conexÃo aço-betao

7/25/2019 CONEXO ao-betao

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DESENVOLVIMENTOS RECENTES NO DOMNIO DA CONEXOAO-CONCRETO NO CONTEXTO DAS ESTRUTURAS MISTAS

Recent developments on steel-concrete connection in composite structures

Paulo J. S. Cruz (1); Isabel Valente (1); Gustavo Verssimo (2)(3);Jos Lus Rangel Paes (2); Ricardo Fakury (3)

(1) Universidade do Minho, Portugalemail: [email protected],[email protected]

(2) Universidade Federal de Viosa, Minas Gerais, Brasilemail: [email protected],[email protected]

(3) Universidade Federal de Minas Gerais, Brasilemail: [email protected]

Endereo para correspondncia: DEC-UFV 36570-000 Viosa MG

ResumoEste trabalho apresenta desenvolvimentos recentes sobre conexo ao-concreto para estruturas mistas. Osestudos realizados envolvem campanhas experimentais com diversos tipos de conectores de cisalhamento,utilizando-se concreto normal e concretos leves de alta resistncia. A caracterizao do comportamento dasconexes tem sido realizada atravs de ensaios tipo push-out. Os resultados experimentais recentementeobtidos so comparados com resultados de outros autores. Os resultados das pesquisas que vm sendorealizadas indicam uma boa perspectiva de utilizao de novos conectores de cisalhamento no contexto dasestruturas mistas de ao e concreto.

Palavras-Chave: estruturas mistas; conexo ao-concreto; conector de cisalhamento; ensaio push-out;relao cargaxdeslizamento; concreto leve.

AbstractThis work presents recent developments on steel-concrete connection in composite structures. Theaccomplished studies involve experimental programs with various types of shear connectors, using normalweight, as well as lightweight concrete. The behaviour of shear connectors has been assessed throughpush-out tests. The experimental results recently obtained are compared with results from other authors. Theresults of the research programme that has been carried out in the last few years show good perspective forthe use of new types of shear connectors in steel-concrete composite structures.

Keywords:composite structures; steel-concrete connection, shear connector; push-out test; load-sliprelationship; lightweight concrete.

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mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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1 IntroduoAs estruturas mistas de ao e concreto tm sido cada vez mais empregadas naconstruo civil nas ltimas dcadas. As vantagens dos sistemas mistos so bemconhecidas e advm do fato de que nesses sistemas, o ao e o concreto trabalham trao e compresso, respectivamente, situao em que se obtm o melhor

desempenho de ambos.O problema fundamental quando se trata de estruturas mistas de ao e concreto aligao entre os dois materiais, que proporciona o comportamento misto. Ocomportamento misto desenvolve-se somente quando dois elementos estruturais soconectados de tal forma que passam a se comportar como se fossem praticamente umapea nica. Para que isso ocorra, necessrio que na interface entre o ao e o concretoexista uma conexo mecnica ou no mecnica que seja capaz de transmitir o fluxolongitudinal de cisalhamento que surge nas interfaces dos elementos estruturais mistos, oque conseguido mediante a utilizao de conectores de cisalhamento metlicos. Nocaso das vigas mistas, alm das foras de cisalhamento longitudinais, os conectoresesto sujeitos tambm a foras transversais ao plano da laje, que tendem a causar aseparao entre a laje de concreto e o perfil metlico (efeito conhecido como uplift).Os estudos apresentados neste trabalho envolvem campanhas experimentais com vriosconectores de cisalhamento, abrangendo tanto ensaios tipo push-outcomo ensaios emvigas mistas, utilizando-se concreto normal e concretos leves de alta resistncia.

1.1 Generalidades sobre os conectores estudadosA tipologia dos conectores depende das caractersticas dos dois materiais, ao econcreto, e do tipo de ligao que se pretende realizar. A resistncia e a rigidez daconexo so definidas pelo grau de ligao existente entre os elementos de ao econcreto, que por sua vez depende das caractersticas geomtricas e mecnicas do

conector e do tipo de concreto utilizado.A busca por um comportamento timo com custos mnimos tem motivado odesenvolvimento de novas solues. Alm dos usuais conectores tipo stud, destacam-seos bons resultados obtidos com o conector T, com o conector Perfobond e com o conectorCR (Figura 1).

a) conector stud b) Conector T c) conector Perfobond d) conector CR

Figura 1 - Tipologias de conectores estudados

1.2 O conector studO conector de uso mais difundido na atualidade o stud, um conector tipo pino comcabea, desenvolvido na dcada de 40 pela Nelson Stud Welding(Figura 1a). Consiste deum pino projetado para funcionar como eletrodo de solda por arco eltrico e, aps asoldagem, como conector de cisalhamento. Possui uma cabea com dimenses

padronizadas, para proporcionar resistncia ao uplift (Figura 2).

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Figura 2 - O conector stud aplicao sobre deckmetlico

O studse difundiu muito em funo de diversas vantagens, tais como a velocidade deaplicao, a boa ancoragem no concreto e a facilidade de colocao da armadura entreos conectores. O uso do stud permite que as lajes sejam feitas com frma de aoincorporada (steel-deck), propiciando uma excelente produtividade (Figura 2). Todavia,apresenta limitaes e um inconveniente que a necessidade de um equipamento desolda especial, que inclui um gerador de 225KVA no canteiro de obras. Alm disso, emestruturas em que a sobrecarga de utilizao representa uma parcela muito grande docarregamento total, o comportamento tpico dos studs desfavorvel, podendo conduzir deteriorao prematura do sistema misto por efeito de fadiga.Em conexes com stud, para que a ao mista se desenvolva de fato necessrio que

ocorra algum deslizamento relativo inicial. Esse deslizamento pode causar fissurao dalaje para cargas de servio, bem como problemas de fadiga decorrentes do atrito entre oao e o concreto (ZELLNER, 1987). Esse problema pode ser mais pronunciado emestruturas sujeitas fadiga devido a cargas mveis, conduzindo propagao dasfissuras na laje de concreto e conseqente acelerao da deteriorao da estrutura.

1.3 O conector TO conector T consiste basicamente de um pedao curto de perfil T soldado mesa doperfil metlico (Figura 1b), podendo ser produzido com diferentes tamanhos, a partir docorte de perfis laminados comerciais. A possibilidade de produzir conectores a partir deperfis laminados tem a vantagem de no ser necessrio produzir um novo elemento deconexo especfico. A solda de conectores T no requer equipamento especial eapresenta as caractersticas de uma solda usual.A espessura da alma e o comprimento do T formam a rea de corte do conector, que usualmente superior do stud.Em relao aos studs, os conectores T apresentam como desvantagem a necessidade deutilizar uma maior quantidade de material para produzir um conector. Uma maiordificuldade em dispor a armadura ao longo da laje ocorre apenas quando a distribuio deconectores escolhida muito densa. Em termos de fadiga, os conectores T apresentamas mesmas desvantagens do conector stud.

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1.4 Conectores em chapa contnua: Perfobond e CROs conectores studnecessitam que ocorra algum deslizamento na interface ao-concretopara que sua capacidade seja mobilizada, o que ocorre em geral para baixos valores decarga. Se a sobrecarga representa uma parcela grande do carregamento atuante,presume-se que ocorrer deslizamento para cada ciclo dessa sobrecarga. Como

conseqncia desse deslizamento, haver atrito entre o ao e o concreto, o que podeocasionar problemas de fadiga (ZELLNER, 1987). O Perfobond foi idealizado a partir danecessidade de um conector que no permitisse esse atrito entre o ao e o concreto e, aomesmo tempo, s envolvesse deformaes elsticas para cargas de servio, tendo sidoinicialmente desenvolvido pela empresa alem Leonhardt, Andr, and Partners, deStuttgart, para o projeto da 3 Ponte sobre o rio Caroni, na Venezuela (ZELLNER, 1987).A primeira geometria estudada para este elemento de conexo consiste numa chapametlica plana com aberturas circulares, que fica inserida na laje de concreto armado(Figura 1c).Quando o elemento misto submetido a carga e a laje tende a deslizar em relao aoperfil de ao, o concreto dentro dos furos do conector trabalha como um pino virtualdentro da laje, que proporciona resistncia ao cisalhamento na direo longitudinal e evitaque a laje de concreto se separe transversalmente do perfil metlico (Figura 3). OPerfobond pode ser usado de modo contnuo, como mostrado na Figura 1c, oudescontnuo, como mostrado na Figura 3.

Figura 3 - Conector Perfobond - configurao e dimenses (em mm)

Uma desvantagem do conector perfurado com aberturas fechadas a dificuldade para adisposio da armadura inferior da laje, quando as barras tm que passar por dentro dasaberturas do conector. Para contornar essa dificuldade, tm sido propostas novasgeometrias para conectores de chapa perfurada, considerando aberturas na chapa. Oconector CR uma alternativa neste sentido. Consiste de uma chapa plana de ao com

um recorte especial simtrico, criando uma espcie de crista formada por salincias ereentrncias trapezoidais (Figura 1d). Da mesma forma que no Perfobond, seucomportamento mecnico depende, dentre outras variveis, do efeito de pino no concreto.A resistncia ao uplift conseguida com o formato trapezoidal nos dentes, queproporciona algum confinamento para o concreto no seu interior.Algumas vantagens podem ser apontadas aos conectores de chapa contnua quandocomparados com os conectores tipo stud: so facilmente produzidos em grande escala,podem assumir diferentes tamanhos e formas, so facilmente soldados ao elementometlico sem necessidade de equipamentos especiais e a solda pode ser efetuada tantona obra como na fbrica. Em termos de capacidade de carga, os conectores como oPerfobond e o CR propiciam resistncias similares s obtidas com grupos de studs.Diversos ensaios realizados com os conectores Perfobond e CR demonstram que tanto acapacidade de carga como a ductilidade da conexo so influenciadas pela resistncia do

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concreto e pela armadura que passa por dentro ou no entorno do conector. Dessa forma,os conectores em chapa dentada, ou perfurada, permitem controlar a capacidade daconexo, variando-se a resistncia do concreto e a armadura passante, o que no possvel, por exemplo, com o conector stud. No caso do stud, para concretos comresistncia compresso acima de determinado valor a resistncia ao corte do conector

governa a ruptura e o aumento na resistncia do concreto no influencia a capacidade daconexo.No caso dos conectores de chapa contnua, tm sido estudadas novas tipologias queconsistem em variaes na forma das aberturas e utilizao de chapa endentada. Outrosestudos tm abordado a substituio de concreto normal por concretos de elevadodesempenho, dentre eles os concretos de alta resistncia e os concretos leves.

2 Caracterizao experimental2.1 O ensaio push-outA caracterizao do comportamento das conexes ao-concreto tem sido realizadaatravs de ensaios tipo push-out, por meio dos quais se pode caracterizar a relaocarga x deslizamento dos conectores.O ensaio push-outpara a caracterizao de conectores de cisalhamento consiste de duaspequenas lajes de concreto conectadas a um perfil metlico e padronizado peloEUROCODE 4 (2004), conforme o esquema da Figura 4.

250

150 260 150

250

150

P

200200 200

100

150

30

35

150

150

35

180180 180

rebaixoopcional

assentado em argamassa ou gesso

barras com mossas 10mm para alta

HE 260 B ou 254 x 254 x 89 kg U.C.

seo de ao:

armadura:

aderncia com 450 < f < 550 N/mmsk 2

100 600

>=15

Figura 4 Caractersticas de um ensaio push-outtpico segundo o EUROCODE 4 (2004)

tores) reduzida de 10%. O deslizamento

Alm da geometria mostrada na Figura 4, o EUROCODE 4 (2004) especifica oprocedimento a ser seguido no ensaio. A capacidade de deslizamento ude um corpo deprova deve ser tomada como o mximo deslizamento medido para a carga caracterstica,PRk, como mostrado na Figura 4. A carga caracterstica PRk tomada como a menor cargade colapso (dividida pelo nmero de coneccaracterstico

ukconsiderado igual a 0,9

u.

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Os ensaios do tipo push-outso mais adequados para o estudo da conexo ao-concreto,pois permitem obter as relaes entre foras aplicadas e deformaes correspondentesde forma mais simples e direta do que se consegue em ensaios de flexo.Na Figura 5 representa-se o fluxo de foras num modelo para ensaio push-out comconectores stud. Uma grande vantagem deste ensaio que os esforos instalados nos

onectores resultam diretamente das foras Pintroduzidas pelo atuador, sendo possvel acmedio do correspondente deslizamento relativo entre a laje de concreto e o perfilmetlico. Os resultados so assim obtidos de forma direta.

Corte 1-1'

Corte 2-2'2

2P

Pd

Pd

Pd

Pd

D

2' P P

1

1'

e

Figura 5 - Fluxo de foras num ensaio push-out padro

Por ou

aprese

o-concreto podem

tiffeningpode ser apenas estimado;

sferncia de esforosntre os elementos estruturais laje de concreto/suporte metlico, como conseqncia do

deformao e da fissurao do concreto, ento ser

a laje de concreto, de forma que esse deslocamento seja medido at que a carga aplicada

tro lado, num ensaio de flexo, a determinao dos esforos nos conectores

nta algumas dificuldades, tais como:os esforos nos conectores tm que ser calculados de forma indireta, uma vez quea disperso dos valores da rigidez, especificamente do mdulo de elasticidade doconcreto (Ec), e dos valores do deslizamento na interface afalsear os resultados. Ao analisar-se a zona de momento negativo h que seconsiderar que parte do concreto nessa regio est tracionada e fissurada, e, nestecaso, o efeito de tension-s

uma outra possibilidade de estimar os esforos no conector medir a diferena dealongamento que se verifica entre a laje de concreto e o perfil metlico, mas essemtodo pouco preciso.

Das consideraes anteriores pode-se concluir que os ensaios tipo push-outso bastante

adequados para a anlise do processo de carga em conectores, quandoconvenientemente instrumentados. Se for necessrio analisar a traneseu deslizamento relativo, da suamais adequada a realizao de um ensaio de flexo em viga mista.

2.2 Montagem dos ensaiosNos ensaios realizados, para a aplicao da carga vertical utilizou-se um sistema leo-hidrulico ligado a um atuador com capacidade de carga mxima de 5000 kN. Numaprimeira fase do ensaio, so realizados 25 ciclos de carga/descarga entre patamares de5% e 40% do valor da carga de ruptura esperada (EUROCODE 4, 2004). Na seqncia, oensaio passa a ser controlado pelo deslizamento relativo medido entre o perfil metlico e

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seja inferior a 80% da carga mxima. O deslocamento relativo entre as lajes de concreto eo perfil metlico foi medido em ambas as lajes, em intervalos de tempo regulares. O

eslocamento lateral entre as lajes de concreto tambm foi medido com a mesmaperiodici

ddade. A montagem do ensaio traduzida naFigura 6.

sh-out

trao no conector tem um valor um

ios foram ainda utilizados concretos com fibras. A adio de fibras ao

ico da conexo.

deslizamento relativo medido em modelos com CAR inferior ao que se verifica paraCRN, tanto durante o processo de carregamento como aps a ruptura.

Transdutorde controlo

Deslizamentovertical

Separao horizontal

Fora

Figura 6 - Estrutura de reao e instrumentao para o ensaio de tipo pu3 Comportamento experimental de conectores tipo stud

3.1 Conexo com stude concreto de resistncia normal (CRN)A capacidade de carga de conectores tipo stud, quando so utilizados concretos deresistncia normal (CRN), resulta de quatro parcelas: a) compresso do concreto junto aocolar de solda na base do conector; b) corte e flexo do conector na zona inferior do fuste;c) trao no fuste e d) atrito na interface da conexo. No caso de concreto de altaresistncia (CAR), a parcela referente fora depouco reduzido em relao ao CRN. A fixao proporcionada pelo CAR torna adeformao por flexo do fuste praticamente nula.A ruptura da conexo de studscom CRN pode ocorrer de duas formas: ou por corte doconector ou por fendilhamento e esmagamento da laje de concreto. Em algumas

situaes essa ruptura ocorre tambm por trao, o que pode ser explicado pela elevadafora de alavanca resultante do movimento para o exterior, sofrido pelas bases das lajesde concreto durante o ensaio experimental. Nos ensaios realizados por GALJAARD eWALRAVEN (2000), no foram observados elevados nveis de dano nos painis, havendoapenas algum destacamento de concreto em pequenas reas junto base dos studs.Nesses ensaconcreto no resultou num aumento significativo da resistncia e da capacidade dedeformao.Segundo o EUROCODE 4 (2004), um conector de cisalhamento deve apresentardeslizamento caracterstico de pelo menos 6 mm para que seja considerado dctil. Essaexigncia est associada considerao de comportamento elasto-plst

O

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3.2 Conexo com stude concreto de alta resistncia (CAR)A Figura 7mostra em detalhe a evoluo da deformao de um conector stud inserido

entos que

comsses conectores subestimada mediante a utilizao das expresses a propostas.

numa laje macia de CAR.As foras comeam por desenvolver-se essencialmente em frente ao cordo de solda do

conector, tal como representado na Figura 7.a. O aumento da carga faz com que asforas se concentrem numa cunha de concreto que acompanha o cordo de solda (Figura7.b). A deformao do conector desenvolve-se imediatamente acima do cordo de solda,

j que o CAR garante o apoio da zona superior do conector. Se a carga aplicada incrementada, a cunha de concreto sujeita a elevadas tenses de compresso tende aesmagar-se e a laje desloca-se sobre ela (Figura 7.c). A fora aplicada ainda transferidaentre a cunha de concreto esmagado e a base do conector, devido s elevadas foras deatrito que se desenvolvem entre a cunha e o restante da laje. Os deslocamocorrem conduzem plastificao do conector na regio da base (Figura 7.d).Nos ensaios realizados por HEGGER et al (2001), a utilizao de CAR em ensaios comconectores studevidenciou dois aspectos importantes relacionados com as propostas doEUROCODE 4 (2004): a) o valor caracterstico mnimo de deformao, uk, igual a 6 mmno foi atingido em qualquer ensaio; b) a capacidade de carga mxima atingidae

Figura 7 - Mecanismo de falha para o stud em concreto de alta resistncia (CAR) (Hegger et al., 2001)

Figura 8 - Solues de reforo da base do stud, HEGGER et al. (2001)

ades formadas no cordo de solda, impedindo axatido da colocao desses anis.

No sentido de melhorar esse comportamento, foram colocados anis metlicos na basedo fuste dos conectores stud (Figura 8). Com esses anis conseguiu-se um aumento dacapacidade de carga de cerca de 10%, em relao a ensaios realizados com studs demesmo dimetro sem qualquer reforo. O comportamento observado nesses ensaiosmostrou uma elevada rigidez da conexo na fase inicial do carregamento. O critrio deductilidade proposto pelo EUROCODE 4 (2004) foi atendido em todos os ensaios,observando-se um comportamento substancialmente mais dctil do que nos ensaios comconectores sem reforo. Apesar das melhorias verificadas no tocante ao comportamentoda conexo, deve-se ter em conta as dificuldades prticas sentidas na execuo deste

sistema, que resultam de irregularide

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3.3 Conexo com stud e concreto de leveO EUROCODE 4 (2004) prope expresses para o clculo da resistncia ltima doconector stud. A aplicao dessas expresses fica limitada a studscom dimetro igual ouinferior a 25 mm, cujo processo de solda esteja de acordo com o especificado na norma

ISO 14555 (1998). Caso haja a inteno de utilizar conectores com outras dimenses, ouconcretos de densidade no superior a 1750 kg/m3, ento devem ser realizados ensaiosexperimentais. No caso dos concretos leves, uma vez que o comportamento da sualigao com o ao menos conhecido, torna-se necessria a realizao de ensaios

etro de 19 mm. A geometria dos corpos derova testados est representada na Figura 9.

experimentais.VALENTE e CRUZ (2005) realizaram ensaios experimentais tipo push-outcom vistas caracterizao da conexo ao-concreto leve de alta resistncia. Os ensaios realizadosseguem a configurao proposta no EUROCODE 4 (2004), tendo ainda em contaconsideraes referidas por diversos autores da bibliografia. Os ensaios foram realizadosem corpos de prova com conectores de 19, 22 e 25 mm de dimetro e ainda emassociaes de pares de conectores com dimp

HEB 260 Laje de CLER armado

H EB 260 L aj e d e C LER ar mad o

a) studsisolados: 19, 22 e 25 mm b) studsassociados: 19 mm

Figura 9 - Geometria dos corpos de prova para ensaios de tipo push-outcom studs

assim ser

A composio do concreto foi estudada pelos autores tendo em conta os agregados levesdisponveis em Portugal durante a realizao do estudo. O concreto leve utilizadoapresentou resistncia compresso mdia igual a 58 MPa e mdulo de elasticidademdio igual a 25 GPa, para uma massa especfica mdia de 1820 kg/m3. O objetivo dosensaios push-out realizados a determinao da capacidade de carga da ligao, bemcomo a sua capacidade de deformao. Os resultados obtidos podemcomparados com os resultados obtidos para concretos de densidade normal.Na Figura 10 so apresentadas trs curvas obtidas em ensaios experimentais tipopush-outcom corpos de prova confeccionados com studsde 19, 22 e 25 mm de dimetro.Verifica-se que tanto a capacidade de carga como a capacidade de deformao daligao aumentam com o dimetro do conector. Os studsde menor dimetro, 19 e 22 mm,sofreram ruptura por cisalhamento imediatamente acima do cordo de solda. Alguns doscorpos de prova com studs de 25 mm de dimetro sofreram ruptura por fendilhamentoprogressivo das lajes de concreto. A perda da capacidade de carga muito mais suavenos studs de dimetro 25 mm, uma vez que a ruptura atingida por uma degradao

progressiva das lajes de concreto, e no pela ruptura dos studs. Dos vrios ensaios

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realizados, verificou-se que o dano nas lajes de concreto aumenta com o dimetro dosconectores.

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40

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180

200

fora

porconector(kN)

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

deslizamento (mm)

CN25.2

CN22.3

CN19.3

e carga quando se compara com os studsde 19 mm isolados. Essa perdade de deformao da ligao

(Figura 11).

Figura 10 - Curvas carga x deslizamento para conectores stud de dimetro igual a 19, 22 e 25 mm

No caso de associaes de studs de 19 mm de dimetro, verifica-se alguma perda decapacidade dde carga vem no entanto associada a uma maior capacida

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

20

40

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deslizamento (mm)

forap

orconector(kN)

CN19.2

CDN19.3

com concretos de densidade normal, verifica-se que a utilizao de concreto leveo da capacidade de

mais distribuda, pelo que a presena de armadura distribuda

Figura 11 - Curvas carga x deslizamento para conectores stud isolados e associaes de conectores

Em todos os ensaios realizados o deslizamento caracterstico, uk, ultrapassou o valorlimite de 6 mm recomendado pelo EUROCODE 4 (2004), o que assegura ocomportamento dctil desta ligao.

Comparando os resultados obtidos com outros apresentados na bibliografia, relativos ansaiose

conduz a um aumento da deformao e a uma pequena diminuicarga.

4 Comportamento experimental de conectores tipo TA capacidade resistente do conector T depende da resistncia ao corte da alma do T e daresistncia compresso do concreto posicionado em frente ao conector. A transmissode esforos entre o conector e a laje de concreto faz-se principalmente na zona superiordo conector, j que a rea da seco transversal do T est concentrada na mesa do perfil.A distribuio de esforos por isso mais eficaz, permitindo a transmisso de maioresforas entre cada conector e a laje, do que acontece com os studs. A laje tende aapresentar uma fissurao

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importante para resistir aos esforos de trao que se desenvolvem, impedindo aruptura prematura da laje.Nos ensaios com conectores tipo T, realizados por GALJAARD e WALRAVEN (2000),observou-se acentuada fissurao na frente do conector. No entanto, este efeito no

para menores resistncias do concreto o conector

oncreto foi

podem provocar o seu esmagamento nessa zona. Do mesmoodo, as elevadas deformaes para cargas de servio podero originar um pior

alma

NTE e CRUZ (2004a) realizaram ensaios com o conector T inserido em concreto

res.

zona imediatamente acima do cordo de solda e bastante semelhante

provocou uma perda de carga sensvel. Nos ensaios em que foi utilizado CLAR a ruptura

ocorreu por corte do conector T.Observou-se que para resistncias elevadas, a deformao resulta principalmente dadeformao do conector, ao passo queesmaga e corta a laje de concreto. Para concretos de alta resistncia (CAR e CLAR)foram medidas deformaes elevadas.A utilizao de conectores tipo T conduziu ainda a outros resultados interessantes, que seencontram relatados por HEGGER et al. (2001). Neste caso foram utilizados conectorestipo T inclinados, com um ngulo de 45, o que permitiu aumentar a rea de transfernciade carga entre o conector e o painel de concreto. Deste modo, foi conseguida uma melhorutilizao da seo transversal, sendo a transferncia de carga realizada em toda a alturado conector, ao contrrio do que acontece com os conectores tipo stud. A mesa do perfil

no sofreu deformao ao longo do carregamento, nem se verificou o fendilhamento nopainel de concreto. O deslizamento relativo entre perfil metlico e painel de catingido em decorrncia da deformao da alma do conector T. A ruptura iniciou-sequando foi atingido o limite de escoamento do ao do conector na face oposta.A utilizao deste tipo de conector revela-se bastante promissora devido elevadacapacidade de deformao que lhe pode ser induzida. Contudo, ser necessrio estudaralguns aspectos, dentre eles o comportamento para cargas dinmicas, j que a rea decontato junto ao concreto muito reduzida, conduzindo a tenses de compressoelevadas no painel, quemcomportamento fadiga.

4.1 Conexo com conector T e concreto de leveA capacidade de carga de um conector tipo T essencialmente funo de trscomponentes: compresso do concreto posicionado em frente ao conector, corte dado T e trao na alma do T. Tal como acontece para os studs, as tenses de trao naalma do conector so reduzidas devido utilizao de concreto de alta resistncia.VALEleve de alta resistncia. O concreto leve utilizado tem as caractersticas j referidas em3.3.O padro de fissurao apresentado na Figura 12a corresponde face superior da laje de

concreto e comum a todos os corpos de prova testados. A fissurao distribuda pelalaje e apresenta alguma concentrao na zona onde esto posicionados os conectoObservam-se algumas fissuras horizontais, particularmente localizadas na zona frontalaos conectores. Na zona inferior da laje, as fissuras possuem direo quase vertical.Na Figura 12b mostra-se a zona de ruptura dos conectores T, localizada na alma,imediatamente acima da solda entre o conector e o perfil metlico. A zona de rupturaevidencia uma grande deformao da alma do conector. Na Figura 12c mostra-se a zonada laje de concreto que esteve em contacto com o perfil metlico antes da ruptura doconector. visvel a significativa deformao do conector inserido na laje de concreto,mostrando que o deslizamento sofrido pela conexo, durante a aplicao de carga, sedeve principalmente deformao da alma do conector. Essa deformao est muito

localizada na

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deformao sofrida peloresistncia.

stud, que resultado da utilizao de concretos de alta

de carga e descarga nolteram a rigidez inicial da conexo. Numa segunda fase, a inclinao da curva

carga x deslizamento io da rigidez da conexo,

a) b) c)

Figura 12 Fendilhamento na laje de concreto e ruptura do conector T inserido numa laje CLAR

Na zona da laje, posicionada em frente do conector, observa-se o esmagamentoconcentrado do concreto, de onde surgem vrias fendas com a orientao do conector.Este esmagamento localizado tem tambm uma contribuio importante para odeslizamento total sofrido. Na Figura 13 apresenta-se a curva carga x deslizamento,obtida para um dos corpos de prova com conector T testado. As curvascarga x deslizamento obtidas durante o ensaio de conectores T em lajes CLAR traduzemum comportamento inicial quase elstico. Nesta fase, os ciclosa

tende a diminuir, traduzindo uma diminuapesar de a carga aplicada manter a sua tendncia crescente.

0

deslizamento (mm)

fora

porconector(kN)

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

CT.1

para valores deeslizamento bastante grandes. A ligao mantm uma capacidade de carga considervel

enta uma

tendncia semelhante verificada antes de ser atingida a carga mxima.

Figura 13 - Curva carga x deslizamento para o conector T inserido em lajes de concreto leve

Nos exemplos testados, a alterao da rigidez da conexo d-se para valores de cargaentre 55% e 65% da carga mxima aplicada. A carga mxima atingidadaps ser atingida a carga mxima e a perda de carga que se segue apres

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5 Comportamento experimental de conectores tipo Perfobond5.1 Conexo com Perfobond e concreto de resistncia normal (CRN)OGUEJIOFOR e HOSAIN (1994) realizaram um extenso programa experimental com oconector Perfobond, ensaiando modelos cuja configurao apresentada na Figura 14.Os autores fizeram variar diversos parmetros, tais como o nmero de aberturas

circulares do conector, a resistncia compresso do concreto, a colocao e disposioda armadura transversal, a presena de uma armadura de distribuio (camada de telaold ra transversal atravs das aberturas do conector.s ada) e a colocao de armadu

esmagamento do concreto na vizinhana do conector,

a pino contribui, em mdia, com aproximadamente 10% da capacidade total do

presena da armadura transversal melhorou significativamente o comportamento da

Figura 14 - Configurao dos modelos ensaiados por OGUEJIOFOR e HOSAIN (1994)

Todos os mecanismos de ruptura observados nestes ensaios estiveram relacionados ruptura do concreto. Os conectores e respectivas soldas permaneceram intactos ou quaseintactos no final de cada ensaio. A ruptura dos corpos de prova iniciou-se com a aberturade uma fissura vertical localizada na zona abaixo do conector, que gradualmente se

propagou pela laje. Finalizou com ona zona onde se iniciou a fissura.Quando no foi utilizada qualquer armadura transversal, a ruptura ocorreu de formabrusca, caracterizada pela abertura repentina da referida fenda longitudinal na laje deconcreto, tendo o elemento estrutural perdido de imediato toda a sua capacidaderesistente. Essa ruptura instantnea ocorreu sempre numa das lajes apenas, tendo aoutra permanecido relativamente intacta, o que sugere ter havido uma pequenaredistribuio de carga entre os dois painis de laje apesar da simetria do corpo de prova.O efeito de pino proporcionado pelo concreto passando pelas aberturas dos conectoresfoi observado a partir da realizao de ensaios em que se fez variar o nmero de

aberturas no conector (n) e respectivo espaamento. Para n

3, a carga ltima aumentoucom o nmero de aberturas. Para o conector com quatro aberturas circulares no severificou esse aumento de resistncia, o que se atribui a uma sobreposio dos camposde tenso formados, medida que a distncia entre aberturas diminui. Em funo destaanlise, observa-se que existe uma relao linear entre a capacidade ltima do conector eo respectivo nmero de aberturas, desde que estas no ultrapassem o nmero de trs.Este aspecto traduz uma distncia mnima entre aberturas de pelo menos 2,25 vezes odimetro das mesmas. Os ensaios realizados indicam igualmente que, observado estelimite, cadconector.Um segundo aspecto a ter em conta a presena de armadura transversal. Para isso,

foram ensaiados corpos de prova com e sem essa armadura. Observou-se que a

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conexo nos seguintes aspectos: maior capacidade de carga, maior ductilidade daconexo e maior capacidade de reteno da carga.A posio da armadura transversal outro aspecto importante. Verificou-se umcomportamento melhor quando a armadura colocada na zona frontal ao conector.Quando parte dessa armadura colocada nas aberturas, a capacidade resistente da

ligao fica reduzida, ao contrrio do que se poderia esperar. Se por um lado a presenada armadura nas aberturas contribui para o aumento do efeito de pino, por outro adiminuio da quantidade de armadura frente do conector promove uma maiorsusceptibilidade fendilhamento nessa regio, de forma que, no global, a capacidaderesistente da conexo se reduz.Outro fator estudado por OGUEJIOFOR e HOSAIN (1994) foi a utilizao de umaarmadura de distribuio, no caso uma tela soldada. Observou-se que a sua utilizaono s aumenta a capacidade resistente e a ductilidade da ligao, como tambm reduz afissurao na superfcie do concreto. Em qualquer dos casos, a ruptura da ligao ocorrecom esmagamento do concreto na zona frontal do conector Perfobond, esteja ou nopresente a armadura de distribuio.

Dos resultados obtidos conclui-se que a capacidade resistente da ligao aumentaproporcionalmente metade do aumento correspondente na resistncia do concreto.

5.2 Conexo com Perfobonde concreto de alta resistncia (CAR)GALJAARD e WALRAVEN (2000) realizaram diversos ensaios tipo push-out comconector Perfobond, tanto com CRN como com CAR e concreto leve de alta resistncia(CLAR). Os modelos ensaiados por GALJAARD e WALRAVEN possuem caractersticasprprias, que diferem daquelas recomendadas pelo EUROCODE 4 (2004) para o ensaiopush-outpadro. No obstante, para efeito comparativo a resposta desses modelos notocante ao comportamento da conexo deve ser considerada. As barras de armaduratransversal utilizadas possuam dimetro maior que o convencional e foram ancoradaslateralmente em chapas de ao, j que as dimenses das lajes do modelo nopropiciavam comprimento de ancoragem adequado. O modo de ruptura observado nosensaios indica que as chapas laterais fixadas armadura produziram algum confinamentodas lajes. Nos modelos com CRN observou-se ruptura frgil, com rpida reduo dacapacidade de carga. Todavia, esse modo de ruptura no foi observado nos modelos comCAR. A adio de fibras aos concretos, tanto o CRN como o CAR, tambm conduziu aomesmo resultado e observou-se capacidade de reteno de carga aps o pico.O comportamento observado e medido em ensaios com CAR foi sempre mais dctil que ocorrespondente comportamento com CRN. Tendo em vista o modo de fissuraoobservado nos ensaios, considera-se que o fator que condiciona a maior ductilidade dos

modelos com CAR seja sua maior resistncia trao. O deslizamento medido para oscorpos de prova com CAR foi bastante elevado, ao contrrio do que se observou nosmodelos com CRN.Ao contrrio do que ocorre com os conectores stud, a conexo com Perfobond em CAR eCLAR possui maior capacidade de carga e maior ductilidade do que quando se utilizaCRN.

5.3 Conexo com Perfobonde concreto leveA ruptura da conexo com Perfobond caracteriza-se pelo aparecimento de uma fissuralongitudinal principal que se desenvolve desde a base da laje at ao seu topo. Esta fissuraest localizada na proximidade do conector e tende a abrir com o aumento da carga.

A introduo de armadura transversal, por dentro ou por fora das aberturas do conector,bem como de armadura de distribuio na face superior da laje, contribui para controlar o

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processo de fissurao, impedindo a abertura no controlada da fissura inicial e induzindoao aparecimento de outra fissuras menores e mais distribudas.VALENTE e CRUZ (2004a,b) realizaram ensaios com conector Perfobond em concretoleve de alta resistncia. O concreto leve utilizado tem as caractersticas j referidas em3.3.

Na Figura 15 apresentam-se curvas de carga x deslizamento para corpos de prova comconectores Perfobond. Este conector apresenta um comportamento muito mais rgido nafase inicial do ensaio do que o conector studou o conector T. A carga mxima atingidapara valores muito reduzidos de deslizamento e o comportamento se mantmpraticamente elstico at este ponto. O comportamento ps-pico caracterizado por umaperda de carga muito lenta, conseguida em decorrncia da fendilhamento da laje deconcreto e conseqente crescimento da abertura de fendas. A armadura transversalretm grande parte da capacidade de carga da ligao, pois permite a mobilizao deforas de atrito entre as faces opostas das fendas. O conector utilizado nestes ensaios(ver Figura 3)ficou praticamente intacto aps a aplicao da carga, em funo do que adeformao medida , principalmente, resultado da penetrao da chapa do conector na

laje associada ao esmagamento do concreto leve na zona situada frente do conector.

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

deslizamento (mm)

fora

porconector(kN)

CP4.2

CP1.2

Figura 15 - Curvas carga x deslizamento para conectores Perfobond em lajes de concreto leve

Na Figura 15 comparam-se dois corpos de prova praticamente idnticos, exceto pelo fatode que o modelo CP1.2 no possui barras de armadura passando nas aberturas doconector enquanto que CP4.2 possui barras de armadura passando em todas asaberturas do conector. Verifica-se em primeiro lugar um aumento da capacidade daconexo proporcionado pela existncia de armadura transversal nos conectores. Emsegundo lugar, pode-se destacar que em ambos os casos se verifica uma elevadacapacidade de reteno de carga na fase ps-pico. O corpo de prova sem armadura nasaberturas tende a perder carga mais lentamente do que aquele que tem armaduratransversal em todas as aberturas do conector.

6 Comportamento experimental de conectores CRO conector CR apresenta um comportamento similar ao Perfobond, contudo com rigidezum pouco menor pelo fato dos furos serem abertos. A resistncia ltima da conexodecorre de quatro fenmenos principais observados: a resistncia ao cisalhamento da lajede concreto; a resistncia das barras de armadura transversais ao conector (se existirem);

a resistncia da prpria chapa do conector e a resistncia do concreto confinado dentrodos furos.

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Nos ensaios com conector CR foram testados modelos em CRN sem armadura passantee com armadura passante. Em todos os casos, porm, sempre houve duas barras dearmadura transversal frente do conector. Alm disso, testaram-se alguns modelos dereferncia com um conector em chapa plana sem os dentes, a fim de comparar seusresultados com os do conector CR e avaliar a contribuio do efeito de pino no concreto.

A primeira verso do conector dentado, designada por CR50 (VERSSIMO, 2004), revelouum modo de colapso combinando falha do concreto com falha simultnea do conector(Figura 16a). A partir disso os dentes do conector foram modificados (Figura 16b), deforma que o colapso se desse primariamente no concreto. Foram testadas duas novasverses com geometrias distintas, designadas por CR50b e CR50c (Figura 17), paraavaliao do comportamento carga x deslizamento em relao a um Perfobond com furosde 50 mm de dimetro.

Figura 16 - Aspecto das verses CR50 e CR50b aps o ensaio

CR50

CR50c

CR50b

Figura 17 - Conector em chapa endentada configuraes avaliadas

Na Figura 18 apresentada a configurao de dois dos modelos testados com conectorCR50b: o primeiro com armadura passando por dentro dos dentes do conector e osegundo sem essa armadura, todavia com barras frente do conector.Na Figura 19 so apresentados resultados de um ensaio com studs realizado porVeldanda e Hosain (1992) na Universidade de Saskatchewan, juntamente com resultados

de ensaios com o conector CR realizados na Universidade do Minho. Observa-se que oconector CR, assim como o Perfobond, apresenta boa capacidade de reteno de carga

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aps o pico, o que no ocorre com o conector stud. Para a mesma faixa de resistncia doconcreto, um nico conector CR apresenta resistncia equivalente de quatro studs. Paraum acrscimo de 81% na resistncia do concreto h um ganho de 35% na capacidade decarga do conector CR.

HE 260N1

N2

N2

N1

HE 260

Figura 18 - Configurao de modelos com conector CR50b com e sem armadura passante

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350

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0 5 10 15 20 25 30

deslizamento (mm )

fora(k

N)

.

4 studs 19mm @ 125mm f c=26,4MPa (Veldanda, 1992)

1 B4 - CR50b-R12-As10 fc =26,9MPa

1 C4 - CR50b-R12-As10 fc =48,7MPa

Figura 19 - Comportamento tpico do conector CR em comparao com o stud

Na Figura 20 so apresentados alguns resultados de ensaios com o conector CR50b. AFigura 20a refere-se a modelos com concreto C20/25 e a Figura 20b a modelos comconcreto C35/45. Nota-se que o efeito de pino do concreto bastante significativo, sendo

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responsvel por um acrscimo de 66% na capacidade de carga da conexo,independente da resistncia do concreto. A introduo da armadura tambm apresentouinfluncia importante na capacidade da conexo, produzindo um ganho de 29% nacapacidade resistente dos modelos com concreto C20/25 e 40% nos modelos comconcreto C35/45. Isso demonstra que com o aumento da resistncia do concreto ocorre

um melhor aproveitamento do efeito da armadura.Nos ensaios realizados com o conector CR, o deslizamento caracterstico foi superior aolimite de 6 mm determinado pelo EUROCODE 4 (2004). Ficou comprovado que aductilidade da conexo cresce com a resistncia do concreto. Esse efeito maispronunciado nos modelos sem armadura passante.Na Figura 21so apresentados resultados de modelos com conector CR50b idnticos,exceto pela resistncia do concreto. Observa-se que o aumento da capacidade daconexo proporcional a 3/4 do aumento da resistncia do concreto. A variao daresistncia do concreto tem pouca influncia no tocante ductilidade da conexo.

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50,0

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0 5 10 15 20 25 30

deslizamento (mm )

fora

porconector(kN)

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B1 ( CR50b sem armadura ) fc=26,6MPa

B5 ( CR50b com armadura ) fc=28,5MPa

B7 ( CR50b sem dentes ) fc = 28,3MPa

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50,0

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0 5 10 15 20 25 30

deslizamento (mm)

foraporconector(kN

C1 ( CR50b semarmadura ) fc=46,9MPa

C4 ( CR50b comarmadura ) fc=48,7MPa

C8 ( CR50b semdentes ) fc = 49,7MPa

Conexo com CR50b em concreto C20/25 Conexo com CR50b em concreto C35/45

Figura 20 - Influncia dos furos, da resistncia do concreto e da armadura na conexo com CR50b

0,0

50,0

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450,0

500,0

550,0

0 5 10 15 20 25 30

deslizamento (mm)

foraporconector(kN

X1 - CR50b-R12-As10 fc=19,5MPa

B4 - CR50b-R12-As10 fc=26,9MPa

C4 - CR50b-R12-As10 fc=48,7MPa

Figura 21 - Influncia da resistncia do concreto no comportamento do conector CR50b

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7 ConclusesOs resultados experimentais apresentados na bibliografia e os resultados das campanhasexperimentais realizadas pelos autores puderam evidenciar que a utilizao de concretosde elevado desempenho (CAR, CL e CLAR) altera significativamente o comportamento daconexo, em relao ao que se observa nas conexes com concreto normal. Estas

alteraes dizem respeito a modo de ruptura, carga mxima aplicada durante o ensaio ecapacidade de deformao da conexo.Um segundo aspecto diz respeito ao tipo de comportamento identificado para cada tipo deconector, que revelou aspectos distintos. Em termos de modos de ruptura, verificou-seque os conectores stud e T inseridos em lajes CLAR tendem a sofrer ruptura porcisalhamento na base do conector, imediatamente acima do cordo de solda. Pelocontrrio, o conector Perfobond no sofre ele prprio ruptura e tende a provocar elevadafissurao nas lajes de concreto. O conector CR apresenta um comportamentointermedirio, j que provoca fissurao nas lajes de concreto associada a algumadeformao visvel nos dentes do conector. Em termos de capacidade de carga,verifica-se que um conector Perfobond apresenta maior capacidade de carga que umconector T, que por sua vez apresenta maior capacidade de carga que um conector stud.O conector CR apresenta menor capacidade de carga que um conector Perfobond dedimenses similares. O conector Perfobond e o conector CR apresentam ainda apossibilidade de aumentar a capacidade resistente da conexo, mediante a colocao deuma maior quantidade de armadura transversal.Em geral, os conectores em chapa contnua apresentam maior rigidez para cargas deservio do que os studsou os T. A diferena considervel e cabe ressaltar que para osconectores em chapa contnua o limite de proporcionalidade superior ao que se observapara o stude o T. Da mesma forma, o deslizamento correspondente carga mxima nosensaios com conectores em chapa contnua menor do que o que se observa para o studou para o T, j que o comportamento ps-pico se caracteriza por uma perda de cargamais lenta. Como a ruptura no se d por cisalhamento do conector, a deformao final muito elevada.Os resultados obtidos evidenciam que a escolha de um determinado tipo de conectordeve levar em considerao as diferenas de comportamento e uma avaliao dasvantagens e desvantagens do emprego do mesmo. Estes aspectos tero implicaodireta na resposta do elemento estrutural para o qual o conector dimensionado e no tipode carregamento a que este estar sujeito durante a sua vida til.

8 AgradecimentosOs autores agradecem ao Laboratrio de Estruturas de Engenharia Civil da Universidade

do Minho - Portugal, onde os programas experimentais foram realizados, CAPES, aoCNPq e FAPEMIG.Os ensaios experimentais de conexo com concretos leves foram financiados pelo Projetode investigao Sapiens ECM/33067/00 - Steel-concrete composite bridges: Use oflightweight high performance concrete, do Programa PRAXIS XXI, Fundao para aCincia e Tecnologia, Portugal. Os ensaios com o conector CR foram financiados porCAPES, CNPq, FAPEMIG e Universidade do Minho.

9 Referncias

EN ISO 14555:1998. Welding. Arc stud welding of metallic materials.

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EUROCODE 4, EN 1994-1-1:2004: Design of composite steel and concretestructures . European Committee for Standardisation (CEN), 2004.

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conexÃo aço-betao

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