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Centro de SuporteBase de Conhecimento1.2 Principais pressupostos e limitações do CSFM em 3D
ConcreteReinforced concreteKnowledge baseEN (Eurocode)CSFM

1.2 Principais pressupostos e limitações do CSFM em 3D

Este artigo também está disponível em
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
Traduzido por IA do inglês

O CSFM 3D define o comportamento do betão com base na teoria da plasticidade de Mohr-Coulomb Modificado para carregamento monotónico. O método considera as tensões principais do betão em compressão e as tensões na armadura (σsr) nas fendas, desprezando a resistência à tração do betão (corte de tração), exceto pelo seu efeito de enrijecimento na armadura (Enrijecimento à tração).

σc1r, σc2r, σc3r ≤ 0 MPa

As armaduras estão ligadas aos elementos finitos de volume de betão através de elementos de aderência, permitindo o escorregamento entre o betão e a armadura. Deve notar-se que o CSFM 3D não é adequado para simular betão simples devido à ausência de tração, o que pode resultar em deformações enganosas e divergência do modelo. Geralmente, a teoria de Mohr-Coulomb inclui duas propriedades fundamentais que regem a evolução da superfície de plasticidade em compressão e parcialmente em tração: o ângulo de atrito interno φ e o parâmetro de coesão c. O CSFM 3D assume um ângulo de atrito interno nulo (Fig. 1e), levando a um dimensionamento conservador devido à superfície de plasticidade assemelhar-se ao modelo de Tresca, que é independente do primeiro invariante de tensão.

Fig. 1Basic assumptions of the 3D CSFM: (a) principal stresses in concrete; (b) stresses in the reinforcement direction;\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Basic assumptions of the 3D CSFM: (a) principal stresses in concrete; (b) stresses in the reinforcement direction;}}}Fig. 1Basic assumptions of the 3D CSFM: (a) principal stresses in concrete; (b) stresses in the reinforcement direction; (c) stress-strain diagram of concrete in terms of maximum stresses; (d) stress-strain diagram of reinforcement\textsf{\textit{\footnotesize{(c) stress-strain diagram of concrete in terms of maximum stresses; (d) stress-strain diagram of reinforcement}}}(c) stress-strain diagram of concrete in terms of maximum stresses; (d) stress-strain diagram of reinforcement in terms of stresses at cracks and average strains; (e) Mohr’s circles for concrete model in 3D CSFM; (f) bond shear stress-slip\textsf{\textit{\footnotesize{in terms of stresses at cracks and average strains; (e) Mohr's circles for concrete model in 3D CSFM; (f) bond shear stress-slip}}}in terms of stresses at cracks and average strains; (e) Mohr’s circles for concrete model in 3D CSFM; (f) bond shear stress-slip relationship for anchorage length verifications.\textsf{\textit{\footnotesize{relationship for anchorage length verifications.}}}relationship for anchorage length verifications.

Betão 

O modelo de material apresentado é um modelo de plasticidade multi-superfície dado pela combinação dos modelos de Mohr-Coulomb e Rankine para carregamento monotónico. É importante notar que este modelo não aborda o descarregamento, pelo que as variáveis de estado não são armazenadas, como aconteceria nos modelos clássicos de plasticidade utilizados para carregamento cíclico.

Fig. 2Mohr-Coulomb multi-surface plasticity model for friction angle 0 degree\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2\qquad Mohr-Coulomb multi-surface plasticity model for friction angle 0 degree}}}Fig. 2Mohr-Coulomb multi-surface plasticity model for friction angle 0 degree

Como já foi referido, o modelo de material destina-se a ser utilizado em aplicações que calculam a resposta do betão armado (não é adequado para betão simples). Isto deve-se à exclusão do betão à tração. Portanto, o modelo também não é adequado para elementos estruturais em que as regras de dimensionamento para betão armado, como a taxa mínima de armadura, o espaçamento máximo entre varões, etc., não sejam cumpridas. Deve também acrescentar-se que, por razões de estabilidade numérica, é definida no modelo uma capacidade de tração muito reduzida. A parte de tração é limitada por planos correspondentes ao modelo de Rankine.

O CSFM 3D no IDEA StatiCa Detail não considera um critério de rotura explícito em termos de deformações para o betão à compressão (ou seja, considera um ramo infinitamente plástico após ser atingida a tensão de pico). Esta simplificação não permite verificar a capacidade de deformação de estruturas que rompem por compressão. No entanto, a sua capacidade última é corretamente prevista quando o aumento da fragilidade do betão com o aumento da sua resistência é considerado através do fator de redução 𝜂𝑓𝑐 definido no fib Model Code 2010, da seguinte forma:

fc,red=ηfc⋅fcf_{c,red} = \eta _{fc} \cdot f_{c}fc,red​=ηfc​⋅fc​

ηfc=(30fc)13≤1{\eta _{fc}} = {\left( {\frac{{30}}{{{f_{c}}}}} \right)^{\frac{1}{3}}} \le 1ηfc​=(fc​30​)31​≤1

onde:

fc é a resistência característica do betão em provete cilíndrico (em MPa para a definição de ηfc\eta_{fc}ηfc​).

O valor de fc,red é então comparado com a Tensão Principal Equivalente σc,eq no betão, que será definida mais adiante, considerando naturalmente todos os fatores de segurança prescritos pela norma.

Uma descrição detalhada do modelo de betão pode ser encontrada na seguinte ligação:

  • Modelo de Material do Betão para Detail 3D

Armadura

O diagrama tensão-deformação bilinear para as armaduras, tal como definido pelas normas de dimensionamento (Fig. 1d), representa um modelo idealizado. Este modelo requer o conhecimento das propriedades básicas da armadura durante a fase de dimensionamento, nomeadamente a classe de resistência e ductilidade. Em alternativa, os utilizadores têm a opção de definir uma relação tensão-deformação personalizada.

O enrijecimento à tração é considerado modificando a relação tensão-deformação do varão de armadura isolado, de forma a captar a rigidez média dos varões embutidos no betão (εm) (Fig 1b).

Ancoragem

A aderência-escorregamento entre a armadura e o betão é introduzida no modelo de elementos finitos considerando a relação constitutiva rígida-perfeitamente plástica simplificada apresentada na (Fig. 1f), sendo fbd o valor de cálculo (valor majorado) da tensão de aderência última especificada pela norma de dimensionamento para as condições de aderência específicas.

Trata-se de um modelo simplificado cujo único objetivo é verificar as prescrições de aderência de acordo com as normas de dimensionamento (ou seja, a ancoragem da armadura). A redução do comprimento de ancoragem quando são utilizados ganchos, laços e formas de varão semelhantes pode ser considerada definindo uma determinada capacidade na extremidade da armadura, tal como será descrito mais adiante.

Âncoras

O elemento da âncora é definido como sendo capaz de transferir forças normais de tração ou compressão, bem como forças de corte, considerando a rigidez à flexão. 

Estão disponíveis os seguintes tipos de âncoras:

  • Âncoras moldadas no local
    • Armadura
    • Placa de anilha
    • Pino com cabeça
  • Armadura moldada no local
    • Armadura
    • Barras roscadas

Moldado no local - Armadura

Modelada como armadura nervurada embutida no betão. A resistência de aderência é calculada de acordo com as regras da norma selecionada, da mesma forma que para a armadura padrão. Na extremidade da âncora, pode ser definido um Tipo de ancoragem, funcionando de forma idêntica à armadura - é aplicada uma mola de ancoragem com o fator β definido de acordo com a norma escolhida. Estão disponíveis três formas geométricas: Reta, em L, em U.

Fig. 3Cast-in reinforcement anchor - shapes\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 3\qquad Cast-in reinforcement anchor - shapes}}}Fig. 3Cast-in reinforcement anchor - shapes

Moldado no local - Placa de anilha e Pino com cabeça

A placa de anilha e a cabeça do pino com cabeça são modeladas como um elemento de placa-casca do material correspondente, ligado diretamente à haste da âncora. Este transfere a carga para o betão através de contacto apenas de compressão. Formas disponíveis: circular e quadrada (apenas circular para o pino com cabeça), com dimensões personalizáveis. O modelo da placa de anilha e da cabeça é elástico e não é verificado quanto à resistência. 

Ao nível do modelo de elementos finitos, o arrancamento da âncora é verificado diretamente. O contacto de compressão tem critérios de paragem definidos de forma a não poder transferir para o betão uma tensão de contacto superior à prescrita pela norma selecionada. Em termos práticos, isto significa que, se a âncora fosse carregada com uma força que não cumprisse a verificação ao arrancamento, o resultado seria a interrupção prematura do cálculo, uma vez que este critério de paragem seria excedido durante o carregamento subsequente.

A haste da âncora tem resistência de aderência nula – toda a carga é transferida para o betão através da placa ou da cabeça, para o betão.

Pós-instalada - Armadura e Barra roscada

Concebidas como varões instalados em furos perfurados e colados com adesivo. O engenheiro especifica a resistência de aderência de cálculo diretamente a partir da especificação técnica do produto adesivo.

Mais informações sobre a ligação de cada tipo de âncora à placa de base ou à placa moldada no local podem ser encontradas no capítulo Tipos de elementos finitos - Dispositivos de transferência de carga.