viga mista de aço e concreto constituída por perfil formado a ... - fipai
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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 />
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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 />
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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 />
Euroco<strong>de</strong> 4: <strong>de</strong>sign of composite steel and concrete<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 />
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