introdução estruturas mistas - EcivilUFES · ABNT NBR 8800:2008 Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios 4. ... Lajes mistas são aquelas

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Curso de Estruturas Mistas Aço e Concreto

Estruturas Mistas de Aço e Concreto

Prof. Fernanda Calenzani

Universidade Federal do Espírito Santo


Estruturas Mistas Aço e Concreto

1. Informações Básicas1.1 Materiais1.2 Propriedades das seções1.3 Ações e análise estrutural1.4 Estados limites últimos e de utilização

2 Vigas Mistas2.1 Generalidades2.2 Conectores de cisalhamento2.3 Vigas mistas biapoiadas interação total2.4 Vigas mistas biapoiadas interação parcial2.5 Estados limites de serviço

3 Lajes Mistas3.1 Introdução3.2 Verificação da fôrma de aço antes da cura do concreto3.3 Verificação da laje após a cura do concreto3.4 Ações a serem consideradas3.5 Disposições construtivas

4 Pilares Mistos4.1 Generalidades4.2 Tipos de pilares mistos4.3 Disposições construtivas4.4 Dimensionamento à compressão simples4.5 Dimensionamento à flexo-compressão4.6 Regiões de introdução de cargas

Programa Detalhado

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1. Notas de aula (arquivos Power Point e exercícios resolvidos em sala)

2. QUEIROZ, G., PIMENTA, R. J., MARTINS, A. G. Estruturas Mistas VOL 1 e VOL 2, CBCA (Centro brasileiro da construção em aço) – 2010

3. ABNT NBR 8800:2008 Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios

4. Composite structures of steel and concrete. R.P. Johnson – 1994

5. Elementos das estruturas mistas aço-concreto. Gilson Queiroz - 2001

Bibliografia


Sistema de Avaliação

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“Denomina-se sistema misto aço-concreto àquele no qual um perfil de aço trabalha em conjunto com o concreto

(geralmente armado), formando um pilar misto, uma viga mista, uma laje mista ou uma ligação mista. A interação entre o concreto e o perfil de aço pode se dar por meios

mecânicos (conectores, mossas, ressaltos etc.), por atrito, ou em alguns casos, por simples aderência e repartição das cargas (como em pilares mistos sujeitos apenas a força

normal de compressão). Uma estrutura mista é formada por um conjunto de sistemas mistos”.

Sistemas mistos aço-concreto

Introdução


Sistemas mistos aço-concretoVantagens

Com relação às estruturas de concreto:-possibilidade de dispensa de fôrmas e escoramentos-redução do peso próprio e do volume da estrutura-aumento da precisão dimensional da construção

Com relação às estruturas de aço:-redução considerável do aço estrutural-redução das proteções contra incêndio e corrosão

Introdução

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Sistemas mistos aço-concretoVigas mistas

Constituídas de um perfil de aço suportando uma laje de concreto apoiada na mesa superior e a ela ligada

por meio de conectores. Vigas mistas aço-concreto têm sido considerado o sistema estrutural mais eficiente para suportar as cargas gravitacionais de pisos de edifícios, devido, principalmente, à facilidade de construção e à redução de peso da viga de aço.

Introdução


Sistemas mistos aço-concretoVigas mistas

Vantagens

-Aumento considerável na rigidez do piso

-Menor peso dos perfis de aço, redução de 20% a 40%

-Menor altura da seção viga-laje

Introdução

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Sistemas mistos aço-concretoLajes mistas

Lajes mistas são aquelas em que a fôrma de aço é incorporada ao sistema de sustentação das cargas,

funcionando, antes da cura do concreto, como suporte das ações permanentes e sobrecargas de construção e, depois

da cura, como parte ou toda a armadura de tração da laje. São também chamadas de lajes com fôrma de aço

incorporada

Introdução


Sistemas mistos aço-concretoLajes mistas

Ligação mecânica – mossas

A fôrma de aço deve ser capaz de transmitir o cisalhamento longitudinal na interface aço-concreto:

Ligação por atrito – confinamentodo concreto nas fôrmas de aço com cantos reentrantes.

Introdução

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Lajes mistas

O steel deck suporta sobrecargas de até 2 t/m² e dispensa escoramentos para vãos de 2 m a 4 m.

Sistemas mistos aço-concreto

Introdução


Sistemas mistos aço-concretoPilares mistos aço concreto

Pilar misto é uma peça sujeita a compressão pura ou flexo-compressão, formada por um perfil de aço envolvido por concreto ou por um tubo de aço

preenchido de concreto, construída de forma que aço e concreto trabalhem juntos sem escorregamento relativo

significativo na superfície de contato

Introdução

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Pilares mistos aço concretoIntrodução



Introdução

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Introdução



Introdução

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Sistemas mistos aço-concretoLigações mistas

Uma ligação é denominada mista quando a laje de concreto participa da transmissão de momento fletorde

uma viga mista para um pilar ou para outra viga mista do vão adjacente.

Numa viga mista com ligação mista, o peso do perfil de aço é reduzido em, aproximadamente 8%,em relação ao

peso do perfil da viga mista simplesmente apoiada.

Introdução



Introdução

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Introdução


Materiais

O concreto é um material frágil, composto basicamente de argamassa (cimento, agregados miúdos e aditivo) e de agregados graúdos,

contendo um grande número de microfissuras (principalmente nas regiões de contato entre a argamassa e os agregados graúdos), mesmo

antes de ser sujeito a cargas externas.

Comportamento do concreto em ensaio decompressãoObservam-se três estágios em ensaios de compressão axial de corpos de prova de concreto:- O primeiro estágio corresponde a tensões inferiores a 30% da resistênciaúltima a compressãofc. Neste estágio, as fissuras no concreto permanecempraticamente inalteradas, resultando em um comportamento linear.

Informações básicas

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- O segundo estágio corresponde a tensões entre 30% e 75% defc,quando as fissuras começam a aumentar de comprimento e,posteriormente algumas fissuras em superfície de agregados vizinhoscomeçam a se unir formando fissuras na argamassa. O materialapresenta comportamento não linear, porém, a propagação defissuras é estável.

- O terceiro estágio corresponde a tensões acima de 75% defc,quando ocorrem fratura instável, com falha progressiva do concretocausada por fissuras através da argamassa. Finalmente, macrofissuras formam-se paralelamente à direção da carga, causando ocolapso do corpo de prova.



O valor de fc é obtido na ruptura de cada corpo de prova, mas não é o utilizado nos projetos e sim o valor de fck que é a resistência

característica à compressão do concreto


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excedida



Comportamento do concreto em ensaio de tração

Em geral, o limite de elasticidade ocorre quando a tensão chega a 60% a 80%da resistência última à traçãoft. Acima desse limite, as microfissurascomeçam a crescer. A propagação instável das fissura começa muito cedo,resultando em um comportamento bastante frágil. A interface entre aargamassa e agregados tem resistência à tração significativamente inferior àda argamassa, e esta é a principal causa da baixa resistência à traçãodoconcreto.


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Propriedades• Peso específico do concreto normal – 24 kN/m3

• Coeficiente de dilatação térmica a temperatura ambiente – 10-5/ºC

• Resistência característica à compressão, fck, obtida por meio de

ensaios, com faixa usual de 20 a 40 MPa.

• Resistência característica à tração,ftk, também obtida por meio de

ensaios – na ausência de ensaios, o valor deftk pode ser

determinado em função defck, fct,m= 0,3 (fck)2/3

fctk,inf = 0,7 fct,m

fctk,sup= 1,3 fct,m

onde:fct,me fck são expressos em MPa.



• Módulo de elasticidade secanteEc- utilizado na análise elástica e

também obtido em ensaios – na ausência de ensaios, o valor do

módulo de elasticidade secante pode ser determinado em função do

fck,

Eci = 5 600 (fck)1/2

Eci e fck são dados em MPa.

Ecs = 0,85Eci

• Coeficiente de poisson– 0,2


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Critérios de falha

Quando o concreto está sujeito a estados multiaxiais de tensões, existem

critérios de falha que permitem determinar se o concreto falha por

esmagamento ou fissuração, dentre os quais o critério de William &

Warnke (1975).


Considere um sistema de

referência no qual as

coordenadas são os

valores deσ1, σ2 eσ3.


Critérios de falha


o critério de William & Warnke corresponde a uma superfície com eixo

igualmente inclinado em relação aos três eixos coordenados.

A resistência do concreto

à compressão triaxial

(concreto confinado) pode

ser dezena de vezes

superior à da resistência à

compressão uniaxial.

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Aplicando-se este critério ao caso particular de solicitação biaxial, obtêm-se asseguintes condições de falha, ondeσ1, σ2 e σ3 não estão necessariamente naordem decrescente:

• paraσ1 > 0,σ2 > 0,σ3 = 0(a falha é por fissuração no planoperpendicular à tensão que atingiu olimite)

• paraσ1 > 0,σ2 < 0,σ3 = 0(a falha é por fissuração no planoperpendicular aσ1)

• paraσ1 < 0,σ2 > 0,σ3 = 0(a falha é por fissuração no planoperpendicular aσ2)

• paraσ1 < 0,σ2 < 0,σ3 = 0(a falha é por esmagamento)



Retração e deformação lenta do concreto

A retração do concreto é uma redução de volume causada pela perda deágua por evaporação, que ocorre nas regiões próximas à superfície. Adeformação lenta é uma redução de volume de regiões sujeitas àcompressão por um longo período de tempo. A compressão força odeslocamento da água do interior da região comprimida para asuperfície, onde se dá a evaporação. As deformações correspondentes aambos os fenômenos afetam as respostas de uma estrutura, devendo serconsideradas na análise.


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AçoLiga de ferro-carbono com alguns elementos adicionais, podendo ter

suas propriedades mecânicas alteradas por meio de conformação mecânica ou tratamento térmico. È um material dútil, com deformações

de ruptura da ordem de 5% a 40%. Nas estruturas mistas, o aço é empregado nos perfis, nas barras de armadura, nos conectores de

cisalhamento, nos parafusos e nas fôrmas metálicas incorporadas ao concreto em lajes mistas.

Comportamento em ensaio de traçãoO aço pode apresentar dois tipos básicos de comportamento, com ou sem patamar de escoamento. Os aços dos perfis, das armaduras laminadas e

das fôrmas têm patamar de escoamento. O aço das armaduras trefiladas e dos conectores não têm.



Comportamento em ensaio de compressãoNo ensaio de compressão, o comportamento do aço é similar ao

observado no ensaio de tração, até o escoamento e início do encruamento. Não existe uma resistência última a compressão (como na tração), havendo um crescimento ilimitado da resistência até a ruptura.

Propriedades• Peso específico do aço – 77 kN/m3

• Coeficiente de dilatação térmica a temperatura ambiente – 1,2.10-5/ºC• limite de escoamento, fy, e limite de resistência à tração – obtidos por

meio de ensaios de tração.• Módulo de elasticidade – também obtido por meio de ensaios de tração

deve ser tomado igual a 200 GPa para todos os aços dos perfis, conectores de cisalhamento e das fôrmas de aço incorporadas. Para o aço das armaduras, o módulo deve ser tomado igual a 210 GPA

• coeficiente de poisson – 0,3 por meio da relação entre E, G e ν.


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Aplicando-se o critério de Von Mises ao estado de cisalhamento simples, obtém-se , assim, é o limite de

escoamento por cisalhamento conforme o critério de Von Mises. Pelo critério de Tresca obtem-se para esse limite.

Critérios de escoamentoQuando o aço é sujeito a estados multiaxiais de tensões, os dois critérios

de escoamento mais utilizados são o de Tresca e o de Von Mises, apresentados a seguir (σ1, σ2 e σ3 não estão necessariamente na ordem

decrescente).

[ ] yf≤−−− 233121 ,,max σσσσσσ

( ) ( ) ( ) 22

212

322

31

2 yf≤−+−+− σσσσσσ

3yf=τ 3yf

2yf



Em um sistema de referência no qual as coordenadas são os valores de σ1, σ2 e σ3 , o critério de Von Mises corresponde a uma

superfície cilíndrica com eixo igualmente inclinado em relação aos três eixos coordenados e com raio igual 32yf


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Propriedades das seções

Propriedades plásticasPara determinação de resistências últimas de peças mistas, com perfis de

aço compactos, sujeitas às ações de cálculo, (mesmo quando for feita a

análise elástica), usam-se propriedades plásticas da seção, obtidas a partir

de diagramas de blocos de tensões na seção do perfil de aço e na seção

de concreto armado.

Admite-se também que o concreto atinja uma tensão uniforme de

compressão de 0,85fcd, sendo o coeficiente 0,85 devido ao efeito Rusch.

A resistência do concreto à tração é sempre desprezada.



Propriedades das seções

Propriedades elásticasPara determinação de deslocamentos e tensões de peças mistas, sujeitas

às ações nominais, no regime elástico, usam-se propriedades elásticas

das seções transformadas. Tais propriedades são obtidas a partir da

redução das larguras dos componentes de concreto, por meio da razão

modular E/Ec. É necessário que o limite de escoamento não seja atingido

na seção de aço nem nas barras da armadura. É necessário também que a

tensão 0,85fck não seja atingida no concreto. O concreto em tração é

quase sempre é desprezado. Para levar em conta a deformação lenta,

causada pelas cargas de longa duração, reduz-se o módulo secante do

concreto Ec, no cálculo da razão modular.


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Relações largura-espessura da seção de aço, NBR 8800(2008)Informações básicas


Ações e Análise EstruturalNa análise estrutural, deve ser dada devida atenção aos estágios da

construção, incluindo efeitos das ações na estrutura puramente de aço (na fase anterior à de concretagem e na fase de concretagem) e na estrutura mista (após a cura do concreto e retirada dos eventuais escoramentos)

Análise ElásticaPode ser utilizada tanto para verificação dos estados limites últimos

quanto para verificação dos estados limites de utilização. É necessário que as tensões obtidas na análise, com base nas propriedades elásticas

das seções, fiquem abaixo dos limites de escoamento nos aços do perfil e da armadura, e de aproximadamente 0,4 fck no concreto.

Os efeitos dos deslocamentos devem ser considerados, estabelecendo-se o equilíbrio na posição deformada (análise de 2ª ordem).


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Análise Rígido-PlásticaA análise rígido-plástica também denominada análise limite, baseia-se

na redistribuição plástica de momentos na estrutura, até que um mecanismo de rótulas plásticas seja formado. É necessário que as rótulas plásticas tenham condições de serem formadas e que as

primeiras a se formar tenham capacidade de sofrer rotação até que se formem as demais. Para isso é necessário que os perfis tenham seções transversais com relações adequadas largura-espessura dos elementos.

É necessário também que o aço tenha patamar de escoamento.Em estruturas mistas, consideram-se rótulas plásticas apenas nas vigas

ou nas ligações, devido à insuficiência de informações sobre a capacidade de rotação de pilares.

Só é aplicável para verificação de estados limites últimos e para sistemas indeslocáveis , uma vez que os deslocamentos ficam

indeterminados.



Análise Elasto-PlásticaÉ o tipo mais genérico, aplicável em qualquer situação, porém, o mais trabalhoso. Baseia-se na teoria geral da plasticidade e leva em conta a plastificação progressiva da estrutura após a fase elástica. Devido a

sua complexidade, ela é simplificada, não levando em conta os problemas de flambagem local.

Observação: Normalmente as análises dinâmicas, quando necessárias, são feitas no regime elástico


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