Viga-parede de Betão Armado (ACI)

O comportamento de cinco provetes de viga-parede em betão armado (BA) foi investigado neste capítulo. As suas capacidades resistentes e de deformação foram avaliadas utilizando o IDEA StatiCa e comparadas com as capacidades de cálculo determinadas através dos métodos de escora e tirante (STM) incluídos no ACI 318-05 (2005) e no ACI 318-19 (2019). Os resultados foram confrontados com dados experimentais. 

Um dos provetes de viga-parede foi escolhido como modelo de referência para análise adicional através do software ABAQUS (2023). Esta análise envolveu o cálculo e a comparação da relação carga-deflexão, da distribuição de tensões principais e dos padrões de fendilhação com os observados durante os ensaios (Huizinga, 2007). Adicionalmente, foi realizada uma investigação detalhada sobre o impacto da armadura secundária nas capacidades das vigas-parede.

Figura 2.45: Comparação das tensões principais calculadas no betão entre o IDEA StatiCa e o ABAQUS.

Estudo Experimental

Para avaliar o desempenho estrutural das vigas-parede, foram examinados cinco provetes de viga-parede em betão armado (BA) identificados como 1A, 1B, 2A, 3A e 3B . Estes provetes foram projetados por Huizinga (2007) seguindo as disposições do modelo de escora e tirante (STM) do ACI 318-05 (2005). O fabrico e o ensaio dos provetes foram realizados no Laboratório de Engenharia Estrutural Ferguson da Universidade do Texas em Austin. A consistência da armadura principal foi mantida em todos os provetes, enquanto foram introduzidas variações na armadura de alma. Os provetes foram projetados exclusivamente para resistir a cargas verticais, sendo desprezadas as potenciais forças de tração horizontais. As configurações de ensaio foram simplificadas em conformidade, focando-se exclusivamente em cargas verticais, com cada provete apoiado em duas placas de apoio (Figuras 2.7 e 2.8). Entre os provetes, o 1A foi selecionado como modelo de referência e sujeito a análise adicional utilizando o software ABAQUS.

Figura 2.7: Configuração do ensaio, vista de alçado para a viga-parede (Huizinga, 2007).

Figura 2.13: Vão de corte 1A: a) secção transversal e b) alçado (Huizinga, 2007).

Análise com IDEA StatiCa

O método CSFM implementado no IDEA StatiCa Detail foi utilizado para modelar e simular o comportamento das cinco vigas-parede em betão armado descritas na Secção 2.3.2. A resistência à compressão real ou medida do betão, e a tensão de cedência e última das armaduras de aço (conforme indicado por Huizinga, 2007) foram utilizadas para modelar os provetes 1A, 1B, 2A, 3A e 3B.

Análise do Modelo de Referência (Provete 1A)

Utilizando as propriedades dos materiais medidas apresentadas nas Tabelas 2.4 e 2.5, o modelo IDEA StatiCa para o provete de referência foi construído. Para validar e melhorar os modelos e simulações com recurso a dados experimentais, os fatores de material para o betão (ϕ_c) e para a armadura de aço (ϕ_s) no IDEA StatiCa foram definidos como 1,0. O peso próprio da viga-parede e a carga aplicada foram os dois tipos de cargas considerados para a análise no IDEA StatiCa. A carga máxima aplicada foi introduzida no modelo de forma gradual, com 100 incrementos de zero até ao valor máximo, para obter a relação carga-deflexão do provete de viga-parede.

Uma placa de apoio com 4 pol. (101,6 mm) de espessura foi introduzida no modelo sob a carga aplicada. As dimensões da placa de apoio foram adotadas de acordo com o valor indicado na Tabela 2.4 apresentada por Huizinga (2007). O apoio esquerdo da viga-parede foi fixo nas direções horizontal (x) e vertical (z), representando um apoio de rótula, enquanto o apoio direito foi fixo apenas na direção vertical (z) para funcionar como um apoio de rolete. Foi considerado um apoio pontual com placa de apoio em ambas as extremidades, com dimensões de 16 pol. por 36 pol. (406,4 mm por 914,4 mm). A espessura da placa de apoio foi considerada como 2 pol. (50,8 mm). Os coeficientes de carga de 1,0 para ambos os padrões de carga, ou seja, peso próprio e carga aplicada, foram utilizados na análise do IDEA StatiCa, focando-se na combinação de ações do estado limite último (ULS).

O processo de cálculo da capacidade no IDEA StatiCa envolveu o aumento incremental das cargas aplicadas até atingir qualquer uma das seguintes condições:

1. O betão atingiu 100% da sua capacidade resistente sob a carga aplicada.
2. A armadura de aço atingiu 100% da sua capacidade resistente sob a carga aplicada.
3. O aço de ancoragem atingiu 100% da sua capacidade resistente sob a carga aplicada.

Para a carga aplicada de 1540 kips (6850 kN), o betão estava a funcionar a 99,6% da sua capacidade, enquanto as armaduras estavam a 100% da sua capacidade resistente e o aço de ancoragem estava a 99,9% da sua capacidade (Figura 2.35). Incrementos adicionais da carga aplicada ultrapassariam a capacidade da armadura, sendo por isso considerada a carga máxima pelo IDEA StatiCa. Sob a carga de 1540 kips (6850 kN), a deflexão do provete de viga-parede sob a carga foi registada como 0,679 pol. (17,25 mm). A Figura 2.35 apresenta os resultados detalhados para o provete de viga-parede 1A obtidos com o IDEA StatiCa sob a carga máxima aplicada de 1540 kips (6850 kN).

Figura 2.35: Viga-parede 1A com carga de 1540 kips (6850 kN): a) resultados do IDEA StatiCa, b) vista 3D, c) fluxo de tensões, d) tensão principal do betão (σc), e) tensão na armadura, f) deformação na armadura e g) contorno de deflexão.

Desenvolvimento e Análise do Modelo ABAQUS

Nesta secção, o modelo de referência desenvolvido na Secção 2.4.1 (ou seja, o Provete 1A) foi reconstruído utilizando o software ABAQUS (2023) para análise por elementos finitos (FE), e os resultados foram comparados com os obtidos no IDEA StatiCa. No modelo, para além do peso próprio, a carga vertical de 1572,5 kips (6995,3 kN) (em incrementos de 50 kips) foi aplicada à placa de apoio de carga superior com uma espessura de 4 pol. (101,6 mm), conforme ilustrado na Figura 2.40. Duas condições de fronteira semelhantes às dos ensaios experimentais e ao modelo do IDEA StatiCa (ou seja, viga simplesmente apoiada) foram aplicadas ao Provete 1A (ver novamente a Figura 2.40). No ABAQUS, o tamanho do elemento foi escolhido como 0,5 pol. (12,7 mm) após uma análise de sensibilidade de malha de rotina, resultando num total de 89 510 elementos no modelo. O elemento de tensão 3D, tijolo linear de 8 nós com integração reduzida (ou seja, C3D8R) foi selecionado como tipo de elemento para o betão, enquanto o elemento de viga foi escolhido para as armaduras.

Figura 2.40: Configuração do modelo no ABAQUS mostrando as localizações e detalhes da carga aplicada e das condições de fronteira.

A restrição de região embebida foi utilizada para incorporar a armadura de aço na viga-parede A1 (ver Figura 2.41). Também foi definido um contacto geral superfície a superfície entre as placas de apoio de carga e de suporte e o provete de betão. No ABAQUS, foi utilizado o modelo constitutivo de Plasticidade com Dano no Betão (CDP). Os parâmetros necessários para descrever este modelo foram obtidos a partir dos dados experimentais após calibração, uma vez que não estavam explicitamente indicados na Ref. (Huizinga, 2007). Para as armaduras, o comportamento do material foi modelado utilizando plasticidade bilinear simples. Outros parâmetros, incluindo a densidade, o módulo de elasticidade e o coeficiente de Poisson, foram retirados diretamente da biblioteca de materiais do IDEA StatiCa. A simulação numérica foi realizada numa máquina virtual com 16 processadores (Intel Xenon® Gold Processor 6430 @2,10GHz) e demorou aproximadamente 51 minutos a concluir, enquanto o IDEA StatiCa Detail completou o cálculo em menos de dois minutos.

Resumo

O comportamento de cinco vigas-parede em betão armado (BA) foi investigado utilizando o IDEA StatiCa, e as suas capacidades foram também determinadas pelo método de escora-e-tirante (STM) conforme especificado pelo ACI 318-05. Além disso, foi realizada uma análise comparativa entre os resultados obtidos no modelo IDEA StatiCa para a viga-parede 1A e os derivados de um modelo ABAQUS equivalente. Os provetes foram modelados e analisados utilizando o IDEA StatiCa para simular com precisão o seu comportamento experimental. Subsequentemente, a capacidade máxima de carga e as relações carga-deflexão determinadas com o IDEA StatiCa foram comparadas com os dados medidos.

A Figura 2.48 compara as cargas obtidas a partir de ensaios experimentais, do STM e do IDEA StatiCa para os provetes de viga-parede. Os resultados do IDEA StatiCa correspondem de perto aos resultados experimentais, superando os métodos convencionais como o STM ao oferecer previsões quase precisas do desempenho das vigas-parede. Em todos os provetes (1A, 1B, 2A, 3A e 3B), o IDEA StatiCa apresenta consistentemente uma maior aproximação às capacidades de carga medidas (P_max). Deve notar-se que o STM foi desenvolvido para fins de dimensionamento e espera-se que produza resultados conservadores. Por outro lado, espera-se que o IDEA StatiCa capture a resposta máxima medida das vigas-parede.

Figura 2.48: Comparação da carga medida, calculada (STM) e máxima do IDEA StatiCa para os provetes de viga-parede.

Os dados apresentados na Figura 2.48 revelam variações entre as cargas medidas e as calculadas pelo Método do Campo de Tensões Compatível (CSFM) no IDEA StatiCa para as cinco vigas-parede. Por exemplo, a viga-parede 1A apresenta uma discrepância de aproximadamente 5% entre a carga medida e a carga calculada pelo CSFM. De forma semelhante, a viga-parede 1B apresenta um desvio de cerca de 11%. Na viga-parede 2A, a diferença entre a carga medida e a carga calculada pelo CSFM é de aproximadamente 9%. No entanto, o objetivo principal do programa de ensaios era investigar a resistência ao corte e o comportamento em serviço das vigas-parede, com foco na indução de rotura por corte em cada vão de corte.