Desenvolvimento de um sistema inovador para vigas mistas em aço e betão

Abstract

Esta dissertação tem como principal objetivo estudar o comportamento à flexão de um sistema misto de aço e betão, destinado aos mercados da construção nova e da reabilitação de edifícios. Este sistema misto é composto por uma viga mista formada por perfis enformados a frio de secção em “C” e “U”, sendo preenchida por betão. A viga mista dá suporte a uma laje maciça ou mista, esta última composta por uma chapa colaborante. Este sistema não utiliza conectores metálicos discretos, sendo a transferência de esforços de corte garantida, sempre que possível, nas superfícies de contacto entre aço e betão. Desenvolveu-se uma Ferramenta de Cálculo no software Microsoft Excel com o objetivo de estudar a capacidade resistente e o comportamento do sistema misto sujeito á flexão, de acordo com os pressupostos definidos pelos Eurocódigos. Esta ferramenta permitiu a realização de uma análise paramétrica às características geométricas do perfil metálico, a altura de betão, tipo de utilização e classe de resistência dos materiais, de modo a observar a sua influência na capacidade resistente da viga mista. Posteriormente, tendo por finalidade a utilização das secções tipo otimizadas/dimensionadas pela Ferramenta de Cálculo num contexto BIM, de forma a aplicar estas secções em modelos tridimensionais destinados aos mercados da construção, elaborou-se uma ferramenta para estabelecer a troca de informação entre dois softwares, o Microsoft Excel e o Autodesk Revit. Esta interligação realizou-se recorrendo a um conjunto de scripts desenvolvidos através do programa Dynamo de modo a transferir os dados relativos às características geométricas dos sistemas mistos para um modelo 3D obtendo uma estrutura tridimensional de forma automática. Por fim, recorreu-se ao software Atena 3D, baseado no Método dos Elementos Finitos, onde foram desenvolvidos e analisados um conjunto de modelos numéricos representativos do sistema misto proposto, com variações em alguns parâmetros, relacionados com o tipo de material e características da interface aço-betão. Esses modelos foram desenvolvidos com o intuito de realizar uma análise de sensibilidade que permitisse verificar a influência de cada parâmetro na capacidade resistente da viga mista.

This dissertation aims to study the flexural behaviour of a steel and concrete composite beam solution to be used in new construction and building rehabilitation markets. This composite solution gathers a lightweight beam formed by cold-formed sections with “C” and “U” shapes, that are afterwards filled by concrete. The composite beam supports a solid or a composite slab. the composite slab consists of a cold formed profiled steel deck filled with concrete. This system has no discreet connection elements, and the stress transfer is guaranteed, when possible, by the contact surfaces between steel and concrete. A Calculation Tool was developed in the Microsoft Excel software, in order to study the load capacity and the behaviour of the system when subjected to bending, following the rules defined by the Eurocodes. This tool was used to develop a parametric analysis on the geometric characteristics of the steel profile, concrete slab height, type of use and resistance class of materials, to observe the influence of each parameter on the resistant capacity of the composite beam. Subsequently, in order to use the optimized/ dimensioned type sections by the Calculation Tool in a BIM context, to apply these sections in three-dimensional models supplied to the construction markets, a tool was developed through the interconnection between two software’s, Microsoft Excel and Autodesk Revit. This interconnection was carried out using a set of advanced scripts from the Dynamo software, in order to transfer the data relating to the geometric characteristics of the composite system, to a parametrized 3D model. Finally, the Atena 3D software, which is based on the Finite Element Method, was used. A set of numerical models representative of the proposed composite system were developed and analysed. Variations in some parameters, related to the material properties and the characteristics of steel-concrete interfaces were considered and a sensitivity analysis was developed help understanding the influence of each parameter on the bending moment capacity and the longitudinal shear capacity of the composite beam.