Avaliação do comportamento do conector Crestbond em vigas mistas

Abstract

A utilização de vigas mistas de aço e betão na construção de edifícios é cada vez mais usual. Esta tendência resulta do facto de o funcionamento misto permitir tirar proveito do melhor desempenho de cada um dos materiais, resultando numa solução estrutural económica. A conexão entre o elemento metálico e o elemento de betão é garantida através de conectores metálicos, que têm como objetivo reduzir, ou limitar, o movimento relativo entre ambos os materiais. Os conectores metálicos são soldados ao perfil metálico, ficando embebidos na laje após a betonagem e endurecimento do betão. A presente dissertação procura avaliar o comportamento do conector Crestbond colocado numa viga mista sujeita a esforços de flexão. Recorrendo ao software de cálculo ATENA 2D, é realizado um estudo paramétrico às dimensões da viga com objetivo de estabelecer uma geometria em que se garanta elevado esforço de corte na conexão. São realizados ensaios experimentais em vigas mistas, submetidas a carregamentos monotónicos e cíclicos. Durante a realização dos ensaios, foi montada toda a instrumentação para medir a evolução da carga aplicada, a deformação vertical, o escorregamento relativo, a separação vertical (uplift) nas extremidades da interface entre a viga metálica e a laje de betão e a extensão em duas seções transversais pré-definidas. Através dos resultados dos ensaios monotónicos é possível avaliar a influência do comportamento do conector na viga mista, nomeadamente ao nível da interação entre as secções de aço e de betão. A realização do carregamento cíclico visa avaliar possíveis efeitos de fadiga no conector e na viga, resultantes da aplicação de um elevado número de ciclos de carga e descarga. É também construído um modelo numérico no programa de cálculo ATENA 3D, que procura simular o comportamento experimental da viga. Avaliam-se os parâmetros que influenciam o comportamento do modelo, como é o caso do tipo e tamanho dos elementos finitos, do comportamento das superfícies de contacto entre os elementos, da organização da malha e respetivo refinamento, das condições fronteira, etc. O modelo numérico é validado através da comparação entre os resultados numéricos por ele obtidos e os resultados experimentais.

The use of steel and concrete composite beams in building construction is increasingly more common. This trend results from the fact that the composite action achieved between the steel and the concrete elements allows to take advantage of each material optimal performance, resulting in an economic structural solution. The connection between the steel element and the concrete element is obtained by using metallic connectors, which are used to reduce or limit the development of slip between the two materials. The metal connectors are welded to the metal profile, getting embedded in the slab after concrete casting and hardening. This dissertation aims to analyse the behaviour of the Crestbond connector in a composite beam subjected to bending stresses. By using the software ATENA 2D, a parametric study on the dimensions of the beam is developed, in order to establish a geometry that ensures high shear stresses in the connection. Experimental tests are conducted on composite beams, subjected to static and cyclic loadings. During the tests, the instrumentation assembled to the beams is able to measure the evolution of the applied load, vertical deformation along the beam, slip between the steel beam and the concrete slab, uplift effect at the ends of the beam and stains in two predefined cross sections. With the results obtained during the monotonic tests, it is possible to evaluate the influence of the connector behaviour on the composite beam, particularly in terms of the interaction between steel and concrete elements. The cyclic loading is applied to assess the possible effects of fatigue on the connector and on the beam resulting from the application of a high number of loading and unloading cycles. A numerical model is developed in the software ATENA 3D with the aim to simulate the experimental behaviour of the beam. An evaluation is made to the parameters that most influence the behaviour of the model, such as the type and size of the finite elements, the behaviour of the contact surfaces between the elements, the organization of the mesh and its refinement, boundary conditions, etc. The numerical model is validated by comparing the numerical results obtained with the experimental results.