Structural Performance and Seismic Damage Modeling of Aluminum Alloy Tube–Concrete Composite Columns

Resumo Técnico: Desempenho Estrutural e Modelagem de Dano Sísmico de Colunas Compostas de Tubo de Liga de Alumínio–Concreto

Problema
Embora as ligas de alumínio ofereçam vantagens significativas para a engenharia estrutural — incluindo altas relações resistência-peso, resistência à corrosão e reciclável — sua aplicação em colunas compostas permanece subpesquisada em comparação com as estruturas de aço tradicionais. A literatura existente foca primordialmente em colunas curtas e no comportamento de compressão axial. Há uma escassez notável de pesquisa sistemática sobre o desempenho de compressão axial, mecanismos de falha, características sísmicas e evolução de danos em colunas longas de tubo de liga de alumínio–concreto. Além disso, os modelos tradicionais de dano sísmico, como o modelo de dois parâmetros de Park–Ang, frequentemente dependem de formas funcionais fixas que exibem capacidades de generalização limitadas quando aplicadas às condições de dados complexas, não lineares e heterogêneas inerentes aos sistemas compostos de liga de alumínio.

Metodologia
Este estudo emprega uma abordagem multifacetada combinando análise de elementos finitos (FEA) refinada, simulação numérica paramétrica e aprendizado de máquina:

1. Modelagem de Elementos Finitos: Uma estrutura numérica validada foi estabelecida utilizando o ABAQUS. O tubo de liga de alumínio foi modelado com elementos de casca de quatro nós com integral reduzido (S4R) utilizando um modelo constitutivo de Ramberg-Osgood para capturar seu comportamento tensão-deformação não linear. O núcleo de concreto utilizou o modelo de dano plástico (elementos C3D8R) para simular fissuração, esmagamento e degradação de rigidez. O contato superfície-a-superfície com um modelo de fricção de Coulomb definiu a interação entre o tubo e o concreto.
2. Validação do Modelo: O modelo FEA foi validado contra dados experimentais existentes para colunas de comprimento médio com carga excêntrica (seções quadradas e circulares), apresentando um erro médio de 4,89% na capacidade de carga última.
3. Análise Paramétrica: Um total de 30 espécimes de colunas de médio a longo comprimento (15 quadradas, 15 circulares) foram simulados sob compressão axial e carregamento reverso de baixo ciclo. Os principais parâmetros investigados incluíram o conteúdo de alumínio (espessura da parede do tubo), tamanho da seção transversal, razão de esbeltez e resistência do concreto.
4. Modelagem de Dano Sísmico: Para abordar as limitações do modelo convencional de Park–Ang, foi proposta uma abordagem aprimorada por aprendizado de máquina. Uma rede neural de Retropropagação (BP) foi treinada utilizando parâmetros de entrada (razão de vão de cisalhamento, razão de compressão axial, razões de reforço) para prever o fator de consumo de energia ($\beta$), refinando assim o cálculo do índice de dano para estas colunas compostas específicas.

Principais Resultados

• Comportamento de Compressão Axial:

  • Modos de Falha: Espécimes de seção quadrada falharam principalmente via instabilidade flexional global induzida por flambagem das extremidades, caracterizada pela retenção de cantos e abaulamento no meio do vão. Espécimes de seção circular exibiram instabilidade elástico-plástica impulsionada por deformação excessiva no meio do vão.
  • Influência Paramétrica: O aumento da espessura da parede do tubo e do tamanho da seção transversal aumentou significativamente a capacidade de carga e a ductilidade. Por outro lado, variações na resistência do concreto e na razão de esbeltez tiveram efeitos relativamente limitados na capacidade de carga última dentro do intervalo estudado, embora a esbeltez tenha influenciado o deslocamento de pico.
  • Confinamento: O tubo de liga de alumínio proporcionou um efeito de confinamento que retardou o esmagamento do concreto e melhorou a ação composta global.

• Desempenho Sísmico:

  • Comportamento Histerético: Sob carregamento reverso de baixo ciclo, as colunas demonstraram laços de histerese estáveis, em formato de fuso completo, com boa dissipação de energia.
  • Rigidez e Energia: Seções quadradas exibiram maior rigidez inicial, mas degradação mais rápida em comparação com seções circulares. O coeficiente de amortecimento viscoso equivalente ($\xi_{eq}$) na falha variou de 0,30 a 0,45, indicando boas capacidades de dissipação de energia.
  • Sensibilidade de Parâmetros: Maior conteúdo de alumínio e maiores tamanhos de seção transversal melhoraram a resistência e a ductilidade. No entanto, o aumento das razões de esbeltez e de compressão axial levou à flambagem prematura e à redução da capacidade de dissipação de energia. A resistência do concreto teve um impacto negligenciável na resposta sísmica.

• Modelagem de Dano:

  • O modelo convencional de Park–Ang tendeu a superestimar o dano no estado de escoamento e a subestimá-lo no estado último.
  • O modelo proposto, aprimorado por aprendizado de máquina, utilizando uma rede neural BP para prever o fator $\beta$, forneceu uma representação mais precisa da progressão de dano não linear. O modelo melhorado resultou em índices de dano de 0,10–0,30 no escoamento e 0,30–0,50 na carga de pico, alinhando-se mais proximamente com a evolução real de falha dos espécimes.

Significância e Contribuições
O estudo fornece insights críticos sobre o comportamento estrutural de colunas longas compostas de tubo de liga de alumínio–concreto, um tópico anteriormente carente de investigação sistemática. Ao validar um modelo de elementos finitos refinado, os autores estabelecem uma ferramenta confiável para analisar os mecanismos de interação entre tubos de alumínio e concreto. O estudo paramétrico oferece orientação de projeto, destacando que o aumento da espessura do tubo e do tamanho da seção é uma estratégia mais eficaz para melhorar o desempenho do que o ajuste da resistência do concreto ou da esbeltez dentro de intervalos típicos.

Crucialmente, o artigo aborda a lacuna na avaliação de dano sísmico para estes materiais. Ao integrar o aprendizado de máquina para melhorar o modelo tradicional de Park–Ang, o estudo oferece um método mais robusto e baseado em dados para avaliar a evolução do dano sísmico. Esta abordagem supera as limitações de generalização dos modelos analíticos de forma fixa, proporcionando um framework mais preciso para o projeto sísmico e avaliação de segurança de estruturas compostas de liga de alumínio em aplicações de engenharia moderna e sustentável.