Entretanto, na seção P.2.2.4 a ABNT NBR 8800:2008 especifica que não é necessário prever conectores nos trechos entre regiões de introdução de cargas quando a coluna for um perfil totalmente revestido com concreto ou um tubo preenchido com concreto e a relação entre a força axial de compressão solicitante de cálculo na coluna, Nc,Sd e a força axial de compressão resistente de cálculo da seção transversal à plastificação total, Npl,Rd for superior a 0,3.
Deste modo, entende-se que, geralmente, a adesão em colunas sem elementos mecânicos de transferência de cisalhamento, é rompida quando se inicia o escorregamento relativo entre o aço e o concreto.
Após a perda da adesão entre os materiais predomina a aderência mecânica, caracterizada pela transferência uniforme de tensões de cisalhamento ao longo do comprimento do tubo (OLIVEIRA, 2008).
Para Braga (2006), uma das principais propriedades que possibilita a perfeita integração entre o aço e o concreto é o coeficiente de dilatação térmica destes materiais, pois o aço e o concreto possuem um coeficiente de dilatação térmica com valores muito próximos (aço 1,2x10-5ºC-1 e concreto 1,0x10-5ºC-1), o que possibilita a utilização de ambos de modo associado sem que sejam criadas grandes tensões na superfície de contato entre eles, salvo em situações especiais, como no caso de incêndio, onde a variação de temperatura é muito grande e deve ser analisada.
Figura 15 – Tipos de interação entre o aço e o concreto. (a) Interação total, (b) Interação parcial, (c) Sem interação
Fonte: Elaborado pelo Autor, 2018.
Na interação parcial, a interligação entre os materiais existe, porém não é suficientemente rígida ou resistente para manter o conjunto. Sendo assim ocorre um deslizamento relativo entre as superfícies dos materiais (Figura 15b).
Quando não há interação, ambos os materiais se comportam de maneira isolada, descaracterizando a ação mista. Pode ocorrer escorregamento acentuado na superfície de contato entre o aço e o concreto devido aos comportamentos individuais dos materiais (Figura 15c).
1.3.1 Comportamento da seção transversal aço x concreto
Apontam-se três diferentes formas de aplicação do esforço axial nas colunas CFST, fundamentadas na interação aço x concreto e apresentadas na Figura 16. O carregamento pode ser aplicado somente na seção de concreto, pode ser aplicado apenas na seção de aço ou pode ser aplicado em ambas as seções simultaneamente (seção mista).
Figura 16 – Carregamento das colunas CFST
Fonte: Oliveira, 2008. Adaptado pelo autor, 2018.
Quando se aplica o carregamento somente no núcleo de concreto, percebe- se que ocorre a mobilização do efeito do confinamento do concreto desde os primeiros estágios de carregamento. Neste caso o tubo de aço tem apenas a função de restringir a expansão lateral do concreto, tão logo ocorra a expansão lateral, atuando como encamisamento do núcleo de concreto (OLIVEIRA, 2008).
Simões (2008) descreve que, no início do carregamento, o núcleo de concreto resiste praticamente sozinho a todo o carregamento aplicado, porém à medida que o carregamento aumenta, ocorre a expansão lateral do concreto e há o acréscimo da pressão de contato e das tensões de cisalhamento por atrito.
Solicitando somente o concreto, as tensões longitudinais passarão a existir no tubo e, consequentemente, as tensões transversais começarão a atuar entre os materiais. Deste modo, o tubo de aço passa a ser solicitado biaxialmente, reduzindo a capacidade de absorção de força na direção circunferencial e essa diminuição acarreta a redução na pressão de confinamento do concreto reduzindo, desta forma, a força última que a seção pode resistir (SIMÕES, 2008).
Se o carregamento é aplicado somente na seção do aço, a seção se expande radialmente e percebe-se que a aderência natural entre os materiais não é suficiente para redistribuir a força para o núcleo de concreto, mesmo para baixos níveis de carga. Como não há redistribuição da força axial para o concreto, a capacidade resistente da seção é dada apenas pela capacidade resistente à compressão do
tubo de aço, logo, a coluna não pode ser considerada como mista (OLIVEIRA, 2008).
Na visão de Oliveira (2008), o comportamento de um tubo de aço e de uma coluna CFST com carregamento axial aplicado, difere porque o núcleo de concreto impede a flambagem local para o lado interno do tubo.
Finalmente, quando o carregamento é aplicado na seção da estrutura mista, é reproduzida a condição de projeto e assim, o esforço axial é distribuído entre o núcleo de concreto e o perfil de aço, de acordo com a rigidez axial de cada um (OLIVEIRA et al., 2009a). Nesta configuração de introdução de carregamento da seção o grau de confinamento do concreto é maior e a aderência é relevante para o comportamento da coluna CFST devido ao coeficiente de atrito na interface entre os materiais. Quanto maior este coeficiente, maior a transferência de carga para o tubo de aço e maior sua contribuição para a capacidade resistente da coluna (OLIVEIRA, 2008).
O conjunto misto sofrerá a mesma deformação, implicando na ausência de deslocamento relativo entre o núcleo de concreto e o tubo de aço, não sendo possível distinguir o comportamento dos materiais isoladamente, portanto, como descreve Oliveira (2008), não ocorrerá a transferência de tensões de cisalhamento na interface, embora existam altas pressões de contato nesta região durante o carregamento.
O efeito do confinamento só será mobilizado quando a expansão radial do concreto for suficiente para produzir tensões circunferenciais significativas no tubo de aço (SIMÕES, 2008).
1.3.2 Resistência à compressão do núcleo de concreto
A resistência à compressão do concreto tem sido amplamente estudada quando se trata de colunas CFST. Shakir-Khalil (1988), em seu trabalho experimental, apresentou resultados que mostraram que a resistência da coluna mista aumenta com o uso do concreto de resistência à compressão maior, contudo, esta contribuição do concreto é mais evidente em colunas CFST curtas cujo aço tenha um limite de escoamento menor.
Mirza (1989) propôs uma análise de colunas CFST com propriedades idênticas, variando esbeltez e excentricidades. Em seu estudo considerou utilizar uma resistência para o concreto de 20,7 MPa e de 34,5 MPa. Suas conclusões indicaram que a resistência do concreto é o principal parâmetro que influencia a resistência colunas CFST, no entanto, percebeu que seu efeito é menor para colunas esbeltas.
Dos estudos feitos por ambos os pesquisadores em época aproximada, ou seja, nos anos de 1988 e 1989, percebe-se de suas conclusões, que a resistência do concreto é uma forte influência na resistência das colunas CFST, porém, quando se trata de colunas esbeltas, sua colaboração não é tão efetiva. Além deste fator, verifica-se que a tensão de escoamento do aço está diretamente associada a esta característica do concreto.
Uma vez que o confinamento depende do processo de microfissuração interna do concreto, seu efeito é reduzido com a utilização de concretos de alta resistência, pois sua expansão lateral será menor e a seção de aço só será solicitada para elevados valores de deformação, superiores aos do concreto de resistência normal.
Oliveira e El Debs (2006) realizaram experimento em 8 colunas CFST curtas de mesmo diâmetro e comprimento, porém com duas espessuras do tubo de aço diferentes (resistência do concreto variando entre C30, C60, C80 e C100). Seu experimento indica que o comportamento geral dos diagramas tensão x deformação axial obtidos, mostra que as colunas preenchidas com concreto de menor resistência à compressão apresentam comportamento que tende ao elastoplástico perfeito, no tocante ao ganho de resistência após ser atingido o pico de resistência. Isso indica que o efeito de confinamento é mais pronunciado nas colunas CFST, com concreto de classes C30 (normal) e C60 (alta resistência).
Percebe-se, na literatura, que grande parte dos ensaios experimentais realizados buscam estudar isoladamente cada característica de ambos os materiais, aço e concreto, de modo que a resistência do elemento misto possa ser caracterizada de maneira mais distinta, evidenciando-se a influência dos materiais quando submetidos a esforços externos, comportando-se como um único elemento.
Oliveira et al. (2009b), proporam um estudo sobre a avaliação dos efeitos do confinamento do concreto em colunas CFST, onde foram comparados 116 resultados de ensaios experimentais: 32 testados pelos próprios autores e 64
obtidos do trabalho experimental de O´Shea e Bridge (2000), Giakoumelis e Lam (2004), Gupta et al. (2007) e Yu et al (2007).
Estes ensaios experimentais foram realizados com compressão concêntrica sobre o núcleo de concreto e em geral indicaram que a espessura do tubo influi de modo direto sobre o confinamento do concreto. Neste estudo os modelos analíticos foram baseados em colunas CFST, entretanto, por se tratar da observação do confinamento do concreto, o carregamento foi aplicado no núcleo de concreto e não na seção transversal do elemento misto como um todo.
Tao et al. (2013) propõem uma análise assistida computacionalmente dos resultados obtidos pelos ensaios experimentais de Tao et al. (2008), onde 484 colunas circulares CFST foram ensaiadas. Cada variável de dimensionamento é analisada e conflitada com estudos experimentais realizados, enfocando a relação tensão deformação das colunas, assim como as pressões exercidas pelo confinamento do concreto. Essa análise possibilitou a calibração de um modelo analítico e indica claramente que os resultados experimentais acerca da influência do confinamento do concreto ainda não estão totalmente esclarecidos, pois divergem dos resultados obtidos analiticamente.
As colunas CFST (Figura 17) e RCFST (Figura 18) possuem características peculiares e o seu dimensionamento é norteado pelas características de cada material que as compõem: seção de aço, núcleo de concreto e armadura longitudinal de aço.
Figura 17 – Modelo de coluna CFST
Fonte: Elaborado pelo Autor, 2018.
Figura 18 – Modelo de coluna RCFST
Fonte: Elaborado pelo Autor, 2018.
Xiamuxi e Hasegawa (2012) propõem um estudo comparativo do comportamento de colunas CFST e RCFST. Para os autores, a presença do concreto armado incorre na necessidade do desenvolvimento de um modelo analítico específico, pois proporciona ao núcleo de concreto um estado triaxial de tensões de análise complexa e diferenciada de um elemento misto preenchido apenas com concreto.
Em seu estudo propõem ainda que a redução da capacidade resistente do tubo de aço pode ser negligenciada sob compressão axial devido ao uso do concreto armado e indicam que este tipo de elemento deve ser melhor investigado.