Análise experimental/FEM de vigas híbridas vidro-aço

Abstract

As construções com vidro e aço são cada vez mais solicitadas na arquitetura contemporânea. Para esse facto contribuiu o aparecimento do vidro estrutural, um material inovador que, quando combinado com o aço, apresenta um potencial estético e sinergético extraordinário que satisfaz a procura constante da transparência e convergência entre os meios exterior e interior. O vidro isolado é tradicionalmente frágil, mas os recentes desenvolvimentos tecnológicos como a têmpera ou a laminagem tornaram-no mais resistente, dúctil e previsível. O conceito inovador de vigas híbridas vidro-aço consiste em acrescentar à alma de vidro banzos metálicos ligados através de adesivos, com o objetivo de aumentar a capacidade de carga, a estabilidade lateral e introduzir ductilidade na rotura. O comportamento estrutural do sistema híbrido pode ainda ser melhorado através da introdução de sistemas de Pré-Esforço. A presente tese tem como objetivo caracterizar o comportamento à flexão de vigas híbridas em I, com e sem Pré-Esforço. Foram realizados ensaios à escala real, à escala reduzida e desenvolvido um modelo numérico de elementos finitos que, articuladamente, permitissem conhecer o comportamento deste tipo de sistema híbrido. Os ensaios à escala reduzida permitiram a caracterização dos materiais e a calibração do modelo numérico. A otimização das dimensões das vigas e do Pré-Esforço foi obtida através de métodos analíticos. As conclusões foram estabelecidas com base na comparação dos resultados experimentais com os resultados numéricos e analíticos de sistemas híbridos simples e Pré-Esforçados. O estudo é apresentado na presente dissertação e mostra que a adoção deste tipo de sistemas híbridos permite ultrapassar as desvantagens inerentes à utilização das vigas de vidro simples, modificando-lhes o comportamento em três requisitos relevantes para a segurança das estruturas, a saber: incrementar a resistência; introduzir rotura dúctil, com aumento significativo deformação após a fendilhação inicial do vidro e evitar o colapso explosivo do vidro.

In contemporary architecture there is an increasing demand for transparency. For this reason, the use of structural glass has increased significantly and, more recently, it has been extended to structural applications. When combined with steel, this innovative material is able to provide a remarkable synergistic and aesthetic potential and its now an unavoidable presence in most of iconic buildings. Despite being conventionally weak, recent technological developments like lamination and heat treatment made insulated glass tougher, ductile and predictable. The novel concept of hybrid steel-glass beams is to use an adhesive bonding to assembly steel flanges to a glass web in order to increase the load carrying capacity, lateral stability, ductility and to achieve redundancy. The structural behaviour of the hybrid beam can also be improved through the introduction of an external Pre-Stress system. The main goal of the current research is to study the structural response of I hybrid steel-glass beams, with and without the pre-stress technique. Full-scale tests were conducted on a fourpoint bending test setup, supported by small-scale experiments that allowed, in a first step, a correct characterization of all materials involved and, lately, a good support to the calibration of the numerical models. Beam dimensions and the tension cable position were optimized by the use of analytical methods. Final conclusions are established based on experimental, numerical and analytical results of simple and pre-stressed hybrid systems. The study shows that with this safety concept it’s possible to overcome the problem of brittle failure by enhancing a ductile post breakage response and significant post breakage strength.