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AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE
CONECTORES EM ESTRUTURAS MISTAS
J. P. S. Cândido Martinsa, L. F. Costa Nevesb e P. C. G. Da S. Vellascoc
a,b
c
Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Coimbra
Departamento de Estruturas, Universidade Estatal do Rio de Janeiro
Resumo. Neste artigo é apresentado um estudo sobre a resposta estrutural do conector
perfobond com uma geometria específica.
O programa experimental decorreu nas instalações do Departamento de Engenharia Civil
da Universidade de Coimbra e consistiu em seis ensaios push-out, reflectindo as indicações e
o especificado no Eurocódigo 4. Os resultados são apresentados e discutidos.
O principal objectivo deste estudo consistiu na avaliação da resistência da conexão,
ductilidade e modo de rotura, sendo as principais variáveis o número de furos e de conectores.
1 Introdução
Para que o comportamento de um elemento estrutural composto por aço e betão seja o de
um elemento misto é necessário haver transmissão de esforços de corte entre os dois
materiais.
Para o caso de vigas mistas e para cargas correntes (para baixos valores de carga, a
aderência entre a pasta de cimento e o atrito funcionam como mecanismos de transferência de
corte) o método mais eficaz de ligação é por meio de conectores.
O conector circular de cabeça tipo stud, ou Nelson, é actualmente o mais difundido na
construção mista - Fig. 1, e é soldado automáticamente à viga metálica
Fig. 1: Processo de soldadura de conectores stud (http://www.thomas-welding.com)
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VII Congresso de Construção Metálica e Mista
O conector tipo stud devido à sua forma, permite uma boa capacidade de transferência de
esforço longitudinal de corte, assim como um bom comportamento ao uplift. Contudo, tem
algumas limitações, nomeadamente quanto seu comportamento sob acções cíclicas.
No final da década de 80, a empresa alemã Leonhardt, Andrå and Partners desenvolveu um
conector de corte denominado Perfobond (Zellner, 1987). O conector Perfobond consiste
numa chapa rectangular de aço furada e soldada sobre o banzo superior da viga do perfil
metálico (Fig. 2). Estes furos quando preenchidos por betão formam cilindros que
providenciam alguma da resistência ao corte longitudinal e previnem a ocorrência do
fenómeno uplift. Adicionalmente, pode ser colocada armadura passando pelos furos,
fornecendo assim um aumento da sua resistência. Para além das armaduras e da resistência
proporcionada pelo betão nos furos, contribui ainda para a resistência do conector a força
exercida no betão através da face frontal do conector.
Fig. 2: Exemplo de um conector tipo Perfobond (Vianna, 2007)
Vários autores que estudaram o conector Perfobond referem que a sua resposta estrutural é
influenciada por vários parâmetros, tais como a geometria do conector (número de furos,
espessura, altura e comprimento da chapa), a presença de armadura e a tensão de rotura do
betão à compressão.
2 Programa experimental
2.1 Propriedades e características geométricas dos provetes ensaiados
A Tabela 1 e a Fig. 3 mostram as características dos conectores ensaiados. Os provetes
foram fabricados de acordo com o Eurocódigo 4 (Anexo B). Na Tabela 1 “P” refere-se a
Perfobond, “F” a furos, tc à espessura da laje de betão, hc à altura da laje de betão, l, h e t ao
comprimento, altura e espessura do conector respectivamente, e, por fim, D refere-se ao
diâmetro do furo do conector. O provete denominado por 2P1F refere-se a uma disposição de
dois conectores com um furo lado a lado e igualmente espaçados.
Todos os conectores são fabricados a partir de chapas de aço S355 (tensão de cedência de
355 MPa, de acordo com a EN10025) com 15 mm de espessura.
A secção adoptada, conforme descrito no Anexo B do Eurocódigo 4, é um perfil HEB200
em aço S275 (tensão de cedência de 275 MPa, de acordo com EN10025).
As armaduras adoptadas para a laje de betão têm 10 mm de diâmetro (Φ10) em aço S500
(tensão de cedência de 500 MPa).
A classe de resistência do betão é C25/30 de acordo com o Eurocódigo 2 (CEN, 2004), o
que corresponde a uma resistência característica em provetes cilíndricos de 25 MPa.
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Tabela 1: Características dos provetes ensaiados
tc
hc
l
h
AR
D
t
Ensaio Denominação
(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)
1
P0F
2
P1F
3
P2F
150
600
310
100
30
15
4
P3F
5
P4F
8
2P1F
-
n
0
1
2
3
4
1
Fig. 3: Geometria do provete do ensaio do conector P1F (medidas em mm)
2.2 Procedimento adoptado
De acordo com a cláusula B.2.4 do Eurocódigo 4 a carga é aplicada em incrementos até
40% da carga expectável de rotura do provete aplicando-se depois 25 ciclos de carga/descarga
com amplitude entre 5% e 40% da carga expectável de rotura do provete. Durante esta fase,
os incrementos de carga são de 5 kN/s, de tal forma que a rotura não aconteça em menos de
15 minutos.
O deslizamento relativo de cada laje em relação ao conector é o parâmetro de controlo para
a fase seguinte do ensaio, sendo medido durante cada incremento até a uma queda de carga
após a rotura de 20% da carga de rotura.
2.3 Avaliação da resistência última e da capacidade de deslizamento
De acordo com a cláusula B.2.5 do Eurocódido 4, a resistência última característica, PRk,
da conexão deve ser tomada como a mínima de três ensaios a três provetes idênticos reduzida
de 10%. Uma vez que apenas se realiza um ensaio para cada tipologia de conectores, a
resistência última da conexão é tomada como a obtida experimentalmente reduzida de 10%
desse valor.
𝑃𝑅𝑘 = 0,9𝑃𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒
(1)
em que Pteste é o valor obtido para a resistência última do ensaio.
A fim de eliminar possíveis diferenças derivadas das várias resistências do betão à
compressão, as cargas características são normalizadas através da equação (2).
𝑃𝑅𝑘 ,𝑛𝑜𝑟𝑚 = 𝑃𝑅𝑘
𝑓 𝑐𝑘 ,𝑚 é𝑑𝑖𝑜
𝑓 𝑐𝑘
(2)
4
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onde PRk,norm é a resistência característica ao corte normalizada do conector, fck,médio é o
valor médio da resistência do betão à compressão em provetes cilíndricos e fck é a resistência
característica do betão à compressão em provetes cilíndricos, medida no dia do ensaio.
A resistência última de cálculo, PRd, da conexão é dada pela seguinte equação.
𝑃
𝑓 𝑃
𝑃𝑅𝑑 = 𝑓 𝑢 𝑅,𝑘𝛾,𝑛𝑜𝑟𝑚 ≤ 𝑅,𝑘𝛾,𝑛𝑜𝑟𝑚
(3)
𝑢𝑡
𝑣
𝑣
em que fu é tensão de cedência última mínima do aço do conector, fut é a tensão de cedência
última real do aço do conector e γv é o coeficiente de segurança parcial da ligação para
ligações ao corte segundo o Eurocódigo 4.
Uma vez que o aço utilizado para o material do conector é S355 (tensão de cedência de
355 MPa, de acordo com EN10025), o quociente fu/fut é considerado igual a 1.
A capacidade de deslizamento de cada provete, δu, é tomada para um nível de carga PRk,
como indicado na Fig. 4.
Fig. 4: Determinação da capacidade de deslizamento δu (Eurocódigo 4, CEN 2004)
A capacidade de deslizamento δuk é tomada como sendo igual a 90% da capacidade
resistente δu.
Para medir o deslizamento relativo entre o perfil de aço e as lajes de betão foram usados
LVDT’s como ilustrado nas figuras seguintes.
Fig. 5: Colocação “standard” dos LVDT’s nos provetes
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Fig. 6: Colocação dos LDVT para medir os deslocamentos vertical e horizontal
3 Análise dos resultados experimentais
A Tabela 2 mostra os resultados obtidos para cada conector. Em cada ensaio são
analisados dois conectores, A e B - Fig. 3.
Tabela 2: Resultados dos ensaios experimentais
Prd
Conector/
Pteste
Prk
Prk,norm
𝛿u
(kN)
Ensaio
(kN)
(kN)
(kN)
(mm)
P0F A
15,34
283,51 255,16 252,99 202,39
P0F B
15,32
P1F A
9,50
309,44 278,49 276,13 220,90
P1F B
10,15
P2F A
17,80
317,52 285,77 284,30 227,44
P2F B
17,44
P3F A
10,76
331,35 298,22 296,69 237,35
P3F B
10,52
P4F A
10,00
354,03 318,627 317,40 253,92
P4F B
9,44
2 P1F A
2,96
546,84 492,16 490,65 392,52
2 P1F B
2,02
Fig. 7: Ensaio P0F
𝛿uk
(mm)
13,81
13,79
8,55
9,14
16,02
15,70
9,68
9,47
9,00
8,50
2,66
1,82
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A primeira ilação que se pode retirar da Tabela 2 é a ductilidade de todos os conectores,
excepto no caso da ligação constituída por dois conectores P1F lado a lado.
A Fig. 8 mostra a curva carga/deslizamento dos conectores P0F a P4F.
Fig. 8: Curvas experimentais dos provetes P0F a P4F
A Fig. 9 mostra a evolução da resistência com o aumento do número de furos no conector,
evidenciando uma contribuição dos orifícios para a resistência, de forma aproximadamente
linear com o número de conectores.
Fig. 9: Evolução da resistência da conexão com o aumento de furos no conector
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A Fig. 10 mostra as curvas carga/uplift para os ensaios dos conectores P0F e P1F.
Fig. 10: Curva carga/uplift dos ensaios dos conectores P0F e P1F
As curvas carga/uplift dos restantes ensaios não diferem significativamente do ensaio P1F.
A razão pela qual o comportamento à separação por uplift do betão do perfil metálico é
diferente para o conector P0F prende-se com facto de este não possuir um mecanismo que
impeça tal separação, ou seja, não possui qualquer furo.
4 Conclusões
As principais conclusões são:
1. A geometria usada para os conectores satisfaz os requisitos de ductilidade do
Eurocódigo 4 (excepto, como já foi referido, a ligação composta por dois conectores
P1F lado a lado), ao mesmo tempo que permitiram atingir cargas últimas elevadas,
podendo substituir grupos de conectores tipo stud;
2. Os ensaios revelaram que o aumento de um furo corresponde, em média, a um aumento
de 5,86 % da resistência
3. As formulações teóricas referidas são, quando comparadas com estes resultados
experimentais para conectores com as especificidades enumeradas, conservadoras.
Agradecimentos
Agradece-se à Metalúrgica Ideal do Mondego, SA, pela oferta de material e pela excelente
execução de parte dos trabalhos realizados para o fabrico dos provetes.
Notação
tc
hc
l
h
t
D
PRk
Pteste
PRk,norm
Espessura da laje de betão
Altura da laje de betão
Largura do conector
Altura do conector
Espessura do conector
Diâmetro dos furos do conector
Resistência característica do conector
Resistência última do ensaio
Resistência normalizada do conector
8
fck
PRd
v
fu
fu t
u
uk
VII Congresso de Construção Metálica e Mista
Resistência característica do betão à compressão
Resistência última de cálculo do conector
Coeficiente de segurança parcial da ligação para ligações ao corte segundo o
Eurocódigo 4
Tensão de cedência última mínima do aço do conector
Tensão de cedência última real do aço do conector
Capacidade de deslocamento do provete
Capacidade de deslocamento característica do provete
Referências
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
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