Análise da punção em lajes com vazios esféricos através do método dos elementos finitos

Abstract

O emprego de lajes lisas de concreto em projetos estruturais é geralmente justificado por algumas vantagens. Entre elas é possível destacar a simplificação das fôrmas e a flexibilidade do layout do projeto, já que o sistema consiste em apoiar as lajes diretamente sobre os pilares da edificação. Nesse sentido, é possível, ainda, incrementar a vantagem de redução da carga da estrutura, retirando volumes de concreto em locais da laje em que esse material está submetido à baixas tensões de tração e compressão. Ao utilizar vazios de formato esférico, por exemplo, a redução de peso das lajes pode chegar a 30% comparado às lajes maciças. Por outro lado, é sabido que uma das desvantagens das lajes lisas é a necessidade de verificações relativas ao fenômeno da punção na zona de contato entre laje e pilar. Nessa perspectiva, poucas pesquisas até o momento buscaram avaliar o comportamento de lajes com vazios ao modificar parâmetros, de forma isolada, que influenciam nesse comportamento. Diante desta lacuna, esse estudo tem como objetivo principal realizar simulações numéricas para analisar a influência de diversos parâmetros na falha por punção dessas estruturas. Para atingir esse objetivo, foram realizadas validações de dados experimentais de outros autores, envolvendo um conjunto de 19 lajes que variam quanto à presença de vazios, pré-laje e armaduras de cisalhamento. Após a criação e análise dos modelos numéricos desenvolvidos, foi constatado que os mesmos são capazes de prever o comportamento das lajes simuladas, tanto em relação à carga de ruptura, quanto carga-deslocamento, carga-deformação e modo de falha. Com base nesses resultados, o modelo foi empregado para a execução de uma análise paramétrica, que avaliou o impacto, sob o comportamento carga-deslocamento da estrutura, ao variar a presença, distribuição, posição e diâmetro das esferas, bem como espessura da laje, taxa da armadura de flexão, presença de pré-laje, formato e dimensões do pilar e bitola, posição e presença de armadura de cisalhamento. Entre os resultados, foi possível constatar que a presença de esferas, especialmente na região próxima ao pilar apresenta influência significativa na carga de ruptura, já que o tronco de cone de punção ocorre nos vazios. Parâmetros como espessura, taxa de armadura de flexão, propriedades do concreto e características do pilar impactaram as lajes com vazios de forma semelhante ao que ocorre nas lajes maciças, mas a presença de esferas limitou o ganho na carga de ruptura. Por fim, ao empregar armadura de cisalhamento, houve aumento na carga de ruptura e na ductilidade.

Several advantages generally justify using flat concrete slabs in structural projects. Among them, it is possible to highlight the simplification of formwork and the flexibility of the project layout, as the system involves supporting the slabs directly on the building’s columns. In this sense, it is also possible to enhance the advantage of reducing the structural load by removing concrete volumes in areas of the slab where this material is subjected to low tensile and compressive stresses. By using spherical voids, for example, the weight reduction of the slabs can reach up to 30% compared to solid slabs. On the other hand, it is known that one of the disadvantages of flat slabs is the need for checks related to the punching shear phenomenon in the contact zone between the slab and the column. In this perspective, few researchers have sought to assess the behavior of voided slabs by modifying parameters that influence this behavior. From that, the main objective of this study is to perform numerical simulations to analyze the influence of various parameters on the punching failure of these structures. To achieve this goal, validations using experimental data were conducted, involving a set of 19 slabs that varied in terms of void presence, precast panels, and shear reinforcement configurations. After the development and analysis of the numerical models, it was observed that they can predict the behavior of the simulated slabs, both in terms of ultimate load, load displacement, load deformation, and mode of failure. Based on these results, the model was employed to conduct a parametric analysis that assessed the impact on the load-displacement behavior of the structure, varying the presence, distribution, position, and diameter of the spheres, as well as the thickness of the slab, flexural reinforcement ratio, presence of precast panels, column shape and dimensions, and diameter, position, and presence of shear reinforcement. Among the results, it was possible to observe that the presence of spheres, especially in the region near the column, significantly influences the failure load since the punching cone occurs in the voids. Parameters such as thickness, flexural reinforcement ratio, concrete properties, and column characteristics impacted the slabs with voids similarly to solid slabs. Still, the presence of spheres limited the gain in failure load. Finally, when employing shear reinforcement, there was an increase in failure load and ductility.