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Conectores de Cisalhamento Constituídos por Parafuso e Rebite Tubular com Rosca Interna em
Pilares Mistos de Aço e Concreto com Perfis Formados a Frio
Hermano de Sousa Cardoso¹
Francisco Carlos Rodrigues²
Ricardo Hallal Fakury²
Rodrigo Barreto Caldas³
Ivan Candelma4
• ¹ Engenheiro Civil, Mestre em Engenharia de Estruturas, Estudante de Doutorado em Engenharia de Estruturas. Escola de Engenharia, UFMG.
• ² Doutor em Engenharia Civil. Professor Titular do Departamento de Engenharia de Estruturas, Escola de Engenharia, UFMG.
• 3 Doutor em Engenharia Civil. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia de Estruturas, Escola de Engenharia, UFMG.
• 4 Aluno de Graduação, Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Civile, Università di Bologna.
Tópicos
• Introdução
• Objetivos e Metodologia
• Programa Experimental
• Simulação Numérica
• Classificação dos Conectores de Cisalhamento
• Resultados Experimentais
• Resultados Numéricos
• Conclusão
Introdução
• Na Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, está sendo
desenvolvido e aperfeiçoado um novo modelo de conector de cisalhamento:
conectores de cisalhamento constituídos por parafuso e rebite tubular com rosca
interna.
Objetivos e Metodologia
• Objetivo Geral Realizar um estudo teórico-experimental, que consiste em analisar o
comportamento de conectores de cisalhamento constituídos por parafuso e
rebite tubular com rosca interna em pilares mistos de aço e concreto com Perfis
Formados a frio.
• Metodologia Os modelos experimentais seguem os procedimentos de ensaio de cisalhamento
direto padrão, preconizados pela norma europeia EN 1994-1-1:2004.
Para a simulação numérica dos modelos experimentais foi utilizado o software
comercial de elementos finitos ABAQUS v 6.10.
Programa Experimental
• Foram ensaiadas e analisadas duas séries de modelos
Série de Modelos Modelo Número de conectores Nível dos conectores
Série B4
Modelo B4-1 4 conectores 285 mm / -
Modelo B4-2 4 conectores 285 mm / -
Modelo B4-3 4 conectores 285 mm / -
Série B8
Modelo B8-1 8 conectores 340 mm /405 mm
Modelo B8-2 8 conectores 340 mm /405 mm
Modelo B8-3 8 conectores 340 mm /405 mm
Quadro resumo dos modelos analisados
Programa Experimental
dimensões em mm
Pilar de aço: conformação a frio de chapa fina de aço fabricada pela USIMINAS,
especificação USI SAC 300. fy = 373,6 MPa, fu = 486,2 MPa.
Concreto convencional: fcm = 36,33 MPa, fctm = 3,47 MPa, Ecm = 29,36 GPa.
Rebites: tipo RIVKLE M12x1,5 PO300, fabricados pela Bollhoff, aço SAE1040
temperado.
Programa Experimental
Cota de arrasamento do concreto de 5 cm na entre a extremidade inferior do núcleo
de concreto com a base do pilar.
Tratamento na superfície interna do pilar: cera desmoldante e pintura.
Carregamento centrado sobre o núcleo de concreto.
Ensaio de cisalhamento direto padrão (push-out).
Simulação Numérica
• Modelagem de um quarto dos modelos.
• Modelos B4n e B8n: contém as
dimensões reais médias dos modelos
experimentais
• Elemento sólido tipo C3D8.
• Interação entre as instâncias.
• Na interface entre o núcleo de concreto
e corpo dos parafusos foi adotado um
alto coeficiente de atrito. Nas demais
interações foi considerado o atrito como
nulo.
• Maior discretização dos elementos nas
proximidades das ligações.
• Método de Análise: Ricks modificado.
Simulação Numérica
Representação do modelo numérico B8n indicando as condições de contorno.
Simulação Numérica
Material Módulo de elasticidade
(MPa)
Coeficiente de Poisson
(ν)
Resistência média ao escoamento
(MPa)
Resistência média à ruptura
(MPa)
Aço estrutural 205000 0,3 373,6 486,2
Parafusos 200000 0,3 400,0 500,0
Rebite 200000 0,3 490,0 590,0
Propriedades mecânicas dos materiais metálicos utilizados na modelagem numérica.
Propriedades mecânicas do núcleo de concreto
Módulo de elasticidade (MPa) 30197
Coeficiente de Poisson (ν) 0,2
Resistência média à tração (MPa) 3,47
Resistência média à compressão (MPa) 36,3
Propriedades mecânicas do núcleo de concreto utilizado na modelagem numérica.
Classificação dos Conectores de Cisalhamento
• Podem ser classificados como rígidos ou flexíveis.
• Conectores flexíveis: ksc < 200 kN/mm; ksc = 0,7 PRk/s (EN 1994-1-1:2004)
• Conector dúctil: δuk for pelo menos de 6 mm; δuk é tomado como o valor mínimo de δu
obtido num ensaio, reduzido em 10% .
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Forç
a (k
N)
Deslizamento relativo (mm)
Modelo exp B4-1*
Modelo exp B4-2
Modelo exp B4-3
Resultados Experimentais • Modelos da série B4
Comportamento dúctil: δuk > 6 mm.
Comportamento flexível: ksc < 200 kN/mm.
Modelo Pu (kN) Pu,con (kN) PRk (kN) ksc (kN/mm)
B4-1 165,59 41,40 37,26 12,02
B4-2 160,63 40,16 36,14 38,92
B4-3 182,37 45,59 41,03 82,07
Média 169,53 42,38 38,14 44,34
¹ O ensaiado do modelo B4-1 foi interrompido quando se alcançou um deslizamento relativo
superior de 7 mm.
Comparação da carga última dos modelos obtida numericamente e
experimentalmente
Resultados Experimentais
• Corte retangular nos perfis dos modelos B4-1 e B4-2:
Modelos começavam a perder rigidez devido à fissuração do núcleo do
concreto, ocasionada devido a rotação dos conectores
(a) (b)
Fissuração e ruptura do núcleo de concreto nos modelos: (a) B4-1 e (b) B4-2
Resultados Experimentais
0
50
100
150
200
250
300
350
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
Forç
a (k
N)
Deslizamento relativo (mm)
Modelo exp B8-1
Modelo exp B8-2
Modelo exp B8-3
Modelo Pu (kN) Pu,con (kN) PRk (kN) ksc (kN/mm)
B8-1 223,25 27,90 26,24 73,47
B8-2 291,51 36,44 32,79 17,12
B8-3 308,68 38,59 34,73 12,15
Média 277,81 34,72 31,25 34,25
• Modelos da série B8
Comportamento dúctil: δuk > 6 mm.
Comportamento flexível: ksc < 200 kN/mm.
Comparação da carga última dos modelos obtida numericamente e
experimentalmente
Resultados Experimentais
• Corte retangular nos perfis dos modelos B8-1 e B8-2:
Linha de fissuração no primeiro nível de conectores.
Esmagamento do núcleo de concreto situado acima dos conectores, formando
linhas de rupturas a 45º.
(a) (b)
Fissuração e ruptura do núcleo de concreto nos modelos: (a) B8-1 e (b) B8-2
Resultados Experimentais
(a) (b) (c)
Vista superior dos modelos após a realização dos ensaios: (a) B4-3, (b) B8-1, (c) B8-2
Resultados Experimentais
• Observações adicionais:
Escoamento local do perfil na região dos furos.
Engastamento na extremidade do fuste dos parafusos, provocado pelo núcleo de
concreto
(a) (b)
Representação do giro dos conectores no modelo M8-5: (a) vista externa, (b) vista interna.
Resultados Numéricos
• Carga última dos modelos numéricos apresentaram valores próximos aos resultados
obtidos experimentalmente.
• Algumas curvas experimentais se apresentaram mais flexíveis que as obtidas
numericamente
• Conectores: comportamento dúctil e flexível (ksc,B4n = 7,19 kN/mm e ksc,B8n =
3,56 kN/mm)
Série Pu,num (kN) Pu,exp (kN) Erro (%)
B4 163,38 169,53 3,63
B8 291,57 277,81* 4,95*
Notas:
*Desconsiderando o modelo experimental M8-1, que apresentou um comportamento
mais frágil em relação aos outros modelos da série M8, obtém-se para a série B8:
Pu,exp = 300,10 kN e Erro (%) = 2,81%
Comparação da carga última dos modelos obtida numericamente e experimentalmente.
Resultados Numéricos
• Curvas de força versus deslizamento relativo dos modelos numéricos B4n e
B8n, limitadas a um deslizamento relativo máximo de 12 mm.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Forç
a (k
N)
Deslizamento relativo (mm)
Modelo num B4nModelo exp B4-1Modelo exp B4-2Modelo exp B4-3
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Forç
a (k
N)
Deslizamento relativo (mm)
Modelo num B8nModelo exp B8-1Modelo exp B8-2Modelo exp B8-3
Resultados Numéricos
• Fissuração do concreto na altura do primeiro nível dos conectores.
• fctm = 3,47 MPa
(a) (b)
Tensões longitudinais de tração no núcleo de concreto nos modelos: (a) B4n, (b) B8n.
Resultados Numéricos
• Esmagamento do núcleo de concreto situado acima dos conectores
• fcm = 36,33 MPa
(a) (b)
Tensões longitudinais de compressão no núcleo de concreto nos modelos: (a) B4n, (b) B8n.
Resultados Numéricos
• Escoamento local do perfil de aço na região dos furos.
• fy = 373,6 MPa
(a) (b)
Escoamento do aço do perfil nos modelos: (a) B8n, (b) B8-2.
Resultados Numéricos
• Giro dos conetores e o engastamento provocado pelo núcleo de
concreto (unidades em mm).
(a) (b)
Representação do giro dos conectores nos modelos: (a) B8n, (b) B8.
Conclusão
Foram observados os seguintes fenômenos: fissuração do núcleo de
concreto na altura do primeiro nível de conectores, esmagamento do
núcleo de concreto, engastamento dos conectores provocado pelo
concreto e o escoamento local do perfil de aço.
A modelagem retratou bem o comportamento dos conectores de
cisalhamento estudados, com erros menores que 5%.
Os conectores apresentaram um comportamento flexível e dúctil.
Agradecimentos
