estudo teórico-experimental da influência das cargas cíclicas na rigidez de vigas de concreto ...

218 Pages·2005·5.55 MB·Portuguese

ESTUDO TEÓRICO-EXPERIMENTAL
DA INFLUÊNCIA DAS CARGAS CÍCLICAS
NA RIGIDEZ DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO

Josafá de Oliveira Filho

Tese apresentada à Escola de Engenharia de
São Carlos da Universidade de São Paulo,
como parte dos requisitos para a obtenção do
Título de Doutor em Engenharia de
Estruturas.

Orientadora: Drª Ana Lúcia H. de C. El Debs

São Carlos
2005
Ficha catalográfica preparada pela Seção de Tratamento
da Informação do Serviço de Biblioteca - EESC/USP

Oliveira Filho, Josafá de
O48e Estudo teórico-experimental da influência das cargas
cíclicas na rigidez de vigas de concreto armado /
Josafá de Oliveira Filho. –- São Carlos, 2005.

Tese (Doutorado) –- Escola de Engenharia de São
Carlos-Universidade de São Paulo, 2005.
Área: Engenharia de Estruturas.
Orientador: Profa. Dra. Ana Lúcia H. de C. El Debs.

1. Concreto Armado. 2. Aderência. 3. Contato.
4. Carga cíclica. 5. Carga de serviço. 6. Método dos
elementos finitos. 7. Dano. 8. Perda de rigidez.
I. Título.

“...porque sem mim nada podeis fazer”.
Palavras de Jesus, registradas em João 15:5
À minha esposa Dilma, grande amor da
minha vida,

às minhas filhas Daniela, Rosa Alina e
Mariana, jóias preciosas, dádivas de
Deus,

dedico esse trabalho.
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AGRADECIMENTOS
A Deus, pelo dom da vida. Pela saúde e pela paz sempre presentes. Toda
honra e glória sejam dadas a Ele.

À Profª Ana Lúcia pela confiança e pelo permanente apoio, especialmente
nas horas de dúvidas e indecisões.

À minha querida esposa Dilma, pelo incentivo sempre presente durante essa
jornada; sem seu estímulo não estaria aqui e nem teria tido a capacidade para
desenvolver este trabalho.

Às minhas queridas filhas Dani, Rosinha e Mamá, pelo carinho e pela
compreensão da ausência física de todos esses anos.

A papai (em Memória) e mamãe; pais amorosos, zelosos e incentivadores; a
eles devo tudo e sem eles aqui não teria chegado. Às minhas queridas irmãs Dora,
Dione e Daisy, pelas orações e incentivo. A eles ofereço, com carinho, este trabalho.

Ao Profº Savassi pelo apôio e preciosos conselhos; obrigado pela amizade
de todos esses anos.

Aos colegas Gerson Alva e Francisco Adriano pela inestimável ajuda
disponibilizando e adaptando seus programas relativos à Mecânica do Dano às minhas
necessidades.

Aos colegas Claudius Barbosa e Sandra Almeida pela preciosa ajuda na
execução dos ensaios de caracterização do concreto.

Ao Laboratório de Estruturas (LE-SET) por todo o suporte oferecido e aos
seus funcionários Engº Luiz Vareda, Amaury, Mário, Mauri, Valdir, Fabiano, Waldemir
e Wagner, pelo apoio eficiente e constante na execução dos ensaios.

À Universidade Federal de Sergipe (UFS) e, em especial, ao Departamento
de Engenharia Civil, pelo afastamento concedido possibilitando o desenvolvimento
deste trabalho.

À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
pela concessão de bolsa e apoio financeiro.

A todos os professores e funcionários do SET, em especial a Nadir, Rosi,
Toninho, Eli e Sylvia pela disponibilidade e atenção sempre constantes.

Aos amigos da Igreja em São Carlos que me ajudaram a manter a comunhão
com Cristo durante todos esses anos, em especial Eliziara, Mario, Léo, Pr. Josafá e
família, Chiquinho e família.

Finalmente, a todos os colegas com quem prazerosamente convivi durante
todos esses anos e que me acolheram como se da mesma faixa etária fosse, em especial
a Rodrigo e Raissa, Oscar, Joel e Tatiana, Yuri e Patrícia, Walter e Suzana, Wesley
Góis, Luciano Gobo, Petrus e Selma, Alex e Silvana, Alex Minah, Vladimir, Valério e
Wesley.
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SUMÁRIO
RESUMO...................................................................................................10
ABSTRACT...............................................................................................11
1. INTRODUÇÃO....................................................................................12
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS........................................................................12
1.2 OBJETIVO E JUSTIFICATIVAS...................................................................14
1.3 METODOLOGIA.........................................................................................15
1.4 CONTEÚDO DA TESE.................................................................................16
2. SOBRE A ADERÊNCIA.....................................................................18
2.1 MOBILIZAÇÃO DA ADERÊNCIA................................................................19
2.2 DISTRIBUIÇÃO DAS TENSÕES DE ADERÊNCIA..........................................22
2.3 MECANISMOS DE RESISTÊNCIA DA ADERÊNCIA......................................24
2.4 A FERRAMENTA COMPUTACIONAL..........................................................25
2.5 MODELOS TEÓRICOS................................................................................26
2.6 MODELOS CONSTITUTIVOS......................................................................31
2.7 SOBRE AS AÇÕES CÍCLICAS......................................................................34
2.8 OUTROS ARTIGOS DE INTERESSE.............................................................36
3. ANÁLISE NUMÉRICA......................................................................70
3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS........................................................................70
3.2 ELEMENTOS FINITOS DISPONÍVEIS..........................................................71
3.3 MODELOS CONSTITUTIVOS......................................................................73
3.4 A ANÁLISE.................................................................................................77
3.5 SOBRE O CONTATO ...................................................................................79
3.6 UMA PALAVRA SOBRE O ALGORITMO......................................................82
3.7 MODELAGEM............................................................................................84
3.7.1 CP’s de concreto armado............................................................................84
3.7.1.1 Modelagem Axisimétrica..................................................................................85
3.7.1.2 Modelagem Tridimensional..............................................................................94
3.7.2 Vigas de concreto armado..........................................................................98
3.7.2.1 Modelagem bidimensional................................................................................98
3.7.2.2 Modelagem tridimensional para a viga inteira..................................................99
8
3.7.2.3 Modelagem tridimensional para metade da viga............................................104
3.7.2.4 Modelagem tridimensional para 1/4 da viga...................................................106
3.7.2.5 Programas baseados na mecânica do dano.....................................................110
4. ANÁLISE EXPERIMENTAL..........................................................111
4.1 ENSAIO PILOTO.......................................................................................112
4.1.1 Ensaio de caracterização dos materiais..................................................112
4.1.1.1 Determinação da resistência à compressão do concreto:................................113
4.1.1.2 Determinação da resistência à tração do concreto:.........................................114
4.1.1.3 Determinação do módulo de elasticidade do concreto:..................................115
4.1.2 Ensaio com CP’s de concreto armado.....................................................117
4.1.2.1 Ensaio de arrancamento..................................................................................119
4.1.2.2 Ensaio cíclico:.................................................................................................123
4.1.3 Ensaio com vigas de concreto armado....................................................125
4.1.3.1 Ensaio à ruptura:.............................................................................................130
4.1.3.2 Ensaio cíclico..................................................................................................133
4.2 ENSAIO DEFINITIVO................................................................................135
4.2.1 Ensaio de caracterização dos materiais..................................................135
4.2.1.1 Determinação da resistência à compressão do concreto.................................136
4.2.1.2 Determinação da resistência à tração do concreto..........................................137
4.2.1.3 Determinação do módulo de elasticidade do concreto....................................138
4.2.1.4 Comparação dos resultados de resistência obtidos para o concreto................139
4.2.1.5 Resumo das propriedades mecânicas dos materiais........................................139
4.2.2 Ensaio com vigas de concreto armado....................................................141
4.2.2.1 Ensaio das vigas do grupo I............................................................................146
4.2.2.2 Ensaio das vigas do grupo II...........................................................................148
4.2.2.3 Ensaio das vigas do grupo III..........................................................................151
5. ANÁLISE DOS RESULTADOS......................................................155
5.1 CARACTERIZAÇÃO DO AÇO E DO CONCRETO........................................155
5.2 CP’S DE CONCRETO ARMADO................................................................157
5.2.1 Análise experimental.................................................................................158
5.2.1.1 Ensaio com carga até a ruptura:......................................................................158
5.2.1.2 Ensaio com carga cíclica.................................................................................160
5.2.2 Análise numérica.......................................................................................163
5.3 VIGAS DE CONCRETO ARMADO...................................................172
5.3.1 Análise experimental.................................................................................172
5.3.2 Vigas sub-armadas....................................................................................173
5.3.3 Vigas com armadura dupla......................................................................185
5.3.4 Vigas tipo “T”............................................................................................190
5.3.5 Quantificação da perda de rigidez...........................................................194
9
6. CONCLUSÕES..................................................................................205
6.1 INTRODUÇÃO...........................................................................................205
6.2 CONCLUSÕES GERAIS.............................................................................206
6.2.1 CP`s de concreto armado..........................................................................206
6.2.2 Vigas de concreto armado........................................................................207
6.3 SUGESTÕES PARA NOVOS TRABALHOS..................................................211
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................212
10
RESUMO

OLIVEIRA FILHO, J. (2005). Estudo teórico-experimental da influência das cargas
cíclicas na rigidez de vigas de concreto armado. Tese (Doutorado) – Escola de
Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos.

O objetivo principal do trabalho é analisar o comportamento experimental
e teórico de vigas de concreto armado de modo a quantificar a perda de rigidez
global através do cálculo de flechas sucessivas ocorridas durante a aplicação de
carregamento cíclico, em regime de serviço. A ênfase da pesquisa é dada à
análise numérica; a aderência na interface aço-concreto é tratada com uma
estratégia onde cada parte é modelada isoladamente de modo a se considerar o
contato entre a barra de aço (com o desenho de suas nervuras) e o concreto
envolvente. A análise numérica foi feita com o auxílio do aplicativo ABAQUS,
baseado no método dos elementos finitos. O modelo constitutivo usado para o
concreto é fundamentado na mecânica do dano contínuo. Foram realizados
ensaios experimentais com espécimes de concreto contendo uma barra de aço
colocada em seu eixo e, também, com vigas de concreto armado sub-armadas e
com armadura dupla, com seção transversal retangular e tipo “T”. Comparações
dos resultados obtidos nos ensaios experimentais com as respostas da análise
numérica são apresentadas e discutidas. Ao final, propõem-se expressões que
quantificam a perda de rigidez em função do número de ciclos aplicado.

Palavras chave: Concreto armado, Aderência, Contato, Carga cíclica, Carga de serviço,
Método dos elementos finitos, Dano, Perda de Rigidez.