O estudo e a utilização de estruturas mistas datam do meado do século XIX, onde as concepções estruturais consideravam que esses dois componentes trabalhavam independentemente. Com o passar dos anos, a ação mista aço- concreto começou a ser observada no comportamento de estruturas como se as mesmas fossem um sistema único que combinasse esses dois materiais, explorando a capacidade de cada elemento ao máximo.
Estudos pioneiros publicados por Caughey (1929) marcaram o início da utilização mais frequente do sistema misto, aço-concreto, até então pouco difundido. Como consequência, na década de 1930 e 1940, a construção mista foi empregada numa grande quantidade de pontes rodoviárias. Em 1944, a American Association of State Highway Officials (AASHO), atualmente AASTHO, realizou as primeiras publicações sobre o projeto de pontes rodoviárias utilizando estruturas mistas aço-concreto, o que difundiu rapidamente este tipo construção.
Nas décadas subsequentes, diversas outras normas de projeto passaram a prever a utilização de sistemas mistos, aço-concreto, ao longo do mundo. Por exemplo, na década de 1960 as especificações da norma americana foram atualizadas e o código DIN 1078, da Alemanha, passou a prever os critérios e normalização para o projeto da construção mista.
Para que haja o comportamento misto é necessária, certa aderência entre a viga de aço e a laje de concreto. Lembrando que a aderência entre esses dois materiais não é considerada para o efeito de cálculo, o que leva a utilização dos conectores de cisalhamento para transmitir as forças longitudinais na interface
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aço-concreto. Várias contribuições ao longo dos últimos anos originaram a publicação, elaboração de tabelas e de códigos normativos, devido ao grande interesse manifestado por alguns pesquisadores no comportamento misto estrutural. A Figura 1.7 ilustra a utilização de conectores de cisalhamento em pontes rodoviárias mistas.
Figura 1.7 – Exemplo de conectores de cisalhamento em pontes rodoviárias, Practical Steel Tub Girder Design, National Steel Bridge Alliance (NSBA)
Dubas (1986) estudou vários aspectos relacionados ao projeto e construção de pontes mistas, em especial as pontes em vigas curvas, como por exemplo o enrijecimento da alma de vigas I e de vigas caixão, o arranjo dos enrijecedores transversais, o arranjo estrutural e comportamento estático de pontes mistas em vigas curvas.
Daniels, Brekelmans e Stark (1993) publicaram uma revisão dos avanços realizados no projeto e execução de pontes em vigas mistas, com enfoque na superestrutura de aço, laje de concreto, conectores de cisalhamento, cargas e distribuição de cargas, utilização, manutenção, reabilitação e reparo, entre 1970 e 1992.
Mason e Ghavami (1994) apresentaram diferentes exemplos de pontes em estrutura de aço e mista executados no Brasil.
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Oehlers et al. (2000), desenvolveram um procedimento simples a fim de avaliar o efeito benéfico do atrito na interface da força máxima de projeto e a resistência dos conectores de cisalhamento em vigas mistas sujeitas a fadiga.
Machacek e Studnicka (2002) verificaram os resultados obtidos com ensaio push-out de conectores tipo Perfobond em vãos de 6,0m. Os resultados confirmaram o comportamento previsto da conexão ao cisalhamento. As flechas e deformações de todas as vigas mistas no regime elástico coincidiram com os valores calculados. Entretanto, a ductilidade da ligação não atendeu ao valor recomendado pelo EUROCODE 4 (2005).
Valente (2007) realizou uma série de ensaios experimentais em vigas mistas de aço e concreto leve, submetidas a carregamentos monotônicos e cíclicos. Avaliações da evolução da carga aplicada, da deformação vertical, do deslizamento na interface aço-concreto e das deformações em algumas seções pré-definidas foram elaboradas. Foram executados ensaios do tipo push-out em conectores tipo Stud, Perfobond e tipo “T” com carregamentos monotônicos e cíclicos de forma a se obter informação útil para a caracterização da ligação aço- concreto leve e para avaliação do comportamento de vigas mistas.
Machacek et al. (2009) investigaram os conectores Perfobond em vigas mistas treliçadas em ensaio em escala real, adotando interação total. Os resultados experimentais serviram para calibrar o modelo de elemento finito em 3- D no programa Ansys (2009), que foi utilizado para um extensivo estudo paramétrico da distribuição do fluxo de cisalhamento na interface entre o aço e o concreto.
Chellini, Roeck, Nardini e Salvatore (2009) analisaram o dano em pisos mistos de pórticos através de modelos em elemento finito adaptativos. No estudo apresentado, os modelos de elementos finitos adaptativos foram associados com as medições de vibração e utilizados para detectar, avaliar e quantificar os danos estruturais de um elemento de aço misto com concreto de alta resistência. O processo de adaptação da estrutura repetiu-se por três níveis de danos, e foi aplicado a diferentes modelos de elementos finitos estruturais (que abordam diferentes estratégias de modelagem), permitindo uma descrição exaustiva e quantificação da degradação progressiva das ligações junto as colunas, calculado para dissipar a energia sísmica por projeto.
Vianna (2009) avaliou o comportamento estrutural de conectores Perfobond e T-Perfobond em vigas mistas através de um programa experimental envolvendo cinquenta e dois ensaios do tipo push-out, um ensaio em escala real e uma modelagem numérica. Os resultados possibilitaram concluir que os conectores
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Perfobond e T-Perfobond são mais econômicos em até 33% que os conectores Studs, tendo os mesmos as seguintes vantagens: alta resistência, fácil produção e instalação no perfil de aço através de solda corrente, e bom comportamento à fadiga.
Xue et al. (2012) realizaram testes de push-out para investigar o comportamento de diferentes conectores. O comportamento estático foi estudado e comparado com as equações de projeto. Os resultados mostram que a estimativa com base no EUROCODE 3 (2001) e no AASHTO (2012) está de acordo com os resultados dos testes.
Lopes et al. (2012) estudaram o efeito da interação aço-concreto sobre a resposta dinâmica não linear de pisos submetidos a cargas dinâmicas rítmicas. O objetivo principal foi avaliar a influência do nível de interação aço-concreto (total e parcial) sobre a resposta dinâmica não linear de pisos mistos quando submetidos a ações dinâmicas humanas rítmicas.
Os objetivos desejados para o presente estudo são apresentados no tópico a seguir com ênfase na metodologia desenvolvida e na modelagem da interação parcial de estruturas de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto).
1.3.
Objetivos
O principal objetivo desse trabalho de pesquisa, assim como Leitão (2009), consiste no desenvolvimento de uma metodologia de análise para verificação à fadiga em pontes rodoviárias em aço e mistas (aço-concreto). Porém, para tal metodologia são considerados efeitos distintos até então não estudados por Leitão (2009), a saber: interação parcial, diferentes tipos de veículos, mobilidade da carga e irregularidades do pavimento.
Desta forma, desenvolve-se uma metodologia de análise, respaldada pelo emprego de um modelo numérico tridimensional, na ferramenta computacional ANSYS (2009), para avaliação da resposta dinâmica sobre os tabuleiros das pontes e viadutos rodoviários em aço e mistos (aço-concreto). Considera-se a passagem de diferentes comboios de veículos condizentes com a realidade de utilização atual, introduzindo o efeito proveniente da interação entre as viaturas e a estrutura da ponte com o tabuleiro irregular.
Total atenção é dispensada a modelagem avançada da estrutura, composta de elementos finitos específicos e malha refinada, com foco principal na
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modelagem inédita da interação aço-concreto de pontes rodoviárias mistas, inexistente na bibliografia estudada para elaboração desse trabalho de pesquisa.
Adicionalmente, objetivou-se analisar os valores das tensões obtidas ao longo da análise e suas respectivas faixas de variação, para modelos de estruturas mistas com interação parcial, de forma a estudar o dano acumulado, a vida útil da estrutura à fadiga e comparar os resultados dos esforços obtidos com os valores referenciais do projeto.