Simulação numérica do comportamento estrutural de vigas alveolares mistas de aço e concreto

Abstract

As vigas alveolares são obtidas de perfis de aço tipo I ou H, a partir da expansão da alma dos mesmos, o que gera um ganho de inércia, mantendo-se a mesma massa do perfil original. As estruturas mistas de aço e concreto têm sido uma alternativa cada vez mais empregada na construção civil por oferecerem vantagens construtivas e econômicas em relação a outras tecnologias construtivas. O interesse por vigas alveolares mistas surge como consequência do uso de vigas alveolares em sistemas de piso, já que a solução mista pode contribuir ainda mais com o ganho de inércia e de resistência última. O objetivo principal deste trabalho é a avaliação do comportamento estrutural de vigas alveolares mistas de aço e concreto, obtidas a partir de perfis laminados, por meio de simulação numérica utilizando o Método dos Elementos Finitos. Para o desenvolvimento do modelo numérico utilizou-se o programa computacional ABAQUS, considerando-se a não-linearidade material e geométrica. O modelo numérico desenvolvido permite considerar diferentes graus de interação entre aço e concreto, com a transmissão de parte (interação parcial) ou da totalidade (interação completa) do fluxo de cisalhamento que ocorre na interface entre a laje de concreto e a viga de aço. Para validação do modelo numérico foram analisados cinco modelos experimentais de vigas alveolares mistas de aço e concreto, com aberturas simétricas, cujos resultados de ensaio estão disponíveis na literatura. O modelo numérico desenvolvido foi capaz de representar adequadamente o comportamento estrutural de vigas alveolares mistas de aço e concreto, tanto no que se refere à capacidade última dos elementos estruturais, como no que se refere aos modos de colapso identificados. As estratégias adotadas para simular a interação entre aço e concreto permitiram reproduzir os fenômenos observados nos modelos experimentais, para os diferentes tipos de abertura e graus de interação entre aço e concreto.

Castellated beams are fabricated from rolled I-beams. The web of the section is cut by flame along the longitudinal axis according to a zigzag trace. The two halves are then welded together to produce a beam of greater depth with a sequence of openings in the web. The resulting beam has a larger section modulus and greater bending rigidity than the original section, without an increase in weight. Composite structures of steel and concrete have been an alternative increasingly employed in the construction industry by offering constructive and economic advantages over other building technologies. The interest in composite castellated beams arises as a result of the use of castellated beams in floor systems, since the composite solution can further contribute increasing inertia and ultimate strength.. The main objective of this work is the evaluation of the structural behavior of composite castellated beams of steel and concrete, obtained from numerical simulation using the Finite Element Method. For development of the numerical model the computer program ABAQUS was used considering geometric and material nonlinearity. The numerical model allows to consider different degrees of interaction between steel and concrete with partial or full transmission of the shear flow that occurs at the interface between the concrete slab and the steel beam. In order to validate the numerical model, five experimental models of composite castellated beams of steel and concrete, with symmetrical openings, whose test results are available in the literature, were analyzed. The numerical model is able to adequately represent the structural behavior of composite castellated beams of steel and concrete, including the ultimate capacity and failure modes identified. The strategies adopted to simulate the interaction between steel and concrete allowed to reproduce the phenomena observed in experimental models for different types of openings and different degrees of interaction between steel and concrete.