Avaliação do efeito do microconfinamento do concreto na região de introdução de carga de ligações simples entre vigas metálicas e pilares tubulares de aço preenchidos com concreto

As regiões de introdução de carga em pilares tubulares de aço preenchidos com concreto (CFST-Cncrete Filled Steel Tubes) apresentam um estado de tensões complexo, influenciado pelo efeito de pinçamento (pinching effect), fenômeno ainda pouco explorado em ligações simples. Nesse contexto, o objetivo desta pesquisa foi avaliar o comportamento da ligação simples entre pilares CFST de seção circular e vigas de aço em perfil I, por meio de modelagem numérica via Método dos Elementos Finitos (MEF) no software Abaqus®. A metodologia estruturou-se nas seguintes etapas: revisão sistemática da literatura, estudo do confinamento do concreto, análise da interface aço-concreto, calibração do modelo e análise paramétrica de 72 modelos, variando a geometria da chapa, o diâmetro e o comprimento do tubo, além das combinações de carregamento e das condições de contorno. Desse modo, duas foram as condições de contorno avaliadas na extremidade superior do modelo, uma com apenas a translação longitudinal livre, visando simular um pilar de continuidade entre pavimentos e outra totalmente livre simulando um pilar de topo. O estudo preliminar do confinamento fundamentou a definição das estratégias de modelagem da ligação, sobretudo quanto à escolha dos modelos constitutivos dos materiais e à discretização da malha. Na análise paramétrica, constatou-se que a capacidade de transferência de carga foi diretamente proporcional ao comprimento da chapa e ao diâmetro do tubo. A falha dos modelos foi governada estritamente pela plastificação das chapas, de modo que a carga última se mostrou independente do comprimento do pilar e de suas restrições de extremidade. A distribuição de deformações evidenciou a mecânica de transferência por cisalhamento interfacial, observou-se a incompatibilidade de deformações entre os materiais na região imediatamente acima da ligação, seguida por sua progressiva convergência a partir da metade inferior da chapa até a base do pilar. A restrição na extremidade superior minimizou a perturbação das deformações na região do comprimento do pilar superior à ligação. em contrapartida, os modelos de extremidade livre apresentaram um aumento dessa incompatibilidade, especialmente os modelos de menor comprimento quando submetidos aos níveis mais elevados de carregamento. Sob condições de serviço, as chapas de seis furos (maior comprimento) suportaram todas as solicitações analisadas, ao passo que a configuração de três furos (menor comprimento) se mostrou insuficiente para os pilares de menor diâmetro.

Resumo (inglês)

The load introduction regions in concrete-filled steel tubular (CFST) columns exhibit a complex stress state influenced by the pinching effect, a phenomenon that remains underexplored in simple connections. In this context, this research aimed to evaluate the behavior of the simple connection between circular CFST columns and I-section steel beams through numerical modeling using the Finite Element Method (FEM) in Abaqus® software. The methodology was structured into the following stages: systematic literature review, concrete confinement study, steel-concrete interface analysis, model calibration, and a parametric study of 72 models, varying plate geometry, tube diameter and length, as well as loading combinations and boundary conditions. Two boundary conditions were evaluated at the upper end of the model: one with only free longitudinal translation, to simulate a continuous column between floors, and another completely free, to simulate a top-story column. The preliminary confinement study underpinned the definition of connection modeling strategies, particularly regarding the selection of material constitutive models and mesh discretization. In the parametric analysis, it was found that the load transfer capacity was directly proportional to the plate length and tube diameter. Model failure was strictly governed by plate yielding, such that the ultimate load proved independent of column length and its end constraints. Strain distribution evidenced the mechanics of interfacial shear transfer: strain incompatibility between materials was observed in the region immediately above the connection, followed by progressive convergence from the lower half of the plate to the column base. The constraint at the upper end minimized strain disturbance in the column length above the connection; conversely, free-end models showed an increase in this incompatibility, especially in shorter models when subjected to higher loading levels. Under service conditions, six-hole plates (greater length) supported all analyzed loads, whereas the three-hole configuration (shorter length) proved insufficient for columns with smaller diameters.

Palavras-chave

CFST , Ligações simples , Pinçamento , Introdução de carga , Confinamento , Análises numéricas , Simple connections , Pinching effect , Lad introduction , Confinement; numerical analyses

Idioma

Português

Citação

BERNARDINO, Ana Paula. Avaliação do efeito do microconfinamento do concreto na região de introdução de carga de ligações simples entre vigas metálicas e pilares tubulares de aço preenchidos com concreto. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil ) – Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de Engenharia, lha Solteira, Ilha Solteira, 2026.