Análise experimental de novas soluções para pavimentos mistos em aço e betão

Abstract

Em um pavimento misto, associa-se normalmente um perfil metálico a uma laje mista com chapa colaborante e camada de betão. Com este trabalho, pretende-se realizar um estudo que abordará novas disposições destes elementos, considerando que a viga metálica é realizada com perfis metálicos enformados a frio (tornando-se bastante mais leve do que uma solução tradicional com perfis laminados) e a laje é mista com chapa colaborante, aos quais se associa um conector metálico com elevada capacidade resistente. Este conector consiste numa chapa lisa recortada ou, em alternativa, numa chapa nervurada, que é posteriormente soldada à viga metálica e fica embebida na laje, após colocação e endurecimento do betão. No âmbito de uma dissertação desenvolvida anteriormente (Neves, 2016), foi realizado um estudo preliminar para pré-dimensionar os provetes a serem testados em laboratório, pelo que a presente dissertação se dedica a desenvolver a correspondente parte experimental e a analisar os resultados obtidos. Assim, pretende-se explorar e avaliar o comportamento experimental desta solução e também comparar os resultados obtidos com dados apresentados por diversos autores que tenham desenvolvido ensaios com aspetos comuns aos que são considerados neste trabalho. São realizados ensaios experimentais de tipo push-out para avaliação do comportamento dos conectores nervurado e indentado e ensaios de flexão em viga mista, considerando um trecho de laje mista associado à viga metálica através dos elementos de conexão propostos. Toda a investigação foi desenvolvida no Laboratório de Estruturas de Engenharia Civil da Universidade do Minho (LEST). Para ambos os tipos de ensaio (ensaios de tipo push-out e ensaios de flexão), são desenvolvidos 4 provetes dos quais 2 provetes são de tipo nervurado e 2 provetes são de tipo indentado. Para caracterizar o betão utilizado, são fabricados 12 provetes cilíndricos, para os quais se avalia o módulo de elasticidade e a resistência à compressão em várias datas, próximas às dos ensaios experimentais referidos. Nos resultados obtidos foram avaliados o comportamento da conexão, a sua capacidade de carga, a sua ductilidade e os modos de rotura associados, realizando posteriormente uma comparação com autores tendo em conta semelhança nos conetores utilizados e o tipo de ensaio. Verifica-se que os conectores testados apresentam elevada capacidade resistente e proporcionam uma elevada resistência global nas vigas mistas, garantindo que a capacidade resistente à flexão das mesmas não é essencialmente limitada pela capacidade resistente da conexão. Os resultados demonstram que os conectores nervurados e indentados apresentam um bom comportamento em condições de carregamento em serviço e boa capacidade de deformabilidade em estado limite último.

There are structural systems that associate a metallic beam and a composite slab with steel decking in order to achieve a composite beam behaviour. The aim of the present work is to carry out a study that will address new requirements of these elements, considering that the metallic beam is made with cold-formed C-shaped profiles (making it considerably lighter than a traditional solution with hot-rolled profiles), to which a metallic connector with high load capacity and the ability to ensure the intended composite action is associated. This connector is a plane strip element, that is welded to the metal beam and embedded in the slab after casting and hardening of the concrete layer. The steel beam is made of cold-formed steel profiles, making it considerably lighter than a traditional solution with hot-rolled profiles. In another work, previously developed (Neves, 2016), a preliminary study was carried out to design the test samples to be tested in the laboratory. The present thesis continues this work and is essentially dedicated to the development of experimental work and the analysis of results obtained. Thus, it is intended to explore and evaluate the experimental behaviour of the proposed solution and compare the results obtained with data presented by several authors who have developed experimental tests with common aspects. Push-out tests are performed to evaluate the behaviour of connections by adhesion, interlocking and friction and also indented connectors. Bending tests in composite beam elements are also developed considering a section of composite slab associated to the metal beam through the proposed connection elements. All the investigation was developed in the Structural Laboratory of the Civil Engineering Department, at the University of Minho (LEST). For both types of test (push-out tests and bending tests), four test samples were prepared. Of these, two test samples were prepared with adhesion, interlocking and friction connectors and the other two test specimens were prepared with indented shape connectors. To characterize the concrete used, twelve cylindrical samples were manufactured, for which the modulus of elasticity and the compressive strength were evaluated on several dates, close to those of the push-out and bending tests. It were possible to assess the behaviour of the connection, its load capacity, ductility and the associated failure modes. Results are compared with the work of some other authors that developed experimental work with comparable connectors and where similar parameters were evaluated. It is verified that the tested connectors present a high load bearing capacity and provide high overall strength when applied in composite beams, ensuring that the flexural strength of the beam is not essentially limited by the strength of the connection. The results demonstrate that the connections by adhesion, interlocking and friction and indented connectors develop a good behaviour under service loading conditions and high deformation capacity in the ultimate limit state.