Análise experimental e numérica da conexão aço-betão leve realizada com pernos

Abstract

As estruturas mistas têm sido bastante utilizadas na Engenharia Civil, no contexto mundial. O comportamento misto entre uma viga metálica e uma laje de betão é conseguido mediante a utilização de conectores metálicos. A principal função dos conectores é a de transmitir as forças longitudinais de corte que se geram entre as secções de betão e de aço, quando a viga é submetida a flexão e também forças transversais ao plano da laje que podem causar a separação vertical entre a laje de betão e o perfil metálico (efeito de uplift). A presente dissertação procura abordar de uma forma explicita a modelação numérica da conexão entre o perfil metálico e a laje de betão, quando se utilizam conectores do tipo perno e betão leve. Utilizam-se elementos finitos de volume para definir todos os elementos presentes na ligação, recorrendo ao software ATENA 3D. A partir dos modelos desenvolvidos procura-se avaliar os parâmetros que são identificados como relevantes para o comportamento da conexão aço-betão. Para validar os modelos numéricos desenvolvidos, recorre-se a resultados de ensaios de tipo push-out anteriormente realizados, e são testados novos provetes de tipo push-out, com geometrias específicas, nos quais foi previamente aplicado um carregamento de valor constante durante um período pré-definido. Em todos os ensaios realizados, é possível obter a curva que relaciona força e escorregamento, ao longo do carregamento. Utilizando os resultados dos ensaios de tipo push-out obtidos por (Valente, 2007) e os resultados experimentais obtidos no âmbito desta dissertação, constroi-se e calibra-se o correspondente modelo numérico. Tendo um modelo numérico calibrado, é possível realizar um estudo paramétrico, onde se procura avaliar vários parâmetros relevantes para o comportamento da conexão. São avaliados parâmetros relacionados com as propriedades do betão como a resistência à compressão e à tração, e o módulo de elasticidade, a tensão última do aço utilizado nos conectores e a forma como o carregamento é aplicado. Comparando as curvas que relacionam força e escorregamento obtidas nos provetes ensaiados com as correspondentes curvas obtidas nos modelos numéricos desenvolvidos, é possível perceber o efeito dos parâmetros analisados na capacidade de carga, rigidez e ductilidade dos pernos.

Composite structures have been widely used in Civil Engineering, in the global context. The composite action between a steel beam and a concrete slab is accomplished with the use of steel shear connectors. The main function of these connectors is to transmit the longitudinal shears forces that arise between the concrete and steel sections, when the beam is subjected to bending forces and also transvers forces to the plane of the slab which can cause vertical separation between the concrete slab and the steel profile (uplift effect). This dissertation seeks to address the numerical modeling of the connection behavior between the steel profile and the concrete slab when using stud connectors and lightweight concrete. Finite Elements Modelling is considered to define all the elements included in the connection zone, by using the software ATENA 3D. All the parameters that are identified as relevant in the behavior of the steel to concrete connection are evaluated. Results from push-out tests previously performed and results obtained in new push-out specimens, with a specific geometry, tested within this work are used to validate the developed numerical models. In all performed experimental tests, it is possible to obtain the curve that relates force and slip along loading. The numerical model is developed and calibrated by using the results obtained in push-out tests performed by Valente (2007) and the experimental results obtained in this dissertation. With the calibrated numerical model, it is possible to conduct a parametric study, which sought to evaluate various parameters that are relevant to the connection behavior. Parameters related to concrete properties, like compressive and tensile strength, modulus of elasticity and fracture energy, ultimate strength from steel connectors’, and load application. Comparing the curves that relate force and slip obtained in the specimens tested with the corresponding curves obtained from the specimens developed with the FEM numerical models developed, it is possible to evaluate the effect of analyzed parameters on the connection’s load capacity, stiffness and ductility.