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VIGA MISTA DE AÇO E CONCRETO CONSTITUÍDA POR PERFIL FORMADO... 151<br />

VIGA MISTA DE AÇO E CONCRETO<br />

CONSTITUÍDA POR PERFIL<br />

FORMADO A FRIO PREENCHIDO<br />

Igor Avelar Chaves<br />

Maximiliano Malite<br />

Departamento <strong>de</strong> Engenharia <strong>de</strong> Estruturas, EESC-USP, Av. Trabalhador São-carlense, 400,<br />

CEP 13560-590, São Carlos, SP, Brasil, e-mails: igorac@sc.usp.br, mamalite@sc.usp.br<br />

Resumo<br />

As <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e <strong>concreto</strong> têm sido amplamente empregadas em edifícios e pontes, havendo ampla investigação<br />

teórica e experimental a respeito da utilização <strong>de</strong> perfis laminados e soldados e conectores <strong>de</strong> cisalhamento compatíveis<br />

com esses perfis, como, <strong>por</strong> exemplo, o conector tipo pino com cabeça (stud bolt) e <strong>perfil</strong> U laminado. No âmbito dos<br />

perfis <strong>formado</strong>s a frio, a utilização do sistema misto ainda é incipiente, necessitando <strong>de</strong> investigações mais aprofundadas<br />

a respeito do com<strong>por</strong>tamento estrutural e <strong>de</strong> a<strong>de</strong>quação dos mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong> cálculo adotados para <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s em perfis<br />

laminados e soldados. No Brasil, a ampla disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong>s planos tem impulsionado o emprego do sistema<br />

misto constituído <strong>por</strong> perfis <strong>formado</strong>s a frio em edifícios <strong>de</strong> pequeno <strong>por</strong>te, <strong>por</strong>ém, mediante concepções clássicas, o<br />

que não conduz a um aproveitamento mais racional do sistema. Neste trabalho foi investigado um sistema nãoconvencional<br />

<strong>de</strong> <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s em <strong>perfil</strong> cartola leve preenchido com <strong>concreto</strong>, cuja conexão com a laje foi feita<br />

mediante duas soluções: conectores do tipo alça em barra chata e conectores do tipo alça em barra redonda, ambos<br />

soldados ao <strong>perfil</strong>. Avaliou-se o com<strong>por</strong>tamento estrutural da conexão <strong>aço</strong>-<strong>concreto</strong>, via ensaios <strong>de</strong> cisalhamento<br />

direto (push-out tests), e realizaram-se ensaios em <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s simplesmente apoiadas para avaliação da região <strong>de</strong><br />

momento fletor positivo. Os conectores <strong>de</strong> cisalhamento apresentaram ductilida<strong>de</strong> e força resistente compatíveis com<br />

as <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s analisadas, e as respostas <strong>de</strong> rigi<strong>de</strong>z e momento resistente das <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s comprovaram a condição<br />

<strong>de</strong> interação completa e a viabilida<strong>de</strong> do mo<strong>de</strong>lo teórico <strong>de</strong> plastificação total da seção.<br />

Palavras-chave: estruturas <strong>de</strong> <strong>aço</strong>, <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e <strong>concreto</strong>, perfis <strong>de</strong> <strong>aço</strong> <strong>formado</strong>s a frio, conectores <strong>de</strong><br />

cisalhamento.<br />

Introdução<br />

No âmbito dos perfis <strong>formado</strong>s a frio, a utilização<br />

do sistema misto ainda é incipiente, necessitando <strong>de</strong><br />

investigações mais aprofundadas a respeito do com<strong>por</strong>tamento<br />

estrutural e a<strong>de</strong>quação dos mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong> cálculo.<br />

As <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s em perfis <strong>formado</strong>s a frio apresentam<br />

particularida<strong>de</strong>s em relação às <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s em perfis<br />

laminados e soldados, que vão <strong>de</strong>s<strong>de</strong> os conectores <strong>de</strong><br />

cisalhamento até a pequena capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> rotação da<br />

<strong>viga</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong>.<br />

No Brasil, a ampla disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong>s planos<br />

tem impulsionado o emprego do sistema misto constituído<br />

<strong>por</strong> perfis <strong>formado</strong>s a frio, <strong>por</strong>ém, mediante concepções<br />

clássicas, o que não conduz a um aproveitamento mais<br />

racional do sistema. Seu emprego racional requer soluções<br />

que aliem eficiência estrutural e facilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> execução,<br />

inclusive <strong>de</strong> proteção contra fogo e corrosão. O sistema<br />

ora proposto, constituído <strong>por</strong> <strong>perfil</strong> cartola preenchido<br />

com <strong>concreto</strong>, agrega tais fatores.<br />

Com<strong>por</strong>tamento Estrutural<br />

As primeiras <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s foram <strong>constituída</strong>s <strong>por</strong><br />

um <strong>perfil</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong> embutido no <strong>concreto</strong>, nas quais a interação<br />

se dava pela força <strong>de</strong> a<strong>de</strong>são natural entre os materiais.<br />

Gradualmente, esse sistema foi sendo substituído <strong>por</strong><br />

laje <strong>de</strong> <strong>concreto</strong> apoiada sobre a mesa superior da <strong>viga</strong><br />

<strong>de</strong> <strong>aço</strong>, e estudos relacionados à conexão mecânica entre<br />

os dois materiais foram se tornando mais frequentes. A<br />

partir <strong>de</strong> 1940, praticamente todos os estudos referentes<br />

ao com<strong>por</strong>tamento da <strong>viga</strong> <strong>mista</strong> abordavam conectores<br />

mecânicos, <strong>de</strong>nominados <strong>de</strong> conectores <strong>de</strong> cisalhamento.<br />

Após uma análise bibliográfica apurada das pesquisas<br />

realizadas na área, a teoria ainda hoje aceita é que a<br />

ação <strong>mista</strong> é <strong>de</strong>senvolvida quando dois elementos estruturais<br />

são interconectados <strong>de</strong> modo a se <strong>de</strong>formarem como um<br />

único elemento. Um exemplo é o sistema da Figura 1,<br />

<strong>formado</strong> <strong>por</strong> uma <strong>viga</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong> su<strong>por</strong>tando uma laje <strong>de</strong><br />

<strong>concreto</strong> em sua face superior. Não havendo qualquer<br />

ligação na interface, os dois elementos se <strong>de</strong>formam<br />

Minerva, 6(2): 151-160


152 CHAVES & MALITE<br />

in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ntemente e cada superfície da interface estará<br />

submetida a diferentes <strong>de</strong>formações, o que provocará<br />

<strong>de</strong>slizamento relativo entre elas. Consi<strong>de</strong>rando que o<br />

elemento <strong>de</strong> <strong>aço</strong> esteja interligado ao elemento <strong>de</strong> <strong>concreto</strong><br />

<strong>por</strong> meio <strong>de</strong> conectores <strong>de</strong> cisalhamento, com rigi<strong>de</strong>z e<br />

resistência suficientes para resistir ao fluxo <strong>de</strong> cisalhamento<br />

gerado na interface, os dois elementos ten<strong>de</strong>rão a se <strong>de</strong>formar<br />

como um único elemento.<br />

Numa <strong>viga</strong> <strong>mista</strong> simplesmente apoiada, como a<br />

da Figura 1, as tensões normais atuantes ao longo da<br />

seção transversal, oriundas dos esforços <strong>de</strong> flexão, equivalem<br />

estaticamente a forças, em geral, <strong>de</strong> compressão (C) na<br />

laje <strong>de</strong> <strong>concreto</strong> e tração (T) na <strong>viga</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong>.<br />

A ligação entre o <strong>aço</strong> e o <strong>concreto</strong> é dimensionada<br />

em função do diagrama <strong>de</strong> esforços cortantes longitudinais<br />

<strong>por</strong> unida<strong>de</strong> <strong>de</strong> comprimento, conhecido como fluxo <strong>de</strong><br />

cisalhamento longitudinal gerado na interface entre a laje<br />

<strong>de</strong> <strong>concreto</strong> e a <strong>viga</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong>, o qual é transferido <strong>por</strong> meio<br />

<strong>de</strong> um número discreto <strong>de</strong> pontos, representados pelos<br />

conectores <strong>de</strong> cisalhamento.<br />

Se a capacida<strong>de</strong> da conexão for maior que o menor<br />

valor entre as capacida<strong>de</strong>s da <strong>viga</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e da laje <strong>de</strong><br />

<strong>concreto</strong>, esta não influencia o valor do momento fletor<br />

resistente da <strong>viga</strong> <strong>mista</strong>. Assim, <strong>de</strong>fine-se uma conexão<br />

como sendo completa quando possui um número <strong>de</strong><br />

conectores tal que qualquer aumento no número ou na<br />

resistência <strong>de</strong>sses conectores não implica um aumento<br />

na resistência à flexão da <strong>viga</strong> <strong>mista</strong> (Figura 2). Quando<br />

a capacida<strong>de</strong> da conexão <strong>de</strong> cisalhamento é menor que<br />

as capacida<strong>de</strong>s da <strong>viga</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e da laje <strong>de</strong> <strong>concreto</strong>, fica<br />

caracterizada a conexão parcial, ou seja, o momento resistente<br />

da <strong>viga</strong> é controlado pela capacida<strong>de</strong> da conexão <strong>de</strong><br />

cisalhamento. Isto ocorre quando o número <strong>de</strong> conectores<br />

é menor que o mínimo estabelecido para se ter a conexão<br />

completa.<br />

Os procedimentos para cálculo do momento resistente<br />

das <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s são semelhantes nas normas ABNT NBR<br />

8800:2008, EUROCODE 4:2001 e AISC:2005. Nelas<br />

são apresentados os mo<strong>de</strong>los teóricos recomendados para<br />

a <strong>de</strong>terminação das tensões <strong>por</strong> meio do método elástico<br />

Minerva, 6(2): 151-160<br />

Deslizamento<br />

simplificado, utilizado para avaliar o com<strong>por</strong>tamento da<br />

<strong>viga</strong> em situações <strong>de</strong> serviço, bem como o método plástico,<br />

empregado para <strong>de</strong>terminar o momento resistente <strong>de</strong> seções<br />

compactas (não sujeitas à flambagem local).<br />

Programa Experimental e Numérico<br />

Para o estudo dos conectores <strong>de</strong> cisalhamento foi<br />

realizada uma investigação experimental, <strong>por</strong> meio <strong>de</strong><br />

ensaios <strong>de</strong> cisalhamento direto (push-out tests) conduzidos<br />

com controle <strong>de</strong> <strong>de</strong>formação, em conectores do tipo alça<br />

em barra chata soldados ao <strong>perfil</strong> e conectores do tipo<br />

barra redonda soldados ao <strong>perfil</strong>. Conectores em <strong>perfil</strong><br />

U laminado foram ensaiados como referência, uma vez<br />

que são conectores pré-qualificados e <strong>de</strong> com<strong>por</strong>tamento<br />

estrutural dúctil. Tais ensaios permitiram avaliar a resistência<br />

e a ductilida<strong>de</strong> da conexão.<br />

Para o estudo das <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e <strong>concreto</strong><br />

foi realizada uma investigação experimental juntamente<br />

com uma análise numérica empregando o programa<br />

ANSYS, visando analisar o com<strong>por</strong>tamento estrutural<br />

das <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s ensaiadas. Os conectores presentes nas<br />

<strong>viga</strong>s foram mo<strong>de</strong>lados <strong>de</strong> forma indireta, <strong>por</strong> meio <strong>de</strong><br />

estratégia específica, utilizando para tal a consi<strong>de</strong>ração<br />

<strong>de</strong> que o grau <strong>de</strong> interação entre os materiais se manteve<br />

completo durante todo o ensaio.<br />

Os parâmetros dos ensaios <strong>de</strong> cisalhamento direto e<br />

a i<strong>de</strong>ntificação <strong>de</strong>sses parâmetros na nomenclatura dos corpos<strong>de</strong>-prova<br />

estão <strong>de</strong>scritos na Tabela 1, e os parâmetros dos<br />

ensaios <strong>de</strong> flexão simples e respectiva i<strong>de</strong>ntificação na nomenclatura<br />

dos corpos-<strong>de</strong>-prova estão <strong>de</strong>scritos na Tabela 2.<br />

Não obstante, foi <strong>de</strong>senvolvido um mo<strong>de</strong>lo numérico<br />

tridimensional, com consi<strong>de</strong>ração da não-linearida<strong>de</strong> física,<br />

correspon<strong>de</strong>ntes às <strong>viga</strong>s ensaiadas. A simulação numérica<br />

foi realizada <strong>por</strong> meio do código <strong>de</strong> cálculo ANSYS.<br />

A estratégia utilizada <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lar tanto o <strong>perfil</strong> <strong>de</strong><br />

<strong>aço</strong> quanto a laje <strong>de</strong> <strong>concreto</strong> com elementos tipo casca,<br />

Shell 181, mostrou-se eficiente, com resultados muito<br />

próximos à realida<strong>de</strong>. A interação <strong>de</strong>sses elementos foi<br />

dada a partir do acoplamento dos nós coinci<strong>de</strong>ntes entre<br />

o <strong>perfil</strong> e a laje.<br />

Tensão <strong>de</strong><br />

cisalhamento<br />

a) Viga <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e laje não conectados b) Viga <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e laje conectados<br />

Figura 1 Vigas <strong>mista</strong>s: transferência <strong>de</strong> cisalhamento na interface <strong>viga</strong>-laje.


VIGA MISTA DE AÇO E CONCRETO CONSTITUÍDA POR PERFIL FORMADO... 153<br />

h F<br />

d<br />

t c<br />

d 1<br />

CG<br />

b<br />

t w<br />

tc hF d<br />

t f y p<br />

h w<br />

t c f yd<br />

f yd<br />

0,85f cd<br />

C ad<br />

LNP<br />

Tad yt Linha neutra<br />

plástica na alma<br />

b<br />

C cd<br />

y c y p<br />

t c<br />

a) Conexão completa<br />

t w<br />

t f<br />

h w<br />

b) Conexão parcial<br />

0,85fcd Ccd fyd yc f yd<br />

Cad LNP<br />

y t<br />

T ad<br />

Linha neutra plástica<br />

na mesa superior<br />

a<br />

y c<br />

f yd<br />

0,85f cd<br />

f yd<br />

y t<br />

a<br />

LNP<br />

d 1<br />

Cad yp T ad<br />

C cd<br />

f yd<br />

0,85f cd<br />

T ad<br />

C cd<br />

Linha neutra<br />

plástica na laje<br />

LNP<br />

(na laje)<br />

LNP<br />

(no <strong>perfil</strong>)<br />

Figura 2 Distribuição <strong>de</strong> tensões na seção <strong>mista</strong> (ABNT NBR 8800:2008).<br />

Tabela 1 Descrição dos corpos-<strong>de</strong>-prova para ensaios <strong>de</strong> cisalhamento direto.<br />

Corpo-<strong>de</strong>-prova Conectores<br />

Comprimento<br />

(mm)<br />

Espessura da<br />

laje (mm) 1<br />

2<br />

fc28m<br />

(MPa)<br />

CP P1 * Barra redonda 3 – 100 30<br />

CP P2 * Barra chata 4 2<br />

– 100 30<br />

CP A1 * Barra chata – 100 30<br />

CP A2 Barra chata – 100 30<br />

CP A3 Barra chata – 100 30<br />

CP B1 * Barra redonda – 100 30<br />

CP B2 Barra redonda – 100 30<br />

CP B3 Barra redonda – 100 30<br />

CP U1 * U laminado 100 100 30<br />

CP U2 76,2 × 35,8 × 0,69 100 100 30<br />

CP U3 6,11 Kg/m 100 100 30<br />

*Conectores instrumentados com extensômetros elétricos.<br />

1. Lage maciça <strong>de</strong> <strong>concreto</strong>. 3. φ 10,00 mm.<br />

2. Resistência alvo do <strong>concreto</strong> aos 28 dias. 4. 150 × 40 × 3 cm.<br />

Tabela 2 Descrição das <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e <strong>concreto</strong>.<br />

Mo<strong>de</strong>lo 1 Seção da <strong>viga</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong> Tipo <strong>de</strong> conectores<br />

VM A1 Viga 200 80 20 3,0 Barra chata<br />

VM A2 Viga 200 80 20 3,0 Barra chata<br />

VM B1 Viga 200 80 20 3,0 Barra redonda<br />

VM B2 Viga 200 80 20 3,0 Barra redonda<br />

1. Todos os corpos -<strong>de</strong>-prova com vão teórico igual a 2,85 m e duas forças concentradas e uma<br />

distância <strong>de</strong> 1,05 m <strong>de</strong> cada extremida<strong>de</strong>. A laje possui 70 cm <strong>de</strong> largura e 10 cm <strong>de</strong><br />

espessura.<br />

Minerva, 6(2): 151-160


154 CHAVES & MALITE<br />

Trata-se <strong>de</strong> um elemento plano, com quatro nós e<br />

seis graus <strong>de</strong> liberda<strong>de</strong> <strong>por</strong> nó (três translações e três<br />

rotações). O elemento Shell 181 é apropriado para análise<br />

<strong>de</strong> estruturas <strong>de</strong> pequenas a médias espessuras, tanto para<br />

aplicações lineares quanto para gran<strong>de</strong>s rotações e/ou<br />

<strong>de</strong>formações e casos não-lineares. Sua estrutura permite<br />

que, em casos particulares, sua espessura varie, inclusive<br />

não-linearmente. No domínio do elemento, tanto uma<br />

aproximação <strong>por</strong> integração total como parcial são<br />

permitidas.<br />

Os apoios foram representados <strong>por</strong> meio <strong>de</strong> imposição<br />

<strong>de</strong> condições <strong>de</strong> contorno. Os nós da interface laje e <strong>perfil</strong><br />

foram acoplados, impedindo completamente o <strong>de</strong>slizamento<br />

longitudinal e transversal e a separação vertical entre a<br />

laje e o <strong>perfil</strong>.<br />

O programa ANSYS possibilita, <strong>por</strong> meio <strong>de</strong> alguns<br />

elementos finitos, a consi<strong>de</strong>ração da não-linearida<strong>de</strong> dos<br />

materiais, com base em alguns critérios <strong>de</strong> resistência.<br />

O com<strong>por</strong>tamento empregado para perfis é associado<br />

ao critério <strong>de</strong> von Mises, para o qual se adotou uma curva<br />

multilinear obtida experimentalmente. Já o com<strong>por</strong>tamento<br />

do <strong>concreto</strong> foi representado <strong>por</strong> meio do mo<strong>de</strong>lo Cast-<br />

Iron, disponibilizado pelo programa ANSYS, e permite<br />

simular o com<strong>por</strong>tamento do <strong>concreto</strong> quando submetido<br />

a tensões <strong>de</strong> tração e/ou <strong>de</strong> compressão simultaneamente.<br />

Resultados<br />

Caracterização dos materiais<br />

Para <strong>de</strong>terminação das proprieda<strong>de</strong>s mecânicas do<br />

<strong>concreto</strong> foram moldados corpos-<strong>de</strong>-prova cilíndricos<br />

medindo 10 cm <strong>por</strong> 20 cm, referentes a cada laje, sendo<br />

estes para ensaio <strong>de</strong> resistência à tração <strong>por</strong> compressão<br />

diametral e para ensaio <strong>de</strong> módulo <strong>de</strong> elasticida<strong>de</strong> e<br />

resistência à compressão. Os corpos-<strong>de</strong>-prova cilíndricos<br />

foram moldados e curados segundo as especificações<br />

da ABNT NBR 5738:1984, e para o ensaio foi utilizada<br />

a máquina <strong>de</strong> ensaios ELE Autotest 2000.<br />

Foram empregados cimento <strong>de</strong> alta resistência inicial<br />

(ARI) e o tr<strong>aço</strong> do <strong>concreto</strong> em massa, igual a 1:2,7:3,7:0,6<br />

com consumo <strong>de</strong> cimento <strong>de</strong> 313 kg/m³. A ABNT NBR<br />

8522:1984 prescreve o método <strong>de</strong> <strong>de</strong>terminação dos<br />

módulos <strong>de</strong> elasticida<strong>de</strong>, tangente e secante. Neste trabalho,<br />

o módulo <strong>de</strong> elasticida<strong>de</strong> utilizado foi o secante, medido<br />

pela inclinação da reta secante ao diagrama tensão<strong>de</strong>formação,<br />

<strong>de</strong>finida pelos pontos correspon<strong>de</strong>ntes a 0,5<br />

MPa e 0,3f c (30% da resistência à compressão do <strong>concreto</strong>).<br />

Os valores médios das proprieda<strong>de</strong>s do <strong>concreto</strong>, tanto<br />

para os ensaios <strong>de</strong> cisalhamento direto quanto para as<br />

<strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s, são apresentados nas Tabelas 3 e 4.<br />

As proprieda<strong>de</strong>s mecânicas do <strong>aço</strong> foram <strong>de</strong>terminadas<br />

com base em ensaios <strong>de</strong> tração conforme ASTM<br />

A370 (2009) e estão apresentadas na Tabela 5.<br />

Ensaios <strong>de</strong> cisalhamento direto<br />

Em todos os gráficos, a força se refere a um conector,<br />

ou seja, a força aplicada foi dividida <strong>por</strong> quatro. Foi realizado<br />

Minerva, 6(2): 151-160<br />

ensaio monotônico em um único corpo-<strong>de</strong>-prova <strong>de</strong> cada<br />

grupo <strong>de</strong> conectores com o intuito <strong>de</strong> <strong>de</strong>limitar os valores<br />

máximo e mínimo <strong>de</strong> força para os ensaios cíclicos feitos<br />

posteriormente. Como é usual nesses casos, os resultados<br />

apresentaram significativa variabilida<strong>de</strong> provocada pela<br />

variação da resistência à compressão do <strong>concreto</strong>,<br />

a<strong>de</strong>nsamento e arranjo das partículas do agregado junto<br />

ao conector. Levando em consi<strong>de</strong>ração tal variabilida<strong>de</strong>,<br />

presente inclusive <strong>de</strong>ntre conectores do mesmo grupo,<br />

percebe-se que não houve significativas alterações no<br />

com<strong>por</strong>tamento dos mesmos. A Figura 3 ilustra as curvas<br />

força × <strong>de</strong>slocamento relativo <strong>de</strong> todos os corpos-<strong>de</strong>prova<br />

ensaiados. Os resultados são apresentados na<br />

Tabela 6.<br />

Para visualização da configuração <strong>de</strong>formada e modos<br />

<strong>de</strong> falha, foram removidas as lajes dos mo<strong>de</strong>los A1, B1 e<br />

U1, os mesmos que foram instrumentados com extensômetros<br />

elétricos. Nos conectores do tipo alça em barra chata, o<br />

modo <strong>de</strong> falha se <strong>de</strong>u <strong>por</strong> ruptura da solda em um dos<br />

lados. Nos conectores tipo alça em barra redonda, foi<br />

observada significativa <strong>de</strong>formação <strong>por</strong> cisalhamento próximo<br />

à junção laje-<strong>perfil</strong>. Já nos conectores em <strong>perfil</strong> U laminado<br />

foi possível observar uma singela <strong>de</strong>formação <strong>por</strong> flexão<br />

na alma próxima à mesa conectada (Figura 4).<br />

Ensaios experimentais e numéricos – <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s<br />

Os resultados das quatro <strong>viga</strong>s ensaiadas estão<br />

apresentados em forma <strong>de</strong> gráficos e tabelas, em que os<br />

resultados experimentais foram confrontados com os obtidos<br />

na mo<strong>de</strong>lagem numérica e também com os obtidos<br />

analiticamente.<br />

A quantida<strong>de</strong> <strong>de</strong> conectores nas duas <strong>viga</strong>s foi <strong>de</strong>finida<br />

<strong>de</strong> modo a caracterizar condição <strong>de</strong> conexão completa.<br />

Isso implica a ocorrência <strong>de</strong> uma única linha neutra, o<br />

que foi confirmado pela análise experimental. O modo<br />

<strong>de</strong> falha foi caracterizado pela <strong>de</strong>formação excessiva do<br />

<strong>aço</strong> e ruptura do <strong>concreto</strong> (Figuras 5 e 6).<br />

Na Figura 7 são apresentadas as <strong>de</strong>formações lidas<br />

nas cotas instrumentadas como também a distribuição<br />

<strong>de</strong> <strong>de</strong>formações na seção transversal a meio vão, para<br />

três níveis <strong>de</strong> carregamento (0,25F max , 0,5F max e 0,75F max ).<br />

Os valores finais <strong>de</strong> resistência po<strong>de</strong>m ter sofrido pequenas<br />

variações, <strong>por</strong>ém, o com<strong>por</strong>tamento final <strong>de</strong> falha<br />

caracterizada pelo colapso <strong>por</strong> compressão da laje do<br />

<strong>concreto</strong> é verificado em todas as <strong>viga</strong>s.<br />

Outro resultado obtido via mo<strong>de</strong>lagem numérica<br />

foi a <strong>de</strong>terminação da posição da linha neutra. A Figura<br />

8 ilustra as <strong>de</strong>formações longitudinais obtidas pela estratégia<br />

numérica adotada. Por essas <strong>de</strong>formações é possível<br />

i<strong>de</strong>ntificar a posição da linha neutra na laje.<br />

A tensão <strong>de</strong> cisalhamento vertical foi comparada ao<br />

valor teórico calculado admitindo que a força cortante foi<br />

resistida apenas pela <strong>viga</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong>. Pelas <strong>de</strong>formações obtidas<br />

<strong>por</strong> meio das rosetas coladas nas duas almas da <strong>viga</strong> foi<br />

possível calcular as tensões nas direções principais e a tensão<br />

máxima <strong>de</strong> cisalhamento, admitindo regime elástico.


Corpos<strong>de</strong>-prova<br />

VIGA MISTA DE AÇO E CONCRETO CONSTITUÍDA POR PERFIL FORMADO... 155<br />

Push-out<br />

conectores em<br />

barra chata*<br />

Push-out<br />

<strong>perfil</strong> central<br />

Vigas A1, A2<br />

e conectores<br />

em barra chata<br />

Vigas B1 e B2<br />

Tabela 3 Proprieda<strong>de</strong>s mecânicas do <strong>concreto</strong>: mo<strong>de</strong>los push-out.<br />

Resistência à compressão<br />

ABNT NBR-5739:1994<br />

fcm (MPa)<br />

Resistência à tração<br />

ABNT BNR-7222:1994<br />

fctm,sp (MPa)<br />

Tabela 4 Proprieda<strong>de</strong>s mecânicas do <strong>concreto</strong>: <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s.<br />

Tabela 5 Proprieda<strong>de</strong>s mecânicas do <strong>aço</strong>.<br />

Corpo-<strong>de</strong>-prova fy (MPa) fu (MPa) A(%)<br />

CP1 324 470 26<br />

CP2 324 460 24<br />

CP 3 364 485 23<br />

Média 337 472 24<br />

CP 4 324 479 25<br />

CP 5 330 476 24<br />

CP 6 374 492 23<br />

Média 281 482 24<br />

CP 7 277 390 28<br />

CP 8 285 404 28<br />

CP 9 282 399 28<br />

Média 281 398 28<br />

CP 10 288 394 27<br />

CP 11 278 395 28<br />

CP 12 286 395 27<br />

Média 284 395 27<br />

* Aço CSN COR-420 : fy = 300 Mpa e fu = 420 Mpa (valores nominais).<br />

Módulo <strong>de</strong> elasticida<strong>de</strong><br />

ABNT 8522:2003<br />

Ecs (MPa)<br />

Laje A Laje B Média Laje A Laje B Média Laje A Laje B Média<br />

Barra<br />

chata<br />

38,72<br />

39,48<br />

41,72<br />

42,31<br />

40,56<br />

2,74<br />

2,92<br />

3,52<br />

3,53<br />

3,18<br />

31763<br />

32411<br />

34331<br />

34837<br />

33335<br />

Barra<br />

redonda<br />

33,85<br />

33,07<br />

35,93<br />

35,13<br />

34,50<br />

1,74<br />

2,42<br />

2,29<br />

2,19<br />

2,16<br />

27585<br />

26917<br />

29368<br />

28683<br />

28138<br />

U<br />

laminado<br />

40,42<br />

40,14<br />

36,75<br />

41,35<br />

39,67<br />

1,13<br />

2,25<br />

2,05<br />

2,16<br />

2,15<br />

33217<br />

32977<br />

30071<br />

34014<br />

32569<br />

Corpos<strong>de</strong>prova<br />

Resistência à<br />

compressão<br />

ABNT NBR-5739:1994<br />

fcm (MPa)<br />

Resistência à tração<br />

ABNT BNR-<br />

7222:1994<br />

fctm,sp (MPa)<br />

Módulo <strong>de</strong> elasticida<strong>de</strong><br />

ABNT 8522:2003<br />

Ecs (MPa)<br />

CP 1 CP 2 Média CP 1 CP 2 Média CP 1 CP 2 Média<br />

VM A1 23,33 25,88 24,61 2,29 2,37 2,33 27849 30400 29124<br />

VM A2 22,23 26,93 24,58 2,09 2,61 2,35 27546 32247 29897<br />

VM B1 23,33 25,88 24,61 2,29 2,37 2,33 27849 30400 29124<br />

VM B2 22,23 26,93 24,58 2,09 2,61 2,35 27546 32247 29897<br />

Minerva, 6(2): 151-160


156 CHAVES & MALITE<br />

Força <strong>por</strong> conector (kN)<br />

Minerva, 6(2): 151-160<br />

200<br />

180<br />

160<br />

140<br />

120<br />

100<br />

80<br />

60<br />

A3<br />

40<br />

A2<br />

20<br />

A1<br />

0<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

Deslocamento relativo (mm)<br />

a) Alça em barra chata<br />

Força <strong>por</strong> conector (kN)<br />

300<br />

250<br />

200<br />

150<br />

Força <strong>por</strong> conector (kN)<br />

100<br />

U3<br />

50<br />

U2<br />

U1<br />

0<br />

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4<br />

Deslocamento relativo (mm)<br />

c) Perfil U laminado<br />

200<br />

180<br />

160<br />

140<br />

120<br />

100<br />

80<br />

60<br />

B3<br />

40<br />

B2<br />

20<br />

B1<br />

0<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

Deslocamento relativo (mm)<br />

b) Alça em barra redonda<br />

Figura 3 Força × <strong>de</strong>slocamento relativo dos conectores <strong>de</strong> cisalhamento.<br />

Tabela 6 Resistência última e <strong>de</strong>slocamento característico dos diferentes conectores.<br />

Conector Corpo-<strong>de</strong>-prova Qmax (kN) δuk (mm)<br />

Tipo alça em<br />

barra chata<br />

Tipo alça em<br />

barra redonda<br />

Perfil U<br />

laminado<br />

A1 172,0 9,57<br />

A2 188,1 N.A.<br />

A3 167,8 N.A.<br />

Média 180,0 9,57<br />

B1 125,1 9,94<br />

B2 140,2 N.A.<br />

B3 142,6 N.A.<br />

Média 136,0 9,94<br />

U1 295,3 N.A.<br />

U2 269,5 N.A.<br />

U3 264,8 N.A.<br />

Média 276,5 N.A.<br />

a) Tipo alça b) Tipo barra c) Tipo U laminado<br />

Figura 4 Modo <strong>de</strong> falha nos conectores após os ensaios <strong>de</strong> cisalhamento.


VIGA MISTA DE AÇO E CONCRETO CONSTITUÍDA POR PERFIL FORMADO... 157<br />

Força (kN)<br />

200<br />

150<br />

100<br />

50<br />

Figura 5 Aspecto final da laje das <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s ensaiadas.<br />

Figura 6 Configuração final da <strong>viga</strong> <strong>mista</strong> após ensaio.<br />

300 mm<br />

260 mm<br />

230 mm<br />

200 mm<br />

100 mm<br />

10 mm<br />

0mm<br />

75% F max<br />

50% F<br />

25% F max<br />

max<br />

0<br />

–5.000 –2.500 0 2.500 5.000 7.500 10.000 –1000<br />

0<br />

0 1000 2000 3000<br />

Deformação (ue)<br />

Deformação (ue)<br />

Figura 7 Força × <strong>de</strong>formação longitudinal e distribuição <strong>de</strong> <strong>de</strong>formações – <strong>viga</strong> VM A1.<br />

Laje<br />

Perfil<br />

20<br />

15<br />

10<br />

5<br />

30<br />

25<br />

Laje<br />

Perfil<br />

–1500<br />

0<br />

–500 0 500 1500<br />

Deformação (ue)<br />

b) Exper. x numérico<br />

Figura 8 Diagrama <strong>de</strong> <strong>de</strong>formações a meio vão obtido via análise numérica.<br />

20<br />

15<br />

10<br />

5<br />

Numérico<br />

75% F max<br />

50% F<br />

25% F max<br />

max<br />

30<br />

25<br />

2500<br />

Minerva, 6(2): 151-160


158 CHAVES & MALITE<br />

Na Figura 9 são apresentados os gráficos força ×<br />

<strong>de</strong>formação angular, experimental e teórico, para as <strong>viga</strong>s<br />

A1 e B1, respectivamente. Nota-se que os valores teóricos<br />

foram maiores que os experimentais, indicando que uma<br />

parcela da força cortante foi resistida pelo <strong>concreto</strong>.<br />

A análise dos <strong>de</strong>slocamentos verticais (Figura 10)<br />

indicou satisfatória concordância entre os valores teóricos<br />

e experimentais, comprovando a hipótese <strong>de</strong> interação<br />

completa nesse caso.<br />

Neste item são apresentados os momentos fletores<br />

resistentes elásticos e plásticos, teóricos e experimentais.<br />

Na Tabela 7 são apresentadas as proprieda<strong>de</strong>s geométricas<br />

e mecânicas das <strong>viga</strong>s, e na Tabela 8, os valores analítico,<br />

numérico e experimental dos momentos fletores resistentes.<br />

Já a Tabela 9 traz um quadro-resumo das relações entre<br />

momentos resistentes.<br />

Conclusões<br />

Po<strong>de</strong>-se concluir que os conectores <strong>de</strong> cisalhamento<br />

analisados apresentaram ductilida<strong>de</strong> e resistência compatíveis<br />

Força (kN)<br />

Minerva, 6(2): 151-160<br />

com a requerida pelas <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s estudadas. Do ponto <strong>de</strong><br />

vista construtivo, tais conectores são facilmente soldados<br />

ao <strong>perfil</strong>, facilitando, <strong>por</strong>tanto, a industrialização do sistema.<br />

A análise experimental das <strong>viga</strong>s indicou a ocorrência<br />

<strong>de</strong> interação completa, fato comprovado pela resposta<br />

força-<strong>de</strong>slocamento (Figura 10), pela presença <strong>de</strong> uma<br />

única linha neutra (Figura 7), bem como pelos valores<br />

do momento fletor resistente, os quais resultaram superiores<br />

ao momento fletor resistente calculado com base na<br />

plastificação total da seção (em média 14%).<br />

Observou-se significativa contribuição do <strong>concreto</strong><br />

na resistência à força cortante, uma vez que as <strong>de</strong>formações<br />

experimentais resultaram em torno <strong>de</strong> 45% inferiores<br />

aos valores teóricos admitindo apenas a resistência ao<br />

cisalhamento da <strong>viga</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong>.<br />

Finalizando, po<strong>de</strong>-se registrar que o sistema analisado<br />

apresentou com<strong>por</strong>tamento estrutural amplamente<br />

satisfatório e facilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> execução, indicando forte<br />

potencial para a industrialização e a racionalização da<br />

construção <strong>mista</strong>.<br />

200<br />

180<br />

Roseta 1<br />

Roseta 2<br />

160<br />

Roseta 1<br />

Roseta 2<br />

150<br />

Teórico<br />

140<br />

120<br />

Teórico<br />

100<br />

100<br />

80<br />

60<br />

50<br />

40<br />

20<br />

0<br />

0 200 400 600 800 1000<br />

0<br />

0 100 200 300 400 500 600 700 800<br />

Deformação (ue)<br />

Deformação (ue)<br />

a) VM A1 b) VM B1<br />

Força (kN)<br />

200<br />

150<br />

100<br />

50<br />

Força (kN)<br />

Figura 9 Gráficos força × <strong>de</strong>formação angular, teórico e experimental.<br />

Elástico linear<br />

Numérico<br />

B2<br />

B1<br />

A2<br />

A1<br />

0<br />

0 20 40 60 80<br />

Deslocamento a meio vão (mm)<br />

Figura 10 Gráfico força × <strong>de</strong>slocamento, experimental e numérico, para as <strong>viga</strong>s ensaiadas.


VIGA MISTA DE AÇO E CONCRETO CONSTITUÍDA POR PERFIL FORMADO... 159<br />

Tabela 7 Proprieda<strong>de</strong>s mecânicas e geométricas das <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s.<br />

Vigas Ec (MPa) fc (MPa) E (MPa) fy (MPa) Ia (cm 4 ) Aa (cm 2 ) Σ QR (kN) η1<br />

VM A1 29124 24,61 200000 281,33 703,04 15,54 719,88 1,64<br />

VM A2 29897 24,58 200000 281,33 703,04 15,54 719,88 1,64<br />

VM B1 29124 24,61 200000 284,00 703,04 15,54 679,85 1,55<br />

VM B2 29897 24,58 200000 284,00 703,04 15,54 679,85 1,55<br />

ΣQ R é a somatória das resistências individuais dos conectores entre o apoio e o meio do vão.<br />

η1 é o parâmetro <strong>de</strong> avaliação da interação.<br />

Tabela 8 Momentos fletores resistentes experimentais, numéricos e analíticos.<br />

Vigas<br />

Mom. Exp.<br />

Plástico<br />

(kN.cm)<br />

Mom. Anal.<br />

Elástico<br />

(kN.cm)<br />

Mom. Anal.<br />

Plástico<br />

(kN.cm)<br />

Mom. Num.<br />

Plástico<br />

(kN.cm)<br />

VM A1 10139 5099 8570 8663<br />

VM A2 9554 5121 8566 8663<br />

VM B1 9761 5099 8570 8663<br />

VM B2 9716 5121 8566 8663<br />

Agra<strong>de</strong>cimentos<br />

Os autores agra<strong>de</strong>cem à FAPESP e ao “Convênio<br />

<strong>de</strong> cooperação técnica entre USIMINAS e FIPAI na área<br />

<strong>de</strong> construção metálica” pelos recursos financeiros<br />

concedidos.<br />

Referências Bibliográficas<br />

AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION.<br />

ANSI/AISC 360-05: specification for structural steel<br />

buildings. Chicago, 2005.<br />

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATE-<br />

RIALS. ASTM A370: standard test methods and <strong>de</strong>finitions<br />

for mechanical testing for steel products. 2009<br />

ANSYS versão 10.0. Manual. ANSYS, Inc., 2006.<br />

ARIZUMI, Y.; HAMADA, S. Elastic-plastic analysis<br />

of composite beams with incomplete interaction by finite<br />

element method. Computers and Structures, v. 14, n. 5-<br />

6, p. 453-462, 1980.<br />

Tabela 9 Relações entre os momentos fletores resistentes.<br />

Vigas<br />

Mexpplástico<br />

Manaplástico<br />

Mexpplástico<br />

Mnumplástico<br />

Manaplástico<br />

Mnumplástico<br />

VM A1 1,18 1,17 0,99<br />

VM A2 1,11 1,10 0,99<br />

VM B1 1,13 1,12 0,99<br />

VM B2 1,13 1,12 0,99<br />

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNI-<br />

CAS. NBR 8522: <strong>concreto</strong>, <strong>de</strong>terminação do módulo <strong>de</strong><br />

<strong>de</strong>formação estática e diagrama tensão-<strong>de</strong>formação. Rio<br />

<strong>de</strong> Janeiro, 1984.<br />

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNI-<br />

CAS. NBR 5738: ensaio <strong>de</strong> compressão <strong>de</strong> corpos-<strong>de</strong>prova.<br />

Rio <strong>de</strong> Janeiro, 1994.<br />

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNI-<br />

CAS. NBR 8800: projeto <strong>de</strong> estruturas <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e <strong>de</strong> estruturas<br />

<strong>mista</strong>s <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e <strong>concreto</strong> <strong>de</strong> edifícios. Rio <strong>de</strong> Janeiro,<br />

2008.<br />

CHAVES, I. A. Viga <strong>mista</strong> <strong>de</strong> <strong>aço</strong> e <strong>concreto</strong> <strong>constituída</strong><br />

<strong>por</strong> <strong>perfil</strong> <strong>formado</strong> a frio preenchido. 2009. 138 f. Dissertação<br />

(Mestrado em Engenharia <strong>de</strong> Estruturas) – Escola <strong>de</strong><br />

Engenharia <strong>de</strong> São Carlos, Universida<strong>de</strong> <strong>de</strong> São Paulo,<br />

São Carlos.<br />

DAVID, D. L. Vigas <strong>mista</strong>s com laje treliçada e perfis<br />

<strong>formado</strong>s a frio: análise do com<strong>por</strong>tamento estrutural.<br />

Minerva, 6(2): 151-160


160 CHAVES & MALITE<br />

2003. 218 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) –<br />

Escola <strong>de</strong> Engenharia Civil, Universida<strong>de</strong> Fe<strong>de</strong>ral <strong>de</strong><br />

Goiás, Goiânia.<br />

EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION.<br />

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structures – part 1.1: general rules and rules for buildings.<br />

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MALITE, M. Sobre o cálculo <strong>de</strong> <strong>viga</strong>s <strong>mista</strong>s <strong>aço</strong>-<strong>concreto</strong>:<br />

ênfase em edifícios. 1990. 144 f. Dissertação (Mestrado<br />

em Engenharia <strong>de</strong> Estruturas) – Escola <strong>de</strong> Engenharia<br />

<strong>de</strong> São Carlos, Universida<strong>de</strong> <strong>de</strong> São Paulo, São Carlos.<br />

MALITE, M. Sobre o com<strong>por</strong>tamento estrutural <strong>de</strong> <strong>viga</strong>s<br />

<strong>mista</strong>s <strong>aço</strong>-<strong>concreto</strong> <strong>constituída</strong>s <strong>por</strong> perfis <strong>de</strong> chapa<br />

dobrada. 1993. 2 v. Tese (Doutorado em Engenharia) –<br />

Escola <strong>de</strong> Engenharia <strong>de</strong> São Carlos, Universida<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />

São Paulo, São Carlos.<br />

Minerva, 6(2): 151-160<br />

OEHLERS, D. J.; PARK, S. M. Shear connectors in<br />

composite beams with longitudinally cracked slabs. Journal<br />

of Structural Engineering, v. 118, p. 2004-2022, 1989.<br />

SLUTTER, R. G.; DRISCOLL, G. C. Flexural strength<br />

of steel-concrete composite beams. Journal of the Structural<br />

Engineering, v. 91 n. ST2, p. 71-99, 1965.<br />

VIEST, I. M. Review of research on composite steelconcrete<br />

beams. ASCE, v. 86, p. 1-21, 1960.

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