COMPORTAMENTO CONJUNTO EM ELEMENTOS MISTOS DE AÇO E CONCRETO: DISPOSITIVOS MECÂNICOS

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1 COMPORTAMENTO CONJUNTO EM ELEMENTOS MISTOS DE AÇO E CONCRETO: DISPOSITIVOS MECÂNICOS Silvana De Nardin (1) ; Alex Sander Clemente de Souza (2), Ana Lucia H. C. El Debs (3) (1) Pesquisadora, Departamento de Engenharia de Estruturas. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo Professora do Centro Universitário de Lins UNILINS. snardin@sc.usp.br (2) Departamento de Engenharia de Estruturas Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo São Carlos, SP, Brasil. analucia@sc.usp.br (3) Professor Adjunto, Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de São Carlos. E- mail: alex@ufscar.br Resumo Um elemento estrutural formado por aço e concreto é denominado elemento misto de aço e concreto somente quando ocorre o comportamento conjunto entre os dois materiais. Como, na grande maioria das vezes, a aderência natural entre aço e concreto não é suficiente para garantir o comportamento conjunto, são utilizados dispositivos mecânicos que têm a função de resistir aos esforços de cisalhamento na interface aço-concreto. Dentre estes dispositivos, o conector tipo pino com cabeça, também denominado stud bolt, é o mais comumente empregado, sobretudo em vigas mistas. Entretanto, há uma infinidade de possibilidades e dispositivos mecânicos que podem ser empregados para desempenhar tal função. Neste trabalho são descritas, detalhadamente, as diversas formas de promover o comportamento conjunto aço-concreto nos elementos mistos, destacando a utilização de barras de armadura como dispositivo mecânico, associados ou não a conectores tipo pino cabeça. Palavras-chave: comportamento misto, conectores de cisalhamento, tensões de cisalhamento, dispositivos mecânicos. 1. INTRODUÇÃO O comportamento conjunto aço-concreto é condição imprescindível para que um elemento que reúne componentes em aço e em concreto possa ser classificado 1 De 11

2 como misto. Os elementos mistos mais comuns são as lajes, vigas e pilares mistos de aço e concreto e, para cada um destes, há formas variadas de limitar os deslocamentos relativos entre os componentes. Por exemplo, nas lajes mistas com fôrma de aço incorporada (Figura 1a), o comportamento conjunto é fruto da geometria da fôrma e de reentrâncias e saliências estrategicamente posicionadas na superfície interna. Já nas vigas mistas de aço e concreto, são necessários dispositivos mecânicos para evitar o escorregamento relativo longitudinal e a separação vertical (uplift) dos componentes da seção mista (Figura 1b). Por fim, nos pilares mistos, apenas na região de introdução de cargas pode ser necessário utilizar conectores mecânicos para resistir ao cisalhamento na interface açoconcreto. Ao longo do pilar, a simples transferência de forças de atrito é suficiente para promover o comportamento conjunto (Figura 1c). a) formas para lajes b) vigas mistas c) pilares mistos mistas 1 Figura 1: Exemplos de elementos mistos de aço e concreto Qualquer que seja o mecanismo utilizado para promover o comportamento conjunto aço-concreto, vale lembrar que sua função primordial é resistir ao cisalhamento longitudinal na interface e prevenir a separação transversal entre o perfil de aço e a laje de concreto. 2. COMO PROMOVER O COMPORTAMENTO CONJUNTO AÇO-CONCRETO Inúmeras são as alternativas para promover o comportamento conjunto aço e concreto, componentes da viga mista. A escolha da melhor opção depende de fatores como: conhecimento do comportamento do dispositivo mecânico, dos modos de falha aplicáveis e dos critérios de projeto necessários ao dimensionamento, 1 Fontes: e 2 De 11

3 facilidade de execução e custo. Alguns dispositivos mecânicos já são largamente utilizados como conectores de cisalhamento e, por isso, comportamento e modos de falha são conhecidos e considerados na etapa de dimensionamento da viga mista. É o caso dos conectores tipo pino com cabeça, que constituem o dispositivo mecânico mais amplamente utilizado nas vigas mistas. Na literatura técnica é possível encontrar uma grande diversidade de conectores de cisalhamento, mas muitos deles resultam em inconvenientes quanto ao comportamento estrutural, dificuldades de produção industrial e de instalação. 2.1 Conectores Tipo Pino Com Cabeça O conector tipo pino com cabeça (Figura 6), também denominado stud bolt, foi desenvolvido na década de 1940 e foi rapidamente difundido graças à grande produtividade que proporciona; entretanto, tal produtividade requer equipamento especial de solda que, por sua vez, necessita de um gerador de grande capacidade. Sua fixação com equipamentos convencionais de solda é possível, mas compromete sua maior vantagem que é a produtividade. Os modos de falha associados ao conector tipo pino com cabeça são: ruptura do conector por cisalhamento e esmagamento do concreto adjacente ao conector. Cada um destes modos de falha é levado em conta pelas expressões que definem a capacidade resistente de um conector tipo pino com cabeça, como aquelas encontradas no Projeto de Revisão da NBR 8800 PR-NBR 8800:2008. Esmagamento do concreto Ruptura do conector qrd = Cred 0,5A cs γ cs = fckec 1,25 qrd = Cred Rg Rp Acsfucs γ cs = 1,25 Figura 2: Conector tipo pino com cabeça e expressões para cálculo da capacidade resistente 2.2 Perfis U laminados ou soldados, tipo C O dimensionamento de perfis U laminados ou soldados utilizados como conectores de cisalhamento é previsto pelas normas de dimensionamento de vigas mistas, como o PR-NBR 8800:2008, que traz a formulação apresentada na Figura 3. 3 De 11

4 Lcs twcs qrd = 0,3 ( t + 0,5t ) fcs wcs Lcs γ cs = 1,25 fckec tfcs Figura 3: Conector tipo U e expressão para cálculo da capacidade resistente Entretanto, em se tratando de vigas cujo perfil de aço é formado a frio e, portanto, as chapas constituintes são de pequena espessura, há a dificuldade na execução das soldas entre o perfil e o conector. Dentro deste contexto, Hanaor (2000) avaliou algumas opções de conector em perfil formado a frio com chapas de 2 mm de espessura (Figura 4). Além da configuração, o estudo avaliou duas formas de fixação: via solda e via pequenos parafusos rosqueados e constatou que a fixação via solda resulta em ligação conector-perfil mais resistente. a) fixação via solda b) fixação via rosca Figura 4: Conectores em perfil formado a frio Conector X-HVB Hilti Com o objetivo de desenvolver um conector cuja fixação à viga não se dê por soldagem, Crisinel (1990) propõe um conector mecânico em L, formado a frio, cujo pé é fixado por parafusos. Posteriormente, a Hilti Corporation patenteou este conector com o nome de X-HVB, e oferece tal componente em alturas que variam de 80 a 140 mm (H s na Figura 5). Em termos de capacidade resistente, o conector Hilti X-HVB tem cerca de 40 % da capacidade de um conector tipo pino com cabeça de 19 mm. 2 Hanaor (2000). 4 De 11

5 Figura 5: Conector X-HVB parafusado à viga de aço 3 Os ensaios de push-out com o conector X-HVB mostraram comportamento Força vs. deslizamento dúctil, semelhante ao observado para conectores tipo pino com cabeça (Crisinel, 1990). 2.4 Perfis Perfobond Fruto da necessidade de um conector menos susceptível aos efeitos da fadiga comuns em pontes, o perfil perfobond consiste de uma chapa plana de aço, com furos circulares, soldada sobre a mesa superior da viga de aço (Figura 6a). O grande inconveniente deste conector é a dificuldade de posicionar a armadura positiva da laje, pois as chapas constituem um obstáculo físico e as barras devem ser concentradas nos furos do perfil perfobond. A seu favor, destacam-se a possibilidade de substituir vários conectores tipo pino com cabeça por um perfil perfobond e a facilidade de instalação, que dispensa equipamentos especiais. Sua utilização em edifícios requereu a redução de sua altura devido à altura da laje de concreto (Ferreira 2000). a) configuração do conector b) arranjo na viga de aço: ensaio de push-out 4 c) utilização na região de momento negativo da viga 5 Figura 6: Perfil perfobond utilizado em vigas mistas de aço e concreto 3 Patenteado pela Empresa Hilti Fonte: Vellasco et al. (2007). 5 Fonte: Veríssimo et al. (2006) 5 De 11

6 A capacidade resistente e a ductilidade da ligação aço-concreto advindas do pefil perfobond são fortemente influenciadas pela resistência do concreto da laje e pela quantidade de armadura que atravessa os furos do perfobond (Oguejiofor & Hosain, 1996). Isto constitui uma vantagem em relação aos conectores tipo pino com cabeça, pois, a utilização do perfobond permite controlar a capacidade resistente da ligação aço-concreto variando a resistência do concreto e a armadura passante (Veríssimo et al., 2006). Estudos experimentais e teóricos têm indicado que a resistência da ligação açoconcreto recebe contribuição dos seguintes componentes (Oguejiofor & Hosain, 1996; Andrade et al., 2007; Vellasco, et al. 2007): laje de concreto ao cisalhamento, armadura transversal e volume de concreto que atravessa os furos, provocando efeito de pino. Estes três parâmetros foram considerados na elaboração de uma expressão para estimar a capacidade resistente de conectores tipo perfobond (Oguejiofor & Hosain, 1996). 2 ( 4,5 h t f + 0,91 A f + 3,31 η D f ) q u = φ ck tr y 1 φ: coeficiente de resistência igual a 0,8 h, t: altura e espessura do perfil perfobond D e η 1: diâmetro e número de furos f ck: resistência do concreto à compressão ck A tr: área das barras transversais que atravessam os furos f y: resistência à tração do aço do perfil perfobond. Naturalmente, as características geométricas do perfobond têm forte influência sobre sua capacidade resistente e, em função disso, Leite et al. (2006) realizaram um estudo visando à otimização de sua geometria. Foram consideradas variáveis: espessura, altura e comprimento do perfil e diâmetro e número de furos. No referido estudo também foi considerado o custo do perfil perfobond já soldado na viga, que foi comparado aos conectores tipo pino com cabeça, resultando em redução do custo final de aproximadamente 24 %. 2.5 Perfis CR Os perfis CR são caracterizados por cortes em forma de C ou S, através dos quais é possível passar tanto as armaduras positivas quanto negativas (Figura 7). A influência do tipo de abertura foi investigada por Hauke (2006), que fez tal avaliação utilizando furos com 70 mm, e comparou aberturas em S, em C e em O, como no perfil perfobond. 6 De 11

7 Na fase de serviço os conectores tipo pino com cabeça têm comportamento menos rígido que os perfis perfobond e CRbond (Figura 8a). Depois de atingida a força de pico, o comportamento do perfil com abertura em O (perfobond) tende a ser elastoplástico perfeito, apenas com suave queda da relação F/F u em função do aumento do escorregamento na interface (Figura 8b). Quanto à capacidade resistente, os perfis com abertura em O, C e S apresentam o dobro da capacidade registrada para os conectores tipo pino com cabeça (Hauke, 2006). a) abertura em S b) abertura em C Figura 7: Conector mecânico tipo CRbond com abertura em C e em S A influência do tipo de abertura é verificada no escorregamento correspondente à força de pico: aberturas em C e em S (ou O) resultaram em 8,4 e 15 mm respectivamente. a) conector tipo pino com cabeça - φ=22 mm b) conector Perfobond abertura em O c) conector CRbond abertura em C d) conector CRbond abertura em S 7 De 11

8 Figura 8: Resultados de push-out para avaliação da influência do tipo de abertura do conector CRbond: aberturas C, S e O (Fonte: Hauke, 2006) A ruptura dos conectores tipo pino com cabeça foi caracterizada pelo cisalhamento na base do conector sem sinais de esmagamento do concreto nas proximidades. Nos perfis com abertura em S o concreto também não apresentou danos expressivos e o comportamento dúctil do conector pode ser atribuído a dois fatores: ao efeito de pino no concreto e ao dente de aço do perfil, que apresentou grande deformação. Nos perfis com abertura em O e C, foi constatado dano intenso no concreto e deformação acentuada no perfil. O concreto danificado encontra-se concentrado na face mais próxima da aplicação da força e ocorreu devido à pressão de contato (Figura 8c). 2.6 Barras de aço A utilização das barras de aço, tradicionalmente utilizadas no concreto armado, como dispositivo mecânico para promover o comportamento conjunto aço-concreto pode ser uma opção interessante e de custo menor se comparado aos conectores tipo pino com cabeça. Ao custo direto do conector tipo pino com cabeça soma-se a necessidade de equipamentos específicos para sua soldagem à viga de aço. No caso das barras de aço, estes equipamentos podem ser dispensados. Neste sentido, Ju & Kim (2005) propõem um sistema de piso composto por uma viga de aço de seção assimétrica, cuja região superior da alma possui aberturas pelas quais são inseridas barras de aço e concreto. Seções calha são apoiadas sobre a mesa inferior e servem de apoio para uma chapa de aço que funciona como forma para a laje de concreto armado. O conjunto concreto-barras de aço é responsável pelo comportamento conjunto entre a laje e a viga. Figura 9: Barras de aço promovendo o comportamento conjunto aço-concreto (Ju & Kim, 2005) 8 De 11

9 2.7 Adesivos Uma interessante alternativa em estudo consiste na utilização de adesivos para promover o comportamento conjunto aço-concreto em vigas mistas (Bouazaoui et al., 2007; Larbi et al., 2007). Diferentemente dos dispositivos apresentados anteriormente, os adesivos têm a vantagem de promover uma superfície contínua para transferência de tensões de cisalhamento, eliminando os problemas oriundos da concentração de tensões em conectores como os do tipo pino com cabeça. Outras vantagens atribuídas aos adesivos são (Bouazaoui et al., 2007): Podem ser aplicados em camadas de pequena espessura reduzindo consideravelmente o peso da ligação aço-concreto, se comparada aos dispositivos metálicos de utilização usual; Não há necessidade de soldar conectores de cisalhamento; São impermeáveis e têm grande durabilidade frente à corrosão, aspecto importante, sobretudo em pontes; A utilização de elementos com alto grau de industrialização, como as lajes pré-fabricadas é favorecida pela utilização dos adesivos, que agregam facilidade de execução, rapidez, qualidade e resistência. Entretanto, a utilização de adesivos para promover o comportamento conjunto requer que a superfície de aplicação seja adequadamente preparada, procedimento que demanda tempo e custo elevado. O estudo experimental desenvolvido por Larbi et al. (2007) avaliou, via ensaios de push-out, a influência de parâmetros como: tratamento da superfície, tipo e espessura da camada de resina. Ao longo do estudo, foram consideradas resinas epóxi com espessuras de 1,2 e 3,0 mm e resinas de poliuretano com 0,2 e 3 mm de espessura. Quanto à superfície de contato, após tratamento com jato de areia, a superfície de aço foi limpa com acetona ou com uma combinação de primer e corundum, que é um mineral abrasivo de grande dureza. 9 De 11

10 Figura 10: Resultados de ensaios de push-out com adesivos na interface aço-concreto 6 Alguns dos resultados obtidos nos ensaios de push-out são reproduzidos na Figura 10 e mostram que a camada do adesivo polyuretano tem que ser o mais delgada possível, caso contrário a ruptura ocorre na interface, para baixos valores de força aplicada. No caso do adesivo epóxi, as variáveis espessura da camada e tratamento da superfície não tiveram grande influência sobre a resistência ao deslizamento (Larbi et al. 2007). 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste artigo são apresentadas opções variadas para promover o comportamento conjunto aço-concreto, em elementos mistos de aço e concreto. Como foi demonstrado, as alternativas vão desde a utilização dos tradicionais conectores tipo pino com cabeça até os adesivos, que são a opção mais recentemente apresentada pelos pesquisadores. A cada uma das opções são associadas vantagens e desvantagens, cabendo ao engenheiro de estruturas a escolha da opção mais adequada a cada situação. No processo de escolha, devem ser considerados custos, comportamento estrutural e processo construtivo. 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Andrade, S.A.L.; Vellasco, P.C.G.S.; S.A.L.; Ferreira, L.T.S.; Lima, L.R.O. (2007). Semi-rigid composite frames with perfobond and T-rib connectors Part 1: Full scale tests. Journal of Constructional Steel Research, v. 63, n.02, p Bouazaoui, L.; Perrenot, G.; Delmas, Y.; Li, A. (2007). Experimental study of bonded steel concrete composite structures. Journal of Constructional Steel Research, v. 63, n.09, p Crisinel, M. (1990). Partial-interaction analysis of composite beams with profiled sheeting and non-welded shear connectors. Journal of Constructional Steel Research, v. 15, n.1-2, p Ferreira, L.T.S. (2000). Sistemas construtivos semi-rígidos mistos para edificações. Tese de Doutorado, PUC-Rio, Rio de Janeiro, Brasil. Hanaor, A. (2000). Tests of composite beams with cold-formed sections. Journal of Constructional Steel Research, v. 54, n.02, p Hauke, B. (2006). Ductile shear connectors for high strength composite members. In: Proceedings of the 2 nd International Congress (2 nd Fib Congress). Naples, Italy. 5-8 June, 2006, 12p (ID 5-12). Ju, Y.-K.; Kim, S.-D. (2005). Behaviour of RC column to itech composite beam joint. Proceedings of the Institution of Civil Engineers Structures & Buildings, v. 158, n.2, p Larbi, A.S.; Ferrier, E.; Jurkiewiez, B.; Hamelin, P. (2007). Static behaviour of steel concrete beam connected by bonding. Engineering Structures, v. 29, n.06, p Leite, M.D.R.N.; Lima, L.R.O.; Vellasco, P.C.G.S.; Andrade, S.A.L.; Silva, J.G.S. (2006). Avaliação de conectores de cisalhamento tipo perfobond rib em estruturas mistas aço-concreto. In: Proceedings of 6 Fonte: Larbi et al. (2007). 10 De 11

11 the XXVII Iberian Latin American Congress on Computational Methods in Engineering (XXVII CILAMCE). Belém-Pará. 3-6 setembro, 2006, 15p. Oguejiofor, E.C.; Hosain, M.U. (1996). Numerical analysis of push-out specimens with perfobond rib connectors. Computers and Structures, v. 62, n.04, p Vellasco, P.C.G.S.; Andrade, S.A.L.; Ferreira, L.T.S.; Lima, L.R.O. (2007). Semi-rigid composite frames with perfobond and T-rib connectors Part 1: Full scale tests. Journal of Constructional Steel Research, v. 63, n.02, p Veríssimo, G.S.; Valente, I.; Paes, J.L.R.; Cruz, P.J.S.; Fakury, R.H. (2006). Análise experimental de um conector de cisalhamento em chapa de aço endentada para estruturas mistas de aço e concreto. In: XXXII Jornadas Sulamericanas de Engenharia Estrutural. Campinas maio, 2006, p ISBN De 11