Punção em lajes lisas de concreto armado com furo adjacente ao pilar e transferência de momento

Resumos

The structural behavior and the ultimate punching shear resistance of internal reinforced concrete flat slab-column connections, with one hole adjacent to the column, with or without flexural moment transfer of the slab to the column was investigated. Main variables were: the existence whether or not hole, flexural reinforcement layout and ratio, the direction and sense of the moment transferred and the eccentricity of the load (M (moment transferred to column) / V (shear)) ratio at the connection - 0,50 m or 0,25 m. Seven internal slab-column joining were tested and ultimate loads, cracking, deflections, concrete and reinforcement strains were analyzed. The existence of hole adjacent to the smaller column dimension, the hole dimension, flexural reinforcement rate and placing, the variation of relation Mu/Vu in function of the load, and, than, of eccentricity of the load, influenced the slabs behavior and rupture load. Test results were compared with the estimations from CEB-FIP/MC1990 [7], EC2/2004 [12], ACI-318:2011 [1] and NBR 6118:2007 [5]. ACI [1] and EC2 [12] presented most conservative estimates, although have presented some non conservative estimates. Brazilian NBR [5], even though being partly based in EC2 [12], presented smaller conservative estimates and more non conservative estimates. A modification on all codes is proposed for taking in account the moment caused by the eccentricity at the critical perimeter for slabs with holes.

structures; flat slabs; reinforced concrete; punching shear; hole

^ISchool of Civil Engineering, Federal University of Goias, Goiânia, Brazil; E-mail: [e-mail]; [e-mail]

^IIDepartment of Civil and Environmental Engineering, University of Brasilia, Brasilia, Brazil.; E-mail: [e-mail]

RESUMO

São investigados o comportamento estrutural e a resistência última à punção de ligações laje-pilar de regiões internas das lajes lisas, com um furo adjacente ao pilar, e com ou sem transferência de momento fletor da laje ao pilar. As principais variáveis foram: a existência ou não de furo, a taxa e a distribuição da armadura de flexão, a direção e o sentido do momento transferido e a excentricidade de carga (relação M(momento transferido ao pilar)/V(força cortante)) na ligação, igual a 0,50 m ou 0,25 m. Foram ensaiadas 7 (sete) ligações internas laje-pilar e analisados os resultados das cargas últimas, fissuração, deslocamento vertical, deformações das armaduras de flexão e do concreto. A existência de furo adjacente ao menor lado do pilar, a taxa e a distribuição da armadura de flexão, a variação da relação Mu/Vu em função do carregamento, e, por conseguinte, da excentricidade, influenciaram o comportamento e a carga de ruptura das lajes. Os resultados experimentais foram comparados com os estimados pelas normas: CEB-FIP/MC1990 [7], EC2/2004 [12], ACI-318:2011 [1] e NBR 6118:2007 [5]. O ACI [1] e o EC2 [12] apresentaram estimativas mais conservadoras, embora tenham apresentado algumas estimativas contra a segurança. A NBR 6118:2007 [5], apesar de baseada em parte no EC2 [12], apresentou estimativas menos conservadoras e com um número maior de estimativas contra a segurança.

Palavras-chave: estruturas, laje lisa, concreto armado, punção, furo.

1. Introdução

Lajes lisas, conforme a NBR 6118:2007 [4], são estruturas laminares planas, horizontais, apoiadas diretamente sobre pilares. É um sistema estrutural que aparece como alternativa para o sistema convencional, em que as lajes são apoiadas em vigas. A ausência de vigas pode apresentar algumas vantagens, tais como: economia de fôrmas, diminuição do pé direito, aumento do número de andares para prédios com limitação de cota e uma maior flexibilidade para o arranjo arquitetônico. A adoção de lajes lisas também possibilita uma maior velocidade de execução dos painéis de laje, o que as torna mais econômicas em comparação com o sistema convencional, com vigas. Esta maior velocidade pode ser obtida pela simplicidade construtiva, com facilidade na: execução de formas, com a redução de recorte devido à ausência de vigas; no corte, na dobra e na colocação das armaduras; e na concretagem.

Uma desvantagem das lajes lisas é a possibilidade de uma ruptura por puncionamento, para uma carga menor do que seria a carga de ruptura por flexão. A ruptura por puncionamento ocorre repentinamente, com pequeno ou nenhum aviso, praticamente sem apresentar ductilidade, podendo levar até a ocorrência de colapso progressivo (propagação de uma ruptura ocorrida originalmente em pequena parte da estrutura, na qual o dano resultante é desproporcionalmente maior que o original).

1.1 Justificativa

Apesar deste sistema estrutural (lajes lisas) ser amplamente utilizado, o estudo da punção é um assunto ainda não perfeitamente definido teoricamente. Os códigos internacionais e a norma nacional abordam o assunto (punção) baseado em trabalhos empíricos, sendo que os critérios adotados para o dimensionamento não são os mesmos e as especificações de cálculo apontadas são frequentemente questionadas pelos estudiosos da área. As pesquisas experimentais são fundamentais no entendimento dos diversos problemas que envolvem a utilização deste tipo de sistema.

Vários trabalhos experimentais têm sido realizados no exterior e no Brasil avaliando a resistência à punção de lajes lisas de concreto armado e abordando vários aspectos tais como: cargas concentradas, existência de armadura de cisalhamento, pilares de borda, existência de furos e de transferência de momentos, a citar HANSON e HANSON [16], REGAN [20], TAKEYA [25], CARVALHO [8], GOMES [13], PINTO [19], CORDOVIL [10], GOMES e ANDRADE [15], SANTOS [22], DIAS [11], VARGAS [27], OLIVEIRA [17], ANDRADE [3], COELHO [9], REGAN [21], ANDRADE [2], TRAUTWEIN [26], OLIVEIRA [18], BORGES [6], SOUZA [23] e SOUZA [24]. Dentre estes estudos, destacamos a tese "Punção em Lajes Lisas de Concreto Armado com Furos Adjacentes ao Pilar e Transferência de Momento" de SOUZA [24], na qual foi baseado o presente trabalho. Esta pesquisa contribui para a solução do problema de punção em lajes lisas com furos e com transferência de momento fletor da laje ao pilar.

1.2 Revisão bibliográfica

1.2.1 Regan [20]

REGAN [20] avaliou o efeito de furos, posicionados adjacentes a pilares, na resistência à punção de lajes lisas e procurou minimizar a perda desta resistência com o uso de armadura de cisalhamento. Foram ensaiadas oito lajes quadradas com lado de 2000 mm e espessura de 160 mm, apoiadas no centro de um pilar de 250x150 mm. Foi aplicado um carregamento em oito pontos de carga, sendo dois em cada extremidade da laje. Da pesquisa o autor concluiu que a armadura de cisalhamento, colocada ao lado dos furos, pode ser altamente efetiva para reestabelecer a resistência perdida devido ao furo.

1.2.2 Gomes e Andrade [15]

Com ensaios realizados em Furnas Centrais Elétricas S.A., em Aparecida de Goiânia, Goiás, GOMES e ANDRADE [15] pesquisaram a influência da armadura de cisalhamento tipo "stud" na resistência à punção de lajes lisas, com furos próximos à região do pilar, que simulavam a passagem de tubulações através das lajes. Segundo os autores, os resultados apresentados neste trabalho mostraram que a existência de furos reduziu a resistência à punção de uma laje lisa de concreto armado. Entretanto, a utilização da armadura de cisalhamento na presença de furos permitiu a recuperação de tal perda, mesmo em regiões onde o concreto existente era mínimo.

1.2.3 Souza [24]

SOUZA [24] investigou conjuntamente o efeito da utilização de furos adjacentes e a aplicação de momento fletor. Foram ensaiadas 19 lajes lisas quadradas com 2400 mm de lado e espessura de 150 mm, ligadas monoliticamente a um tronco de pilar com 850 mm (300 mm para cima e 400 mm para baixo) de altura com seção transversal retangular de 200x500 mm. As lajes foram carregadas nas bordas, de cima pra baixo. Entre as lajes, as principais características que diferem umas das outras são: quantidade, posicionamento e dimensões dos furos, a taxa e a distribuição da armadura de flexão, a armadura de cisalhamento e a excentricidade de carga (relação M(momento transferido ao pilar)/V(força cortante)) na ligação laje-pilar. O sistema de ensaio utilizado é mostrado na Figura 1. O autor concluiu que as maiores perdas de resistência ocorreram para as lajes com um furo adjacente ao menor lado do pilar e com a dimensão adjacente do furo maior que a dimensão do pilar (lajes L2, L3 e L4), que tiveram como variável a taxa e o posicionamento da armadura de flexão. Também observou que, para as lajes com momento aplicado, as piores situações com relação à perda de resistência, com furo adjacente ao pilar e transferência de momento, ocorrem quando o momento está no sentido da região com furo, que é mais frágil e não tem concreto para resistir às compressões presentes na camada inferior da placa que são aumentadas devido ao momento.

1.2.4 Borges [6]

BORGES [6] analisou experimentalmente vinte lajes lisas de concreto armado quadradas, com 3000 mm de lado e 200 mm de espessura, com o objetivo de investigar o comportamento de lajes com pilares retangulares, com algumas relações entre os lados do pilar, furos e armadura de cisalhamento. As características e cargas de ruptura das lajes ensaiadas são apresentadas na Tabela 1. Na Figura 2 são apresentados os modelos das lajes ensaiadas por BORGES [6]. O autor concluiu que a armadura de cisalhamento utilizada, constituída de "studs", posicionada de forma a envolver a armadura de flexão das lajes, apresentou um adequado desempenho, conduzindo à formação de uma superfície de ruptura externa à região com armadura, e que a resistência de lajes com furos e armadura de cisalhamento pode atingir e até superar a resistência de lajes similares sem furos. A utilização de armadura de cisalhamento nas lajes com furos possibilitou um aumento de até 86% em relação à laje similar com furos e sem tal armadura, e, permitiu à laje alcançar resistência à punção, no mínimo, igual à da laje similar sem furo. Relatou, ainda, que a utilização de barras adicionais de armadura de flexão na região em torno dos furos não provocou acréscimo de resistência ao puncionamento das lajes, embora tenha conduzido a deslocamentos verticais semelhantes à laje de referência sem furo. E, os ganchos utilizados como ancoragem da armadura principal de flexão, que foi interceptada pelos furos, não alteraram as cargas de ruptura das lajes com furos.

1.2.5 Souza [23]

SOUZA [23] investigou o efeito da utilização de furos adjacentes ou distantes do pilar em oito lajes planas de concreto armado de 1800x1800x130 mm. As características e as cargas de rupturas das lajes são apresentadas na Tabela 2. Em cada laje foram feitos dois furos com dimensões variadas, e foram situados em relação ao pilar quadrado, com 150 mm de lado, conforme mostrado na Figura 3. Em nenhuma laje foi utilizada armadura de cisalhamento. As cargas de ruptura foram inversamente proporcionais às dimensões dos furos e as distâncias desses em relação ao pilar. O autor concluiu que furos em lajes lisas de qualquer dimensão situados próximos ao pilar reduzem significativamente a resistência ao puncionamento. Também verificou que os furos estudados a uma distância de 4d em relação à superfície do pilar não influenciaram na carga e no modo de ruptura à punção. Em suas considerações finais, evidencia que mais estudos devem ser realizados para uma conclusão mais clara sobre a influência de furos distantes do pilar na resistência à punção.

1.2.6 Normas e especificações

Na tabela 3 são apresentadas, de forma resumida, as recomendações de cálculo para lajes lisas, com e sem furos, do Código Americano (ACI/318-2011 [1]), do Código Europeu (EC2/2004 [12]), do Comité Euro-Internacional du Béton (CEB - FIP, 1990 [7]), e da Norma Brasileira (NBR 6118:2007 [5]).

Na Tabela 4 são apresentados os perímetros de controle e suas localizações para lajes lisas com furos, onde é feito um corte no comprimento do perímetro de controle para lajes sem furos, a partir de retas radiais partindo do centro do pilar em direção aos furos. Para o cálculo das tensões, foi considerada a área correspondente ao perímetro de controle multiplicado pela altura útil da laje (d). Apenas o CEB - FIP/MC 1990 [7] não estipula em suas prescrições o perímetro de controle a ser considerado quando há a presença de furos.

2. Materiais e programa experimental

O programa experimental consistiu no ensaio até a ruptura de sete lajes (L1 a L7) com o objetivo de investigar experimentalmente o comportamento de ligações laje-pilar de regiões internas de lajes lisas com um ou dois furos adjacentes ao pilar e com ou sem transferência de momento fletor da laje para o pilar. Foram executados dois padrões geométricos, diferenciados pela existência ou não de furo, com as dimensões de acordo com a Figura 4. As principais variáveis envolvidas nesta investigação experimental foram: 1) a existência ou não de furo; 2) a taxa e a distribuição da armadura de flexão; e 3) o carregamento, com diferentes transferências de momento fletor da laje para o pilar.

O modelo 1, lajes L1 e L2, trata-se de uma laje maciça sem furo. Já o modelo 2 é composto por exemplares com um furo quadrado de 400 mm de lado adjacente ao menor lado do pilar, lajes L2 a L7, ligado monoliticamente a um tronco de pilar protendido, de seção retangular com lados de 200 x 500 mm e com 850 mm de altura (300 mm acima da laje e 400 mm abaixo). Os modelos representam um modelo discreto de laje lisa, simulando um trecho com momento negativo de um pilar interno. Dessa forma, os pontos de aplicação de carga das lajes testadas simulam os pontos de inflexão das lajes, em escala real, o que sugere lajes com vão de aproximadamente 8 a 10 metros. O modelo discreto representa localmente a região do pilar e da laje a ser analisada, adequado para análise isolada de punção, não abrangendo os esforços de membrana existentes num painel de laje. Referente ao carregamento, o mesmo se deu conforme a Tabela 5. O carregamento foi definido com base no trabalho de SOUZA [24] e teve o intuito de simular a punção na região próxima ao pilar, para lajes tanto com simetria de carregamento quanto com a falta de simetria, transferindo momento fletor da laje para o pilar (descontinuidade de momento fletor na laje) - problema frequentemente encontrado na engenharia de projetos em lajes lisas (quando da existência de vãos diferentes ou carregamentos diferenciados para cada lado do pilar) - e também para estudar os efeitos da intensidade do momento aplicado. Com vistas a estimular à transferência de momento fletor em determinado sentido, a intensidade de carga aplicada era maior em um dos lados da amostra. Na laje L4, por exemplo, foi aplicado um carregamento designado como "2P", o que equivale a dizer que o carregamento neste canto da peça foi o dobro do aplicado nos demais cantos, exceto em relação ao lado oposto, que não teve carregamento (designado como carregamento "0"). No entanto, o carregamento vertical total (soma da carga aplicada nos quatro cantos da peça) foi o mesmo em todas as lajes ("4P"). O carregamento era aplicado de cima para baixo por meio de atuadores hidráulicos vazados, colocados sobre vigas metálicas de distribuição e estas apoiadas sobre placas de aço de 100 mm x 200 mm x 20 mm, fixadas sobre a laje, conforme a Figura 1. A Figura 5 mostra o carregamento suportado por cada placa de distribuição para as lajes: L1, sem transferência de momento, e L6, com transferência de momento. A Figura 6 apresenta fotografias do sistema de ensaio (laje L2). Os referidos atuadores foram ancorados em quatro tirantes metálicos, com 29 mm de diâmetro. Os tirantes atravessaram a laje e as vigas metálicas através de furos previamente executados e foram ancorados na laje de reação. A reação ao carregamento ocorreu no pilar central, ligado monoliticamente à laje. O pilar foi apoiado na sua parte inferior sobre um bloco de concreto armado de formato cúbico, com arestas de 600 mm. O bloco foi inserido para facilitar o deslocamento embaixo da laje e teve a função de transmitir a reação da peça de ensaio à laje de reação. Devido ao momento transferido, foi decidida pela introdução de protensão no pilar a fim de prevenir a rotação e, também, simular o carregamento do pilar. A protensão foi efetuada por um atuador hidráulico vazado, com capacidade de 1500 kN, apoiado numa caixa metálica de protensão (aço SAC1045). Este atuador foi ancorado por um tirante, com 44 mm de diâmetro, que atravessava a caixa metálica de protensão, o pilar e o bloco (furo encamisado por tubos de aço no pilar e no bloco).

As armaduras de flexão negativa foram compostas por malhas ortogonais, com barras de 12,5 mm de diâmetro, e posicionadas próximas ao bordo superior das lajes (cobrimento de 15 mm). As Figuras 7 e 8 mostram as armaduras de flexão utilizadas nos modelos 1 e 2, respectivamente.

A armadura de flexão positiva utilizada no modelo 1 foi composta por uma malha ortogonal com 10 barras de 6,3 mm de diâmetro, nas duas direções, espaçadas a cada 24 cm, conforme é mostrado na Figura 9. Já para as amostras do modelo 2, as barras que coincidiram com a posição do furo foram cortadas para que o mesmo fosse inserido, não havendo reposição de barras, como é mostrado na Figura 9.

O aço utilizado foi do tipo CA-50 e CA-60. Para obtenção das propriedades mecânicas desse material, foram ensaiadas amostras conforme NBR 6152 (1992) [4]. A Tabela 6 apresenta as características (propriedades mecânicas) dos aços ensaiados.

O concreto utilizado foi o auto-adensável (CAA), dosado para atingir 30 MPa de resistência característica à compressão. A Tabela 7 apresenta a proporção dos materiais utilizados para produção de um metro cúbico de concreto.

As lajes foram moldadas em formas metálicas. Em cada forma foi encaixado um tubo metálico, com 830 mm de comprimento e 75 mm de diâmetro, no centro do pilar, para posterior passagem do tirante central; e quatro tubos metálicos retangulares com medidas externas de 60 mm x 100 mm, para posterior passagem dos tirantes laterais. Para a moldagem das lajes com furos, foram feitos moldes com Poliestireno Expandido (isopor). A Figura 10 mostra as fotografias da forma metálica e da armadura antes da concretagem para laje L7 e das lajes L1 e L2 moldadas. Após início da pega do concreto, foi colocada água sobre as lajes e estas foram cobertas por lonas plásticas durante 7 (sete) dias. A água foi reabastecida duas vezes por dia, durante os três primeiros dias, e uma vez nos dias remanescentes.

3. Resultados

3.1 Deslocamento vertical

Nas Figuras 11 e 12 são apresentados os gráficos de Deslocamento vertical x Posição em relação ao centro da laje, em cada eixo, dos defletômetros instalados nas lajes L1 (sem furo e sem momento aplicado) e L3 (com furo e com momento aplicado na direção paralela ao maior lado do pilar). Na laje L1, o comportamento da laje nas duas direções foi simétrico, com pouca variação em relação ao previsto. Na laje L3, houve rotação na direção WE onde os deslocamentos nos lados foram contrários, porém, em W houve deslocamento para baixo e em E para cima. Os deslocamentos máximos em W foram superiores, em média, 2,1 vezes os deslocamentos máximos em E. Isto ocorreu devido ao carregamento aplicado, que foi de intensidade "2P" em W, ao passo que o lado oposto (E) não recebeu carregamento. Na direção NS, os deslocamentos máximos em N foram ligeiramente superiores, maiores em 0,07 mm na carga de 25 kN e, na carga de 200 kN, em 1,01 mm.

3.2 Carga e modo de ruptura

Todas as lajes romperam por punção. Na Tabela 8 é apresentado um resumo das principais características das lajes e suas cargas de ruptura.

A laje L2 (V_u = 266 kN, M_u = 116,8 kN.m), sem furo e com momento aplicado paralelo ao maior lado do pilar, teve perda de 38% em relação à laje L1 (laje de referência). Esta redução da carga de ruptura ocorreu devido a transferência de momento fletor da laje para o pilar naquela amostra.

A influência do momento na diminuição da resistência ao cisalhamento também pôde ser verificada na comparação entre as lajes L4 e L5. Ambas tiveram momento aplicado paralelo ao maior lado do pilar e no sentido do furo de 400x400 mm. A diferença entre os modelos foi a intensidade do momento aplicado, que foi maior na laje L4. Como resultado, esta última apresentou perda de 68% em relação à laje de referência, enquanto que na laje L5 a perda foi menor, 50%.

Comparando-se as lajes com furos e com transferência de momento (L3 a L7) com a laje L2, sem furo e com transferência de momento, observou-se que a redução do perímetro da ligação laje-pilar (devido a existência de furo adjacente) não resulta em perda de carga se o momento fletor não estiver aplicado no sentido do furo. As lajes L2 (V_u = 266 kN, M_u = 116,8 kN.m) e L3 (V_u = 250 kN, M_u = 113,7 kN.m), apesar da existência de furo nesta última, apresentaram cargas de ruptura bastante próximas. Interessante observar ainda que, quando a intensidade do momento aplicado foi reduzida na laje com furo, Laje L6 (V_u = 305 kN, M_u = 65,8 kN.m), resultou em uma carga de ruptura inclusive superior a da laje L2, sem furo. Isto indica que a transferência de momento fletor da laje para o pilar é mais prejudicial para a resistência ao cisalhamento que a existência de furo adjacente ao pilar.

3.3 Fissuração e superfície de ruptura

Nas lajes L1 e L2, as fissuras radiais iniciaram no pilar. Nas lajes L3, L6 e L7, tais fissuras iniciaram, ao mesmo tempo, no pilar e nos vértices dos furos. Nas lajes L4 e L5, as fissuras radiais iniciaram nos vértices dos furos. Estas fissuras se ampliaram em direção às bordas das lajes. Posteriormente ou no mesmo carregamento surgiram as fissuras circunferenciais. O panorama de fissuração das lajes é mostrado na Figura 13.

As superfícies de ruptura, das lajes L1 a L7, surgiram na face superior da laje (face tracionada) e se estendeu em direção da junção da laje com o pilar, na face inferior da laje (face comprimida), formando inclinações variadas, que originaram o "cone" de punção. Nas lajes com furo, foi possível ver a formação da superfície de ruptura através do mesmo. A inclinação da superfície de ruptura em relação à face inferior na laje L1 variou entre 31° e 53°. Na laje L2 as superfícies de ruptura se desenvolveram com inclinações que variaram de 27° a 85°. Na laje L3, essa variação foi de 26° a 32°. Nas lajes L4 a L7 as variações foram de, respectivamente, 22° a 67°, 24° a 41°, 17° a 36° e 2° a 41°. As Figuras 14 e 15 apresentam a configuração das superfícies de ruptura para as lajes L1 a L4.

3.4 Comparação entre os resultados experimentais e os teóricos

As cargas estimadas pelas normas admitem a resistência do concreto para a data do ensaio como igual à resistência característica do concreto (fck ≅ fc). Por se tratar de uma verificação de resultados experimentais, não foi adotado nenhum coeficiente de segurança.

Os resultados estimados por algumas normas mostram-se inferiores aos encontrados experimentalmente. É válido lembrar que nesta pesquisa as lajes foram submetidas apenas aos esforços de punção e transferência de momento, sendo que os códigos têm o compromisso de prever muitas outras condições não incluídas nos ensaios e que podem vir a ocorrer numa situação real, tais como: existência de eventuais cargas concentradas assimétricas nas proximidades do pilar, forças horizontais, fissuração nas primeiras idades do concreto, acréscimo de flechas devido à manutenção de cargas por um longo período, condições desfavoráveis de cargas de construção devido à reescoramento, equipamentos pesados, entre outros. Na Figura 16 é apresentada graficamente a comparação entre relações "carga experimental" / "carga estimada" (laje L1) e "tensão experimental" / "tensão estimada" (lajes L2 a L7), sendo que a "carga estimada" e a "tensão estimada" foram obtidas com a utilização das normas estudadas.

O CEB-FIP/MC1990 [7] não traz especificações sobre a utilização de furos em lajes lisas. Em razão disto, a carga de ruptura foi calculada apenas para as lajes L1 e L2.

A NBR 6118:2007 [5], assim como as demais normas apresentaram resultados contra a segurança para a laje L1 (laje de referência), sendo que a norma americana, ACI-318:2011 [1], foi a que mais se aproximou do resultado experimental. Para a laje L2, sem furo, as estimativas das normas estiveram próximas das obtidas experimentalmente. A NBR 6118:2007 [5] teve relação "tensão experimental" / "tensão estimada" igual a 0,97. O ACI-318:2011 [1] foi a norma que se mostrou mais conservadora: apresentou "tensão experimental" superior a "tensão estimada" em 25%. Para as lajes L3 e L6, ambas com momento aplicado no sentido oposto ao furo, todas as normas apresentaram estimativas a favor da segurança, com destaque para o ACI-318:2011 [1] e o EC2/2004 [12], que apresentaram os resultados mais conservadores, com as relações "tensão experimental" / "tensão estimada" variando entre 1,26 e 1,54. Para a NBR 6118:2007 [5] esta relação variou entre 1,10 e 1,28. Nas lajes L4 e L5, ambas com momento aplicado no sentido do furo, a maioria das normas apresentou estimativa contra a segurança, inclusive a NBR 6118:2007 [5], com relações "tensão experimental" / "tensão estimada" variando entre 0,66 e 0,68. A única exceção foi o ACI-318:2011 [1], que apresentou resultado a favor da segurança para a laje L4. Na laje L7, apenas o ACI-318:2011 [1] apresentou resultado a favor da segurança (relação "tensão experimental" / "tensão estimada" igual a 1,17), apesar de que a estimativa do EC2/2004 [12] esteve bastante próxima do resultado experimental (relação "tensão experimental" / "tensão estimada" igual a 0,97). Para a mesma laje, a NBR 6118:2007 [5] apresentou relação de 0,84, portanto contra a segurança.

3.5 Comparação entre os resultados experimentais e os resultados de SOUZA [24]

3.5.1 Deslocamento vertical

O padrão de comportamento dos deslocamentos verticais das lajes dos presente trabalho foi semelhante ao das lajes de SOUZA [24], sendo verificadas as seguintes situações: 1) a presença de furos conduziu a um aumento dos deslocamentos verticais nas regiões dos furos; 2) na direção em que foi aplicado o momento, houve rotação e o lado mais carregado se deslocou no sentido da aplicação da carga, enquanto o bordo oposto se deslocou em sentido contrário ao da aplicação da carga; 3) a direção na qual não foi aplicado o momento, os deslocamentos apresentados por todas as lajes foram semelhantes aos obtidos na laje de referência L1, sem furo e sem momento; 4) nas lajes com furo e momento aplicado paralelo ao maior lado do pilar, a existência de furo não implicou em grandes diferenças de deslocamentos no lado com furo, em relação à laje sem furo com momento aplicado na mesma direção; 5) laje com furo e com momento aplicado paralelo ao menor lado do pilar é a que apresenta maiores deslocamentos na borda mais carregada. A provável causa seria a inércia da ligação laje-pilar, sendo esta inferior na direção paralela ao menor lado do pilar.

3.5.2 Carga de ruptura

A laje L6 do presente trabalho (Vu = 305 kN, Mu = 65,8 kN.m, fc = 45,6 MPa, d = 124 mm, ρ = 1,19%), com furo de 400x400 mm adjacente ao menor lado do pilar e situado na borda tracionada, com momento aplicado na direção paralela ao maior lado do pilar, teve carga de ruptura bastante próxima da laje L12 de SOUZA [24] (Vu = 319 kN, Mu = 74,4 kN.m, fc = 37,8 MPa, d = 123 mm, ρ = 1,48%), com furo de 200x200 mm adjacente ao menor lado do pilar e situado na borda comprimida, com momento aplicado na direção paralela ao maior lado do pilar. Isto significa que um furo de 200x200 mm adjacente ao menor lado do pilar e comprimido pelo momento aplicado pode ser tão prejudicial para a carga de ruptura quanto um furo de 400x400 mm adjacente ao menor lado pilar e tracionado pelo momento aplicado, para as variáveis utilizadas nesta pesquisa. Ressalta-se que todas as lajes de SOUZA [24] apresentam características geométricas idênticas às lajes do presente trabalho, apenas variando a dimensão (200x200 mm, 200x300 mm ou 400x400 mm) e a localização (paralelo ao maior ou menor lado do pilar) dos furos.

Para lajes com momento de ruptura aplicado paralelo ao menor lado do pilar, a utilização de dois furos de 300x200 mm adjacente ao maior lado do pilar é menos prejudicial para a carga de ruptura que um furo de 400x400 mm adjacente ao menor lado pilar. Foi observada uma perda de carga de 20% da laje L7 do presente trabalho (Vu = 260 kN, Mu = 44,5 kN.m, fc = 46,8 MPa, d = 121 mm, ρ = 1,24%) em relação à laje L18 de SOUZA [24] (Vu = 322 kN, Mu = 53,1 kN.m, fc = 37,3 MPa, d = 126 mm, ρ = 1,05%), com dois furos de 300x200 mm adjacentes ao maior lado do pilar.

Para lajes com momento de ruptura aplicado paralelo ao maior lado do pilar, a perda de parte da região de ligação laje-pilar nos vértices, provocada por dois furos de 200x200 mm adjacentes ao menor lado do pilar, é menos prejudicial para a carga de ruptura que um único furo de 400x400 mm adjacente ao menor lado do pilar e localizado na borda comprimida. Em relação à laje L10 de SOUZA [24] (Vu = 189 kN, Mu = 83,0 kN.m, fc = 34,2 MPa, d = 123 mm, ρ = 1,24%), com dois furos de 200x200 mm adjacentes ao menor lado do pilar, a laje L4 do presente trabalho (Vu = 137 kN, Mu = 59,0 kN.m, fc = 44,6 MPa, d = 123 mm, ρ = 1,20%), com furo de 400x400 mm adjacente ao menor lado do pilar e situado na borda comprimida, apresentou carga de ruptura 28% inferior.

A Tabela 11 apresenta as características das lajes acima referidas.

3.5.3 Deformações das armaduras de flexão e do concreto

Pode ser observado tanto nas lajes do presente trabalho quanto nas lajes de SOUZA [24] que o escoamento da armadura foi alcançado em vários pontos, principalmente na região dos pilares, como esperado. As barras da armadura de flexão descontínuas (que terminavam no furo) foram pouco solicitadas, indicando que essas armaduras não são efetivas quanto ao combate à flexão e, por conseguinte, à punção. Referente ao concreto, as maiores deformações (de compressão) na laje de referência L1, sem furo e sem momento aplicado, foram observadas próximas ao centro do pilar, na direção perpendicular ao maior lado deste. Para as lajes com momento fletor aplicado, os pontos instrumentados no lado mais carregado, paralelos à direção do momento, tiveram as maiores deformações. Alguns extensômetros, que estavam situados nos lados menos carregados, indicaram que houve tração e nos lados mais carregados indicaram compressão, evidenciando a rotação destas lajes.

5. Conclusões

Quanto à carga de ruptura, confirmou-se a bibliografia no que se refere à redução da resistência ao puncionamento em face da transferência de momento da laje para o pilar (a laje L2, sem furo e com momento aplicado, apresentou carga de ruptura 38% menor que a laje de referência L1, sem furo e sem momento aplicado). Nas lajes com furos, a transferência de momento para o pilar levou a um decréscimo de resistência entre 28% e 68%, em relação à laje de referência L1. No entanto, as piores situações com relação à perda de resistência nas lajes com furo adjacente ao pilar e com transferência de momento ocorrem quando o momento está no sentido da região do furo, que é mais frágil e não tem o mesmo volume de concreto para resistir às compressões presentes na camada inferior da placa. Quando o momento não está aplicado no sentido da região do furo a carga de ruptura é bastante próxima, ou até mesmo superior a de uma laje sem furo (com transferência de momento), conforme a comparação entre a laje L2 (V_u = 266 kN, M_u = 116,8 kN.m) com as lajes L3 (V_u = 250 kN, M_u = 113,7 kN.m), com furo e com momento aplicado no sentido contrário à região do furo, e L6 (V_u = 305 kN, M_u = 65,8 kN.m), idêntica à laje anterior, porém o momento foi aplicado com menor intensidade. Assim, com base nas amostras ensaiadas, a transferência de momento fletor da laje para o pilar é mais prejudicial para a resistência ao cisalhamento que a existência de furo adjacente ao pilar.

Quanto às normas de projeto, partindo do princípio de que estas devem ser seguras e até certo ponto conservadoras, principalmente em se tratando de ruptura à punção de lajes, rupturas frágeis e sem aviso, a comparação dos resultados experimentais obtidos nesta pesquisa com as estimativas das normas mostrou que as prescrições das normas não estão apresentando a segurança almejada. Os resultados não foram satisfatórios, alguns inclusive contra a segurança, principalmente quando o momento é aplicado na direção paralela à maior dimensão do pilar, no sentido da região do furo. Conforme mostra a Tabela 9, o ACI-318:2011 [1] foi a norma que mostrou maior conservadorismo, com média aritmética das relações τu/τr1 igual a 1,21, e o EC2/2004 [12] foi o que mais se aproximou dos resultados experimentais, com média aritmética das relações νu/νR,c igual a 1,06, para as lajes com momento aplicado. Em relação à laje de referência L1, sem furo e sem momento aplicado, todas as normas citadas apresentaram estimativas contra a segurança, conforme a Tabela 10. A norma que mostrou resultado mais próximo do experimental foi o ACI-318:2011 [1], com relação V_u/V_calc igual a 0,92.

6. Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq e a Capes pelo apoio financeiro. Eles também agradecem às empresas Carlos Campos Consultoria Limitada e Realmix Concreto Limitada por terem colaborado com materiais e ensaios de caracterização.

7. Referências bibliográficas

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Punção em lajes lisas de concreto armado com furo adjacente ao pilar e transferência de momento

D. C. Oliveira^I; R. B. Gomes^I; G. S. Melo^II

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  13 Jun 2014
• Data do Fascículo
  Jun 2014

Histórico

• Recebido
  22 Jan 2014
• Aceito
  18 Mar 2014