Supervisor na empresa: Engº Pedro Dantas (PerfilNorte Empresa de Perfilagem, S.A)

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1 Tema: Análise do Comportamento de perfis metálicos enformados a frio com secção em Ω. (Analysis on the behaviour of cold formed profiles with Ω cross section). Aluno: Alexandre José Serqueira Ferreira Número do Aluno: Orientadora: Maria Isabel Brito Valente Supervisor na empresa: Engº Pedro Dantas (PerfilNorte Empresa de Perfilagem, S.A) 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 Análise do Comportamento de perfis metálicos enformados a frio com secção em Ω. A dissertação será desenvolvida pelo aluno Alexandre José Serqueira Ferreira, Nº 68441, sob orientação científica da Doutora Maria Isabel Brito Valente, Professora Auxiliar do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho e supervisão do Engº Pedro Dantas na empresa PerfilNorte Empresa de Perfilagem, S.A. 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. O cada vez maior recurso a perfis enformados a frio deve-se essencialmente à sua elevada eficiência (relação entre resistência e peso), que apresentam vantagens estruturais e económicas, bem como a fácil adaptação das formas da secção a determinada aplicação devido à versatilidade dos processos de fabrico. 1

2 A estas propriedades inerentes ao material e à sua fabricação, acrescentou-se um aprofundamento substancial do estudo do comportamento destes elementos, quer a nível experimental quer com o recurso a ferramentas numéricas cada vez mais desenvolvidas, permitindo assim o desenvolvimento das normas existentes para dimensionamento e verificação de segurança. A dissertação que se pretende desenvolver procurará estabelecer metodologias de dimensionamento e verificação de segurança de perfis metálicos enformados a frio, com secção transversal em Ω. Para tal, irá recorrer-se a um estudo experimental e numérico destes elementos. No intuito de complementar o estudo já realizado, pretende-se também desenvolver ferramentas analíticas para o dimensionamento e verificação de segurança destes elementos estruturais metálicos. O trabalho será desenvolvido em colaboração com a PerfilNorte Empresa de Perfilagem, S.A., que propôs o desafio de avaliar o comportamento de uma nova gama de perfis metálicos com secção transversal em Ω. No âmbito deste trabalho, a empresa em causa fornecerá os provetes para os ensaios laboratoriais. 2. Objetivos A realização deste projeto comporta 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. Com base nestas metodologias, pretende-se desenvolver uma ferramenta de cálculo que possibilite realizar as operações de dimensionamento e segurança inerentes à utilização destes elementos quando apresentam função estrutural. Esta ferramenta deverá ser capaz de calcular a capacidade resistente do perfil para diferentes esforços atuantes, nomeadamente esforços de flexão, compressão e corte; Analisar e compreender o comportamento estrutural de um conjunto de perfis enformados a frio com secção transversal em Ω, quando solicitados a esforços de flexão. Para tal, recorrer-se-á a ensaios experimentais realizados em laboratório e modelos numéricos construídos com apoio de software baseado no método dos elementos finitos; Validar o comportamento dos perfis obtido nas diferentes abordagens desta dissertação, analítica, experimental 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 adequabilidade das normas existentes aos perfis testados, e elaborar tabelas de dimensionamento para a gama proposta de perfis enformados a frio. 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. Será também realizada uma campanha experimental que será concretizada no Laboratório de Estruturas de Engenharia Civil da Universidade do Minho (LEST-UM). A metodologia de trabalho, que servirá de orientação a todo o estudo a desenvolver, divide-se em oito 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 dos principais conceitos relacionados com o comportamento de elementos estruturais realizados a partir de secções metálicas enformadas a frio com secção transversal em Ω ou Π; 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. Realizar de ensaios experimentais, em perfis metálicos enformados a frio, com secção transversal em Ω. Serão efetuados ensaios de perfis enformados a frio sujeitos a esforços de flexão; 5. 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; 6. Construir modelos numéricos representativos, realizados a partir de software de cálculo que tem como base o Método dos Elementos Finitos (MEF); 7. Efetuar uma comparação entre os resultados obtidos nas diversas abordagens realizadas, via experimental, analítica e numérica, validando os resultados obtidos. Com base nesta análise dos resultados realizar-se-á a construção de tabelas de dimensionamento das secções estudadas; 8. Redigir do corpo da dissertação com base nos resultados e conclusões obtidas em cada um dos pontos anteriores. 3

4 4. Resultados Esperados A finalidade deste trabalho passa essencialmente por perceber como se comportam, estruturalmente, perfis enformados a frio com secção transversal em Ω, quando sujeitos a esforços de flexão, compressão ou corte. Com base neste trabalho, será possível a elaboração de tabelas de dimensionamento de perfis metálicos com as características definidas e as dimensões propostas. 5. Faseamento e Calendarização 5.1 Faseamento O trabalho a desenvolver será dividido em oito fases, distribuídas ao longo dos cinco meses previstos para a realização da dissertação: Fase I Fase II Fase III Fase IV Fase V Fase VI Fase VII 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; Realização de ensaios experimentais de perfis sujeitos a esforços de flexão e corte; Construção de modelos numéricos em correspondência com os perfis testados experimentalmente; Comparação entre os resultados obtidos por via analítica, numérica e experimental e construção de tabelas de dimensionamento; Fase VIII Redação da dissertação, fase transversal a todas as etapas de desenvolvimento do trabalho. 5.2 Calendarização A realização das diversas fases referidas no ponto anterior encontram-se calendarizadas 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. 4

5 06 Fev - 10 Fev 13 Fev - 17 Fev 20 Fev - 24 Fev 27 Fev 03 Mar 06 Mar 10 Mar 13 Mar 17 Mar 20 Mar 24 Mar 27 Mar 31 Mar 03 Abr 07 Abr 10 Abr 14 Abr 17 Abr 21 Abr 24 Abr 28 Abr 01 Mai 05 Mai 08 Mai 12 Mai 15 Mai 19 Mai 22 Mai 26 Mai 29 Mai 02 Jun 05 Jun 09 Jun 12 Jun 16 Jun 19 Jun 23 Jun 26 Jun 30 Jun 03 Jul 07 Jul O projeto tem início na segunda semana do mês de fevereiro, devendo estar concluído na primeira semana do mês de Julho. Semanas Fase I X X Fase II X X X Fase III X X X X X Fase IV X X X X X Fase V X X X X X Fase VI X X X X X X Fase VII X X X Fase VIII X X 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. 5

6 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. 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