Estabilidade da capacidade resistente de pilares tubulares metálicos preenchidos com concreto submetidos a longos

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10377 (2023) Citar este artigo

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Tubos de aço preenchidos com concreto (CFST) são comumente usados ​​em aplicações modernas de construção e pontes. Apesar de sua popularidade, estudos sobre a investigação da influência da carga de longo prazo na capacidade de suporte de estabilidade de tais elementos são escassos. Este estudo investiga como os principais parâmetros, incluindo índice de esbeltez (λ), índice de carga axial (m) e índice de excentricidade (e/r) afetam a capacidade de suporte de estabilidade de uma coluna CFST sob carga sustentada. Vinte e três colunas CFST foram fabricadas para investigar o efeito da carga de longo prazo na capacidade de suporte de estabilidade. Quatorze amostras foram submetidas a carga compressiva constante por 462 dias e depois testadas quanto à falha. Os 9 restantes eram espécimes companheiros sem carga. Um método de elementos finitos de três estágios foi utilizado para prever a capacidade de suporte de estabilidade após a fluência. Os resultados indicam que a capacidade de suporte de estabilidade dos pilares CFST diminui após serem submetidos a cargas de longo prazo. Tanto os resultados experimentais quanto os numéricos indicaram que a carga do tubo de aço para corpos de prova com carga de longo prazo, atingindo o processo elástico-plástico e plástico, foi menor do que a dos corpos de prova sem carga. Além disso, a deformação correspondente das amostras de fluência foi maior do que a das amostras livres de carga quando o membro atingiu a carga máxima. Análises de benchmarking mostraram que o coeficiente de redução de fluência (kcr) proposto para pilares CFST pode ser usado para prever a redução da capacidade de suporte de estabilidade após fluência. Além disso, um banco de dados coletado compreendendo 49 amostras de CFST submetidas a carga de longo prazo foi utilizado para investigar as fórmulas propostas para kcr. Os resultados mostram que as fórmulas foram consistentes com os resultados do experimento.

Os membros tubulares de aço preenchidos com concreto (CFST) são componentes estruturais de compressão eficientes utilizados em estruturas de engenharia civil, como pontes em arco e colunas utilizadas em edifícios1,2,3,4,5,6. Em contraste com os membros de aço ou reforçados, o comportamento e a resistência dos membros CFST são significativamente melhorados devido às interações entre o tubo de aço e o enchimento de concreto6. Além disso, o tubo de aço pode servir como fôrma permanente para colocação de concreto, o que facilita o processo construtivo. Com as melhorias contínuas nos materiais e nas técnicas de construção, o vão das pontes em arco CFST recentemente construídas tem aumentado, com o vão mais longo atingindo 575 m5.

Com o maior comprimento do vão do arco sendo constantemente quebrado, a flambagem da nervura do arco tornou-se gradualmente um problema proeminente devido ao aumento da proporção de esbelteza. Além disso, os efeitos de fluência na nervura do arco CFST são outros problemas proeminentes encontrados com o aumento do peso próprio das pontes em arco CFST. Ao verificar a capacidade de suporte de estabilidade de uma nervura do arco CFST esbelta, ela pode ser considerada equivalente a uma coluna esbelta6 . Portanto, a maioria dos estudos foi realizada sobre o comportamento de fluência em pilares CFST7,8,9,10,11,12,13,14. Esses estudos focaram no desenvolvimento de fluência e modelos previstos de pilares CFST com concreto normal, concreto agregado reciclado, concreto expansivo e concreto armado. Em contraste, estudos experimentais investigaram a capacidade de suporte final de estabilidade de colunas CFST submetidas a carga de longo prazo. Apenas várias discussões teóricas e formulações deduzidas foram conduzidas para investigar a capacidade de suporte final de colunas CFST submetidas a cargas de longo prazo. Todos esses estudos demonstraram que a capacidade de suporte de estabilidade dos pilares CFST diminui devido ao comportamento de fluência15,16,17,18,19,20. Além disso, métodos de cálculo numérico foram utilizados para analisar a capacidade de suporte de estabilidade de pilares CFST afetados por carga de longo prazo e, consequentemente, as fórmulas de cálculo do coeficiente de redução de fluência do pilar CFST foram derivadas21,22,23. Tan et al.24 afirmaram que a capacidade de suporte de estabilidade dos pilares CFST não é reduzida após serem submetidos a carregamento de longo prazo. Os resultados das refs. 25 e 26 indicaram uma diminuição na capacidade de suporte de estabilidade das colunas CFST devido à carga de longo prazo. Em contraste, alguns estudiosos21,27,28,29 concluíram que a resistência à compressão do CFST melhora quando submetido a carga de longo prazo.