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Silvana De Nardin et al.

AbstractThe use of mechanical shear connectors, mainly

headed stud bolts, is the most common way to achievesteel-concrete composite action. The encasement of thesteel beam in the depth slab results in increase ofstrength and stiffness, reducing the total height of thefloor. In this investigation, three partially encasedcomposite beams were tested under flexural conditionsand the main objective was to investigate somealternative positions for the headed studs. To providelongitudinal shear resistance between the I-shapedbeam and the concrete, two positions of the studs wereinvestigated: vertically welded on the bottom flangeand horizontally welded on the faces of the web. Theexperimental results have shown that the headed studsare effective to provide the composite action andincrease the bending strength. Furthermore, the headedstuds welded vertically on the bottom flange proved tobe the most reliable position.

Keywords: Composite beam, composite action, studbolts, partially encased beam.

Engenharia Civil

Avaliao da influncia da posio dosconectores de cisalhamento no comportamento

de vigas mistas parcialmente revestidas(Contribution of headed studs to the composite behavior of the

partially encased beams)

Silvana De NardinDepartamento de Engenharia de Estruturas - Escola de Engenharia de So Carlos

Universidade de So Paulo - So Carlos, SP, BrasilProfessora da Unilins - Centro Universitrio de Lins

E-mail: snardin@sc.usp.br

Ana Lucia H. de C. El DebsDepartamento de Engenharia de Estruturas - Escola de Engenharia de So Carlos

Universidade de So Paulo - So Carlos, SP, BrasilE-mail: analucia@sc.usp.br

ResumoA utilizao de conectores de cisalhamento, especi-

almente os conectores tipo pino com cabea, um artif-cio comum para promover o comportamento misto ao-concreto. O embutimento da viga de ao no pavimentopermite reduzir a altura total do pavimento sem compro-meter a resistncia e a rigidez. Nesse trabalho, so estu-dadas, experimentalmente, posies alternativas para co-nectores de cisalhamento tipo pino com cabea em vigasde ao parcialmente revestidas com concreto. Logo, aprincipal varivel a posio dos conectores e foramestudadas as posies vertical e horizontal. Verticalmen-te, os conectores foram soldados na face interna da mesainferior da viga de ao e, na posio horizontal, os conec-tores foram soldados nas duas faces opostas da alma. Osresultados mostraram que os conectores contribuem parao comportamento misto e para aumentar a resistncia daviga embutida; a posio mais eficiente soldar os co-nectores na mesa inferior da viga assimtrica de ao.

Palavras-chave: Viga mista, comportamento misto, conec-tores de cisalhamento, vigas parcialmente revestidas,transferncia de esforos.

REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 61(2): 239-247, abr. jun. 2008240

Avaliao da influncia da posio dos conectores de cisalhamento no comportamento de vigas...

1. IntroduoUma viga mista convencional tem

configurao tipo T e composta porum perfil I, conectado a uma laje de con-creto armado ou mista de ao e concre-to. A ligao ao-concreto feita utili-zando conectores de cisalhamento tipopino com cabea ou perfis U. Apesar deesse arranjo j estar consolidado no meiotcnico e ter procedimentos de clculo everificao incorporados s normas dedimensionamento de estruturas de ao,em muitos casos resulta em pavimentosde altura elevada. O intuito de reduzir aaltura total do piso conduz a soluesbastante inovadoras e criativas, como,por exemplo, embutir a viga de ao, par-cial ou totalmente, na altura da laje, vari-ando a posio dos conectores de cisa-lhamento, quer seja na mesa superior,inferior, quer seja em ambas, ou na posi-o vertical ou horizontal (Figura 1).

O volume de concreto entre as me-sas da viga (Figura 1b, c, e) confere al-gumas caractersticas ao elemento mistoresultante, tais como: aumento da resis-tncia ao fogo, capacidade resistente erigidez em relao seo de ao, au-mento da resistncia s instabilidadeslocais da seo de ao, reduo da altu-ra total da viga mista e do piso como umtodo, economia de material e de mo-de-obra. Portanto o concreto revestindo aviga de ao constitui uma alternativa in-teressante e um amplo campo de estudo,pois, a cada arranjo dos componentes,corresponde a particularidades que me-recem ser investigadas.

Apesar das vigas embutidas apre-sentarem boas caractersticas em termos

de comportamento estrutural e de custo,elas so uma soluo construtiva poucoestudada at o momento, sobretudo notocante contribuio dos conectoresde cisalhamento para promoo do com-portamento misto. No momento, apenasas solues apresentadas na Figura 1a eFigura 1e foram incorporadas aos c-digos normativos (EUROCODE 4 eAISC-LRFD).

Em comparao com vigas mistastradicionais (Figura 1a), o concreto ar-mado existente entre as mesas aumentaa rigidez flexo e diminui os desloca-mentos verticais, mas no impede a ins-tabilidade da mesa comprimida por fle-xo (Mergulho et al., 1998).

Independente da morfologia, as vi-gas total ou parcialmente embutidas spodem ser consideradas mistas se hou-ver algum tipo de mecanismo que pro-mova o comportamento conjunto entreseus componentes. Portanto o compor-tamento misto constitui a mais importantepropriedade desse tipo de elemento e teminfluncia decisiva nos critrios de di-mensionamento e verificao. Nessecontexto, alguns tipos de vigas parcialmen-te revestidas tm sido estudados e os prin-cipais aspectos avaliados so o grau e ostipos de interao ao-concreto.

2. Comportamentomisto via conectorestipo pino com cabeae armadura

O conector de cisalhamento tipopino com cabea o dispositivo mec-

nico mais utilizado para promover ocomportamento misto ao-concreto. comum o seu posicionamento acima damesa superior da viga I de ao, masisto exige que a altura de concreto aci-ma da viga seja relativamente grande(NBR 8800:2006). Entretanto nada im-pede de posicionar o conector sobre amesa inferior, por exemplo. A influnciada posio do conector foi avaliada, ex-perimentalmente, para pisos compostospor vigas de ao de seo assimtrica eforma de ao apoiada na mesa inferior(Bernuzzi et al., 1995). Conectores tipopino com cabea foram posicionados namesa superior (posio convencional) deforma a obter diferentes graus de intera-o ao-concreto (interao total e par-cial). Tambm foram posicionados conec-tores na vertical, em ambas as mesas -Figura 2a - sendo que os conectores namesa inferior foram distribudos apenasna regio de momento negativo (Bernu-zzi et al., 1995).

Para a situao de momento posi-tivo, no houve grande influncia dograu de interao e os elementos cominterao total e parcial apresentaramcomportamento momento-rotao seme-lhante. Sob a atuao de momento fletornegativo, embora o sistema tenha semostrado mais deformvel, quando cominterao parcial, ainda assim a influn-cia do grau de interao foi muito pe-quena (Bernuzzi et al., 1995). Alm disso,quando h interao total, os conecto-res, na face interna da mesa inferior, nocontribuem, de forma significativa, paraaumentar a resistncia ou a rigidez dasvigas mistas.

Figura 1 - Arranjo dos conectores de cisalhamento em vigas I de ao parcial ou totalmente revestidas.

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Silvana De Nardin et al.

Soldados horizontalmente s facesda alma da viga de ao (Figura 2d), osconectores podem levar o elemento mis-to a atingir sua capacidade resistente porfendilhamento do concreto (modo de fa-lha predominante), pela associao en-tre fendilhamento do concreto e arran-camento dos conectores ou por arranca-mento dos conectores (Breuninger,2001), sendo que os dois ltimos provo-cam perdas significativas de ductilida-de. O fendilhamento da laje de concretoocorre devido a baixas taxas de armadu-ra ou porque os conectores foram posi-cionados muito prximos superfcie dalaje. O arrancamento raro e ocorre ape-nas quando os conectores so curtos esituados muito prximos da extremidadeda laje.

Parmetros como resistncia doconcreto, espessura da laje, espaamen-to, dimetro e comprimento dos conec-tores, quantidade, dimetro e configura-o dos estribos tm influncia sobre acapacidade resistente. Contudo os as-pectos mais importantes so a armadurada laje, a distribuio dos estribos e, prin-cipalmente, sua interseo com a arma-dura longitudinal, que funciona comoancoragem para as fissuras.

Os conectores, na horizontal, estosujeitos, predominantemente, a foras decisalhamento longitudinal que se con-centram na regio do conector e que de-vem ser distribudas na altura da laje. Asforas de trao produzem dois efeitosno concreto: o fendilhamento com fissu-

ras paralelas chapa de ao (que funcio-na como forma) e a expanso; a aberturadas fissuras pode ser limitada pela colo-cao de estribos verticais. O fendilha-mento predominante na runa de ele-mentos com conectores posicionados nahorizontal, mas esse tipo de runa no contemplado pelos critrios de dimensi-onamento existentes, pois no predo-minante para conectores na vertical.

A utilizao de barras de armadura uma forma interessante de promovero comportamento misto. Utilizando ta-xas elevadas de armadura longitudinal,no concreto armado posicionado entreas mesas da seo de ao, no neces-srio utilizar conectores tipo pino comcabea soldados horizontalmente almado perfil de ao para promover o com-portamento misto (Kidmann et al., 1993)- Figura 3b.

Tambm possvel eliminar a mesasuperior da viga de ao fazendo o con-creto responder pelos esforos de com-presso (Figura 1d). Nessa situao, ocomportamento misto pode ser obtidofazendo furos igualmente espaados naalma, prximo ao seu topo. Esses furosso ocupados pelas barras de armadurae pelo concreto em estado fresco; am-bos promovem o comportamento mistono elemento resultante. Resultados in-d