Comportamento à carga e à ruptura de juntas horizontais soldadas em estruturas de paredes de cisalhamento pré-fabricadas

Por que prédios pré-fabricados mais seguros importam

Cada vez mais edifícios são construídos a partir de grandes painéis de concreto fabricados em fábrica e montados rapidamente no local. Essa abordagem pode reduzir o tempo de construção, diminuir o desperdício e melhorar o controle de qualidade. Mas, em regiões sujeitas a terremotos, fica uma grande questão: quão bem as juntas metálicas que conectam esses pesados elementos de concreto resistem quando o solo treme? Este estudo examina de perto um tipo central de conexão soldada entre paredes e pisos em edifícios pré-fabricados para avaliar quão forte e tolerante a danos ela realmente é.

Como os edifícios modernos são montados

Em uma construção de concreto tradicional, paredes e lajes são moldadas como uma massa quase contínua, de modo que a estrutura se comporta como um único bloco. Edifícios pré-fabricados são diferentes: paredes e placas são produzidas em fábrica e depois unidas no local. Essas juntas tornam-se os “elos fracos” que determinam a segurança e os custos de reparo durante um terremoto. Engenheiros podem usar juntas "úmidas", adicionando concreto lançado no local, ou juntas "secas", que dependem de parafusos ou soldas. Juntas úmidas se comportam de modo mais próximo ao concreto monolítico, mas atrasam a construção. Juntas secas são mais rápidas e limpas, porém seu comportamento sob forte agitação não é tão bem compreendido, especialmente para juntas soldadas horizontais onde paredes encontram pisos.

Uma nova ligação soldada entre paredes e pisos

Os autores projetaram um sistema de junta soldada prático, pensado para construção real. Chapas de aço são incorporadas nas bordas dos painéis de parede e da laje numa fábrica. No local, uma chapa de ligação é soldada entre essas chapas embutidas, com barras de aço amarrando as chapas a vigas e pilares ocultos dentro do concreto. Isso cria uma “ponte” de aço escondida que transfere forças entre a parede superior, a laje e a parede inferior. Foram construídos dois espécimes em escala real: um representando uma parede externa conectada a uma laje de um lado, e outro representando uma parede interna ligada a lajes dos dois lados. Ambos foram montados em um quadro de ensaio e empurrados para frente e para trás para imitar os deslocamentos repetidos e lentos causados por fortes terremotos.

O que ocorreu quando a agitação foi simulada

Durante os ensaios, as juntas suportaram forças laterais de cerca de 330 quilonewtons — comparáveis ao peso de vários caminhões pequenos — antes de sua resistência começar a cair. Também permitiram deslocamentos superiores da ordem de 40–44 milímetros enquanto ainda mantinham grande parte da carga, indicando boa ductilidade, ou capacidade de deformar-se sem romper subitamente. Fissuras surgiram primeiro na parede inferior próxima às chapas soldadas, depois se espalharam diagonalmente, e eventualmente o concreto na face comprimida da parede esmagou-se enquanto as chapas e barras de aço próximas à junta escoaram. O padrão de ruptura foi uma mistura de cisalhamento lateral na junta e flambagem da parede — em vez de uma fratura frágil e instantânea. O espécime que representava paredes internas, com lajes em ambos os lados, mostrou rigidez e resistência ligeiramente maiores que a versão de parede externa, refletindo um caminho de forças mais equilibrado.

Investigando com testes virtuais

Para complementar os experimentos em laboratório, a equipe construiu um modelo computacional tridimensional detalhado usando o programa de simulação ABAQUS. Empregaram um modelo avançado de concreto capaz de capturar fissuração, esmagamento e perda de rigidez sob carregamentos repetidos, combinado com um comportamento simplificado mas realista do aço. Após calibrar o modelo, verificaram que as curvas força–deslocamento simuladas, os pontos de concentração de tensão e os padrões de fissura coincidiram razoavelmente com os ensaios: cargas de pico e de escoamento ficaram tipicamente dentro de 10–20% dos valores medidos. Com essa ferramenta validada, realizaram experimentos virtuais para ver como a alteração da carga vertical na parede (compressão axial) e da geometria da parede (relação de vão de cisalhamento) afetavam o desempenho. Maior compressão aumentou a resistência de pico, mas reduziu a capacidade de deformação além de certo ponto, enquanto paredes mais altas e esbeltas deslocaram o dano de dominância por cisalhamento para dominância por flexão e resistência menor.

O que isso significa para o projeto sísmico

Para não especialistas, a mensagem principal é que juntas soldadas bem detalhadas entre paredes e pisos pré-fabricados podem desempenhar-se de forma robusta sob carregamento semelhante ao sísmico. Essas juntas não agiram como emendas frágeis; ao contrário, suportaram grandes esforços, dissiparam energia por fissuração controlada e escoamento do aço, e falharam de maneira gradual e observável. O estudo também mostra que os projetistas precisam equilibrar a carga vertical e as proporções das paredes para evitar falhas por esmagamento por compressão excessiva e para preservar a ductilidade. Finalmente, o modelo computacional validado fornece uma ferramenta poderosa para refinar detalhes das juntas e explorar cenários mais extremos, ajudando engenheiros a projetar edifícios pré-fabricados que sejam ao mesmo tempo rápidos de construir e mais seguros quando o solo treme.

Citação: Xu, B., Xu, Y. & Zhang, Y. Load-bearing and failure behavior of welded horizontal joints in prefabricated shear wall structures. Sci Rep 16, 10262 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40936-2

Palavras-chave: concreto pré-fabricado, juntas sísmicas, conexões soldadas, paredes de cisalhamento, engenharia sísmica