AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DE LIGAÇÕES E DE VIGAS COMPOSTAS DE MADEIRA COM ENTALHES PREENCHIDOS DE CONCRETO

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1 LAVRAS/MG 5 a 8 de julho de 00 AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DE LIGAÇÕES E DE VIGAS COMPOSTAS DE MADEIRA COM ENTALHES PREENCHIDOS DE CONCRETO Márco Sampao Sarmet Morera (msarmet@ufv.br) - Unversdade Federal de Vçosa; Julanno Correa (julanocvl@yahoo.com.br) - Unversdade Federal de Vçosa; Rta de Cássa Slva Santana Alvarenga (rtadecassa@ufv.br) - Unversdade Federal de Vçosa RESUMO: Na execução de estruturas de madera, é comum a necessdade de componentes de elevadas rgdez e capacdade resstente, que exgem peças com maores dmensões transversas, que apresentam maores custos e dfculdades para obtenção. Neste caso, uma alternatva nteressante pode ser o emprego de peças compostas, obtdas pela conexão de duas ou mas peças de madera de menores dmensões por meo de lgações com conectores mecâncos. Apresenta-se neste trabalho uma avalação expermental do desempenho de conectores de lgação de peças compostas de madera, obtdos por entalhes executados na madera preenchdos de concreto, trabalhando como tarugos. Foram confecconados e ensaados corpos-de-prova smétrcos de lgação, com três peças e com duas peças de madera, com uso de barra transversal de aço para mpedr a abertura das lgações. Foram utlzados conectores com dferentes geometras do entalhe, defndas pela nclnação da face carregada e pelo emprego em um lado ou nos dos lados das peças de madera. Fo utlzado concreto obtdo da mstura de graute comercal com brta zero. Vsando o desempenho em aplcações prátcas destes conectores, foram avaladas as rgdezes de vgas compostas de duas peças de madera. Nos ensaos das lgações foram obtdas elevadas resstêncas e rgdezes, com ocorrênca predomnante de rupturas fráges por esmagamento do dente de concreto. Nos ensaos das vgas compostas foram obtdas elevadas rgdezes à flexão, comprovando a efcênca das lgações, com os valores expermentas obtdos próxmos às estmatvas efetuadas com modelo teórco. Palavras-chave: lgações mecâncas, conectores de concreto, vgas compostas de madera. EXPERIMENTAL EVALUATION OF JOINTS AND WOOD COMPOUND BEAMS USING CONCRETE CONNECTORS ABSTRACT: It s frequently necessary, when buldng wth wood, to use components that have both hgh stffness and hgh load bearng capacty. In these stuatons, larger members are needed; ths translates nto hgh cost and dffcultes n attanng. An nterestng substtute s a compound pece that results from jonng together, wth the help of mechancal connectors, two or more smaller peces of lumber. In ths work t s reported an experment on the behavor of wood jonts, when the members are joned usng concrete that s poured nto holes to resemble and act as dowels. Specmens of the jonts were bult and tested: they were symmetrcal and conssted of two or three wooden sde members, wth a steel bar used to avod openng of the jonts. Connectors of dfferent geometres were used n one or both sdes of the members, ther shapes dctated by the slope of the loaded face. The concrete used to fll the dowels was made usng commercal grout and an aggregate of sze 0. A possble practcal use of ths jont was evaluated by determnng the stffness of beams made of two wood members. The essays showed the jonts to be very strong and stff, the concrete dowels beng crushed n a fragle manner. The beams were also qute hgh stffness. The expermental results agreed well wth the theoretcal model, thus confrmng that the jonts are ndeed effcent. Keywords: mechancal connectors, concrete connectors, compound wooden beams

2 . Introdução A madera é um dos materas cujo emprego nas estruturas atuas pode ser compettvo e vantajoso, em função de sua elevada resstênca, seu reduzdo peso própro e sua adequação à pré-fabrcação. O caráter sustentável de sua obtenção e uso é outro fator de mportânca crescente. Uma das tecnologas utlzadas para obtenção de peças de madera de elevada capacdade resstente, consste do uso de peças compostas, obtdas em geral pela unão de peças justapostas, de dmensões transversas não elevadas e lgadas por meo de conectores mecâncos. As peças compostas mas comuns apresentam seções transversas retangular, T, I ou caxão, sendo obtdas pela assocação de peças serradas com seção retangular. Estas peças compostas podem ser utlzadas em dversas aplcações estruturas em que há necessdade de peças com maor rgdez e resstênca, tas como em vgas, colunas, elementos de pórtcos ou de trelças. Podem ser obtdas com o emprego de peças de madera com maores espessuras e teores de umdade, além do uso de dferentes tpos de conectores mecâncos. Em geral, sua fabrcação é smples e os custos não são elevados. A caracterzação do comportamento de peças estruturas exge a avalação da capacdade resstente, da rgdez e também do processo de ruptura ou ruína. O comportamento estrutural de peças compostas é fortemente nfluencado pelo comportamento das lgações. As lgações deas devem ser de fácl execução, de baxo custo, com elevadas resstênca, rgdez e durabldade, além de permtrem processo de ruptura dúctl, atrbutos estes dfíces de serem smultaneamente atngdos. Na prátca, o sstema de conexão é classfcado em rígdo ou flexível, em função da rgdez na transmssão dos esforços atuantes nas nterfaces. Nos sstemas rígdos, os esforços prevstos de atuarem, obtdos com as seções consderadas monolítcas, são ntegralmente transmtdos. Nos sstemas flexíves, ocorrem deslocamentos relatvos mportantes entre as peças e apenas parte do esforço de csalhamento que podera ser moblzado é efetvamente transmtdo. Nos sstemas flexíves, a efcênca das lgações pode ser avalada pela relação entre a rgdez efetva obtda (I ef ) e uma rgdez de comparação, correspondente à rgdez máxma, obtda com o conjunto consderado monolítco (I a ) ou à rgdez mínma, obtda com o sstema sem conexão. Outra forma de obter a efcênca das lgações em peças compostas, consderada mas objetva, é defnda pela razão do ganho efetvo de rgdez em relação ao ganho possível. Nas aplcações prátcas, o mas mportante é a efcênca global das soluções, dependentes da dsponbldade de materas e componentes, facldade de execução, versatldade de uso e custos totas. Assm, sstemas de conexão flexíves, com ganhos de rgdez da ordem de / a /4 do máxmo possível, podem ser sufcentemente para as aplcações prevstas e permtrem ganhos sgnfcatvos em relação à rgdez mínma. As lgações com conectores mecâncos são essencalmente flexíves, uma vez que são dspostos afastados entre s, acarretando a moblzação de concentrações de tensões e de deformações na madera ao redor dos conectores que, assocadas às deformações dos própros conectores, geram deslocamentos não desprezíves entre as peças lgadas, modfcam a dstrbução das tensões nternas e produzem perda de rgdez e de resstênca em relação à seção aparente ou monolítca. Os elementos mecâncos mas utlzados são os tarugos de madera e os conectores metálcos na forma de pnos, chapas e anés. As lgações com pnos obtdos de barras de aço redondas são de fácl execução, com custos e efcênca dependentes das dmensões, geometra, tpo de fxação na madera e, prncpalmente, da quantdade ou espaçamento. Os tarugos de madera macça e os anés

3 metálcos tendem a apresentar elevadas resstênca e rgdez, com custos não elevados e aparente facldade de execução. No entanto, necesstam de parafusos transversas para mpedr a abertura entre as peças lgadas e apresentam dfculdades para uma execução precsa dos cortes e entalhes, que permtam o encaxe perfeto das peças e o trabalho smultâneo de todos os conectores. A resstênca e a rgdez de lgações são avaladas em ensaos expermentas. Quando o comportamento é frágl, a resstênca é defnda pela força lmte resstda. Em lgações dúctes, a resstênca é defnda por um valor convenconal correspondente a lmtações mpostas às deformações plástcas ou totas. A rgdez de uma lgação é defnda pela relação entre as forças aplcadas e os deslocamentos relatvos moblzados, sendo também desgnada usualmente de módulo de deslzamento (K). Em lgações em que a rgdez é varável, pode-se defnr a rgdez em função do nível da força aplcada, pela tangente à curva força x deslocamento correspondente. As lgações mecâncas de elevadas rgdezes possuem comportamento domnante elasto-frágl, sendo a rgdez e a resstênca de fácl obtenção. Para lgações mecâncas dúctes não exste uma metodologa unversalmente aceta para avalação da resstênca e rgdez. O Eurocode 5 (99) consdera para os estados lmtes últmos, um valor (K u ) obtdo pelo módulo secante do trecho compreenddo entre 0% e 70% da resstênca e, para os estados lmtes de utlzação ou de servço, um valor (K s ) obtdo pelo módulo secante do trecho compreenddo entre 0% e 40% da resstênca. O comportamento de peças compostas de madera, submetdas à flexão com lgações mecâncas flexíves e ocorrênca de deslzamentos nas nterfaces, pode ser descrto por equações dferencas obtdas de hpóteses smplfcadoras em um trecho nfntesmal da vga e pela consderação das condções de equlíbro e compatbldade de deformações, conforme Chu e Barclay (988), apud Góes (00). As soluções destas equações são obtdas a partr da consderação das condções de contorno, defndas pelos apoos e forças aplcadas. Com base neste comportamento, foram desenvolvdos métodos de análse smplfcados, sendo o mas utlzado o método γ, proposto por Möhler (955), adotado pela norma alemã DIN desde os anos setenta, apud Natterer e Wenand (008). Neste método, o momento de nérca à flexão efetva da seção transversal de uma peça composta (I ef ), com m peças componentes, é obtdo pela soma da contrbução de cada peça componente dvdda em duas parcelas, uma defnda pelo momento de nérca ndvdual e outra pelo afastamento ao centróde da seção composta, na forma: m m I = + γ ef I A a = =, () sendo: I, A, a e γ, respectvamente, para cada peça componente, o momento de nérca ndvdual centrodal em relação ao exo paralelo ao exo de flexão, a área, a dstânca do centróde da peça componente à lnha neutra da seção composta e o coefcente (γ ) que defne a contrbução da peça no ganho de nérca da peça composta, relatvamente à peça componente de ordem. Para materas com dferentes rgdezes ou módulos de elastcdades (E ), a rgdez à flexão equvalente (EI eq ) pode ser obtda por uma expressão análoga na forma: m ( EI) A a eq = (E I E ) + γ, () = CHUI, Y.H; BARCLAY, D. W. (988). Analyss of three-layer beams wth non-dentcal layers and sem-rgd connectons. Canadan Journal of Cvl Engneerng. V.5, n., p MÖHLER, K. (955). "Über das Tragverhalten von Begeträger und Ruckstäben mt zusamengestzten Querschntten und nachgebgen Verbndungsmtteln." Hablaton (TH Karlsruhe).

4 O Eurocode 5 (99), consderando dferentes composção de seções T, utlza a expressão () para obtenção da rgdez equvalente. Para a peça que forma alma da vga, γ, e para = e : k' π E A s = e K L γ =, () + k' sendo: K, o valor da rgdez ou módulo de deslzamento da lgação da peça com a peça de ordem, com K = K s, para os estados lmtes de utlzação e K = K u, para os estados lmtes últmos; s é o espaçamento entre os conectores da lgação da peça, com valor efetvo s,ef =0,75s,mín + 0,5s,máx, quando o espaçamento varar com a força cortante e s máx 4 s mín ; L é o vão para vgas bapoadas, 80% do maor vão para vgas contínuas e duas vezes o vão para vgas em balanço. As dstâncas entre o centróde de cada peça e a lnha neutra da seção composta são defndas por: γ + γ + = E A (h h ) E A (h h ) (h a, + h ) (h a = a e + h ) a = + a.(4) γ E A = O objetvo deste trabalho consste na avalação do comportamento de conectores de lgação de peças compostas de madera, obtdos por entalhes executados na madera preenchdos de concreto trabalhando como tarugos, assocados a barras de aço dspostas transversalmente utlzadas para mpedr a abertura das lgações.. Materas e Métodos Foram confecconados e ensaados 6 corpos-de-prova (cp) de lgação com conectores de concreto com dferentes geometras, metade com três peças de madera e metade com duas peças de madera, emprego de dferentes nclnações do entalhe e uso do entalhe em um lado (dente smples) ou em ambos os lados (dente duplo). Esta últma confguração fo dealzada para emprego em stuações em que haja possbldade do csalhamento poder atuar nos dos sentdos. Para mpedr a abertura entre as peças de madera foram utlzadas barras transversas de aço de dâmetro nomnal de,5 mm. Vsando uma avalação do desempenho deste tpo de conector em aplcações prátcas, foram obtdas as rgdezes de três vgas compostas submetdas à flexão smples. Fo utlzada madera serrada de densdade méda da espéce Votareopss araroba e nome popular Angelm Amargoso, adqurda na forma de vgas de 7 cm de espessura. As peças de madera foram secas ao ar até atngr um teor de umdade abaxo de 5% e aparelhadas para uma espessura em torno de 64 mm. A segur foram produzdos os corpos de prova das lgações. Foram produzdos oto cp de lgações com três peças, com peças de madera com comprmento de 45 cm e largura de cm, para as peças lateras, e de 0 cm para a peça central. Os entalhes, de,5 cm de profunddade e cm de extensão, foram executados nos dos lados de cada peça (dentes duplos) e em apenas de um lado (dente smples), posconados normas à nterface em dos cp e nclnados de 5 o e 0 o em relação a esta normal em cada um dos demas, conforme Fgura a. Nos entalhes fo utlzado concreto obtdo da mstura de graute comercal de resstênca nomnal de 40 MPa e brta zero, na proporção em peso de : e emprego do fator água/cmento como recomendado pelo fabrcante. Fo avalada a resstênca à compressão paralela da madera, por meo de ensao de ses cp, e o módulo de elastcdade na flexão, por meo do ensao de ses vgas de 500 cm de comprmento e vão de trabalho de 480 cm. =

5 Para avalar o comportamento de lgações com um únco conector, foram fabrcados e ensaados oto cp de lgação com duas peças, como proposto em Tammola et al. (000), com peças de madera com largura de 4 cm. Foram executados entalhes em um únco lado, com profunddade de,5 cm e comprmento de 4 cm, dvddos em dos grupos de quatro cp. No prmero grupo fo utlzada barra rosqueada e, no segundo, barras nervuradas coladas com adesvo epóx. A forma dos corposde-prova fo ajustada para que a resultante das forças aplcadas passasse pelo centro do conector, resultando em faces carregadas das peças de madera nclnadas de,7 0, como vsto na Fgura c. Foram meddos os deslocamentos relatvos entre as peças de madera, entre pontos stuados sobre uma mesma reta, normal ao centro dos entalhes ou da superfíce de contato. Foram empregados relógos comparadores dgtas com medção de mlésmos de mlímetros, dspostos em ambos os lados da lgação e fxados com dspostvos auxlares, como vsto nas Fguras b e c. Os ensaos tveram duração aproxmada de 0 mnutos, com aplcação de força crescente. Foram obtdas a resstênca e a rgdez de cada lgação. As rgdezes para os estados lmtes de servço (K s ) e para os estados lmtes últmos (K u ) foram obtdas pela reta correspondente ao trecho compreenddo, respectvamente, entre 0% e 40% e entre 0% e 70% da resstênca da lgação. As peças de madera utlzadas para fabrcar as peças compostas possuíam dmensões de 6,4 cm x 4,0 cm x 500 cm. Foram ensaadas soladamente para determnação da rgdez na flexão, em ensaos a três pontos e vão de 480 cm. Fo aplcada força na seção central por meo de um sstema hdráulco e meddas as reações, por meo de células de carga dspostas nos apoos. Fo meddo o deslocamento na seção central por meo de um relógo comparador dgtal. (a) (b) (c) (d) Fgura. a) Lgações com três peças de madera; b) Ensao de lgação com três peças de madera e dentes duplos; c) Ensao de lgação com duas peças de madera; d) Ensao de vga composta. As vgas compostas foram projetadas vsando aplcação futura como alma de vgas mstas maderaconcreto, com oto conectores de concreto smetrcamente dspostos, com forma e espaçamento varáves, ver Fgura d. As vgas compostas foram ensaadas para avalação expermental da rgdez em condções de servço, com o mesmo esquema utlzado para avalação das peças componentes, como vsto na Fgura d. Foram obtdos os valores das rgdezes das vgas compostas ensaadas, com emprego do método proposto pelo Eurocode 5 descrto anterormente.

6 . Resultados e Dscussão Fo obtdo o valor de 48, MPa para a resstênca da madera à compressão paralela e 776 MPa para o módulo de elastcdade na flexão. As curvas força x deslocamento dos ensaos com três peças de madera são apresentadas na Fgura e com duas peças, na Fgura. Na Fgura 4 estão representadas curvas força x deslocamento e retas de defnção das rgdezes de ensaos específcos. Os resultados de resstênca (Pu) e rgdez para ensaos de lgações com três peças de madera são apresentados na Tabela e com duas peças na Tabela. Fgura. Curvas força x deslocamento obtdas nos ensaos de lgações com três peças de madera. Fgura. Curvas força x deslocamento obtdas nos ensaos de lgações com duas peças de madera. 80 Lgação de duas peças de madera - Conector de concreto com barra rosqueada (CP LPMDS5- BR) Pu = 76 kn Força (kn) y = 74.58x y = 97,78x +,8665 (a) Deslocamento (mm) LPMDS5- BR r(0,-0,4) Pu r(0,-0,7) Pu (b) Fgura 4. Curvas força x deslocamento e retas de defnção das rgdezes: a) Com três peças e dentes duplos retos; b) Com duas peças, dente smples a 5 o e barra rosqueada.

7 Tabela. Ensaos de lgações com três peças de madera e conectores de concreto Conectores com dentes duplos (LMDD) Conectores com dentes smples (LMDS) Ensao Pu Ks Ku Ku/Ks Ensao Pu Ks Ku Ku/Ks (CP) (KN) (kn/mm) (kn/mm) (%) (CP) (KN) (kn/mm) (kn/mm) (%) LMDD90-8, 5,9,7 88, LMDS90-08, 09,68 0,0 09,4 LMDD90-9,5 98,95 8,05 9,0 LMDS90-, 05,48 6,5 0,5 Méda,9 6,4 47, 90, Méda 0,7 07,58 8,75 0,0 LMDD75 5 5,8 7,5 9,0 LMDS75 89,9,85,9 99, LMDD ,68 54,6 8,9 LMDS ,58 0,6 0,0 Méda,5 69,9 46,06 86,5 Méda 0,0 7,5,765 04,6 Tabela. Ensaos de lgações com duas peças de madera e conectores de concreto Barras coladas Barras rosqueadas Ensao Pu Ks ku Ku/Ks Ensao Pu Ks ku (CP) (kn) (kn/mm) (kn/mm) (CP) (kn) (kn/mm) (kn/mm) Ku/Ks BC 5-7,6 95,95 8,85 0,9 BR 5-96,0 7,77 0,90 0,87 BC 5-0,4,56 05,8 0,9 BR 5-76,0 97,8 74,58 0,77 Méda 5,0 54,75 44,4 0,9 Méda 86,0 07,47 88,74 0,8 BC 0-06,0 8,59 6,8 0,90 BR 0-80, 88,85 90,0,0 BC 0-,7 04,7 80,9 0,77 BR 0-9,5 00,9 89,74 0,89 Méda 09, 4,8,05 0,8 Méda 86,4 94,57 89,9 0,95 Méd. geral, 49,, Méd. geral 86, 0,0 89, Na Fgura 5, são apresentadas as curvas força x deslocamento obtdas nos ensaos da vga composta V5/V6. Na Tabela, são apresentadas as dmensões das peças componentes e os resultados obtdos nos ensaos das peças ndvduas e das peças componentes. Força (kgf) Vgas E E Ensao de rgdez à flexão - Vga Dupla V5-V6 (E) y = x -.65 R = Deslocamento (mm) V5-V6 E Lnear (V5-V6 E) Força (kgf) Ensao de rgdez à flexão - Vga Dupla V5-V6 (E) y = 0.58x R = Deslocamento (mm) V5-V6 E Lnear (V5-V6 E) Fgura 5. Curvas força x deslocamento obtdas nos ensaos da vga composta V5-V6. Tabela. Resultados de avalações analítcas e expermentas de rgdezes das vgas E (MPa) E (MPa) EI exp (kn.cm ) γ k = 56,5 (kn/mm) k = 78,75 (kn/mm) k =0,0 (kn/mm) EI eq,a EI exp / EI eq,a EI exp / EI eq,a EI exp / (kn.cm ) EI a γ (kn.cm ) EI a γ (kn.cm ) EI a V/V , ,08 0, ,0 0, ,005 V4/V ,66 880,08 0, ,98 0, ,956 V5/V , ,955 0, ,98 0, ,897 Méda , ,0 0, ,978 0, ,95

8 Na obtenção das rgdezes das vgas compostas por meo do método analítco, foram consderados três dferentes valores para a rgdez das lgações: o valor médo obtdo nos ensaos de três peças de madera e dentes smples (k s 7/ = 56,5 kn/mm), o valor médo obtdo nos ensaos com duas peças de madera, dentes smples e barras rosqueadas (k s 0,0 kn/mm) e o valor médo dos dos anterores (k s = 78,75 kn/mm). Fo consderado um espaçamento médo dos conectores na condção dos ensaos de s = 50 cm. Embora o reduzdo número de repetções dos ensaos dos conectores estudados não permta uma análse estatístca qualfcada, os seguntes resultados podem ser destacados: - A resstênca das lgações com três peças de madera apresentaram varações reduzdas, com resultados ndvduas próxmos aos obtdos nas lgações com duas peças e barras coladas; - As resstêncas das lgações com duas peças de madera e barras rosqueadas apresentaram também varações reduzdas, com valor médo da ordem de 75% das demas resstêncas. - As rgdezes ndvduas obtdas nos ensaos com duas peças de madera foram sgnfcatvamente superores as obtdas com três peças de madera; - As avalações analítcas das rgdezes das vgas compostas apresentaram boas aproxmações com os resultados expermentas, com erro médo da ordem de % para os melhores resultados, que foram obtdas com emprego das rgdezes médas ou relatvas às lgações com três peças. 4. Conclusões Os conectores estudados apresentaram bom comportamento mecânco, com boa resstênca e elevada rgdez, além de serem de fácl execução e apresentarem custos não elevados. As rgdezes obtdas nos ensaos com duas peças de madera foram sgnfcatvamente superores às obtdas com três peças de madera. As avalações analítcas das rgdezes apresentaram boas aproxmações com os resultados expermentas. 5. Agradecmentos À FAPEMIG, pelo contínuo e relevante apoo à pesqusa. 6. Bblografa COMITÉ EUROPÉEN DE NORMALISATION. Eurocode 5 Desgn of tmber structures. Brussels. 99. GÓES, J. L. N. Análse de vgas de madera pregadas com seção composta I. 00. p. Dssertação (Mestrado em Engenhara de Estruturas) - Unversdade de São Paulo, São Carlos. NATTERER, J.; WEINAND, Y. Modellng of mult layer beam wth nter-layer slps. In: World Conference on Tmber Engneerng, 0., 008, Myazak, Japan. Anas Myazak, Japan, 008. TOMMOLA, J., SALOKANGAS, L.; JUTILA, A. Tests on shear connectors. Test Report of the Nordc Tmber Brdge Project, Laboratory of Brdge Engneerng, Helsnk Unversty of Technology. 000.