Avaliação de desempenho e análise codal de pilares CFST de núcleo maciço e dupla carcaça com diferentes configurações de aço

Pilares de edifícios mais resistentes para cidades mais seguras

As cidades modernas dependem de edifí­cios altos, pontes e torres que precisam suportar com segurança enormes cargas verticais e resistir a terremotos ou impactos. Os engenheiros buscam constantemente projetos de pilares que não só sejam mais resistentes, mas também mais dúcteis — isto é, capazes de dobrar e deformar sem colapsar subitamente. Este estudo examina um novo tipo de pilar compósito feito de tubos de aço preenchidos com concreto, organizados em uma “carcaça” dupla ao redor de um núcleo maciço de concreto. Ao comparar várias formas e configurações, os pesquisadores mostram como pequenas mudanças na geometria podem levar a grandes ganhos em resistência, estabilidade e resiliência.

Como são esses novos pilares compósitos

Os pilares estudados aqui pertencem a uma família chamada concrete-filled steel tubes (tubos de aço preenchidos com concreto), em que um tubo de aço oco é preenchido com concreto de modo que ambos os materiais trabalhem em conjunto. A equipe concentrou-se em uma variante mais recente: pilares de dupla carcaça com núcleo maciço. Nesses, há um tubo de aço externo e um segundo tubo interno, com todo o espaço entre e dentro preenchido por concreto — sem vazios. Os tubos podem ser quadrados ou circulares, e combiná-los de diferentes maneiras (quadrado–quadrado, circular–circular ou misto) altera o comportamento do pilar sob carga. Cada pilar de ensaio era curto e atarracado, cerca de 41 centímetros de altura, uma escala que destaca como a seção transversal e a disposição dos materiais controlam a forma como as forças se distribuem pelo elemento.

Como os experimentos foram realizados

Oito diferentes corpos de prova foram construídos usando concreto convencional e tubos de aço de parede fina. Alguns tinham apenas tubos de aço sem concreto, outros apresentavam um único tubo preenchido com concreto, e outros utilizavam o novo arranjo de dupla carcaça e núcleo maciço com tubo interno e externo. Após a concretagem e cura, cada corpo de prova foi colocado em uma grande máquina de ensaio e comprimido axialmente — ao longo do comprimento — até atingir sua capacidade e sofrer deformação significativa. Durante a aplicação da carga, os pesquisadores mediram quanto os pilares se encurtaram, qual foi sua rigidez inicial e quanta deformação adicional puderam tolerar após atingir a resistência máxima. Eles também registraram cuidadosamente como e onde o aço entrou em flambagem e como o concreto esmagou.

Por que tubos externos circulares vencem a disputa de resistência

Os resultados mostraram um padrão claro: pilares circulares foram, em geral, mais resistentes e mais dúcteis do que os quadrados. Um tubo de aço circular distribui a tensão de forma mais uniforme ao longo do perímetro, o que ajuda a confinar o concreto interno e retarda a flambagem local do aço. Por exemplo, um tubo circular oco suportou muito mais carga do que um tubo quadrado oco, e um tubo circular preenchido com concreto teve desempenho notavelmente superior ao equivalente quadrado preenchido com concreto. A vantagem ficou ainda mais pronunciada nos pilares de dupla carcaça. Configurações com tubo externo circular, mesmo quando usavam menos aço, suportaram cargas maiores e se deformaram de maneira mais favorável do que aquelas com tubos externos quadrados. A falha envolveu expansão radial relativamente uniforme e esmagamento gradual do núcleo, em vez de dobras agudas, alargamentos tipo “pé de elefante” ou flambagem local súbita.

O que dupla carcaça e núcleo maciço acrescentam

Adicionar um segundo tubo de aço interno e um núcleo maciço de concreto aumentou significativamente o desempenho em relação aos pilares de carcaça única. Os melhores espécimes de dupla carcaça foram cerca de 56 por cento mais resistentes do que seus equivalentes de carcaça única feitos com materiais semelhantes. O tubo interno ajuda a restringir o concreto e a suportar o tubo externo internamente, enquanto o núcleo maciço de concreto evita zonas fracas e assegura que a carga seja transferida de forma suave por toda a seção. Em alguns casos, configurações circulares de dupla carcaça alcançaram quase o dobro da resistência prevista por regras de projeto comuns, mostrando que os códigos atuais são conservadores para esses arranjos avançados. Para explorar isso de forma mais sistemática, os autores treinaram uma rede neural artificial simples usando dados geométricos e de materiais para prever a resistência do pilar, e ela correspondeu muito bem aos resultados de ensaio, sugerindo uma ferramenta de projeto promissora conforme mais dados fiquem disponíveis.

O que isso significa para os edifícios do futuro

Para o leitor não especialista, a mensagem principal é direta: ao escolher com cuidado a forma e a estratificação de tubos de aço e concreto, os engenheiros podem criar pilares muito mais resistentes e tolerantes do que os projetos tradicionais. Pilares de núcleo maciço e dupla carcaça com tubo externo circular, em particular, combinam alta resistência, rigidez e ductilidade, tornando-os atraentes para edifícios altos, regiões sísmicas e estruturas que precisam absorver impactos sem falha catastrófica. Embora os códigos de projeto atuais subestimem sua capacidade e sejam necessários mais ensaios, este trabalho aponta um caminho claro rumo a suportes estruturais mais esbeltos, seguros e eficientes no ambiente construído do futuro.

Citação: Neelamegam, P., Kanchidurai, S., Ganga, V. et al. Performance evaluation and codal assessment of double-skinned solid-core CFST columns with varying steel configurations. Sci Rep 16, 14477 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45278-7

Palavras-chave: tubos de aço preenchidos com concreto, pilares de dupla carcaça, resistência estrutural, projeto sísmico, materiais de construção