CAPACIDADE RESISTENTE DE VIGAS MISTAS DE AÇO E CONCRETO COMABERTURAS DE BASE ELÍPTICA À INSTABILIDADE NO MONTANTE DE ALMA
1EDUARDO VEDOVETTO SANTOS, 2ALEXANDRE ROSSI, 3FELIPE PIANA VENDRAMELL FERREIRA, 4CARLOS HUMBERTO MARTINS
1Instituto Federal do Paraná 2Universidade Estadual de Maringá 3Universidade Estadual de Maringá 4Universidade Estadual de Maringá
Introdução: As vigas de aço com aberturas sequenciais na alma têm sido utilizadas na construção civil, principalmente devido a vantagens como maior rigidez à flexão, redução da relação altura/peso próprio e da altura do pavimento, capacidade de vencer vãos maiores, reduzindo assim o número de pilares e favorecendo a drenagem e o fluxo de ar. Quanto às vigas mistas de aço e concreto, o fato de a laje trabalhar em conjunto com o perfil celular de aço aumenta consideravelmente sua capacidade resistente, podendo vencer vãos maiores (Ferreira et al., 2022;Ferreira; Martins; De Nardin, 2020). Nesse contexto, a utilização de vigas mistas com aberturas na alma se torna uma ferramenta vantajosa utilizada para reduzir a altura do piso, pois as aberturas da alma permitem a integração dos serviços hidráulicos e elétricos (Lawson et al., 2006). Entretanto, percebe-se a necessidade de estudos envolvendo o comportamento do montante de alma de elementos de aço alveolares associados a elementos de concreto, sobretudo ao se considerar aberturas com bases elípticas devido a não inclusão dos perfis alveolares e de vigas alveolares mistas nas normas técnicas nacionais e estrangeiras. Objetivo: O presente estudo tem como objetivo investigar a capacidade resistente de vigas mistas de aço e concreto com aberturas de base elíptica à instabilidade do montante de alma. Material e Métodos: Conforme estudos de Ferreira, Martins e De Nardins (2021), um modelo numérico em elementos finitos foi desenvolvido no software Abaqus para prever o comportamento de vigas mistas de aço e concreto com aberturas de base elípticas, considerando análises experimentais. Foram validadas numericamente três vigas celulares mistas de aço-concreto. Duas ensaiadas por Nadjai et al. (2007), nomeadas neste trabalho como CCB1 e CCB2, e um modelo ensaiado por Müller et al. (2006), nomeada de CCB3. As simulações numéricas foram processadas em dois passos: análises de flambagem e pós-flambagem. Uma vez que o modelo numérico de viga mista celulares foi validado com os ensaios experimentais existentes, a etapa seguinte foi o desenvolvimento de estudo paramétrico com 45 modelos em elementos finitos, variando os parâmetros geométricos das aberturas, bem como as condições de carregamento. Três condições de estruturas foram analisadas tendo como base a configuração estrutural e de carregamento dos modelos CCB1, CCB2 e CCB3 para a razão de altura de abertura/altura do perfil de aço (do/H) de 0,65. Assim obteve-se um total de 45 modelos em elementos finitos. Variou-se o raio de abertura (R), a largura da abertura (w) e a largura do montante de alma (bw) nas seguintes razões: as razões bw/do variaram de 0,2-0,3-0,4-0,5 e 0,60; as razões R/do variaram de 0,10-0,15-0,20-0,25 e 0,30; as razões w/do variaram de 0,25-0,35-0,45, 0,55 e 0,65. Resultados: Comparando-se os resultados obtidos para os modelos CCB1, CCB2 e CCB3 observou-se que o primeiro modelo apresenta o modo de falha definido pela instabilidade do montante de alma (WPB). Já os modelos CCB2 e CCB3 possuem a maior parte dos modelos com falha governada pelo mecanismo de Vierendeel (VM). As curvas w/do pelo esforço cortante global, em função de R/do, apresentam que os modelos CCB3 possuem valores para cortante global inferiores aos demais modelos de referência independente da variação do raio de abertura. Já para os modelos CCB1 e CCB2, quando se tem as relações R/do =0,10 e 0,15 ocorre a influência da largura de abertura a partir da relação w/do =0,45, onde a partir dessa relação o esforço cortante global passa a ser maior no modelo CCB2. Isso também pode ser observado na configuração deformada dos modelos CCB2, pois a partir da relação w/do =0,45 o modelo muda seu modo de falha de WPB para VM. Nas relações R/do =0,25-0,3 o esforço do cortante global no modelo CCB2 passa a ser sempre maior que os demais modelos. Discussões: No geral, os modelos numéricos tiveram o modo de falha definido pela instabilidade do montante de alma, sendo que, os parâmetros geométricos, como o raio de abertura e largura de abertura tendem a influenciar de forma negativa a capacidade resistente da estrutura, enquanto a largura do montante de alma auxilia a capacidade resistente à instabilidade no montante de alma. Nota-se que os modelos com maiores larguras de montante de alma, no geral, alcançaram as maiores capacidades resistentes Conclusão: Através deste estudo constatou-se que as capacidades resistentes das vigas mistas com aberturas elípticas no montante de alma apresentaram capacidade resistente igual ou superior aos modelos de vigas celulares mistas com lajes mistas, sendo a falha, no geral, definida pela instabilidade no montante de alma. Isso significa que os modelos de cálculo existentes, como SCI-P355 e Steel Design Guide 31, podem ser usados para projetar tais sistemas estruturais, mesmo que de forma conservadora.
Referências: FARES, S. S.; COULSON, J.; DINEHART, D. W. AISC Steel Design Guide 31: Castellated and Cellular Beam Design. [s.l.] American Institute of Steel Construction, 2016. FERREIRA, F. P. V.; MARTINS, C. H.; DE NARDIN, S. Advances in composite beams with web openings and composite cellular beams. Journal of Constructional Steel Research, v. 172, p. 106182, 2020.  FERREIRA, F. P. V.; MARTINS, C. H.; DE NARDIN, S. Assessment of web post buckling resistance in steel-concrete composite cellular beams. Thin-Walled Structures, v. 158, n. January, p. 106969, 2021. FERREIRA, F. P. V. et al. EC3 design of web-post buckling resistance for perforated steel beams with elliptically-based web openings. Thin-Walled Structures, v. 175, n. February, p. 109196, 2022.  LAWSON, R. M. et al. Design of composite asymmetric cellular beams and beams with large web openings. Journal of Constructional Steel Research, v. 62, n. 6, p. 614–629, 2006.  LAWSON, R. M.; HICKS, S. J. Design of composite beams with large web openings. SCI P355. [s.l.] The Steel Construction Institute, 2011. MÜLLER, C. et al. Large web openings for service integration in composite floors. Technical Steel Research. European Comission, Contract No 7210-PR/315, v. Final repo, 2006.  NADJAI, A. et al. Performance of cellular composite floor beams at ambient temperature. Fire Safety Journal, v. 42, n. 6–7, p. 489–497, 2007.