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PINOS DE ANCORAGENS SOB CARGAS DE TRAÇÃO
Luiz Flávio Vaz Silva, Prof. Ronaldo Barros Gomes UFG, 74605-220, Brasil [email protected], [email protected]
PALAVRAS-CHAVE: Ancoragem, Armadura de Flexão, Posicionamento e Distância do Pino.
1. INTRODUÇÃO
A principal função dos pinos de ancoragem é a fixação, promovendo a ligação de estruturas até então distintas e permitindo a introdução de cargas concentradas. É muito utilizado em estruturas pré-moldadas, em especial na ligação entre elementos metálicos e blocos de fundação, Figura 1, mas eles podem ser empregados em várias situações, são também chamados de chumbadores. Atualmente há duas categorias distintas de sistemas de ancoragem: os pré-instalados e os pós-instalados. No sistema pré-instalado, o pino é posicionado no local de atuação antes da concretagem enquanto no sistema pós-instalado a fixação é concreto já endurecido através de perfuração e aplicação de compostos ligantes. Neste trabalho em questão foi estudado o sistema de ancoragem pré- instalado.
Figura 1. Pino de ancoragem (ligação aço – concreto).
2. OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho será estudar a variação da distância da armadura de flexão ao eixo do pino de ancoragem e a variação do diâmetro do pino. A justificativa desta pesquisa é a necessidade de um amplo conhecimento no comportamento de estruturas que utilizam pinos de ancoragem em suas ligações, a fim de se obter dados suficientes para dimensionar com maior grau de segurança e economia os pinos e concretos usados para a fixação de estruturas e equipamentos pesados.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Esta revisão bibliográfica baseia-se em publicações do CEB (1994 e 1997), ACI (1978 e 2005), artigos técnicos internacionais e nacionais e dissertações como a de Meira (2005), Soares (2007), realizados na EEC-UFG, principalmente nos tópicos relacionados aos tipos de sistemas de ancoragem, modos de ruptura, mecanismos de transferência de carga e métodos de cálculo, e as pesquisas nacionais de Jermann (1993), Oliveira (2003), Martins Junior (2006), Fontenelle (2009) e Marinho (2009).
3.1. Mecanismos de Transferência de Carga
Existem três formas de transmissão dos esforços externos do pino para o concreto, Figura 2, que podem ocorrer de forma independente ou por uma combinação das mesmas. A ancoragem mecânica se desenvolve pela transmissão mecânica de esforços de um elemento situado na extremidade imersa do chumbador. Pode ser utilizada uma cabeça de ancoragem ou uma barra dobrada em U ou em L, para o concreto. Isso pode gerar elevadas tensões de esmagamento nessa região de confinamento. Esse tipo de transferência de carga ocorre principalmente em chumbadores de cabeça pré-instalados e chumbadores de segurança pós- instalados. A ancoragem por atrito acontece pelo atrito entre a superfície do elemento expansor e a superfície do concreto. Tendo como resultado a ação de forças
3.3. Pinos de Aço Nervurado com Ancoragem de Cabeça
Nos pinos de aço nervurado com ancoragem de cabeça, Figura 4, atuam dois mecanismos de ancoragem. No primeiro, a ancoragem é resistida pela tensão de aderência, que ao atingir o seu pico encerra-se e passa para a segunda fase na qual a aderência começa a se deteriorar ao longo da barra e a tensão passa a ser transferida para a cabeça, resultando com o escoamento da barra ou a ruptura do concreto acima da cabeça. A capacidade de ruptura de uma barra com cabeça é determinada pela carga de pico proveniente da ancoragem mecânica adicionada a alguma contribuição referente à aderência.
Figura 4. Mecanismo de transferência de carga (Thompson et al., 2003).
3.4. Modos de Ruptura Para Sistemas Pré-Instalados
A ruptura do aço, Figura 5, é tratada como uma ruptura dúctil, pois próximo da carga de ruptura ela se deforma consideravelmente. Este comportamento está relacionado com sua rigidez, resistência e capacidade de deformação. O que determina a resistência à tração do pino de ancoragem é sua seção transversal e resistência à tração do aço.
Figura 5. Ruptura do aço – MEIRA, 2005.
Na ruptura do cone de concreto ocorre o arrancamento de uma superfície irregular aproximadamente cônica, que se inicia na cabeça do chumbador e se estende até o topo do concreto, Figura 6. O arrancamento desse cone ocorre quando as tensões de tração ultrapassam a resistência à tração do concreto. Esse tipo de ruptura é de interesse para fins de dimensionamento, ocorrendo em ancoragens com alturas imersas pequenas e em concretos com baixas resistências.
Figura 6. Ruptura do cone de concreto - MEIRA, 2005.
A ruptura por fendilhamento, Figura 7, ocorre devido à elevação da tensão de tração proveniente do pino, levando à fissuração e separação do elemento de concreto em partes. Esse tipo de ruptura deve ser evitado, pois há poucos estudos sobre esse tipo de ruptura, o que torna difícil de determinar teoricamente a resistência da ancoragem.
Figura 7. Ruptura por fendilhamento - MEIRA, 2005
3.5. Influência da Armadura de Flexão
No estudo de Bode e Roik (1987), são feitas considerações sobre diversos fatores que podem influenciar a capacidade de carga de uma ancoragem,
Figura 8. Método Ψ - Exemplo do cone de ruptura (CEB Bull. 233).
4. METODOLOGIA
No presente trabalho foi estudado o comportamento de pinos de ancoragem sujeitos a esforços de tração em blocos de concreto com dimensões 2200 mm x 600 mm x 400 mm. Na parte superior de cada bloco, foram dispostos 3 pinos de ancoragem. As variáveis estudadas projeto, Tabela 1, foram a variação da distância e do posicionamento da armadura de flexão em relação ao pino de ancoragem.
Tabela 1. Programa Experimental
VARIÁVEIS ESTUDADAS
PF1 (d = 0 mm) PF4 (d = 0 mm) PF2 (d = 50 mm) PF5 (d = 50 mm) PF3 (d = 75 mm) PF6 (d = 75mm)
d d
d d
4.1. Pinos
Os pinos foram fabricados com barras de aço nervurado CA-50, como haste, e chapas metálicas de aço SAC-1045 como cabeças da ancoragem, Figura 9. A chapa metálica foi perfurada para que a haste pudesse atravessá-la. As dimensões dos pinos foram fixadas da seguinte forma: cabeça de ancoragem 50 mm x 50 mm, comprimento da haste 250 mm e diâmetro de 20 mm, a profundidade do pino imerso no concreto (altura efetiva) permaneceu constante e igual a 100 mm. O aço utilizado na confecção da haste foi ensaiado à tração no laboratório de FURNAS.
Figura 9. Pino após soldagem
4.2. Fôrmas
As fôrmas foram fabricadas com as seguintes dimensões 2200 mm (comprimento) x 600 mm (largura) x 400 mm (altura) e montadas com perfis U, Figura 10.
Figura 10. Fôrma pronta para concretagem.
Leitora de carga digital: é responsável pela indicação do valor medido pela célula de carga. Pórtico de reação: é utilizado para receber os esforços provenientes do atuador hidráulico e transmitir para o bloco. Esse pórtico é constituído de uma viga metálica, formada por um perfil H de 145 x 155 x 8 mm com 1000 mm de comprimento. Os dois pilares são constituídos de um perfil circular com 90mm de diâmetro e 3 mm de espessura, com altura de 340 mm soldado a chapas metálicas de 145 x 125 mm com espessura de 16 mm nas extremidades. Os pilares desse pórtico foram fixados à base da viga por meio de sargentos fixando os quatro cantos da chapa metálica da parte superior do pilar. Chapas metálicas: são utilizadas para assegurar que os esforços transmitidos do pórtico para o bloco sejam uniformemente distribuídos. Essas chapas têm dimensões 50 x 100 x 25 mm e são fixadas na parte inferior da chapa metálica da base do pilar por meio de gesso pedra tipo III. Perfis em U: são utilizados dois perfis, um superior e outro inferior, para transmitir a força de tração gerada pelo atuador hidráulico para o pino a ser ensaiado. Foram fabricados através da soldagem de três chapas metálicas formando um perfil U. Chapas em L: são utilizadas duas chapas em forma de L para transmitir a força de tração do perfil U, descrito acima, para a porca soldada ao pino. Porcas e arruelas: são utilizadas para transmitir a força de tração proveniente das chapas em L para o pino. Foram soldadas porcas sextavadas de 1” na parte superior do pino através de solda de topo utilizando eletrodo OK46.
Figura 11. Desenho da montagem do ensaio, MEIRA 2005.
5. RESULTADOS
5.1. Caracterização dos Materiais
5.1.1. Concreto
Foi utilizado concreto usinado para a confecção dos blocos. Os valores da resistência à compressão, resistência à tração e do módulo de elasticidade do concreto, Tabela 2, foram obtidos por meio de ensaios de corpos-de-prova cilíndricos, com diâmetro de 150 mm e altura de 300 mm, conforme a NBR 5739/94, NBR 7222/94 e NBR 8522/84. Como os ensaios foram realizados em dias diferentes, foi necessário traçar a curva idade x resistência à compressão, Figura 12, para se estimar o valor da resistência à compressão do concreto no dia do ensaio de cada peça.
Tabela 2. Resultados dos Ensaios.
ENSAIO IDADE VALORES OBTIDOS
Resistência à compressão (MPa)
7 28, 14 29, 21 30, 28 32, Resistência à tração (MPa) 28 3,
Módulo de elasticidade (GPa) 28 23,
Tabela 3. Resultados das cargas de ruptura.
Fe (kN)
Fe (kN)
PF1 (d = 0 mm) 84,65 PF4 (d = 0 mm) 84, PF2 (d = 50 mm) 83,20 PF5 (d = 50 mm) 85, PF3 (d = 75 mm) 83,31 PF6 (d = 75mm) 84,
6. DISCUSSÃO
Segundo os cálculos para ocorrer a ruptura no concreto é necessário uma carga Fc = 86,40 kN o que na prática foi comprovada pois os valores da carga Fe foram bem próximos a este valor de 86,4 kN variando apenas 1,02 % para mais ou 3,70 % para menos, Tabela 4. Todas as rupturas ocorreram por fendilhamento, Figura 14, o que indica que o pino de ancoragem dissipa sua tensão na armadura de flexão, promovendo uma abertura no diâmetro do cone de ruptura levando ao fendilhamento da peça.
Tabela 4. Resultados das cargas de ruptura (RC – Ruptura no concreto).
VARIÁVEIS PINO d (mm)
Fc (kN)
Fe (kN)
Fe / Fc (%)
RUPTURA
PF1 0
84,65 - 2 , 02 RC
PF2 50 83,20 - 3,70 RC
PF3 75 83,31 - 3, 57 RC
PF7 0
84,88 - 1,76 RC
PF8 50 87 , 28 + 1,02 RC
PF9 75 84,91 - 1,72 RC
d d
d d
d d
d d
Figura 14. Ruptura por fendilhamento.
7. Conclusões
Constatou-se que a variação no posicionamento da armadura não aumenta significantemente a capacidade de ancoragem. A presença da armadura de flexão aumenta da ductilidade da peça, as fissuras se propagam ao longo da armadura. Quanto ao aparato experimental, os pinos com diâmetro de 20 mm é ideal para o estudo em questão, permitindo que em 100 % dos casos a ruptura ocorra no concreto, a fixação da armadura e dos pinos bem como a utilização de formas de perfis metálicos permite evitam a introdução de variáveis indesejáveis na pesquisa, estando aprovadas para futuros estudos.
