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Interface Bond Performance of Concrete-Filled Galvanized Steel Tubes Strengthened with Internal Circular Rings: A Taguchi–Grey Relational Study

Este estudo utiliza uma abordagem de Taguchi–Grey para demonstrar que a soldagem de um anel circular interno na base de tubos de aço galvanizado preenchidos com concreto aumenta significativamente a resistência da ligação interfacial em 121,8% em comparação com espécimes não reforçados, estabelecendo a posição do anel como uma variável de projeto crítica para otimizar o intertravamento mecânico.

Autores originais: Chethan Kumar S, Sandesh NU, Anusha T.S, Kumar N.S, Ashwini L.K, Syed Sharfuddin, Apsar Pasha

Publicado 2026-10-23

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CC BY 4.0

Autores originais: Chethan Kumar S, Sandesh NU, Anusha T.S, Kumar N.S, Ashwini L.K, Syed Sharfuddin, Apsar Pasha

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

No mundo da construção pesada, os engenheiros frequentemente dependem de uma ideia simples, mas poderosa: combinar dois materiais diferentes para criar algo mais forte do que cada um deles seria sozinho. Um exemplo comum é preencher um tubo de aço oco com concreto. O aço fornece uma casca resistente que impede o concreto de ser esmagado sob pressão, enquanto o concreto no interior impede que as paredes finas de aço sofram flambagem ou colapsem para dentro. Essa parceria funciona maravilhosamente bem para a construção de colunas e suportes de pontes, mas depende inteiramente de uma única condição crítica: os dois materiais devem mover-se como uma única unidade. Se o tubo de aço e o núcleo de concreto deslizarem um pelo outro, a estrutura perde sua força e pode falhar. Esse deslizamento ocorre na fronteira invisível onde o metal encontra o cimento duro como rocha, um lugar onde a ligação é frequentemente fraca, especialmente se a superfície do metal for lisa.

Para corrigir essa fraqueza, pesquisadores tentaram adicionar travas mecânicas, como soldar pequenos anéis metálicos dentro do tubo para impedir que o concreto deslize. No entanto, um novo estudo revelou um detalhe surpreendente sobre como essas travas funcionam: não se trata apenas de ter um anel, mas sim de exatamente onde você o coloca. A equipe por trás desta pesquisa focou em um tipo específico de material de construção: tubos de aço galvanizado preenchidos com uma mistura padrão de concreto de alta resistência. Eles queram entender como a ligação entre o metal e o concreto muda quando um único anel soldado é colocado em diferentes alturas dentro do tubo. Ao testar dezenas de amostras com variados tamanhos e formas, descobriram que a posição do anel é o fator mais importante para determinar quão bem os dois materiais se mantêm unidos.

Os pesquisadores começaram testando tubos simples, sem anéis internos, para estabelecer uma linha de base. Eles descobriram que, sem qualquer ajuda extra, a ligação entre o concreto e o aço galvanizado era relativamente fraca, com a força média variando de menos de um a quase dois unidades de pressão por milímetro quadrado. Isso confirmou que, para superfícies de aço galvanizado lisas, a aderência natural entre os materiais é frequentemente insuficiente para aplicações de carga pesada. A equipe então passou para o seu experimento principal, onde soldaram um único anel de aço dentro do tubo em um de três locais específicos: perto do topo, exatamente no meio ou perto da base. Eles testaram esses anéis em nove tamanhos diferentes de tubos, alterando a largura do tubo, a espessura das paredes de aço e o comprimento total da amostra para ver como esses fatores interagiam com a posição do anel.

Os resultados foram claros e consistentes. Cada tubo com um anel teve um desempenho superior ao tubo simples, mas a localização do anel fez uma diferença enorme. Quando o anel foi colocado perto do topo da amostra, a resistência da ligação aumentou cerca de sessenta por cento em comparação aos tubos simples. Mover o anel para o meio elevou a resistência em aproximadamente oitenta e seis por cento. Mas a melhoria mais dramática ocorreu quando o anel foi colocado perto da base, onde a resistência da ligação mais que dobrou, aumentando em mais de cento e vinte por cento. Em média, o anel posicionado na base foi quase quarenta por cento mais forte que o anelho posicionado no topo e cerca de vinte por cento mais forte que o do meio. Esse padrão manteve-se constante, independentemente do tamanho do tubo ou da espessência de suas paredes.

Os pesquisadores explicaram este fenômeno observando como a força viaja através do material durante um teste. Em sua configuração, o núcleo de concreto era empurrado para baixo enquanto o tubo de aço era mantido no lugar. Um anel localizado perto da base, que é próximo de onde a força é aplicada, engaja quase imediatamente. Ele atua como um bloqueio físico, forçando o concreto a apoiar-se contra a placa de aço antes que qualquer deslizamento significativo possa ocorrer. Isso cria uma trava mecânica forte justamente na origem do estresse. Em contraste, um anel colocado mais alto tem que esperar que o concreto deslize ao longo do comprimento do tubo para que possa engajar, momento em que a ligação já terá enfraquecido. O estudo sugere que, para engenheiros que projetam essas estruturas, colocar um conector próximo à extremidade carregada é muito mais eficaz do que colocá-lo no meio ou na extremidade oposta.

Além da posição do anel, o estudo também analisou como o tamanho e a forma do tubo influenciaram os resultados. Para tubos com anéis no topo ou no meio, o comprimento do tubo em relação à sua largura foi o fator mais significativo; tubos mais curtos e robustos mantiveram-se melhor unidos do que os longos e esbeltos. No entanto, para os tubos com anéis na base, a largura do tubo tornou-se o fator dominante, com tubos mais largos apresentando o melhor desempenho. A equipe utilizou um método estatístico para encontrar a melhor combinação de todas essas variáveis. Eles identificaram que um tubo com uma largura média específica, as paredes de aço mais espessas e a menor razão comprimento-largura apresentou o melhor desempenho em seus testes. Embora essa combinação específica não fosse uma das amostras exatas que eles construíram, os dados apontam fortemente para ela como o design ideal.

Os pesquisadores foram cuidadosos ao notar que suas descobertas são baseadas em um conjunto específico de condições e que mais testes seriam necessários para confirmar esses resultados para todos os possíveis cenários de construção. Eles não alegaram ter resolvido o problema da adesão do concreto para sempre, mas forneceram uma resposta clara e mensurada a uma pergunta específica: onde você deve colocar a trava? O estudo conclui que, para tubos de aço galvanizado preenchidos com concreto, a maneira mais eficaz de evitar que os materiais se separem é colocar um anel soldado perto da base, próximo de onde a carga é aplicada. Este ajuste simples transforma uma conexão fraca em um sistema robusto e intertravado, oferecendo uma maneira prática e confiável de construir estruturas mais fortes e seguras.

Resumo Técnico: Desempenho da Interface de Ligação de Tubos de Aço Galvanizado Preenchidos com Concreto Reforçados com Anéis Circulares Internos

Definição do Problema
Os elementos de tubos de aço preenchidos com concreto (CFST) dependem da transferência eficiente de cisalhamento longitudinal na interface aço–concreto para alcançar a ação composta, particularmente em regiões onde a carga é introduzida através de um único componente (ex.: juntas viga-coluna, bases de coluna e emendas). Embora os mecanismos de adesão química e intertravamento microestrutural forneçam resistência inicial, esses mecanismos degradam-se com o deslizamento, deixando o atrito e o intertravamento macroestrutural como os principais métodos de transferência de carga. O estudo aborda uma lacuna na prática de projeto relativa à otimização de conectores de anéis internos. Especificamente, investiga-se se a posição longitudinal de um único anel circular interno (topo, meio ou base) influencia significativamente o desempenho da ligação em tubos de aço galvanizado preenchidos com concreto M40. Além disso, a pesquisa busca quantificar os efeitos geométricos do diâmetro do tubo ( $D$ ), espessura da parede ( $t$ ) e razão comprimento-diâmetro ( $L/D$ ) na tensão de ligação, tanto com quanto sem o reforço do anel.

Metodologia
O estudo empregou um delineamento experimental de matriz ortogonal Taguchi $L_9$ para variar sistematicamente três fatores geométricos através de três níveis:

Diâmetro ( $D$ ): 33,7, 42,2 e 48,3 mm.
Espessura da Parede ( $t$ ): 2,6, 3,2 e 4,0 mm.
Razão Comprimento-Diâmetro ( $L/D$ ): 12, 14 e 16.

Isso resultou em nove combinações geométricas distintas. Para cada combinação, os corpos de prova foram testados em quatro configurações: não reforçados e reforçados com um único anel circular interno soldado, posicionado no topo, no meio ou na base do corpo de prova. Todos os corpos de prova utilizaram concreto M40 (resistência média aos 28 dias de 41,61 MPa) e foram curados por 28 dias antes dos testes.

Testes de cisalhamento (push-out) foram conduzidos utilizando uma máquina de ensaios universal (UTM), aplicando compressão axial ao núcleo de concreto enquanto o tubo de aço era suportado para induzir o deslizamento relativo. A tensão de ligação média última ( $\tau_u$ ) foi calculada dividindo a carga de pico ( $P_u$ ) pela área de contato nominal aço–concreto ( $\pi D L$ ).

A análise de dados incluiu:

Análise de Resposta Taguchi: Cálculo dos valores de resposta média para cada nível de fator para determinar a amplitude ( $\Delta$ ) e classificar a influência dos parâmetros geométricos.
Modelagem de Regressão: Desenvolvimento de uma equação de regressão linear múltipla para a série não reforçada para correlacionar a geometria e a resistência do concreto com a tensão de ligação.
Análise de Relação Cinza (GRA): Realização de uma otimização de múltiplas respostas do tipo "quanto maior, melhor" para identificar a combinação geométrica ótima que simultaneamente maximiza a tensão de ligação em todas as três posições do anel. Os autores corrigiram a direção de normalização do manuscrito original para garantir que uma tensão de ligação mais alta fosse tratada como o resultado desejável.

Principais Resultados

Desempenho Não Reforçado: A tensão de ligação para os corpos de prova não reforçados variou de 0,878 a 1,899 MPa (média: 1,396 MPa). A razão $L/D$ foi o fator geométrico mais influente, com a tensão de ligação diminuindo conforme o $L/D$ aumentava de 12 para 16.
Impacto da Posição do Anel: A adição de um anel interno aumentou significadamente o desempenho da ligação em todas as geometrias.
- Anel no Topo: Aumentou a tensão de ligação média em 60,3% (para 2,238 MPa).
- Anel no Meio: Aumentou a tensão de ligação média em 85,6% (para 2,591 MPa).
- Anel na Base: Aumentou a tensão de ligação média em 121,8% (para 3,097 MPa).
- Classificação: Uma hierarquia de desempenho consistente foi observada em todas as nove execuções: Base > Meio > Topo. A posição na base superou as posições do meio e do topo em 19,5% e 38,4%, respectivamente, em uma base média.
Interações Geométricas:
- Para as posições de anel no topo e no meio, a razão $L/D$ permaneceu como o fator dominante afetando a tensão de ligação.
- Para a posição de anel na base, o diâmetro do tubo ( $D$ ) tornou-se o fator dominante, seguido pelo $L/D$ e pela espessura da parede.
Otimização:
- A melhor combinação testada (Execução 6) foi $D=42,2$ mm, $t=4,0$ mm e $L/D=12$ .
- O ótimo de nível de fator previsto (derivado das médias Taguchi) foi $D=48,3$ mm, $t=4,0$ mm e $L/D=12$ . Esta combinação específica não fazia parte da matriz $L_9$ original e requer testes de confirmação.
Modelo de Regressão: O modelo de regressão para os corpos de prova não reforçados apresentou um $R^2$ de 0,819, RMSE de 0,152 MPa e MAPE de 11,0%. Os autores observam que esta é uma correlação intra-amostra e não um modelo de projeto validado genericamente.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a posição longitudinal de um único anel interno é uma variável de projeto primária, e não um parâmetro neutro. O estudo demonstra que posicionar um anel próximo à extremidade carregada (a base na configuração de push-out) mobiliza o intertravamento mecânico e a resistência ao esmagamento de forma mais eficaz do que anéis posicionados mais distantes. Este posicionamento intercepta o núcleo de concreto em avanço antes que um deslizamento significativo na interface se desenvolva, promovendo assim o engajamento precoce do conector.

A pesquisa valida que anéis circulares internos são um método eficaz para aumentar a ligação em tubos de aço galvanizado, oferecendo um mecanismo de intertravamento macroestrutural que converte o cisalhamento longitudinal em resistência localizada ao esmagamento e confinamento. O estudo conclui que, embora o método Taguchi tenha identificado com sucesso as tendências e uma configuração ótima, os resultados são específicos para os materiais testados (concreto M40, aço galvanizado) e para a configuração de push-out. Os autores declaram explicitamente que os achados não devem ser extrapolados para o projeto sem validação adicional, observando a ausência de testes de repetição, curvas carga–deslizamento e medições de deformação nos dados atuais. O trabalho serve para quantificar os benefícios do posicionamento do anel e fornece uma base orientada por dados para futuras considerações de projeto.

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