Numerical modeling of the structural behavior of prestessed steel concrete composite beams

The structural behavior of the prestressed steel concrete composite beams was investigated using the Finite Element Method. The present study reports two types of composite beams: steel beams and concrete slab with joint work ensured for shear connectors, in a traditional way and partially encased composite beams. Initially, were presented and discussed the characteristics, advantages, disadvantages, applications and constructive aspects of this structural system, that can be used in the recovery and rehabilitation of existing structures or in new large structures design. Subsequently, were presented analytical expressions for the size of this structures. A numerical analysis methodology, that is, a modeling strategy using software ABAQUS® was developed and calibrated based on available bibliography experimental results for both types of composite beams presents in this paper. The composite beams of the conventional typology were modeled in two ways: interaction steel-concrete established with the perfect coupling of all the common nodes through TIE constraint; and interaction steel-concrete established with modeling of shear connectors and using contact interaction between surfaces. The partially encased composite beam was initially modeled and calibrated without application of the prestressing force, for later modeling of the tendons, due the misses of experimental results of the prestressed partially encased composite beams. The numerical methodology presents aspects related to the choice of finite elements used, mesh geometry, constitutive relations of materials, interaction between materials and loading procedures. Finally, a parametric study was developed for the composite beams with conventional typology. The objective of this study was analyzing the influence of the variation of the tendon eccentricity; of the variation of the tendon force and the influence of the layout of the prestressing tendons. In general, the modeling strategy for conventional composite beam was adequate to simulate its structural behavior, especially for the case where the interaction steel-concrete was established by the shear connectors. In the case of partially encased composite beams, was possible to see the effects of the prestressing on its structural behavior, due to the increase in the ultimate moments carrying capacity; smaller displacements and smaller deformations. In additions, there were good correlations of the ultimate moment carrying capacity obtained analytically and numerically.Não recebi financiamentoO comportamento estrutural das vigas mistas de aço e concreto protendidas foi investigado por meio de uma análise numérica via método dos elementos finitos. O presente estudo é destinado a duas tipologias de vigas mistas, sendo: vigas mistas de tipologia convencional e vigas mistas parcialmente revestidas de concreto. Inicialmente foram apresentadas e discutidas as características, vantagens, desvantagens, aplicações e aspectos construtivos deste sistema estrutural que pode ser utilizado tanto na recuperação e reabilitação de estruturas existentes, quanto no projeto de novas estruturas de grande porte. Sequentemente, foram apresentadas expressões analíticas para dimensionamento desse tipo de estrutura. Uma metodologia para análise numérica, ou seja, uma estratégia de modelagem através do software ABAQUS® foi desenvolvida, para ambas as tipologias abordadas neste trabalho, sendo estas calibradas com base em resultados experimentais disponíveis na bibliografia. As vigas mistas de tipologia convencional foram modeladas de duas maneiras, sendo ora a vinculação entre aço e concreto estabelecida com o acoplamento perfeito de todos os nós comuns, através do comando TIE e ora através da modelagem de conectores de cisalhamento, onde foram utilizadas interações de contato. As vigas mistas parcialmente revestidas foram inicialmente modeladas e calibradas sem a aplicação da protensão, para posterior modelagem dos cabos, devido a escassez de estudos experimentais que englobam esta tipologia abordada. A metodologia numérica aborda aspectos relacionados a escolha de elementos finitos utilizados, geometria das malhas, relações constitutivas dos materiais, condições de acoplamento e vinculação entre os materiais e procedimentos de aplicação dos carregamentos. Por fim, elaborou-se um estudo paramétrico para as vigas mistas de tipologia convencional, que teve como objetivo analisar a influência da variação da excentricidade do cabo de protensão; da variação do nível de força de protensão aplicado no cabo e a influência do traçado do cabo. De modo geral, a estratégia de modelagem referente a viga mista convencional mostrou-se adequada para simular o seu comportamento estrutural, sobretudo para o caso em que a vinculação perfil-laje é estabelecida através dos conectores de cisalhamento. No que se refere as vigas mistas parcialmente revestidas foi possível perceber o efeito da aplicação da protensão no seu comportamento estrutural, devido ao acréscimo no momento último resistente, menores deslocamentos e menores deformações. Além disso, houveram boas correlações dos momentos último obtidos analiticamente e numericamente