Análise por elementos finitos de uma coluna construtiva no desempenho fora do plano de uma parede de alvenaria danificada em estrutura de aço

Por que essas paredes importam em terremotos

Quando um terremoto ocorre, as paredes de tijolo ou bloco que preenchem os vãos dentro das armações dos edifícios costumam ser as primeiras a sofrer danos. Essas paredes de “enchimento” geralmente são tratadas como divisórias não estruturais, mas, na prática, ajudam silenciosamente a manter os edifícios em pé. Este estudo explora uma maneira nova e mais simples de construir as pequenas colunas verticais embutidas nessas paredes e faz uma pergunta crucial: essa construção simplificada ainda protege a parede — e as pessoas dentro dela — quando o terremoto empurra a parede para fora do plano, como um livro caindo da prateleira?

Como paredes comuns se comportam quando o solo se move

Em muitos edifícios modernos, um esqueleto de armação de aço ou concreto é preenchido com paredes de alvenaria. Durante um terremoto, essas paredes interagem com a armação de maneiras complexas. Podem aumentar a rigidez de toda a estrutura e dissipar energia, mas também podem fissurar e falhar. Uma fraqueza crítica é a falha fora do plano, quando a parede dobra e protuberâncias se formam lateralmente e podem desabar para fora. Observações em terremotos anteriores mostraram que adicionar colunas verticais estreitas “construtivas” dentro da parede pode melhorar muito sua estabilidade. No entanto, o método usual — moldar essas colunas in loco com concreto — exige vários dias de trabalho, fôrmas e adensamento cuidadosos e frequentemente sofre problemas de qualidade.

Uma ideia de coluna mais simples dentro da parede

Para enfrentar esses obstáculos práticos, os autores estudam uma coluna construtiva fabricada que é montada juntamente com a parede em um único passo simplificado. Em vez de montar fôrmas e depois lançar e adensar o concreto separadamente, os construtores inserem blocos pré-moldados e armaduras enquanto assentam os tijolos e depois preenchem os vazios com argamassa fluida (grout). Essa abordagem reduz o período de construção de uma parede de três dias para um e corta o custo direto em cerca de 30%. Testes anteriores mostraram que essas colunas fabricadas são mais flexíveis que as tradicionais moldadas in loco, o que se alinha à ideia desejável de um quadro principal mais rígido e uma parede ligeiramente mais fraca: a armação principal permanece segura enquanto o dano se concentra no enchimento substituível.

Testes virtuais com modelos computacionais detalhados

Usando experimentos em escala real anteriores como referência, a equipe construiu três modelos computacionais de alta fidelidade de um pórtico de aço de um pavimento com uma parede de tijolos de enchimento: um sem coluna interna, um com coluna construtiva convencional moldada in loco e um com a nova versão fabricada. Eles modelaram cuidadosamente os tijolos, o revestimento de argamassa, a armação de aço, as barras de reforço e as superfícies de contato, e então simularam um carregamento cíclico no plano (deriva lateral) seguido por carregamento fora do plano que empurra a parede perpendicularmente à sua face. Essas simulações reproduziram características observadas em ensaios laboratoriais, incluindo a formação de fissuras diagonais, áreas da parede que se esmagam ou se separam e como a armação e a parede compartilham cargas, dando confiança de que os modelos capturam o comportamento real.

O que acontece quando as paredes são empurradas para fora do plano

Os resultados mostram que as colunas construtivas alteram substancialmente como a parede dobra e fissura sob carregamento fora do plano. Na parede sem coluna, a região central é fortemente empurrada para fora e as fissuras se espalham em um padrão em X, formando um único arco entre as colunas laterais. Quando uma coluna moldada in loco está presente, a parede efetivamente se torna dois painéis mais curtos, cada um formando seu próprio arco. Isso reduz a protuberância lateral no centro e desloca as fissuras para as bordas das colunas. A coluna fabricada produz comportamento semelhante de dois arcos, mas com dano mais concentrado nas juntas entre seus blocos pré-moldados, onde a argamassa é mais vulnerável. No geral, ambos os tipos de coluna limitam o deslocamento máximo fora do plano na região central da parede.

Quanto de resistência é ganha ou perdida

Os números das simulações destacam os trade-offs. Em comparação com a parede sem coluna interna, a coluna moldada in loco mais que dobra a capacidade de carga fora do plano, enquanto a coluna fabricada quase a dobra. Ambas também tornam a parede mais dúctil, permitindo deformações maiores antes da perda de resistência, e reduzem o quanto o dano no plano enfraquece o comportamento fora do plano. No entanto, a coluna muito rígida moldada in loco também atrai forças maiores durante a ação no plano, o que pode levar a danos localizados maiores quando a parede é posteriormente empurrada para fora do plano. A coluna fabricada, mais flexível, tem um efeito de reforço menor em valores absolutos, mas limita melhor o deslocamento e o dano fora do plano depois que a parede já rachou no plano.

O que isso significa para construções mais seguras e rápidas

Para não especialistas, a mensagem principal é direta: adicionar colunas verticais estreitas dentro de paredes de alvenaria as torna muito menos propensas a protuberar e cair para fora de uma armação durante ou após um terremoto, e uma versão fabricada inteligentemente pode alcançar grande parte dessa proteção com construção mais simples e mais barata. A coluna moldada in loco ainda fornece a maior resistência bruta, mas a nova coluna fabricada oferece um equilíbrio promissor entre segurança, ductilidade, velocidade de construção e custo. Como este estudo foca em pórticos de um pavimento e em um tipo de parede, são necessários mais trabalhos antes de aplicar as conclusões a edifícios altos ou a outros materiais de alvenaria. Mesmo assim, a pesquisa aponta para detalhes práticos e executáveis que podem ajudar paredes comuns a desempenhar silenciosamente um papel que salva vidas quando o solo começa a tremer.

Citação: Wang, Z., Luo, H., Lin, H. et al. Finite element analysis of a constructional column on the out-of-plane performance of the damaged steel frame-infilled wall. Sci Rep 16, 11177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39054-w

Palavras-chave: paredes de alvenaria de enchimento, engenharia sísmica, colunas construtivas, análise por elementos finitos, comportamento fora do plano