Simulação numérica de vigas alveolares mistas de aço e concreto : modelo parametrizado de elementos finitos

Abstract

A utilização de vigas mistas de aço e concreto permite que sejam exploradas as melhores características mecânicas dos materiais constituintes, possibilitando o vencimento de maiores vãos e a obtenção de soluções estruturais mais econômicas. As vigas alveolares de aço, por sua vez, proporcionam uma maior racionalização no aproveitamento deste material, já que, com praticamente a mesma quantidade de aço, são produzidos perfis expandidos com maior momento de inércia e, consequentemente, maior resistência à flexão e melhor desempenho aos estados limites de serviço. Através da união destes sistemas estruturais obtêm-se as vigas alveolares mistas, nas quais são potencializadas as vantagens e mitigadas as desvantagens dos dois sistemas, sendo possível reduzir o consumo de materiais, e, consequentemente, os impactos ambientais gerados. Tendo em vista que as normas brasileiras e internacionais não especificam critérios para o cálculo de vigas alveolares mistas, estudos numéricos e experimentais têm sido realizados a nível acadêmico com o objetivo de aprofundar a compreensão sobre o comportamento destas estruturas, cuja complexidade envolve a ocorrência de diferentes modos de colapso. No presente trabalho buscou-se contribuir para os avanços no campo da análise numérica de vigas alveolares mistas, através da construção de um modelo de elementos finitos parametrizado, com o software Ansys, versão 19.2, no qual o perfil de aço foi modelado por elementos de casca, a laje de concreto por elementos sólidos hexaédricos, os conectores por elementos de mola não linear, a chapa steel-deck por elementos de casca e as barras de aço da laje por elementos de armadura incorporada. Com o objetivo de captar os efeitos de instabilidade locais, trabalhou-se com a adição de imperfeições geométricas iniciais ao perfil através da combinação de modos de flambagem. Para a simulação do comportamento do concreto foram utilizados dois modelos, um deles disponibilizado recentemente pelo Ansys, denominado DP-Concrete, e o outro customizado através da interface usermat. Os resultados obtidos para as vigas analisadas apresentaram boa correlação com resultados experimentais e com resultados numéricos de trabalhos anteriores, e o modelo numérico desenvolvido mostrou-se capaz de captar diferentes modos de colapso de vigas alveolares e vigas alveolares mistas.

The use of steel-concrete composite beams allows the best properties of these materials to be explored, enabling the design of larger spans and the achievement of more economical structural solutions. The alveolar steel beams, in turn, provide a greater rationalization in the use of this material, since, with almost the same amount of steel, expanded profiles are produced with greater moment of inertia and, consequently, greater flexural strength and better performance under serviceability limit states. Through the union of these structural systems the composite alveolar beams are obtained, in which the advantages of the two systems are enhanced, and their disadvantages are mitigated. Thus, it is possible to reduce materials consumption and, consequently, the generation of environmental impacts. Considering that the Brazilian and the international standards do not specify criteria for analysis and design of composite alveolar beams, numerical and experimental studies have been carried out at the academic level in order to deepen the understanding about the behavior of these structures, whose complexity involves the occurrence of different modes of collapse. The present work aims to contribute to the advances in the field of numerical analysis of composite alveolar beams by constructing a parametric finite element model with Ansys software, version 19.2, in which the steel profile is modeled by shell elements, the concrete slab by hexahedral solid elements, the connectors by non-linear spring elements, the steel deck sheet by shell elements and the slab reinforcement bars by embedded elements. In order to capture the effects of local instabilities, initial geometric imperfections were added to the profile through the combination of buckling modes. versions of For the simulation of concrete behavior, two models have been used: the first, denominated DP-Concrete, is a native Ansys model, available in the more recent versions of this software; and the second, denominated usermat, is a customizable model based on Ottosen criterion. The obtained results for the analyzed beams presented a good correlation with the experimental results and with numerical results from previous works, and the developed numerical model showed to be able to capture different modes of collapse of alveolar steel beams and composite alveolar beams.