Determinação da rigidez da ligação aparafusada do compósito madeira-concreto sob flexão: um estudo paramétrico
| Ano de defesa: | 2025 |
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Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
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Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGECiv
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Não Informado pela instituição
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| Link de acesso: | https://hdl.handle.net/20.500.14289/22267 |
Resumo: | Timber-concrete composite (TCC) structures have been extensively investigated due to the advantages arising from its use. The combination of these two materials provides greater bending stiffness (concrete) and reduced self-weight (timber). A key property in determining the bending stiffness of this type of composite is the connection stiffness, which can be evaluated at the serviceability limit state (SLS) [Kser] and ultimate limit state (ULS) [Ku]. However, due to the complexity of its determination, few accurate estimation models are available. The estimation proposed by Eurocode 5 (2004) for screwed connections does not consider important parameters such as the timber’s elastic modulus and the screw embedment length in the timber. In order to enable a more reliable estimation of connection stiffness in beams with varying connection configurations, screw spacing, and span lengths, this study aimed to propose regression models that are more accurate than the Eurocode 5 (2004) predictions. To address this gap, a parametric numerical study was conducted using the Abaqus software, employing beam models instead of push-out specimens to reflect real structural behavior. The stiffness values were estimated as functions of timber elastic modulus (7,635 MPa and 13,800 MPa), screw diameter (8 mm and 16 mm), screw embedment length (80 mm and 160 mm), timber beam height (175 mm and 300 mm), screw spacing (250 mm and 500 mm), and beam span (2.8 m and 6.8 m), all varied at two levels, resulting in 64 simulations. The goal was to increase the safety and efficiency of stiffness prediction in this structural typology. Results indicated that connection stiffness correlates better with the beam failure load in bending than with the connection's capacity itself. The most influential parameter was the timber’s elastic modulus, followed by screw diameter, embedment length, beam span, span-to-height ratio, and span-to-screw spacing ratio. For Ku,60%, the beam height also proved to be significant. However, screw spacing (for both Kser and Ku,60%) and beam height (for Kser) were not individually significant. The developed regression equations for Kser and Ku,60% yielded R-squared values of 0.842 and 0.91 and Pearson correlation coefficients of 0.92 and 0.954, respectively. ANOVA confirmed the statistical validity of these models. Compared to estimates from Eurocode 5 (2004) and Mirdad & Chui (2020a), the numerical simulations produced significantly more conservative stiffness values, with mean relative errors of 135.79% and 149.13% for Kser, and 131.92% and 147.29% for Ku,60%, respectively. Thus, it is recommended to use these regressions when the values range within the investigated parameters. For push-out tests, however, these equations are not applicable due to the significance of the span length and timber beam height parameters. The application of this equation is highly valuable for the design of TCC structures, as it enhances both the safety and accuracy of the stiffness prediction, as validated by the results. |
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Rodrigues, Edson Fernando CastanheiraChristoforo, André Luishttp://lattes.cnpq.br/7623383075429186http://lattes.cnpq.br/5228803096015205https://orcid.org/0000-0002-9028-0565https://orcid.org/0000-0002-4066-080X2025-07-01T17:42:32Z2025-06-11RODRIGUES, Edson Fernando Castanheira. Determinação da rigidez da ligação aparafusada do compósito madeira-concreto sob flexão: um estudo paramétrico. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/22267.https://hdl.handle.net/20.500.14289/22267Timber-concrete composite (TCC) structures have been extensively investigated due to the advantages arising from its use. The combination of these two materials provides greater bending stiffness (concrete) and reduced self-weight (timber). A key property in determining the bending stiffness of this type of composite is the connection stiffness, which can be evaluated at the serviceability limit state (SLS) [Kser] and ultimate limit state (ULS) [Ku]. However, due to the complexity of its determination, few accurate estimation models are available. The estimation proposed by Eurocode 5 (2004) for screwed connections does not consider important parameters such as the timber’s elastic modulus and the screw embedment length in the timber. In order to enable a more reliable estimation of connection stiffness in beams with varying connection configurations, screw spacing, and span lengths, this study aimed to propose regression models that are more accurate than the Eurocode 5 (2004) predictions. To address this gap, a parametric numerical study was conducted using the Abaqus software, employing beam models instead of push-out specimens to reflect real structural behavior. The stiffness values were estimated as functions of timber elastic modulus (7,635 MPa and 13,800 MPa), screw diameter (8 mm and 16 mm), screw embedment length (80 mm and 160 mm), timber beam height (175 mm and 300 mm), screw spacing (250 mm and 500 mm), and beam span (2.8 m and 6.8 m), all varied at two levels, resulting in 64 simulations. The goal was to increase the safety and efficiency of stiffness prediction in this structural typology. Results indicated that connection stiffness correlates better with the beam failure load in bending than with the connection's capacity itself. The most influential parameter was the timber’s elastic modulus, followed by screw diameter, embedment length, beam span, span-to-height ratio, and span-to-screw spacing ratio. For Ku,60%, the beam height also proved to be significant. However, screw spacing (for both Kser and Ku,60%) and beam height (for Kser) were not individually significant. The developed regression equations for Kser and Ku,60% yielded R-squared values of 0.842 and 0.91 and Pearson correlation coefficients of 0.92 and 0.954, respectively. ANOVA confirmed the statistical validity of these models. Compared to estimates from Eurocode 5 (2004) and Mirdad & Chui (2020a), the numerical simulations produced significantly more conservative stiffness values, with mean relative errors of 135.79% and 149.13% for Kser, and 131.92% and 147.29% for Ku,60%, respectively. Thus, it is recommended to use these regressions when the values range within the investigated parameters. For push-out tests, however, these equations are not applicable due to the significance of the span length and timber beam height parameters. The application of this equation is highly valuable for the design of TCC structures, as it enhances both the safety and accuracy of the stiffness prediction, as validated by the results.Estruturas mistas madeira-concreto (MMC) vêm sendo bastante investigadas devido as vantagens de seu uso. Essa combinação dos dois materiais proporciona maior rigidez na flexão (concreto) e mais leveza (madeira) dentre outras vantagens. Uma propriedade que se faz importante na determinação da rigidez à flexão desse tipo de compósito é a rigidez da ligação. Essa pode ser analisada no estado limite de serviço (ELS) [Kser] e último (ELU) [Ku]. Porém, devido à complexidade de sua determinação, poucas estimativas para seu cálculo podem ser encontradas. A estimativa apresentadas pelo Eurocode 5 (2004) para o cálculo da rigidez de ligações com parafusos, não leva em consideração aspectos importantes como o módulo de elasticidade da madeira e comprimento de confinamento do parafuso na madeira. Para que fosse possível a determinação da rigidez da ligação de vigas com seus vários parâmetros de ligação, espaçamento dos parafusos e diferentes vãos, se fez necessário uma estimativa mais precisa que a do Eurocode 5 (2004). Devido a essa lacuna encontrada no cálculo da rigidez da ligação com parafusos, esse trabalho objetivou a obtenção de regressões que estimem o valor do Kser e Ku para este tipo de conector. Tais regressões foram obtidas por meio de um estudo numérico paramétrico realizado no software Abaqus. Para este estudo paramétrico foram considerados modelos numéricos de vigas ao invés de ensaios push-out. Esta abordagem foi escolhida visando simular a situação real onde estas ligações são submetidas. Assim, as rigidezes foram estimadas em função dos módulos de elasticidade da madeira (7.635 MPa e 13.800 MPa), diâmetro (8 mm e 16 mm) e comprimento de confinamento do parafuso (80 mm e 160 mm), altura da viga de madeira (175 mm e 300 mm), espaçamento entre parafusos (250 mm e 500 mm), e do comprimento livre do vão da viga (2,8 m e 6,8 m), todos estes sempre variados em dois níveis. Esses parâmetros e níveis adotados resultaram em 64 simulações numéricas realizadas. Assim, esse trabalho tem o objetivo final de agregar maior segurança e eficiência no cálculo da rigidez da ligação desse tipo de estrutura. De acordo com resultados das simulações, definiu-se que o nível de rigidez da ligação é melhor relacionado com a carga de ruptura da viga e não com a da própria ligação. Os resultados apontaram que o módulo de elasticidade da madeira foi a propriedade que mais influenciou os resultados de rigidez da ligação, seguida pelo diâmetro do parafuso, comprimento de confinamento do parafuso na madeira, vão da viga, razão entre o vão da viga e altura da viga, e razão entre vão da viga e espaçamento entre parafusos. No caso do Ku,60%, a altura da viga também passa a ser significativa. Porém, propriedades como espaçamento dos parafusos (para o Kser e Ku,60%) e altura da viga (para o Kser) não foram significativas de forma isolada. As equações para o cálculo do Kser e Ku,60% apresentaram um R-quadrado de 0,842 e 0,91, e coeficiente de Pearson igual a 0,92 e 0,954, respectivamente. Para confirmar esses resultados, uma análise de variância reforçou a validade dos modelos de regressão encontrados. Os resultados também apontam que as rigidezes fornecidas pelas simulações numéricas são significativamente mais conservadoras que as estimativas realizadas pelo Eurocode 5 (2004) e Mirdad & Chui (2020a), com erros médios relativos de 135,79 % e 149,13 % na determinação do Kser, e de 131,92 % e 147,29 % para o Ku,60%, respectivamente. Assim recomenda-se a aplicação das regressões obtidas nesta pesquisa para o caso em que as propriedades da viga MMC se enquadrarem na gama de valores investigados. Já para o caso de ensaios push-out, essas equações não são aplicáveis devido à significância das propriedades de vão e altura da viga de madeira. O uso dessa equação se faz de grande valor para o projeto de estruturas MMC, visto que agrega maior segurança e precisão ao cálculo, conforme validação realizada.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)001porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGECivUFSCarhttps://ojs.studiespublicacoes.com.br/ojs/index.php/cadped/article/view/3531https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785423011602Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessViga mista madeira-concretoRigidez da ligaçãoFlexão-cisalhamentoParafusoRuptura na flexãoENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::ESTRUTURASDeterminação da rigidez da ligação aparafusada do compósito madeira-concreto sob flexão: um estudo paramétricoDetermination of the stiffness of the screwed timber-concrete composite connection under bending: a parametric studyinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese de Doutorado_Edson_Rodrigues.pdftese_EdsonRodrigues_final_alterado_1.pdfapplication/pdf4100989https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/39c82d41-f242-43d7-bd68-71939fcd9c53/downloadc6da5507b96dfb84e6a5d5fd7a4b6665MD55trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8905https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/1c564017-4217-489c-b83a-a61665692a56/download57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0MD52falseAnonymousREADTEXTTese de Doutorado_Edson_Rodrigues.pdf.txtTese de Doutorado_Edson_Rodrigues.pdf.txtExtracted texttext/plain103155https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/ca243d66-ec9b-4fef-94a4-f9fee53a6277/download86704e3a880e51923d850d7a9590fa73MD56falseAnonymousREADTHUMBNAILTese de Doutorado_Edson_Rodrigues.pdf.jpgTese de Doutorado_Edson_Rodrigues.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4296https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/2507534d-9cd7-4f62-bc82-a0b9d762e4d8/downloaddd7d36cafb88c9ba3b1a38e4e2538dbfMD57falseAnonymousREAD20.500.14289/222672025-08-12T14:52:01.643821Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22267https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-08-12T14:52:01Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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