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ISSN 1809-5860

Cadernos de Engenharia de Estruturas, So Carlos, v. 11, n. 48, p. 83-100, 2009

AVALIAO EXPERIMENTAL DA CONTRIBUIO DA ALVENARIA NO ENRIJECIMENTO DE PRTICOS METLICOS

Rita de Cssia Silva SantAna Alvarenga1, Roberto Mrcio da Silva2 & Helena M. Cunha Carmo Antunes3

R e s u m o Apresenta-se neste trabalho um estudo experimental do comportamento de prticos metlicos de perfis soldados, preenchidos com blocos de alvenaria estrutural de concreto celular autoclavados, considerando a contribuio da alvenaria na rigidez global da estrutura. O conjunto prtico-painel foi submetido a uma ao horizontal aplicada no eixo da viga superior do prtico. Foram realizadas duas sries de ensaios em que foram avaliados diferentes parmetros, como: relao altura/comprimento dos prticos, argamassa utilizada nas juntas, elementos componentes da interface prtico-painel e existncia ou no de aberturas nas paredes. Os resultados obtidos comprovam a eficincia de se utilizar a alvenaria como elemento de enrijecimento de estruturas metlicas, proporcionando economia e rapidez na execuo.

Palavras-chave: Alvenaria estrutural. Prtico preenchido. Anlise experimental. Estrutura metlica.

EXPERIMENTAL ANALYSIS OF MASONRY INFILLED STEEL FRAMES

STRUCTURES

A b s t r a c t This work presents an experimental study of the behavior of masonry infilled steel frames structures, regarding the contribution of the masonry to the structure global stiffening. The system steel frame infilled with structural blocks of autoclaved aerated concrete was subjected to horizontal action applied to the frame upper beam axis. The study consisted of two series tests, in real size, where different parameters had been evaluated: frames with different ratios height/length, type of mortar used in the joints, component elements of the interface frame-panel and existence or not of openings in the panels. The results obtained prove the masonry efficiency as stiffening element for steel structures, providing steel weight economy, as well as speed in the masonry execution. Keywords: Masonry. Infilled steel frame. Experimental and numerical analysis.

1 INTRODUO

As estruturas de ao ou concreto armado frequentemente utilizam painis de alvenaria como elementos de vedao, sem dar a devida ateno contribuio destes como elementos estruturais. No entanto, as propriedades e os detalhes construtivos da associao de prticos e painis podem ter uma grande influncia no comportamento global da estrutura. A estrutura composta, resultante do preenchimento de prticos de ao com painis de alvenaria, apresenta um comportamento bastante diferente do comportamento de cada um deles isoladamente. Os painis de alvenaria interagem em seus planos com membros fletidos de ao, e a capacidade de carga dos prticos aumenta consideravelmente em virtude do enrijecimento destes pela presena da alvenaria. Os painis de alvenaria, que so rgidos e resistentes compresso mas relativamente pouco resistentes trao, podem servir de membros comprimidos em combinao com as vigas e colunas resistentes flexo e aos esforos axiais. A transferncia de cargas entre os

1 Professora da Universidade Federal de Viosa, ritadecassia@ufv.br 2 Professor do Departamento de Engenharia de Estruturas da UFMG, roberto@dees.ufmg.br 3 Professora Aposentada do Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP, helena@sc.usp.br

Rita de Cssia Silva Sant'Ana Alvarenga, Roberto Mrcio da Silva & Helena M. Cunha Carmo Antunes

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painis e a estrutura reticulada feita a partir do comprimento efetivo de contato que funo da rigidez relativa entre os painis nos seus planos e a estrutura reticulada. O comportamento de prticos preenchidos com alvenaria, submetidos a aes laterais, pode ser descrito em 3 estgios (Polyakov 1960). No primeiro estgio, o painel de alvenaria e os membros da estrutura reticulada comportam-se como uma unidade monoltica. Este estgio termina quando surgem as primeiras fissuras entre o painel e os membros do prtico. Estas fissuras so observadas na interface do painel-prtico, com exceo de pequenas regies onde as tenses de compresso so transmitidas do prtico para o painel nos dois cantos diagonalmente opostos, Figura 1.

Figura 1 (a) Sistema prtico-parede; (b) comprimento de contato das interfaces, em sistemas solicitados a aes horizontais.

O segundo estgio caracterizado por um encurtamento da diagonal comprimida e alongamento da diagonal tracionada. Neste estgio, a distribuio de tenses configura-se de forma a identificar uma diagonal comprimida no painel de alvenaria e o conjunto prtico-painel se converte em um sistema estrutural de prtico com barra de travamento biarticulada. Este estgio termina com fissuras no painel ao longo da diagonal comprimida. As fissuras usualmente aparecem de forma escalonada nas juntas horizontais e verticais. No terceiro estgio, a estrutura composta continua a resistir a incrementos de carga apesar das fissuras na diagonal. Estas continuam a aumentar e novas fissuras aparecem, encerrando este estgio, uma vez que o sistema no possui mais capacidade para suportar acrscimos de carga.

2 METODOLOGIA

O programa experimental constou de 10 ensaios em prticos de ao preenchidos com alvenaria e quatro ensaios em prticos sem preenchimento, cujas caractersticas so apresentadas resumidamente na Tabela 1, alm dos ensaios de caracterizao dos materiais. A influncia da relao altura/comprimento (H/L) no comportamento de prticos preenchidos foi avaliada atravs de ensaios em dois prottipos de ao, em escala real, com relaes H/L iguais a 0,83 (268 cm x 322 cm) e 0,51 (268 cm x 522 cm). Os prticos trabalharam em regime elstico, enquanto a alvenaria foi ensaiada at o colapso, a fim de obter o seu modo de ruptura. Nas interfaces prtico-painel utilizaram-se ferros-cabelo, na forma de estribos, soldados mesa dos pilares, ou apenas argamassa polimrica, tipo colante.

comprimento de contato

(a) (b)

P

Avaliao experimental da contribuio da alvenaria no enrijecimento de prticos metlicos

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As duas primeiras paredes foram moldadas utilizando uma argamassa de trao em volume 1:3:7,5 de cimento, cal e areia. A partir da terceira parede, utilizou-se argamassa polimrica, tipo colante. Foram ensaiadas paredes constitudas de blocos estruturais macios de concreto celular autoclavado (CCA), com resistncia mdia compresso de 4,5 MPa.

Tabela 1 Caractersticas dos ensaios de prticos preenchidos realizados

ENSAIO RELAO H/L ARGAMASSA INTERFACE MATERIAL ABERTURA01A 0,83 1:3:7,5 cimento, cal e areia Ferros-cabelo Blocos - CCA No 02A 0,83 1:3:7,5 cimento, cal e areia Ferros-cabelo Blocos - CCA No 03A 0,83 Ciment-cola Ferros-cabelo Blocos - CCA No 04A 0,83 Ciment-cola Ferros-cabelo Blocos - CCA No 05A 0,83 Ciment-cola Ciment-cola Blocos - CCA No 06A 0,83 Ciment-cola Ciment-cola Blocos - CCA No 01B 0,51 Ciment-cola Ciment-cola Blocos - CCA No 02B 0,51 Ciment-cola Ciment-cola Blocos - CCA No 03B 0,51 Ciment-cola Ciment-cola Blocos - CCA Sim 04B 0,51 Ciment-cola Ciment-cola Blocos - CCA Sim

2.1 Prottipos de ao

Para avaliao do comportamento de prticos de ao preenchidos com alvenaria, foram utilizados dois prottipos em escala real, TIPO I e TIPO II, compostos de perfis soldados, ao ASTM A36, com relaes altura/comprimento iguais a 0,83 e 0,51, respectivamente. O prtico TIPO I, Figura 2a, possua as caractersticas geomtricas dadas pela Tabela 2. Os prottipos apresentavam bases engastadas, projetadas em funo das caractersticas do gabarito de furos da laje de reao do laboratrio e segundo prescries da norma NBR 8800. Cada pilar foi ligado rigidamente ao centro de uma chapa de ao de 220 mm x 600 mm e espessura de 63,5 mm, que por sua vez foi soldada centrada sobre outra chapa de 1100 mm x 600 mm, constituindo a base do pilar. Para fix-la, foram utilizados parafusos passantes, de ao ASTM-A325, de 25,4 mm de dimetro, com duas porcas em cada uma das extremidades de cada parafuso, conforme Figura 3. Os perfis utilizados foram posicionados com a maior inrcia no plano da estrutura. As ligaes viga-pilar foram feitas atravs de cantoneiras parafusadas com abas de 63,3 mm x 6,3 mm x 160 mm de altura, espessura e comprimento, respectivamente. Dois parafusos de 16 mm, espaados 75 mm, simularam as ligaes semi-rgidas, Figura 4. Foram utilizados tirantes ligando o topo de cada pilar ao piso do laboratrio, em ambos os lados, a fim de evitar a perda de estabilidade e efeitos de excentricidade no sistema. Os tirantes eram constitudos por cabos de ao de 8 mm de dimetro, com passadeira regulvel e fixos ao piso atravs de uma cantoneira de abas iguais de 50 mm, espessura de 6,3 mm e dois parafusos de ao ASTM-A325 com dimetro de 25,4 mm. O prtico TIPO II, Figura 2b, projetado e executado para fins desta pesquisa, foi composto de perfis I soldados, ao ASTM-A36, possuindo as mesmas caractersticas geomtricas para a seo transversal do prtico TIPO I, dadas pela Tabela 2. As bases do prtico eram rigidamente engastadas, seguindo o modelo utilizado para o prtico TIPO I. Foram tambm utilizados tirantes ligando o topo de cada pilar ao piso do laboratrio, em ambos os lados, a fim de evitar perda de estabilidade e efeitos de excentricidade no sistema.

Rita de Cssia Silva Sant'Ana Alvarenga, Roberto Mrcio da Silva & Helena M. Cunha Carmo Antunes

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2.2 Paredes de alvenaria

Neste trabalho, foram utilizados blocos estruturais macios de concreto celular autoclavados d

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