análise teórica e experimental de pilares de concreto armado sob ação de força centrada com ...

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ANÁLISE TEÓRICA E EXPERIMENTAL DE PILARES DE
CONCRETO ARMADO SOB AÇÃO DE FORÇA
CENTRADA COM RESISTÊNCIA MÉDIA À
COMPRESSÃO DO CONCRETO DE 40MPa

Walter Luiz Andrade de Oliveira

Dissertação apresentada à Escola de
Engenharia de São Carlos, da
Universidade de São Paulo, como parte
integrante dos requisitos para obtenção
do título de Mestre em Engenharia de
Estruturas.

Orientador: José Samuel Giongo

São Carlos
2004
Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento
da Informação do Serviço de Biblioteca - EESC/USP

Oliveira, Walter Luiz Andrade de
O48a Análise teórica e experimental de pilares de
concreto armado sob ação de força centrada com
resistência média à compressão do concreto de 40MPa /
Walter Luiz Andrade de Oliveira. –- São Carlos, 2004.

Dissertação (Mestrado) –- Escola de Engenharia de
São Carlos-Universidade de São Paulo, 2004.
Área: Engenharia de Estruturas.
Orientador: Prof. Dr. José Samuel Giongo.

1. Pilares – análise experimental. 2. Concreto
armado. 3. Ductilidade. I. Título.

Dedico este trabalho aos meus pais, Maria José da
Silva Oliveira e Luiz Andrade de Oliveira e aos
meus irmãos, Maria Aparecida, José Almir,
Quitéria Maria e Sílvia Rejane pelo apoio durante
toda minha caminhada.

Agradeço especialmente à Suzana por ter estado
ao meu lado nesses dois últimos anos.
4
AGRADECIMENTOS

Ao final de mais uma etapa em minha vida, agradeço em primeiro lugar a Deus
pela vida e por ter conseguido, apesar de todas as dificuldades, terminar este
trabalho.
A CAPES que financiou este trabalho.
Ao professor Dr. José Samuel Giongo pela orientação, amizade e dedicação
durante esses dois anos.
Aos meus cunhados, minha madrinha e demais familiares desta família a qual
faço parte e me orgulho muito.
Ao amigo e conterrâneo Humberto que muito me ajudou e aconselhou sobre o
trabalho desenvolvido e que disponibilizou o programa computacional que foi
utilizado neste trabalho.
Ao professor Flávio Barboza de Lima e ao engenheiro Marcos Vinícius Queiroga
por terem cedido as planilhas com os dados experimentais de suas pesquisas.
Aos demais conterrâneos do departamento de Estruturas, Fábio Lopes, Patrick,
Romel, Luciano Barbosa, Márcio Félix, Jerônymo, Edson e Geilson.
Ao Valber pela amizade e convivência durantes esses dois anos.
Aos novos e grandes amigos Rodrigo Neves, Raïssa, Yuri e Patrícia pelos
momentos divertidos e pelos conselhos a mim dados.
Aos demais amigos, Claudius, Murilo, Luciano, Larissa, Wesley, Oscar, Valério,
Joel, Josafá, Rodrigo Delalibera, Fernando, Gustavo Tristão, Alex, Silvana, e
tantos outros que não citei, pela amizade durante esses anos.
Aos funcionários e amigos do Laboratório de Estruturas, Amauri, Mauri, Luiz,
Fabiano, Mário, Valdir, Valdemir e Vagner que foram essenciais na realização
dos ensaios experimentais deste trabalho.
À todos os funcionários do Departamento de Estruturas, em especial a Maria
Nadir e Rosi Jordão.
Aos professores do Departamento de Estruturas, pelo conhecimento
compartilhado.
Aos professores do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de
Alagoas, pelos conhecimentos compartilhados e que me incentivaram a cursar
uma pós-graduação, em especial ao professor Roberaldo Carvalho de Sousa,
tutor do grupo PET de Engenharia Civil, ao qual fiz parte durante quatro anos, e
do qual me orgulho muito. Obrigado amigos componentes do PET.
A empresa Holcim S.A., através do Engenheiro Sílvio P. Diniz Filho, pela
doação do cimento utilizado na moldagem dos modelos ensaiados.
Aos funcionários da Marcenaria e da oficina mecânica da Escola de Engenharia
de São Carlos pelas fôrmas e peças utilizadas nos ensaios experimentais.
5
SUMÁRIO
RESUMO.....................................................................................................9
ABSTRACT...............................................................................................10
1. INTRODUÇÃO....................................................................................11
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS........................................................................11
1.2 JUSTIFICATIVAS........................................................................................16
1.3 OBJETIVOS................................................................................................18
1.4 METODOLOGIA.........................................................................................19
1.4.1 Experimental...............................................................................................19
1.4.2 Numérica......................................................................................................20
1.5 CONTEÚDO DA DISSERTAÇÃO ..................................................................21
2. PILARES DE CONCRETO DE RESISTÊNCIA USUAL..............23
2.1 MATERIAIS CONSTITUINTES ....................................................................23
2.1.1 Cimento........................................................................................................23
2.1.2 Agregados....................................................................................................25
2.1.3 Água..............................................................................................................26
2.1.4 Aço................................................................................................................26
2.2 DOSAGEM..................................................................................................27
2.3 CURA .........................................................................................................27
2.3.1 Tempo...........................................................................................................28
2.3.2 Umidade.......................................................................................................28
2.4 CLASSIFICAÇÃO........................................................................................29
2.5 APLICABILIDADE......................................................................................31
2.6 VANTAGENS E DESVANTAGENS................................................................32
2.6.1 Vantagens.....................................................................................................33
2.6.2 Desvantagens...............................................................................................33
2.7 PROPRIEDADES MECÂNICAS.....................................................................34
2.7.1 Resistência à compressão............................................................................34
2.7.2 Resistência à tração.....................................................................................37
2.7.3 Módulo de elasticidade...............................................................................37
2.7.4 Coeficiente de Poisson e módulo de elasticidade transversal..................39
2.7.5 Diagrama tensão vs. deformação...............................................................39
6
2.8 PILARES DE CONCRETO............................................................................41
2.8.1 Considerações iniciais.................................................................................41
2.8.2 Tipos de seções transversais e localização dos pilares na estrutura.......43
2.8.3 Cálculo da capacidade resistente e recomendações da NBR 6118:2003 44
2.8.4 Análise experimental de pilares.................................................................48
2.8.5 Avaliação da ductilidade............................................................................54
2.8.5.1 Pré-pico.............................................................................................................55
2.8.5.2 Pós-pico............................................................................................................55
3. MODELOS PARA O CONCRETO CONFINADO.........................57
3.1 INTRODUÇÃO.............................................................................................57
3.2 FATORES INFLUENTES..............................................................................61
3.2.1 Resistência do concreto...............................................................................61
3.2.2 Cobrimento do concreto.............................................................................62
3.2.3 Taxa de armadura transversal...................................................................64
3.2.4 Taxa de armadura longitudinal.................................................................65
3.3 MODELOS TEÓRICOS................................................................................65
3.3.1 Chan (1955)..................................................................................................65
3.3.2 Roy e Sozen (1964)......................................................................................66
3.3.3 Sargin et alli (1971).....................................................................................66
3.3.4 Kent e Park (1971)......................................................................................67
3.3.5 Park et alli (1982)........................................................................................68
3.3.6 Sheikh e Uzumeri (1982).............................................................................69
3.3.7 Mander et alli (1988a).................................................................................70
3.3.8 Saatcioglu e Razvi (1992)............................................................................71
3.3.9 Cusson e Paultre (1995)..............................................................................72
3.4 MODIFICAÇÃO DO MODELO DE CUSSON E PAULTRE (1995) POR LIMA
JÚNIOR (2003)...................................................................................................75
3.5 PROGRAMA COMPUTACIONAL.................................................................78
3.5.1 Considerações iniciais.................................................................................78
3.5.2 Procedimentos adotados para utilização do programa nos modelos de
pilares.....................................................................................................................78
4. PROGRAMA EXPERIMENTAL......................................................80
4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS........................................................................80
4.2 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS.........................................................81
4.2.1 Agregado miúdo..........................................................................................81
4.2.2 Agregado graúdo.........................................................................................82
4.2.3 Cimento........................................................................................................83
7
4.2.4 Água..............................................................................................................83
4.2.5 Barras de aço...............................................................................................83
4.3 DOSAGEM DO CONCRETO.........................................................................86
4.4 FÔRMAS.....................................................................................................87
4.5 COLAR METÁLICO....................................................................................91
4.6 DEFINIÇÃO DOS MODELOS DE PILARES...................................................94
4.6.1 Resistência à compressão do concreto.......................................................94
4.6.2 Dimensões dos pilares.................................................................................95
4.6.3 Diâmetros nominais das armaduras utilizadas........................................95
4.6.4 Detalhamento das armaduras....................................................................96
4.7 INSTRUMENTAÇÃO..................................................................................106
4.8 MOLDAGEM E CURA...............................................................................108
4.9 PREVISÃO DA FORÇA ÚLTIMA................................................................109
4.10 EQUIPAMENTOS DE ENSAIO....................................................................110
5. RESULTADOS EXPERIMENTAIS ...............................................112
5.1 PROPRIEDADES DO CONCRETO..............................................................112
5.1.1 Comportamento geral...............................................................................112
5.1.2 Diagrama tensão vs. deformação do concreto........................................116
5.2 COMPORTAMENTO DOS PILARES...........................................................120
5.3 AVALIAÇÃO DA PREVISÃO DAS FORÇAS ÚLTIMAS ................................123
5.4 DESCRIÇÃO INDIVIDUAL DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS DOS
PILARES DE CONCRETO ARMADO..................................................................127
5.4.1 Série P1.......................................................................................................129
5.4.1.1 Pilar P1-10,0-120............................................................................................129
5.4.1.2 Pilar P1-12,5-200............................................................................................131
5.4.1.3 Pilar P1-12,5-150............................................................................................133
5.4.1.4 Pilar P1-12,5-100............................................................................................133
5.4.2 Série P2.......................................................................................................134
5.4.2.1 Pilar P2-10,0-120............................................................................................135
5.4.2.2 Pilar P2-12,5-150............................................................................................135
5.4.2.3 Pilar P2-12,5-100............................................................................................136
5.4.2.4 Pilar P2-12,5-075............................................................................................138
5.4.3 Série P3.......................................................................................................139
5.4.3.1 Pilar P3-10,0-120............................................................................................139
5.4.3.2 Pilar P3-12,5-150............................................................................................140
5.4.3.3 Pilar P3-12,5-100............................................................................................141
5.4.3.4 Pilar P3-12,5-075............................................................................................142
8
5.4.4 Série P4.......................................................................................................143
5.4.4.1 Pilar P4-10,0-120............................................................................................144
5.4.4.2 Pilar P4-12,5-150............................................................................................144
5.4.4.3 Pilar P4-12,5-100............................................................................................145
5.4.4.4 Pilar P4-12,5-075............................................................................................146
6. ANÁLISE DOS RESULTADOS......................................................148
6.1 AVALIAÇÃO DA DUCTILIDADE................................................................148
6.2 ANÁLISE DOS PILARES CONSIDERANDO O CORFICIENTE K .................157
2
6.3 ANÁLISE CONSIDERANDO O MODELO NUMÉRICO.................................162
7. CONCLUSÃO....................................................................................166
7.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS......................................................................166
7.2 RESISTÊNCIA DO PILAR E INFLUÊNCIA DO K ........................................167
2
7.3 DUCTILIDADE..........................................................................................170
7.4 ANÁLISE NUMÉRICA ...............................................................................172
7.5 SUGESTÕES PARA PROJETO....................................................................172
7.6 SUGESTÕES PARA CONTINUIDADE DA PESQUISA...................................173
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................174
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR................................................184
APÊNDICE A..........................................................................................187
APÊNDICE B..........................................................................................197
9
RESUMO

OLIVEIRA, W.L.A. (2004). Análise teórica e experimental de pilares de concreto
armado sob ação de força centrada com resistência média à compressão do
concreto de 40MPa. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo, São Carlos.

O objetivo primordial da pesquisa foi obter informações sobre o
comportamento dúctil de pilares submetidos à compressão centrada moldados com
concreto de resistência média à compressão de 40MPa. Os resultados obtidos
experimentalmente foram confrontados com da análise numérica e se mostraram
satisfatórios. O modelo adotado para análise teórica considerou as equações de
equilíbrio que regem a segurança da seção transversal, e, o comportamento do pilar
confinado. Para o desenvolvimento da parte experimental foram ensaiados 16 modelos
de concreto armado: quatro com dimensões da seção transversal de 200mm×200mm e
altura de 1200mm e doze com dimensões da seção transversal de 150mm×300mm e
altura de 900mm, que apresentaram melhora no comportamento dúctil diretamente
influenciada pelo aumento da taxa de armadura transversal. Foi verificado, também, o
comportamento dúctil de pilares variando-se a resistência à compressão do concreto, a
partir de dados experimentais de outros autores e deste trabalho. O comportamento de
pilares se torna frágil com o aumento da resistência à compressão, assim foi gerada uma
superfície que mostra o comportamento dúctil de pilares em função da taxa de armadura
transversal e da resistência à compressão do concreto. Moldaram-se também, oito
modelos não armados, para determinação do coeficiente k , que leva em consideração a
2
estimativa da resistência do concreto na estrutura, quando avaliada por meio de corpos-
de-prova cilíndricos, e verificou-se que o valor desta variável diminui com o aumento
da resistência à compressão do concreto, como sugere a norma Norueguesa. A
utilização da variável k em função da resistência do concreto torna possível o
2
dimensionamento de pilares de concreto de alta resistência considerando-se a seção
íntegra ao invés da seção do núcleo.

Palavras-chave: Pilares, Concreto armado, Ductilidade, Análise experimental.