89REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 59(1): 89-95, jan. mar. 2006

Juliano Bastos Cabral et al.

ResumoNesse trabalho, tem-se, como objetivo, determinar o

comportamento de ligações mistas viga-pilar em perfisformados a frio, a partir de estudos teórico experimentaisda edificação de quatro pavimentos. Os estudos se base-aram em análises estruturais e dimensionamentos destaedificação e em análises experimentais de ligações tipodo projeto. O programa experimental foi composto porcinco ensaios, em três diferentes configurações de liga-ções mistas, que permitiram determinar as suas respecti-vas curvas momento x rotação e rigidezes.

Palavras-chave: perfis formados a frio, ligações mistas.

AbstractThis work had as a goal to determine the behavior

of composite beam-column connections in cold-formedsteel profiles. Experimental and theoretical studies weredeveloped using a four-story building. The studies werebased on the structural analyses and design of thisconstruction and the experimental analyses of theproject’s typical joints. The experimental program hadfive tests in three different configurations of compositejoints, which allowed setting curves for moment xrotation and rigidity.

Keywords: cold formed sections, composite joints.

Engenharia Civil

Análise teórico-experimental de ligaçõesmistas em perfis formados a frio

Juliano Bastos CabralEngenheiro Civil, Mestrando, Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, UFOP

E-mail: julianobc@hotmail.com

Arlene Maria Sarmanho FreitasD. Sc. Professora, Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, UFOP

E-mail: arlene@em.ufop.br

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 59(1): 89-95, jan. mar. 200690

Análise teórico-experimental de ligações mistas em perfis formados a frio

1. IntroduçãoDesde 1990, vem ocorrendo uma

crescente tendência em se utilizarem per-fis formados a frio, em vigas e pilarespertencentes a pórticos principais e se-cundários de edificações de pequenoporte (Wong, 2002). Essa tendência seexplica pelo preço final altamente com-petitivo dessas estruturas, uma vez queos perfis formados a frio são de fácil fa-bricação e execução.

Entretanto atenção especial deveser dada à otimização da estrutura, quedeve envolver a concepção e, principal-mente, o tipo de ligação, para compatibi-lizar as vantagens que os perfis forma-dos a frio podem oferecer.

As ligações entre elementos estru-turais constituídos por perfis formadosa frio podem ser soldadas ou parafusa-das e, muitas vezes, podem ser executa-das no local da obra. As ligações solda-das, apesar de serem eficientes, estãosujeitas à execução de baixa confiabili-dade. Já as ligações parafusadas apre-sentam uma maior garantia de qualidadeassociada à rapidez de execução.

Para que o comportamento estru-tural vise a um projeto mais econômico,utilizando a semi-rigidez da ligação, énecessária a determinação do seu nívelde engastamento. O uso de ligaçõessemi-rígidas, nas estruturas metálicas,tem, como objetivo principal, redistribuiros momentos fletores nas vigas e colu-nas e, conseqüentemente, reduzir o con-sumo de aço. Uma maneira de se conse-guir uma boa transmissão de momentos,nas ligações entre vigas e colunas, é atra-vés da utilização de ligações mistas. Umaligação é denominada como mista, quan-do a laje de concreto participa da trans-missão de momento fletor de uma vigapara uma coluna, ou para outra viga mis-ta, no vão adjacente (Queiroz, 2001).

Devido ao grau de complexidade docálculo de ligações semi-rígidas, diver-sos trabalhos vêm sendo desenvolvidosnesse campo de pesquisa, tanto de cará-ter experimental, quanto analítico/numé-rico. Entre esses trabalhos, estão aque-les envolvendo ligações parafusadas em

perfis formados a frio (Chung, 1999),(Chung, 2000), (Wong, 2002) e (Morais,2003). Os estudos envolvendo ligaçõesmistas, em perfis formados a frio, aindaestão em estado incipiente, embora, háalgum tempo, trabalhos envolvendo li-gações mistas, em perfis laminados esoldados, e trabalhos relacionados a es-truturas mistas, em perfis formados a frio,vêm sendo desenvolvidos (Leon, 1990),(Puhali, 1990), (Anderson, 1994), (Xiao,1994), (Liew, 2000), (Hanaor, 2000) e(David, 2003).

Assim, no presente trabalho, foramdesenvolvidos estudos teórico-experi-mentais de ligações mistas viga-coluna,em perfis formados a frio, buscando aotimização da ligação desenvolvida emMorais (2003).

O projeto utilizado nesse trabalhofoi o projeto da edificação de quatro pa-vimentos pertencente ao projeto vence-dor do 2º Prêmio USIMINAS de Arquite-tura em Aço, Projeto USIHAB (USIHAB,2001).

2. Metodologia eprogramaexperimental

A partir dos resultados da análiseestrutural da edificação citada anterior-mente (USIHAB (2001)), desenvolveu-se o dimensionamento da mesma, consi-derando aquelas vigas não pertencen-tes aos pórticos de estabilização comovigas mistas. Então foram definidas asligações mistas mais significativas, deacordo com a importância destas em re-lação ao conjunto da edificação. Assimforam escolhidas como os protótipos aserem ensaiados, as ligações mais soli-citadas e também mais freqüentes daedificação, estas considerando o princí-pio de padronização e conseqüentemen-te economia.

A análise estrutural e o dimensio-namento da estrutura foram obtidos atra-vés da utilização dos softwares comerci-ais ANSYS Versão 6.0 (Ansys, 2001) eCFSLT Versão 4.14 (CFSLT, 2000), sendoo dimensionamento baseado nas pres-

crições da norma americana AISI (1996)(LRFD) e da norma brasileira NBR14762:2001.

Devido à baixa reserva de capaci-dade inelástica de vigas em perfis forma-dos a frio, a plastificação total da seçãonão é atingida, portanto é inviabilizada autilização de rótulas plásticas na avalia-ção da resistência. Assim, as vigas mis-tas foram calculadas no regime elástico,considerando a seção transversal homo-geneizada.

As ligações desenvolvidas porMorais (2003) e utilizadas no presentetrabalho são destinadas a conectar vi-gas de seção caixa com colunas de se-ção “I enrijecido” e podem ser utilizadasem outros projetos. Esse sistema é com-posto por dois “U Suporte”, soldadosem cada um dos flanges da coluna. EsseU Suporte recebe uma furação nas par-tes superior e inferior de seus flanges,cujo objetivo é fazer a conexão com aviga através de cantoneiras de ligaçãosoldadas nessa viga. Essas cantoneirastambém recebem a mesma furação do USuporte, fazendo, assim, através de pa-rafusos, a conexão de ambas as partes.Outros componentes desse tipo de liga-ção são enrijecedores internos em formade “U simples”, que são soldados naalma e no flange da coluna.

A Figura 1 mostra um esquema ge-ral da ligação ensaiada. A Figura 2 mos-tra a identificação dos componentes daligação utilizados em todos os protóti-pos, bem como as dimensões dos mes-mos, exceto das vigas que variam em fun-ção do protótipo como apresentado aseguir.

A Figura 3 mostra o detalhamentode como são as uniões da coluna com oU Suporte e com os enrijecedores inter-nos. A coluna representada nessa figuraé interna, com duas vigas conectadasatravés da ligação parafusada propostae uma terceira viga soldada em sua alma,sendo a solda realizada na fábrica, quan-do considerada a construção da edifica-ção em estudo.

Os ensaios foram realizados utili-zando perfis em dimensões reais em três

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configurações de protótipos (A, B e C),todas elas representando ligações emcoluna interna. Para a concretagem dalaje utilizou-se, cimento CP-V ARI Plus,de alta resistência inicial, o que permitiuuma rápida cura do concreto (7 dias).

Os parafusos utilizados, em todosprotótipos, são ASTM A-325 de diâme-tro 12,50 mm e a solda é tipo de filete declassificação E60XX, de acordo com aAWS D1.1:2000. A largura da laje foi defi-nida como sete vezes a largura da coluna(Liew, 2000) e, portanto, igual a 133 cm.

O Protótipo A é composto pela co-luna de seção transversal tipo I enrijeci-do de 170 x 190 x 25 x 2,25, formada pordois perfis de seção cartola unidos porsolda intermitente, por duas vigas de

Figura 1 - Esquema geral das ligações ensaiadas.

Figura 2 - Detalhes das dimensões dos componentes da ligação proposta (dimensões em mm).

a) U Suporte b) Enrijecedores internos

Figura 3 - Detalhamento da ligação proposta (dimensões em mm).

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Análise teórico-experimental de ligações mistas em perfis formados a frio

seção caixa 150 x 120 x 20 x 2,00 (viga 01e 03) e por uma viga de seção caixa150 x 120 x 20 x 2,25 (viga 02). A armaduranegativa desse protótipo é formada poroito barras de 6,3 mm de diâmetro, totali-zando uma área de 2,52 cm2, o que cor-responde a 0,27 % da área da seção trans-versal da laje de concreto. A Figura 4ilustra a configuração desse protótipo.

As barras de aço superiores, indica-das na Figura 4(b), são armaduras negati-vas. Já as barras inferiores são armadurasutilizadas para facilitar a armação da laje.A armadura transversal da laje é compos-ta de barras de 6,3 mm a cada 149 mm.

O Protótipo B tem configuraçãosemelhante ao Protótipo A, sendo, tam-bém, composto pela coluna de seção “Ienrijecido” 170x190x25x2,25. Entretantoas três vigas que fazem parte desse pro-tótipo, são vigas caixa 150x120x20x2,00e, a armadura negativa é formada por oitobarras de 10.0 mm e próximo a coluna,duas barras de 12,5 mm, sendo uma decada lado, totalizando 8,90 cm2 de área,ou seja, 0,96 % da área da seção trans-versal de concreto.

A configuração do Protótipo C ésimilar à configuração do Protótipo B. Adiferença entre esses protótipos estásomente nas vigas utilizadas. Enquantoa “Viga 01” e a “Viga 02”, no Protótipo B,têm 2,00 mm de espessura, no ProtótipoC essas vigas têm 2,25 mm. Na Tabela 1tem-se um resumo das dimensões dasvigas e da coluna que compõem os pro-tótipos ensaiados.

O programa experimental foi com-posto de cinco ensaios, sendo um para aprimeira configuração de protótipo, Pro-tótipo A, dois para as configurações doProtótipo B e dois para as configura-çõesdo Protótipo C.

Na instrumentação dos protóti-pos foram utilizados LVDT´s (LoadVariational Displacement Transducers),defletômetros mecânicos e extensôme-tros elétricos de resistência.

A partir das medidas obtidas atra-vés dos LVDT´s e dos defletômetros, fo-ram determinados os campos de deslo-camentos, as rotações das vigas e da

Figura 4 - Configuração do Protótipo A (dimensões em mm).

Tabela 1 - Dimensões das vigas e coluna dos protótipos.

Viga 01 Viga 02 Coluna

A � 150x120x20x2,00 � 150x120x20x2,25

B � 150x120x20x2,00 � 150x120x20x2,00

C � 150x120x20x2,25 � 150x120x20x2,25

ProtótipoDimensão (mm)

I 170x190x25x2,25

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coluna e, conseqüentemente, as rotaçõesrelativas das ligações. A Figura 5 ilustrao posicionamento desses LVDT´s e de-fletômetros.

Os extensômetros foram coladospróximos às ligações e mediram as de-formações específicas dos flanges su-periores e inferiores das vigas, dos enri-jecedores e flanges das colunas, do con-creto e de algumas barras de aço utiliza-das na armadura negativa da laje.

Dois sistemas de aplicação de car-gas foram instalados na extremidade decada viga do protótipo. Cada um dessessistemas foi composto de um pórtico dereação, de um atuador hidráulico, de umacélula de carga, de uma rótula de carga ede acessórios. Entre esses acessórios, uti-lizou-se uma placa, chamada Placa de Car-ga, que foi instalada entre a laje e o siste-ma de aplicação. Essa placa tinha a finali-dade de distribuir o carregamento, em umamaior região do concreto, diminuindo onível de concentrações de tensões e im-pedindo o fissuramento da laje, na regiãona qual é aplicado o carregamento.

Os carregamentos foram aplicados,simultaneamente, na “Viga 01” e na “Viga02”, através de atuadores hidráulicos de100 kN e foram registrados através decélulas de cargas.

Foram utilizados dois sistemas deaquisição de dados, sendo um respon-sável pelos LVDT´s e o outro, pelas cé-lulas de carga e pelos extensômetros elé-tricos de resistência.

Para a medição dos dados proveni-entes dos LVDT’s, utilizou-se de um sis-tema de aquisição de dados, controladopor computador, 486 DX4, dotado de pla-ca de dados conversora A/D (LINX) epor software de aquisição e controle dedados AQDADOS. Já para a aquisiçãodos dados provenientes das células decargas e dos extensômetros elétricos deresistência, foram utilizados quatro mó-dulos de aquisição de dados Spyder 8 de600 MHz da HBM, conectados a um com-putador Pentium III de 900 MHz e contro-lados pelo software HBM catman 4.5.

Inicialmente foi realizado um pré-ensaio, dentro da fase elástica do mate-rial, com o objetivo de retirar as folgasexistentes e de verificar o funcionamen-to dos sistemas de aquisição de dados edos equipamentos utilizados. Então fo-ram aplicados carregamentos crescentes,com aproximadamente 1,00 kN a cadapasso de carga, até que fosse atingido ocolapso do protótipo.

Foram utilizados atuadores hidráu-licos distintos para a “Viga01” e para a

“Viga 02”, porém os carregamentos fo-ram aplicados, simultaneamente, e, as-sim cargas iguais foram aplicadas nasvigas.

3. ResultadosO objetivo dos ensaios foi avaliar a

viabilidade, a resistência e o comporta-mento das ligações propostas. Determi-naram-se, também, o nível de rigidez dasligações testadas, através das curvas mo-mento x rotação, as deformações especí-ficas em alguns pontos, o campo de des-locamento e o modo de colapso da liga-ção, estes necessários à avaliação dodimensionamento final e do comporta-mento estrutural.

As curvas momento x rotação dasligações mistas apresentam comporta-mento bi-linear em sua fase elástica, apre-sentando inclinações mais elevadas noinício do carregamento e, a partir do ins-tante em que ocorrem as primeiras fissu-ras no concreto próximas às ligações,tem-se inclinações menores. Assim o pre-sente trabalho determinou, para cada li-gação ensaiada, a rigidez inicial (k0) e arigidez em sua 2ª fase linear elástica (k).

Os valores de k0 são definidos utili-zando o Método da Inclinação Inicial que

Figura 5 - Detalhe do posicionamento dos LVDT’s e dos defletômetros nos protótipos.

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Análise teórico-experimental de ligações mistas em perfis formados a frio

consiste em traçar uma reta passandopela origem e interceptando a curva noseu trecho inicial. A inclinação dessa retatangente é a rigidez inicial da ligação. Jáos valores de k são definidos como ainclinação da reta obtida a partir da re-gressão linear dos pontos da curva mo-mento x rotação, situados entre o ins-tante em que ocorrem as primeiras fissu-ras próximas à ligação e o instante emque o limite elástico da ligação é ultra-passado. Para ilustrar a metodologia uti-lizada e os resultados obtidos tem-se, naFigura 6, a curva momento x rotação doensaio 1 do protótipo B.

A Tabela 2 apresenta os principaisresultados dos ensaios realizados. Emtodos os ensaios, ocorreu o escoamen-to das armaduras negativas da laje e asdiferenças entre os resultados dos en-saios de protótipos idênticos estão as-sociadas a diversos fatores, tais comofolga e imperfeições provenientes damontagem e concretagem dos protóti-pos, variação da resistência do concretoe na homogeneização do mesmo. Assim,para que esses resultados possam serutilizados no projeto final, torna-se ne-cessária a execução de uma maior série deensaios, a fim de se aferirem tais valores.

Figura 6 - Determinação das rigidezes das ligações do ensaio 1 do Protótipo B.

4. Consideraçõesfinais

Em Morais (2003), foram ensaiadasligações (não mistas) com tipologia se-melhante à apresentada no presente tra-balho, porém com dimensões maiores echapas mais espessas.

Um desses protótipos era compos-to por uma coluna de seção “I enrijeci-do” 170x170x25x3,00 e pelas vigas V1, V2e V3 que eram perfis caixa200x150x25x3,00, 200x150x20x2,00 e200x150x20x2,00, respectivamente. A vigaV3 era soldada na alma da coluna, en-quanto que as outras foram conectadasa este, através do tipo de ligação em es-tudo. O “U Suporte” e o enrijecedor dacoluna tiveram espessuras iguais a 6,35mm. Nos ensaios deste protótipo, foramalcançados um momento de colapsomédio de 22,062 kNm e uma rigidez inici-al média de 2211 kNm/rad (Morais, 2005).

Embora esse protótipo tenha colu-na, vigas e ligação mais rígida que osprotótipos ensaiados no presente traba-lho, observa-se que o seu momento decolapso e sua rigidez foram, na maioriados casos, menores, o que comprova a

eficiência das ligações mistas envolven-do perfis formados a frio.

As ligações mistas ensaiadasmostraram-se eficientes, entretanto umamaior série de ensaios deve ser realizadopara aferir os valores encontrados.

5. AgradecimentosOs autores agradecem ao CNPq

(Conselhos Nacional de Pesquisa) e aempresa USIMINAS.

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Tabela 1 - Principais resultados obtidos nos ensaios.

Protótipo Ligação Momento Último (kNm)

Momento de Colapso (kNm)

k0 (kNm/rad) K (kNm/rad)

A Viga 01 – Coluna 3238,7 1476,0

Ensaio 1 Viga 02 – Coluna 3722,0 919,4

B Viga 01 – Coluna 4395,1 1229,9

Ensaio 1 Viga 02 – Coluna 5898,4 1207,8

B Viga 01 – Coluna 5248,5 1863,3

Ensaio 2 Viga 02 – Coluna 7114,3 1403,3

C Viga 01 – Coluna 4603,3 922,6

Ensaio 1 Viga 02 – Coluna 4075,8 1053,5

C Viga 01 – Coluna 6737,9 1471,6

Ensaio 2 Viga 02 – Coluna 8088,2 1495,4

13,6616,63

20,7733,34

29,7236,60

33,0536,00

27,0536,01

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Artigo recebido em 29/07/2005 eaprovado em 08/02/2006.

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