Análise teórico-experimental de ligações parafusadas em perfis formados a frio

ENGENHARIA CIVIL

Análise teórico-experimental de ligações parafusadas em perfis formados a frio

Cassius Soares Morais^I; Alexandre Camillo da Silva^I; Luiz Fernando Loureiro Ribeiro^II; Arlene Maria Sarmanho Freitas^III

^IEngenheiro Civil, Mestrando, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Construção Metálica, Escola de Minas, UFOP. E-mail: [e-mail], [e-mail]

^IID. Sc., Professor, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Construção Metálica, Escola de Minas, UFOP. E-mail: [e-mail]

^IIID. Sc., Professora, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Construção Metálica, Escola de Minas, UFOP. E-mail: [e-mail].

RESUMO

Nesse trabalho, são apresentados estudos teórico-experimentais para avaliação do comportamento de ligações viga-coluna parafusadas, utilizando seções transversais em perfis de aço formados a frio de paredes finas. O programa experimental consiste de seis testes experimentais com dois tipos de protótipos. Com os resultados obtiveram-se a curva momento-rotação, a rigidez da ligação, bem como os momentos últimos e seu mecanismo de colapso.

Palavras-chave: perfis formados a frio, ligações parafusadas, ligações semi-rígidas.

ABSTRACT

This paper presents a theoretical-experimental study to evaluate the behavior of bolted beam-column connections of thin-walled cold-formed steel sections. The experimental program consists of six tests with two different prototypes. The moment-rotation curves, the stiffness connection, ultimate moment and collapse modes were obtained from the tests.

Keywords: cold formed steel members, bolted connections, Semi-rigid joints.

1. Introdução

Uma das alternativas para combater a carência habitacional no Brasil são os sistemas construtivos industrializados, utilizando estruturas metálicas constituídas de perfis formados a frio. Desde 1990, existe uma tendência de se estender o uso do aço para edificações de pequeno porte, utilizando-se perfis formados a frio em elementos estruturais dessas edificações. No entanto, para compatibilizar economia, leveza e flexibilidade de montagem, a otimização da edificação, do ponto de vista estrutural, envolve a sua concepção e, principalmente, o tipo de ligação.

As ligações parafusadas são semi-rígidas e apresentam uma maior garantia de qualidade e rapidez na execução. Atualmente diversos estudos visam à determinação da real rigidez dessas ligações, para as avaliações estruturais (Chung & Lau, 1999); (Shakourzadeh, Guo & Batoz, 1999); (Chung & Lawson, 2000); (Chung & Ip, 2001); (Wong & Chung, 2002); (Wong & Chung, 2005). A semi-rigidez está condicionada à tipologia da ligação em estudo, o que conduz a uma avaliação teórico-experimental da mesma.

Assim, considerando-se a utilização de perfis formados a frio e as ligações parafusadas, apresentam-se a seguir estudos teórico-experimentais do comportamento de ligações viga-coluna, a partir de uma tipologia de ligação desenvolvida e que agrega condicionantes construtivos e de montagem de estruturas em aço (Morais, 2003).

2. Desenvolvimento das avaliações experimentais

As ligações desenvolvidas foram baseadas em edificação projetada para utilização de perfis formados a frio com dois pavimentos (Protótipo USIHAB, 2001).

A seção transversal utilizada para as vigas foi do tipo "caixa", composta pela associação de dois perfis do tipo U enrijecido, unidos através de solda intermitente (Figura 1 (a)). Para as colunas, a seção transversal é do tipo "I enrijecido", formado por dois perfis-cartola, unidos da mesma forma que as vigas (Figura 1 (b)).

A análise estrutural foi realizada através dos softwares comerciais ANSYS (Ansys, 2001). O dimensionamento foi realizado com o software CFS (CFS, 2000), que é baseado nas prescrições da norma americana AISI (1996) (American Iron and Steel Institute). O carregamento foi obtido a partir das normas NBR 6120 (1980) e NBR 6123 (1988). As combinações de ações, nos estados-limites últimos e a verificação dos estados limites de utilização seguiram as prescrições da NBR 14762 (2001).

Na avaliação dos esforços, as ligações viga-coluna foram admitidas como flexíveis. Após o dimensionamento da estrutura, uma ligação-padrão foi projetada e dimensionada para todos os protótipos através das prescrições da AISI e da NBR 14762 (2001), definindo-se os protótipos de testes.

Uma vista geral da ligação padrão é apresentada na Figura 2. A ligação é composta por um "U Suporte", que é soldado a um flange da coluna e em seus enrijecedores, em detalhe na Figura 3 e ^{Foto 1}. O "U" suporte recebe uma furação, nas partes superior e inferior de seus flanges, Figura 3, utilizada para conexão da viga através de Cantoneiras de Ligação soldadas a mesma, Figura 4 e ^{Foto 2}. Outro componente da ligação são os enrijecedores internos em forma de "U simples", que são soldados na alma e no flange da coluna.

3. Programa Experimental

O programa experimental foi definido a partir das análises estruturais e construtivas e se dividiu em protótipos de pilares de canto, denominados PCP1V1 e PCP1Vc1. Foram realizados seis testes, sendo quatro para os protótipos PCP1V1 e dois para os PCP1Vc1. Os protótipos se diferenciam pelas espessuras da viga em que se têm o PCP1V1 com 3,00 mm e o PCP1Vc1 com 2,0 mm. As dimensões da ligação do protótipo são apresentadas na Tabela 1. O material utilizado possui a tensão de escoamento igual a 377 MPa, obtida a partir de ensaios mecânicos em corpo de prova retirados do mesmo lote dos perfis utilizados na fabricação dos protótipos.

A instrumentação utilizou LVDT's (Load Variational Displacement Transducers) e defletômetros mecânicos, para medição de deslocamentos da viga e da coluna da ligação e extensômetros elétricos de resistência (EER), para medição de deformações específicas em pontos predeterminados do protótipo. A Figura 5 ilustra o esquema de montagem desses testes com o posicionamento dos LVDT's e defletômetros e a Figura 6, o posicionamento dos EER.

Durante o ensaio, aplicaram-se carregamentos crescentes através do atuador hidráulico até o colapso do protótipo. Durante cada etapa de carga, foram medidos as deformações e os deslocamentos e, a partir desses resultados foram determinados a rigidez relativa da ligação, as deformações específicas em alguns pontos e os modos de colapso da ligação.

4. Resultados

Nos protótipos testados, foi observado o escoamento dos enrijecedores de borda da coluna na direção das linhas de parafusos do "U Suporte", exceto para os protótipos PCP1Vc1, onde o ensaio foi realizado somente na fase elástica do material, em função da sua utilização em série posterior de ensaios.

A partir dos resultados experimentais dos deslocamentos nos diversos pontos da viga, foi ajustada a deformada da mesma e, em seguida, juntamente com a rotação da coluna, foi obtida a rotação relativa da ligação para as diversas etapas de carga. Com a rotação relativa, para cada passo de carga, foram traçadas as curvas momento-rotação dos protótipos, que são apresentadas nas Figuras 7 e 8. Na Figura 8, destaca-se que o nível de carregamento corresponde ao trecho inicial dos ensaios do protótipo PCP1V1 da Figura 7. O resumo desses resultados está na Tabela 2 e 3 onde se têm as cargas máximas, cargas de colapso e rigidezes para cada protótipo, assim como a rigidez média (k_med) obtida pela média aritmética das rigidezes de cada protótipo.

Para avaliação do nível de rigidez da ligação-padrão, foi realizada uma comparação desta com a ligação flexível. Essa avaliação considerou uma viga biapoiada com as características geométricas e físicas das vigas utilizadas nos ensaios. Na Tabela 4, têm-se as rotações obtidas, considerando a viga com apoio flexível e com apoio elástico, sendo esta a rigidez obtida experimentalmente. Tem-se, ainda, a comparação entre essas rotações.

5. Discussão

Verificou-se que o mecanismo de colapso, caracterizado pelo escoamento dos enrijecedores de borda da coluna, na direção das linhas de parafusos do U Suporte, foi o mesmo para todos os protótipos.

Com a determinação da rigidez, nos protótipos, observa-se que o protótipo PCP1V1 apresentou valores de rigidezes maiores do que os do PCP1Vc1, em função do conjunto viga-coluna, onde a viga de transmissão de esforços para a coluna tem seção transversal caixa 200 x 150 x 25 x 3,00, enquanto tem-se, para o outro protótipo, seção transversal caixa 200 x 150 x 20 x 2,00. Já a seção transversal das colunas é a mesma para os protótipos (Ie 170x170x25x3,0).

A determinação das rigidezes foi obtida a partir da avaliação apenas do trecho reto do gráfico momento-rotação, o que gera valores maiores, se considerado o comportamento total da mesma.

Observa-se, através da Tabela 4, que as ligações PCP1V1 e PCP1Vc1 podem ser consideradas semi-rígidas, pois a rotação relativa entre a viga e a coluna, após o carregamento atingiu valores inferiores a 80% daquela teoricamente esperada, caso a conexão fosse flexível, (AISC, 1994).

6. Conclusões

Ligações parafusadas em perfis formados a frio, como a da tipologia desenvolvida nesse trabalho, são eficientes com relação a facilidades construtivas e também possuem semi-rigidez que pode ser considerada no dimensionamento.

A variação da espessura da viga gera uma mudança na inércia que proporciona forte influência na rotação da mesma, quando da consideração da ligação flexível. No entanto, quando é considerada a semi-rigidez da ligação, a influência da variação da espessura diminui em relação a primeira.

O mecanismo de colapso foi o mesmo em todos os ensaios e caracterizado pelo escoamento do enrijecedor de borda da seção da coluna. Sendo assim, é necessário a avaliação desse elemento, quando do dimensionamento da ligação- padrão o que não está previsto nas normas de projeto.

O programa experimental mostrou-se eficiente com relação à obtenção das medições, para a determinação da curva momento-rotação, bem como para avaliação das verificações obtidas pelo dimensionamento, ou seja, novas soluções de ligações exigem avaliações experimentais.

7. Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq e à empresa Usiminas.

8. Referências Bibliográficas

CFS. RSG Software, Inc. http://www.rsgsoftware.com. 2000.

Artigo recebido em 26/11/2003 e aprovado em 29/10/2005.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  13 Jan 2006
• Data do Fascículo
  Dez 2005

Histórico

• Aceito
  29 Out 2005
• Recebido
  26 Nov 2003