estudo do comportamento de vigas mistas com perfil de alma senoidal

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ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE VIGAS MISTAS COM
PERFIL DE ALMA SENOIDAL
Alexander Galvão Martins
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
ESCOLA DE ENGENHARIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS
"ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE VIGAS MISTAS COM PERFIL DE
ALMA SENOIDAL "
Alexander Galvão Martins
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia da
Universidade Federal de Minas Gerais, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do título de
"Doutor em Engenharia de Estruturas".
Comissão Examinadora:
____________________________________
Prof. Dr. Ricardo Hallal Fakury
DEES-UFMG - (Orientador)
____________________________________
Prof. Dr. Gilson Queiroz
DEES - UFMG
____________________________________
Prof. Dr. Francisco Carlos Rodrigues
DEES - UFMG
____________________________________
Prof. Dr. Maximiliano Malite
USP
____________________________________
Prof. Dr. Pedro Colmar Gonçalves da Silva Vellasco
UERJ
Belo Horizonte, 29 de setembro de 2009
À minha amada esposa, Vivi,
à minha querida mãe, Camila, exemplo de vida e determinação,
e aos meus irmãos, Rodrigo e Allan,
dedico este trabalho.
AGRADECIMENTOS
À Deus, pelo dom da vida, e por ter me concedido a graça de concluir mais uma etapa em
minha vida profissional.
Ao professor Ricardo Hallal Fakury, pelos ensinamentos transmitidos desde o mestrado, pela
amizade, orientação, confiança e apoio no desenvolvimento deste trabalho.
Aos professores do Departamento de Engenharia de Estruturas, em especial ao professor
Gílson Queiroz, meu orientador no mestrado e a quem tenho uma profunda admiração e
carinho, e ao professor Francisco Carlos Rodrigues, parceiro nas atividades acadêmicas e
profissionais, que colaboraram significativamente na realização desta pesquisa. É uma grande
honra e satisfação ter sido aluno de profissionais tão competentes e respeitados.
Aos funcionários do DEES e LAEES e, em especial, à Inês.
Ao eng. Roberval José Pimenta pelos constantes ensinamentos, por acreditar em minha
capacidade, e convidar-me para fazer parte do grupo de estudos do perfil de alma senoidal.
Pela “co-orientação”, amizade e incentivo nos momentos difíceis, fundamentais para a
conclusão desta pesquisa dentro do prazo estabelecido.
Aos colegas do grupo de estudos do perfil de alma senoidal: Daniel Gordilho Souza,
Adenilcia Fernanda Grobério Calenzani, Lourdiane Gontijo das Mercês Gonzaga e, em
especial, à Eduardo Lourenço Pinto, que me auxiliou durante a realização dos ensaios
experimentais.
À CODEME ENGENHARIA S.A. pela confiança em meu trabalho e pela oportunidade
concedida para dedicar-me ao doutorado em um período da semana. Ao eng. Wagner Plais,
que colaborou no desenvolvimento do programa GeraAnsys, fundamental para agilidade do
estudo paramétrico.
À minha amada esposa, Viviane, pelo amor, carinho, compreensão e paciência ao longo
destes três anos e meio de privações.
ÍNDICE
SUMÁRIO
RESUMO....................................................................................................................................i
ABSTRACT...............................................................................................................................ii
NOTAÇÕES.............................................................................................................................iii
1. INTRODUÇÃO..................................................................................................................1
1.1. Generalidades.................................................................................................................1
1.2. Histórico.........................................................................................................................3
1.3. Dimensões dos perfis de alma corrugada.......................................................................6
1.4. Processo de Fabricação..................................................................................................9
1.5. Ligação entre as mesas e a alma..................................................................................13
1.6. Objetivos......................................................................................................................14
1.6.1. Geral....................................................................................................................14
1.6.2. Específicos...........................................................................................................14
1.7. Metodologia.................................................................................................................15
1.8. Contexto do trabalho e justificativa.............................................................................16
1.9. Escopo do trabalho.......................................................................................................17
2. ESTADO DA ARTE.........................................................................................................19
2.1. Considerações iniciais..................................................................................................19
2.2. Vigas mistas biapoiadas com perfil de alma senoidal.................................................20
2.3. Aspectos gerais das ligações mistas com perfil de alma plana....................................26
2.4. Comportamento dos componentes básicos das ligações mistas..................................29
2.4.1. Largura efetiva da laje na região de momento fletor negativo............................29
2.4.2. Barras de armadura tracionadas...........................................................................30
2.4.2.1. Rigidez inicial........................................................................................30
ÍNDICE
2.4.2.2. Força de tração resistente nominal........................................................30
2.4.2.3. Capacidade de deformação....................................................................30
2.4.3. Conectores de cisalhamento................................................................................34
2.4.3.1 Rigidez inicial........................................................................................34
2.4.3.2 Força resistente nominal........................................................................34
2.4.3.3 Capacidade de deformação....................................................................35
2.4.4. Chapa de topo......................................................................................................36
2.4.4.1 Rigidez inicial da ligação da mesa inferior............................................36
2.4.4.2 Rigidez rotacional para as ligações com perfis de alma plana..............36
2.4.4.3 Força resistente nominal à tração da linha de parafusos na ligação de
chapa de topo com perfis de alma plana.................................................................37
2.4.4.4 Rigidez rotacional e força resistente da linha de parafusos para as
ligações de chapa de topo com perfis de alma senoidal..........................................40
2.5. Propriedades fundamentais da ligação mista completa com perfis de alma
plana.............................................................................................................................45
2.5.1. Rigidez inicial......................................................................................................45
2.5.2. Momento resistente nominal...............................................................................47
2.5.3. Capacidade de rotação.........................................................................................48
2.6. Capacidade de rotação necessária de vigas semicontínuas com perfis de alma
plana.............................................................................................................................48
2.7. Flambagem local da mesa comprimida........................................................................52
2.8. Flambagem lateral com distorção................................................................................56
2.8.1. Em perfis de alma plana......................................................................................56
2.8.2. Em perfis de alma senoidal..................................................................................58
ÍNDICE
2.9. Análise da confiabilidade estrutural do estado limite último de plastificação da viga
mista com perfil de alma senoidal...............................................................................64
3. ANÁLISE EXPERIMENTAL.........................................................................................68
3.1. Descrição dos protótipos..............................................................................................68
3.2. Instrumentação.............................................................................................................72
3.3. Descrição dos ensaios..................................................................................................74
3.4. Resultados obtidos.......................................................................................................81
4. ANÁLISE NUMÉRICA...................................................................................................96
4.1. Introdução....................................................................................................................96
4.2. Vigas mistas biapoiadas – ensaios de Motak e Machacek...........................................97
4.2.1. Tipos de elementos utilizados..............................................................................97
4.2.2. Definição da malha de elementos finitos e vinculações nodais...........................98
4.2.3. Relações constitutivas utilizadas.......................................................................102
4.2.4. Considerações sobre a aplicação do carregamento............................................104
4.2.5. Aspectos da análise não-linear..........................................................................105
4.2.6. Comparação dos resultados das análises numérica e experimental...................106
4.3. Ligações mistas com perfil de alma senoidal............................................................110
4.3.1. Tipos de elementos utilizados............................................................................110
4.3.2. Definição da malha de elementos finitos e vinculações nodais.........................110
4.3.3. Relações constitutivas utilizadas.......................................................................113
4.3.4. Considerações sobre a aplicação do carregamento............................................116
4.3.5. Análise dos resultados do modelo numérico e comparação com os resultados dos
ensaios...............................................................................................................117
5. ESTUDO PARAMÉTRICO..........................................................................................125
5.1. Introdução..................................................................................................................125
ÍNDICE
5.2. Vigas mistas biapoiadas com perfil de alma senoidal...............................................126
5.3. Ligação mista com perfil de alma senoidal................................................................131
6. PROPOSIÇÃO DE MÉTODOS DE CÁLCULO........................................................136
6.1. Introdução..................................................................................................................136
6.2. Plastificação da viga mista.........................................................................................137
6.3. Ligação mista.............................................................................................................139
6.3.1. Resistência da ligação mista..............................................................................139
6.3.2. Modelo mecânico para o mecanismo de falha...................................................142
6.3.3. Capacidade de rotação.......................................................................................145
6.3.4. Rigidez inicial....................................................................................................152
6.3.5. Algumas considerações qualitativas sobre as construções escoradas e não-
escoradas............................................................................................................153
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS.........................................................................................155
7.1. Conclusões.................................................................................................................155
7.2. Sugestões para trabalhos posteriores.........................................................................158
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.........................................................................160
ANEXOS
Anexo A – Laudo técnico dos ensaios mecânicos.............................................................167
Anexo B – Determinação da curva momento versus rotação da ligação mista.................182
Anexo C – Dados auxiliares para a determinação da capacidade de rotação necessária da
ligação mista.......................................................................................................................184
Anexo D – E-mail enviado pelo Prof. Josef Machacek.....................................................189
RESUMO i
RESUMO
Os perfis de alma corrugada têm sido empregados na construção de galpões comerciais,
edifícios industriais e passarelas de pedestres. Esse fato fez com que grande parte das
pesquisas se concentrassem no comportamento do perfil de aço isolado, sendo encontradas
poucas referências sobre o comportamento de estruturas mistas com perfil de alma corrugada,
em especial de geometria senoidal. Mesmo a norma brasileira ABNT NBR 8800: 2008 e as
normas internacionais não prevêem procedimentos para cálculo e projeto de elementos de aço
de alma corrugada, que tratem de todos os fenômenos envolvidos em seu comportamento
estrutural. Diante desse quadro, este trabalho tem por objetivo a proposição de procedimentos
de cálculo para vigas mistas constituídas por um perfil de aço de alma senoidal sobreposto por
laje de concreto maciça ou com fôrma de aço incorporada, nas regiões de momento fletor
positivo e negativo. A fim de que fosse alcançado esse objetivo, realizaram-se três ensaios de
ligações mistas com perfil de alma senoidal no Laboratório de Análise Experimental de
Estruturas (LAEES) da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais. Com
os resultados desses ensaios e dos ensaios de vigas mistas com perfil de alma senoidal
realizados por MOTAK&MACHACEK na Universidade Técnica Tcheca em Praga, calibraram-
se modelos numéricos via método dos elementos finitos, que foram utilizados em estudos
paramétricos para a obtenção do momento fletor resistente e de propriedades fundamentais da
ligação mista, na região de momento fletor negativo, e do momento fletor resistente de vigas
mistas na região de momento fletor positivo.
ABSTRACT ii
ABSTRACT
The corrugated web profiles have been employed in the construction of commercial
warehouses, industrial buildings and footbridges as well. Hence, researches have focused on
insulated steel profile’s behavior, while few references are found about composite structures
with corrugated web profile, in particular the sinusoidal geometry. Neither Brazilian standard
ABNT NBR 8800: 2008 nor international standards provide procedures for calculation and
design of corrugated web steel elements covering all the phenomena involved on its structural
behavior. Therefore, the aim of this work is to propose procedures for calculating composite
beams formed by sinusoidal web steel profile overlapped by massive concrete slab or by
decks concreted over steel sheeting, in the regions of sagging and hogging bending moment.
In order to achieve that, three tests of composite connections on sinusoidal web profile were
performed in the Laboratory of Experimental Analysis of Structures (LAEES), at the School of
Engineering, Federal University of Minas Gerais. Data obtained from these tests and also
from composite beams with sinusoidal web profile’s tests – performed by MOTAK &
MACHACEK at Czech Technical University in Prague – were used to validate finite element
numerical models. Finally, these models were used for parametric studies to obtain the
bending moment resistance and composite connection fundamental properties as well as in the
hogging bending moment region, and bending moment resistance of composite beams in the
sagging bending moment region.