Consolos de Betão Armado (ACI)
Neste estudo, é investigado o comportamento de sete espécimes de consolos em betão armado (BA). As suas capacidades de resistência e deformação foram calculadas utilizando o IDEA StatiCa e comparadas com as capacidades de dimensionamento calculadas pelos procedimentos ACI 318-19 (2019) e AASHTO LRFD (2016). Os resultados foram comparados com dados experimentais. Um dos espécimes de consolo testados foi selecionado como modelo de referência para investigação adicional através do software ABAQUS (versão 2023), onde a deflexão no ponto médio, a distribuição de tensões principais e os padrões de fissuras foram calculados e comparados com os medidos durante os experimentos (Wilson, 2017). Adicionalmente, a influência da armadura secundária nas capacidades dos consolos foi investigada em detalhe.
Estudo Experimental
Para avaliar o desempenho estrutural dos consolos, quatro espécimes de consolo duplo, identificados como C0 a C3, foram dimensionados com base nas disposições do modelo de escora e tirante (STM) do ACI 318-19 (2014) por Wilson (2017). Outros três espécimes de consolo duplo, designados como S1, S2 e S3, foram dimensionados de acordo com as disposições STM do AASHTO LRFD (2016) por Khosravikia et al. (2018). Os espécimes foram dimensionados, fabricados e ensaiados no Laboratório de Engenharia Estrutural Ferguson da Universidade do Texas em Austin. A consistência foi mantida na armadura principal dos quatro espécimes da categoria C, enquanto a armadura secundária variou. Da mesma forma, os espécimes S1, S2 e S3 partilhavam a mesma geometria, mas apresentavam variações tanto na armadura principal como na secundária. Todos os sete espécimes foram exclusivamente dimensionados para suportar cargas verticais, sendo desconsideradas as potenciais forças de tração horizontais. Por conseguinte, as configurações de ensaio foram simplificadas, focando-se exclusivamente em cargas verticais, com cada espécime apoiado por duas placas de apoio. Entre todos os sete espécimes, C0 foi escolhido como modelo de referência e foi analisado no ABAQUS.
Todos os quatro espécimes (C0, C1, C2 e C3) foram dimensionados com dimensões semelhantes, incluindo uma largura de 14 in. (356 mm), uma altura total do consolo de 24 in. (610 mm), um comprimento do consolo de 20 in. (508 mm) em cada lado e uma altura de coluna estendida de 12 in. (305 mm). A geometria dos espécimes e a pormenorização da armadura utilizada em cada espécime estão representadas na Figura 1.1. Os parâmetros de dimensionamento dos espécimes de consolo são apresentados na Tabela 1.1. Note-se que os espécimes na Figura 1.1 são apresentados na orientação em que foram ensaiados.
Figura 1.1: Dimensionamento do espécime com pormenorização da armadura (Wilson, 2017).
Cálculos de Dimensionamento segundo o ACI 318-19
As verificações de dimensionamento baseadas na norma foram realizadas, e as capacidades dos espécimes de consolo foram calculadas utilizando o modelo de escora e tirante (STM), e os requisitos de controlo de fissuras para consolos de BA foram investigados numericamente seguindo asdisposições do ACI 318-19. No modelo de escora e tirante os elementos de betão são substituídos por uma treliça hipotética composta por escoras de betão e tirantes de aço, interligados em nós. De acordo com as disposições STM do ACI 318-19, deve ser fornecida armadura adequada para satisfazer as exigências de resistência de cada tirante. Para garantir um controlo adequado das fissuras e evitar incompatibilidade excessiva de deformações, é exigido que o ângulo entre o eixo de qualquer escora e qualquer tirante que entre num nó seja maior ou igual a 25°. São categorizados três tipos de nós: nós CCC, indicando nós sem tirantes (nó compressão-compressão-compressão); nós CCT, representando nós com um tirante; e nós CTT, designando nós com dois ou mais tirantes.
O modelo de treliça de escora e tirante utilizado para dimensionar estes espécimes está ilustrado na Figura 1.15. Os alinhamentos horizontais dos Nós A e A' foram alinhados com o centro das placas de apoio, enquanto os Nós B e B' foram posicionados nos pontos de quarto dentro da largura da coluna. O posicionamento vertical dos Nós B e B' foi determinado como o ponto médio do bloco de compressão retangular na face da coluna. O processo de dimensionamento envolveu a verificação da resistência ao escoamento do Tirante AA', a resistência à compressão das Escoras AB, A'B', BB', BC e B'C', e as faces traseira, de apoio e inclinadas dos Nós A, A', B e B'.
Figura 1.15: Modelo de escora e tirante (Wilson, 2017).
A Tabela 1.6 apresenta as verificações de dimensionamento identificadas para os espécimes de consolo segundo o ACI 318-19.A integridade estrutural dos elementos de betão é rigorosamente avaliada através de vários itens verificados, cada um referenciando o código de construção ACI 318-19 do American Concrete Institute (ACI).
Análise com IDEA StatiCa
Sete consolos de betão armado descritos nas Secções 1.2.1 e 1.2.2 foram modelados pelo método CFSM implementado no IDEA StatiCa Detail para simular a resposta destes espécimes. A resistência à compressão medida do betão, a tensão de escoamento do aço de armadura e a resistência última do aço de armadura, conforme apresentado por Wilson (2017) para os espécimes C0, C1, C2 e C3 (Tabela 1.3), e por Khosravikia et al. (2018) para os espécimes S1, S2 e S3, foram incorporados no IDEA StatiCa Detail.
Figura 1.16: (a) Consolo C0 com carga de 580 kips (2578 kN), (b) deflexão de C0 sob carga de 580 (kips), (c) tensão principal do betão σ_c de C0 com carga de 580 (kips), e (d) deformação no aço de armadura.
Desenvolvimento e Análise do Modelo ABAQUS
Nesta secção, o modelo de referência desenvolvido na Secção 1.4.1 (ou seja, o Espécime C0) foi reconstruído utilizando o software ABAQUS (versão 2023) para análise por elementos finitos (EF), e os resultados foram comparados com os obtidos do IDEA StatiCa. No modelo, além do peso próprio, a carga vertical de 592 kips (2633 kN) foi aplicada à placa de apoio superior, conforme ilustrado na Figura 1.23a. Duas condições de fronteira semelhantes aos ensaios experimentais e ao modelo IDEA StatiCa (ou seja, tipo rolo à direita e tipo sela inclinada à esquerda) foram aplicadas ao Espécime C0 (ver Figura 1.23b).
Figura 1.23: a) Configuração do modelo no ABAQUS, e b) implementação de duas condições de fronteira no ABAQUS.
Os parâmetros necessários para descrever este modelo foram obtidos a partir do ensaio experimental após calibração, uma vez que não estavam explicitamente indicados na Ref. (Wilson, 2017). Para as barras de aço, o comportamento do material foi modelado utilizando plasticidade bilinear simples. Outros parâmetros, incluindo densidade, módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson, foram retirados da biblioteca de materiais do IDEA StatiCa Detail. A simulação numérica foi realizada numa máquina virtual com 16 processadores (Intel Xenon® Gold Processor6430 @2.10GHz) e demorou aproximadamente 56 minutos a concluir, enquanto o IDEA StatiCa Detail completou o cálculo em menos de um minuto.
Figura 1.26, 1.27 Comparação da direção das tensões principais e do deslocamento vertical entre o IDEA StatiCa Detail e o ABAQUS.
Resumo
Sete consolos de betão armado foram investigados utilizando o IDEA StatiCa e seguindo as disposições do método de escora e tirante segundo o ACI 318-19 para quatro consolos diferentes (C0, C1, C2, C3) e segundo o AASHTO LRFD (2016) para três espécimes de consolo diferentes (S1, S2, S3). Além disso, os resultados do modelo de referência do IDEA StatiCa (ou seja, o Consolo C0) foram comparados com os do modelo equivalente em ABAQUS. Os espécimes foram modelados e analisados utilizando o IDEA StatiCa para capturar o comportamento experimental dos consolos. A capacidade máxima de carga dos consolos e as curvas de carga versus deflexão no ponto médio foram traçadas com os resultados obtidos do IDEA StatiCa e comparadas com os dados medidos.
Na Figura 1.30, são apresentadas comparações das cargas obtidas a partir de experimentos, do método de escora e tirante (STM) e do IDEA StatiCa para os espécimes C. Os resultados destacam a eficácia de PIDEA StatiCa no alinhamento próximo com os resultados experimentais, superando métodos tradicionais como o STM ao fornecer previsões quase precisas do desempenho dos consolos. Em todos os espécimes (C0, C1, C2 e C3), PIDEA StatiCa demonstra consistentemente uma concordância próxima com as capacidades de carga máxima experimentais (Pmax). As propriedades dos espécimes C0 e C2 eram iguais, mas o espécime C0 foi ensaiado com uma razão av /d maior. Isto evidencia o efeito da razão av /d na capacidade de carga do consolo.A capacidade dos consolos variou inversamente com a razão av /d.
Figura 1.30: Comparação da carga medida, calculada (STM) e máxima do IDEA StatiCa para os espécimes C.
Em resumo, em todos os sete espécimes de consolo (C0 a C3 e S1 a S3), as cargas máximas previstas pelo IDEA StatiCa superaram consistentemente as do STM e alinharam-se estreitamente com os resultados experimentais, à exceção dos espécimes S1 e S3. Especificamente, para S1 e S3, as cargas máximas derivadas do IDEA StatiCa excederam os valores medidos em 1,5% e 3,1%, respetivamente. No geral, os resultados dos ensaios experimentais, do modelo de escora e tirante (STM), do IDEA StatiCa e do ABAQUS são razoavelmente comparáveis.
Relativamente ao desempenho do IDEA StatiCa, é evidente que os resultados são comparáveis aos do ABAQUS. Isto indica que o IDEA StatiCa é capaz de simular e analisar com precisão o comportamento estrutural. A eficácia e fiabilidade do software para tarefas de análise e dimensionamento de engenharia são sublinhadas pela sua capacidade de fornecer resultados em linha com ferramentas estabelecidas como o ABAQUS. No entanto, é sempre aconselhável garantir a precisão e fiabilidade para aplicações específicas, validando os resultados de qualquer software com dados experimentais ou métodos numéricos alternativos. O aperfeiçoamento e validação adicionais dos modelos analíticos poderiam melhorar a precisão das previsões, assegurando processos de análise e dimensionamento estrutural mais robustos.