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Descrição dos Ensaios Experimentais
Introdução
A melhor forma de se obter o comportamento real das ligações estruturais em aço é através de ensaios experimentais realizados em laboratório. Com estes ensaios, torna-se possível calibrar os diversos modelos existentes para determinação do momento resistente, da rigidez inicial e de sua capacidade de rotação, a partir das propriedades mecânicas e geométricas destas ligações. Todavia, o planejamento dos ensaios a serem realizados deve ser feito de forma bastante criteriosa para que se consiga extrair todas as informações necessárias para a avaliação do fenômeno em questão. No caso do presente trabalho, tornava-se necessária a avaliação das diversas componentes presentes nas ligações para os diversos tipos de carregamentos efetuados. Foram escolhidos dois tipos de ligações viga-coluna: o primeiro com placa de extremidade ajustada à altura da viga e o segundo, com placa de extremidade estendida, ou seja, com pelo menos uma linha de parafusos fora da região compreendida pelas mesas da viga. Três tipos de carregamentos foram efetuados: inicialmente, somente momento fletor seguido de momento fletor e esforço axial de compressão e, finalmente, momento fletor com esforço axial de tração.
Justificativa dos Ensaios Experimentais
A escolha dos perfis usados nos ensaios seguiu critérios que serão descritos a seguir. A viga adotada deveria ser tal que a sua resistência plástica não fosse muito grande tendo em vista que o esforço axial aplicado era um percentual deste valor e limitado pela capacidade dos equipamentos existentes no laboratório onde foram realizados os ensaios. Por outro lado, esta viga deveria ter altura suficiente para vencer um vão coerente com os utilizados em
edifícios de aço, da ordem de 6,0m [4]. Após alguns estudos preliminares, adotou-se um IPE240 para as vigas, fabricado a partir de um aço S275, ou seja, com tensão nominal de escoamento igual a 275MPa e tensão nominal de ruptura igual a 430MPa. Para a coluna, era necessário escolher-se um perfil que tivesse suficiente resistência ao momento fletor provocado pelo esforço axial imposto. Uma outra condicionante era que as componentes referentes a coluna, não atingissem o escoamento antes das demais. Considerando-se estas informações, após algumas análises iniciais, adotou-se um HEB240 para a coluna, fabricado a partir do mesmo aço da viga. Ambos os perfis são laminados e detalhados na Figura 3.1 onde se apresenta também um perfil HEB200 utilizado para travamento da sapata de reação conforme será descrito na seção 3.4..
HEB240 IPE240 HEB 240
240
17
10
120
240 6.
17
R 164 206
R15^200
200
15
15
134 9 170
R
Figura 3.1 – Dimensões dos perfis laminados IPE240, HEB240 e HEB
Adotou-se uma placa de extremidade com espessura de 15mm produzida com o mesmo tipo de aço da viga e da coluna. A ligação da viga com a placa de extremidade foi efetuada com solda de entalhe com espessura a (^) w = 8mm. Os parafusos eram M20 (d = 19,05mm), cl. 10.9 (f (^) u = 1000MPa) com rosca completa cujas dimensões nominais são apresentadas na Figura 3.2.
60
20
Figura 3.2 – Detalhe do parafuso M20 cl. 10.
(a) placa de extremidade ajustada (b) placa de extremidade estendida Figura 3.4 – Ligações com placa de extremidade (ambas as séries)
Cálculo das Ligações
Um dimensionamento prévio das ligações submetidas apenas a momento fletor, segundo as recomendações de projeto do Eurocode 3, foi realizado utilizando-se valores nominais para as propriedades mecânicas e geométricas das ligações e utilizando-se coeficientes de resistência iguais a 1,0. Na Tabela 3.1 são apresentados os valores individuais de resistência e de rigidez de cada componente para as ligações com placa de extremidade ajustada. Vale ressaltar que, para garantir o equilíbrio interno das forças atuantes na ligação, as componentes em compressão aparecem em todas as linhas de parafusos em tração. Pode-se perceber que a componente que controla o dimensionamento na zona tracionada é a placa de extremidade à flexão (5) e na zona comprimida, a mesa da viga em compressão (7). O Anexo D apresenta o dimensionamento detalhado da ligação com placa de extremidade estendida utilizando-se os valores nominais para os aços utilizados na fabricação dos perfis.
Tabela 3.1 – Dimensionamento das componentes – Ensaios FE Componente F (^) Rd (kN) k / E (mm) (1) alma da coluna ao corte 475,0 7, (2) alma da coluna à compressão 506,3 10,
componentes na região em compressão (^) (7) mesa da viga à compressão 438,4 (^) ∞ (1) alma da coluna ao corte 475,0 7, (2) alma da coluna à compressão 506,3 10, (7) mesa da viga à compressão 438,4 ∞ (3) alma da coluna à tração 394,2 7, (4) mesa da coluna à flexão 375,5 38, (5) placa de extremidade à flexão 305,7 13, (8) alma da viga à tração 365,5 ∞
linha 1 (h = 193,1 mm)
(10) parafusos à tração 441,0 7, (1) alma da coluna ao corte 169,2 7, (2) alma da coluna à compressão 200,5 10, (7) mesa da viga à compressão 132,7 (^) ∞ (3) alma da coluna à tração 310,8 7, (4) mesa da coluna à flexão 375,5 38, (5) placa de extremidade à flexão 293,3 13, (8) alma da viga à tração 365,5 (^) ∞
linha 2 (h = 37,1 mm)
(10) parafusos à tração 441,0 7, Mj.Rd = 305,7 x 0,193 + 132,7 x 0,037 = 63,96 kN.m Sj,ini = 11772,2 kN.m/rad e Sj,ini /η = 5886,1 kN.m/rad
Tabela 3.2 – Dimensionamento das componentes – Ensaios EE Componente F (^) Rd (kN) k / E (mm) (1) alma da coluna ao corte 475,0 5, (2) alma da coluna à compressão 506,3 10,
componentes na região em compressão (^) (7) mesa da viga à compressão 438,4 ∞ (1) alma da coluna ao corte 475,0 5, (2) alma da coluna à compressão 506,3 10, (7) mesa da viga à compressão 438,4 ∞ (3) alma da coluna à tração 394,2 5, (4) mesa da coluna à flexão 375,5 31, (5) placa de extremidade à flexão 215,7 18,
linha 1 (h = 267,1 mm) (10) parafusos à tração 441,0 7, (1) alma da coluna ao corte 259,3 5, (2) alma da coluna à compressão 290,6 10, (7) mesa da viga à compressão 222,7 (^) ∞ (3) alma da coluna à tração 327,8 4, (4) mesa da coluna à flexão 375,5 26, (5) placa de extremidade à flexão 305,7 13, (8) alma da viga à tração 365,5 (^) ∞
linha 2 (h = 193,1 mm)
(10) parafusos à tração 441,0 7, (1) alma da coluna ao corte 5, (2) alma da coluna à compressão 10, (7) mesa da viga à compressão ∞ (3) alma da coluna à tração 7, (4) mesa da coluna à flexão 38, (5) placa de extremidade à flexão 11, (8) alma da viga à tração ∞
linha 3 (h = 37,1 mm)
(10) parafusos à tração 7, Mj.Rd = 215,7 x 0,267 + 222,7 x 0, 193 = 100,6 kN.m Sj,ini = 22740,4 kN.m/rad e Sj,ini /η = 11370,2 kN.m/rad
As colunas deste pórtico de aplicação de carga eram constituídas por perfis HEB300, mesmo perfil utilizado na viga do pórtico composta por dois perfis. Utilizou-se um perfil HEB500 como viga de suporte do atuador hidráulico ligada à parede de reação através de uma ligação com placa de extremidade estendida com 30cm de espessura e oito barras rosqueadas, tipo DYWIDAG. A ligação desta viga com o pórtico de reação foi feita através da peça mostrada abaixo.
300 104 300
3085
300
3700
300
HEB HEB
HEB300 HEB
HEB
470 1800 1450
HEM (desviadores)
rótula superior
rótula inferior sapata de reação
Figura 3.5 – Pórtico de aplicação de carga
Alguns enrijecedores constituídos por barras rosqueadas foram introduzidos no pórtico de reação com o intuito de evitar que, deformações sofridas por este, pudessem esconder possíveis erros na avaliação dos ensaios experimentais. Estes enrijecedores podem ser visualizados na Figura 3.6. Uma sapata em concreto armado foi construída para garantir o nivelamento da estrutura a ser ensaiada devido a irregularidades existentes no piso do laboratório, Figura 3.7, além de servir de base para fixação das barras rosqueadas utilizadas nas ligações das peças de apoio ao ensaio tais como desviadores e travamentos. Também se pode observar o gabarito usado para
HEB
HEB
ligação da viga desuporte do atuador hidráulico com o pórticode reação
garantir o posicionamento destas barras rosqueadas. Esta sapata também serviu para transmitir o esforço axial aplicado na ligação para a parede de reação através de um perfil HEB200 (Figura 3.1) aparafusado à parede por quatro barras rosqueadas iguais as utilizadas para a ligação da viga de suporte do atuador hidráulico.
(a) enrijecedores nas mesas da viga do pórtico
(b) travamento lateral da viga do pórtico Figura 3.6 – Reforços introduzidos no pórtico de reação
(a) confecção da armadura (b) forma e gabarito
(c) concretagem (^) (d) sapata concluída Figura 3.7 – Preparação e concretagem da sapata de reação
HEB
Figura 3.8 – Sistema de aplicação de esforço axial de compressão
(a) macaco hidráulico atrás da parede (^) utilizados para correção do esforço axial(b) célula de carga central e macacos
Figura 3.9 – Macacos hidráulicos e célula de carga central
desviador
macaco hidráulico central posicionado na parte traseira da parede de reação
macaco hidráulico e célula de carga para cada cabo de protensão
atuador hidráulico
rótula superior
rótula inferior
y = -0.0277x - 264.
Momento (kN.m)
Esforço Axial (kN)
(1) e (2)
(3) e (4)
(5)
Figura 3.10 – Variação da carga aplicada em cada um dos cabos de protensão
Para solucionar este problema, foi colocado um macaco hidráulico em cada cabo com a finalidade de se manter a força constante nos mesmos, interligando-os ao mesmo circuito hidráulico. No entanto, como a compensação da força aplicada nestes macacos era feita de forma manual, optou-se por ligar todo o sistema hidráulico a uma bomba injetora equipada com uma eletro-válvula que fazia a distribuição automática do óleo entre os quatro macacos. Esta eletro- válvula permitia a calibração prévia do esforço axial aplicado não sendo mais necessária a compensação manual efetuada nos primeiros ensaios. O resultado obtido pode ser observado na Figura 3.11 onde se percebe que a força nos cabos ficou praticamente constante durante todo o ensaio. Com a finalidade de se comprovar esta análise, um outro ensaio, denominado FE7 foi realizado, repetindo-se o carregamento axial aplicado no ensaio FE5 e as curvas momento versus rotação se mostraram semelhantes, descartando-se a necessidade de se efetuar a correção do momento aplicado na ligação. Estas curvas serão apresentadas na Figura 4.7 no capítulo quatro.
força total aplicada medida pela célula central
Figura 3.12 – Sistema de aplicação de esforço axial de tração
(a) perfis tubulares rotulados em uma das extremidades
(b) compensação da pressão nos macacos hidráulicos Figura 3.13 – Componentes para os ensaios com esforço axial de tração
perfis tubulares
rótulas
Travamento do sistema de aplicação de esforço axial de tração
macacos e células de carga
A peça colocada na extremidade da viga para transmitir o esforço axial para a ligação teve seu dimensionamento realizado com o auxílio do programa de elemento finitos LUSAS [57] para garantir que nenhum dos componentes utilizados no sistema de aplicação de carga pudesse interferir nos resultados dos ensaios, Figura 3.14.
Figura 3.14 – Peça para aplicação do esforço axial [57]
Instrumentação, Aquisição de Dados e Planos de Carga dos Ensaios
A medição das deformações ocorridas nos ensaios foi efetuada com a utilização de extensômetros elétricos lineares (FLK6-11-TML), rosetas a 45º (FRA5-11-TML) e extensômetros para parafusos (BTM6-C-TML). O processo de instalação dos extensômetros dos parafusos, consistiu das etapas descritas a seguir e podem ser observadas na Figura 3.15:
- Furação dos parafusos com uma broca de diâmetro igual a 3mm e profundidade superior a 36mm,
- Feito isto, o próximo passo consistia da limpeza interna do furo para evitar que as impurezas existentes prejudicassem a aderência da cola a ser utilizada,
- A preparação da cola era realizada na proporção de uma (1) quantidade da substância A para cada dez (10) da substância B,
IPE
HEB
(^43) (^5 )
11
18/ 20/ 22
28 29/ 31/
(^87) 9
13 12 14
26 25 27
10
18 19 20 21 (^23 )
& 2725, 26 28 29 31 32
B35 B
B37 B
28 32 32 28
25
37 78
78 37
267
20
30
(^10) 23/
A
B
C
E
Figura 3.16 – Posicionamento de extensômetros e rosetas – Ensaios FE
IPE
HEB
(^43) (^5 )
11
18/ 20/ 22
28 29/ 31/
(^87) 9
(^1312) 14
2625 27
(^18 20 ) (^23 )
25, 26& 27 28 29 31 32
B35 B
B37 B
28 32 32 28
25
37 78
78 37
267
B33 16 15 B 17
15, 16 & 17
30
(^10) 23/
A
B
C
D
E
2
Figura 3.17 – Posicionamento de extensômetros e rosetas – Ensaios EE
Figura 3.18 – Aplicação da protensão nos parafusos
IPE
HEB
CH39 (^) CH
CH41 CH
CH
CH CH
CH
CH
CH
CH 1000 500
16080 60
60
Figura 3.19 – Transdutores de deslocamentos e sistema de aquisição de dados
Estes transdutores de deslocamentos foram utilizados para medição da rotação da ligação sendo obtida pela diferença entre a rotação da viga e a rotação do painel de alma da coluna submetido a cisalhamento. A rotação da viga obtida através dos transdutores nº 39 a 42 e a rotação do painel de alma da coluna através dos transdutores 47 e 48. Vale ressaltar que estes transdutores foram fixados a uma estrutura totalmente independente da estrutura que foi testada. Para os ensaios da primeira série, ligações com placa de extremidade ajustada, foram efetuadas duas descargas: a primeira para uma carga de 25kN e, a segunda, para uma rotação de 15mrad conforme apresentado na Figura 3.20.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 20 40 60 80 100 φ (mrad)
M (kN.m) Ensaios EE Ensaios FE
Figura 3.20 – Ciclos de carga utilizados nos ensaios
Na primeira parte do ensaio foi usado controle de força, passando a controle de deslocamentos na parte subseqüente do mesmo. Nos ensaios da
acréscimo na tensão de escoamento devido às deformações elevadas sofridas por esta placa [49]. Uma outra hipótese para a diferença encontrada pode estar relacionada com a velocidade utilizada nos ensaios. Mesmo que a escolha da velocidade tenha sido feita de acordo com as especificações de norma, a máquina utilizada podia não estar com a sua calibração realizada de forma correta.
Tabela 3.4 – Propriedades mecânicas dos materiais Corpo de Prova fy (MPa) fu (MPa) E (MPa) nominal 275 430 210000 VIGA – IPE ALMA 1 366,45 460,36 201483 ALMA 2 358,93 454,70 202836 ALMA 3 371,86 449,32 211839 ALMA 4 380,25 455,99 201544 ALMA 5 375,79 459,49 211308 ALMA 6 379,12 461,98 210128 ALMA 7 342,72 453,40 190443 ALMA 8 332,32 438,76 200127 MÉDIA 363.43 454.25 203714 MESA 1 365,83 444,52 215739 MESA 2 331,62 448,30 213809 MESA 3 340,75 448,77 212497 MESA 4 346,42 450,50 216924 MESA 5 355,40 458,90 221813 MESA 6 349,22 455,88 213589 MESA 7 312,13 443,81 214147 MESA 8 319,73 435,20 213257 MÉDIA 340.14 448.24 215222 COLUNA – IPE EE1_ALMA_1 392,63 491,82 205667 EE1_ALMA_2 399,38 495,29 204567 FE1_ALMA_1 340,16 454,39 218456 FE1_ALMA_2 355,92 467,69 199055 MÉDIA 372.02 477.30 206936 EE1_MESA_1 344,92 410,06 232937 EE1_MESA_2 350,09 472,93 210434 FE1_MESA_1 337,94 450,53 222665 FE1_MESA_2 338,84 461,63 217132 MÉDIA 342.95 448.79 220792 PLACA DE EXTREMIDADE – t = 15 mm placa 1 - FE1 365,39 504,45 198936 placa 2 - FE1 374,75 514,44 - placa 1 - EE1 380,91 497,81 199648 placa 2 - EE1 356,71 497,08 202161 MÉDIA 369,44 503,45 200248 PARAFUSOS – M nominal 900 1000 210000 parafuso 1 914,00 980,00 - parafuso 2 931,00 1009,00 - parafuso 3 974,00 1067,00 - MÉDIA 939,67 1018,67 -
O controle dimensional dos ensaios foi realizado com a ajuda de um aparelho de ultra-som para medição de espessuras - Figura 3.23 - e de um paquímetro para medição de distâncias. Os valores obtidos são apresentados nas tabelas existentes no Anexo E onde as dimensões medidas podem ser observadas na Figura E.1 presente no mesmo anexo.
Figura 3.22 – Posição dos corpos-de-prova das placas de extremidade
Figura 3.23 – Medição de espessuras
Neste capítulo foram apresentadas algumas considerações sobre a realização dos ensaios experimentais, obtenção das características mecânicas e geométricas dos ensaios, além da instrumentação dos mesmos. No capítulo seguinte, apresentar-se-á a análise dos resultados obtidos nos ensaios de ligações com placa de extremidade ajustada – série FE.
