Introdução. 1. Generalidades. Para o aço estrutural. Definição

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1 Introdução Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil PGECIV - Mestrado Acadêmico Faculdade de Engenharia FEN/UERJ Disciplina: Tópicos Especiais em Estruturas (Chapa Dobrada) Professor: Luciano Rodrigues Ornelas de Lima 1. Generalidades Para o aço estrutural perfis laminados a quente perfis soldados perfis formados a frio (PFF) Definição PFF dobragem a frio (em temperatura ambiente) de chapas Simplicidade de produção perfis pesados NBR 8800: 2006 EC3 espessuras a partir de 0,45 mm até 15 mm (chapas) espessuras a partir de 0,45 mm até 4 mm (ligações) perfis leves NBR 14762: 2010 EC3 parte 1.3 1

2 2. Origem dos PFF Passo 1 Placa sem enrijecedores t = 1 mm carga crítica de flambagem elástica (compressão) Carga crítica 140N Área 200 mm 2 2. Origem dos PFF Passo 2 Perfil com enrijecedores (mesas) t = 1 mm carga crítica de flambagem elástica (compressão) Carga crítica 6840N Área 320 mm 2 2

3 2. Origem dos PFF Passo 3 Perfil com mesa mais enrijecedores t = 1 mm carga crítica de flambagem elástica (compressão) Carga crítica 10608N Área 380 mm 2 2. Origem dos PFF Passo 4 Perfil com mesa e alma com enrijecedores t = 1 mm carga crítica de flambagem elástica (compressão) Carga crítica 60768N Área 420 mm 2 3

4 2. Origem dos PFF Comparação P cr 140N 6840N 10608N 60768N Área 200mm 2 320mm 2 380mm 2 420mm 2 3. Produção de PFF Duas formas Prensas dobradeiras Formadas por uma mesa com o formato final da dobra do perfil e uma punção que pressiona a chapa contra a mesa para efetivar a dobra com sucessivos posicionamentos da chapa obtém-se o perfil final 4

5 3. Produção de PFF Duas formas Perfiladeiras Processo contínuo que consiste em fazer uma tira de chapa passar por uma série de cilindros, cada um impondo uma operação de dobra na tira até obter o perfil final 3. Produção de PFF Comparativo Prensa-dobradeira Muita flexibilidade para produzir diversas formas de perfis Com poucas ferramentas se produz uma série grande de perfis Baixo custo de equipamento Regulagem simples do equipamento Tensões residuais menores que na perfiladeira Produção pequena Perfis curtos (6 m) Razoável mão-de-obra envolvida Perfiladeira Pouca flexibilidade para produzir diversas formas de perfis Cada tipo de perfil necessita de um trem de perfilação Alto custo do equipamento Regulagem do equipamento requer cuidados Tensões residuais maiores que na dobradeira Produção grande Perfis com comprimento limitado Pouca mão-de-obra envolvida 5

6 4. Utilização de PFF Indústria automobilística: carros, caminhões leves e ônibus Indústria aeronáutica: estrutura dos aviões Transportes pesados: carretas rodoviárias, construção naval, carroceria de vagões Agroindústria: máquinas e implementos agrícolas, silos Armazenagem/Estocagem: prateleiras, racks e mezaninos Construção Civil: prédios residenciais, comerciais e industriais, telhados, formas para concreto, guard-rails, telhas, painéis de fechamento, estruturas de pontes, reservatórios, estruturas mistas (vigas, lajes e colunas) 5. Comparação PFF - Laminados Vantagens PFF sobre laminados PFF têm a forma e as dimesões adequadas à solicitação gerando economia Otimização de seções transversais Facilidade de produção e baixo custo de estoque bobinas com diversas bitolas Para cargas e vãos médios estrutura mais leve com uso de PFF A resistência pós-flambagem é largamente explorada nos PFF que conjugada com a forma e dimensões otimizadas, gera estruturas mais leves 6

7 6. Tipos de PFF Treliças e pórticos Terças e longarinas Vigas e colunas 6. Tipos de PFF Perfis para paredes Treliças espaciais Estruturas para armazenagem 7

8 6. Tipos de PFF Telhas Painéis de fechamento Formas para lajes mistas steel deck 7. Materiais Utilizados Perfis chapas 8

9 7. Materiais Utilizados Perfis chapas 7. Materiais Utilizados Perfis chapas 9

10 7. Materiais Utilizados Perfis chapas 7. Materiais Utilizados Ligações parafusos, soldas, rebites, etc. 10

11 7. Materiais Utilizados Ligações parafusos, soldas, rebites, etc. Metal da solda f w (MPa) Classe de resistência 6 (E60XX) 415 Classe de resistência 7 (E70XX) 485 Classe de resistência 8 (E80XX) Propriedades dos aços Perfil formado a quente 11

12 8. Propriedades dos aços Perfil formado a frio 8. Propriedades dos aços Influência do processo de fabricação nas propriedades mecânicas do material aumento da tensão de escoamento e redução da ductilidade 12

13 8. Propriedades dos aços Influência do processo de fabricação nas propriedades mecânicas do material aumento da tensão de escoamento e redução da ductilidade 8. Propriedades dos aços Influência do processo de fabricação nas propriedades mecânicas do material aumento da tensão de escoamento e redução da ductilidade 13

14 9. Definições geométricas PFF cantos arredondados Composição por elementos planos (mesas, almas, enrijecedores) e elementos curvos (dobras ou esquinas) ELE6 ELE8 ELE7 ELE9 ELE5 ELE1 ELE2 ELE3 ELE4 9. Definições geométricas Elemento com bordas vinculadas (AA) Elemento com borda livre (AL) Enrijecedor de borda simples (AL) Espessura (t) Largura do elemento (b) AL AL AA AA AA AA AL AA AA AL AL AA AL AL AL 14

15 9. Definições geométricas Largura efetiva (b eff ou b e ) Elementos AL redução na extremidade do elemento Elementos AA redução na parte interna do elemento b eff1 b eff2,1 b eff2,2 b eff2,2 b eff3,2 b eff2,2 b eff3,2 b eff5 b eff3 b eff4,1 b eff4,2 9. Cálculo Propriedades Geométricas Método Linear Considera-se a massa do perfil concentrada na sua linha média dividindo-o em elementos primários (linhas e arcos) e no fim, multiplica-se pela espessura 15

16 9. Cálculo Propriedades Geométricas Método Linear 9. Cálculo Propriedades Geométricas Método Linear 16

17 9. Cálculo Propriedades Geométricas Método Simplificado (Carvalho et al.) Alma: d = b w 2.t Mesas: b = b f 2.t Enrijecedor: c = D - t 9. Cálculo Propriedades Geométricas Método Simplificado (Carvalho et al.) Alma: d = b w 2.t e a m = b w - t Mesas: b = b f t e b m = b f - t Enrijecedor: c = D t/2 e c m = D 0,207.t 17

18 10. Aplicação Determinar os momentos de inércia (I x e I y ), a área e os módulos resistentes elásticos (W x e W y ) do perfil U130x60x3 usando o método linear e comparar com o método simplificado Mesa: Alma: Canto: b 1 = = 54 mm b 2 = = 118 mm d 2 = 118/2 + c = 61,87 mm R = 1,5. 3 = 4,5 mm L = 1,571. R = 7,07 mm C = 0,637. R = 2,87 mm I 1 = 0,149. R 3 = 13,577 mm 3 (momento de inércia baricêntrico do canto) 10. Aplicação Cálculo da Área L total = , = 240,1 mm A = 240,1. 3 = 720,3 mm 2 Cálculo do Momento de Inércia (I x ) Mesa: I x mesa = I (d 1 ) 2 = (63,5) 2 momento da linha em relação a si própria = ,5 mm 3 Canto: I x canto = 13, ,07. (d 2 ) 2 = 13, ,07. (118/2+C) 2 = 27076,8 mm 3 Alma: I x alma = / 12 = ,33 mm 3 espessura I total = [2. (217741,5) + 2. (27076,8) ,33]. 3 = ,8 mm 4 18

19 10. Aplicação Cálculo do Módulo Resistente (W x ) W x = I x / y máx = ,8 / 65 W x = 28918,0 mm 3 OBS.: x g = 15,9 mm e I y = mm OBS Extras EC3 Aumento da tensão de escoamento PFF f ya f k.n.t ) A f ya = tensão de escoamento média A g = área bruta da seção transversal yb (f f u yb g 2 mas f ya (fu f 2 yb ) k = coeficiente que considera o processo de fabricação k = 7 para perfiladeiras k = 5 (outros processos) n = nº de cantos a 90º nas seções com raio interno r 5t (cantos com ângulos menores devem ser contabilizados como frações de n) t = espessura antes da formação a frio do perfil excluindo possíveis recobrimentos (pintura, etc.) 19

20 11. OBS Extras EC3 O aumento da tensão de escoamento pode ser utlizada em: membros carregados axialmente onde A eff = A g Na determinação de A eff f y = f yb O aumento da tensão de escoamento deve ser utlizada em: resistência da seção para membros carregados axialmente à tração resistência da seção e flambagem para membros carregados axialmente à compressão com seção totalmente efetiva resistência à flexão de seções com mesas totalmente efetivas 11. OBS Extras EC3 Resistência à flexão de seções com mesas completamente efetivas (dividir a seção em n elementos planos) aumento da tensão de escoamento para cada elemento (proporcional) m i 1 m A i 1 g,i y, i A f g, i f ya A g,i = área bruta do elemento plano i 20

21 11. OBS Extras EC3 Influência dos cantos 11. OBS Extras EC3 Influência dos cantos 21

22 11. OBS Extras EC3 Influência dos cantos simplificação para cálculo das propriedades da seção efetiva A eff, I y,eff, I z,eff e I w,eff 11. OBS Extras EC3 22

23 11. OBS Extras EC3 Limitações de esbeltezas 11. OBS Extras EC3 Limitações de esbeltezas Tamanho do enrijecedor garantia de funcionamento 23

24 11. OBS Extras EC3 Modelos estruturais para análise 11. OBS Extras EC3 Curvatura da mesa de um PFF flange curling desconsiderar se u < 5% altura do perfil (para elementos em arco) 24

25 11. OBS Extras EC3 Flambagem Local e Distorcional Flambagem local considerada através da utilização das propriedades efetivas da seção EC3 1.5 Flambagem distorcional para elementos com enrijecedores externos ou intermediários seção (EC3 1.3) 11. OBS Extras EC3 Flambagem Local e Distorcional Os efeitos da flambagem distorcional devem ser considerados para os casos a), b) e c) através de análise linear ou não-linear usando métodos numéricos Ao menos que o procedimento simplificado (EC ) seja usado e a tensão de flambagem elástica seja obtida em uma análise linear, o seguinte procedimento pode ser aplicado 25

26 11. OBS Extras EC3 Flambagem Local e Distorcional 1. Calcular as tensões elásticas de flambagem para os diversos modos de flambagem coluna longa coluna curta coluna intermediária 11. OBS Extras EC3 Flambagem Local e Distorcional 2. Calcular as larguras efetivas de acordo com EC para flambagem local na seção baseada na tensão mínima de flambagem local 26

27 11. OBS Extras EC3 Flambagem Local e Distorcional 3. Calcular a espessura reduzida ver item EC para enrijecedores intermediários ou externos e outras partes da seção sujeitas a flambagem distorcional baseada na tensão mínima de flambagem distorcional 4. Calcular a resistência à flambagem global de acordo com EC (flexão, torção e lateral por torção) dependendo do modo de flambagem para o comprimento total do membro considerando-se a seção transversal efetiva avaliada em 2) e 3) 27