Figura 5.1: Diversas Seções com dimensões em milímetros (a espessura da chapa em (e) é de 9, 4mm).

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1 5 xercícios de Compressão 5.1 Resolvidos x Comparação entre seções comprimidas A figura desse problema mostra diversas formas de seção transversal com a mesma área (A g 41, 2cm 2 ). Admitindo o comprimento de flambagem KL b 3, 50m nos dois planos de flambagem, compare a eficiência das seções em hastes submetidas à compressão, sendo o aço MR-250. Figura 5.1: Diversas Seções com dimensões em milímetros (a espessura da chapa em (e) é de 9, 4mm). Solução: Montar uma tabela com os valores relativos inércia mínima de cada perfil I min, calcular o valor do comprimento de flambagem KL b e do índice de esbeltez KL b r min, calcular os valores dos coeficientes Q e χ e determinar o fator de eficiência (sse fator mede o quanto a peça comprimida está longe de atingir a plastificação total da seção transversal e por consequência, utilizar a resistência total da peça), que vale 23

2 Prof. Marco André Argenta struturas Metálicas F χq 1, 0. Caso esse fator for igual a 1,0, significa que a peça atinge a resistência total, caso seja inferior a 1,0, a peça falha por flambagem antes de atingir a resistência total. É possível observar que: Caso a b c d e f g I min [cm 4 ] 1893,9 1538,1 126,2 133,5 3,0 692,6 270,0 r min [cm] 6,78 6,11 1,75 1,80 0,27 4,10 2,56 KL b r min 51,6 57, ,4 136,7 λ e 31,7 23, ,9 7,2 λ e,lim 88 42, ,7 12,7 Q 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,75 1,0 N e,max [kn] 3051,8 2478,4 203,4 215,1 4,8 1116,0 435,1 λ 0 0,58 0,64 2,25 2,19 14,65 0,83 1,54 χ 0,87 0,84 0,18 0,18 0,0041 0,75 0,37 F S 0,87 0,84 0,18 0,18 0,0041 0,56 0,37 1- Os perfis de maior eficiência são os das seções (a) e (b), especialmente por possuírem os maiores raios de giração. Mais detalhadamente, isto ocorre porque F desses elementos é maior que dos outros. 2- A seção (c) tem índice de esbeltez igual ao limite de 200 estabelecido pela norma NBR A seção (e) apresenta esbeltez tão elevada que seu emprego como peça comprimida torna-se inviável. 4- A seção (f) é composta de chapas esbeltas, valor esse maior que o limite, indicando que há flambagem local. A tensão resistente, então, foi reduzida também pelo coeficiente Q. 5- O perfil (g) é uma cantoneira como o perfil (f), mas não há flambagem local Q 1, 0. No entanto, mesmo parecendo ser mais rígida, pelo fato da maior espessura, é menos eficiente que a cantoneira (f), isso fica claro no raio de giração menor e na esbeltez λ 0 maior. x Resistência compressão perfil W Determinar a resistência de cálculo à compressão do perfil W150x37,1kg/m de aço MR-250 (ASTM A36) com comprimento de 3m, sabendo-se que suas extremidades são rotuladas com rotação impedida no eixo longitudinal e que há contenção lateral impedindo a flambagem em torno do eixo y-y. Ainda, comparar o resultado obtido com o resultado de uma peça sem contenção lateral, ou seja, podendo flambar em torno dos eixos x-x e y-y. Assumir A g 47, 8cm 2, 6, 85cm, r y 3, 84cm, t w 8, 1mm, t f 11, 6mm, h 162mm, h 0 139mm, b f 154mm I x 2244cm 4, I y 707cm 4, J 20, 58cm 4 e C w 39930cm 6. Capítulo 5. xercícios de Compressão 24

3 struturas Metálicas Prof. Marco André Argenta Figura 5.2: Perfil I. Solução: Será calculada a resistência de cálculo à compressão para quando há contenção lateral contínua em torno do eixo y-y. Devido à esta contenção, a peça pode apenas flambar em torno do eixo x-x, sendo assim começa-se calculando o índice de esbeltez da seção em torno do eixo x-x (lembrando que para o caso de ambas as extremidades serem rotuladas tem-se K 1, 0). KL b,x 200 1, 0 3m 0, 0685m 43, OK! O próximo passo é calcular os valores dos fatores de redução de flambagem local Q a, Q s e Q. Os cálculos são apresentados a seguir na ordem indicada: AA λ e b t h 0 tw 139mm 8, 1mm 17, MP a AA(Grupo2) λ e,lim 1, 49 1, 49 f y 250MP a AA λ e < λ e,lim Q a 1, 0 154mm 2 AL λ e b b f t 2 t f 11, 6mm 6, MP a AL(Grupo4) λ e,lim 0, 56 0, 56 f y 250MP a AL λ e < λ e,lim Q s 1, 0 42, , 839 Q Q a Q s 1, 0 1, 0 1, 0 Na sequência, determina-se o fator de redução associado à flambagem global χ e seus respectivos parâmetros (lembrando novamente que a flambagem em torno do eixo y-y está impedida): N ex π2 I x (K x L x ) 2 π2 (20000kN/cm 2 ) 2244cm 4 (1, 0 300cm) , 64kN N ez não precisa ser calculado pelo fato de existir contenção lateral contínua em y-y. QA g f y 1, 0 47, 8cm λ 0 2 (25kN/cm 2 ) 0, 4927 N e 4921, 64kN λ 0 1, 5 χ 0, 658 λ2 0 0, 658 0, , 9034 Com estes valores pode-se então determinar a resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χqa gf y 0, , 8cm2 (25kN/cm 2 ) 981, 42kN Capítulo 5. xercícios de Compressão 25

4 Prof. Marco André Argenta struturas Metálicas Na sequência, deve-se fazer o mesmo cálculo para o caso onde não há nenhuma contenção lateral. Primeiramente calcula-se o índice de esbeltez da seção em torno do eixo y-y (ambas as extremidades continuam sendo rotuladas, portanto tem-se K 1, 0): KL b,y r y 200 1, 0 3m 0, 0384m 78, OK! É evidente que os valores de Q continuam os mesmos, mas deve-se agora checar N ey e N ez para ver qual é o valor crítico: N ez 1 r 2 0 N ey [ π 2 ] C w (K z L z ) 2 + GJ π2 I y (K y L y ) 2 π2 (20000) 707 (1, 0 300) , 62kN [ 1 π 2 ] (20000) (6, , 84 2 ) (1, 0 300) , , 71kN Como N ey < N ex < N ez, N ey é o crítico, devendo-se então recalcular o valor do fator de redução associado à flambagem global χ e seus respectivos parâmetros: QA g f y 1, 0 47, 8 (25) λ 0 0, 8779 N e 1550, 62 λ 0 1, 5 χ 0, 658 λ2 0 0, 658 0, , 7243 Assim, finalmente, calcula-se o valor da resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χqa gf y 0, , 8 (25) 786, 85kN É possível ver que houve um redução de aproximadamente 20% quando compara-se o segundo caso com o primeiro devido à diferença nos valores de raios de giração em torno dos eixos x-x e y-y. x Poste com perfil W Calcular o esforço normal resistente no mesmo perfil do problema?? (caso sem contenção lateral), considerando-o engastado numa extremidade e livre na outra. Comparar o resultado com o da mesma peça engastada em uma extremidade e rotulada na outra (empenamento livre). Solução: Primeiro, o cálculo para o caso engastado-livre. Começa-se calculando o índice de esbeltez da seção (lembrando que para o caso engastado-livre tem-se K recomendado 2, 1). KL b,x KL b,y r y 2, 1 3m , OK! 0, 0685m 2, 1 3m , OK! 0, 0384m Os valores de Q continuam os mesmos do exercício anterior(q 1, 0), então iremos diretamente para o cálculo de χ e seus parâmetros: N ez 1 r 2 0 N ex N ey [ π 2 ] C w (K z L z ) 2 + GJ π2 I x (K x L x ) 2 π2 (2000) 2244 (2, 1 300) , 02kN π2 I y (K y L y ) 2 π2 (20000) (6, , 84 2 ) (2, 1 300) 2 351, 61kN [ π 2 ] (20000) (2, 0 300) , , 6kN Capítulo 5. xercícios de Compressão 26

5 struturas Metálicas Prof. Marco André Argenta Portanto, o caso crítico é para N ey, como já esperado, uma vez que ele possui o menor valor de raio de giração. QA g f y 1, 0 47, 8 (25) λ 0 1, 8435 N e 351, 61 0, 877 0, 877 λ 0 > 1, 5 χ λ 2 0, , Assim, calcula-se então o valor da resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χqa gf y 0, , , 04kN Na sequência, o mesmo cálculo é feito para o caso engastado-rotulado (K recomendado 0, 8). KL b,x KL b,y r y , 8 3m 0, 0685m 0, 8 3m 0, 0384m 35, OK! 62, OK! Os valores de Q, novamente, continuam os mesmos do exercício anterior(q 1, 0), então iremos diretamente para o cálculo de χ e seus parâmetros: N ex N ey π2 I x (K x L x ) 2 π2 (20000) 2244m 4 (0, 8 300) , 07kN π2 I y (K y L y ) 2 π2 (20000) 707m 4 (0, 8 300) , 85kN A questão agora é determinar o valor de K z para o caso onde uma das extremidades possui rotação e empenamento restringidos (engaste) e a outra rotação impedida e empenamento livre (apoio simples), caso não previsto pela norma. Sendo conservador, indo a favor da segurança, pode-se adotar o valor de K z 2, 0, pois quando menor for a força elástica de flambagem maior será o índice de esbeltez reduzido resultante e, portanto, menor o valor de χ. N ez 1 r 2 0 [ π 2 ] C w (K z L z ) 2 + GJ [ 1 π 2 ] (20000) (6, , 84 2 ) (2, 0 300) , , 6kN Portanto, o caso crítico é para N ey, como já esperado, uma vez que ele possui o menor valor de raio de giração. QA g f y 1, 0 0, 00478m λ 0 2 ( P a) N e 2422, , 7023 N λ 0 1, 5 χ 0, 658 λ2 0 0, 658 0, , 8135 Assim, calcula-se então o valor da resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χqa gf y 0, , 0 47, 8 (25) 883, 76kN Resumindo-se os quatro casos apresentados nos exercícios e é possível observar a grande influência das condições de apoio e da existência de contenções laterais na resistência à compressão: rotulado-rotulado (com contenção em y-y) N c,rd 981, 42kN rotulado-rotulado (sem contenção) N c,rd 786, 85kN engastado-livre (sem contenção) N c,rd 280, 04kN engastado-rotulado (sem contenção) N c,rd 883, 76kN Capítulo 5. xercícios de Compressão 27

6 Prof. Marco André Argenta struturas Metálicas x Perfil composto com perfis H Calcular o esforço resistente de projeto à compressão em dois perfis H200x41,7kg/m sem ligação entre si e comparar o resultado com o obtido para os perfis ligados por solda longitudinal. Considerar uma peça de 4m, rotulada nos dois planos de flambagem nas duas extremidades, aço MR-250 (ASTM A36), A g 53, 5cm 2, 8, 77cm, r y 4, 10, t w 7, 2mm, t f 11, 8mm, h 181mm, d 157mm, b f 166mm I x 4114cm 4, I y 901cm 4, J 23, 19cm 4 e C w 83948cm 6. Solução: Figura 5.3: Perfil Composto. Para os perfis separados começa-se calculando o índice de esbeltez da seção (lembrando que para o caso rotulado-rotulado tem-se K recomendado 1, 0). KL b,x 1, , OK! 8, 77 KL b,y 1, , OK! r y 4, 10 O próximo passo é calcular os valores dos fatores de redução de flambagem local Q a, Q s e Q. Os cálculos são apresentados a seguir na ordem indicada: AA λ e b t d tw , 81 7, AA(Grupo2) λ e,lim 1, 49 1, 49 f y 25 AA λ e < λ e,lim Q a 1, 0 42, 144 AL λ e b t b f 2 t f AL(Grupo4) λ e,lim 0, f y 0, 56 7, 03 11, MP a AL λ e < λ e,lim Q s 1, 0 250MP a 15, 839 Capítulo 5. xercícios de Compressão 28

7 struturas Metálicas Prof. Marco André Argenta Q Q a Q s 1, 0 1, 0 1, 0 Na sequência, determina-se o fator de redução associado à flambagem global χ e seus respectivos parâmetros: N ez 1 r 2 0 N ex N ey [ π 2 ] C w (K z L z ) 2 + GJ π2 I x (K x L x ) 2 π2 (20000) 4114 (1, 0 400) , 44kN π2 I y (K y L y ) 2 π2 (20000) 901 (1, 0 400) , 56kN [ 1 π 2 ] (20000) (8, , 10 2 ) (1, 0 400) , , 26kN Portanto, o caso crítico é para N ey, como já esperado, uma vez que ele possui o menor valor de raio de giração. λ 0 QA g f y 1, 0 53, , 2 N e 1111, 56 λ 0 1, 5 χ 0, 658 λ2 0 0, 658 1,2 2 0, 42 Assim, calcula-se então o valor da resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χqa gf y 0, 42 53, 5 (25) 510, 68kN Mas, como ambos estão trabalhando juntos, mesmo que não estejam soldados, dobra-se o valor encontrado, sendo portanto: N c,rd final 2 510, 68kN 1021, 36kN Agora, os cálculos para o caso dos perfis ligados por solda será apresentado. O primeiro passo é determinar o eixo com menor raio de giração (o qual terá, obrigatoriamente, o menor momento de inércia) para este novo perfil composto de dois pefis H soldados. Para o eixo x-x, tem-se que o momento de inércia do conjunto é o dobro do momento de inércia de um perfil em relação ao mesmo eixo. Analogamente, a área do conjunto também é o dobro da área de apenas um perfil. Sendo assim, o valor do raio de giração em torno do eixo x-x do conjunto é o mesmo do perfil isolado, ou seja: A g novo 2A g0 2 53, 5cm 2 107, 0cm 2 I x novo 2I x cm cm 4 I x novo 2I x novo 8, 77cm A g novo 2A g0 107 Já para o eixo y-y, o momento de inércia do perfil composto se obtém a partir do teorema dos eixos paralelos, como segue: I y novo 2[I y0 + A g ( b f 2 )2 ] 2[901cm , 5cm 2 16, 6cm ( ) 2 ] 9173, 23cm 4 2 r y novo I y novo A g novo I y novo 2A g0 9173, 23cm 4 9, 26cm 2 53, 5cm2 Destacando que a distância entre o novo centro de gravidade do perfil composto e o centro de gravidade de um perfil isolado é de b f /2. Capítulo 5. xercícios de Compressão 29

8 Prof. Marco André Argenta struturas Metálicas Determina-se então o índice de esbeltez da seção (lembrando que para o caso rotulado-rotulado tem-se K recomendado 1, 0). KL b,x 1, , OK! 8, 77 KL b,y 1, , OK! r y 9, 26 Deve-se então reavaliar os valores dos fatores de redução de flambagem local Q a, Q s e Q. Com esta nova configuração, as flanges externas continuarão sendo elementos AL, como já havia sido calculado (Q s 1, 0) e as almas também continuarão sendo elementos AA análogo ao que já havia sido calculado (Q a 1, 0), mas as flanges internas que estão soldadas formam agora um novo elemento único AA que deve ser calculado (o qual será assumindo como sendo parte de uma seção caixão soldada - grupo 2). Os cálculos são mostrados a seguir: AA novo λ e b t b f t w 166mm 7, 2mm 13, 46 t f 11, 8mm MP a AA novo (Grupo2) λ e,lim 1, 49 1, 49 42, 144 f y 250MP a AA novo λ e < λ e,lim Q a 1, 0 Q Q a Q s 1, 0 1, 0 1, 0 Na sequência, determina-se o fator de redução associado à flambagem global χ e seus respectivos parâmetros: N ex π2 I x novo (K x L x ) 2 π (1, 0 400) , 89kN N ey π2 I y novo (K y L y ) 2 π , 23 (1, 0 400) , 02kN m perfis compostos, pelo fato da inércia torcional ser muito elevada, N ez não precisa ser calculado pois sempre será um valor maior que as demais forças axiais elásticas de flambagem. Portanto, o caso crítico é para N ex, como já esperado, uma vez que ele possui o menor valor de raio de giração. QA g f y 1, 0 53, 5 25 λ 0 0, 344 N ex 11317, 02 λ 0 1, 5 χ 0, 658 λ2 0 0, 658 0, , 952 Assim, calcula-se então o valor da resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χq2a gf y 0, 952 1, , , 09kN Como pode ser visto, quando os perfis estão soldados o esforço resistente de projeto à compressão (N c,rd 2315, 09kN) é praticamente 44% maior que para o caso dos dois perfis isolados (N c,rd 1021, 36kN). x Resistência perfil W diferentes aços Calcular a resistência de projeto à compressão com flambagem para o perfil W310x21,0kg/m com um comprimento de flambagem de 3m nos dois planos de flambagem. Verificar se o perfil de aço AR-350 é mais econômico que o de aço MR-250 (ASTM A36). Assumir Capítulo 5. xercícios de Compressão 30

9 struturas Metálicas Prof. Marco André Argenta ambas extremidades rotuladas A g 27, 2cm 2, 11, 77cm, r y 1, 90cm, t w 5, 1mm, t f 5, 7mm, h 303mm, h 0 292mm, b f 101mm I x 3776cm 4, I y 98cm 4, J 2, 93cm 4 e Cw 21644cm 6. Solução: será calcula a resistência de projeto à compressão para o aço MR-250 (ASTM A36).Começa-se calculando o índice de esbeltez da seção (lembrando que para o caso rotulado-rotulado tem-se K recomendado 1, 0). KL b,x KL b,y r y , 0 3m 0, 1177m 1, 0 3m 0, 019m 25, OK! 157, OK! O próximo passo é calcular os valores dos fatores de redução de flambagem local Q a, Q s e Q. Os calculos são apresentados a seguir na ordem indicada: AA λ e b t h 0 tw 292mm 57, 255 5, 1mm MP a AA(Grupo2) λ e,lim 1, 49 1, 49 f y 250MP a AA b ef 1, 92t AA λ e > λ e,lim Q a 1, 0 σ ) 1, 92t w σ (1 c at b , 92 0, 51 (1 25 0, 34 0, 51 29, 2 f y (1 0, 34t w h 0 42, 144 f y ) ) 23, 044cm b h 0 29, 2cm AA A ef A g (b i b i,ef )t A g (h 0 b ef )t w 27, 2 (29, 2 23, 044) 0, 51 24, 06cm 2 AA Q a A ef 24, 06 0, 8846 A g 27, 2 AL λ e b t b f 2 t f AL(Grupo4) λ e,lim 0, mm 2 8, 860 5, 7mm MP a 250MP a f y 0, 56 AL λ e < λ e,lim Q s 1, 0 15, 839 Q Q a Q s 0, , 0 0, 8846 Na sequência, determina-se o fator de redução associado à flambagem global χ e seus respectivos parâmetros: N ez 1 r 2 0 N ex N ey [ π 2 ] C w (K z L z ) 2 + GJ π2 I x (K x L x ) 2 π2 (20000) 3776 (1, 0 300) , 69kN π2 I y (K y L y ) 2 π2 (20000) 98 (1, 0 300) 2 214, 94kN [ 1 π 2 ] (20000) (11, , 9 2 ) (1, 0 300) , , 17kN Capítulo 5. xercícios de Compressão 31

10 Prof. Marco André Argenta struturas Metálicas Portanto, o caso crítico é para N ey, como já esperado, uma vez que ele possui o menor valor de raio de giração. QA g f y 0, , 2 25 λ 0 1, 6729 N e 214, 94 λ 0 > 1, 5 χ 0, 877 λ 2 0 0, 877 0, , Assim, calcula-se então o valor da resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χqa gf y 0, , , , 38kN Agora serão apresentados os cálculos para o aço AR-350, o qual possui f y 350MP a. Os índices de esbeltez não são dependentes das propriedades do aço, por isso continuam com os mesmo valores. ntretanto, os fatores de redução de flambagem local Q a, Q s e Q são dependentes dessas propriedades. Sendo assim, os cálculos são apresentados a seguir na ordem indicada: AA λ e b t h 0 tw 292mm 57, 255 5, 1mm MP a AA(Grupo2) λ e,lim 1, 49 1, 49 f y 350MP a AA λ e > λ e,lim Q a 1, 0 σ ) 1, 92t w AA b ef 1, 92t σ (1 c at b , 92 0, 0051m 6 P a (1 P a 0, 20085m b h 0 0, 292m f y (1 0, 34t w 0, 34 0, 0051m 0, 292m AA A ef A g (b i b i,ef )t A g (h 0 b ef )t w 35, 618 ) h 0 f y P a P a ) 0, 00272m 2 (0, 292m 0, 20085m) 0, 0051m 0, m 2 22, 55cm 2 AA Q a A ef 22, 55 0, 8290 A g 27, 2 AL λ e b t b f 2 t f AL(Grupo4) λ e,lim 0, mm 2 8, 860 5, 7mm MP a 350MP a f y 0, 56 AL λ e < λ e,lim Q s 1, 0 13, 387 Q Q a Q s 0, , 0 0, 8290 Os valores de N ex e N ey não são dependentes da tensão de escoamento f y do aço, portanto mantém-se com os mesmos valores. Determina-se então o fator de redução associado à flambagem global χ e λ 0 : QA g f y 0, , 00272m λ 0 2 ( P a) N e 214, , 9162 N λ 0 > 1, 5 χ 0, 877 λ 2 0 0, 877 0, , Capítulo 5. xercícios de Compressão 32

11 struturas Metálicas Prof. Marco André Argenta Assim, calcula-se então o valor da resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χqa gf y 0, , , 00272m2 ( P a) 171, 33kN Pode-se então concluir que, devido à esbeltez elevada do perfil, aumentar a tensão de escoamento ao trocar o tipo de aço não influi em praticamente nada na resistência de cálculo à compressão do perfil, uma vez que para MR250 (ASTM A36) N c,rd 171, 38kN e para AR350 N c,rd 171, 33kN. Como o aço MR250 (ASTM A36) possui tensão de escoamento menor, sendo portanto mais barato, torna-se o mais econômico por ambas apresentarem a mesma resistência de cálculo à compressão. x Comparação seção composta por cantoneiras de treliça espacial Calcular o esforço de compressão resistente de projeto de duas cantoneiras 203x102x25,4mm (8 x4 x1 ) trabalhando isoladamente, conectadas pela maior aba nas extremidades (apoio rotulado em ambas as direções) e comparar com o resultado obtido para os perfis ligados por solda formando um tubo retangular, também conectado pela maior dimensão. Admitir o comprimento das barras de L b 3m nos dois planos de flambagem, aço MR250 (ASTM A36), ambas as extremidades rotuladas, A g 70, 97cm 2, 6, 39cm, r y 2, 61,r min 2, 16, t 0 25, 4mm, c 3, 81mm, h 203mm, b 102mm, I x 2897cm 4, I y 482, 8cm 4, x g 2, 67cm, y g 7, 75cm, tg(α) 0, 247, J 153, 17cm 4 e C w 3464, 11cm 6. Solução: Figura 5.4: Cantoneira simples (a) e cantoneira composta (b). Para os perfis trabalhando isolados começa-se calculando o índice de esbeltez da seção (lembrando que para o caso rotulado-rotulado tem-se K recomendado 1, 0). No caso de cantoneiras, as verificações sempre levam em conta as duas direções coordenadas referenciais x e y e a direção principal com menor inércia. KL b,x , OK! 6, 39m KL b,y , OK! r y 2, 61m KL b,min , OK! r min 2, 16m Capítulo 5. xercícios de Compressão 33

12 Prof. Marco André Argenta struturas Metálicas r min I min A g I min r 2 mina g 2, 16cm 2 70, 97cm 2 153, 3cm 4 O próximo passo é calcular os valores dos fatores de redução de flambagem local Q a, Q s e Q. Não há elementos AA, entretanto há dois elementos AL (abas desiguais). Os cálculos são apresentados a seguir na ordem indicada: Maior aba (Grupo 3): λ e b t h 203mm 7, 992 t 0 25, 4mm MP a λ e,lim 0, 45 0, 45 12, 730 f y 250MP a Menor aba (Grupo 3): λ e < λ e,lim Q s1 1, 0 λ e b t h 102mm 4, 016 t 0 25, 4mm MP a λ e,lim 0, 45 0, 45 12, 730 f y 250MP a λ e < λ e,lim Q s2 1, 0 Q Q a Q s Q s,maior Q s,menor 1, 0 1, 0 1, 0 Na sequência, determina-se o fator de redução associado à flambagem global χ. Inicia-se com o cálculo do comprimento de flambagem equivalente. No caso, as cantoneiras são conectadas pela maior aba, então o comprimento de flambagem equivalente é função da relação: L x , 94 > , 61 Sendo 1 o raio de giração do eixo paralelo a aba conectada, no caso a maior aba. Ou seja: Portanto, a força axial elástica de flambagem é: N ex1 o índice de esbeltez reduzido: λ 0 K x1 Lx , 25L x1 458, 52 π2 I x1 (K x1 L x1 ) 2 π , 8 458, , 29kN QA g f y 1, 0 70, , 97 N e 458, 52 0, 877 0, 877 λ 0 > 1, 5 χ λ 2 0, , 972 Assim, calcula-se então o valor da resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χqa gf y 0, 226 1, 0 70, , 53kN Para os dois perfis trabalhando ao mesmo tempo tem-se: N c,rd composto 2 364, 53kN 729, 06kN Agora, será calculada a resistência para os dois perfis de cantoneira ligados por solda formando um tubo retangular. stando os dois perfis soldados, eles passam a trabalhar como uma peça única. O centro de gravidade se situa a meia-altura e a meia-largura do perfil e, sendo a peça simétrica, seus eixos de simetria Capítulo 5. xercícios de Compressão 34

13 struturas Metálicas Prof. Marco André Argenta coincidirão com os eixos principais de inércia. Como o comprimento e as condições de apoio são os mesmos para ambos os planos (definido no enunciado do problema), a direção com o menor momento de inércia terá também o menor raio de giração, a maior esbeltez, a menor força axial de flambagem elástica e será o caso crítico. O cálculo dos momentos de inércia e raios de giração são apresentados a seguir (a partir das propriedades da cantoneira original): I x,tubo 2 [I x0 + A g0 (y tubo y 0 ) 2 ] 2 [2897cm , 97cm 2 (10, 15 7, 75) 2 ] 6611, 57cm 4 I x,tubo 6611, 57cm i x,tubo 4 6, 82cm 2 A g0 2 70, 97cm2 I y,tubo 2 [I y0 + A g0 (x tubo x 0 ) 2 ] 2 [482, 8cm , 97cm 2 (5, 10 2, 67) 2 ] 1803, 74cm 4 I y,tubo 1803, 74cm i y,tubo 4 3, 56cm 2 A g0 2 70, 97cm2 O cálculo da constante de torção pura é apresentado no anexo A, e pode ser aproximado por: J tubo 2 t2 b 2 h 2 t(b +h) 2 2, , , 3 2 2, 54(10, 2 +20, 3) 6, 83cm 4 O índice de esbeltez da seção será (lembrando que para o caso rotulado-rotulado tem-se K recomendado 1, 0): KL b,x , OK! i x,tubo 6, 82 KL b,y , OK! i y,tubo 3, 56 O próximo passo é calcular os valores dos fatores de redução de flambagem local Q a, Q s e Q. Não há elementos AL porque a seção agora é considerada como uma seção caixão, entretanto há dois elementos AA. Os cálculos são apresentados a seguir na ordem indicada: Maior lado (Grupo 2): λ e b ( , 4) 5, 99 t 25, 4 Menor lado (Grupo 2): λ e,lim 1, 40 f y 1, 49 λ e < λ e,lim Q a1 1, , λ e b ( , 4) 2, 02 t 25, λ e,lim 1, 49 1, 49 42, 14 f y 25 λ e < λ e,lim Q a2 1, 0 Q Q a Q s Q a1 Q a2 1, 0 1, 0 1, 0 Na sequência, determina-se o fator de redução associado à flambagem global χ e seus respectivos parâmetros: N ex,tubo π2 I x,tubo (K x L x ) 2 π , 57 (1, 0 300) , 79kN Capítulo 5. xercícios de Compressão 35

14 Prof. Marco André Argenta struturas Metálicas N ey,tubo π2 I y,tubo (K y L y ) 2 π , 74 (1, 0 300) , 04kN m seções fechadas, a constante de empenamento C w tem um valor muito pequeno, podendo ser adotada como C w 0. N ez 1 r 2 0 [ π 2 ] C w (K z L z ) 2 + GJ [ 1 π 2 ] (20000) 0, 0 (6, , 56 2 ) (1, 0 300) , , 72kN Portanto, o caso crítico é para N ey,tubo, como já esperado, uma vez que ele possui o menor valor de raio de giração. QA g,tubo f y 1, 0 (2 70, 97) 25 λ 0 0, 9471 N ey,tubo 3956, 04 λ 0 1, 5 χ 0, 658 λ2 0 0, 658 0, , 6870 Assim, calcula-se então o valor da resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χqa g,tubof y 0, , , , 20kN Verifica-se portanto que o perfil composto soldado tem uma carga axial resistente de pouso mais de 3 vezes dos dois perfis isolados. x Coluna diferentes apoios Uma coluna é engastada nos dois planos de flambagem e, no topo, tem condições de apoio diferentes em cada plano. É rotulado no plano x-z e livre no plano y-z. Admitindo-se um perfil soldado CS, determinar se a posição 1 ou 2 é a mais eficiente. Figura 5.5: Variação na posição do perfil. Solução: Capítulo 5. xercícios de Compressão 36

15 struturas Metálicas Prof. Marco André Argenta Ao checar as tabelas de perfis CS é possível perceber que o raio de giração em torno do eixo paralelo à mesa do perfil (eixo m deste exemplo) é sempre maior que o do eixo perpendicular à mesa (eixo a deste exemplo), ou seja: i m > i a O valor do coeficiente recomendado de flambagem para o caso engastado-rotulado (plano x-z, ou seja, em torno de y) é: K y 0, 8 O valor do coeficiente recomendado de flambagem para o caso engastado-livre (plano y-z, ou seja, em torno de x) é: K x 2, 1 O caso crítico é o caso engastado-livre (plano x-z, ou seja, em torno de y) pois este possui o maior coeficiente recomendado de flambagem. Por este motivo, terá também o maior comprimento de flambagem, o maior índice de esbeltez, a menor força axial de flambagem elástica, o maior λ 0, o menor fator de redução associado à flambagem global e a menor resistência de cálculo à compressão, ou seja: K KL b KL b N e λ 0 χ N c,rd r Sendo assim, o maior raio de giração i m deve trabalhar com o maior coeficiente recomendado de flambagem K x (plano y-z, ou seja, em torno de x) para compensar os resultados descritos anteriormente. Sendo assim, a posição 1 é a mais eficiente. x Dimensionamento coluna diferentes apoios Selecionar um perfil soldado CS de aço MR250 (ASTM A36) para a coluna do problema anterior, assumindo que ela tenha 4 metros de altura e que deva suportar as cargas N g 300kN proveniente do peso próprio de elementos construtivos em geral e equipamentos e N q 300kN proveniente da ação do vento. Solução: Primeiro deve-se majorar os esforços solicitantes como segue: N c,sd γ g N g + γ q N q 1, , kN Adotando-se os coeficientes recomendados de flambagem do exercício anterior, calcula-se os índices de esbeltez: KL b,x KL b,y r y Na tabela de perfis, é possível observar que a relação rx r y 2, 1 4m 8, 4 r y 200 0, 8 4m r y 3, eixo x 8, 4 eixo y 3, 2 3, 2 5, 44 r y 1,7 1, 7; então tem-se: Como o valor do índice de esbeltez em torno do eixo x é aproximadamente 54% maior que do eixo y (0, 544); conclui-se que a flambagem ocorrerá em torno do eixo x (como explicado no exercício anterior usando a posição 1). Capítulo 5. xercícios de Compressão 37

16 Prof. Marco André Argenta struturas Metálicas Assumindo-se primeiramente χ 1, 0 e Q 1, 0 (coluna sem instabilidades, utilizando toda a resistência do perfil), pode-se afirmar que: N c,rd χqa gf y γ a1 N c,rd N c,sd 870kN 870kN χqa gf y γ a1 A g 870 γ 1 χqf y 870 1, 1 38, 28cm2 1, 0 1, Portanto, ao olhar a tabela o primeiro perfil com área maior que 38, 28cm 2 é o perfil CS250x52. As propriedades deste perfil são: A g 66, 0cm 2, 10, 80cm, r y 6, 12cm, t w 8, 0mm, t f 9, 5mm, h 250mm, h 0 231mm, b f 250mm I x 7694cm 4, I y 2475cm 4, J 18cm 4 e C w 38656cm 6. Com estas informações, deve então ser checado se o perfil possui a resistência de cálculo à compressão necessária para resistir às solicitações impostas e as condições impostas por norma. Começa-se calculando o índice de esbeltez da seção: KL b,x KL b,y r y , 1 4m 0, 108 8, 4 77, , 108 0, 8 4m 0, 0612m 3, 2 52, , 0612m Na sequência, determina-se o fator de redução associado à flambagem local Q e seus respectivos parâmetros: lemento AA - Grupo 2: λ e b t h 0 tw 231mm 28, 875 8mm lemento AL - Grupo 5: λ e,lim 1, 49 k c 4 h t w λ e,lim 0, 64 f y 1, MP a 42, MP a λ e < λ e,lim Q a 1, 0 λ e b t b f 2 t f mm 2 13, 157 9, 5mm 0, , 35 k c 0, 76 OK! k c f y 0, MP a 0, 76 15, MP a λ e < λ e,lim Q s 1, 0 Q Q a Q s 1, 0 1, 0 1, 0 Na sequência, determina-se o fator de redução associado à flambagem global χ e seus respectivos parâmetros: N ex N ey N ez 1 [ π 2 ] C w r0 2 (K z L z ) 2 + GJ Portanto, o caso crítico é para N ex. π2 I x (K x L x ) 2 π (2, 1 400) , 40kN π2 I y (K y L y ) 2 π (10, , 12 2 ) (0, 8 400) , 95kN [ π 2 ] (1, 0 400) , 97kN Capítulo 5. xercícios de Compressão 38

17 struturas Metálicas Prof. Marco André Argenta λ 0 QA g f y 1, , 8755 N ex 2152, 40 λ 0 1, 5 χ 0, 658 λ2 0 0, 658 0, , 7255 Assim, calcula-se então o valor da resistência de cálculo à compressão do perfil como sendo: N c,rd χqa gf y 0, , , 25kN Como N c,rd 1088, 25kN > N c,sd 870kN, esse perfil atende ao dimensionamento segundo a norma. Caso não atendesse, passar-se-ia para o próximo perfil da tabela e se calcularia novamente o valor de N c,rd até que este fosse superior ao valor de N c,sd. 5.2 Propostos, nível iniciante x sforço Resistente Coluna Simples Determine a força axial resistente de cálculo para o comprimento do pilar de figura de L e de L. O perfil é o W250x32,7kg/m e o aço o A992. Figura 5.6: Coluna à compressão simples. x sforço resistente com contenção Um perfil CS250x90,4kg/m é usado como uma coluna de 5,0 m de comprimento. Ambas as extremidades são rotuladas e existe uma contenção na direção y (restringe em torno de y) à 2 m do topo. Determine o esforço axial resistente máximo de compressão. Figura 5.7: squema das direções da coluna e a contenção na direção y. Capítulo 5. xercícios de Compressão 39

18 Prof. Marco André Argenta struturas Metálicas x Contenção Dupla A coluna da figura tem 10 m de comprimento e possui duas contenções laterias na direção de menor inércia, localizadas à 3 m do topo e da base. Dimensione utilizando um perfil W de aço MR-250 considerando a carga permanente de equipamentos de 1500kN e a carga acidental do uso de 2980kN. Figura 5.8: squema da contenção dupla na menor inércia. 5.3 Propostos, nível intermediário x scora Uma escora de comprimento de flambagem 10 m deve suportar uma carga de 300 kn do tipo permanente em geral. Dimensionar a escora utilizando aço MR250 e os perfis da figura 5.9 o mais eficiente (menor peso de aço para maior carga resistente): a) Perfil I simples (figura 5.9(a)); b) Duplo I (figura 5.9(b)); c) Duplo U fechado (figura 5.9(c)); d) Perfil CS soldado (figura 5.9(d)). Figura 5.9: Perfis para o dimensionamento da escora. x Perfil Construído O perfil tubular construído de chapas soldadas da figura foi criado para ser aplicado em uma coluna de 15 m de comprimento. Determine o valor da resistência à compressão. O aço é o AR-415. Capítulo 5. xercícios de Compressão 40

19 struturas Metálicas Prof. Marco André Argenta Figura 5.10: squema da seção do perfil construído e da coluna. x Perfis Justapostos U Uma diagonal de treliça, formada por dois perfis justapostos de aço MR250, tem um comprimento de flambagem de 2,50 m e uma carga axial de 150 kn, variável de uso. Dimensionar a diagonal utilizando dois perfis U justapostos, unidos pela alma. x Perfis I Compostos Dada a coluna composta de dois perfis W, pede-se a distancia d entre os perfis tal que N Rd,x seja igual a N Rd,y e a resistência de cálculo a compressão da coluna. O aço é o A-572 Gr. 50 e o perfil W 360x72, 0kg/m, com A g 101, 2cm 2, 14, 86cm, r y 4, 84cm, I x 20169cm 4, I y 2140cm 4, C w cm 6 e J 61, 18cm 4. Figura 5.11: squema da coluna de perfis I compostos. 5.4 Propostos, nível graduado x Pórtico Simples O pórtico rígido da figura possui todas as barras orientadas para que a flexão ocorra no sentido da maior inércia. As condições de apoio perpendiculares ao plano são tais que K 1, 0 As vigas são de W e as colunas de W, aço A-36. A carga axial na coluna AB permanente de equipamentos é de 400kN e a carga variável do uso de 500kN. Determine o esforço axial resistente de compressão da coluna AB. Capítulo 5. xercícios de Compressão 41

20 Prof. Marco André Argenta struturas Metálicas Figura 5.12: squema do pórtico. x Pórtico levado Dimensione as colunas AB e BC usando perfis W e aço A992. Na direção perpendicular à figura, K 1, 0. As solicitações na coluna no ponto C são: Permanente Peso Próprio Metálicos: 100kN, Permanente quipamentos 300kN, acidental uso 450kN. No ponto B: Permanente Peso Próprio Metálicos: 70kN, Permanente quipamentos: 180kN, acidental uso 220kN. Considere o peso próprio das colunas AB e BC. Nos pesos em B devem ser consideradas as cargas transmitidas por CB. Figura 5.13: squema e dimensões do pórtico. Capítulo 5. xercícios de Compressão 42