Avaliação numérica de pórticos de aço preenchidos com painéis de alvenaria estrutural de blocos de concreto submetidos à carregamentos cíclicos

Abstract

A contribuição da alvenaria participante no aumento da rigidez de pórticos tem sido verificada desde a década de 1960. Muitos estudos experimentais, analíticos e numéricos, já foram desenvolvidos, mas ainda é um sistema construtivo pouco utilizado. Usualmente a interação entre pórtico e painel é desconsiderada e a parede atua apenas como vedação. Uma explicação para esse fato é a complexidade do comportamento dos pórticos preenchidos e a abordagem modesta em normas técnicas no mundo. O presente trabalho consistiu na construção de modelos numéricos que representassem pórticos vazios e preenchidos por alvenaria estrutural não armada submetidos a carregamentos cíclicos. O objetivo foi calibrar tais modelos baseando-se em ensaios experimentais, de modo a obter as envoltórias de força-deslocamento concordantes e identificar os modos de colapso que ocorrem na alvenaria. Primeiramente, modelou-se um pórtico de aço vazio no software Abaqus, sendo definidas as rigidezes das ligações entre os perfis de aço e entre o pórtico e sua base. Em seguida, a alvenaria foi modelada empregando- se a estratégia de micromodelagem simplificada. As argamassas foram reduzidas a interfaces de espessura nula e a elas foram atribuídas propriedades que simulassem o seu comportamento. Foi constatado que a energia de fratura adotada para as juntas de assentamento tem grande impacto no comportamento da estrutura, tanto no seu deslocamento frente ao carregamento quanto nos mecanismos de colapso do painel. O coeficiente de atrito entre os blocos e a superfície metálica do pórtico também influencia essas características. O efeito pinching, comum em estruturas de concreto submetidas a carregamentos cíclicos, não foi reproduzido pelo modelo. Porém, a adoção de envoltórias de carregamento-deslocamento foram suficientes para a calibração. Em concordância com os demais trabalhos na área, foi constatado que a alvenaria participante confere grandes ganhos aos pórticos em termos de deslocamento e rigidez, sendo um potencial contraventamento em estruturas metálicas.

The contribution of masonry to the stiffness of frames has been observed since the 1960s. Although many experimental, analytical and numerical studies have already been developed, this building system is still barely applied. Usually, the interaction between frame and masonry is not considered, and the masonry is used only as cladding for the building exterior or as partition to separate spaces inside the building. An explanation to this is the complexity of infilled frames behavior and the low occurrence of this topic in technical standards around the world. The present study consisted in the development of numerical models to represent bare steel frames and structural masonry-infilled steel frames under cyclic loading. The aim was to calibrate such models according to experimental results, obtain force-displacements envelopes and identify the masonry collapse modes. Firstly, it was created a bare steel frame model using the software Abaqus and the stiffness of the connections between beams and columns was defined. The same thing was made between columns and foundation. Then, it was made a masonry model using the simplified micromodeling approach. The mortar was represented by an interface with zero thickness and properties that simulated its behavior were defined. It was verified that the adopted fracture energy to the mortar joints had a critical role on the structure behavior in terms of frame’s displacement and masonry’s collapse. The friction coefficient between the masonry and the steel frame also has influence in the analysis results. The pinching effect, a common phenomenon in concrete structures under cyclic loading, was not reproduced by the models. However, the use of load-displacements envelopes was enough to adequately calibrate the models. In accordance with other studies, it was demonstrated that masonry panels provide wide improvements to the frames behavior in terms of displacement and stiffness. Therefore, masonry of concrete blocks are a potential bracing system to resist horizontal forces in steel buildings.