Simulação numérica e modelos de cálculo para representação dos modos de falha de conectores de cisalhamento Crestbond

Abstract

Os conectores de cisalhamento em chapa de aço contínua recortada, conhecidos no âmbito internacional como composite dowels, são obtidos a partir de uma única linha de corte numa chapa de aço ou mesmo na alma do perfil de aço, que confere determinada geometria ao conector capaz de transferir esforços entre os componentes de aço e de concreto das estruturas mistas. O conector de geometria chamada Crestbond foi desenvolvido no Brasil por um grupo de pesquisadores da UFV e da UFMG, em que a chapa de aço é recortada com saliências e reentrâncias trapezoidais. Quando utilizados segundo as prescrições da norma técnica vigente, a capacidade resistente da conexão proporcionada por esses conectores está associada a três possíveis modos de falha: cisalhamento do concreto, ruptura do concreto por pry-out e falha do aço do conector. Na literatura, várias pesquisas abordam o comportamento do conector Crestbond contemplando apenas o cisalhamento do concreto como modo de falha da conexão. Nesse sentido, estudos abrangendo a falha do aço do conector e o pry-out do concreto são necessários para uma descrição completa sobre o comportamento estrutural do Crestbond quando submetido a solicitações estáticas. Esse trabalho apresenta um estudo sobre esses dois modos de falha em conectores Crestbond por meio de simulações numéricas realizadas com o software ABAQUS, investigando sob quais condições cada modo de falha é predominante na conexão. Os estudos realizados foram alicerçados em pesquisas sobre conectores com as geometrias puzzle e clothoidal, já consolidados na literatura e atualmente em uso na construção de pontes e viadutos mistos de aço e concreto em vários países da Europa. Como resultado das investigações numéricas, foram propostas expressões para estimar a resistência da conexão ao pry-out do concreto e à falha do aço em conectores Crestbond. A formulação referente à falha do aço dos conectores puzzle e clothoidal mostrou-se adequada também para o Crestbond, enquanto os resultados da equação relativa ao pry-out corresponderam adequadamente aos resultados experimentais da literatura.

Continuous shear connectors, also known as composite dowels, are obtained from a single cutting line in a steel plate or even in the web of the steel profile, which confers a geometry to the connector capable of transferring forces between steel and concrete components of composite structures. The Crestbond shear connector was developed in Brazil by a research group of UFV and UFMG, in which the steel plate is cut into trapezoidal recesses. According to the current technical approval, the load bearing capacity of the connection provided by these connectors is associated with three possible failure modes: concrete shearing, concrete pry-out, and steel failure. In the literature, several researches studied the behavior of Crestbond considering the concrete shearing in the openings of the connector as the only failure mode of the connection. In this sense, studies covering the steel failure and concrete pry-out are necessary for a complete description of the structural behavior of the Crestbond connectors under static loads. This work presents a study of these two failure modes in Crestbond connectors through numerical simulations performed with ABAQUS software, investigating under what conditions each failure mode is predominant in the connection. The studies were carried out based on researches about puzzle- and clothoidal-shaped connectors already consolidated in the literature and currently in use in the construction of steel-concrete composite bridges and viaducts in several European countries. As a result of the numerical investigations, expressions that estimate the load bearing capacity against concrete pry-out and steel failure of Crestbond connectors were proposed. The expression that predict the resistance against steel failure of puzzle- and clothoidal-shaped connectors was maintained for Crestbond connectors, while the results of the pry-out equation corresponded adequately to the experimental results in the literature.