Tema: Utilização de nervuras de rigidez em perfis metálicos enformados a frio de tipo Ω.

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1 Tema: Utilização de nervuras de rigidez em perfis metálicos enformados a frio de tipo Ω. (On the use of stiffeners in cold formed profiles with Ω cross section). Aluno: Carlos dos Santos da Cruz Número do Aluno: Orientadora: Maria Isabel Brito Valente 1. Introdução A presente proposta de trabalhos refere-se à Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil, do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, subordinada ao tema Utilização de nervuras de rigidez em perfis metálicos enformados a frio de tipo Ω.. A dissertação será desenvolvida pelo aluno Carlos dos Santos da Cruz, Nº 66342, sob orientação científica da Doutora Maria Isabel Brito Valente, Professora Auxiliar do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho. Em diversas áreas da construção, tem havido um intenso crescimento na utilização de perfis enformados a frio, especialmente por estes apresentarem algumas vantagens em relação a outros materiais e soluções estruturais tradicionalmente utilizados. Os perfis são elaborados a partir de chapas metálicas de espessura reduzida, usualmente já tratadas através de um processo de galvanização. Estas chapas são moldadas, à temperatura ambiente, de forma a atingir a secção desejada. É possível moldar chapas num vasto número de secções, possibilitando assim a sua fácil adaptação a utilizações específicas. Os perfis enformados a frio apresentam uma espessura constante que é significativamente inferior à de outros perfis metálicos comuns, como os laminados a quente ou os perfis reconstituídos soldados. Esta característica garante-lhe um peso bastante reduzido, levando a que a relação entre este e a resistência seja elevada. A utilização de chapas com pequenas espessuras, usualmente entre os 0,5 e os 5 milímetros, acarreta um risco de instabilidade acrescido devido à elevada esbelteza destes elementos. Para além dos perfis apresentarem paredes esbeltas, grande parte das soluções apresentam secção aberta e não existe simetria na secção transversal, caracterizando-se assim por uma baixa rigidez à torção. Assim, nos perfis enformados a frio, o risco de instabilidade é acrescido, podendo ter origem local (local de placa e distorcional), global (por flexão, flexão-torção e torção) ou na interação entre modos de instabilidade destas duas naturezas. As secções transversais dos perfis enformados a frio apresentam diversas configurações geométricas, podendo ser agrupadas da seguinte forma: e seções abertas simples (Figura 1.1), seções abertas compostas (Figura 1.2) e seções fechadas compostas (Figura 1.3). 1

2 Apesar da grande variedade de secções transversais disponíveis no mercado e da possibilidade de adaptação e otimização de uma secção especifica para cumprir os requisitos de determinada aplicação, as secções transversais mais utilizadas têm sido as seguintes: Z, C e Ómega (Ω). Estas secções abertas simples possibilitam uma pré-fabricação em grande escala, rapidez de montagem e desmontagem, facilidade de manutenção e um melhor aproveitamento do espaço de armazenamento e transporte. As secções em C e Z permitem obter parâmetros geométricos com valores elevados em torno do eixo de maior inércia, mas são mais suscetíveis de sofrer fenómenos de instabilidade do que as secções em Ω, que são mais estáveis comparativamente as outras duas secções. As secções ómega (Ω) são habitualmente utilizadas no suporte de coberturas e no suporte do revestimento de paredes/fachadas, podendo ser usadas em naves industriais, edifícios ou em estruturas do tipo Light Steel Framing. Para aumentar a eficácia e a secção efetiva das secções em Ω, diminuindo os efeitos de instabilidade local, é possível colocar nervuras de rigidez, que são dispostas em zonas específicas da secção transversal, (Figura 1.4). Deste modo, a presente dissertação pretende avaliar a eficácia destes elementos quando são colocados nas almas e nos banzos de perfis metálicos de tipo Ω enformados a frio e estabelecer metodologias de dimensionamento e verificação de segurança que considerem o seu contributo para a capacidade resistente da secção transversal. Para tal, far-se-á uma abordagem analítica e numérica a estes elementos estruturais. 2. Objetivos A realização deste projeto visa a obtenção dos seguintes objetivos: A partir de regulamentos vigentes, como a parte 1-3 da norma EN 1993 e outra bibliografia especializada, descrever os procedimentos correntemente utilizados no dimensionamento e verificação de segurança de perfis enformados a frio com secção transversal de tipo Ω, nos quais se adicionam nervuras de rigidez. Com base nas metodologias referidas, desenvolver ferramentas de cálculo que possibilitem realizar as operações de dimensionamento e verificação de segurança inerentes à utilização estrutural destes elementos. Estas ferramentas deverão ser capazes de avaliar a capacidade resistente dos perfis para diferentes esforços atuantes, nomeadamente esforços de flexão, compressão e corte; Validar o comportamento dos perfis obtido nas diferentes abordagens desta dissertação, analítica e numérica, possibilitando assim a caracterização adequada e correta da resposta destes elementos quando submetidos às solicitações referidas; Com base nos resultados obtidos, tecer conclusões sobre a influência da inclusão de nervuras de rigidez. 2

3 3. Metodologia Para a realização do presente trabalho são necessários alguns meios que estão à partida assegurados, nomeadamente bibliografia relacionada com o tema, computador pessoal e software para análise numérica do comportamento estrutural dos perfis. A metodologia de trabalho, que servirá de orientação a todo o estudo a desenvolver, divide-se em sete tarefas principais, que se apresentam de seguida: 1. Recolher bibliografia relativa ao tema da dissertação, designadamente relativa a trabalhos publicados em livros, artigos de jornais ou revistas, registos referentes a congressos, nacionais e internacionais, bem como outros trabalhos desenvolvidos em ambiente académico como dissertações de mestrado ou doutoramento; 2. Descrever os principais conceitos relacionados com o comportamento de elementos estruturais realizados a partir de secções metálicas enformadas a frio com secção transversal em Ω e inclusão de reforços; 3. Apresentar os procedimentos estipulados na bibliografia mais relevante e difundida, como a parte 1-3 da EN 1993, relativos ao dimensionamento e verificação de segurança de elementos estruturais constituídos por secções metálicas enformadas a frio; 4. Com base nos procedimentos referidos no ponto 3, elaborar uma ferramenta de cálculo capaz de verificar a segurança de perfis enformados a frio com secção transversal em Ω, quando submetidos a esforços de flexão, compressão ou corte. Para além destas verificações de segurança, a ferramenta deve ter capacidade para quantificar as características mecânicas das várias secções transversais, considerando 3 situações: a totalidade da secção transversal, a secção transversal efetiva em ELU e a secção transversal efetiva em ELS; 5. Construir modelos numéricos representativos, realizados a partir de software de cálculo que tem como base o Método dos Elementos Finitos (MEF); 6. Efetuar uma comparação entre os resultados obtidos nas abordagens analítica e numérica; 7. Redigir o corpo da dissertação com base nos resultados e conclusões obtidas em cada um dos pontos anteriores. 4. Resultados Esperados A finalidade deste trabalho passa essencialmente por perceber como se comportam, estruturalmente, perfis enformados a frio com secção transversal em Ω com inclusão de nervuras de rigidez, quando sujeitos a esforços de flexão, compressão ou corte. Com base neste trabalho, será possível elaborar tabelas de dimensionamento de perfis metálicos com as características e dimensões propostas. 3

4 5. Faseamento e Calendarização 5.1 Faseamento O trabalho a desenvolver será dividido em sete fases, distribuídas ao longo dos cinco meses previstos para a realização da dissertação: Fase I Fase II Fase III Fase IV Revisão Bibliográfica em torno dos fenómenos relativos ao comportamento dos perfis enformados a frio; Descrição geral de conceitos relacionados com esta temática, com especial destaque para o comportamento estrutural de elementos realizados a partir de secções metálicas enformadas a frio, com secção transversal em Ω já apresentado por outros autores; Abordagem às metodologias de dimensionamento e verificação de segurança de perfis enformados a frio com secção transversal em Ω com base nos regulamentos e outra bibliografia relevante; Construção de uma ferramenta de cálculo dirigida para a verificação da segurança de perfis enformados a frio com secção transversal em Ω, com inclusão de nervuras de rigidez; Fase V Desenvolvimento de modelos numéricos representativos dos elementos estruturais em estudo; Fase VI Comparação entre os resultados obtidos por via analítica e numérica; Fase VII Redação da dissertação, de forma transversal a todas as etapas de desenvolvimento do trabalho. 5.2 Calendarização A realização das diversas fases referidas no ponto anterior encontra-se calendarizada no quadro seguinte. Para o enquadramento das fases no tempo disponível, definiu-se a semana como unidade temporal, atribuindo a cada tarefa um tempo adequado à sua realização, de acordo coma dificuldade e extensão de trabalho envolvido. Naturalmente, existem fases que podem ser efetuadas em simultâneo, daí a existência de algumas sobreposições temporais. O projeto tem início na primeira semana do mês de março, devendo estar concluído na segunda semana do mês de julho. 4

5 05 Mar 09 Mar 12 Mar 16 Mar 19 Mar 23 Mar 26 Mar 30 Mar 02 Abr 06 Abr 09 Abr 13 Abr 16 Abr 20 Abr 23 Abr 27 Abr 30 Abr 0 Mai 07 Mai 11 Mai 14 Mai 18 Mai 21 Mai 25 Mai 28 Mai 01 Jun 04 Jun 08 Jun 11 Jun 15 Jun 18 Jun 22 Jun 25 Jun 29 Jun 02 Jul 06 Jul 02 Jul 06 Jul 09 Jul 13 Jul Semanas Fase I X X Fase II X X X Fase III X X X Fase IV X X X X X X X X X X Fase V X X X X X X X Fase VI X X X X Fase VII X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 6. Bibliografia AISI S (2007).North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members.American Iron and Steel Institute, Washington D. C., USA. Allen, D. (Novembro de 2006). History of Cold Formed Steel. Structure magazine, pp Camotim, D., Silvestre, N., & Dinis, P. B. (2005). Numerical Analysis of Cold-Formed Steel Members. Steel Structures 5, (pp ). Davies, J. M. (2000). Recent Research advances in Cold-Formed Steel Structures. Journal of Constructional Steel Research 55, (pp ). EN (2006). Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 1-3: General rules Supplementary rules for cold-formed members and sheeting. CEN, European Committee for standardization, Brussels, Belgium. Landolfo, R., Mazzolani, F. M., & Fiorino, L. (2004). Cold-formed Steel Structures: Advances in Research and Design.Proc. of International Colloquium on Recent Advances and New Trens in Structural Design, (pp ). Timisoara. Lawson, R. M., Chung, K. F., & Popo-Ola, S. O. (2002). Structural Design to BS :1998 Section Properties and Load Tables. The Steel Construction Institute. England. Macdonald, M., Heiyantuduwa, M., & Harrison, D. K. (2008). Cold Forming Techniques for the Manufacture of Steel Structural Sections. School of Engineering & Computing, Glasgow Caledonian University, Glasgow. 5

6 Pinto, A. E. (2010). Estabilidade Local de Perfis de Aço Enformados a Frio. (Dissertação de Mestrado). Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa. Prola, L. C. (2001). Estabilidade Local e Global de Elementos Estruturais de Aço Enformados a Frio. (Dissertação de Douturamento). Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa. Schafer, B. W., & Peköz, T. (1999). Local and Distortional Buckling of Cold-Formed Steel Members with Edge Stiffened Flanges.Proceedings of the Fourth International Conference on Steel and Aluminum.Finland. Silvestre, N., & Camotim, D. (2006). Análise e Dimensionamento de Estruturas de Aço Enformadas a Frio. Departamento de Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa. Verissimo, H. (2008). Dimensionamento de Elementos Estruturais de Aço Enformados a Frio de acordo com o Eurocódigo 3. (Dissertação de Mestrado). Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa. Winter, G., & Karren, K. W. (1965). Effects of Cold-Forming on Light-Gage Steel Members. Department of Structural Engineering, Cornell University, New York. Yu, W. W. (2000). Cold Formed Steel Design (3ª ed.). New York: John Wiley & Sons. Martins, V. (2012). Análise do comportamento de perfis metálicos enformados a frio com secção transversal em C e aberturas na alma, Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia, Universidade do Minho. Gonçalves, J. (2013). Análise do comportamento de perfis metálicos enformados a frio com secção transversal em C e em Z : consideração de aberturas na alma e tipo de esforço atuante, Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia, Universidade do Minho. Baptista, A. (2014). Verificação de Segurança de Perfis de Aço Enformado a Frio com Secção em C, Dissertação de Mestrado, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa. 6

7 Figuras e Tabelas Figura 1 - Secções simples abertas Figura 2 Secções abertas compostas Figura 3 - Secções fechadas compostas Figura 1.4 Secção transversal reforçada com nervuras de rigidez 7

8 O Aluno, O Orientador, 8