ANÁLISE DINÂMICA EXPERIMENTAL PARA DETERMINAÇÃO DA RIGIDEZ DE LIGAÇÕES VIGA-PILAR

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1 ISSN ANÁLISE DINÂMICA EXPERIMENTAL PARA DETERMINAÇÃO DA RIGIDEZ DE LIGAÇÕES VIGA-PILAR Sandra Freire de Almeida 1 & João Bento de Hanai 2 Resumo Este trabalho apresenta parte do estudo experimental que visa desenvolver um método de análise da deformabilidade de estruturas de concreto e suas ligações, em função da danificação, focalizando a semi-rigidez das ligações de elementos pré-moldados. O objeto específico de estudo é a ligação viga-pilar com capacidade de transmissão de esforços. Realizou-se um estudo comparativo dos resultados obtidos em ensaios experimentais estáticos e dinâmicos em modelos reduzidos de pórticos de concreto pré-moldado, utilizando procedimentos que empregam métodos diretos na obtenção da rigidez da ligação entre os elementos. A metodologia experimental envolveu ensaios dinâmicos de vibração forçada e sinais medidos por acelerômetros e ensaios estáticos usuais que utilizam transdutores de deslocamento e clinômetros. Os resultados preliminares já demonstram a validade da utilização da metodologia experimental dinâmica para a determinação direta da rigidez de ligações de estruturas pré-moldadas. Palavras-chave: Concreto pré-moldado. Ligação semi-rigidez. Análise dinâmica experimental. DYNAMIC EXPERIMENTAL ANALYSIS TO ASSESS BEAM-TO-COLUMN CONNECTION STIFFNESS Abstract This paper presents an experimental study that aims to develop techniques to evaluate connection stiffness of precast concrete structures during damaging process. The main connection type analyzed in this study is the moment resistant semi-rigid beam-to-column connection. Static and dynamic experimental tests were carried out with reduced scale precast concrete frames and a comparative analysis between these results is presented. The experimental procedure to evaluate beam-to-column connection stiffness dealt with direct techniques, such as forced vibration tests and accelerometer measured data, as well as static tests with displacement transducers. The results showed that experimental dynamic tests are acceptable to obtain precast concrete connection stiffness directly. Keywords: Precast concret. Semi-rigid connection. Experimental dynamic analysis. Linha de Pesquisa: Estruturas de Concreto e de Alvenaria 1 INTRODUÇÃO Na análise experimental de estruturas, os ensaios usuais de investigação física e os procedimentos da análise estática podem ser complementados com ensaios dinâmicos para a caracterização da estrutura. Os ensaios dinâmicos apresentam a vantagem de serem não-destrutivos e utilizados para a verificação das condições reais de vínculo ou para a avaliação da necessidade de intervenção em estruturas deterioradas. Particularmente, em estruturas de concreto pré-moldado, os 1 Doutoranda em Engenharia de Estruturas - EESC-USP, salmeida@sc.usp.br 2 Professor Titular do Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP, jbhanai@sc.usp.br

2 58 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai ensaios de vibração podem representar uma vantagem na obtenção dos valores de deformabilidade, pois podem ser realizados em situações de serviço, e como o comportamento dinâmico do sistema é direcionado pelas propriedades dos elementos que o compõe, os resultados refletem as alterações das condições de vínculo. As ligações entre os elementos pré-moldados usualmente apresentam comportamento semirígido (ligações deformáveis e que permitem transmissão de esforços), porém o valor real da rigidez é de difícil avaliação experimental. Portanto, métodos para a determinação da rigidez de ligações em situações de serviço podem se tornar uma alternativa para a análise do comportamento real da estrutura e para a comparação com hipóteses e modelos de cálculo utilizados no projeto, inclusive com monitoramento ao longo do tempo, ou até para a previsão do comportamento futuro da estrutura a partir do estado de danificação atual. Neste trabalho são apresentadas sucintamente as séries de ensaios estudadas. Em todos os casos, buscou-se a consolidação de uma metodologia experimental dinâmica para obter a rigidez da ligação, diretamente com os sinais medidos por acelerômetros piezoelétricos. 2 METODOLOGIA A primeira etapa da investigação experimental consistiu na realização de ensaios piloto para avaliar os procedimentos experimentais em modelos de estruturas, incluindo a verificação das condições de contorno adequadas e dos equipamentos existentes no Laboratório de Estruturas (LE- SET-EESC). Os ensaios-piloto foram desenvolvidos em parceria com outras pesquisas: 1) Ensaios dinâmicos em 2 modelos em escala real, juntamente com Baldissera (2006): um com pilar intermediário e outro com pilar de extremidade (Figura 1a). Os ensaios e resultados obtidos foram descritos em Almeida et al (2006). 2) Ensaios dinâmicos em seis modelos reduzidos, juntamente com Fonseca (2007), que avaliou o incremento de rigidez e resistência a momento fletor obtido pelo reforço com PRFC da ligação viga-pilar pré-moldada (Figura 1b). Os ensaios e os resultados obtidos foram descritos em Almeida et al (2008). 3) Ensaios dinâmicos em modelos de estrutura metálica, juntamente com o Engº William Bessa numa pesquisa em andamento no LE-EESC-USP. Foram ensaiadas ligações viga-pilar soldadas e parafusadas (Figura 2). A segunda etapa da investigação experimental, que está em andamento, consiste na realização de ensaios em modelos reduzidos de pórticos em concreto pré-moldado, compostos por dois pilares e uma viga, cuja ligação básica é composta por encaixe de dente e consolo, com uso de chumbador, almofada de apoio e graute. Há variação de alguns dispositivos de um modelo para outro (inserção de laminado de PRFC ou insertos soldados) e também ensaio de um pórtico monolítico para referência. As dimensões dos elementos foram reduzidas por um fator de escala 1:3. No item 3, são apresentados os dados do primeiro modelo ensaiado (Figura 4). Excitador eletromagnético Força estática aplicada pelo atuador servo- controlado ou pelo macaco hidráulico Dispositivos para distribuição do carregamento Célula de carga dinâmica Pontos de instrumentação dinâmica (acelerômetros) (a) (b) Base da máquina de ensaio Figura 1 Ensaios-piloto: (a) Modelo em escala real; (b) Modelo em escala reduzida.

3 4 pto0 Análise dinâmica experimental para determinação da rigidez de ligações viga-pilar 59 Figura 2 Ensaios-piloto: modelo de estrutura metálica. Em todos os ensaios realizados, foi utilizado o método direto, elaborado por Nóbrega (2004) para a determinação da rigidez da ligação por meio dos valores de aceleração medidos. A idéia básica do método consiste em usar um par de acelerômetros uniaxiais, excitar a estrutura na sua freqüência natural, registrar a força aplicada, e com isso, calcular os deslocamentos, as rotações e a rigidez da ligação. Figura 3 Arranjo para medição da resposta rotacional. Fonte: Nóbrega (2004). 3 DESENVOLVIMENTO ENSAIOS DOS PÓRTICOS Todos os modelos desta etapa da pesquisa são pórticos de concreto armado de tamanho reduzido, compostos por dois pilares (15cm x 15cm) e uma viga (15cm x 20cm), com diferentes tipos de vinculação entre a viga e o pilar. Os ensaios do Modelo I-A foram divididos em duas etapas: 1) modelo sem reforço, com execução de ensaio estático até um estágio moderado de danificação do concreto; 2) modelo reforçado com laminados de PRFC inseridos no concreto, na região da ligação, com realização de ensaio estático até a ruptura. Os ensaios dinâmicos foram realizados antes, durante e após a aplicação de carregamento estático e intercalados nas fases de montagem do pórtico. A finalidade dos ensaios estáticos foi determinar a rigidez da ligação da forma convencional, provocar a danificação e obter o valor da carga de ruptura. Atuador servo-controlado (fixado no pórtico de reação) Excitador eletromagnético (pendurado na ponte rolante) 5,5 7,5 CL3 CL4 Face posterior da ligação Célula de carga Face posterior da ligação CL1 CL2 Haste ("stinger") Célula de força dinâmica TD3 LR F/2 F F/2 Perfil metálico LR TD1 PB AC3 AC1 AC2 0a 30 0 (centro da viga) AC5 PA AC7 AC8 htd-b htd-a AC4 AC6 TD4 TD2 5,25 5,5 TD5 15 AC3 LADO B LADO A PB AC1 AC2 (a) Legenda: TD - Transdutor de deslocamento CL - Clinômetro (b) 5,25 AC4 Legenda: AC - Acelerômetro Figura 4 Ensaio do pórtico: (a) Esquema do ensaio estático; (b) Esquema do ensaio dinâmico.

4 60 Sandra Freire de Almeida & João Bento de Hanai A instrumentação utilizada nos ensaios estáticos do modelo I-A consistiu de: extensômetros elétricos, transdutores de deslocamento e clinômetros. Nos ensaios dinâmicos, as amplitudes da vibração foram medidas com acelerômetros em dois pontos da ligação, com a estrutura sendo excitada na sua freqüência natural, de forma a obter a rotação provocada pelo momento fletor dinâmico entre as seções descontínuas consolo e dente. 4 RESULTADOS OBTIDOS Alguns gráficos usuais obtidos nos ensaios do pórtico de concreto pré-moldado são apresentados na Figura 5. No gráfico da aceleração ao longo do tempo, é possível notar a diferença entre os sinais medidos pelos dois acelerômetros posicionados na ligação. X1 e 2,sv Deslocamento - acel1 e 2 H1,2 sv FRF (Magnitude) Deslocamento (m) x ,041992; 5, ,041992; 1, FRF (g/lbf) 0,2 0,15 91,25; 0,16 1 0, , ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Tempo (s) 0 0,00 200,00 400,00 600,00 800, ,00 Freqüência (Hz) Figura 5 Resultados preliminares pórtico Modelo I-A: (a) Deslocamentos obtidos com os acelerômetros; (b) FRF resultante com indicação da freqüência natural. Os ensaios pilotos realizados forneceram valiosas informações a respeito da metodologia experimental proposta. Foram avaliadas as vantagens da utilização de modelos reduzidos nos ensaios dinâmicos, entre elas a redução do ruído nos sinais medidos. Outro aspecto cuidadosamente analisado, nesta fase, foi a condição de contorno dos modelos e sua influência nos resultados. Os ensaios dinâmicos nos modelos de ligação de estrutura metálica apresentaram resultados mais próximos aos obtidos nos ensaios estáticos dos modelos em concreto. 5 CONCLUSÕES PARCIAIS Os valores de rigidez da ligação obtidos para a maioria dos modelos foram próximos aos valores obtidos nos ensaios estáticos. Uma vantagem observada com a utilização do modelo em escala reduzida foi a redução significativa da influência do ruído provocado pela vibração da estrutura de reação. Constata-se que a análise da rigidez de ligações entre elementos pré-moldados, especialmente a ligação viga-pilar, pode ser feita com base em medidas diretas obtidas em ensaios dinâmicos. Os resultados alcançados com os modelos estudados foram bastante satisfatórios, pois forneceram valores de rigidez da mesma ordem de grandeza que os ensaios estáticos usuais, com aplicação de uma metodologia direta e simples para cálculo da rotação entre os elementos. 6 AGRADECIMENTOS À FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pela concessão da bolsa de doutorado e pelo Projeto Temático, intitulado Nucleação e incremento da pesquisa, inovação e difusão em concreto pré-moldado e estruturas mistas para a Modernização da Construção Civil, que financia esta pesquisa.

5 Análise dinâmica experimental para determinação da rigidez de ligações viga-pilar 61 Aos pesquisadores e orientadores das pesquisas com os quais se estabeleceu parcerias para a realização dos ensaios dinâmicos: Engª Alice Baldissera, Engª Tatiana de Cássia Coutinho Silva da Fonseca, Engº William Oliveira Bessa, Prof. Mounir Khalil El Debs e Prof. Roberto Martins Gonçalves. 7 REFERÊNCIAS ALMEIDA, S. F.; HANAI, J. B. Análise experimental estática e dinâmica da rigidez de ligações de elementos pré-moldados de concreto sujeitas a danificação progressiva. Cadernos de Engenharia de Estruturas, São Carlos, v. 8, n. 32, p , ALMEIDA, S. F.; FONSECA, T. C. C. S.; HANAI, J. B. Determinação da rigidez de ligações viga-pilar por meio de ensaios estáticos e dinâmicos. In: ENCONTRO NACIONAL DE BETÃO ESTRUTURAL, 2008, Guimarães, Portugal. Anais... v. 2, p , BALDISSERA, A. Estudo experimental de uma ligação viga-pilar de concreto pré-moldado parcialmente resistente a momento fletor. Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, FONSECA, T. C. C. S. Reforço e incremento da rigidez à flexão de ligações viga-pilar de estruturas de concreto pré-moldado com polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC). Dissertação (Mestrado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, NÓBREGA, P. G. B. Análise dinâmica de estruturas de concreto: Estudo experimental e numérico das condições de contorno de estruturas pré-moldadas. Tese (Doutorado) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2004.