Análise experimental e numérica de pilares birrotulados de concreto armado submetidos a flexo-compressão normal

Abstract

Trata-se de um estudo experimental e numérico do comportamento até a ruína de pilares birrotulados de concreto armado submetidos a flexo-compressão normal. Foram ensaiados 24 pilares, sendo 10 com 3,0 m, 7 com 2,5 m e 7 com 2,0 m de altura. Os pilares possuíam seção transversal de 250 mm x 120 mm, resistência do concreto em torno de 40 MPa, e taxa geométrica de armadura longitudinal de 1,57 %. A principal variável foi a excentricidade da força aplicada na direção de menor inércia da seção transversal. Resultados de forças últimas e tipos de ruína, fissuração, deslocamentos horizontais, deformações do concreto e da armadura são apresentados e analisados, juntamente com as estimativas calculadas por dois programas computacionais adaptados para o tipo de ensaio realizado. Os pilares com força centrada apresentaram ruína brusca com ruptura do concreto na região central dos pilares, com um pilar apresentando ruína na região do consolo. Os demais pilares apresentaram ruína por flexo-compressão na região central dos pilares. O sistema de ensaio mostrou-se adequado, sendo recomendado para ensaios futuros. Uma curva de tendência de forma exponencial para a força última relativa (υ = Fu/(bhfc)) em função da excentricidade relativa (e/h) foi determinada, apresentando um bom ajuste aos resultados dos pilares analisados. Os resultados numéricos estimados pelos programas se aproximaram bem dos resultados experimentais, sendo adequada a sua utilização na verificação de elementos birrotulados submetidos a flexão composta normal, possuindo pelo menos um eixo de simetria. Foram determinadas funções de forma polinomiais do terceiro grau para a determinação da força de ruína de pilares com índices de esbeltez de 92,7, 71,5 e 52,2 e taxas mecânicas de armadura iguais a 0,196 e 0,131. Os métodos aproximados para a determinação dos efeitos de segunda ordem da ABNT NBR 6118:2003 apresentaram excelentes resultados de estimativa da força última em relação à força última experimental, apresentando uma relação Fu/Fu,NBR próxima à unidade. Os métodos aproximados do ACI 318:2002 e MC-CEB (1990) apresentaram resultados subestimados de resistência dos pilares, em relação aos pilares testados. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This work presents experimental and numerical studies of reinforced concrete columns under combined axial load and bending. Experimental analyses were conducted in twenty four specimens, with dimensions classified as: ten with three meters height, seven with two and a half meters height, and seven with two meters height. The analyzed columns had rectangular cross sections, with dimensions of 250 x 120 mm. All the specimens had a concrete strength under compression of approximately 40 MPa, with a longitudinal reinforcement ratio of 1.57 %. The load eccentricity, applied at the minor inertia direction, was considered as the major variable in the experiments. Results of ultimate loads, failure types, cracking distribution, horizontal displacements, concrete and reinforcement strains are presented and analyzed, along with results obtained with two computer programs, with modified parameters matching the conducted tests. Fragile failures were observed in the columns under compression. In the remaining specimens, concrete rupture with a combined axial load and bending occurred at the mid span. The test setup was proven to be adequate and it is recommended for future studies. An exponential estimative for the ultimate relative load was achieved, being a function of the relative eccentricity, providing a good agreement with the analyzed results. Numerical results achieved with the computer programs provide a good estimative of the experimental values and are recommended for analyses of structural elements having at least one symmetry axis, under combined axial load and bending. Polynomial approximations of the third degree for the ultimate load of columns with slenderness ratios of 92.7, 71.5 and 52.5, with reinforcement ratios of 0.196 and 0.131 were established. Simplified methods of second order analysis of design code ABNT NBR 6118:2003 present a good estimative of the ultimate load, providing ratios close the unity when compared to experimental values, while approximate methods of ACI 318:2002 and MCCEB (1990) codes underestimate these values.