Estudo de diferentes metodologias para dimensionamento de vigas celulares mistas de aço e concreto

Abstract

Vigas mistas de aço e concreto consistem na associação de um perfil metálico com uma laje de concreto, unidos por conectores de cisalhamento. Seu uso é vantajoso pois combina as propriedades mecânicas dos dois materiais, tornando a estrutura mais rígida e capaz de vencer maiores vãos. Outra forma de melhorar o desempenho vigas de aço em situações com grandes vãos é através de vigas alveolares. Nelas, os perfis são cortados em padrões específicos, deslocados e reunidos, resultando numa seção mais alta com a mesma quantidade de material. A união dessas duas soluções através de vigas mistas alveolares pode ser vantajosa, porém tem seu uso limitado pela escassez de considerações específicas nas normas brasileiras e internacionais. Isso ocorre pois vigas mistas alveolares apresentam modos de falha diferentes das vigas mistas de alma cheia e também dos perfis alveolares isolados. Este trabalho objetivou investigar o comportamento de diferentes metodologias para dimensionamento de vigas mistas com aberturas circulares na alma através das abordagens simplificadas e de um modelo em elementos finitos. Também se avaliou a influência do vão, razão de expansão, distribuição das aberturas, grau de conexão, resistência do aço e do concreto no modo de colapso principal de cada seção e seu carregamento associado. Para o dimensionamento simplificado foram elaboradas planilhas de cálculo em Excel com as metodologias de Ward (1990), Lawson e Hicks (2011) e AISC (2016b). Já para a simulação numérica, foi utilizado o software ANSYS. No total 216 vigas foram simuladas numericamente e 459 foram verificadas pelas planilhas. Concluiu-se que a expansão das seções foi vantajosa para casos com relação entre vão e altura próxima a 20. De modo geral, os modelos simplificados tiveram resultados mais conservativos que o numérico para o ELU e mais arrojados para o ELS. Dentre eles, recomenda-se o uso das formulações de Lawson e Hicks (2011) combinadas com Panedpojaman et al. (2014). A largura efetiva da laje de concreto também foi observada, constatando-se que a presença das aberturas não alterou significativamente a forma com que as tensões se distribuem na largura da laje. Já a mudança no grau de conexão de total para parcial teve mais impacto nos vãos curtos.

Steel-concrete composite beams consist on the association of a steel profile with a concrete slab, united by shear connectors. Its use is advantageous as it combines the mechanical properties of both materials, making the structure stiffer and able to overcome larger spans. Another way to improve the performance of steel beams in situations with large spans is through alveolar beams. In them, the profiles are cut in specific patterns, shifted and reunited, resulting in a taller section with the same amount of material. The union of these solutions through composite alveolar beams can be useful, but its use is limited by the shortage of specific considerations on Brazilian and international standards. This happens because composite alveolar beams present different failure modes than composite beams with full web and isolated alveolar profiles. This work aimed to investigate the behavior of different methodologies for design of composite beams with circular openings on the web through simplified approaches and a finite element model. It also evaluated the influence of the span, rate of expansion, distribution of the openings, degree of connection, steel and concrete resistance on the main mode of failure of each section and its associated loading. For the simplified design, Excel spreadsheets were elaborated with the methodologies of Ward (1990), Lawson and Hicks (2011) and AISC (2016b). For the numerical simulation, the software ANSYS was used. Overall, 216 beams were simulated numerically and 459 were verified by the sheets. It was concluded that the expansion of the sections was advantageous for the cases with rate between span and height close to 20. Generally, the simplified models had more conservative results for the ULS and bolder for SLS. Among them, it is recommended the use of Lawson and Hicks (2011)’s formulations combined with Panedpojaman et al. (2014). The effective length of the slab was also observed, verifying that the presence of opening didn’t affect the way the tensions distributed over the width of the slab significantly. The changes on the degree of connection from full to partial had more impact on short spans.