Desenvolvimento de novas soluções para pavimentos mistos de aço e betão

Abstract

Visando a construção económica de edifícios que utilizam pavimentos mistos em aço e betão, a presente dissertação tem como principal objetivo estudar o comportamento desse sistema de pavimentos, tirando o máximo partido dos dois materiais. Esse sistema de viga mista congrega uma laje mista que é composta por uma chapa perfilada sobre a qual se betona a camada de betão, uma viga metálica formada por dois perfis “C” enformados a frio, e um conector metálico, que tem como principal função garantir a conexão entre a viga metálica e laje mista. A presença dos elementos de conexão tem por objetivo transmitir esforços de corte longitudinal que se desenvolvem entre a viga metálica e a laje e reduzir ou limitar o movimento relativo entre estes dois elementos. O conector metálico aqui estudado será de dois tipos, um realizado com uma chapa nervurada do tipo Xadrez e outro realizado com uma chapa lisa recortada ou indentada. Após a betonagem da laje, a ligação entre os dois materiais, aço e betão, será garantida por um destes dois tipos de conectores. Para estudar o comportamento do sistema misto sujeito à flexão foi inicialmente desenvolvida uma Ferramenta de Cálculo no software Microsoft Excel, que permitiu a realização de uma análise paramétrica às dimensões da viga metálica, do conector e da laje de betão e ainda uma análise paramétrica ao caso de um sistema idêntico com laje maciça. Esta ferramenta de cálculo foi validada tendo em conta cálculos realizados manualmente e também cálculos automáticos realizados a partir da própria Ferramenta, considerando a variação sucessiva das posições do eixo neutro. Posteriormente, recorreu-se ao software Atena 3D onde foram construídos modelos numéricos representativos das vigas mistas com os dois tipos de conectores. Após a construção destes modelos, realizou-se uma análise de sensibilidade, através da variação de diversos parâmetros. Essa análise permitiu perceber a influência de parâmetros relevantes no comportamento dos modelos testados e tirar conclusões quanto ao comportamento esperado durante a realização dos ensaios experimentais. Por fim, modelou-se os provetes das vigas mistas com os dois tipos de conectores, para futuros ensaios à flexão e para ensaios do tipo push-out, utilizando para o efeito o software Tekla Structures. Os modelos desenvolvidos no software Teckla Structures têm por objetivo servir de apoio ao fabrico das peças metálicas, à colocação de armaduras, ao fabrico e colocação de cofragens, à betonagem e ainda à montagem do setup dos ensaios e realização dos mesmos.

This dissertation aims to study the behaviour of a steel and concrete composite flooring system that takes full advantage of both materials and provides an economic construction system. This composite beam system gathers a composite slab, a metallic beam formed by two coldformed "C" profiles and a steel connector, which has the main function of connecting the steel beam and the composite slab. The composite slab includes a profiled deck on which the concrete layer is concreted and steel reinforcement. The presence of the connecting elements guarantees the transmission of longitudinal shear forces that are developed between the steel beam and slab and reduces or limits slip between these two elements. The metal connectors in study are of two types. The first one is made with a ribbed flat plate and another with an indented flat plate. After concreting the slab, the connection between the two materials, steel and concrete, is ensured by one of these two types of connectors. A calculation tool was initially developed in the Microsoft Excel software, in order to study the proposed composite system when subjected to bending behaviour. The use of the calculation tool allowed for a parametric analysis on the dimensions of the steel beam, of the steel connector and of the composite slab. An identical parametric analysis was also developed on a similar system with a slab of constant thickness. This tool was validated by taking into account calculations performed manually and also automatic calculations performed with the tool itself, by considering the successive variation of the neutral axis position. Later, the author used the Athena 3D software to build representative numerical models of composite beams with two types of connectors. After the construction of these models, a sensitivity analysis was developed, by varying several parameters. This sensitivity analysis provided data to understand the influence of relevant parameters on the behaviour of the tested models and to draw conclusions about the expected behaviour during the performance of experimental tests. Finally, the composite beams specimens were modelled with two types of connectors for future bending tests and push-out tests, using the Tekla Structures software for this purpose. The models developed in Tekla Structures software were designed to provide support to the manufacture of metal parts, placing of reinforcement, the manufacture and placement of scaffolding, the concreting and also the assembly and setup of tests.