Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 FEUP, 24-26 de outubro de 2012

Estudo experimental do comportamento de chumbadores grauteados para ligações viga-pilar em concreto com fibras de aço

Ellen Kellen Bellucio1 Mounir Khalil El Debs2 RESUMO Neste trabalho é analisado o comportamento de chumbadores grauteados, tendo em vista a utilização em ligações viga-pilar parcialmente resistentes a momento fletor, em estruturas pré-moldadas. O objetivo da pesquisa é a análise experimental, comparando modelos utilizando concreto reforçado com fibras de aço e concreto convencional. O programa experimental engloba seis modelos, sendo que as variáveis são os diâmetros dos chumbadores (16 mm e 20 mm) e o tipo de concreto adjacente ao chumbador (concreto convencional e concreto com 2% de fibras de aço). Os paramêtros estudados são: capacidade de carga do modelo, verificando a influência do concreto com fibra de aço, e a capacidade máxima alcançada por barra, comparando os diferentes diâmetros. Palavras-chave: ligação viga-pilar, chumbador grauteado, ligação semi-rígida, concreto pré-moldado. 1. INTRODUÇÃO Os elementos de concreto pré-moldados podem ser facilmente fabricados e montados, no entanto, estes componentes devem ser conectados de forma adequada para formar a estrutura. As ligações afetam todas as fases de produção de uma estrutura em concreto pré-moldado e elas são de importância fundamental para o comportamento global da estrutura. Por esse motivo, as ligações podem ser consideradas entre as peças mais importantes do projeto de estruturas de concreto pré-moldado. Para projetar adequadamente as ligações, o comportamento estrutural de cada componente deve ser conhecido. O comportamento da ligação depende de como estes componentes estão associados [1]. Esta associação deve levar em conta as relações tensão-deformação de cada material. Assim, a resistência e deformabilidade de cada componente são essenciais para a concepção das ligações. Este artigo enfoca o estudo do chumbador, que é um dos componentes mais utilizados em ligações viga-pilar. São barras de aço inseridas no interior do concreto e que transmitem as forças de

1 Escola de Engenharia de São Carlos-USP, Departamento de Estruturas, São Carlos-SP, Brasil. ellenkellen@sc.usp.br 2 Escola de Engenharia de São Carlos-USP, Departamento de Estruturas, São Carlos-SP, Brasil. mkdebs@sc.usp.br

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cisalhamento entre os diferentes elementos da ligação. O chumbador produz uma distribuição de tensões não-uniformes no concreto, e esta distribuição depende das dimensões, posição e resistência do chumbador. As características mecânicas do concreto na proximidade do chumbador pode também determinar o comportamento da ligação devido a alguns modos de falha associados com o esmagamento do concreto ou com a falha na ligação. Um modelo teórico pioneiro de conexões utilizando chumbadores foi apresentado por Hφjlund-Rasmussen em 1963 [1]. A capacidade dos chumbadores perpendiculares sujeitos ao cisalhamento é calculada utilizando conceitos da teoria da plasticidade e parâmetros obtidos experimentalmente. Com base nesta teoria, Engstrom [2] observou que a interface do concreto-chumbador é um parâmetro importante no comportamento da ligação, concluindo que o atrito na interface aumenta a sua resistência ao cisalhamento. Dei Poli et al. [3] realizaram dois estudos importante sobre o mecanismo de transferência de cisalhamento de chumbadores. O primeiro estudo considera o comportamento do chumbador na fase elástica usando a analogia de uma viga com apoio elástico, enquanto que o segundo estudo trata um chumbador na sua condição limite, com o esmagamento do concreto produzindo uma rótula plástica ao longo da seção crítica, seguido pelo escoamento do chumbador. O conhecimento do comportamento do chumbador é de fundamental importância para a avaliação da resistência e da deformabilidade das ligações que utilizam esse componente e torna possível fazer o cálculo de um comportamento intermedário entre as ligações articuladas e totalmente rígida, as chamadas ligações semi-rígidas. Comparado com ligações articuladas, as ligações semi-rígidas apresentam uma melhoria significativa no comportamento estrutural na presença de cargas laterais, mesmo para ligações com um baixo grau de rigidez [4]. A Fig. 1 apresenta uma ligação utilizando chumbadores e também usando concreto com fibra de aço no consolo e no dente da viga.

chumbador

consolo

laje alveolar

viga

capa de concreto

armadura de continuidade

pilar

almofadade argamassa

dente da viga

Figura 1. Ligação viga-pilar utilizando concreto com fibra de aço.

O motivo de se estudar o comportamento do chumbador em meio a concreto com fibras vem da ideia de utilizar este concreto nos consolos e no dente da viga pré-moldada, moldando estes elementos em etapas diferentes. A produção de consolos moldados em etapa diferente à do pilar surge no contexto de aumentar a eficiência da produção industrial dos elementos estruturais, com utilização de materiais mais nobres. O consolo monolítico tradicional demonstra dificuldade de produção devido à grande quantidade de armaduras que apresenta. Além do tirante principal que resiste aos esforços verticais predominantes, são utilizados estribos verticais e horizontais. Assim, este novo consolo é proposto como um elemento moldado separadamente, tendo como armadura o tirante principal e fibras metálicas incorporadas ao concreto. A moldagem de consolos separados do pilar favorece a produção

Bellucio e El Debs

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industrial em série, com rapidez e facilidade de montagem das armaduras. A grande quantidade de fibras metálicas incorporadas à matriz de concreto combate a formação de fissuras no consolo e melhora a ductilidade [5]. Devido à eficiencia que este concreto com fibras apresenta para o consolo o mesmo pode também ser utilizado na moldagem do dente da viga. Portanto, com o objetivo de entender o comportamento do chumbador no concreto com fibras, este trabalho faz uma análise experimental, comparando modelo utilizando concreto reforçado com fibras de aço e concreto convencional, além de uma comparação entre dois diâmetros de chumbadores diferentes. 2. PROGRAMA EXPERIMENTAL Para simular o comportamento de um chumbador isolado, foi desenvolvido um modelo experimental por Aguiar [6]. A Fig. 2 ilustra a ligação viga-pilar em que o modelo foi baseado. Para idealizar o modelo de ensaio, assumiu-se que o chumbador resiste apenas à momento de flexão positivo. Assim, os momentos de flexão positivos na ligação viga-pilar (Fig. 2a) produzem uma força de cisalhamento no chumbador (Fig. 2b). Rotacionando a ligação em 90°, marcando os elementos adjacentes ao chumbador na área sombreada (Fig. 2c) e colocando em seguida o modelo simétrico em duas direções, resulta no modelo adotado para ser ensaiado (Fig. 2d).

(a) (b) (c) (d) Figura 2. Esquema de ensaio do modelo para chumbador isolado [6]

Com base no esquema apresentado na Fig. 2d, o programa experimental do presente trabalho foi desenvolvido, definindo as dimensões do modelo a partir daquelas habitualmente empregadas em estruturas de concreto pré-moldado. Na Fig. 3 é apresentado o modelo utilizado para o ensaio em laboratório.

(a) (b) Figura 3.Modelo de ensaio

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A confecção do modelo se dá com os seguintes procedimentos: primeiro molda-se o bloco interno com os chumbadores fixados, conforme mostra a Fig. 4a. Em seguida, posicionam-se os blocos externos em cada lado, separados do bloco interno por uma almofada de argamassa que serve de aparelho de apoio. Por último é aplicado o graute nos furos adjacentes às barras (Fig. 4b).

a) b) Figura 4. Etapas de Montagem

Foram realizados quatro modelos: dois modelos com concreto com fibras e com diâmetro do chumbador de 20 mm; um modelo com concreto sem fibras e chumbador com 20 mm e um modelo com concreto com fibras de aço e diâmetro do chumbador de 16 mm. Para facilitar a visualização das características de cada modelo, uma nomenclatura de identificação foi adotada combinando-se o número do modelo (M01, M02, ...), o diâmetro do chumbador (D16, D20) e o teor de fibra no concreto (F00, F02). Por exemplo, Modelo 01 é identificado como M01 D20 F00 (isto é, modelo 1 com um diâmetro do chumbador de 20 mm e com teor de 0% de fibras no concreto). O Quadro 1 apresenta as propriedades mecânicas dos materiais utilizados para confeccionar os modelos, medidos em três amostras cilíndricas testadas no mesmo dia dos ensaios. Almofadas de argamassa de 20 mm de espessura foram utilizadas na interface entre os blocos internos e externos. Estas almofadas foram feitas de argamassa de cimento e areia, modificada com a adição de látex estireno-butadieno (SBR), vermiculita termo-expandida e fibras de polipropileno, com base no estudo apresentado por Bellucio e El Debs. [7]. As resistências à compressão e à tração do concreto foram determinadas por uma média de três amostras cilíndricas de 100 x 200 mm. O mesmo procedimento foi adotado para o graute e as almofada de argamassa, utilizando amostras de 50 x 100 mm. Os dois blocos que ficam na parte externa do modelo foram grauteados em etapas diferentes, e, portanto, para cada um tem-se uma caracterização de material.

Quadro 1. Resultados de caracterização dos modelos (MPa).

Modelo Concreto Graute – Lado1 Graute – Lado 2 Almofada

Compr. Tração Compr. Tração Compr. Tração Compr. Tração M01D20F02 38,9 4,4 61,6 2,9 67,4 4,0 22,9 3,5 M02D20F02 38,9 4,4 58,4 3,4 65,2 3,8 23,4 3,4 M03D20F00 74,9 4,2 61,6 2,9 67,4 4,0 19,8 3,0 M04D16F02 54,1 7,1 58,4 3,4 65,2 3,8 25,7 3,2

Os modelos foram carregados em várias etapas. Cada etapa de carregamento foi denominada de “ciclo”. Assim, cada modelo foi submetido a 20 ciclos de carga e descarga após o escorvamento. Do 1º ao 10º ciclo foram aplicados 40% da carga prevista de ruptura; do 11º ao 20º ciclo os modelos

Bellucio e El Debs

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foram submetidos a 60% da carga prevista de ruptura (valores estimados como sendo a faixa de carga de utilização) e, finalmente, no 21º ciclo o modelo foi levado à ruptura. O gráfico da Fig. 5 apresenta o esquema do ensaio.

Figura 5. Ciclos de carregamento e descarregamento do modelo

A velocidade de aplicação do carregamento variou em cada ciclo de carga e descarga. Para o escorvamento (5% da carga prevista de ruptura) a velocidade de aplicação da carga, medida em deslocamento, foi de 0,005 mm/s. No primeiro ciclo logo após o escorvamento, e no primeiro ciclo de 60%, a velocidade de ensaio foi de 0,01 mm/s. Do 2º ao 10º ciclo e do 12º ao 20º ciclo a velocidade de aplicação adotada foi de 0,08 mm/s. No último ciclo a velocidade adotada foi de 0,01 mm/s até a ruptura do modelo. Após a etapa de escorvamento, representada como o primeiro ciclo de carregamento e descarregamento, todo o sistema de aquisição de dados foi zerado para o início dos ensaios (aplicação do ciclo 1). O sistema de aquisição de dados, SYSTEM 5000, registrou o comportamento dos modelos a cada segundo de aplicação do carregamento. Cada ensaio, após escorvamento, durou em média 80 minutos.

3. RESULTADOS As análises dos resultados estão apresentadas a seguir na forma de gráficos com a comparação dos quatro modelos ensaiados. Os gráficos representam a força F aplicada no modelo versus deslocamento vertical medido no topo do modelo. Foram colocados extensômetros nos chumbadores de aço nos pontos indicados na Fig. 6 para acompanhar a deformação em cada barra.

Figura 6. Modelo apresentando a aplicação da força e o deslocamento [6].

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Com base nos ensaios, pode-se observar que a capacidade última do modelo sem fibras se deu pela ruptura do concreto (fissuração excessiva), enquanto que nos modelo confeccionados com concreto com fibras, a ruptura se deu pela deformação excessiva das barras. Na Fig. 7 é possível ver claramente esta diferença. No modelo 3 ocorreram fissuras mais largas e distribuídas ao longo de todo o bloco interno e do bloco externo. Nota-se que, nos modelo com adição de fibras, as fissuras estão todas concentradas na região de ligação dos blocos, próximos aos chumbadores. Observa-se que no modelo com barras de 16 mm houve uma maior intensidade de fissuras, porém, estas fissuras tiveram menor abertura do que as dos demais modelos. Em todos os casos, as primeiras fissuras surgiram na almofada de apoio, quando o deslocamento vertical era de aproximadamente 3 mm. Após estas, o processo de fissuração seguiu nos blocos externos e somente depois no bloco interno. No gráfico da Fig. 8 nota-se que, para o carregamento de 40% da carga de ruptura, não houve diferença significativa entre os resultados de deslocamento. Para os ciclos de 60%, ocorreram deslocamentos menores no modelo sem adição de fibras, se comparado com os outros dois modelos. Os valores das cargas de ruptura foram praticamente iguais para os três modelos, porém, a carga máxima para o concreto sem adição de fibras foi limitada pela ruptura do concreto, enquanto que para os outros dois modelos a limitação ocorreu pela deformação excessiva das barras.

M01D20F02

M03D20F02

M03D20F00

M04D16F02

Figura 7. Fotos dos modelos após os ensaios.

Bellucio e El Debs

7

‐700

‐600

‐500

‐400

‐300

‐200

‐100

0

0 10 20 30 40 50

Força ‐kN

Deslocamento ‐mm

M03D20F00

M01D20F02

M02D20F02

Figura 8. Gráfico comparando modelos de concreto convencional e concreto com fibras de aço.

Na Fig. 9 apresenta-se a comparação entre os modelos com diferentes diâmetros para os chumbadores. O modelo M04 obteve uma carga de ruptura de 500 MPa, acima do que era previsto (400MPa). Como era de se esperar, para o modelo com barras de diâmetro menor, a capacidade de carga foi menor, com um comportamento parecido com os demais modelos.

‐700

‐600

‐500

‐400

‐300

‐200

‐100

0

0 10 20 30 40 50

Força ‐kN

Deslocamento ‐mm

M01D20F02

M02D20F02

M04D16F02

Figura 9. Gráfico comparando modelos com chumbadores de 16mm e 20mm.

CONCLUSÕES As seguintes conclusões podem ser feitas a partir dos resultados dos ensaios realizados nesta pesquisa: a) Nos modelos de concreto com fibras de aço, a capacidade última da ligação se dá por falha dos chumbadores (deformação excessiva das barras), enquanto no concreto convencional esta capacidade está associada à ruptura do concreto. b) Como era de se esperar, a capacidade de carga do modelo é maior para chumbadores com diâmetros maiores. Observou-se também que o modelo com diâmetro maior apresentou maior intensidade de fissuração aparente. c) As fissuras apresentadas no modelo com barras de 16 mm eram menos espessas que as ocorridas nos demais modelos.

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d) Ocorreram deslocamentos menores no modelo com concreto convencional, se comparado com os modelos de concreto com adição de fibras de aço. AGRADECIMENTOS À CAPES e CNPq pelo suporte financeiro para a pesquisa. REFERÊNCIAS

[1] FIB ( Féderátion Internationales du Béton). Structural connections for precast concrete buildings. Bulletin 43, Lausanne; 2008.

[2] Engstrom, B. (1992) Combined effects of dowel action and friction in bolted connections. In: Workshop on Semi-rigid Behavior of Civil Engineering Structural Connections., Strasbourg, pp.77-98.

[3] Dei Poli S, Di Prisco M, Gambarova P.G. Shear response, deformations and subgrade stiffness of dowel bar embedded in concrete. ACI Structural Journal, 89 (6): 1992; pp. 62-74.

[4] El Debs M K, Miotto A M, El Debs, A L H C. (2010) Analysis of a semi-rigid connection for precast concrete. Proceedings of the Institution of Civil Engineers: Structures and Buildings, 163, pp.41-51.

[5] COSTA, J. B. A. (2009) Estudo Experimental de Consolos de Concreto com Fibras Moldados em Etapas Distintas dos Pilares.Dissertação (Mestrado em Engenharia de Estruturas) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos.

[6] Aguiar E.A.B., El Debs M.K., Bellucio E.K. (2012) Behavior of grouted dowels used in precast concrete connections. Structural Concrete – Journal of the fib, vol 13, N 2, pp 84-94.

[7] Bellucio E.K., El Debs M.K. (2011) Almofadas de apoio feitas de argamassa para ligações de concreto pré-moldado: estudo da rugosidade superficial. Revista IBRACON de Estruturas e Materiais. Vol. 5, N 1, pp. 38-67.