Determinação experimental da eficácia de vigas mistas em estruturas multilaminares de concreto by URBEL

HUMBERTO CORRÊA SOARES

DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA EFICÁCIA DE VIGAS MISTAS EM ESTRUTURAS MULTILAMINARES DE CONCRETO

Belo Horizonte UNIVERSIDADE FUMEC 2008

HUMBERTO CORRÊA SOARES

DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA EFICÁCIA DE VIGAS MISTAS EM ESTRUTURAS MULTILAMINARES DE CONCRETO

Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Civil, da UNIVERSIDADE FUMEC, como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Construção Civil. Orientador: Prof. Eduardo Chahud. Co-orientador: Prof. Anselmo Azevedo Duarte.

Belo Horizonte UNIVERSIDADE FUMEC 2008

Soares, Humberto Corrêa 2008

Determinação experimental da eficácia de vigas mistas em estruturas multilaminares de concreto / Humberto Corrêa Soares – Belo Horizonte: FUMEC, 2008.

114 p. Orientador: Prof. Eduardo Chahud Dissertação (Mestrado em Construção Civil). FUMEC. 1. Vigas mistas em aço e concreto. 2. Integração perfeita. 3. Estruturas multilaminares. 4. Eficácia quanto à capacidade de carga.

UNIVERSIDADE

FUMEC

Dissertação intitulada “Determinação Experimental da Eficácia de Vigas Mistas em Estruturas Multilaminares de Concreto”, de autoria do mestrando Humberto Corrêa Soares, aprovada pela banca examinadora constituída pelos seguintes professores:

_____________________________________________ Prof. Dr. Eduardo Chahud (orientador)

_____________________________________________ Prof. Dr. Alexandre Monteiro de Menezes

_____________________________________________ Prof. Dr. Abdias de Magalhães Gomes

_____________________________________________ Professor Eduardo Chahud Coordenador do curso de Mestrado

Belo Horizonte UNIVERSIDADE FUMEC 2008

À minha esposa, Luciene Soares, pelo apoio e pelos ensinamentos metodológicos científicos.

AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus, por sua infinita luz; Aos meus pais: Luiz Soares e D. Wany por terem propiciado as condições necessárias para os meus estudos; À minha esposa Luciene, pelo companheirismo, amor, confiança e incentivo. Obrigado Luciene pelas palavras positivas nas horas difíceis; Aos professores Anselmo Duarte e Eduardo Chahud, pelas orientações e pelos ensinamentos e principalmente pela confiança demonstrada no período em que me orientaram; À minha sogra, D. Sebastiana, pelas valiosas orações, que me fortaleceram nos momentos em que eu precisava de um norte para prosseguir; Aos meus colegas do Mestrado, pelas trocas de experiências profissionais, técnicas, humanas e pelas palavras de apoio durante esta caminhada; Aos meus demais familiares que estiveram sempre presentes quando precisei de orientações para o desenvolvimento deste Trabalho; Aos meus colegas da URBEL, principalmente aos do Núcleo de Empreendimentos e da Divisão de Obras, pela paciência, compreensão e informações que foram fundamentais para a redação desta Dissertação; Aos demais professores e funcionários do Departamento de Mestrado, por me terem apoiado de forma plena nesta caminhada; À empresa LÂMINUS Engenharia, por ter apoiado tecnicamente esta pesquisa e por ter disponibilizado as suas instalações, mão-de-obra geral e especializada e os materiais necessários para a moldagem de todos os elementos de concreto e aço utilizados nos ensaios laboratoriais; À empresa LOCGUEL, por ter disponibilizado as fôrmas metálicas para as moldagens das vigas convencionais de concreto armado;

À empresa CONSULTARE, pelo apoio no estudo do traço do concreto utilizado nas vigas e pelas formulações e encaminhamentos dos ensaios físicos das peças, objetos desta Dissertação; À empresa PRECON, por ter apoiado de forma ampla este estudo, disponibilizando o seu laboratório para que fossem feitos os ensaios de flexão nas vigas convencionais de concreto armado e nas vigas multilaminares, tema deste Trabalho científico. À Faculdade de Engenharia e Arquitetura (FEA), da Universidade FUMEC, pelas orientações tecnológicas e por ter disponibilizado seu laboratório de materiais, juntamente com seu laboratorista, para os ensaios complementares de resistência do concreto.

“O vento e as ondas estão sempre do lado dos mais hábeis navegadores”. Edward Gibbon (1737-1794).

RESUMO A tecnologia denominada “Estruturas Multilaminares de Concreto” inspirou o desenvolvimento deste estudo, que analisou a eficácia de vigas multilaminares quanto à capacidade de carga e a comparou com a eficácia das vigas convencionais de concreto armado. O princípio multilaminar prevê a combinação de lâminas pré-moldadas de concreto e aço para a composição de estruturas mistas, com aplicação nas mais variadas áreas da engenharia civil, tais como: pontes e viadutos; contenções de encostas; redes ferroviárias; edificações residenciais, comerciais e industriais, dentre outras. A metodologia utilizada nesta pesquisa previu a moldagem de vigas com a tecnologia multilaminar e com os conceitos convencionais do concreto armado, normalizadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Todas as vigas foram submetidas ao ensaio de flexão simples. Para efeito de comparação, as vigas multilaminares de concreto e as vigas convencionais de concreto armado foram moldadas com a mesma seção transversal, o mesmo vão livre, o mesmo concreto e a mesma taxa equivalente de aço submetido à tração. Os carregamentos e as respectivas deformações das vigas foram anotados e catalogados e, a partir destes dados, foi possível verificar o comportamento das vigas multilaminares de concreto. As cargas necessárias para que as vigas atingissem suas flechas máximas de trabalho demonstraram uma divergência média de 138 % na resistência mecânica, a favor das vigas multilaminares, comprovando seu superior desempenho em relação às vigas convencionais de concreto armado.

Palavras-chave: Tecnologia. Estruturas. Vigas. Lâminas. Concreto. Eficácia.

ABSTRACT The technology called â&#x20AC;&#x153;Concrete blade Structuresâ&#x20AC;? inspired the development of this study that analyzed the effectiveness of blade beams considering the load capacity and comparing them with conventional beams of armed concrete. The theory of blade beams use the combination of blades in the building of bridges, railroads, residential, industrial and commercial buildings, slope control, etc. The methodology used foresaw the molding of beams that used blade technology and those made according to conventional concepts of armed concrete, considering Brazilian Rules. All the beams were submitted to the assay of concentrated load. To make the comparison between blade beams and those made with armed concrete it were used the same section, the same size, the same equivalent of steel. The shipments and deformations of the beams were written. This way it was possible to verify the effectiveness of the blade beams of concrete. The necessary loads for the beams to reach its maximum deflection demonstrated an average divergence of 138% in the mechanic resistance in favor of the blade beams, proving its better performance in relation to conventional beams of armed concrete.

Key-words: Technology. Structures. Beams. Blade. Concrete. Effectiveness.

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Combinação de lâminas ...........................................................................................24 Figura 2 - Tipos usuais de conectores de cisalhamento............................................................27 Figura 3 – Esquema de viga mista de concreto e aço...............................................................28 Figura 4 – Conector tipo pino com cabeça (stud).....................................................................28 Figura 5 – Ponte pré-moldada em concreto armado.................................................................32 Figura 6 – Conjunto habitacional - Polônia..............................................................................32 Figura 7 – Painéis pré-moldados para vedação ........................................................................33 Figura 8 – Edifício comercial em estrutura pré-moldada .........................................................33 Figura 9 – Edifício em Lisboa – Portugal.................................................................................33 Figura 10 – Loma Prieta - São Francisco – Califórnia – EUA ................................................34 Figura 11 – Cypress Street – Loma Prieta – Califórnia – EUA ...............................................35 Figura 12 – Kobe – Japão .........................................................................................................35 Figura 13 – Hanshin Expressway – Kobe – Japão ...................................................................35 Figura 14 – Ilustração de substituição de placas ......................................................................37 Figura 15 – Inserção de mantas nas placas...............................................................................37 Figura 16 - Fabricação de painéis envelopados de aço e concreto...........................................38 Figura 17 - Fabricação de painéis envelopados de aço e concreto...........................................38 Figura 18 – Muro de contenção................................................................................................39 Figura 19 – Edificação residencial ...........................................................................................40 Figura 20 – Modelo de pilar multilaminar................................................................................41 Figura 21 – Corpo de prova com concreto confinado ..............................................................41 Figura 22 – Pilar composto por três lâminas ............................................................................42 Figura 23 – Esquema de dissipação de cargas em uma placa de concreto envelopado ...........43 Figura 24 – Esquema de distribuição de esforços nos nós .......................................................44 Figura 25 – Esquema de reações ..............................................................................................45 Figura 26 – Confinamento interno do concreto........................................................................45 Figura 27 – Disposição das placas de uma viga .......................................................................46 Figura 28 – Lâminas de concreto para composição de vigas ...................................................46 Figura 29 – Pórtico multilaminar..............................................................................................47 Figura 30 – Pórtico submetido a um carregamento horizontal.................................................48 Figura 31 – Estrutura metálica com parede de cisalhamento ...................................................48 Figura 32 – Dormente ferroviário.............................................................................................49

Figura 33 – Torre de transmissão elétrica ................................................................................50 Figura 34 – Ponte em placas de concreto envelopado..............................................................51 Figura 35 – Ponte em placas de concreto envelopado..............................................................52 Figura 36 – Placa para contenção de encosta – detalhe da cápsula..........................................52 Figura 37 – Detalhe da cápsula com os tirantes .......................................................................52 Figura 38 – Detalhe da cápsula fechada ...................................................................................53 Figura 39 – Muro de arrimo atirantado ....................................................................................53 Figura 40 – Arquibancada de estádio de futebol ......................................................................54 Figura 41 – Fechamento lateral de galpão................................................................................55 Figura 42 – Muro de impacto ...................................................................................................56 Figura 43 – Edificação residencial ...........................................................................................57 Figura 44 – Esquema de carregamento para o ensaio das vigas...............................................61 Figura 45 – Viga multilaminar de concreto (corte) ..................................................................62 Figura 46 – Características geométricas do perfil “U”.............................................................63 Figura 47 – Tela soldada modelo Q 196 da Gerdau .................................................................64 Figura 48 – Fôrmas metálicas...................................................................................................75 Figura 49 – Fôrmas metálicas...................................................................................................75 Figura 50 – Fôrmas metálicas...................................................................................................75 Figura 51 – Fôrmas metálicas...................................................................................................76 Figura 52 – Fôrmas metálicas...................................................................................................76 Figura 53 – Armadura para as vigas convencionais .................................................................77 Figura 54 – Misturador de concreto .........................................................................................78 Figura 55 – Misturador de concreto .........................................................................................78 Figura 56 – Moldura de uma lâmina ........................................................................................79 Figura 57 – Molduras de lâminas .............................................................................................79 Figura 58 – Fôrmas metálicas...................................................................................................80 Figura 59 – Molduras travadas em mesa metálica ...................................................................80 Figura 60 – Molduras travadas em mesa metálica ...................................................................81 Figura 61 – Moldagem dos corpos-de-prova de concreto ........................................................81 Figura 62 – Concretagem das vigas convencionais..................................................................82 Figura 63 – Concretagem das vigas convencionais..................................................................82 Figura 64 – Concretagem das vigas convencionais..................................................................82 Figura 65 – Concretagem das vigas multilaminares.................................................................83 Figura 66 – Concretagem das vigas multilaminares.................................................................83

Figura 67 – Concretagem das vigas multilaminares.................................................................83 Figura 68 – Concretagem das vigas multilaminares.................................................................84 Figura 69 – Localização dos pontos de solda nas vigas multilaminares ..................................85 Figura 70 – Montagem das vigas multilaminares.....................................................................85 Figura 71 – Montagem das vigas multilaminares.....................................................................85 Figura 72 – Montagem das vigas multilaminares.....................................................................86 Figura 73 – Montagem das vigas multilaminares.....................................................................86 Figura 74 – Viga com posicionamento do extensômetro .........................................................88 Figura 75 – Prensa hidráulica da empresa PRECON ...............................................................89 Figura 76 – Viga convencional sendo posicionada ..................................................................89 Figura 77 - Viga convencional sendo posicionada...................................................................90 Figura 78 – Visão em escala da viga convencional..................................................................90 Figura 79 – VCA 01 no momento da ruptura...........................................................................90 Figura 80 - VCA 02 no momento da ruptura ...........................................................................91 Figura 81 - VCA 03 no momento da ruptura ...........................................................................91 Figura 82 - VML 01 no momento da ruptura ...........................................................................92 Figura 83 – VML 01 com deformação excessiva.....................................................................92 Figura 84 - VML 02 no momento da ruptura ...........................................................................92 Figura 85 - VML 02 no momento da ruptura (outro lado) .......................................................93 Figura 86 - VML 03 no momento da ruptura ...........................................................................93 Figura 87 – Lâmina L1 pronta para receber o carregamento ...................................................94 Figura 88 – Lâmina L1 no momento da ruptura.......................................................................94 Figura 89 - Lâmina L2 pronta para receber o carregamento ....................................................94 Figura 90 - Lâmina L2 no momento da ruptura .......................................................................95 Figura 91 - Lâmina L3 pronta para receber o carregamento ....................................................95 Figura 92 - Lâmina L3 no momento da ruptura .......................................................................95

TABELAS Tabela 1 – Resumo de aço da viga convencional.....................................................................69 Tabela 2 – Resumo de aço da viga multilaminar......................................................................71 Tabela 3 – Valores comparativos de materiais.........................................................................72 Tabela 4 – Valores comparativos de materiais com as áreas equivalentes de aço ...................73 Tabela 5 – Relação entre carga e deformação ..........................................................................97

GRÁFICOS Gráfico 1 – Relação entre carregamento e deformação, referente à VCA 01 ........................101 Gráfico 2 – Relação entre carregamento e deformação, referente à VCA 02 ........................101 Gráfico 3 – Relação entre carregamento e deformação, referente à VCA 03 ........................102 Gráfico 4 – Relação entre carregamento e deformação, referente à VML 01........................102 Gráfico 5 – Relação entre carregamento e deformação, referente à VML 02........................103 Gráfico 6 – Relação entre carregamento e deformação, referente à VML 03........................103 Gráfico 7 – Valores médios das deformações em relação às cargas, referentes às VCA e VML ................................................................................................................................................104 Gráfico 8 – Valores médios das deformações em relação às cargas, demonstrados pelas linhas de tendência ............................................................................................................................104 Gráfico 9 – Relação entre carga e deformação, referente à VCA 01, para o limite da flecha em 6,0 mm ....................................................................................................................................105 Gráfico 10 – Relação entre carga e deformação, referente à VCA 02, para o limite da flecha em 6,0 mm ..............................................................................................................................105 Gráfico 11 – Relação entre carga e deformação, referente à VCA 03, para o limite da flecha em 6,0 mm ..............................................................................................................................106 Gráfico 12 – Relação entre carga e deformação, referente à VML 01, para o limite da flecha em 6,0 mm ..............................................................................................................................106 Gráfico 13 – Relação entre carga e deformação, referente à VML 02, para o limite da flecha em 6,0 mm ..............................................................................................................................107 Gráfico 14 – Relação entre carga e deformação, referente à VML 03, para o limite da flecha em 6,0 mm ..............................................................................................................................107

SIGLAS E SÍMBOLOS A

Área da seção transversal do perfil

Área de aço da armadura transversal dos estribos

A sw ABNT

Associação Brasileira de Normas Técnicas

AASHO

American Association of State Highway Officials

ASHTO

American Association of State Highway and Transportatin Officials

ASCE

American Society of Civil Engineers

ASTM

American Society for Testing Materials

A558

Classificação de aço conforme ASTM Largura da base do perfil

b ,bw

Largura da base da viga

CA-50

Aço para concreto armado com tensão de escoamento de 500 megapascal

CA-60

Aço para concreto armado com tensão de escoamento de 600 megapascal

CBCA

Centro Brasileiro de Construção em Aço

Corpo de prova de concreto Altura da viga entre o eixo da armadura tracionada e a borda mais comprimida

DIN

Deutsches Institut für Normung

Altura mínima necessária para a viga, sem armadura comprimida

Espessura do recobrimento da armadura

EMP F

Força

Fck

Resistência característica do concreto aos 28 dias Fator de redução do Fck do concreto

fc f

Estrutura Mista Perfeita

Tensão admissível do aço ao escoamento, com o coeficiente de segurança

GERDAU h

Altura da alma

IBS

Instituto Brasileiro de Siderurgia

K,K'

kN L L1

Empresa de fabricação de aço

Parâmetros comparativos que variam com a posição da linha neutra Quilo Newton

Comprimento da viga Lâmina número 1, de concreto envelopado

Momento fletor Momento fletor majorado com o coeficiente de segurança

Momento fletor máximo atuante na viga

M máx

MPa

Mega Pascal

NBR

Norma Técnica Brasileira

Carregamento

PEL

Perfil estrutural leve

Carregamento último ou de ruptura

Força cortante

Q 196 s

Denominação de tela soldada de aço - fabricação GERDAU

Espaçamento w

Espessura da alma Espessura das abas

VCA

Viga de concreto armado

VML

Viga multilaminar

V Sd

Esforço cortante majorado com o coeficiente de segurança

x cg

Distância do centro de gravidade a face externa da alma

τ co

Tensão de cisalhamento resistida pelo concreto

τ wd

Tensão de cisalhamento em função da seção transversal

τ wd2

Tensão limite convencional de cisalhamento

SUMÁRIO

Capítulo 1 - Introdução .................................................................................... 21 1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS .............................................................................. 21 1.2 OBJETIVO ............................................................................................................. 23 1.3 JUSTIFICATIVA ................................................................................................... 23 1.4 METODOLOGIA................................................................................................... 25 1.5 APRESENTAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ............................................................. 25

Capítulo 2 - Vigas mistas de aço e concreto ............................................... 27 2.1 CONCEITO ............................................................................................................ 27 2.2 HISTÓRICO NO CONTEXTO MUNDIAL.......................................................... 29 2.3 HISTÓRICO DAS ESTRUTURAS MISTAS NO BRASIL ................................. 30

Capítulo 3 - Elementos pré-moldados de concreto................................... 31 3.1 CONCEITO E APLICAÇÕES............................................................................... 31 3.2 HISTÓRICO........................................................................................................... 31

Capítulo 4 - Estruturas multilaminares de concreto ............................ 34 4.1 HISTÓRICO E CONSIDERAÇÕES ..................................................................... 34 4.2 PILARES MULTILAMINARES DE CONCRETO .............................................. 40 4.2.1 PILARES PROTENDIDOS ................................................................................ 40 4.2.2 PILARES MULTILAMINARES CONVENCIONAIS ...................................... 42 4.3 LAJES MULTILAMINARES DE CONCRETO................................................... 42 4.3.1 DISSIPAÇÃO DE ESFORÇOS .......................................................................... 42 4.3.2 REAÇÕES DA ESTRUTURA............................................................................ 44 4.4 VIGAS MULTILAMINARES DE CONCRETO .................................................. 45 4.5 OUTRAS APLICAÇÕES DAS ESTRUTURAS MULTILAMINARES.............. 47 4.5.1 PAREDES-DIAFRAGMA.................................................................................. 47 4.5.2 DORMENTES FERROVIÁRIOS....................................................................... 48 4.5.3 TORRES DE TRANSMISSÃO DE REDE ELÉTRICA .................................... 49 4.5.4 PONTES .............................................................................................................. 50 4.5.5 MUROS DE CONTENÇÃO ............................................................................... 51

4.5.6 ARQUIBANCADAS .......................................................................................... 54 4.5.7 FECHAMENTO DE GALPÕES......................................................................... 54 4.5.8 MUROS DE IMPACTO...................................................................................... 55 4.5.9 EDIFICAÇÃO PREDIAL ................................................................................... 56

Capítulo 5 - Flexão simples em vigas retangulares ............................. 58 5.1 DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO ..................... 58 5.1.1 FLEXÃO NORMAL ........................................................................................... 58 5.1.2 CISALHAMENTO.............................................................................................. 59

Capítulo 6 - Pré-dimensionamentos ........................................................... 61 6.1 PRÉ-DIMENSIONAMENTO GERAL.................................................................. 61

Capítulo 7 - Desenvolvimento de cálculo .................................................. 65 7.1 DIMENSIONAMENTO DA VIGA CONVENCIONAL EM CONCRETO ARMADO, CONFORME A ABNT .............................................................................. 65 7.1.1 CARREGAMENTO E ESFORÇOS SOLICITANTES ...................................... 65 7.1.2 PROPRIEDADES GEOMÉTRICAS DA VIGA ................................................ 66 7.1.3 DIMENSIONAMENTO DAS ARMADURAS .................................................. 66 7.1.3.1 FLEXÃO SIMPLES ......................................................................................... 66 7.1.3.2 CISALHAMENTO........................................................................................... 67 7.1.4 DETALHAMENTO ............................................................................................ 68 7.1.5 RESUMO DE AÇO............................................................................................. 69 7.1.6 CONSUMO DE MATERIAIS ............................................................................ 69 7.2 MOLDAGEM DA VIGA MULTILAMINAR ...................................................... 69 7.2.1 PROPRIEDADES GEOMÉTRICAS DA VIGA ................................................ 69 7.2.2 DETALHAMENTO DE 01 PLACA ENVELOPADA....................................... 70 7.2.3 PERFIL “U” – CHAPA DOBRADA .................................................................. 70 7.2.4 TELA SOLDADA............................................................................................... 70 7.2.5 RESUMO DE AÇO............................................................................................. 71 7.2.6 CONSUMO DE MATERIAIS ............................................................................ 71 7.3 COMPARAÇÃO ENTRE AS VIGAS................................................................... 71

Capítulo 8 – Materiais e métodos............................................................... 74 8.1 VIGAS DE CONCRETO ARMADO .................................................................... 74 8.1.1 DIMENSÕES ...................................................................................................... 74 8.1.2 FÔRMAS............................................................................................................. 74 8.1.3 ARMAÇÕES ....................................................................................................... 76 8.1.4 CONCRETO........................................................................................................ 77 8.1.5 VIGAS MULTILAMINARES ............................................................................ 78 8.1.6 LÂMINAS DE CONCRETO ENVELOPADO .................................................. 80 8.1.7 CONCRETAGEM............................................................................................... 80 8.1.8 DESFORMA, CURA E JUNÇÃO DAS LÂMINAS.......................................... 84 8.1.9 ENSAIOS FÍSICOS LABORATORIAIS ........................................................... 87

Capítulo 9 – Ensaios laboratoriais .............................................................. 88 9.1 DESCRIÇÕES DOS ENSAIOS............................................................................. 88

Capítulo 10 – Resultados.............................................................................. 97 10.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS.............................................................................. 97 10.2 VIGAS CONVENCIONAIS DE CONCRETO ARMADO, VIGAS MULTILAMINARES E LÂMINAS INDIVIDUAIS.................................................... 97

Capítulo 11 – Discussão .............................................................................. 108 11.1 DISCUSSÕES GERAIS..................................................................................... 108

Capítulo 12 – Conclusão ............................................................................... 111 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 113

Capítulo 1 - Introdução ___________________________________________________________________________

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS A análise de vigas mistas, envolvendo concreto e aço na sua moldagem, tem sido tema de vários trabalhos científicos. Nesta pesquisa, vigas mistas de aço e concreto foram construídas através da sobreposição de lâminas, apoiadas em uma nova tecnologia denominada Estruturas Multilaminares de Concreto, na qual aço e concreto interagem-se de forma plena ou perfeita. Segundo Duarte (2006), as primeiras pesquisas sobre a tecnologia das Estruturas Multilaminares de concreto datam do ano de 1975, quando foi estudado, por ele próprio, o princípio de feixes para compor estruturas, tais como um feixe de molas, um arco de flecha ou um feixe de varas. As Estruturas Multilaminares representam uma inovação no conceito estrutural misto, envolvendo concreto e aço. Sua concepção foi inspirada a partir da observação e acompanhamento científico de dois acidentes provenientes de abalos sísmicos. O primeiro ocorreu em 17 de outubro de 1989, em Loma Prieta, São Francisco, Estados Unidos da América e o segundo em 17 de janeiro de 1995, em Kobe, Japão (DUARTE, 2006). O pesquisador, engenheiro Anselmo Azevedo Duarte, a partir de 1995, analisou os efeitos destes terremotos nos viadutos Cypress Street, na Califórnia e Hanshin Expressway, no Japão e observou que estas vias suspensas não apresentaram flexibilidade necessária para se deformarem, sem se romperem, no momento dos abalos sísmicos. A rigidez elevada, apresentada em alguns pilares, não foi suficiente para evitar o colapso estrutural, pois os esforços foram transmitidos para as fundações, levando-as à ruína (DUARTE, 2006). A produção de elementos individuais esbeltos, que serão posteriormente aglutinados entre si para a composição de uma peça estrutural, proporciona a possibilidade de controlar, através dos graus de liberdade de movimento de suas ligações, as rigidezes finais de cada peça que compõe um determinado sistema estrutural. Sob esta ótica tornou-se necessário desenvolver, como elemento primário, uma lâmina específica que fosse possível controlar suas ligações externas, utilizando, para efeito de simplificação, materiais conhecidos em níveis globais, cujas suas utilizações fossem de domínio comum e fossem normalizadas,

quando

comparada

com

práticas

construtivas

utilizadas

mundialmente

(DUARTE, 2006). Ainda, segundo Duarte (2006), o controle da rigidez de um sistema abre um significativo leque para a aplicabilidade das Estruturas Multilaminares, minimizando as patologias provenientes de abalos sísmicos e permitindo certas movimentações que sejam convenientes para o aumento da durabilidade das estruturas. Embasada nestas expectativas é que o desenvolvimento da tecnologia das Estruturas Multilaminares de Concreto teve seu início, a partir da década de setenta. Para a pesquisa das lâminas de aço e concreto, levou-se em consideração o conceito de concreto confinado, que é feito através de uma moldura de aço, capaz de confinar o concreto nas bordas e o princípio de protensão, que ocorre quando estas bordas são interligadas por vergalhões de aço, proporcionando uma protensão distribuída ao longo de toda a placa (DUARTE, 2006). As placas de concreto envelopado são compostas por uma moldura de perfil de aço laminado ou dobrado, uma malha interna de fios de aço soldados e de concreto estrutural preenchendo todo o seu interior. Esta forma de combinar os materiais possibilita a composição de duas ou mais lâminas, através do processo de soldagem envolvendo, para isso, suas molduras metálicas (DUARTE, 2006). A combinação estrutural multilaminar representa uma estrutura mista de aço e concreto, porém foge das definições literárias, que para o atual trabalho científico que analisa o comportamento de uma viga, prevê a laje de concreto trabalhando, através dos conectores de cisalhamento, junto com o perfil metálico da viga, para combater esforços provenientes de uma determinada flexão (DUARTE, 2006). O presente trabalho científico investigou o comportamento experimental de uma viga bi-apoiada, composta por três lâminas dispostas paralelamente entre si, quando submetida a um carregamento pontual, perpendicular ao seu eixo. Em seguida, fez uma comparação com outra viga submetida ao mesmo carregamento e moldada a partir dos princípios do concreto armado convencional, normalizado pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Os resultados dos ensaios foram analisados e comparados com o intuito de verificar a influência da moldagem multilaminar da viga em sua eficácia de trabalho no tocante à capacidade de carga.

1.2 OBJETIVO Determinação experimental do comportamento de vigas multilaminares de aço e concreto e comparação com vigas convencionais de concreto armado, normalizadas pela ABNT, no tocante à capacidade de carga.

1.3 JUSTIFICATIVA O comportamento de estruturas mistas, em especial as vigas mistas compostas de aço e concreto, constitui uma linha de pesquisa já bastante estudada mundialmente. Queiroz, Pimenta, Mata (2001) apud de Nardin (2003) definem: “uma ligação é denominada mista quando a laje de concreto participa da transmissão de momento fletor de uma viga mista para um pilar ou para outra viga mista no vão adjacente”. Conforme Queiroz & Pimenta (2001), uma viga mista é constituída por um perfil metálico ligado a uma laje de concreto através de conectores de cisalhamento, que garantem a integridade entre ambos os materiais. A viga multilaminar de concreto é uma viga mista, porém foge da definição atual de vigas mistas, pois utiliza aço e concreto na sua composição estrutural, mas não depende da laje para complementá-la estruturalmente. Esta nova placa proposta por Duarte (2006) abre várias possibilidades para aplicações estruturais nas áreas de contenções, edificações prediais residenciais, comerciais, industriais, ferroviárias, redes de transmissão e principalmente em pontes e viadutos, porque, ao longo do tempo, pode ser necessária a alteração dos seus carregamentos atuantes. A aplicação de novas lâminas nas composições das vigas cria reforços necessários para um eventual aumento de suas solicitações e para combater os efeitos causados pelo estresse mecânico proveniente de cargas repetitivas (DUARTE 2006). As lâminas, por serem pré-moldadas, passam por um sistema construtivo que é possível desenvolver e manter um controle de qualidade avançado para as tecnologias disponíveis, obtendo, com isso, uma padronização e uma precisão adequadas para a construção das obras-de-arte em geral (DUARTE, 2006). As lâminas, além de dotadas de novas características técnicas (protensão distribuída, confinamento direto e confinamento interpolado), quando combinadas entre si, resultam em elementos estruturais com características específicas. Por serem dispostas em

feixes estruturais, podem ser removidas, anexadas, remodeladas e substituídas ao longo da vida útil das estruturas, possibilitando atender eventuais alterações no projeto inicial (DUARTE, 2006). A FIG. 1 mostra a capacidade ajustável temporariamente ou definitivamente, através da inclusão ou exclusão de lâminas, para atender solicitações estruturais variáveis não previstas.

Deslocamentos laterais

Lâminas individuais

Figura 1 - Combinação de lâminas Fonte: Duarte (2006)

Ainda conforme Duarte (2006), as estruturas serão construídas a partir de células menores, que são as lâminas de concreto envelopado, proporcionando, com isso, uma maior facilidade na logística de transportes e estocagens. Conforme Delalibera (2002), nas regiões onde ocorrem abalos sísmicos e também nas estruturas sujeitas a atuações de carregamentos cíclicos, a ductibilidade dos elementos estruturais exerce um papel importante no desempenho destas estruturas e uma das maneiras de se atingir tal ductibilidade é a inserção de armadura de confinamento nestes elementos. Com este trabalho, espera-se ampliar os estudos científicos das estruturas mistas com a utilização da tecnologia das Estruturas Multilaminares de Concreto, garantindo uma maior eficácia, quando comparadas com estruturas convencionais de concreto armado. Também mostrar as vantagens construtivas e algumas das possibilidades de combinações de lâminas para se alcançar um interessante resultado sob o tripé: desempenho, tempo e custo final do empreendimento.

1.4 METODOLOGIA A metodologia deste trabalho consiste em revisões literárias sobre: conceito de vigas mistas de concreto e aço; histórico da utilização das estruturas mistas em termos mundiais e especificamente no Brasil; histórico e desenvolvimento das Estruturas Multilaminares de Concreto; aplicações das Estruturas Multilaminares e o dimensionamento de vigas de concreto armado, levando em consideração a flexão e o cisalhamento. Também fazem parte desta pesquisa: moldagens de vigas multilaminares e vigas convencionais de concreto armado; ensaios de carregamento; observações do comportamento das vigas e conclusões sobre a eficácia das vigas mistas de concreto e aço, moldadas conforme os princípios da teoria das Estruturas Multilaminares de Concreto, quanto às suas capacidades de carga.

1.5 APRESENTAÇÃO DA DISSERTAÇÃO O presente trabalho é constituído por assuntos que abordam aspectos referentes ao comportamento de vigas mistas de aço e concreto, de acordo com os princípios das Estruturas Multilaminares de Concreto. A seguir, apresentam-se, em ordem, os conteúdos dos capítulos que compõem esta Dissertação:

CAPÍTULO 1 – Introdução: considerações iniciais com apresentação do tema; objetivos; justificativas e metodologia empregada no trabalho e apresentação da Dissertação.

CAPÍTULO 2 – Vigas Mistas de Aço e Concreto: conceitos de vigas mistas e conectores de cisalhamento e históricos das estruturas mistas no Brasil e no mundo.

CAPÍTULO 3 – Elementos pré-moldados de concreto: conceitos; aplicações e breve histórico.

CAPÍTULO 4 – Estruturas Multilaminares de Concreto: histórico do desenvolvimento da teoria das Estruturas Multilaminares de Concreto; princípios do comportamento destas estruturas e aplicações na construção civil em geral.

CAPÍTULO 5 – Flexão simples em vigas de seções retangulares: descrição dos métodos de dimensionamento à flexão e ao cisalhamento de vigas de concreto armado de seção retangular.

CAPÍTULO 6 – Pré-dimensionamentos: descrição preliminar dos materiais utilizados na moldagem das vigas multilaminares e das vigas convencionais; especificações das dimensões das vigas e métodos de moldagens e ensaios das mesmas.

CAPÍTULO 7 – Desenvolvimento de Cálculo: descrição dos cálculos de dimensionamento das vigas de concreto armado e das vigas multilaminares de concreto.

CAPÍTULO 8 – Materiais e Métodos: especificação dos materiais utilizados na pesquisa e pré-estabelecimento dos métodos envolvidos nos processos.

CAPÍTULO 9 – Ensaios de Laboratório: descrição dos ensaios laboratoriais, equipamentos utilizados e taxa de variação do carregamento.

CAPÍTULO 10 – Resultados: apresentação dos resultados encontrados no laboratório e catalogação dos dados técnicos.

CAPÍTULO 11 – Discussão: análise dos resultados experimentais e comparação entre as vigas multilaminares e as vigas de concreto armado convencional.

CAPÍTULO 12 – Conclusão: formulação e apresentação das conclusões de acordo com os objetivos propostos para esta pesquisa.

REFERÊNCIAS: Livros, Teses, Dissertações, Artigos, Normas técnicas, revistas técnicas e endereços eletrônicos citados na dissertação.

Capítulo 2 - Vigas mistas de aço e concreto ___________________________________________________________________________

2.1 CONCEITO O comportamento de vigas mistas de aço-concreto é um conceito já difundido na engenharia civil em níveis mundiais. Queiroz, Pimenta & Mata (2001) apud Nardin (2003) definem: “uma ligação é denominada mista quando a laje de concreto participa da transmissão de momento fletor de uma viga mista para um pilar ou para outra viga mista no vão adjacente”. Conforme Queiroz & Pimenta (2001), uma viga mista é constituída por um perfil metálico ligado a uma laje de concreto através de conectores de cisalhamento, que garantem a integridade entre ambos os materiais. A FIG. 2 mostra alguns tipos de conectores de cisalhamento utilizados nas vigas mistas de concreto e aço.

a) Pino com cabeça (STUD)

d) Espiral

b) Perfil "U" laminado

e) Pino com gancho

c) Barra com alça

Figura 2 - Tipos usuais de conectores de cisalhamento Fonte: adaptado de Alva & Malite (2005)

A FIG. 3 mostra um esquema de viga mista em que um perfil metálico une-se à laje de concreto através de um conector de cisalhamento. Esta conexão evita o escorregamento do concreto sobre o perfil metálico, tornando a laje solidária no combate aos esforços de flexão.

Laje de concreto armado

Conector de cisalhamento

Perfil metálico

Figura 3 – Esquema de viga mista de concreto e aço Fonte: o autor

A FIG. 4 mostra uma viga metálica com os conectores de cisalhamento soldados, prontos para receberem a concretagem da laje.

Figura 4 – Conector tipo pino com cabeça (stud) Fonte: adaptado de Tristão & Munaiar Neto (2005)

2.2 HISTÓRICO NO CONTEXTO MUNDIAL Os primeiros estudos envolvendo as estruturas mistas de aço-concreto tiveram seu início na Inglaterra em 1914, por meio de diversos ensaios a respeito de sistemas compostos para pisos, feitos pela empresa Redpath Brow and Company (MALITE, 1990 apud KOTINDA, 2006). Klinsky (1999) cita que a construção mista aço-concreto foi marcada em 1926 pela patente “Composite Beam Construction”, pertencente a J. Khan, e pelos estudos realizados por R. A. Caughey e publicados em 1929. Tais publicações técnicas impulsionaram a então recente tecnologia, que passou a se destacar, nas duas décadas subseqüentes, em construções de pontes rodoviárias. Ainda conforme Klinsky (1999), no ano de 1944 surgiram as primeiras publicações de pesquisas, com caráter normalizador, relativas às estruturas mistas açoconcreto, realizadas pela “American Association of State Highway Officials” (AASHO), hoje (AASHTO) “American Association of State Highway and Transportatin Officials”. Os critérios de projetos, obtidos a partir destes trabalhos científicos, implementaram rapidamente as construções, utilizando esta nova tecnologia estrutural envolvendo o aço e o concreto. Viest (1960) apud Kotinda (2006) informa que as primeiras vigas mistas utilizando aço-concreto foram construídas através do embutimento de um perfil de aço em um maciço de concreto, cuja interação do aço com o concreto se dava através da aderência natural entre os dois materiais. De forma gradativa, o sistema de perfil completamente embutido no concreto, caracterizando as vigas mistas, foi sendo substituído por outro sistema no qual uma laje de concreto apoiava-se na mesa superior de uma viga de aço. A aderência entre as partes se dava através de conectores mecânicos, denominados conectores de cisalhamento (KOTINDA, 2006). Viest (1960) apud Kotinda (2006) menciona que os primeiros estudos sobre os conectores de cisalhamento foram realizados em 1933, na Suíça, sendo estes de seção transversal cilíndrica e de forma espiral. Outro tipo de conector mecânico, denominado “pino de cabeça” (stud bolt ), foi desenvolvido em 1954 nas Universidades de Illinois e de Lehigh e passou a ser utilizado de forma marcante nas estruturas mistas atuais. Klinsky (1999) cita que as normas americanas passaram por uma atualização no ano de 1961, época esta em que a Alemanha normalizou as construções mistas aço-concreto,

através do código DIN 1078. Posteriormente, outros estudos envolvendo estruturas mistas foram feitos por pesquisadores como: Fisher, Daniels & Slutter (1979); Johnson & Hope-Gill (1976); Botzler & Colville (1979); Salani, Duffield, Mc Bean & Baldwin (1982) e Grace & Kennedy (1986). Em 1985, foi feita uma revisão de todo o escopo disponível sobre vigas mistas de pontes, por uma comissão formada por pesquisadores da ASCE – AASHTO.

2.3 HISTÓRICO DAS ESTRUTURAS MISTAS NO BRASIL Malite (1993) apud Kotinda (2006) menciona que as construções mistas de açoconcreto, no Brasil nas décadas de 1950 e 1960, restringiam-se a poucos edifícios e pequenas pontes. Na década de 1970 e meados de 1980 não houve evolução da tecnologia de construção mista, pois este período foi marcado por uma forte tendência à utilização do concreto armado e do concreto protendido nas obras de edificações e pontes rodoviárias. Na segunda metade da década de 1980 é que as estruturas mistas de aço-concreto tiveram um alavancamento no Brasil, através de construções de edifícios comerciais, industriais, residenciais e das pontes de um modo geral. Também foi nesta época que as pesquisas sobre o assunto se expandiram, aumentando os subsídios necessários para a utilização da referida tecnologia (KOTINDA, 2006). Segundo Malite (1990) apud Sisniegas & Malite (2005), o aumento da produção de aço no Brasil e a busca de novas soluções arquitetônicas impulsionaram a construção de edifícios, utilizando a tecnologia mista como opção estrutural. Sisniegas & Malite (2005) citam que a primeira normalização das estruturas mistas, no Brasil, ocorreu no ano de 1986 pela NBR-8800: “Projeto e Execução de Estruturas de Aço de Edifícios”.

Capítulo 3 - Elementos pré-moldados de concreto ___________________________________________________________________________

3.1 CONCEITO E APLICAÇÕES Segundo a International Organization for Standardization – ISO (1984) apud Oliveira (2002), elementos são um agregado de componentes, utilizados conjuntamente, como um produto manufaturado em uma unidade distinta para servir a uma função. Um elemento pré-moldado e definido como sendo aquele que passou por um processo de execução em que a sua construção total, ou parcial, é desenvolvida fora do local de sua utilização definitivo. A aplicação das técnicas e dos elementos pré-moldados se expande por diversas áreas das construções civis leves e pesadas, como por exemplo, os estádios, galpões industriais, estacas de fundações e edifícios residenciais (CASTILHO, 1998). Conforme Duarte (2006), os elementos pré-moldados que compõem as Estruturas Multilaminares de concreto podem ter caráter estrutural, de vedação ou ambos, pois estes são construídos em forma de painéis de concreto envelopado, possibilitando estas aplicações.

3.2 HISTÓRICO Segundo Castilho (1998), a utilização de elementos pré-moldados coincide com o início do desenvolvimento do concreto armado. As primeiras aplicações de elementos prémoldados foram: a construção de um barco, em 1848, e os vasos de Joseph Monier, em 1849. A primeira construção utilizando elementos pré-moldados de concreto armado foi em Paris, em 1891, com vigas do Cassino Biarritz. Nos Estados Unidos, os primeiros estudos e aplicações de elementos prémoldados de concreto armado tiveram seu início a partir do ano de 1900. Conforme Phillips e Sheppard (1988), em 1907, ainda nos Estados Unidos, houve uma intensificação nos estudos da tecnologia de elementos pré-moldados de concreto (CASTILHO, 1998). Conforme Castilho (1998), o cenário europeu teve seu início de forma bem semelhante ao dos Estados Unidos, porém foi intensificado com as construções que se fizeram

necessárias após a 2ª Guerra Mundial, principalmente as construções de galpões industriais, escolas, hospitais e pontes. Segundo Vasconcelos (1988) apud Castilho (1998), no Brasil as construções prémoldadas de concreto armado tiveram seu início com a fabricação de estacas, em 1925, para as fundações da obra do Jockey Clube do Rio de Janeiro. Os estudos e as aplicações de estruturas pré-moldadas de concreto têm avançado na Europa e nos Estados Unidos, porém, no Brasil, ainda é limitado, se restringindo às aplicações em larga escala no caso de construções de galpões e em elementos de laje, estacas e tubos de drenagem pluvial (CASTILHO, 1998). A FIG. 5 mostra uma ponte em construção cujas vigas principais são em concreto pré-moldado.

Figura 5 – Ponte pré-moldada em concreto armado Fonte: Catálogo técnico - PRECON (2006)

A FIG. 6 mostra um conjunto habitacional construído na Polônia, utilizando a tecnologia do concreto pré-moldado.

Figura 6 – Conjunto habitacional – Polônia Fonte: Catálogo técnico - PRECON (2006)

Nas FIG. 7, 8 e 9 pode-se observar outros exemplos de aplicação das estruturas pré-moldadas de concreto.

Figura 7 – Painéis pré-moldados para vedação Fonte: Catálogo técnico - PRECON (2006)

Figura 8 – Edifício comercial em estrutura pré-moldada Fonte: Catálogo técnico - PRECON (2006)

Figura 9 – Edifício em Lisboa – Portugal Fonte: Catálogo técnico - PRECON (2006)

Capítulo 4 - Estruturas multilaminares de concreto ___________________________________________________________________________

4.1 HISTÓRICO E CONSIDERAÇÕES Os primeiros estudos envolvendo os princípios das “Estruturas Multilaminares de Concreto” ocorreram no ano de 1975, no Japão e sofreram um avanço nas décadas de 80 e 90 com a ocorrência dos terremotos de Loma Prieta, nos Estados Unidos e Kobe no Japão (DUARTE, 2006). A FIG. 10 mostra o mapa de localização onde ocorreu o terremoto de Loma Prieta, na Califórnia. A FIG. 11 mostra a estrutura de concreto da Cipress Street após os abalos sísmicos de 1989, na Califórnia. A FIG. 12 mostra o mapa de localização onde ocorreu o terremoto de Kobe, no Japão.

Figura 10 – Loma Prieta - São Francisco – Califórnia – EUA Fonte: Duarte (2006)

Figura 11 – Cypress Street – Loma Prieta – Califórnia – EUA Fonte: Duarte (2006)

Figura 12 – Kobe – Japão Fonte: Duarte (2006)

A FIG. 13 mostra a estrutura de concreto da Hanshin Expressway – Kobe, após os abalos sísmicos de 1995, no Japão.

Figura 13 – Hanshin Expressway – Kobe – Japão Fonte: Duarte (2006)

O foco do pesquisador era tentar compor, através do princípio dos feixes, estruturas dotadas de ductibilidade que pudessem absorver as energias de movimentos sísmicos, atuando sobre peças de concreto armado. O princípio científico dos feixes baseia-se nos seguintes elementos: um feixe de molas, um arco de flecha, um feixe de varas, etc. (DUARTE, 2006). As micro fissuras que aparecem em uma peça de concreto armado, quando submetida à flexão, não se dispõem em espaços e formas regulares. Assim, a estrutura fissurada, no regime elástico, não gera lâminas semelhantes geometricamente e paralelas entre si. Apesar desta propriedade, este modelo de comportamento estrutural pode ser comparado, em uma escala maior, a um feixe de lâminas paralelas, aproximando do conceito das Estruturas Multilaminares de Concreto (DUARTE 2006). Duarte (2006) cita que a construção utilizando a Estrutura Multilaminar pode ser representada pelo conceito dos feixes. Estes feixes apresentam uma especificidade particular, pois são construídos a partir da junção de placas unidirecionais de diversas dimensões e formatos. Também permitem a alteração destas variáveis, visando proporcionar mudanças nas condições estruturais finais das peças multilaminares. Ainda segundo Duarte (2006), três características chamam a atenção na utilização das estruturas multilaminares: a longevidade, que é marcada pela prorrogação da vida útil das peças, através da substituição das lâminas ao longo do tempo; a originalidade, que apresenta a possibilidade de alterar, estruturalmente, o objetivo original da peça ao longo se sua vida útil, para atender uma nova solicitação ou para se atualizar, bastando acrescentar ou retirar lâminas do feixe e a especificidade, que é caracterizada pela infinidade de maneiras de combinar as placas para atender às necessidades da engenharia. A FIG. 14 mostra a propriedade de reparação das estruturas por meio de substituição de lâminas danificadas, por outras em perfeito estado de conservação ou por lâminas novas. Também as novas placas podem ser de espessuras, perfis metálicos e concretos diferenciados para aumentar as suas capacidade de cargas. A FIG. 15 mostra a propriedade que as Estruturas Multilaminares têm de se adequar a diversas especificidades de aplicação, através da inserção de mantas com funções de isolantes térmicos, acústicos, radioativos, resistentes a impactos, dentre outras.

Lâmina removida para reparos

Figura 14 – Ilustração de substituição de placas Fonte: Duarte (2006)

Lâmina para isolamento

Espaços para isolamento ou ventilação

Figura 15 – Inserção de mantas nas placas Fonte: Duarte (2006)

O controle das rigidezes das peças estruturais pode ser obtido através do grau de liberdade de movimento das ligações entre as peças que as compõem. Os elementos primários apresentam esta propriedade, pois podem ser aglutinados através de enumeras combinações para obter um feixe estrutual (DUARTE, 2006). Ainda conforme Duarte (2006), as estruturas serão construídas a partir de células menores, que são as lâminas de concreto envelopado, soldadas umas nas outras, proporcionando, com isso, maior facilidade na logística de transportes e estocagens.

Sob esta visão tornou-se necessário desenvolver, como elemento primário, uma lâmina específica em que fosse possível controlar suas ligações externas e que utilizasse materiais conhecidos em níveis globais e que suas utilizações fossem tanto de domínio comum como normalizadas (DUARTE, 2006). As FIG. 16 e 17 mostram as lâminas de concreto envelopado, no seu sistema construtivo.

Figura 16 - Fabricação de painéis envelopados de aço e concreto Fonte: Duarte (2006)

Figura 17 - Fabricação de painéis envelopados de aço e concreto Fonte: Duarte (2006)

Conforme Duarte (2006), as lâminas envelopadas são construídas a partir de uma moldura de Perfil Estrutural Leve (PEL) ou de perfil com chapa dobrada que é preenchida com uma malha soldada de aço e concreto estrutural. Por definição, os Perfis Estruturais Leves são aqueles obtidos a partir do dobramento a frio de chapas de aço ou laminados a quente, desde que a relação entre a largura

e a espessura do elemento plano do perfil seja capaz de proporcionar falhas por efeito de flambagem local (DUARTE, 2006). O painel envelopado soluciona o problema da flambagem local do perfil, no regime elástico, através do preenchimento deste com concreto estrutural, combinado com uma malha soldada de aço (DUARTE, 2006). Ainda segundo Duarte (2006), o controle da rigidez de um sistema multilaminar abre um leque para a aplicabilidade das estruturas multilaminares. O movimento controlado dos elementos estruturais visa minimizar as patologias provenientes de abalos sísmicos e o aumento da durabilidade das estruturas. Embasada nestas expectativas é que o desenvolvimento da tecnologia das Estruturas Multilaminares de concreto teve seu início a partir da década de setenta. Para a pesquisa e avaliação das resistências estruturais das lâminas de concreto e aço (painéis envelopados), levou-se em consideração um conceito pouco utilizado na engenharia, concreto confinado. Este confinamento é causado por uma tela e uma moldura de aço, capazes de confinar o concreto nas bordas e produzir um princípio novo, conhecido como protensão distribuída passiva (DUARTE, 2006). Conforme Delalibera (2002), nas regiões onde ocorrem abalos sísmicos e nas peças com atuação de carregamentos cíclicos, a ductibilidade dos elementos estruturais exerce um papel importante no desempenho destas estruturas e uma das maneiras de se atingir tal ductibilidade é a inserção de armadura de confinamento nestes elementos. A seguir estão representados dois exemplos de utilização das Estruturas Multilaminares de concreto. A FIG. 18 mostra uma contenção executada com as lâminas estruturais de concreto envelopado na construção de um estádio de futebol na região metropolitana de Belo Horizonte.

Figura 18 – Muro de contenção Fonte: www.laminus.com.br

A FIG. 19 mostra uma casa residencial construída com a tecnologia das Estruturas Multilaminares de concreto.

Figura 19 – Edificação residencial Fonte: www.laminus.com.br

4.2 PILARES MULTILAMINARES DE CONCRETO 4.2.1 PILARES PROTENDIDOS As condições de ruína dos viadutos Cypress Street e Hanshin Expressway após os terremotos de Loma Prieta e Kobe, explicitaram os rompimentos dos seus pilares de sustentação, direcionando os primeiros estudos envolvendo as Estruturas Multilaminares. Segundo Duarte (2006), com o foco voltado para encontrar uma forma flexível para a construção de pilares sujeitos aos abalos sísmicos, foi proposto um modelo cuja peça seria composta por vários blocos e lâminas, unidos internamente por cabos de aço. Estes cabos seriam tensionados de acordo com a protensão desejada, proporcionando a flexibilidade compatível com os movimentos sísmicos, dificultando assim o seu colapso. Os pilares multilaminares de concreto possibilitam a combinação de lâminas de diversas espessuras e de resistências mecânicas variadas, com alternância de distribuição ao longo da peça, tornando-as capazes de atender diversas especificidades de projetos. Também apresentam a propriedade de poder ser alterados durante a sua vida útil, através da substituição de placas (DUARTE, 2006). A FIG. 20 mostra o primeiro modelo de pilar flexível, utilizando as Estruturas Multilaminares de concreto.

Figura 20 – Modelo de pilar multilaminar Fonte: Duarte (2006)

Segundo Duarte (2006), O confinamento direto do concreto, proporcionado pelas molduras de aço, aumenta a sua resistência à compressão, pois, quando submetido a um carregamento axial, a massa de concreto encontra dificuldades de rompimento, proveniente das forças de tração que ocorrem na direção radial ao pilar. A FIG. 21 mostra o efeito de um corpo de prova convencional de concreto e outro corpo de prova de concreto confinado, quando submetido a uma força de compressão axial.

Figura 21 – Corpo de prova com concreto confinado Fonte: Duarte (2006)

4.2.2 PILARES MULTILAMINARES CONVENCIONAIS Os Pilares considerados convencionais de Estruturas Multilaminares de concreto são formados pela união de duas ou mais lâminas de concreto envelopado, unidas paralelamente entre si. O número de lâminas aumenta a possibilidade de confinamento das lâminas interiores e provoca um aumento da resistência à flambagem e à compressão (DUARTE, 2006). A FIG. 22 mostra um pilar composto por três lâminas que além do confinamento direto dos bordos, causado pelos perfis metálicos da moldura, e do confinamento interpolado das placas, proporcionado pela malha interna de aço, apresenta uma lamina confinada no centro da estrutura, pelas lâminas laterais.

A -- A Figura 22 – Pilar composto por três lâminas Fonte: Duarte (2006)

4.3 LAJES MULTILAMINARES DE CONCRETO 4.3.1 DISSIPAÇÃO DE ESFORÇOS As lajes de concreto envelopado são elementos estruturais esbeltos que têm a propriedade de visualização simplificada do princípio estudado pela tecnologia das Estruturas Multilaminares.

Quando uma placa é submetida a uma força F, aplicada em seu centro, os esforços são transmitidos às barras de aço que compõem a malha estrutural, solicitando mecanicamente os seus nós. Estes são envolvidos pelo concreto que os dissipa ao longo da placa (DUARTE, 2006). A FIG. 23 mostra as reações nos nós da malha quando esta é solicitada através da aplicação de uma força centrada.

METÁLICO

PERFIL

METÁLICO

PERFIL

Figura 23 – Esquema de dissipação de cargas em uma placa de concreto envelopado Fonte: adaptado de Duarte (2006)

Expandindo a distribuição de esforços para uma placa, em sua totalidade, pode-se observar, geometricamente, a capacidade de distribuição dos esforços e, conseqüentemente, a propriedade de dissipação dos mesmos por intermédio do concreto estrutural no qual a malha de aço está inserida, como mostra a FIG. 24 (DUARTE, 2006).

METÁLICO

PERFIL

METÁLICO

PERFIL

Figura 24 – Esquema de distribuição de esforços nos nós Fonte: adaptado de Duarte (2006)

4.3.2 REAÇÕES DA ESTRUTURA Quando uma força F é aplicada no centro, perpendicularmente ao plano da lâmina, a malha de aço é tracionada e isto resulta em esforços nos perfis envelopadores. Estes perfis, por sua vez, comprimem o concreto que existe no interior da peça e o concreto resiste a estes esforços na face do perfil solicitado (DUARTE, 2006). Para efeito de simplificação, a FIG. 25 mostra apenas duas barras da malha interna de aço. Sob efeito de um carregamento perpendicular ao plano principal da placa, esta passa a se comportar como um modelo de “cama elástica”, com os bordos comprimindo o interior da lâmina, criando um confinamento interpolado devido à ação da malha de aço soldada entre si e nos perfis que compõem a moldura externa da lâmina envelopada (DUARTE, 2006), conforme mostra a FIG. 26.

METÁLICO

PERFIL

METÁLICO

PERFIL

Figura 25 – Esquema de reações Fonte: adaptado de Duarte (2006)

Figura 26 – Confinamento interno do concreto Fonte: adaptado de Duarte (2006)

4.4 VIGAS MULTILAMINARES DE CONCRETO Segundo Duarte (2006), as vigas multilaminares de concreto são moldadas a partir de uma única lâmina ou pela combinação de duas ou mais lâminas envelopadas. As placas são construídas isoladamente e dispostas em posições pré-estabelecidas, a fim de combater os esforços atuantes nas peças. As vigas podem ser montadas a partir de lâminas empilhadas ou dispostas paralelamente entre si, conforme está ilustrado na FIG. 27.

CARREGAMENTO

Figura 27 – Disposição das placas de uma viga Fonte: adaptado de Duarte (2006)

Conforme Duarte (2006), a característica pré-moldada dos elementos estruturais favorece a execução de reforços ao longo da vida útil da estrutura, agilidade no tempo de execução da obra, limpeza do canteiro e redução de peso e de volume dos elementos transportados que comporão as vigas. Para unir as lâminas de concreto envelopado são utilizadas soldas nas bordas dos perfis e estas podem ser especificadas de acordo com o grau de rigidez que se pretende para a estrutura (DUARTE, 2006). A FIG. 28 mostra duas lâminas dispostas paralelamente entre si compondo, uma viga multilaminar.

Figura 28 – Lâminas de concreto para composição de vigas Fonte: Duarte (2006)

A FIG. 29 ilustra um pórtico multilaminar, no qual as placas foram dispostas e aglutinadas mais intensamente nas regiões de maiores esforços, coincidindo com a cobertura dos diagramas de momentos fletores.

Figura 29 – Pórtico multilaminar Fonte: Duarte (2006)

4.5 OUTRAS APLICAÇÕES DAS ESTRUTURAS MULTILAMINARES 4.5.1 PAREDES-DIAFRAGMA As estruturas metálicas, quando submetidas a esforços horizontais provenientes da carga de vento, de abalos sísmicos ou de utilização necessitam de serem enrijecidas para se manterem estáveis em relação aos esforços mecânicos. Este enrijecimento pode ser obtido através de fixação de perfis de contraventamento, construção de núcleos de concreto ou utilização de paredes-diafragma, também chamadas de paredes de cisalhamento, nos vãos entre os pilares e entre as lajes (IBS/CBCA, 2004). Segundo Duarte (2006), os painéis envelopados de concreto podem ser usados nos sistemas de estabilização horizontal das estruturas metálicas, pois estes são compostos por uma moldura metálica que viabiliza sua fixação através da soldagem direta nos pilares que constituem os pórticos da estrutura. A FIG. 30 mostra a deformação de um pórtico, quando submetido a um carregamento horizontal. A FIG. 31 mostra um edifício de andares múltiplos, de estrutura metálica e estabilização horizontal através de paredes de cisalhamento.

Figura 30 – Pórtico submetido a um carregamento horizontal Fonte: Duarte (2006)

Figura 31 – Estrutura metálica com parede de cisalhamento Fonte: Duarte (2006)

4.5.2 DORMENTES FERROVIÁRIOS As lâminas de concreto envelopado podem ser usadas na construção de dormentes para as ferrovias, bastando para isso, unir algumas placas, moldadas sob medida, a fim receberem os trilhos metálicos. Com a propriedade pré-moldada desta tecnologia, é possível dar manutenção ou reforçar os dormentes, apenas substituindo as lâminas danificadas por outras em perfeito estado de funcionamento. Como as placas são fabricadas separadamente, é possível controlar as suas rigidezes individuais e a rigidez final do dormente, diminuindo o impacto entre a composição férrea e os trilhos. Esta ação visa proporcionar um aumento do

conforto para os usuários do transporte ferroviário e diminuir os custos com manutenção das locomotivas e vagões, que deslizarão de forma mais suave sobre os trilhos, quando comparados com os de ferrovias que utilizam dormentes de concreto (DUARTE, 2006). A FIG. 32 mostra um dormente, experimental, utilizando as estruturas multilaminares de concreto.

Figura 32 – Dormente ferroviário Fonte: Duarte (2006)

4.5.3 TORRES DE TRANSMISSÃO DE REDE ELÉTRICA As torres de transmissão, utilizadas pelas empresas de geração e distribuição de energia elétrica no Brasil, são construídas, de forma significativa, em estruturas metálicas reticuladas. Suas características construtivas expõem as estruturas e os usuários a riscos acidentais ou mesmo proporcionados pela ação antrópica. Por se constituírem de um sistema treliçado de barras esbeltas, facilita a escalada de pessoas, que utilizam deste artifício para praticarem roubos de peças e equipamentos. Também as torres são desmontadas e vendidas como ferro-velho pelas mesmas pessoas que praticam estes atos ilícitos. Além de causar um transtorno para os consumidores que podem ficar sem energia elétrica, estas práticas de vandalismo geram um risco de vida para as pessoas que as praticam e um custo adicional de manutenção das redes, custo este, que onera todo o serviço de fornecimento de energia elétrica (DUARTE, 2006). As estruturas multilaminares podem ser utilizadas para a construção de torres de transmissão, dificultando a ação de vândalos e, com isso, a redução de gastos financeiros com a manutenção, devido ao roubo de equipamentos e cortes inesperados da distribuição de energia elétrica.

A FIG. 33 mostra um esquema de torre de transmissão, cuja estrutura é de forma híbrida, envolvendo estruturas metálicas reticuladas e estruturas multilaminares de concreto.

Figura 33 – Torre de transmissão elétrica Fonte: Duarte (2006)

4.5.4 PONTES Segundo Duarte (2006), a tecnologia das Estruturas Multilaminares de Concreto possibilitou a realização da experiência de construção de uma ponte, cujas vigas principais foram em perfil de aço do tipo “I” e o tabuleiro foi composto por duas lâminas sobrepostas, de concreto envelopado, tendo 75 mm de espessura cada uma. Esta obra confirmou a expectativa inicial quanto à rapidez de execução e quanto ao seu desempenho estrutural. A utilização da tecnologia multilaminar na construção de pontes possibilitará as suas manutenções futuras e possíveis reforços que se fizerem necessários para se manter a capacidade de carga inicial de projeto ou o aumento do trem-tipo, a fim de atender as especificidades momentâneas ou definitivas de utilização no futuro (DUARTE, 2006). A FIG. 34 mostra a foto de uma ponte executada a partir dos conceitos estabelecidos na tecnologia das Estruturas Multilaminares de Concreto.

Figura 34 – Ponte em placas de concreto envelopado Fonte: Duarte (2006)

4.5.5 MUROS DE CONTENÇÃO As placas multilaminares foram estudadas e preparadas para a utilização nas contenções de encostas ou aterros. Estas preservam as suas características originais e podem ser aplicadas de várias formas, destacando-se duas: a contenção com placas que utilizam o sistema de “ficha” para combater o empuxo de terra e evitar o seu tombamento e o sistema atirantado que transmite os esforços ao maciço que está sendo contido. Para se fazer a ancoragem dos tirantes foi desenvolvida por Duarte (2006) uma cápsula de aço que é inserida na placa no momento de sua concretagem. Estas placas podem ser individuais ou múltiplas, através da combinação de duas ou mais lâminas, com espessuras e posicionamentos específicos para cada esforço solicitante (DUARTE, 2006). A FIG. 35 mostra um painel de concreto envelopado, utilizando a tecnologias das Estruturas Multilaminares de Concreto, com a presença das cápsulas de ancoragem dos tirantes.

Figura 35 – Ponte em placas de concreto envelopado Fonte: Duarte (2006)

As FIG. 36, 37 e 38 mostram o esquema das placas, com detalhes das cápsulas de aços para atirantamento.

Figura 36 – Placa para contenção de encosta – detalhe da cápsula Fonte: Duarte (2006)

Figura 37 – Detalhe da cápsula com os tirantes Fonte: Duarte (2006)

Figura 38 – Detalhe da cápsula fechada Fonte: Duarte (2006)

Na FIG. 38 nota-se que a cápsula de ancoragem pode ser completamente arrematada, no mesmo plano da lâmina que compõe o muro de arrimo, evitando, com isso, as saliências encontradas nas ancoragens convencionais de muro de contenções. Estas saliências, além de prejudicarem esteticamente o painel, propiciam um fator de insegurança para os usuários, quando as contenções são construídas em rodovias. A FIG. 39 mostra saliências presentes nos arremates de tirante de muros de arrimo onde houve uma colisão, atingindo o painel do muro e o arremate da ancoragem.

Figura 39 – Muro de arrimo atirantado Fonte: Duarte (2006)

4.5.6 ARQUIBANCADAS As Estruturas Multilaminares de Concreto possibilitam também a construção de arquibancadas em estádios esportivos, pois ao mesmo tempo em que estas servem para a composição dos pisos e espelhos das escadas, servem também como contenção do maciço que se localiza atrás da estrutura, quando é executada sobre o terreno natural e em declive (DUARTE, 2006). Conforme Duarte (2006), a moldagem de uma arquibancada se dá de forma rápida, limpa e simples, pois as placas já vêm acabadas de fábrica e suas uniões se dão através de soldagem entre as molduras que as compõem. A FIG. 40 mostra um estádio de futebol, construído na cidade de Sete Lagoas – MG, no ano de 2006, cuja arquibancada foi construída utilizando uma combinação de lâminas de concreto envelopado, caracterizando uma Estrutura Multilaminar de Concreto.

Figura 40 – Arquibancada de estádio de futebol Fonte: Duarte (2006)

4.5.7 FECHAMENTO DE GALPÕES As lâminas de concreto envelopado assumem vários papeis na construção civil, podendo ser utilizadas para comporem estruturas ou simplesmente como painéis de vedação. Uma aplicação para as placas de concreto, como vedação, é o fechamento lateral de galpões industriais, que apresentam pórticos uniformes, normalmente metálicos, com vãos que se repetem inúmeras vezes ao longo de uma única face. Esta especificidade propicia rapidez construtiva, pois a fábrica pode produzir múltiplos painéis de mesmas dimensões,

simplificando o processo produtivo das lâminas e também a logística proposta para a sua fixação nas fachadas dos edifícios (DUARTE, 20006). A FIG. 41 mostra o fechamento lateral de um galpão industrial em uma fábrica de cimento na região metropolitana de Belo Horizonte.

Figura 41 – Fechamento lateral de galpão Fonte: Duarte (2006)

4.5.8 MUROS DE IMPACTO A tecnologia das Estruturas Multilaminares de Concreto pode ser aplicada em áreas sujeitas a impactos laterais na forma de placas cravadas no solo, como em autódromos e rodovias. As lâminas utilizam de suas características de confinamento direto, confinamento interpolado e de protensão distribuída para garantirem suas resistências ao tombamento, sem se romperem com impactos de veículos, ou para se deformarem, dissipando a energia e diminuindo risco para os usuários. Além disso, por serem mais esbeltas do que os muros de contenção em concreto armado convencional, estas ocupam um menor espaço físico e podem ser ampliadas, removidas, relocadas e reutilizadas de acordo com as necessidades da via (DUARTE, 2006). A FIG. 42 mostra um muro de impacto construído em uma pista de automobilismo, na região metropolitana de Belo Horizonte.

Figura 42 – Muro de impacto Fonte: Duarte (2006)

4.5.9 EDIFICAÇÃO PREDIAL Os

estudos

sobre as

placas

de concreto

envelopado

viabilizaram

desenvolvimento de projetos para atender as necessidades específicas das edificações prediais. As lâminas funcionam como paredes de vedação e, ao mesmo tempo, como paredes estruturais. Como são construídas em fábricas, as instalações elétricas e hidráulicas e as esquadrias são fixadas nas placas antes de suas concretagens. As lâminas saem da forma com as faces lisas, pois as mesas moldadoras são de aço, favorecendo o acabamento final das paredes. Estas podem receber a aplicação direta de gesso ou massa corrida ou mesmo a pintura diretamente sobre o concreto. Também, o concreto pode ficar aparente, reduzindo os custos de construção da edificação. Como o processo é pré-moldado, a montagem da casa é ágil e com perda de materiais tendendo a zero. A FIG. 43 mostra uma edificação predial de um pavimento construída na região metropolitana de Belo Horizonte. As lajes são inclinadas e o telhado é montado diretamente sobre elas. A parede externa mostra uma textura que foi aplicada diretamente sobre a placa de concreto envelopado. A estrutura foi montada sobre um radier plano e as lâminas foram unidas por meio de solda entre as molduras externas.

Figura 43 – Edificação residencial Fonte: Duarte (2006)

Capítulo 5 - Flexão simples em vigas retangulares ___________________________________________________________________________

5.1 DIMENSIONAMENTO DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO 5.1.1 FLEXÃO NORMAL Segundo as Notas de Aula – Primeira Parte, do Curso de Especialização em Estruturas, da Universidade Federal de Minas Gerais, 2006, o dimensionamento da armadura à flexão de uma viga é feito mediante a metodologia a seguir: M d = M máx × 1,40 dL = M d × 2

(5.1.1.1)

1 f c×b × KL

(5.1.1.2)

K L = 0,32 para o aço CA-50 e para o concreto de Fck igual à 35 MPa K =Md×

1 2 f c × b × (d )

f c = 0,85×

Fck

(5.1.1.3)

(5.1.1.4)

1,40

Se:

K ≤ K L : K' = K K > K L : K' = K L

Se:

d < d L : usar armadura de compressão

AS2

   f c× b × d   K −K ' × =    ' f yd    1− d d 

Se:

d ≥ d L : usar somente armadura de tração

 f c×b ×d AS1 =  f yd 

     

   × 1 − 1− (2× K ')     

min AS = 0,20% × b × d para o concreto de Fck igual à 35 MPa e sessão retangular

(5.1.1.5)

(5.1.1.6)

Sendo: M d = Momento fletor majorado com o coeficiente de segurança M máx = Momento fletor máximo atuante na viga d L = Altura mínima que a viga deve ter entre o eixo da armadura tracionada e a borda mais comprimida, para que seja necessária armadura comprimida.

f c = Fator de redução do Fck em função da linearização do diagrama de tensões no concreto b = Largura da base da viga K , K ' = Parâmetros comparativos que variam com a posição da linha neutra d = Altura da viga entre a armadura tracionada e a borda mais comprimida

d ' = Espessura do recobrimento da armadura f

= Tensão admissível do aço ao escoamento, com o coeficiente de segurança

Fck = Resistência característica do concreto Para o recobrimento das armaduras, considerou-se a Classe II, indicada pela ABNT, que é a Classe Moderada e que prevê a utilização das vigas no meio urbano e com risco pequeno de deterioração. Nestas condições o recobrimento das armaduras é de 30 mm.

5.1.2 CISALHAMENTO Segundo Silva (2005), o dimensionamento da armadura para combater o cisalhamento de uma viga é feito mediante a metodologia a seguir: 23 τ co = 0,09 × Fck

(5.1.2.1)

V sd τ wd =

(5.1.2.2)

bw × d

τ wd < τ co ⇒ Usar Amin sw (armadura mínima) τ wd > τ co ⇒ Usar A90 sw Asw (τ wd − τ co ) = × bw 0,9 × f yd s 90

(5.1.2.3)

min Asw = 0,012 bw × Fck 3 , para o aço CA-50 2

τ wd 2 = 0,166 × Fck

(5.1.2.4) (5.1.2.5)

O diâmetro mínimo deve ser de 5.0 mm Se: τ wd ≤ 0,67 × τ wd 2 ⇒ s ≤ 0,60 × d ≤ 30cm Se: τ wd > 0,67 × τ wd 2 ⇒ s ≤ 0,30 × d ≤ 20cm Sendo:

τ co = Tensão de cisalhamento resistida pelo concreto τ wd = Tensão de cisalhamento em função da seção transversal V Sd = Esforço cortante majorado com o coeficiente de segurança bW = Base da seção transversal

Asw = Área de aço da armadura transversal dos estribos 90

s = Espaçamento

τ wd 2 = Tensão limite convencional de cisalhamento

Capítulo 6 - Pré-dimensionamentos ___________________________________________________________________________

6.1 PRÉ-DIMENSIONAMENTO GERAL Para a determinação experimental do comportamento das vigas multilaminares de concreto, quanto às suas capacidades de carga, foi utilizado o ensaio de flexão simples com as propriedades descritas a seguir: Foram estudadas três vigas multilaminares, três vigas convencionais de concreto armado e três lâminas isoladas de concreto envelopado. As vigas convencionais de concreto armado foram dimensionadas, conforme descrito no Capítulo 6 desta Dissertação, para um carregamento P = 10,7285 kN aplicada no ponto médio de seus comprimentos. Os vãos livres são de 1.800,00 mm e as seções transversais de 150 mm x 200 mm. A FIG. 44 mostra o esquema de carregamento utilizado para o ensaio de flexão das vigas.

L/2

L/2 L

Figura 44 – Esquema de carregamento para o ensaio das vigas Fonte: o autor

As vigas multilaminares foram moldadas com os mesmos vãos e as mesmas seções transversais utilizadas nas vigas convencionais de concreto, normalizadas pela ABNT. Para a construção de cada viga multilaminar foram utilizadas três lâminas de concreto envelopado, soldadas entre si.

A FIG. 45 mostra, de forma esquemática e parcial, as vigas multilaminares que foram utilizadas no ensaio à flexão.

Figura 45 – Viga multilaminar de concreto (corte) Fonte: o autor

As dimensões das vigas foram estabelecidas a partir da base da seção transversal da viga multilaminar, que foi composta por três lâminas envelopadas, cujos perfis utilizados tiveram a largura de 50,00 mm cada um. A partir desta dimensão, especificou-se 200,00 mm para a altura da viga e considerou-se a relação aproximada de 1/10, em relação à altura, para a determinação do vão a ser considerado. O carregamento foi adotado de maneira que a taxa de armadura positiva, equivalente em relação à tensão de escoamento de cada aço, fosse a mesma, tanto para a viga convencional de concreto armado, quanto para a viga multilaminar proposta. A área equivalente de aço se dá pelo motivo de que o aço proposto para a armadura positiva das vigas multilaminares é diferente do proposto para as vigas convencionais, no tocante à suas tensões de escoamento. O concreto utilizado, em ambos os casos, foi o mesmo e teve, como resistência, o Fck ≥ 35 MPa. O aço utilizado para a moldagem da viga em concreto armado convencional foi o CA-50 para a armadura de flexão e o CA-60 para a armadura de cisalhamento. Em todos os ensaios foi obedecida a condição bi-apoiada das peças estruturais e os dimensionamentos atenderam às orientações da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Na moldagem das vigas multilaminares foi utilizada uma moldura composta por perfis de chapa dobrada do tipo “U”, 50,0 x 25,0 x 2 mm, feitos de aço (SAE-1010), conforme

indicado na FIG. 46 e uma tela soldada, com aço CA-60 de 5 mm de diâmetro, ilustrada na FIG. 47. Os perfis foram do tipo “chapa dobrada” de acordo com os seguintes critérios de corte e dobra: o aço foi cortado com uma largura de 92 mm e, após as duas dobras necessárias para moldar o perfil “U”, o comprimento final ficou de 100 mm. Duas abas de 25 mm cada e uma largura de 50 mm. A espessura da chapa é de 2 mm. Sendo assim, a área da seção transversal de um perfil é calculada multiplicando-se 92 mm por 2 mm, obtendo-se 184 mm². A FIG. 46 mostra as propriedades geométricas dos perfis metálicos utilizados na moldagem das vigas multilaminares de concreto.

x cg

Figura 46 – Características geométricas do perfil “U” Fonte: adaptado de catálogo técnico da Gerdau (2006)

Sendo: h = Altura da alma

b f = Largura da base t w = Espessura da alma t f = Espessura das abas h = 50,00 mm

b f = 25,00 mm t w = 2,00 mm t f = 2,00 mm

xcg = 7,09 mm xcg = Distância do centro de gravidade à face externa da alma A = Área da seção transversal do perfil = 1,84 cm²

A FIG. 47 mostra a tela soldada que será utilizada na construção das placas de concreto envelopado.

Figura 47 – Tela soldada modelo Q 196 da Gerdau Fonte: www.comercialgerdal.com.br

Capítulo 7 - Desenvolvimento de cálculo ___________________________________________________________________________

7.1 DIMENSIONAMENTO DA VIGA CONVENCIONAL EM CONCRETO ARMADO, CONFORME A ABNT 7.1.1 CARREGAMENTO E ESFORÇOS SOLICITANTES

10,7285 kN

900 mm

900 mm 1800 mm

D IAGRAM A DE M OM ENTO FLETOR

965,5655 kN.cm

5,3643 kN

D IAGRAM A DE FORÇA CORTANTE

5,3643 kN

7.1.2 PROPRIEDADES GEOMÉTRICAS DA VIGA Largura da base: 150 mm Altura da viga: 200 mm Vão livre: 1.800,00 mm Apoio: 200 mm Comprimento total da viga (com os apoios): 2.200,00 mm Recobrimento das armaduras: 30,00 mm d = 170,00 mm d’ = 30,00 mm

7.1.3 DIMENSIONAMENTO DAS ARMADURAS 7.1.3.1 FLEXÃO SIMPLES M d = M máx ×1,40 M d = 965,5655 × 1,40 M d = 1.351,79 kN .cm dL = M d ×

1 f c×b × KL

f c = 0,85×

Fck

K = Md×

1 f c ×b × d2

1,40

K = 1.351,79 ×

= 0,85×

kN 3,5 = 2,13 1,4 cm 2

1 2 = 0,1464 2,13 × 15,00 × 17,00

K L = 0,32 ; K < K L ⇒ K ' = K = 0,1464 2 d L = 1.351,79 ×

1 = 132,22 2,13 × 15,00 × 0,32

d L = 132,22 = 11,50 cm d > d L ⇒ Somente armadura de tração

 f c×b ×d AS1 =  f yd 

   × 1 − 1− (2× K ')     

   2,13 × 15,00 × 17,00 AS 1 =  50  1,15 

    1−(2×0,1464)   × 1 −   

2 AS1 = 1,99 cm ⇒ 4 φ 8.0 mm min AS = 0,20% (15,00×20,00)cm min AS = 0,60 cm

min AS1 > AS , usar AS1

Para a armadura submetida à tração serão utilizadas quatro barras com 8.0 mm de diâmetro cada e para a armadura de superior de amarração da viga, dois diâmetros de 8.0 mm. O apoio de 20 cm de cada lado atende a exigência estrutural do comprimento de ancoragem para o Fck de 35 MPa e o diâmetro de 8.0 mm.

7.1.3.2 CISALHAMENTO 23 τ co = 0,09 × Fck 23 τ co = 0,09 × (35) = 0,96 MPa = 0,0963

kN 2 cm

V sd τ wd =

bw × d

τ wd =

5,36 × 1,40 kN = 0,0288 2 15,00 × 17,40 cm

τ wd < τ co ⇒ Usar Amin sw (armadura mínima) Conforme a NBR 6118, min Asw = 0,012 bw × Fck 3 , para o aço CA-50 (I) 2

O diâmetro mínimo deve ser de 5.0 mm Se: τ wd ≤ 0,67 × τ wd 2 ⇒ s ≤ 0,60 × d ≤ 30cm (II) Se: τ wd > 0,67 × τ wd 2 ⇒ s ≤ 0,30 × d ≤ 20cm (III)

τ wd 2 = 0,166 × Fck τ wd 2 = 0,166 × 35 = 5,81 MPa = 0,5810 0,67 × τ wd 2 = 0,3893

kN 2 cm

τ wd ≤ 0,67 × τ wd 2 ⇒ s ≤ 0,60 × d ≤ 30cm 90 min Asw = 0,012 × 15,00 × 35 3 = Asw 2

cm A = 1,93 m

90 sw

Asw = 0,97

cm / perna ⇒ 6 φ 5.0 mm m m

90 Asw ⇒ φ 5.0 mm @ 16 cm

Usar A90 sw ⇒ φ 5.0 mm @ 10 cm (atendendo o espaçamento máximo previsto na condição II)

7.1.4 DETALHAMENTO

N2 N1 N3

N1 – 4 φ 8.0 – C = 2,38 m (armadura de tração) N2 – 2 φ 8.0 – C = 2,14 m (armadura superior de amarração) N3 – φ 5.0 @ 10 cm – C = 0,51 m (estribos de cisalhamento)

7.1.5 RESUMO DE AÇO Tabela 1 – Resumo de aço da viga convencional

Posição Diâm.(mm) Comp.(m) Peso/metro Quant. Peso (kg) N1

8.0

2,38

0,393

3,74

8.0

2,14

0,393

1,68

5.0

0,51

0,154

1,65

Peso total em kg

7.1.6 CONSUMO DE MATERIAIS Concreto do vão livre: V = 0,15 x 0,20 x 1,80 V = 0,05 m³ Aço: Peso = 7 kg

7.2 MOLDAGEM DA VIGA MULTILAMINAR 7.2.1 PROPRIEDADES GEOMÉTRICAS DA VIGA Largura da base: 150 mm Altura da viga: 200 mm Vão livre: 1.800,00 mm Comprimento total da viga (com os apoios): 2.000,00 mm Apoio: 100 mm cada um

7,07

7.2.2 DETALHAMENTO DE 01 PLACA ENVELOPADA Modelo esquemático Moldura

Apoio A

Tela soldada

Apoio B

Co n c r e t o

7.2.3 PERFIL “U” – CHAPA DOBRADA Comprimento:

C = 1.800,00 + 200,00+1.800,00+ 200,00 C = 4.000,00 mm = 4,00 m Adicionar 0,40 m para a região dos apoios (10 cm em cada apoio na região inferior e mais 10 cm na moldura superior).

C = 4,40 m

7.2.4 TELA SOLDADA Para a armadura longitudinal serão utilizados dois diâmetros de 5 mm (CA-60), com 2,00 m de comprimento e para a vertical, 20 diâmetros do mesmo aço, com 0,20 m de comprimento, formando uma malha de 10 cm x 10 cm.

Comprimento:

C = (2.000,00×2)+ (200,00×20) C = 8.000,00 mm = 8,00 m

7.2.5 RESUMO DE AÇO Na classificação das posições de aço no quadro resumo, o perfil metálico da moldura será denominado N1 e a malha de aço CA-60 será a posição N2. Tabela 2 – Resumo de aço da viga multilaminar

Posição

Perfil – Diâm.(mm)

Comp.(m) Peso/metro Quant. Peso (kg)

Perfil U 50,0 x 25,0 x 2 mm

4,40

1,50

6,60

5.0

8,00

0,154

1,23

Peso total em kg

7,83

Na moldagem da viga multilaminar proposta neste estudo é necessário utilizar três placas envelopadas, consumindo 23,49 kg de aço.

7.2.6 CONSUMO DE MATERIAIS Concreto do vão livre: V = 0,15 x 0,20 x 1,80 V = 0,05 m³ Aço: Peso (viga com 3 placas) = 23 kg

7.3 COMPARAÇÃO ENTRE AS VIGAS As vigas foram dimensionadas para atender os parâmetros comparativos a seguir: Ambas têm a mesma seção transversal, o mesmo vão livre, o mesmo consumo de concreto e a mesma resistência característica do concreto. Como serão submetidas ao mesmo carregamento que originará um momento fletor positivo, as armaduras positivas também tem

a mesma equivalência, levando em consideração a área de aço e a tensão admissível ao escoamento de cada aço, pois a resistência do aço utilizado nos perfis das vigas multilaminares representa 36% da resistência do aço utilizado nas vigas convencionais.

Tabela 3 – Valores comparativos de materiais

Vão

Volume

Área de aço da

livre

concreto

armadura positiva

(mm)

(m³)

(cm²)

Convencional 150,00 200,00 1.800,00

0,05

1,99

Multilaminar

0,05

5,52

Tipo

Base

Altura

(mm)

150,00 200,00 1.800,00

Para efeito de comparação e seguindo a equivalência das armaduras positivas das vigas, é necessário majorar a área de aço das vigas convencionais em 2,77 ou reduzir, na mesma proporção, a área de aço da viga multilaminar para suprir a diferença de tensão de escoamento entre o aço CA-50, que é de 500 MPa e o aço SAE 1010 que é de 180 MPa. Portanto, dividindo 5,52 cm² por 2,77, temos 1,99 cm², que corresponde à área de aço da viga convencional, que é de 1,99 cm².

Sendo: Ac = área de aço tracionado da seção transversal da viga convencional; Am = área de aço tracionado da seção transversal da viga multilaminar;

σyc = tensão de escoamento do aço tracionado da viga convencional; σym = tensão de escoamento do aço tracionado da viga multilaminar. Ac x σyc = Am x σym 1,9872 x 500 = 5,5200 x 180 = 993,60

Tabela 4 – Valores comparativos de materiais com as áreas equivalentes de aço

Vão

Volume

Área equivalente de aço

livre

concreto

da armadura positiva

(mm)

(m³)

(cm²)

Convencional 150,00 200,00 1.800,00

0,05

1,99

Multilaminar

0,05

1,99

Tipo

Base

Altura

(mm)

150,00 200,00 1.800,00

Para efeito de simplificar a visualização dos resultados do ensaio de verificação da eficiência das vigas multilaminares, em relação às vigas convencionais de concreto armado, as dimensões destas, os volumes e resistências dos concretos e as taxas equivalentes de armaduras positivas foram dimensionadas para coincidirem entre si.

Capítulo 8 – Materiais e métodos ___________________________________________________________________________

8.1 VIGAS DE CONCRETO ARMADO 8.1.1 DIMENSÕES Para a construção das vigas de concreto armado, que serviram de parâmetro na verificação da eficácia das vigas multilaminares, foram moldadas três unidades, tendo cada uma as seguintes dimensões: 15 cm de largura da base, 20 cm de altura e 220 cm de comprimento. A largura da base foi de 15 cm para coincidir com a largura da base das vigas multilaminares e a altura de 20 cm para que o comprimento total da viga multilaminar fosse de 200 cm, mantendo a proporção de aproximadamente 1:10 entre a altura e o comprimento, medida esta que viabilizou o ensaio de flexão, considerando as prensas encontradas nos laboratórios da cidade de Belo Horizonte e em sua região metropolitana e os comprimentos comerciais dos perfis metálicos, que são de 6,00 metros cada um. Com o objetivo de identificação das vigas, elas foram enumeradas da seguinte maneira: VCA 01; VCA 02 e VCA 03 (vigas de concreto armado números 1, 2 e 3) e VML 01; VML 02 e VML 03 (vigas multilaminares números 1, 2 e 3).

8.1.2 FÔRMAS As fôrmas utilizadas foram do tipo “fôrma metálica” e foram locadas de uma empresa em Belo Horizonte. As fôrmas são fabricadas em módulos de 120 cm de comprimento, sendo necessários dois módulos para a moldagem de cada viga. Como o comprimento de cada viga é de 220 cm, foi feito um fechamento, delimitando do comprimento desejado, por meio de um retângulo de compensado plastificado, prensado pelos dispositivos de travamento presentes no sistema de funcionamento das fôrmas metálicas. Quanto à base e a altura da fôrma, elas já vieram conforme especificado, ou seja, de 15 cm x 20 cm. As FIG. 48, 49, 50, 51 e 52 mostram as fôrmas metálicas sendo preparadas para a concretagem.

Figura 48 – Fôrmas metálicas Fonte: o autor

Figura 49 – Fôrmas metálicas Fonte: o autor

Figura 50 – Fôrmas metálicas Fonte: o autor

Figura 51 – Fôrmas metálicas Fonte: o autor

Figura 52 – Fôrmas metálicas Fonte: o autor

As fôrmas receberam um tratamento de cera líquida incolor para funcionar como um produto desmoldante e foram dispostas sobre uma mesa metálica nivelada, na sombra de um galpão, cuja temperatura ambiente era de 30º C.

8.1.3 ARMAÇÕES Para as armaduras longitudinais, utilizou-se o aço CA-50, sendo 4 diâmetros de 8.0 mm na face inferior da viga, para combater os esforços provenientes do momento fletor positivo atuante e 2 diâmetros de 8.0 mm na face superior, servindo de armadura de amarração. Para as armaduras transversais, também chamadas de estribos, que são responsáveis pelo combate aos esforços provenientes da força cortante, utilizou-se o aço

CA-60, com diâmetro igual a 5.0 mm. Os espaçamentos dos estribos atenderam às condições pré-estabelecidas

pela NBR-6118/2003, no tocante à armadura mínima, indicando

distanciamento de 10 cm entre eles. Atendendo as orientações preconizadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), os recobrimentos de três centímetros das armaduras foram garantidos a partir da utilização de espaçadores de plástico, dispostos no fundo da viga, em suas cabeças e nas duas laterais. A FIG. 53 mostra a armadura de uma das vigas convencionais de concreto, antes de ser disposta na fôrma metálica.

Figura 53 – Armadura para as vigas convencionais Fonte: o autor

8.1.4 CONCRETO A concretagem das vigas convencionais, das vigas multilaminares, das lâminas isoladas e dos corpos-de-prova, ocorreu no dia 14 de fevereiro de 2008, com início às 17:00 horas e fim às 18:30 horas. Para esta etapa utilizou-se, como resistência característica do concreto, o Fck de 35 MPa e o traço usado foi: 1:1:2, com fator água/cimento de 0,44 litros de água por quilograma de cimento. O cimento utilizado foi o CP-II-E-32, o agregado graúdo foi brita com bitola número 1 (Nº1) e o agregado miúdo utilizado foi do tipo pó-de-pedra com granulometria variada. O traço do concreto foi retirado da tabela de traços “Caldas Branco” e as proporções dos materiais foram obtidas a partir dos seus volumes.

O concreto foi misturado de duas vezes, ou duas masseiras, utilizando uma betoneira, ou misturador, circular horizontal, conforme mostram as FIG. 54 e 55. Todos os concretos lançados, com exceção dos corpos-de-prova, receberam energia de adensamento, através da utilização de um vibrador elétrico, com mangote de 25,00 mm.

Figura 54 – Misturador de concreto Fonte: o autor

Figura 55 – Misturador de concreto Fonte: o autor

8.1.5 VIGAS MULTILAMINARES Para a construção das vigas multilaminares, foram moldadas três unidades, tendo cada uma as seguintes dimensões: 15 cm de largura da base, 20 cm de altura e 200 cm de comprimento.

Na construção de cada viga foram utilizadas três placas de concreto envelopado como descrito a seguir: cada placa foi composta por uma moldura de aço, utilizando um perfil “U” de chapa dobrada, sendo este confeccionado com o aço SAE 1010. Internamente a esta moldura, foi posicionada e soldada em suas bordas, uma malha de aço CA-60, de 5 mm de diâmetro e espaçamento de 100 mm x 100 mm, modelo Q – 196 da Gerdau, conforme mostram as FIG. 56 e 57. As malhas foram soldadas nas bordas das molduras através da utilização de solda elétrica. O eletrodo usado foi da marca CONARCO, A-13, ASME SFA-5.1 E6013 com diâmetro de 2,5 mm. Após a concretagem e a cura, as lâminas foram juntadas de três em três, pelo processo de soldagem elétrica (pontos de solda a cada 30,00 cm em todo o seu diâmetro) formando as vigas multilaminares de concreto, conforme especificado a seguir.

Figura 56 – Moldura de uma lâmina Fonte: o autor

Figura 57 – Molduras de lâminas Fonte: o autor

8.1.6 LÂMINAS DE CONCRETO ENVELOPADO As lâminas de concreto envelopado foram moldadas juntamente com as demais lâminas que compuseram as vigas multilaminares, portanto seguiram os mesmos critérios citados no item 8.1.5 desta Dissertação e foram denominadas L1, L2 e L3.

8.1.7 CONCRETAGEM Para efetuar a concretagem das peças, utilizou-se o seguinte critério construtivo: as fôrmas metálicas das vigas convencionais foram dispostas uma ao lado da outra, sobre uma mesa metálica; em uma segunda mesa metálica, as molduras das lâminas de concreto envelopado foram dispostas em dois grupos de seis molduras cada um, conforme mostram as FIG. 58, 59 e 60.

Figura 58 – Fôrmas metálicas Fonte: o autor

Figura 59 – Molduras travadas em mesa metálica Fonte: o autor

Figura 60 – Molduras travadas em mesa metálica Fonte: o autor

A primeira masseira foi utilizada para a concretagem de um conjunto de seis molduras e uma viga convencional. A segunda masseira concluiu a concretagem das últimas seis lâminas e das últimas duas vigas convencionais. Após o término da mistura da primeira masseira de concreto, foram retirados 4 corpos-de-prova cilíndricos, com diâmetro de 100 mm e altura de 200 mm e foram dispostos junto às vigas convencionais de concreto e às vigas multilaminares. Estes receberam o mesmo tratamento de cura das demais peças, objetos da pesquisa. A FIG. 61 mostra a concretagem dos corpos-de-prova de concreto.

Figura 61 – Moldagem dos corpos-de-prova de concreto Fonte: o autor

As lâminas foram selecionadas em 4 grupos de 3 lâminas cada um. Os primeiros 3 grupos formaram as vigas multilaminares e o último grupo formou o lote de lâminas individuais que foram testadas individualmente no ensaio de flexão. As FIG. 62, 63, 64, 65, 66, 67 e 68 mostram detalhes das concretagens.

Figura 62 – Concretagem das vigas convencionais Fonte: o autor

Figura 63 – Concretagem das vigas convencionais Fonte: o autor

Figura 64 – Concretagem das vigas convencionais Fonte: o autor

Figura 65 â&#x20AC;&#x201C; Concretagem das vigas multilaminares Fonte: o autor

Figura 66 â&#x20AC;&#x201C; Concretagem das vigas multilaminares Fonte: o autor

Figura 67 â&#x20AC;&#x201C; Concretagem das vigas multilaminares Fonte: o autor

Figura 68 – Concretagem das vigas multilaminares Fonte: o autor

8.1.8 DESFORMA, CURA E JUNÇÃO DAS LÂMINAS Após o término da concretagem, as vigas foram transportadas para um local arejado e isento de raios solares, onde permaneceram pelos 28 dias subseqüentes, sendo que neste período elas receberam o processo de cura, previsto pela ABNT. Nos primeiros sete dias consecutivos, após a concretagem, os elementos foram hidratados num intervalo de aproximadamente três horas por hidratação, sendo que, dos sete aos quatorze dias, num intervalo de três vezes ao dia. No dia 28 de fevereiro de 2008, quatorze dias após a concretagem, as peças foram desmoldadas e as lâminas de concreto envelopado foram juntadas para formarem as três vigas multilaminares deste experimento. A junção se deu através do processo de soldagem, obedecendo as seguintes características: a solda utilizada foi do tipo solda elétrica, com a mesma especificação descrita no processo de construção das molduras de aço para as lâminas de concreto envelopado; a soldagem foi efetuada através de pontos de solda, com 25 mm de comprimento e espaçamentos de 150 mm entre si; os primeiros pontos de solda foram aplicados nas duas extremidades e a partir destes, foram marcados os espaçamentos de 150 mm na direção do centro da viga. Como o comprimento de cada viga é de 2.000 mm, o espaçamento central ficou com 200 mm, como mostra a FIG. 69.

150

200

Pontos de solda Figura 69 – Localização dos pontos de solda nas vigas multilaminares Fonte: o autor

As FIG. 70, 71 e 72 mostram o processo de soldagem das lâminas de concreto envelopado para formarem as vigas multilaminares de concreto.

Figura 70 – Montagem das vigas multilaminares Fonte: o autor

Figura 71 – Montagem das vigas multilaminares Fonte: o autor

Figura 72 – Montagem das vigas multilaminares Fonte: o autor

As FIG. 73 mostra as vigas convencionais de concreto armado após a retirada dos painéis laterais das fôrmas.

Figura 73 – Montagem das vigas multilaminares Fonte: o autor

As vigas multilaminares de concreto receberam uma pintura, em esmalte de cor cinza, nas regiões dos perfis de aço que compõem as molduras metálicas e uma pintura, tipo látex branco, nas laterais de concreto aparente. A pintura cinza teve como objetivo proteger o aço dos efeitos da corrosão e permitir a visualização das molduras em relação à peça acabada. A pintura branca nas laterais das vigas teve como objetivo homogeneizar o visual da face e potencializar, também, a visualização das possíveis fissuras que apareceriam quando elas fossem submetidas aos carregamentos previstos, no laboratório de ensaios físicos. Semelhantemente, as vigas convencionais de concreto foram pintadas, adotando, também, as cores cinza em seus contornos e branca nas faces laterais. Neste caso a cor cinza

não teve função nesta pesquisa e, como foi aplicada em concreto, ela não foi em esmalte sintético, e sim em tinta látex. O branco teve objetivo semelhante ao citado no caso das vigas multilaminares.

8.1.9 ENSAIOS FÍSICOS LABORATORIAIS As vigas convencionais de concreto, as lâminas individuais e as vigas multilaminares foram moldadas e estocadas por um prazo superior a 28 dias para obterem a resistências característica de dosagem do concreto. Após preparadas, as vigas e lâminas individuais foram transportadas para o laboratório de materiais da empresa PRECON, onde foram submetidas aos ensaios de flexão. O carregamento foi progressivo até atingir a carga P de projeto. As vigas foram monitoradas quanto às deformações provenientes do momento fletor atuante e da força cortante. Logo após a observância da carga P de projeto, o carregamento sofreu um aumento contínuo de intensidade até atingir a carga última (Pu), levando as vigas ao colapso. Nesta fase também foram observadas as deformações das peças. Outra etapa deste experimento consistiu no rompimento de três placas, de forma isolada, iguais às que compuseram as vigas multilaminares, pois estas retratam o elemento primitivo da tecnologia das Estruturas Multilaminares de Concreto. Para esta etapa os procedimentos de carregamento foram semelhantes aos anteriores, porém observou-se apenas a carga de ruptura. A deformação máxima de trabalho permitida foi pré-estabelecida em 1/300 do vão livre, ficando esta igual a 6,0 mm. A flecha total máxima de 1/300 do vão, descrita pelo autor Süssekind (1989), tem como objetivo exclusivo criar um ponto limitador para que as vigas fossem analisadas em seus regimes elásticos, afastadas dos carregamentos de ruptura ou cargas últimas. O ensaio à flexão permitiu as análises das deformações instantâneas e das cargas últimas das vigas multilaminares, bem como a comparação com as vigas convencionais de concreto armado, quando submetidas aos mesmos esforços, caracterizando, assim, o comportamento das vigas propostas pela tecnologia das Estruturas Multilaminares de

Concreto, no tocante às suas capacidades de carga.

Capítulo 9 – Ensaios laboratoriais ___________________________________________________________________________

9.1 DESCRIÇÕES DOS ENSAIOS Os ensaios físicos laboratoriais foram feitos no dia 28 de março de 2008, na empresa PRECON, em Pedro Leopoldo – MG. Foi utilizada uma prensa hidráulica, com célula de carga para carregamento máximo de 1.000,00 kN. O carregamento foi progressivo, com uma taxa de variação de aproximadamente 5,00 kN / min. Em cada viga foi colada, com massa plástica, uma plaqueta metálica, localizada na face inferior e no ponto médio da maior dimensão, para servir de apoio para o extensômetro. Este foi calibrado com uma leitura de 2,80 cm de encolhimento e, à medida que as vigas foram fletindo-se, o extensômetro começou a ser descarregado, fornecendo as deformações apresentadas pelas peças, diante do carregamento externo. A FIG. 74 mostra uma viga multilaminar com o extensômetro localizado no centro da mesma, para medições das deformações impostas pelo carregamento.

Figura 74 – Viga com posicionamento do extensômetro Fonte: o autor

A FIG. 75 mostra a prensa utilizada nos ensaios de flexão das vigas, objetos deste estudo científico.

Figura 75 – Prensa hidráulica da empresa PRECON Fonte: o autor

Para a realização dos ensaios físicos, foi utilizada a seguinte ordem metodológica: iniciou-se com as vigas convencionais de concreto armado (VCA). A aplicação do carregamento foi progressiva até atingir o rompimento das peças. As leituras das deformações ocorreram a cada 1,00 kN de carga aplicada. Os resultados foram anotados e as peças foram fotografadas. As FIG. 76 a 81 mostram as vigas convencionais de concreto armado sendo posicionadas para os ensaios e o momento das rupturas estruturais das mesmas.

Figura 76 – Viga convencional sendo posicionada Fonte: o autor

Figura 77 - Viga convencional sendo posicionada Fonte: o autor

Figura 78 – Visão em escala da viga convencional Fonte: o autor

Figura 79 – VCA 01 no momento da ruptura Fonte: o autor

Figura 80 - VCA 02 no momento da ruptura Fonte: o autor

Figura 81 - VCA 03 no momento da ruptura Fonte: o autor

Em uma segunda etapa foram realizados os ensaios de flexão das vigas multilaminares de concreto (VML). Os procedimentos de carregamentos e anotações de suas deformações seguiram um processo semelhante ao utilizado com as vigas convencionais de concreto armado (VCA). O processo foi fotografado e as imagens estão dispostas a seguir, nas FIG. 82 a 87, sendo que na FIG. 83 a viga foi deformada excessivamente a título de observação do comportamento da forma primitiva da peça e nas demais figuras as vigas encontram-se nos seus momentos de ruptura.

Figura 82 - VML 01 no momento da ruptura Fonte: o autor

Figura 83 – VML 01 com deformação excessiva Fonte: o autor

Figura 84 - VML 02 no momento da ruptura Fonte: o autor

Figura 85 - VML 02 no momento da ruptura (outro lado) Fonte: o autor

Figura 86 - VML 03 no momento da ruptura Fonte: o autor

O terceiro passo do experimento foi composto pelo carregamento de três lâminas individuais, de maneira semelhante à utilizada nas vigas de concreto armado e também nas vigas multilaminares de concreto. Nesta última etapa não foram anotadas as deformações, pois, além de não haver parâmetro para comparação destes dados, o objetivo foi observar o efeito do confinamento direto da lâmina central das vigas na resistência total da viga multilaminar. As FIG. 87 a 93 mostram as lâminas individuais sendo carregadas e em seus momentos de ruptura estrutural.

Figura 87 – Lâmina L1 pronta para receber o carregamento Fonte: o autor

Figura 88 – Lâmina L1 no momento da ruptura Fonte: o autor

Figura 89 - Lâmina L2 pronta para receber o carregamento Fonte: o autor

Figura 90 - L창mina L2 no momento da ruptura Fonte: o autor

Figura 91 - L창mina L3 pronta para receber o carregamento Fonte: o autor

Figura 92 - L창mina L3 no momento da ruptura Fonte: o autor

Os ensaios físicos de flexão das vigas convencionais de concreto armado (VCA), das vigas multilaminares de concreto (VML) e das lâminas de concreto envelopado (L) foram feitos em um mesmo dia. Os dados foram coletados e, posteriormente, sistematizados em tabelas e gráficos, a fim de propiciarem as condições necessárias para a análise da eficácia das vigas multilaminares, no tocante às suas capacidades de carga. Os ensaios de compressão simples dos corpos de prova de concreto foram executados pelo laboratório de matérias da Faculdade de Engenharia e Arquitetura da Universidade FUMEC, no dia 14 de abril de 2008. Os resultados estão apresentados no capítulo 10 desta Dissertação.

Capítulo 10 – Resultados ___________________________________________________________________________

10.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS Os dados relativos aos carregamentos das peças, às deformações e às cargas de ruptura das mesmas estão catalogados na TAB. 5 e representados em gráficos de linha, que mostram a relação entre as forças aplicadas e as deformações verificadas. A apresentação dos resultados gráficos e numéricos segue a mesma ordem de execução dos ensaios, ou seja: em primeiro lugar, encontram-se as vigas convencionais de concreto armado; em segundo lugar, as vigas multilaminares de concreto e por último, as lâminas de concreto envelopado.

10.2 VIGAS CONVENCIONAIS DE CONCRETO ARMADO, VIGAS MULTILAMINARES E LÂMINAS INDIVIDUAIS A TAB. 5 organiza os dados obtidos nos ensaios de flexão das vigas: VCA 01; VCA 02; VCA 03; VML 01; VML 02 e VML 03, sendo que as cargas estão em kN e as deformações em centésimo de mm. As unidades foram catalogadas conforme o equipamento utilizado e foram transformadas para o Sistema Internacional de Medidas.

Tabela 5 – Relação entre carga e deformação

Carga

Deformação em centésimo de milímetro

VCA 01

VCA 02

VCA 03

VML 01

VML 02

VML 03

1,00

-8

2,00

-39

3,00

-59

4,00

-59

5,00

110

-55

6,00

128

-50

7,00

144

-45

Carga

Deformação em centésimo de milímetro

VCA 01

VCA 02

VCA 03

VML 01

VML 02

VML 03

8,00

108

162

-40

9,00

119

178

-35

10,00

133

220

-29

105

11,00

105

152

278

-24

110

12,00

145

171

318

-20

116

13,00

190

208

366

-13

125

14,00

218

235

415

-8

133

15,00

258

264

452

-2

142

16,00

298

325

486

151

17,00

331

370

522

104

162

18,00

376

390

570

112

173

19,00

407

418

610

123

186

20,00

440

443

645

132

199

21,00

474

463

685

144

214

22,00

530

490

730

156

226

23,00

560

515

775

168

240

24,00

600

542

798

178

252

25,00

633

568

820

186

112

267

26,00

667

595

835

195

128

281

27,00

692

620

868

207

143

296

28,00

717

645

910

218

158

311

29,00

744

670

950

228

173

326

30,00

767

698

982

239

185

340

31,00

795

720

1060

251

197

359

32,00

832

742

1162

260

208

380

33,00

882

763

1240

273

218

394

34,00

924

790

1315

285

230

412

35,00

1150

819

1380

295

242

426

36,00

1195

845

1450

307

252

440

37,00

1325

870

1605

319

265

454

38,00

1493

896

2000

330

278

470

Carga

Deformação em centésimo de milímetro

VCA 01

VCA 02

VCA 03

VML 01

VML 02

VML 03

39,00

1805

1250

2380

343

290

486

40,00

2580

1600

355

304

502

41,00

2908

2100

368

317

520

42,00

380

330

535

43,00

393

345

550

44,00

404

357

566

45,00

416

371

583

46,00

428

385

600

47,00

440

398

617

48,00

451

412

635

49,00

465

427

654

50,00

479

443

670

51,00

492

457

689

52,00

504

472

705

53,00

517

490

728

54,00

529

506

740

55,00

545

522

760

56,00

558

540

783

57,00

572

555

804

58,00

588

572

825

59,00

602

594

848

60,00

615

612

870

61,00

631

634

895

62,00

647

655

920

63,00

663

675

950

64,00

680

700

976

65,00

698

725

1005

66,00

717

750

1040

67,00

735

750

1068

68,00

755

779

1100

69,00

778

811

1140

100

Carga

Deformação em centésimo de milímetro

VCA 01

VCA 02

VCA 03

VML 01

VML 02

VML 03

70,00

797

850

1170

71,00

822

885

1208

72,00

850

935

1251

73,00

882

1308

74,00

918

1352

75,00

957

1420

76,00

996

1488

77,00

1043

1560

78,00

1097

1630

79,00

1157

1705

80,00

1230

1790

81,00

1327

1890

82,00

1440

1996

83,00

1600

2120

84,00

2275

85,00

2438

86,00

2550

A seguir estão descritos os resultados das cargas de ruptura das lâminas individuais, das vigas convencionais de concreto e das vigas multilaminares.

L1: 25,80 kN,

L2: 28,70 kN,

L3: 25,90 kN,

VCA 01: 43,40 kN,

VCA 02: 43,00 kN,

VCA 03: 38,90 kN, VML 01: 87,00 kN, VML 02: 71,00 kN, VML 03: 87,00 kN Os ensaios dos corpos de prova de concreto apresentaram os seguintes resultados:

CP 01: 53,8 MPa; CP 02: 50,9 MPa; CP 03: 52,7 MPa; CP 04: 51,9 MPa Resistência média do concreto dos corpos de prova = 52 MPa

101

Os gráficos a seguir exibem os dados referentes às vigas convencionais de concreto armado (VCA) e às vigas multilaminares de concreto (VML).

Gráfico 1 – Relação entre carregamento e deformação, referente à VCA 01

Deformação (centésimo de mm)

VCA 01 - carga x deformação

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -500 0

Carregamento (kN)

Gráfico 2 - Relação entre carregamento e deformação, referente à VCA 02

Deformação (centésimo de mm)

VCA 02 - carga x deformação

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -500 0

Carregamento (kN)

102

APRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS RESULTADOS

Gráfico 3 - Relação entre carregamento e deformação, referente à VCA 03

Deformação (centésimo de mm)

VCA 03 - carga x deformação

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -500 0

Carregamento (kN)

Gráfico 4 - Relação entre carregamento e deformação, referente à VML 01

Deformação (centésimo de mm)

VML 01 - carga x deformação

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -500 0

Carregamento (kN)

103

APRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS RESULTADOS

Gráfico 5 - Relação entre carregamento e deformação, referente à VML 02

Deformação (centésimo de mm)

VML 02 - carga x deformação

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -500 0

Carregamento (kN)

Gráfico 6 - Relação entre carregamento e deformação, referente à VML 03

Deformação (centésimo de mm)

VML 03 - carga x deformação

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 -500 0

Carregamento (kN)

104

APRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS RESULTADOS

Gráfico 7 – Valores médios das deformações em relação às cargas, referentes às VCA e VML

Deformações (centésimo de mm)

VCA x VML - cargas x deformações (valores médios)

3500 3000 2500 2000

VCA

1500 1000

VML

500 0 -500 0

Carregamento (kN)

Gráfico 8 – Valores médios das deformações em relação às cargas, demonstrados pelas linhas de tendência

Deformações (centésimo de mm)

VCA x VML - cargas x deformações (linha de tendências dos valores médios)

3500 3000 2500

VCA

2000

VML

1500 1000 500 0 -500 0

Carregamento (kN)

105

APRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS RESULTADOS

Gráfico 9 – Relação entre carga e deformação, referente à VCA 01, para o limite da flecha em 6,0 mm

Deformação (centésimo de mm)

VCA 01 - carga x deformação, limitada na flecha máxima (1/300 do vão)

700 600 500 400 300 200 100 0 -100 -200 0

Carregamento (kN)

Gráfico 10 - Relação entre carga e deformação, referente à VCA 02, para o limite da flecha em 6,0 mm

Deformação (centésimo de mm)

VCA 02 - carga x deformação, limitada na flecha máxima (1/300 do vão)

700 600 500 400 300 200 100 0 -100 -200 0

Carregamento (kN)

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APRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS RESULTADOS

Gráfico 11 - Relação entre carga e deformação, referente à VCA 03, para o limite da flecha em 6,0 mm

Deformação (centésimo de mm)

VCA 03 - carga x deformação, limitada na flecha máxima (1/300 do vão)

700 600 500 400 300 200 100 0 -100 -200 0

Carregamento (kN)

Gráfico 12 - Relação entre carga e deformação, referente à VML 01, para o limite da flecha em 6,0 mm

Deformação (centésimo de mm)

VML 01 - carga x deformação, limitada na flecha máxima (1/300 do vão)

700 600 500 400 300 200 100 0 -100 -200 0

Carregamento (kN)

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APRESENTAÇÃO GRÁFICA DOS RESULTADOS

Gráfico 13 – Relação entre carga e deformação, referente à VML 02, para o limite da flecha em 6,0 mm

Deformação (centésimo de mm)

VML 02 - carga x deformação, limitada na flecha máxima (1/300 do vão)

700 600 500 400 300 200 100 0 -100 -200 0

Carregamento (kN)

Gráfico 14 - Relação entre carga e deformação, referente à VML 03, para o limite da flecha em 6,0 mm

Deformação (centésimo de mm)

VML 03 - carga x deformação, limitada na flecha máxima (1/300 do vão)

700 600 500 400 300 200 100 0 -100 -200 0

Carregamento (kN)

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Capítulo 11 – Discussão ___________________________________________________________________________

11.1 DISCUSSÕES GERAIS Os dados obtidos nos ensaios físicos de flexão das vigas e lâminas desta pesquisa científica proporcionaram uma sistematização numérica e gráfica que possibilita várias análises do ponto de vista estrutural das peças estudadas. Para as análises das vigas é necessário observar que o concreto, que foi dosado para a resistência de 35 MPa, obteve uma resistência média de 52 MPa, atendendo às expectativas iniciais do projeto. Observando a viga convencional de concreto armado VCA 01, pode-se notar que a deformação não ultrapassou 0,1 mm nos primeiros 10,00 kN de carga aplicada. No intervalo compreendido entre 10,00 kN e 34,00 kN a deformação variou de forma linear, atingindo 0,9 mm de flecha e, a partir daí, a viga entrou no processo de colapso, atingindo sua carga de ruptura com 43,40 kN. Pode-se notar que a VCA 01 atingiu a flecha máxima de 6,0 mm com um carregamento de 24,00 kN. A viga convencional VCA 02 apresentou uma deformação menor, quando comparada com a viga VCA 01, sendo que a linearidade da deformação em relação ao carregamento ocorreu nos primeiros 38,00 kN de carregamento. Com 38,00 kN de carga a deformação ficou em torno de 0,9 mm de flecha, no centro do vão. Depois de 38,00 kN a viga entrou em um processo de deformação excessiva, chegando ao colapso, com uma carga de 43,00 kN. Pode-se observar que as duas vigas, VCA 01 e VCA 02, atingiram um ponto crítico estrutural quando a flecha aproximou-se de 1 mm e isso ocorreu com um carregamento de 34,00 kN e 38,00 kN respectivamente. A VCA 02 atingiu a flecha máxima de 6,0 mm com um carregamento de 26,00 kN, valor este muito próximo do verificado na VCA 01, que foi de 24,00 kN. Por último, a viga convencional de concreto armado VCA 03 atingiu seu ponto crítico de linearidade entre carregamento e deformação quando a flecha atingiu 1,0 mm, com um carregamento de 30,00 kN. A partir deste momento, a viga evoluiu rapidamente para a ruptura. A VCA 03 atingiu a flecha máxima de 6,0 mm com um carregamento de 19,00 kN. As vigas VCA 01 e VCA 02 tiveram seus colapsos com um carregamento de 43,40 kN e 43,00 kN respectivamente e a viga VCA 03, com 38,90 kN. Analisando as três vigas convencionais ensaiadas, pode-se verificar que a flecha máxima adotada, de 6,0 mm, ocorreu com o carregamento variando entre 19,00 kN e

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26,00 kN, sendo que o ponto crítico de resistência mecânica, a partir do qual as vigas evoluíram para a própria ruína, ocorreu com uma flecha de aproximadamente 1,0 mm e no intervalo que variou entre 30,00 kN e 38,00 kN. A demonstração dos valores médios dos resultados mostra que as vigas convencionais de concreto armado, que foram dimensionadas para uma carga máxima de 10,73 kN, trabalharam dentro da faixa aceitável, limitada pela flecha máxima, até o limite médio de 23,00 kN, demonstrando mais de 100 % de resistência mecânica a favor da segurança. Os dados obtidos com os ensaios físicos das vigas multilaminares de concreto mostram uma divergência em relação aos coletados para as vigas convencionais de concreto armado. Na viga VLM 01 observou-se uma linearidade na proporção entre carga e deformação, até a flecha aproximar-se de 1,0 mm, semelhante ao observado nas vigas convencionais de concreto armado, porém este fato ocorreu com um carregamento e 76,00 kN. A partir deste ponto a viga evoluiu para a ruptura, que ocorreu com uma carga de 87,00 kN. A flecha máxima de 6,0 mm foi verificada para uma carga de 59,00 kN. Na viga VML 02, a proporcionalidade linear entre carga e deformação foi observada até a flecha de 0,8 mm, para um carregamento de 68,00 kN e o rompimento da viga ocorreu com a carga de 71,00 kN. A flecha máxima de 6,0 mm foi verificada também para uma carga de 59,00 kN. No ensaio da viga VML 02, os primeiros valores das deformações foram negativos. Esta ocorrência foi proporcionada pela torção localizada na região da aplicação da carga, proveniente da acomodação das lâminas. A partir do carregamento de 15,00 kN, os dados passaram de negativos para positivos e a viga deformou-se de maneira semelhante à viga VML 01. A terceira e última viga multilaminar analisada foi a VML 03 e os dados mostraram que a linearidade da proporção entre carga e deformação manteve-se até a flecha atingir 1,0 mm, para uma carga de 65,00 kN. A partir deste ponto a viga entrou no processo de colapso e rompeu-se com um carregamento de 87,00 kN. A flecha máxima de 6,0 mm foi verificada para uma carga de 46,00 kN. Analisando as três vigas multilaminares ensaiadas, pode-se verificar que a flecha máxima adotada, de 6,0 mm, ocorreu com o carregamento variando entre 46,00 kN e 59,00 kN, sendo que o ponto crítico de resistência mecânica, a partir do qual as vigas evoluíram para a própria ruína, ocorreu com uma flecha de aproximadamente 1,0 mm e no intervalo que variou entre 71,00 kN e 87,00 kN. Os valores obtidos nos ensaios das lâminas individuais de concreto envelopado mostram que as cargas de ruptura aproximam de 26,00 kN, valor este que corresponde a 1/3

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dos valores das cargas de ruptura das vigas multilaminares de concreto. As vigas multilaminares (VML) foram compostas por três lâminas cada uma. Isso mostra que não ocorreu o efeito do confinamento direto, proporcionado pelas lâminas externas sobre a lâmina interna, no aumento da resistência à flexão das vigas multilaminares. Este fato pode estar diretamente ligado às dimensões escolhidas para as peças envolvidas nesta pesquisa. Com a utilização de um número mais elevado de lâminas e comprimentos maiores em relação aos que foram adotados para as vigas ensaiadas, é possível que o efeito de confinamento eleve a resistência geral das vigas, quanto às suas capacidades de carga, confirmando os indícios estudados na literatura de referência. De maneira sintetizada, pode-se notar que, quando observados os valores médios, as vigas convencionais de concreto armado atingiram a flecha máxima com a carga de 23,00 kN e as vigas multilaminares de concreto com a carga de 54,67 kN, perfazendo uma diferença de 138 % a favor da resistência mecânica das vigas multilaminares em relação às vigas convencionais de concreto armado, lembrando que ambas tiveram a mesma seção transversal, o mesmo vão, o mesmo concreto e a mesma área equivalente de aço submetido ao esforço estudado, que é a flexão simples. Para a carga média de ruptura pode-se verificar, para as vigas convencionais de concreto armado, o valor de 41,77 kN e para as vigas multilaminares de concreto, o valor de 81,67 kN. A diferença positiva a favor da capacidade de carga das vigas multilaminares em relação às vigas convencionais de concreto armado foi de 96 %, no momento da ruptura. Vale ressaltar alguns cuidados no processo de moldagem das peças multilaminares, tais como: a soldagem deve ser acompanhada com muito critério, pois a união da malha de aço com o concreto define o desempenho da lâmina de concreto envelopado; a concretagem das lâminas deve ser feita sobre uma superfície lisa e plana para garantir uma uniforme junção quando estas forem aglutinadas; a precisão de medidas das estruturas multilaminares deve seguir a precisão utilizada em estruturas metálicas, que é milimétrica.

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Capítulo 12 – Conclusão ___________________________________________________________________________

Este estudo científico foi inspirado na possibilidade de desenvolver uma nova forma de combinar o aço e o concreto, utilizando os princípios físicos da protensão e do confinamento. A ciência nos mostra os efeitos destas ações no aumento da resistência mecânica das peças de concreto. Baseado em tais princípios físicos, as vigas multilaminares de concreto foram moldadas, na expectativa de que os indícios científicos de resistência física fossem ratificados no atual estudo. Após ter seguida a metodologia, com o rigor necessário das precisões das fôrmas das vigas convencionais de concreto armado, das armações convencionais, da dosagem e mistura do concreto, dos perfis, telas e soldagens das vigas multilaminares, e da mão-de-obra envolvida, todas as peças e corpos-de-prova de concreto passaram por um minucioso processo de cura para impedir o enfraquecimento dos elementos pela perda de água prematuramente. Este fato pode ser verificado na eficiência mecânica de todas as peças ensaiadas. Os resultados de laboratório mostram que as vigas convencionais comportaram-se dentro do previsto, sendo que a carga de projeto foi de 10,73 kN e, com os coeficientes de segurança previstos pela ABNT para o concreto armado e com a margem de segurança existente no concreto, estas sofreram um aumento de resistência mecânica, atingindo a flecha máxima com a carga média de 23,00 kN. Índice de segurança de 114 %. As vigas multilaminares de concreto comportaram-se de forma diferente, quando comparadas com as vigas convencionais de concreto armado. Apesar de ambas terem sido calculadas e moldadas de forma equivalente, do ponto de vista estrutural e dimensional, as vigas multilaminares deformaram-se menos e atingiram a flecha máxima com um carregamento médio de 54,67 kN. Observando os valores acima citados, pode-se concluir que esta nova tecnologia de combinar o aço e o concreto, denominada “Estruturas Multilaminares de Concreto” na moldagem de vigas, propiciou um avanço nos conceitos de vigas mistas, até então não citados pelos autores afins. Ao comparar os valores das cargas máximas no instante em que as vigas atingiram a flecha máxima de 1/300 do vão livre, ou seja, de 6,0 mm para as atuais peças, pode-se também concluir que as vigas multilaminares de concreto tiveram um desempenho de 138 % superior ao desempenho apresentado pelas vigas convencionais de concreto armado.

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Desta forma, conclui-se o objetivo primeiro deste estudo científico, que foi a determinação experimental do comportamento de vigas multilaminares de concreto e aço e a comparação com vigas convencionais de concreto armado, no tocante à capacidade de carga, sendo que as vigas multilaminares apresentaram um desempenho médio superior de 138 % em relação às vigas convencionais de concreto armado. Como sugestão para trabalhos futuros, pode-se levar em consideração: a possibilidade da moldagem das estruturas multilaminares utilizando concretos de baixa resistência ou com utilização de seixo rolado; a alteração da direção do aço que compõe a malha interna das lâminas; a verificação do comportamento de vigas multilaminares submetidas a esforços na direção ortogonal, em relação à direção estudada nesta pesquisa; a utilização das estruturas multilaminares na moldagem de pilares; a possibilidade de construção de vigas com seção “I”, sendo a alma de concreto envelopado e as mesas em aço estrutural; ensaios utilizando carregamentos uniformemente distribuídos.

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