2002: Design o composite steel and concrete structures Part 1.1: General Common rules and rules or buildings. CEN European Committee or Standardisation EUROINOX: Design manual or structural stainless steel Third edition. The Steel Construction Institute HAN, L.H. Concrete illed steel tubular structures - Second edition. Beijing Science Press, HAN, L.H.; HUANG, H.; TAO, Z; ZHAO, X.L. Concrete-illed double skin steel tubular (CFDST) beam-columns subjected to cycling bending. Engineering Structures v.28, n.12, p , HAN, L.H.; REN, Q.X.; LI, W. Tests on stub stainless steel- concrete-carbon steel double-skin tubular (DST) columns. Journal o Constructional Steel Research.v.67, p , LAM, D; GARDNER, L. Structural design o stainless steel concrete illed columns. Journal o Construction Steel Research. v. 64, p , 2008 TAO, Z.; YU, Q. New types o composite columns-experiments, theory and methodology. Beijing Science Press, TAO, Z.; HAN, L.H.; ZHAO, X.L. Behaviour o concrete-illed double skin (CHS inner and CHS outer) steel tubular stub columns and beam-columns. Journal o Constructional Steel Research, v.60, n.8, p , *Corresponding author. Estrada Feliciano Sodré, 3575, Mesquita, RJ. RJ CEP glaucobz2211@gmail.com