COMPORTAMENTO DE ESTRUTURAS DE AÇO ENFORMADAS A FRIO E DIMENSIONAMENTO

Transcrição

1 COMPORTAMENTO DE ESTRUTURAS DE AÇO ENFORMADAS A FRIO E DIMENSIONAMENTO DE ACORDO COM O EC3-1-3 NUNO SILVESTRE DINAR CAMOTIM Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura Instituto Superior Técnico

2 RESUMO ESTRUTURAS DE AÇO ENFORMADAS A FRIO Vantagens na Utilização Processos de Fabrico Características dos Aços COMPORTAMENTO ESTRUTURAL Fenómenos Condicionantes (Instabilidade) DIMENSIONAMENTO DE ACORDO COM O EC3-1-3 Secções de Classe 4 Porquê a Secção Efectiva?

3 A IDEIA FUNDAMENTAL CHAPA PLANA CHAPA DOBRADA EFICIÊNCIA: Efectuar o maior número possível de dobras para aumentar a resistência CONTRAPARTIDA: Cada dobra tem um custo associado

4 UTILIZAÇÃO ESTRUTURAL MADRES COBERTURAS TRAVESSAS TRELIÇAS

5 UTILIZAÇÃO ESTRUTURAL VIGAS COLUNAS PÓRTICOS PAREDES

6 UTILIZAÇÃO ESTRUTURAL Cantoneira Curva Secção em U Banzos Curvos Secção em U Alma Curva

7 ELEMENTOS ESTRUTURAIS PERFIS PEÇAS DE EIXO RECTO E SECÇÃO UNIFORME CHAPAS COM ESPESSURA ENTRE mm ENORME VARIEDADE DE FORMAS E DIMENSÕES PERFIS DE USO CORRENTE TÊM SECÇÃO U, C, Z, RACK

8 PERFIS

9 ELEMENTOS ESTRUTURAIS PAINÉIS E CHAPAS PERFILADAS PEÇAS LAMINARES DE FORMA POLIGONAL CHAPAS COM ESPESSURA ENTRE mm VARIEDADE DE FORMAS E DIMENSÕES ESTRUTURAS DE SUPORTE DE PAREDES, PAVIMENTOS E COBERTURAS

10 PAINÉIS E CHAPAS PERFILADAS

11 VANTAGENS Em relação ao perfis laminados a quente Uma elevadíssima eficiência estrutural: grande resistência vs. reduzido peso Uma significativa optimização estrutural possibilidade de utilizar qualquer forma de secção Fabrico com dimensões inferiores às mínimas padronizadas pelos laminados a quente Como o fabrico é processado à temperatura ambiente, os perfis enformados a frio exibem menores tensões residuais

12 VANTAGENS Elevada economia no armazenamento, transporte e manuseamento Algumas formas de secção (e.g., secção em Z, U, L) podem encaixar e permitir um aproveitamento óptimo do espaço de armazenamento

13 VANTAGENS Pré-fabricação em grande escala de sub-estruturas e subsequente montagem em obra, com grandes vantagens económicas

14 VANTAGENS A utilização de painéis de aço enformados a frio (nervurados) em lajes de pavimento mistas com betão, tem a grande vantagem dos painéis assegurarem simultaneamente as funções de cofragem perdida elemento resistente à tracção

15 VANTAGENS Paredes resistentes ( cassette-wall construction ) Elevada resistência às acções horizontais (vento, sismo)

16 VANTAGENS Estruturas de armazenamento Vantagens às quais estão associadas elevadas reduções de custos: a possibilidade de pré-fabricação em grande escala rapidez de montagem e desmontagem facilidade de manutenção utilização como material reciclável (elevada sustentabilidade)

17 PROCESSOS DE FABRICO LAMINAGEM A FRIO

18 QUINAGEM PROCESSOS DE FABRICO Etapas do Processo de Quinagem

19 CARACTERÍSTICAS DOS AÇOS No fabrico de elementos de aço enformados a frio é muito frequente a utilização de aços galvanizados com: Tensões de cedência (f y ) na gama 220 a 500 N/mm 2. No entanto, presentemente é possível utilizar aços de alta resistência, i.e., até f y =700 N/mm 2 Tensões últimas (f u ) na gama 300 a 750 N/mm 2 O fabrico de elementos de aço enformados a frio tem um efeito significativo nas propriedades mecânicas do aço: Aumento da tensão de cedência (f y ) e última (f u ) do aço Decréscimo da ductilidade (extensão de rotura) do aço

20 ENDURECIMENTO DO AÇO Aumento da tensão de cedência (f y ) depende de: - processo de fabrico (k=7 ou k=5) - nº de dobras na chapa (n) - espessura da chapa (t) Aumento de 50% f y após dobragem f y no canto f y antes da dobragem

21 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL Fenómenos de instabilidade local (deformação da secção)

22 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL Deformabilidade local Elevada esbelteza das chapas (placas) que contituem as paredes do perfil

23 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL Presença de reforços (dobras da chapa) - a sua inclusão melhora o comportamento estrutural das secções, aumentando a sua resistência à deformação local Resistência (tensão crítica local) Inclusão de reforços internos Inclusão de reforços de extremidade Nº de Reforços (dobras)

24 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL Deformabilidade à torção e ao empenamento: - à baixa rigidez das secções de parede fina aberta - centros de gravidade e de corte das secções não coincidentes Secção em C Deslocamentos de empenamento Secção em C Empenamento impedido

25 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL Colapso por esmagamento da alma (forças concentradas) - à elevada esbelteza dessas mesmas almas - ser difícil a incorporação de reforços transversais Especificidade das ligações (aparafusadas, rebitadas, soldadas)

26 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio 1 - INTRODUÇÃO CONTEÚDO Fornecem-se as referências normativas que lhe servem de base. Enuncia-se o significado de algumas designações e da simbologia adoptada. Abordam-se as formas usuais das secções, tipos de reforços e convenção dos eixos. COLUNAS EIXOS VIGAS

27 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio 2 FUNDAMENTOS DE DIMENSIONAMENTO Fornecem-se os factores parciais de segurança para cada tipo de verificação: - Resistência das Secções: g M0 =1.0 - Estabilidade das Barras: g M1 =1.0 - Resistência das Ligações: g M2 =1.25 Definem-se as diversas classes estruturais. 3 MATERIAIS Descrevem-se as características mecânicas (tensões de cedência e última) dos aços. Fornece-se uma forma de contabilizar o endurecimento do aço (processo de fabrico). 2 k n t fya fyb (fu - fyb ) A Estabelecem-se os limites da espessura das chapas a utilizar.

28 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio 4 DURABILIDADE Indicam-se os documentos de base relativos a problemas como a corrosão. 5 ANÁLISE ESTRUTURAL Estabelecem-se limites para a modelação dos cantos (arredondados vs. rectos). r < 5 t e r < 0.10 b p

29 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio Estabelecem-se limites para: - algumas relações entre as dimensões da secção e a espessura da chapa. - a relação entre a largura dos reforços e a largura das paredes a reforçar.

30 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio Aborda-se, com especial detalhe, o problema das instabilidades local de placa e distorcional, bem como a forma de as considerar no dimensionamento. Carga Crítica Modo Global Modo Distorcional Modo Local de Placa Local de Placa Distorcional Global Comprimento da Coluna Coluna Curta Coluna Intermédia Coluna Longa

31 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio 6 ESTADOS LIMITES ÚLTIMOS Aborda-se a forma como devem ser aplicadas as várias regras preconizadas pela Parte 1-1, relativas à verificação de segurança das secções (resistência) e das barras (estabilidade), aos elementos estruturais enformados a frio. 7 ESTADOS LIMITES DE UTILIZAÇÃO Aborda-se a forma como devem ser aplicadas as várias regras preconizadas pela Parte 1-1, relativas à verificação de segurança à deformação, aos elementos estruturais enformados a frio. 8 DIMENSIONAMENTO DE LIGAÇÕES Descrevem-se os vários tipos de ligações utilizadas em estruturas de aço enformadas a frio e abordam-se as suas regras de verificação de segurança 9 DIMENSIONAMENTO ASSISTIDO POR ENSAIOS EXPERIMENTAIS

32 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio 10 CONSIDERAÇÕES ESPECÍFICAS PARA MADRES E PAINÉIS Aborda-se o dimensionamento de vigas (e.g., madres de cobertura) cuja deformação é parcialmente restringida pela ligação a painéis de cobertura ou pavimentos. Indicam-se regras para considerar o acréscimo de resistência (efeito de diafragma) que surge da acção conjunta de colunas, vigas e painéis (estes têm uma elevada resistência ao corte).

33 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio PROCESSO DE ANÁLISE E DIMENSIONAMENTO DADOS Geometria da Estrutura + Acções de Dimensionamento ANÁLISE Esforços de Dimensionamento + Comprimentos de Encurvadura VERIFICAÇÃO DE SEGURANÇA Resistência e Estabilidade (Colunas e Vigas) + Ligações

34 Momento / Momento Plástico (M/Mp) 27 de Outubro de 2006, Feira da Concreta, Porto EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio ENFORMADOS A FRIO vs. LAMINADOS A QUENTE PRINCIPAL DIFERENÇA Laminados a quente secções de classe 1 e 2 Enformados a frio secções de classe M/M y Classe 3 Classe 2 Classe Classe Curvatura / Curvatura Plástica (k/k p )

35 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio ENFORMADOS A FRIO SECÇÕES DE CLASSE 4 Verificação de segurança (VS) de resistência e/ou estabilidade não é efectuada com base nas propriedades (área, inércia) da secção bruta mas numa secção reduzida ( secção efectiva ) SECÇÃO BRUTA SECÇÃO EFECTIVA

36 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio PORQUÊ UTILIZAR A SECÇÃO EFECTIVA? Coluna com secção em U Parede da secção modelada através de uma grelha Barras Verticais + Transversais

37 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio PORQUÊ UTILIZAR A SECÇÃO EFECTIVA? Antes Após Na a da encurvadura f y Tensão PLACA (parede da secção) f y f y Tensão f y b = largura da placa b ef /2 b ef /2 t t = espessura da placa zona efectiva VANTAGEM: tirar partido da reserva de resistência para tensões superiores à tensão crítica

38 EC3 Parte 1 3 Regras Gerais e Regras Suplementares para Elementos de Aço Enformados a Frio COMO SE DETERMINA? Largura da parede Esbelteza (l p ) Espessura da parede Largura Efectiva (b ef ) Largura bruta (b) Tensão de cedência do aço Coeficiente de encurvadura Não há redução Existe redução Esbelteza (l p ) b ef = b b ef /2 b ef /2 zona não efectiva

39 O FUTURO O PRINCÍPIO (a chapa) SECÇÃO U SECÇÃO RACK 1 DOBRA A Mesma Chapa com Várias Dobras! SECÇÃO C RACK REF.

40