Análise numérico-experimental do efeito do confinamento do concreto em ligações mistas com conectores do tipo bloco

Abstract

Este trabalho consistiu em um estudo a respeito do comportamento de um conector de cisalhamento de aço tipo bloco quando aplicado em situações em que o concreto ao seu redor está sob confinamento. O estudo teve como inspiração o desenvolvimento de uma solução para a ligação de uma estrutura híbrida de um estádio de futebol construído em Belo Horizonte, Minas Gerais. Para isso, realizou- se um programa experimental e uma análise numérica por meio do Método dos Elementos Finitos. O programa experimental contou com a execução de seis modelos constituídos por um tubo de aço preenchido por concreto, contendo em seu interior uma chapa com os conectores de aço tipo bloco soldados nela. Os modelos foram fabricados e ensaiados de acordo com a metodologia de ensaio denominada plug-in, uma maneira alternativa ao ensaio padrão do EC4 (EN 1994-1-1:2004) para caracterização de conectores de cisalhamento. Foram estudados modelos com uma e com duas linhas de conectores. Com os resultados experimentais, calibrou-se um modelo numérico capaz de representar o comportamento observado no experimento. Assim, foi possível identificar e investigar com maior profundidade os modos de falha ocorridos. Para os modelos com uma linha de conectores, notou-se que a falha se deu no aço do conector. Para os modelos com duas linhas de conectores, atribuiu-se a falha a um desplacamento do concreto abaixo do conector inferior. Por fim, uma investigação numérica foi feita para avaliar a influência de cinco parâmetros no comportamento da conexão, sendo eles: comprimento, largura e altura do conector, cobrimento de concreto e resistência à compressão do concreto. Foram analisados 225 modelos, dos quais 102 sofreram falha no aço e 123 modelos foram avaliados segundo um critério de força máxima obtida para um deslizamento limite. Os resultados numéricos foram utilizados para a proposição de modelos de cálculo semiempíricos para a predição da capacidade resistente da conexão, para cada um dos critérios de falha estipulados. Conclui-se, de maneira geral, que o confinamento do concreto proporcionado pelo tubo de aço aumenta a resistência à compressão do concreto e melhora a ductilidade da conexão, pois atrasa o processo de fissuração do concreto. Palavras-chave: conector de cisalhamento; estruturas híbridas; concreto confinado; ensaio plug-inThis study focused on the behavior of a steel block shear connector applied in situations where the surrounding concrete is under confinement. The research was inspired by the development of a connection solution for a hybrid structure of a soccer stadium built in Belo Horizonte, Minas Gerais. To this end, an experimental program and a numerical analysis using the Finite Element Method were carried out. The experimental program involved six specimens composed of a steel tube filled with concrete, containing a steel plate with welded block-type shear connectors. The models were manufactured and tested according to the plug-in test method, an alternative to the standard EC4 test (EN 1994-1-1:2004) for characterizing shear connectors. Models with one and two rows of connectors were investigated. Based on the experimental results, a numerical model was calibrated to reproduce the observed behavior. This allowed for a more in-depth investigation of the failure modes. For the single-row connector models, failure occurred in the connector’s steel. For the double-row connector models, failure was attributed to concrete detachment below the lower connector. Finally, a numerical investigation was conducted to evaluate the influence of five parameters on the connection’s behavior: the connector’s length, width, and height, the concrete cover, and the concrete’s compressive strength. A total of 225 models were analyzed, of which 102 exhibited steel failure, and 123 were assessed based on the maximum force reached for a defined slip limit. The numerical results were used to propose semi-empirical calculation models for predicting the connection’s load-carrying capacity for each of the defined failure criteria. Overall, it was concluded that the confinement provided by the steel tube increases the compressive strength of the concrete and enhances the ductility of the connection, as it delays the cracking process in the concrete. Keywords: shear connector; hybrid structures; confined concrete; plug-in test.