PINOS DE ANCORAGENS SOB CARGAS DE TRAO

Luiz Flvio Vaz Silva, Prof. Ronaldo Barros Gomes UFG, 74605-220, Brasil luizgo@hotmail.com, rbggomes@gmail.com
PALAVRAS-CHAVE: Ancoragem, Armadura de Flexo, Posicionamento e Distncia do Pino.

1.

INTRODUO

A principal funo dos pinos de ancoragem a fixao, promovendo a ligao de estruturas at ento distintas e permitindo a introduo de cargas concentradas. muito utilizado em estruturas pr-moldadas, em especial na ligao entre elementos metlicos e blocos de fundao, Figura 1, mas eles podem ser empregados em vrias situaes, so tambm chamados de chumbadores. Atualmente h duas categorias distintas de sistemas de ancoragem: os pr-instalados e os ps-instalados. No sistema pr-instalado, o pino posicionado no local de atuao antes da concretagem enquanto no sistema ps-instalado a fixao concreto j endurecido atravs de perfurao e aplicao de compostos ligantes. Neste trabalho em questo foi estudado o sistema de ancoragem prinstalado.

Figura 1. Pino de ancoragem (ligao ao concreto).

2 2. OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho ser estudar a variao da distncia da armadura de flexo ao eixo do pino de ancoragem e a variao do dimetro do pino. A justificativa desta pesquisa a necessidade de um amplo conhecimento no comportamento de estruturas que utilizam pinos de ancoragem em suas ligaes, a fim de se obter dados suficientes para dimensionar com maior grau de segurana e economia os pinos e concretos usados para a fixao de estruturas e equipamentos pesados.

3.

REVISO BIBLIOGRFICA

Esta reviso bibliogrfica baseia-se em publicaes do CEB (1994 e 1997), ACI (1978 e 2005), artigos tcnicos internacionais e nacionais e dissertaes como a de Meira (2005), Soares (2007), realizados na EEC-UFG, principalmente nos tpicos relacionados aos tipos de sistemas de ancoragem, modos de ruptura, mecanismos de transferncia de carga e mtodos de clculo, e as pesquisas nacionais de Jermann (1993), Oliveira (2003), Martins Junior (2006), Fontenelle (2009) e Marinho (2009).

3.1. Mecanismos de Transferncia de Carga

Existem trs formas de transmisso dos esforos externos do pino para o concreto, Figura 2, que podem ocorrer de forma independente ou por uma combinao das mesmas. A ancoragem mecnica se desenvolve pela transmisso mecnica de esforos de um elemento situado na extremidade imersa do chumbador. Pode ser utilizada uma cabea de ancoragem ou uma barra dobrada em U ou em L, para o concreto. Isso pode gerar elevadas tenses de esmagamento nessa regio de confinamento. Esse tipo de transferncia de carga ocorre principalmente em chumbadores de cabea pr-instalados e chumbadores de segurana psinstalados. A ancoragem por atrito acontece pelo atrito entre a superfcie do elemento expansor e a superfcie do concreto. Tendo como resultado a ao de foras

3 normais interface entre a face lateral do chumbador e o concreto, devido expanso do chumbador por meio de torque ou percusso, que so as duas formas mais usuais dos chumbadores de expanso. A ancoragem por aderncia ocorre entre as superfcies imersas do chumbador e do concreto; um exemplo o caso de ancoragens pr-instaladas, constitudas de barras retas, ou na instalao de chumbadores ps-instalados de adeso qumica, em que ocorre a aderncia entre a superfcie do concreto e as resinas ou aglomerantes utilizados para preencher o furo.

Figura 2. Mecanismos de transferncia de carga: (a) ancoragem mecnica, (b), ancoragem por atrito, (c) ancoragem por aderncia. Adaptado de Fastenings to Concrete and Masonry Structures (CEB, 1994.)

3.2. Sistema de Ancoragem Pr-Instalado

Nesse sistema de ancoragem, os chumbadores so posicionados antes da concretagem de forma definitiva. Devido ao seu posicionamento anterior concretagem o trabalho de locao deve ser minucioso e a fixao na ferragem ou nas frmas, deve ser feita com gabaritos, a fim de evitar qualquer movimento durante a concretagem. Existem diversos modelos disponveis no mercado dependendo da sua aplicao, Figura 3.

Figura 3. Tipos de pinos de ancoragem pr-instalados (CEB Bulletin n 233, 1997).

4 3.3. Pinos de Ao Nervurado com Ancoragem de Cabea

Nos pinos de ao nervurado com ancoragem de cabea, Figura 4, atuam dois mecanismos de ancoragem. No primeiro, a ancoragem resistida pela tenso de aderncia, que ao atingir o seu pico encerra-se e passa para a segunda fase na qual a aderncia comea a se deteriorar ao longo da barra e a tenso passa a ser transferida para a cabea, resultando com o escoamento da barra ou a ruptura do concreto acima da cabea. A capacidade de ruptura de uma barra com cabea determinada pela carga de pico proveniente da ancoragem mecnica adicionada a alguma contribuio referente aderncia.

Figura 4. Mecanismo de transferncia de carga (Thompson et al., 2003).

3.4. Modos de Ruptura Para Sistemas Pr-Instalados

A ruptura do ao, Figura 5, tratada como uma ruptura dctil, pois prximo da carga de ruptura ela se deforma consideravelmente. Este

comportamento est relacionado com sua rigidez, resistncia e capacidade de deformao. O que determina a resistncia trao do pino de ancoragem sua seo transversal e resistncia trao do ao.

Figura 5. Ruptura do ao MEIRA, 2005.

5 Na ruptura do cone de concreto ocorre o arrancamento de uma superfcie irregular aproximadamente cnica, que se inicia na cabea do chumbador e se estende at o topo do concreto, Figura 6. O arrancamento desse cone ocorre quando as tenses de trao ultrapassam a resistncia trao do concreto. Esse tipo de ruptura de interesse para fins de dimensionamento, ocorrendo em ancoragens com alturas imersas pequenas e em concretos com baixas resistncias.

Figura 6. Ruptura do cone de concreto - MEIRA, 2005.

A ruptura por fendilhamento, Figura 7, ocorre devido elevao da tenso de trao proveniente do pino, levando fissurao e separao do elemento de concreto em partes. Esse tipo de ruptura deve ser evitado, pois h poucos estudos sobre esse tipo de ruptura, o que torna difcil de determinar teoricamente a resistncia da ancoragem.

Figura 7. Ruptura por fendilhamento - MEIRA, 2005

3.5. Influncia da Armadura de Flexo

No estudo de Bode e Roik (1987), so feitas consideraes sobre diversos fatores que podem influenciar a capacidade de carga de uma ancoragem,

6 um deles o uso de armadura adicional de flexo. Essa armadura tem como funo fornecer uma maior ductilidade conexo, prevenir o desenvolvimento de fissuras e o esmagamento do concreto em determinada regio. Pode ser utilizada onde h espaamentos insuficientes para a transmisso da carga do ao para o concreto. O seu uso melhora o comportamento quanto ductilidade, apesar de no aumentar significantemente a capacidade final de arrancamento e apresentar uma forma do cone de ruptura semelhante ruptura sem armadura. Ocorrem restries quanto ao seu uso em ancoragens ps-instaladas, pois a instalao do pino feita aps o endurecimento do concreto, tornando assim mais difcil de posicion-lo.

3.6. Mtodo de Clculo

Existem diversas normas e mtodos de clculo para o dimensionamento de pinos de ancoragem, podendo existir semelhana entre esses mtodos para alguma situao em particular. Para a realizao deste trabalho adotou-se o mtodo de 34, pois sua eficcia pode ser comprovada em trabalhos anteriores como, por exemplo, no de SOARES, 2007. O mtodo de clculo desenvolvido por Eligehausen et al. (1988) supe que a superfcie do cone de ruptura apresenta um ngulo de 34, de acordo com os conceitos da mecnica da fratura e estudos experimentais. Nesse mtodo, tambm considerado o espaamento entre chumbadores, excentricidade, ausncia de fissuras e presena de armaduras pouco espaadas. Esse mtodo serviu de base para o desenvolvimento de outros mtodos de clculo, Figura 8, existindo algumas diferenas quanto ao conceito original para cada mtodo adaptado. A carga de ruptura da ancoragem : Nu = Nu,0 . c . s . ec Onde: Nu,0 valor da carga de ruptura de um pino, que no sofre a influncia de borda, submetido a um esforo de trao. c coeficiente que considera a influncia da borda. s coeficiente que considera a influncia de um grupo de ancoragens. ec coeficiente que considera a influncia da excentricidade de carga.

(1)

Figura 8. Mtodo - Exemplo do cone de ruptura (CEB Bull. 233).

4.

METODOLOGIA

No presente trabalho foi estudado o comportamento de pinos de ancoragem sujeitos a esforos de trao em blocos de concreto com dimenses 2200 mm x 600 mm x 400 mm. Na parte superior de cada bloco, foram dispostos 3 pinos de ancoragem. As variveis estudadas projeto, Tabela 1, foram a variao da distncia e do posicionamento da armadura de flexo em relao ao pino de ancoragem.

Tabela 1. Programa Experimental

VARIVEIS ESTUDADAS

d d

PF1 (d = 0 mm) PF2 (d = 50 mm) PF3 (d = 75 mm)

PF4 (d = 0 mm) PF5 (d = 50 mm) PF6 (d = 75mm)

8 4.1. Pinos

Os pinos foram fabricados com barras de ao nervurado CA-50, como haste, e chapas metlicas de ao SAC-1045 como cabeas da ancoragem, Figura 9. A chapa metlica foi perfurada para que a haste pudesse atravess-la. As dimenses dos pinos foram fixadas da seguinte forma: cabea de ancoragem 50 mm x 50 mm, comprimento da haste 250 mm e dimetro de 20 mm, a profundidade do pino imerso no concreto (altura efetiva) permaneceu constante e igual a 100 mm. O ao utilizado na confeco da haste foi ensaiado trao no laboratrio de FURNAS.

Figura 9. Pino aps soldagem

4.2. Frmas

As frmas foram fabricadas com as seguintes dimenses 2200 mm (comprimento) x 600 mm (largura) x 400 mm (altura) e montadas com perfis U, Figura 10.

Figura 10. Frma pronta para concretagem.

9 Foi aplicado desmoldante nas formas e ento posicionada a armadura de flexo com o auxlio de espaadores. Para assegurar que os pinos ficassem devidamente posicionados e no ocorresse nenhum deslocamento durante a concretagem, foram fixadas barras metlicas no sentido transversal e longitudinal das frmas, apoiadas em pequenos cubos de madeira, para manter livre a superfcie de concreto, e os pinos fixados a estas por meio de arame recozido. Antes da concretagem foram feitas verificaes do prumo e alinhamento.

4.3. Concreto

O concreto utilizado na confeco das peas foi fornecido pela empresa REALMIX Concreto e Argamassa que definiu o trao para que o concreto atingisse a resistncia a compresso de 30 MPa aos 28 dias. A concretagem foi realizada no dia 22 de outubro de 2010 no laboratrio de estruturas da UFG e tambm foram moldados corpos de prova cilndricos 150 mm x 300 mm para a obteno de dados suficientes para se traar curva idade x resistncia compresso, obter valores do mdulo de elasticidade e resistncia trao do concreto para a idade de 28 dias. A cura das peas foi feita utilizando gua e mantendo a superfcie dos blocos molhada por sete dias, com posterior cobertura com lona a fim de se evitar perda de umidade.

4.4. Ensaio

A montagem do ensaio foi desenvolvida para que todos os ensaios fossem realizados da mesma forma, seguindo o modelo utilizado por MEIRA, 2005 e SOARES, 2007, Figura 11. Os elementos constituintes do ensaio so: Atuador hidrulico: utilizado para gerar a fora de trao, ele alimentado por uma bomba manual. Tirantes: servem para transmitir a fora gerada pelo atuador hidrulico ao pino a ser ensaiado. Seu dimetro 25 mm, comprimento 1500 mm e apenas 300 mm em cada extremidade rosquevel, so feitos de ao SAC 1045. Clula de carga: utilizada para medir a fora aplicada pelo atuador hidrulico.

10 Leitora de carga digital: responsvel pela indicao do valor medido pela clula de carga. Prtico de reao: utilizado para receber os esforos provenientes do atuador hidrulico e transmitir para o bloco. Esse prtico constitudo de uma viga metlica, formada por um perfil H de 145 x 155 x 8 mm com 1000 mm de comprimento. Os dois pilares so constitudos de um perfil circular com 90mm de dimetro e 3 mm de espessura, com altura de 340 mm soldado a chapas metlicas de 145 x 125 mm com espessura de 16 mm nas extremidades. Os pilares desse prtico foram fixados base da viga por meio de sargentos fixando os quatro cantos da chapa metlica da parte superior do pilar. Chapas metlicas: so utilizadas para assegurar que os esforos transmitidos do prtico para o bloco sejam uniformemente distribudos. Essas chapas tm dimenses 50 x 100 x 25 mm e so fixadas na parte inferior da chapa metlica da base do pilar por meio de gesso pedra tipo III. Perfis em U: so utilizados dois perfis, um superior e outro inferior, para transmitir a fora de trao gerada pelo atuador hidrulico para o pino a ser ensaiado. Foram fabricados atravs da soldagem de trs chapas metlicas formando um perfil U. Chapas em L: so utilizadas duas chapas em forma de L para transmitir a fora de trao do perfil U, descrito acima, para a porca soldada ao pino. Porcas e arruelas: so utilizadas para transmitir a fora de trao proveniente das chapas em L para o pino. Foram soldadas porcas sextavadas de 1 na parte superior do pino atravs de solda de topo utilizando eletrodo OK46.

Figura 11. Desenho da montagem do ensaio, MEIRA 2005.

11 5. RESULTADOS

5.1. Caracterizao dos Materiais

5.1.1. Concreto

Foi utilizado concreto usinado para a confeco dos blocos. Os valores da resistncia compresso, resistncia trao e do mdulo de elasticidade do concreto, Tabela 2, foram obtidos por meio de ensaios de corpos-de-prova cilndricos, com dimetro 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 necessrio traar a curva idade x resistncia compresso, Figura 12, para se estimar o valor da resistncia compresso do concreto no dia do ensaio de cada pea.

Tabela 2. Resultados dos Ensaios. ENSAIO IDADE 7 Resistncia compresso (MPa) 14 21 28 Resistncia trao (MPa) Mdulo de elasticidade (GPa) 28 28 VALORES OBTIDOS 28,4 29,4 30,5 32,3 3,4 23,3

12

Figura 12. Curva Resistncia a compresso do concreto.

5.1.2. Ao Ensaiamos as barras de 20,00 mm segundo a NBR 6152/92, obtendo o grfico da Figura 13.

Figura 13. Curva Tenso X Deformao do ao

5.2. Carga de Ruptura

Os resultados obtidos aps os ensaios de ruptura esto relacionados conforme Tabela 3.

13
Tabela 3. Resultados das cargas de ruptura.

d d

Fe (kN)

Fe (kN)

PF1 (d = 0 mm) PF2 (d = 50 mm) PF3 (d = 75 mm)

84,65 83,20 83,31

PF4 (d = 0 mm) PF5 (d = 50 mm) PF6 (d = 75mm)

84,88 85,78 84,91

6.

DISCUSSO

Segundo os clculos para ocorrer a ruptura no concreto necessrio uma carga Fc = 86,40 kN o que na prtica foi comprovada pois os valores da carga Fe foram bem prximos 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 tenso na armadura de flexo, promovendo uma abertura no dimetro do cone de ruptura levando ao fendilhamento da pea.
Tabela 4. Resultados das cargas de ruptura (RC Ruptura no concreto).

VARIVEIS

PINO PF1

d (mm) 0 50 75 0 50 75

Fc (kN)

Fe (kN) 84,65

Fe / Fc (%) - 2,02 - 3,70 - 3,57 - 1,76 + 1,02 - 1,72

RUPTURA RC RC RC RC RC RC

d d

PF2 PF3 PF7

86.4

83,20 83,31 84,88

PF8 PF9

86,4

87,28 84,91

14

Figura 14. Ruptura por fendilhamento.

7.

Concluses

Constatou-se que a variao no posicionamento da armadura no aumenta significantemente a capacidade de ancoragem. A presena da armadura de flexo aumenta da ductilidade da pea, as fissuras se propagam ao longo da armadura. Quanto ao aparato experimental, os pinos com dimetro de 20 mm ideal para o estudo em questo, permitindo que em 100 % dos casos a ruptura ocorra no concreto, a fixao da armadura e dos pinos bem como a utilizao de formas de perfis metlicos permite evitam a introduo de variveis indesejveis na pesquisa, estando aprovadas para futuros estudos.

15 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
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MARTINS JUNIOR, J. N. Resistncia Trao de um sistema de ancoragem, embutido em concreto sujeito a carga de impacto. 2006. 140 f. Dissertao (Mestrado em Engenharia Civil) Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil.

JERMANN, R.P. Chumbadores para Concreto. 1993. 169f. Dissertao (Mestrado em Engenharia Civil) Universidade Federal Fluminense, Niteri, 1993. MEIRA, M. T. R. Resistncia trao de pinos de ancoragem Influncia de borda, comprimento de aderncia, posio e orientao do pino. 2005. 168 f. Dissertao (Mestrado em Engenharia Civil) Escola de Engenharia Civil, Universidade Federal de Gois, Goinia, 2005.

SOARES, M. M. P. Influncia da proximidade de borda, da altura efetiva, do comprimento aderente e do dimetro da haste na resistncia de pinos de ancoragem. 2007. 173 f. Dissertao (Mestrado em Engenharia Civil) Escola de Engenharia Civil, Universidade Federal de Gois, Goinia.

MARINHO, A. M.; FONTENELLE E.G.; Influncia da armadura de flexo na resistncia trao de pinos de ancoragem. Trabalho da disciplina de Anlise Terico e Experimental das Estruturas CMEC UFG 2009.