Aula 2-Comportamento conjunto.pdf

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1Profa. Dra. Silvana De Nardin

SET 5910: TEEESET 5910: TEEE

IntroduIntroduçção ão ààs Estruturas Mistas s Estruturas Mistas de Ade Açço e Concreto o e Concreto


Introdução às Estruturas Mistas de Aço e Concreto

Introdução às Estruturas Mistas de Aço e Concreto

Comportamento conjunto entre Comportamento conjunto entre aaçço e concretoo e concreto

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Para que um elemento estrutural aço-concreto seja considerado MISTO é necessário que haja o comportamento conjunto entre os componentes da seção transversal.

Como garantir isso????É necessário que haja compatibilidade de deformações entre aço e concreto

Deformações no concreto = deformações no aço

Comportamento conjunto Comportamento conjunto Introdução


No concreto armado:A aderência é a propriedade responsável pela transferência de tensões e pela compatibilidade de deformações entre as barras de aço e o concreto.

Quando surge: apenas quando há variação de tensão em determinado trecho da barra de aço, sendo tais variações causadas principalmente por ações externas, fissuras, variações de temperatura, retração e deformação lenta do concreto.

Por aderência, as barras de aço absorvem as tensões de tração e a ligação armadura-concreto controla a abertura das fissuras. Assim, quanto maior a aderência, maior a probabilidade de que ocorram fissuras de menor abertura individual.

Comportamento conjunto Comportamento conjunto Introdução

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Comportamento conjunto Comportamento conjunto

No concreto armado:Concreto + armadura passiva + ADERÊNCIA

Parcelas de aderênciaAdesão ou aderência químicaAderência por atritoAderência mecânica

Introdução

P

Concreto

Barra de açoP

Concreto

Barra de açoFissurasP

BarraP

Concreto


Comportamento conjuntoComportamento conjunto

Parcelas de aderência:Adesão ou aderência química

muito pequena e atua somente nos primeiros estágios de carregamento. Não é possível aumentar esta parcela.

Aderência por atritose manifesta quando há tendência de deslocamento relativo aço-concreto e depende do coeficiente de atrito entre estes materiais.

Aderência mecânicairregularidades superficiais inerentes ao processo de laminação dos perfis, nervuras...

Introdução

pt Rb2pt

τb

Rb1

Rb1

Aço

Concreto

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Estudo da aderência no concreto armado:Via ensaios push e pull-out

Introdução



Princípios teóricos da aderênciaBaseados no comportamento experimental da curva “força x escorregamento do concreto”

Elementos mistos

s21 ss u

0

τ1

2τ

τu

Escorregamento

Tensão

s lim

limτ

Adesão

Atrito

Aderência mecânica

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Princípios teóricos da aderênciaAdesão

Oposição à separação de um bloco de concreto em relação a uma chapa de aço. É destruída quando ocorrem os primeiros deslocamentos relativos entre os materiais.surge durante as reações de pega do cimento e sua intensidade depende da rugosidade e da limpeza da superfície. O mecanismo resistente tem comportamento elasto-frágil, se manifesta nos primeiros estágios de carregamento e sua ocorrência estárelacionada à combinação entre retração do concreto e deslocamento radial do tubo de aço

Elementos mistos

0

10

20

30

40

50

0,00 -0,05 -0,10 -0,15 -0,20Fo

rça

aplic

ada

(kN

)Escorregamento do concreto (mm)



Princípios teóricos da aderênciaAderência mecânica

está relacionada ao grau de rugosidade da superfície interna do tubo de aço (“micro-engrenamento”). Esse mecanismo resulta do engrenamento mecânico entre o concreto e as irregularidades superficiais do tubo de aço. Sua relevância depende do contato entre as superfícies do aço e do concreto.

Com o aumento da força aplicada, há tendência de deslocamento relativo aço-concreto mas o confinamento impede a separação entre os materiais, surgindo tensões normais resistentes ao escorregamento.

Elementos mistos

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Princípios teóricos da aderência

Aderência por atritomanifesta-se quando há tendência de deslocamento relativo aço-concreto e depende do coeficiente de atrito entre estes materiais.

Elementos mistos



E quando a aderência não é suficiente

Elementos mistos

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Meios de promover o comportamento conjunto nos

elementos mistos de aço e concreto



Meios de promover o comportamento conjuntoNão há como aumentar a parcela devido à adesão;É possível aumentar as parcelas de aderência:

MecânicaPor atrito

Interação aço-concreto:Mecânica: conectores de cisalhamento, mossas, saliências, etc.AtritoRepartição de cargas


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Vigas mistas



Via interação mecânicaUtilização de conectores de cisalhamento:

VIGAS MISTAS

Comportamento conjunto Comportamento conjunto Vigas mistas

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Conectores de cisalhamentoFunção nas vigas



Conectores de cisalhamentoConectoresMossas Ressaltos, reentrâncias, saliências, ranhuras,...

Conectores normalizadosPino com cabeça Conector tipo U


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Outros tipos de conectores de cisalhamento

Vigas mistas

Barra ou arco HiltiX-HVB


Comportamento

Formas de rupturaEsmagamento do concretoRuptura do conector

Conector tipo pino com cabeçaConector tipo pino com cabeça Vigas mistas

(Ranković & Drenić, 2002)

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Fatores importantes para a resistência do conector:Geometria e dimensões do conector;Qualidade dos materiais;Resistência dos materiais aço e concreto;Tipo de carregamento: estático ou dinâmico;Qualidade da ligação do conector com a viga;Distância entre conectores;Dimensões da laje de concreto;Taxa de armadura da laje e geometria das armaduras.

Metodologia mais eficiente para conhecer o comportamento de um conector: ENSAIOS



Conector tipo pino com cabeçaConector tipo pino com cabeça

Fatores importantes para a resistência do conectorInfluência da resistência do concreto (Bullo & Di Marco, 2004)

Vigas mistas

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Fatores importantes para a resistência do conectorInfluência do tipo de laje


Redução da área de concreto

Coeficiente de redução que diminui a capacidade resistente de um conector. Influência da

forma de aço


Comportamento

Rígido ou flexível

conector tipo pino com cabeçaconector tipo pino com cabeça Vigas mistas

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Classificação do comportamentoFunção da ductilidade da ligação aço-concreto

Comportamento dúctil: força última é > 10% da força que causa um escorregamento de 0,5mm (Eurocode 4).

Pu = força última

CONECTOR RÍGIDO

Pu

FORÇA

CONECTOR FLEXÍVEL

ESCORREGAMENTO

P (cisalhamento)

escorregamento ssu

PRk



Ductilidade da ligação aço-concreto: rígido vs. flexível

Regime elásticoIndiferenteNão há deformações significativasConsequentemente, não há escorregamento significativo entre aço e concreto→ seção homogênea

Regime plástico: ELUDeformação plásticaDeslizamento relativo


Conectores com ligação FLEXÍVEL melhoram a

distribuição das forças de cisalhamento

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Pino com cabeça – Estados limites últimosEsmagamento do concreto

Ruptura do conector

Força resistente de cálculo por conectoro menor dos valoresCred: efeito do tipo de lajeRg: efeito da atuação de grupos de conectoresRp: efeito da posição do conector

Resistência dos conectoresResistência dos conectores Vigas mistas

25,1EfA5,0

Cqcs

cckcsredRd =γ

×=

25,1fARR

Cqcs

ucscspgredRd =γ

×××=

fck: resistência do concreto (MPa) < 28MPa

Ec : módulo de elasticidade do concreto (MPa)

Acs: área da seção transversal do conector (cm2)

fucs : resistência última do aço (MPa)

qRd: resistência em kN


Resistência dos conectoresResistência dos conectores

Pino com cabeça – Estados limites últimosEfeito do tipo de laje

depende da posição das nervuras em relação à viga de aço

Nervura // à viga de aço

Nervura ⊥ à viga de aço

Vigas mistas

0,10,1hh

hb6,0C 5,1

hb

F

cs

F

Fred

F

F ≤⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=→≤

0,1C 5,1hb

redF

F =→>

75,00,1hh

hb

n85,0C nervura / conector 1

F

cs

F

F

csred ≤⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=→

hFhF/2emh

emh

Fh

bF

hcs

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Pino com cabeça – Estados limites últimosRg: efeito da atuação de grupos de conectores

1,0 1 conector soldado em uma nervura de fôrma PERPENDICULAR ao perfil de aço;para qualquer número de conectores em uma linha soldados DIRETAMENTE no perfil;qualquer número de conectores em uma linha, soldados através de uma fôrma em uma nervura PARALELA ao perfil e com bF/hF≥ 1,5.

0,852 conectores soldados em uma nervura PERPENDICULAR ao perfil;1 conector soldado através de uma fôrma em uma nervura PARALELA ao perfil e com bF/hF < 1,5.

0,70 3 ou mais conectores soldados em uma nervura PERPENDICULAR ao perfil.



Pino com cabeça – Estados limites últimosRp: efeito da posição do conector

1,00 conectores soldados diretamente no perfil e, no caso de haver nervuras PARALELAS a esse perfil, pelo menos 50% da largura da mesa em contato direto com o concreto.

0,75conectores soldados em uma laje mista com nervuras PERPENDICULARES ao perfil e emh ≥ 50 mm; conectores soldados através de uma fôrma de aço e embutidos em uma laje mista com nervuras PARALELAS ao perfil.

0,60conectores soldados em uma laje mista com nervuras PERPENDICULARES ao perfil e emh < 50 mm.


hFhF/2emh

emh

Fh

bF

hcs

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Perfil “U” laminado – Estado limite últimoEsmagamento do concreto


fck: resistência do concreto (MPa) < 28MPa

Ec : módulo de elasticidade do concreto (MPa)

tf: espessura da mesa (cm)

tf: espessura da mesa (cm)

tw: espessura da alma (cm)

Lcs: comprimento do perfil

qRd: resistência em kN

( )25,1

EfLt5,0t3,0q cckcswf

Rd+

=

Lcs

tw

tf


Ensaios de push-outExemplo

Vigas mistasComportamento conjunto Comportamento conjunto Vigas mistas

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Exemplo de ensaio “push out”


25 cm

Fonte: Daniela Lemes David


Fonte: Daniela Lemes David

q

δδuδuk

kqqmáx ukδ =0,9 uδ

qk=0,9qmáx

350 400


Exemplo de ensaio “push out”

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Vigas mistasVigas mistas

Formas alternativas de promover o trabalho conjunto

entre aço e concreto


Meios alternativos de promover o trabalho conjunto Meios alternativos de promover o trabalho conjunto

Conectores de cisalhamento: posições não convencionais

Breuninger (2001) e Kuhlmann & Kürschner (2004)

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Kuhlmann & Kürschner (2004)conectores tipo pino com cabeça na posição horizontal

Aspectos importantesPosição do conectorTaxa de armaduraDetalhamento dos estribos Solicitações: cisalhamento longitudinal e vertical, flexão




Kuhlmann & Kürschner (2004): conectores posição horizontal

Modos de rupturaModo 1: fendilhamento da laje e arrancamento do conectorModo 2: fendilhamento da laje Modo 3: arrancamento dos conectores

Força

Escorregamento

modo 2

modo 3

modo 1

Modo 1:- taxa elevada de armadura da laje1) Fendilhamento do concreto2) Sem perda significativa de rigidez3) Conectores sofrem grandes

deformações até serem arrancados

Modo 2:- Baixa taxa de armadura da laje- Conectores próximos à superfície da lajePerda de resistência da interface após o

fendilhamento do concreto

Modo 3:- Conectores curtos ou

próximos da extremidade da laje

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Resultados de push-out – Hegger & Goralski (2004)

R R

R R

P

~45º R R

R R~45º a 60º

P

A

A

P

Corte A-A



Comportamento conjunto via barras de aço

Klaiber & Wipf (2000)

Dipaola et al. (2006)

Comportamento conjunto1) Furos preenchidos de concreto2) Barras de armadura

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Comportamento conjunto via barras de açoJurkiewiez & Hottier (2005)

armadura

concretoperfil "T"

Comportamento conjunto1) Barras de armadura são posicionadas na região

dos dentes

Ruína: escoamento da mesa inferior e propagação para a alma



Comportamento conjunto via geometria das vigasJu et al (2005)

Comportamento conjunto1) Volume de concreto2) Armadura

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Comportamento conjunto via geometria das vigas

Ju & Kim (2005)

Comportamento conjunto1) Conectores horizontais2) Aderência na alma



Comportamento conjunto via geometria das vigas

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Via ligação mecânica:utilização de mossas ou do atrito na

interface aço-concreto:LAJES MISTAS

Comportamento conjunto Comportamento conjunto Lajes mistas


Adesão natural aço-concreto não é suficiente

Solução:Aumentar o atrito aço-concreto via:

Ancoragem mecânica local Geometria da forma – reentrâncias Mossas

Ligação mecânica por meio de mossas ou ligação por meio do atrito gerado pelo confinamento do concreto em formas reentrantes


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Mecanismos de aderência em lajes mistasAncoragem mecânica local Geometria da forma – reentrâncias Ancoragem de extremidade com conectores Ancoragem de extremidade por deformação das nervuras da forma



Nervuras envolvidas pelo concreto:funcionam como “conectores de cisalhamento” que transferem praticamente todo o cisalhamento longitudinal.

Adesão química: transferência do cisalhamento longitudinal próximo da interface mossa-concreto. Aderência mecânica via intertravamento: perdida a adesão, cisalhamento longitudinal é transferido pelo intertravamento.

As ranhuras na superfície das nervuras comprimem o concreto como uma mola gerando forças passivas de cisalhamento que transferem o cisalhamento longitudinal.

Este mecanismo de transferência de forças de cisalhamento via intertravamento é semelhante àquele das fissuras no concreto via agregado.O atrito na interface forma-concreto também transfere cisalhamento longitudinal devido à pressão ativa exercida pelo peso do concreto.


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Aderência mecânica via intertravamento na interface

Forma de caracterizar a interface: ensaios “push out”Comportamento: curva Tensão cisalhante vs. Escorregamento

Resultados experimentais:Escorregamento é muito pequeno até 80% da força última e pouca separação vertical aço-forma Ruptura por cisalhamento horizontal:

frágil valor de força última ocorre pouco antes da ruptura.

Após a ruptura:separação vertical do bloco de concreto em relação à forma de açograndes escorregamentos, sem plastificação da forma de aço



Via aderência natural e repartição de cargas:

PILARES MISTOS

Comportamento conjunto Comportamento conjunto Pilares mistos

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HIPÓTESE de dimensionamento:Aderência perfeita entre aço e concreto Não há perda de aderência com o aumento das forças atuantes ao longo da interface.



Em pilares simplesmente apoiados:a transferência de esforços é simples pois as forças provenientes das vigas contínuas podem ser transferidas aos pilares por chapas de extremidades.

Onde a aderência pode ser importante?Nas ligações viga-pilarEm edifícios de múltiplos andares:

Forças do pavimento devem ser introduzidas de modo correto nos pilares;As ligações devem ser devidamente detalhadas.


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Alguns resultados de ensaios push-outem pilares mistos preenchidos



Ensaios push-outElementos ensaiados

3 modelosTubos de aço com 6,3mm de espessura Seção quadrada com 20cm de ladoPerfis tipo U200x100x6,3 formados a frio e aço tipo SAE 1020Concreto de preenchimento: C50

VARIÁVEL: ELEMENTO DE TRANSFERÊNCIA


cantoneiras L50x6,3conectores tipo pino com cabeça

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Ensaios push-outGeometria dos elementos ensaiados

Comportamento conjunto Comportamento conjunto Pilares mistos20

0

87

200

φ19,1 mmCONECTOR

200

LINHA DE SOLDA

6,3

LINHA DE SOLDA

6,3

L 50 x 50 x 6,35 mm

200

100

200

5050

200

LINHA DE SOLDA

6,35050


Ensaios push-outInstrumentação dos elementos

Extensômetros:perfil de açoNúcleo de concreto

Transdutores:Deslocamento relativo aço-concreto


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Ensaios push-outEsquema de ensaio



Ensaios push-outResultados

Caracterização dos materiais

Valores de força última e deslocamento


CFT_ACFT_SB 33250253,263,7648,0647,80351,20CFT_S

Ec (MPa)fy (MPa)ft,D (MPa)fcm (MPa)As (cm2)Ac (cm2)ELEMENTO

Modelo Força máxima (kN) Escorregamento (mm)

CFT-S 65 11,44

CFT-SB 686 2,12

CFT-A 1075 3,04

30



Comportamento Força vs. EscorregamentoElemento sem conectores


0

-10

-20

-30

-40

-50

-60

-70

0 -2 -4 -6 -8 -10 -12

CFT-S

Forç

a ap

licad

a (k

N)

Escorregamento do concreto (mm)



Comportamento Força vs. EscorregamentoElemento com conectores tipo pino com cabeça


0

-100

-200

-300

-400

-500

-600

-700

-800

0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16Escorregamento do concreto (mm)

CFT-SB

Forç

a ap

licad

a (k

N)

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Comportamento Força vs. EscorregamentoElemento com conectores tipo cantoneira


0

-200

-400

-600

-800

-1000

-1200

0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16

CFT-A

Forç

a ap

licad

a (k

N)




Comportamento Força vs. Escorregamento


0

-250

-500

-750

-1000

-1250

0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18

CFT-S CFT-SB CFT-A


Forç

a ap

licad

a (k

N)

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Fatores que influenciam a aderência nos pilares:Forma da seçãoSuperfície do tuboAplicação da forçaRelação b/tPresença e tipo de conector de cisalhamento



Cisalhamento na interface aço-concretoCisalhamento na interface aço-concreto

Região de introdução de cargas

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Região de introdução de cargas

Comprimento de transferência:< 2,5d

d

Chapa de aço soldada no pilar



Região de introdução de cargasocorrem variações localizadas dos esforços solicitantes devidas a ligações do pilar com vigas ou ocorre interrupção da armadura longitudinal (emendas do pilar ou bases)Deve-se evitar escorregamento significativo na interface concreto-perfil de aço:

comprimento de introdução de carga, menor valor entre:2 x menor dimensão da seção do pilar ou 1/3 da distância entre pontos de introdução de carga

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Região de introdução de cargas – EsforçosLigação viga-pilar:

quando a viga estiver ligada apenas ao perfil de aço do pilar

quando a viga estiver ligada apenas ao concreto do pilar

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−×=

l

ll

p,Rd

,RdaSd,Sd N

N1VV ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−×=

l

ll

p,Rd

p,RdaSd,Sd M

M1MM

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×=

l

ll

p,Rd

,RdaSd,Sd N

NVV

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛×=

l

ll

p,Rd

p,RdaSd,Sd M

MMM

( )10,1

ZZfM anay

p,Rda−⋅

=l

VSd: força cortante solicitante de cálculo na ligação;NRda,pl: força axial resistente de cálculo do perfil de aço do pilar à plastificação total;NRd,pl: força axial resistente de cálculo do pilar misto à plastificação total;MSd: momento fletor solicitante de cálculo na ligação;MRda,pl: é a contribuição do perfil de aço para MRd,pl



Região de introdução de cargas – EsforçosCom os esforços VSd,l e MSd,l:

Calcular τSd na interface no comprimento de introdução das cargasComparar com valores de τRd

Se τSd ≥ τRd → usar conectores de cisalhamento para resistir àtotalidade dos efeitos de VSd,l e MSd,l

Conectores NÃO são necessários quando:pilar for totalmente revestido ou preenchido e

0,0Almas parcialmente revestida0,20parcialmente revestida0,40retangular preenchida

0,55circular preenchida0,30totalmente revestida

τRd (N/mm2)Tipo de seção transversal

3,0N/N p,RdSd ≤l

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Forças de atrito adicionais devido aos conectoresConectores tipo pino com cabeça ligados à alma de uma seção totalmente ou parcialmente revestida ou seção similar:

Produzem forças de atrito decorrentes do impedimento da expansão lateral do concreto pelas mesasResistência adicional somada à resistência dos conectores:

em cada mesa e cada linha diagonal de pinosμ: coeficiente de atrito → seções de aço sem pintura → μ=0,5qRd: resistência de um pino com cabeça

há limites para a distância livre entre as mesas

2qRd⋅μ



Forças de atrito adicionais devido aos conectoresA distância livre entre mesas não pode superar:

300mm

μQRd/2

QRd

400mm

μQRd/2

QRd QRd

600mm

μQRd/2

QRd QRd QRd

Documents

Aula 2-Comportamento conjunto.pdf