Estruturas Mistas de Aço e Concreto

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1 Universidade Federal do Espírito Santo Estruturas Mistas de Aço e Concreto Prof. Fernanda Calenzani Programa Detalhado Estruturas Mistas Aço e Concreto 1. Informações Básicas 1.1 Materiais 1.2 Propriedades das seções 1.3 Ações e análise estrutural 1.4 Estados limites últimos e de utilização 2 Vigas Mistas 2.1 Generalidades 2.2 Conectores de cisalhamento 2.3 Vigas mistas biapoiadas interação total 2.4 Vigas mistas biapoiadas interação parcial 2.5 Estados limites de serviço 3 Lajes Mistas Verificação da fôrma de aço antes da cura do concreto 3.3 Verificação da laje após a cura do concreto 3.4 Ações a serem consideradas 3.5 Disposições construtivas 4 Pilares Mistos 4.1 Generalidades 4.2 Tipos de pilares mistos 4.3 Disposições construtivas 4.4 Dimensionamento à compressão simples 4.5 Dimensionamento à flexo-compressão 4.6 Regiões de introdução de cargas 1

2 Bibliografia 1. Notas de aula (arquivos Power Point e exercícios resolvidos em sala) 2. QUEIROZ, G., PIMENTA, R. J., MARTINS, A. G. Estruturas Mistas VOL 1 e VOL 2, CBCA (Centro brasileiro da construção em aço) ABNT NBR 8800:2008 Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios 4. Composite structures of steel and concrete. R.P. Johnson Elementos das estruturas mistas aço-concreto. Gilson Queiroz Sistema de Avaliação 2

3 Denomina-se sistema misto aço-concreto àquele no qual um perfil de aço trabalha em conjunto com o concreto (geralmente armado), formando um pilar misto, uma viga mista, uma laje mista ou uma ligação mista. A interação entre o concreto e o perfil de aço pode se dar por meios mecânicos (conectores, mossas, ressaltos etc.), por atrito, ou em alguns casos, por simples aderência e repartição das cargas (como em pilares mistos sujeitos apenas a força normal de compressão). Uma estrutura mista é formada por um conjunto de sistemas mistos. Vantagens Com relação às estruturas de concreto: -possibilidade de dispensa de fôrmas e escoramentos -redução do peso próprio e do volume da estrutura -aumento da precisão dimensional da construção Com relação às estruturas de aço: -redução considerável do aço estrutural -redução das proteções contra incêndio e corrosão 3

4 Vigas mistas Constituídas de um perfil de aço suportando uma laje de concreto apoiada na mesa superior e a ela ligada por meio de conectores. Vigas mistas aço-concreto têm sido considerado o sistema estrutural mais eficiente para suportar as cargas gravitacionais de pisos de edifícios, devido, principalmente, à facilidade de construção e à redução de peso da viga de aço. Vigas mistas Vantagens -Aumento considerável na rigidez do piso -Menor peso dos perfis de aço, redução de 20% a 40% -Menor altura da seção viga-laje 4

5 Lajes mistas Lajes mistas são aquelas em que a fôrma de aço é incorporada ao sistema de sustentação das cargas, funcionando, antes da cura do concreto, como suporte das ações permanentes e sobrecargas de construção e, depois da cura, como parte ou toda a armadura de tração da laje. São também chamadas de lajes com fôrma de aço incorporada Lajes mistas A fôrma de aço deve ser capaz de transmitir o cisalhamento longitudinal na interface aço-concreto: Ligação mecânica mossas Ligação por atrito confinamento do concreto nas fôrmas de aço com cantos reentrantes. 5

6 Lajes mistas O steel deck suporta sobrecargas de até 2 t/m² e dispensa escoramentos para vãos de 2 m a 4 m. Pilares mistos aço concreto Pilar misto é uma peça sujeita a compressão pura ou flexo-compressão, formada por um perfil de aço envolvido por concreto ou por um tubo de aço preenchido de concreto, construída de forma que aço e concreto trabalhem juntos sem escorregamento relativo significativo na superfície de contato 6

7 Pilares mistos aço concreto Pilares mistos aço concreto 7

8 Pilares mistos aço concreto Pilares mistos aço concreto 8

9 Ligações mistas Uma ligação é denominada mista quando a laje de concreto participa da transmissão de momento fletor de uma viga mista para um pilar ou para outra viga mista do vão adjacente. Numa viga mista com ligação mista, o peso do perfil de aço é reduzido em, aproximadamente 8%,em relação ao peso do perfil da viga mista simplesmente apoiada. Ligações mistas 9

10 Ligações mistas Materiais O concreto é um material frágil, composto basicamente de argamassa (cimento, agregados miúdos e aditivo) e de agregados graúdos, contendo um grande número de microfissuras (principalmente nas regiões de contato entre a argamassa e os agregados graúdos), mesmo antes de ser sujeito a cargas externas. Comportamento do concreto em ensaio de compressão Observam-se três estágios em ensaios de compressão axial de corpos de prova de concreto: - O primeiro estágio corresponde a tensões inferiores a 30% da resistência última a compressão f c. Neste estágio, as fissuras no concreto permanecem praticamente inalteradas, resultando em um comportamento linear. 10

11 - O segundo estágio corresponde a tensões entre 30% e 75% de f c, quando as fissuras começam a aumentar de comprimento e, posteriormente algumas fissuras em superfície de agregados vizinhos começam a se unir formando fissuras na argamassa. O material apresenta comportamento não linear, porém, a propagação de fissuras é estável. - O terceiro estágio corresponde a tensões acima de 75% de f c, quando ocorrem fratura instável, com falha progressiva do concreto causada por fissuras através da argamassa. Finalmente, macro fissuras formam-se paralelamente à direção da carga, causando o colapso do corpo de prova. O valor de f c é obtido na ruptura de cada corpo de prova, mas não é o utilizado nos projetos e sim o valor de f ck que é a resistência característica à compressão do concreto 11

12 excedida Comportamento do concreto em ensaio de tração Em geral, o limite de elasticidade ocorre quando a tensão chega a 60% a 80% da resistência última à tração f t. Acima desse limite, as microfissuras começam a crescer. A propagação instável das fissura começa muito cedo, resultando em um comportamento bastante frágil. A interface entre a argamassa e agregados tem resistência à tração significativamente inferior à da argamassa, e esta é a principal causa da baixa resistência à tração do concreto. 12

13 Propriedades Peso específico do concreto normal 24 kn/m 3 Coeficiente de dilatação térmica a temperatura ambiente 10-5 /ºC Resistência característica à compressão, f ck, obtida por meio de ensaios, com faixa usual de 20 a 40 MPa. Resistência característica à tração, f tk, também obtida por meio de ensaios na ausência de ensaios, o valor de f tk determinado em função de f ck, f ct,m = 0,3 (f ck ) 2/3 f ctk,inf = 0,7 f ct,m f ctk,sup = 1,3 f ct,m onde: f ct,m e f ck são expressos em MPa. pode ser Módulo de elasticidade secante E c - utilizado na análise elástica e também obtido em ensaios na ausência de ensaios, o valor do módulo de elasticidade secante pode ser determinado em função do f ck, E ci = (f ck ) 1/2 E ci e f ck são dados em MPa. E cs = 0,85 E ci Coeficiente de poisson 0,2 13

14 Critérios de falha Quando o concreto está sujeito a estados multiaxiais de tensões, existem critérios de falha que permitem determinar se o concreto falha por esmagamento ou fissuração, dentre os quais o critério de William & Warnke (1975). Considere um sistema de referência no qual as coordenadas são os valores deσ 1,σ 2 eσ 3. Critérios de falha o critério de William & Warnke corresponde a uma superfície com eixo igualmente inclinado em relação aos três eixos coordenados. A resistência do concreto à compressão triaxial (concreto confinado) pode ser dezena de vezes superior à da resistência à compressão uniaxial. 14

15 Aplicando-se este critério ao caso particular de solicitação biaxial, obtêm-se as seguintes condições de falha, ondeσ 1,σ 2 eσ 3 não estão necessariamente na ordem decrescente: paraσ 1 > 0,σ 2 > 0,σ 3 = 0 (a falha é por fissuração no plano perpendicular à tensão que atingiu o limite) paraσ 1 > 0,σ 2 < 0,σ 3 = 0 (a falha é por fissuração no plano perpendicular aσ 1 ) paraσ 1 < 0,σ 2 > 0,σ 3 = 0 (a falha é por fissuração no plano perpendicular aσ 2 ) paraσ 1 < 0,σ 2 < 0,σ 3 = 0 (a falha é por esmagamento) Retração e deformação lenta do concreto A retração do concreto é uma redução de volume causada pela perda de água por evaporação, que ocorre nas regiões próximas à superfície. A deformação lenta é uma redução de volume de regiões sujeitas à compressão por um longo período de tempo. A compressão força o deslocamento da água do interior da região comprimida para a superfície, onde se dá a evaporação. As deformações correspondentes a ambos os fenômenos afetam as respostas de uma estrutura, devendo ser consideradas na análise. 15

16 Aço Liga de ferro-carbono com alguns elementos adicionais, podendo ter suas propriedades mecânicas alteradas por meio de conformação mecânica ou tratamento térmico. È um material dútil, com deformações de ruptura da ordem de 5% a 40%. Nas estruturas mistas, o aço é empregado nos perfis, nas barras de armadura, nos conectores de cisalhamento, nos parafusos e nas fôrmas metálicas incorporadas ao concreto em lajes mistas. Comportamento em ensaio de tração O aço pode apresentar dois tipos básicos de comportamento, com ou sem patamar de escoamento. Os aços dos perfis, das armaduras laminadas e das fôrmas têm patamar de escoamento. O aço das armaduras trefiladas e dos conectores não têm. Comportamento em ensaio de compressão No ensaio de compressão, o comportamento do aço é similar ao observado no ensaio de tração, até o escoamento e início do encruamento. Não existe uma resistência última a compressão (como na tração), havendo um crescimento ilimitado da resistência até a ruptura. Propriedades Peso específico do aço 77 kn/m 3 Coeficiente de dilatação térmica a temperatura ambiente 1, /ºC limite de escoamento, f y, e limite de resistência à tração obtidos por meio de ensaios de tração. Módulo de elasticidade também obtido por meio de ensaios de tração deve ser tomado igual a 200 GPa para todos os aços dos perfis, conectores de cisalhamento e das fôrmas de aço incorporadas. Para o aço das armaduras, o módulo deve ser tomado igual a 210 GPA coeficiente de poisson 0,3 por meio da relação entre E, G e ν. 16

17 Critérios de escoamento Quando o aço é sujeito a estados multiaxiais de tensões, os dois critérios de escoamento mais utilizados são o de Tresca e o de Von Mises, apresentados a seguir (σ 1, σ 2 e σ 3 não estão necessariamente na ordem decrescente). max [ σ1 σ 2, σ1 σ 3, σ 3 σ 2] f y ( σ σ ) + ( σ σ ) + ( σ σ ) Aplicando-se o critério de Von Mises ao estado de cisalhamento simples, obtém-se τ= f y 3, assim, f y 3 é o limite de escoamento por cisalhamento conforme o critério de Von Mises. Pelo critério de Tresca obtem-se 2 para esse limite. 2 3 f y 1 2 f y Em um sistema de referência no qual as coordenadas são os valores de σ 1, σ 2 e σ 3, o critério de Von Mises corresponde a uma superfície cilíndrica com eixo igualmente inclinado em relação aos três eixos coordenados e com raio igual f y

18 Propriedades das seções Propriedades plásticas Para determinação de resistências últimas de peças mistas, com perfis de aço compactos, sujeitas às ações de cálculo, (mesmo quando for feita a análise elástica), usam-se propriedades plásticas da seção, obtidas a partir de diagramas de blocos de tensões na seção do perfil de aço e na seção de concreto armado. Admite-se também que o concreto atinja uma tensão uniforme de compressão de 0,85f cd, sendo o coeficiente 0,85 devido ao efeito Rusch. A resistência do concreto à tração é sempre desprezada. Propriedades das seções Propriedades elásticas Para determinação de deslocamentos e tensões de peças mistas, sujeitas às ações nominais, no regime elástico, usam-se propriedades elásticas das seções transformadas. Tais propriedades são obtidas a partir da redução das larguras dos componentes de concreto, por meio da razão modular E/E c. É necessário que o limite de escoamento não seja atingido na seção de aço nem nas barras da armadura. É necessário também que a tensão 0,85f ck não seja atingida no concreto. O concreto em tração é quase sempre é desprezado. Para levar em conta a deformação lenta, causada pelas cargas de longa duração, reduz-se o módulo secante do concreto E c, no cálculo da razão modular. 18

19 Relações largura-espessura da seção de aço, NBR 8800(2008) Ações e Análise Estrutural Na análise estrutural, deve ser dada devida atenção aos estágios da construção, incluindo efeitos das ações na estrutura puramente de aço (na fase anterior à de concretagem e na fase de concretagem) e na estrutura mista (após a cura do concreto e retirada dos eventuais escoramentos) Análise Elástica Pode ser utilizada tanto para verificação dos estados limites últimos quanto para verificação dos estados limites de utilização. É necessário que as tensões obtidas na análise, com base nas propriedades elásticas das seções, fiquem abaixo dos limites de escoamento nos aços do perfil e da armadura, e de aproximadamente 0,4 f ck no concreto. Os efeitos dos deslocamentos devem ser considerados, estabelecendo-se o equilíbrio na posição deformada (análise de 2ª ordem). 19

20 Análise Rígido-Plástica A análise rígido-plástica também denominada análise limite, baseia-se na redistribuição plástica de momentos na estrutura, até que um mecanismo de rótulas plásticas seja formado. É necessário que as rótulas plásticas tenham condições de serem formadas e que as primeiras a se formar tenham capacidade de sofrer rotação até que se formem as demais. Para isso é necessário que os perfis tenham seções transversais com relações adequadas largura-espessura dos elementos. É necessário também que o aço tenha patamar de escoamento. Em estruturas mistas, consideram-se rótulas plásticas apenas nas vigas ou nas ligações, devido à insuficiência de informações sobre a capacidade de rotação de pilares. Só é aplicável para verificação de estados limites últimos e para sistemas indeslocáveis, uma vez que os deslocamentos ficam indeterminados. Análise Elasto-Plástica É o tipo mais genérico, aplicável em qualquer situação, porém, o mais trabalhoso. Baseia-se na teoria geral da plasticidade e leva em conta a plastificação progressiva da estrutura após a fase elástica. Devido a sua complexidade, ela é simplificada, não levando em conta os problemas de flambagem local. Observação: Normalmente as análises dinâmicas, quando necessárias, são feitas no regime elástico 20