Lajes mistas de betأ£o armado sobre chapa ... em lajes mistas formadas por chapa de aأ§o colaborante

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  • UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Engenharia

    Lajes mistas de betão armado sobre chapa metálica colaborante

    Estudo da interface aço-betão

    (versão final após defesa pública)

    João Pedro Pires Bernardo Ramos Fontes

    Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil

    (ciclo de estudos integrado)

    Orientador: Prof. Doutor João António Saraiva Pires da Fonseca

    Covilhã, Junho de 2016

  • II

  • III

    Agradecimentos

    O presente trabalho foi desenvolvido na UBI – Universidade da Beira Interior sob orientação do

    professor doutor João António Saraiva Pires da Fonseca, a quem agradeço a disponibilidade, o

    apoio, os ensinamentos, o auxílio, o acompanhamento e conselhos prestados na resolução das

    diversas problemáticas teóricas e práticas com que me deparei neste percurso.

    Na concretização do trabalho, fui acompanhado por várias pessoas e entidades, às quais

    demonstro a minha gratidão:

    À UBI- Universidade da Beira Interior, pelas condições e meios disponibilizados na realização

    deste estudo.

    À O FELIZ Metalomecânica, representada na pessoa do eng. José Manuel, pelos materiais e

    informação técnica fornecida.

    Ao Sr. António Perpétuo, pela dedicação e auxílio prestado na construção metálica dos corpos

    do prova.

    À Betão Liz, representada na pessoa do Sr. João Amaro, pelo betão e informação técnica

    fornecida.

    À eng. Maria José, pela sua disponibilidade e disponibilização de recursos materiais e humanos

    para a realização do trabalho prático.

    Aos assistentes técnicos, Sr. Albino Alves, Sr. Luciano Rato, Sr. António Félix, Sr. Paulo Guerra,

    Sr. João Correia e Sr. Jorge Bento dos laboratórios dos departamentos de Engenharia civil e

    Eletromecânica, pelos ensinamentos e pelo apoio prestado na execução do trabalho do trabalho

    experimental.

    Ao professor doutor Clemente Pinto, pela sua disponibilidade, os seus ensinamentos e auxílio

    prestados na realização do trabalho prático.

    Ao meu amigo Daniel Diogo, pela ajuda, interesse e empenho na realização do trabalho prático,

    bem como pela sua motivação e promoção de momentos de humor que aligeiraram este

    percurso.

    Aos meus colegas de curso e amigos, pelo companheirismo ao longo deste percurso académico.

  • IV

    Ao eng. Paulo Ribeiro e restantes colegas de trabalho da Egisete, Serviços de Engenharia e

    Fiscalização, pela disponibilidade, flexibilidade de horário, motivação e apoio que

    demonstraram ao longo deste percurso. Agradeço também pelo seu auxílio na obtenção de

    materiais necessários à realização dos trabalhos laboratoriais e pelos momentos de humor que

    aliviaram os últimos tempos mais difíceis e trabalhosos.

    À minha namorada Maria e à sua família, pelo encorajamento e apoio nos momentos mais

    exigentes.

    Ao meu pai, Carlos Manuel, e à minha mãe, Lídia Maria, não só por terem possibilitado e apoiado

    todo o meu percurso académico, mas sobretudo pelos ensinamentos que me transmitem todos

    os dias, estando sempre presentes em todas as fases da minha vida.

    À minha irmã Ana Catarina, pelo seu testemunho de persistência e trabalho, bem como pela

    sua motivação e ânimo nos momentos mais difíceis.

  • V

    Resumo

    O presente estudo tem como objetivo caracterizar o comportamento da interface aço-betão

    em lajes mistas formadas por chapa de aço colaborante sobre a qual é colocada uma camada

    de betão e que são ligados por sistemas mecânicos ou de atrito.

    Verificando a diversidade de chapas perfiladas disponíveis para execução desta solução

    construtiva, podem surgir questões quanto aos benefícios relativos entre tipos de perfis

    (reentrante e trapezoidal). O comportamento da chapa perfilada e em particular da interface,

    foi avaliado recorrendo a uma metodologia adequada que permitiu descrever o caminho e o

    equilíbrio de forças no elemento estrutural. Recorreu-se de uma metodologia decomposta em

    duas partes: análise numérica e experimental.

    Na análise numérica foram construídos modelos cálculo tridimensionais que permitiram

    calcular, com recurso ao método de elementos finitos, as tensões atuantes em elementos

    volumétricos. A informação obtida é analisada e interpretada de forma a descrever o caminho

    de forças através da estrutura e é proposto um modelo de escoras e tirantes que permita

    descrever o equilíbrio de forças no interior da secção trapezoidal. Com base na análise de

    tensões é proposta uma nova solução para a conexão e apontam-se possibilidades de evolução

    da forma das bossas atualmente utilizadas na solução corrente que é analisda ao longo do

    trabalho.

    Com a metodologia experimental, ensaiam-se provetes especificamente concebidos no âmbito

    deste trabalho, com o intuito de demostrar que o modelo de escoras e tirantes é adequado e

    que a solução proposta é viável.

    Por fim, concluiu-se sobre a investigação realizada, e propõem-se pontos de partida para

    investigações futuras.

    Palavras chave: lajes mistas; interface aço-betão; resistência ao corte longitudinal

  • VI

  • VII

    Abstract

    This study aims to characterize the behavior of the steel-concrete interface in composite slabs

    formed by profiled steel plate on which a layer of concrete is placed, connected by mechanical

    systems or friction.

    Checking the diversity of profiled sheets available for this constructive solution, there may be

    questions about the relative benefits between types of profiles. The behavior of the profiled

    steel deck and interface was evaluated using a suitable methodology aiming to describe the

    path and the equilibrium of forces in the structural element. The used methodology can be

    decomposed into two parts: experimental and numerical analysis.

    In the numerical analysis, three-dimensional models were constructed, wich were used to

    calculate the stresses acting in the volumetric elements, using the finite element method. The

    information obtained was analyzed and interpreted to describe the force paths through the

    structure and a strut-and-tie model was proposed to describe the equilibrium of forces. Based

    on the stress analysis a new solution for the steel-concrete connection is proposed and some

    possibilities of evolution in the embossments shape for the common solution that is analyzed

    throughout the study, are indicated.

    With the experimental methodology, specimens specifically built in the frame of this work were

    tested in order to desmonstrate that the strut-and-tie model is appropriate and that the

    proposal solution is viable.

    Finally, research carried out is conclued and starting points for further investigations are

    proposed.

    Keywords composite slabs; interface steel-concrete; longitudinal shear resistance

  • VIII

  • IX

    Índice

    1 Introdução .................................................................................................... 1

    1.1 Motivação ................................................................................................ 1

    1.2 Enquadramento histórico do tema .................................................................. 1

    1.3 Objeto de estudo....................................................................................... 2

    1.4 Objetivos ................................................................................................ 5

    1.5 Organização do trabalho .............................................................................. 6

    2 Revisão bibliográfica ........................................................................................ 7

    2.1 Composição e comportamento ................................................................... 7

    2.1.1 Ligação aço-betão............................................................................. 7

    2.1.2 Forças na interface aço-betão .............................................................. 8

    2.1.3 Interface aço-betão........................................................................... 9

    2.1.4 Formas de conexão ......................................................................... 11

    2.1.5 A conexão mecânica e o mecanismo de rotura ........................................ 13

    2.1.6 Análise paramétrica da interface aço-betão ........................................... 14

    2.2 Determinação do esforço de corte longitudinal resistente ............................... 18

    2.2.1 Método “m-k” ................................................................................ 18

    2.2.2 Método da tensão τu ou da conexão parcial ............................................ 20

    2.2.3 Ensaios de escorregamento................................................................ 24

    2.2.4 Ensaios de arranque .....