This work includes the numerical study of the structural behavior of mixed columns formed by tubular profiles of circular sections filled with simple concrete, with high-strength type break connectors. The use of the bolted connections is of great practical importance as it is easy to install and inexpensive.
Interações entre aço e concreto
14 A adesão, também conhecida como adesão química, ocorre durante as reações de endurecimento do cimento, fase em que surgem ligações físico-químicas na interface aço-concreto (ARAUJO, 2009). O mecanismo de transmissão de tensão por atrito está relacionado ao nível de força normal aplicada e ao coeficiente de atrito da interface, portanto, o coeficiente de atrito depende do grau de rugosidade da superfície do tubo e se esta superfície possui algum tipo de lubrificação.
Pilares mistos
Confinamento em pilares mistos preenchidos por concreto
Em relação à forma da seção transversal do perfil envolvendo o concreto, em seções circulares o concreto está sujeito ao mesmo grau de fechamento radial. Esse comportamento é verificado porque a deflexão das tensões de confinamento do centro da seção para os cantos ocorre conforme a Figura 1.2 (De Nardim, 1999).
Conector de cisalhamento
A verificação do comportamento estrutural das ligações ao cisalhamento é realizada através da realização de ensaios de cisalhamento direto, conhecidos como push-out, padronizados na norma europeia EN. O estudo deste trabalho leva em consideração a utilização de parafusos de alta resistência como ligações ao cisalhamento conforme ilustrado na Figura 1.5.
Revisão bibliográfica
Neto (2016) analisou a utilização de um parafuso estrutural como conector de cisalhamento em PMPC de seção circular. Xavier (2017) promoveu a análise teórico-experimental da utilização de um parafuso estrutural como conector de cisalhamento em um pilar misto retangular.
Objetivos
Justificativa
Metodologia
22 Com base nos resultados experimentais obtidos na pesquisa de Neto (2016), a modelagem numérica foi calibrada e um estudo foi realizado considerando a variação da espessura do perfil. Este trabalho tem como foco avaliar a influência da espessura do perfil tubular na capacidade de carga do conector de cisalhamento em PMPC, comparando os resultados numéricos com os resultados obtidos na pesquisa realizada por Neto (2016) no Laboratório de Estruturas Prof. . Os resultados da análise numérica são comparados com as especificações da norma ABNT NBR considerando diferentes espessuras, ou seja, das seções mais finas às mais grossas.
Neste capítulo são apresentadas as prescrições padrão que definem a resistência de uma embreagem e a descrição do modelo experimental realizado por Neto (2016), que se caracteriza como referência deste trabalho. Altamiro Tibiriçá Dias" da Universidade Federal de Ouro Preto e trata-se de um pilar misto, composto por um perfil tubular circular preenchido com concreto, utilizando um parafuso estrutural como ligação de cisalhamento.
Avaliação teórica da resistência do conector de cisalhamento
24 A tensão de resistência de projeto na pressão de contato do concreto (𝜎𝑐,𝑅𝑑) pode ser calculada conforme ABNT NBR com a equação 2.3.
Geometria dos protótipos
Caracterização do aço
Caracterização do concreto
Execução dos ensaios experimentais
O procedimento de teste é retirado de uma adaptação do teste push-out de acordo com o padrão europeu para estruturas mistas EN. Durante o ensaio experimental, foram medidos os valores de carga aplicada e através do LVDT vertical mostrado na figura 2.4 o deslocamento do protótipo. Neste capítulo será discutido o processo de modelagem numérica utilizando o método dos elementos finitos utilizando o programa comercial ABAQUS v.6.14.
Inicialmente será feita uma aproximação à visão global do modelo, começando pela consideração dos tipos de elementos e malhas utilizadas, condições de contorno, incrementos, definição de materiais e por fim as interações entre superfícies.
Visão geral do modelo
Tipo de elemento e refinamento da malha
30 A discretização da rede de elementos finitos foi realizada com base nos estudos numéricos realizados por Santos (2017). Os elementos utilizados no tubo de aço e no núcleo de concreto possuíam malhagem no sentido longitudinal com tamanho variável entre 5,0 mm e 20,0 mm, de forma que na área ao redor das peças de ligação a malha tinha tamanho máximo de 5,0 mm. Segundo Prates (2017), a mudança gradual da malha em direção ao eixo longitudinal do pilar contribui para a redução dos problemas de convergência dos modelos.
Houve uma maior discretização da malha de elementos finitos nos parafusos porque é onde ocorre a maior transferência de carga do núcleo de concreto para o tubo de aço.
Condições de contorno
31 equivalente às partes omitidas no modelo, considerando modelar apenas um quarto da estrutura devido à simetria. A base do tubo de aço foi assumida como tendo encolhido completamente, limitando o movimento e a rotação em todas as direções (Figura 3.5). Para o topo do núcleo de concreto, área sobre a qual foi aplicada a carga durante os ensaios experimentais, o deslocamento foi permitido apenas no sentido longitudinal do núcleo, limitando todos os outros deslocamentos e não permitindo rotações (Figura 3.6).
32 Como o estudo apresenta apenas um quarto do protótipo experimental, a função de simetria foi utilizada para descrever as condições de contorno que representam a dupla simetria do modelo.
Método de solução
A análise estrutural foi realizada usando o controle de deslocamento usando a função de corpo rígido. Nesse sentido, para representar a transferência de carga do atuador para o protótipo experimental, a superfície superior do concreto foi considerada como um corpo rígido (Figura 3.9). Um ponto de referência foi ajustado ao centro de massa deste corpo no início da análise computacional.
Assim, foi realizada a verificação do deslocamento deste ponto no sentido longitudinal do núcleo de concreto.
Propriedades mecânicas dos materiais
Concreto
Para definir o comportamento plástico do concreto, foi necessário fornecer ao software a relação entre tensões e deformações plásticas. A norma europeia EN propõe uma lei que descreve o comportamento do betão submetido à compressão uniaxial e caracteriza o seu comportamento até à deformação última (Ɛ𝑐𝑢1). Assim, a curva não pode descrever o comportamento do concreto para níveis de tensão além daquele causado pela deformação última.
O programa ABAQUS trata separadamente do comportamento tensão versus deformação do concreto em compressão uniaxial fora da faixa elástica. Para o cálculo da resistência à tração do concreto (𝑓𝑐𝑡𝑚), foi utilizada a equação da norma europeia EN, que é adequada para concretos com resistência igual ou inferior às classes C50 e C60. A avaliação da fase pós-pico pode ser representada pela relação tensão pós-falha versus deformação conforme descrito na Figura 3.13.
Depois de avaliar várias curvas de tensão versus abertura de fissura na fase pós-pico, os autores concluíram que esse modelo representa melhor o comportamento de tração do concreto. Segundo Aguiar (2015), a deterioração da rigidez do concreto ocorre quando há um descarregamento que se inicia a partir de um ponto localizado no ramo pós-crítico da curva tensão versus deformação, conforme ilustrado na Figura 3.16. Para descrever o modelo CPD, além dos parâmetros que descrevem o comportamento do concreto em compressão e tração, existem os parâmetros responsáveis por controlar a extensão das equações de comportamento do material do estado uniaxial para o estado multiaxial.
Aço
O parâmetro de viscosidade (𝜇𝑣𝑖𝑠) é definido pela documentação do ABAQUS como o tempo de relaxação de um sistema viscoplástico e tem a função de contornar problemas associados à convergência de modelos com degradação de rigidez. 47 Para inserir a relação entre tensão e deformação dos materiais no programa ABAQUS, foi necessário transformar as tensões e deformações de engenharia ou nominais em tensões verdadeiras obtidas pelas seguintes expressões. E𝑣𝑒𝑟 é o verdadeiro módulo de elasticidade obtido pela razão entre o primeiro valor diferente de zero da tensão verdadeira e o primeiro valor distinto da deformação verdadeira.
Contatos
Para a interface tubo-concreto, apesar de utilizar desmoldante nos protótipos experimentais, foram avaliados valores de coeficiente de atrito estático (μ) iguais a e 0,25, sendo que o valor que garantiu melhor convergência foi μ = 0,2. Para considerar o atrito entre o eixo do parafuso e o núcleo de concreto, foi utilizado um coeficiente de atrito estático μ = 0,62. Este valor é o resultado de uma média ponderada entre o comprimento do eixo liso e o eixo roscado, considerando os valores de atrito como pesos.
Para a parte lisa, foi considerado μ = 0,50 conforme especificação da norma ABNT NBR 8800:2008 para juntas de cisalhamento, e para a parte rosqueada, o atrito de μ = 1. O atrito estático (μ) foi utilizado para a tubo de interface parafuso-parafuso foi zero, pois a consideração de valores para essa variável não garantiu a aproximação numérica e experimental (Figura 3.21).
Comparação dos resultados
A Tabela 4.1 mostra os valores de força máxima dos modelos numéricos e experimentais e a relação entre eles. Observe que o modelo numérico mostrou uma perda de rigidez total à compressão no núcleo de concreto ao redor dos parafusos. Verificou-se que quando os parafusos foram acionados, eles começaram a girar, fazendo com que o concreto se desintegrasse.
A Figura 4.4 apresenta o modelo numérico com corte na altura de 250 mm, exatamente no meio do protótipo, e mostra o dano por pressão que ocorre no núcleo de concreto. Podemos observar que em duas áreas o valor de tensão acima do escoamento foi atingido, na região do eixo próximo à cabeça do conector e em uma pequena área na parte superior da cabeça do parafuso. Assim como no conector, para a análise de tensões no tubo, a distribuição de tensões foi limitada ao valor de sua resistência ao fluxo.
Assim é possível perceber que nas áreas próximas aos conectores houve uma série de tensões acima da vazão da tubulação (Figura 4.6). 54 Em relação ao modo de falha, a Tabela 4.2 mostra os valores obtidos a partir das prescrições analíticas da norma ABNT NBR, de forma que o menor valor determina o modo de falha dominante do protótipo. Avaliando o valor mínimo resultante, o estado limite dominante do protótipo é regido pelo esmagamento do concreto na área de contato com o parafuso, verificado numericamente.
Variação da esbeltez da seção do tubo
A Figura 4.7 ilustra a variação da espessura do tubo de aço usado para controlar o comportamento do conector. Verificou-se que com o aumento da espessura do tubo, os conectores de cisalhamento aumentaram sua capacidade de resistência levando em consideração o aumento de 5,2 para 8,2 mm de espessura. Assim, acredita-se que o aumento da espessura do tubo provocou maior rigidez na ligação, antecipando o mecanismo de quebra do concreto e a ocorrência do modo de falha do protótipo.
Estudo numérico de um dispositivo de transferência de carga em pilares tubulares mistos preenchidos com concreto. NBR Projeto de estruturas metálicas e estruturas mistas de aço e concreto para edifícios de seção em caixa. Estudo teórico-experimental de pilares mistos compostos por tubos de aço preenchidos com concreto de alta resistência.
Análise comparativa de soluções de pilares para galpões: pilares de aço, pré-moldados e mistos de aço e concreto. Sobre a recente norma brasileira para dimensionamento de estruturas metálicas e estruturas mistas de aço e concreto com perfis tubulares. Conexões aparafusadas instaladas com rebite para transferência de carga em pilares mistos com perfis formados a frio preenchidos com concreto.
