RESISTÊNCIA DE PERFIS DE AÇO FORMADOS A FRIO: A NORMA BRASILEIRA NBR E O MÉTODO DA RESISTÊNCIA DIRETA

Transcrição

1 Contribuição técnica nº 7 RESISTÊNCIA DE PERFIS DE AÇO FORMADOS A FRIO: A NORMA BRASILEIRA NBR E O MÉTODO DA RESISTÊNCIA DIRETA Autores: Eduardo M. Batista, COPPE/ UFRJ - batista@coc.ufrj.br Elaine G. Vazquez, Escola Politécnica/UFRJ - elaine@poli.ufrj.br Eliane S. dos Santos, COPPE/UFRJ elianesantos@poli.ufrj.br 1

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO UFRJ RESISTÊNCIA DE PERFIS DE AÇO FORMADOS A FRIO: A NORMA BRASILEIRA NBR E O MÉTODO DA RESISTÊNCIA DIRETA Eduardo M. Batista, COPPE/ UFRJ Elaine G. Vazquez, Escola Politécnica/UFRJ Eliane S. dos Santos, COPPE/UFRJ ago/2010 2

3 Agenda Objetivo Introdução Abordagem Teórica Abordagem Experimental Discussão dos Resultados Conclusões 3

4 Objetivo O presente trabalho relata resultados de análises experimentais e teóricas de montantes de estruturas porta pallet com seção rack, sob compressão simples, revelando que o método da resistência direta se aplica satisfatoriamente, inclusive para seções consideradas não qualificadas segundo a norma americana do AISI. O trabalho proposto apresenta a comparação entre resultados teóricos e experimentais e inclui a influência da furação das paredes na resistência dos perfis sob compressão simples. 4

5 Agenda Objetivo Introdução Abordagem Teórica Abordagem Experimental Discussão dos Resultados Conclusões 5

6 Introdução Os cálculos da resistência estrutural obedeceram as prescrições da norma brasileira NBR Para os cálculos da resistência dos montantes, o efeito dos furos nas paredes foi considerado a partir das recomendações da norma americana do RMI (Rack Manufacturers Institute). A resistência de montantes foi verificada com auxílio de procedimentos de cálculo e análise experimental. Em ambos os casos, como se trata de seções não usuais, a norma brasileira NBR recomenda (item 6.3) procedimentos experimentais para a auxiliar na definição da resistência estrutural. 6

7 Introdução Método da Resistência Direta O uso de Método da Resistência Direta requer a determinação das cargas críticas de flambagem elástica do perfil completo e a aplicação dessa informação junto a uma série de curvas de resistência, determinando assim a resistência última do perfil. Para a determinação da carga crítica de flambagem elástica local e distorcional foi utilizado o Método das Faixas Finitas, com auxílio do programa computacional CUFSM, Schafer. O programa experimental visou comprovar os resultados encontrados nos cálculos teóricos de resistência. 7

8 Introdução Os montantes são perfis de aço formados a frio- PFF de seção rack, com paredes com furação padronizada. Os montantes estudados fazem parte de sistemas estruturais para estocagem de produtos, do tipo porta-pallet, 8

9 Agenda Objetivo Introdução Abordagem Teórica Abordagem Experimental Discussão dos Resultados Conclusões 9

10 Abordagem Teórica Determinação da Resistência Estrutural à Compressão 4 tipos de montantes de perfis de aço formados a frio (PFF) de seção rack, com paredes com furação padronizada. Todos os PFF foram fabricados a partir de chapas de aço de padrão não estrutural, em aço padrão SAE ( fy = 180 MPa) Foram considerados os parâmetros referentes às condições de contorno do montante (Kx=1, Ky=1 e Kt=0,5). As propriedades geométricas das seções foram extraídas do programa CUFSM. 10

11 Abordagem Teórica seções transversais dos perfis tipo rack e a denominação dos perfis de acordo com a espessura. Denominação dos Montantes Espessura das chapas (mm) EM ,00 EM ,65 EM ,00 EM ,65 11

12 Abordagem Teórica Relações Geométricas da Seção Transversal. 12

13 Abordagem Teórica Propriedades Geométricas dos Montantes (programa CUFSM) 13

14 Abordagem Teórica Para o cálculo da resistência a compressão simples P n adotou-se a formulação da norma americana AISI P n =q c r A e f y Onde: r - coeficiente de redução da flambagem global, local e distorcional, calculado pelo método da resistência direta. A e - é a área transversal efetiva (incluindo efeito da furação nas paredes da seção) f y - tensão de escoamento do aço (180 Mpa) q c - 0,85 (coeficiente de resistência segundo a norma americana do AISI, método da resistência direta). 14

15 Abordagem Teórica Determinação da Resistência Estrutural à Compressão 15

16 Abordagem Teórica Foram calculados os valores da resistência a compressão simples, com comprimentos variando de 100 a 3000mm. O gráfico a seguir apresenta a variação da resistência dos montantes em função do comprimento L, para a seção EM e EM , respectivamente. 16

17 Agenda Objetivo Introdução Abordagem Teórica Abordagem Experimental Discussão dos Resultados Conclusões 17

18 Abordagem Experimental PROGRAMA EXPERIMENTAL PRIMEIRA ETAPA A primeira etapa do programa experimental consistiu na realização de ensaios para a caracterização do aço, pois, de acordo com informações do fabricante, os aços fornecidos eram de característica não estrutural (SAE 1008). Os ensaios de caracterização do material foram realizados em prensa calibrada para levantamento de propriedades mecânicas de materiais, no Laboratório de Propriedades Mecânicas do Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da COPPE. Corpos Tensão de Amostra de Prova Escoamento - MPa 1 longitudinal 320 Chapa 3 transversal transversal 320 Chapa 2 longitudinal transversal longitudinal 263 Chapa 3 transversal transversal 275 Chapa 1 longitudinal transversal

19 Abordagem Experimental PROGRAMA EXPERIMENTAL SEGUNDA ETAPA A segunda etapa consistiu da preparação dos corpos de prova para a execução dos ensaios de compressão centrada. Cada corpo de prova recebeu em suas extremidades uma chapa de aço. A centragem de cada corpo de prova nessa chapa foi realizada com auxílio de papel milimetrado. 19

20 Abordagem Experimental PROGRAMA EXPERIMENTAL TERCEIRA ETAPA Na terceira etapa, os perfis foram submetidos à compressão centrada. As fotos a seguir mostram a prensa Amsler onde foram realizados os ensaios e os corpos de prova ensaiados para os montantes EM 100-2,00 mm com furo e sem furo, e os montantes EM 80-2,00 mm com furo e sem furo. 20

21 Agenda Objetivo Introdução Abordagem Teórica Abordagem Experimental Discussão dos Resultados Conclusões 21

22 Discussão dos Resultados A influência dos furos na resistência à compressão desses perfis foi obtida através do método de área efetiva (A e ) calculada conforme a norma americana RMI, item da Specification for the design, testing and utilization of industrial steel storage racks. Onde: Ø A ( Q) F Qø n e = Œ1-1- œanet min Œ Ł Fy º ł œ ß - a tensão de escoamento utilizada para cálculo da área efetiva foi a real do aço. - o valor da A netmin foi obtido a partir da área nominal da seção cheia subtraída da área dos furos. - utilizou-se (F n = P exp /A), como a tensão média de resistência da coluna curta sem furo. 22

23 Discussão dos Resultados Comp fy Pn exp Àrea sem furos Àrea net A netmin /A g Corpo de Prova min (mm) MPa (kn) mm 2 mm 2 CP1 EM com furo CP2 EM com furo ,88 CP3 EM com furo CP7 EM com furo CP8 EM com furo ,88 CP9 EM com furo CP13 EM com furo CP14 EM com furo ,85 CP15 EM com furo CP19 EM com furo CP20 EM com furo ,84 CP21 EM com furo

24 Discussão dos Resultados O fator Q foi calculado conforme item da norma citada acima. Q = f y P exp A net min Onde: - Para o cálculo de Q, utilizou-se os resultados experimentais dos ensaios de compressão. - Quanto ao valor da resistência experimental P exp utilizou-se a força máxima registrada no ensaio de compressão de coluna curta 24

25 Discussão dos Resultados Área efetiva Área Efetiva / CP Média Q=Pn exp / Fy.A netmin Ae=(1-(1-Q).(Fn/Fy) Q ).A netmin Área Teórica CP1 0, ,67 CP2 0, ,69 CP3 0, ,70 0,69 CP7 0, ,79 CP8 0, ,76 CP9 0, ,75 0,77 CP13 0, ,76 CP14 0, ,75 CP15 0, ,73 0,75 CP19 1, ,96 CP20 1, ,02 CP21 1, ,01 1,00 25

26 Discussão dos Resultados Rresultados da resistência dos montantes como colunas Os valores a serem adotados estão na última coluna e apresentam elevada segurança com relação aos resultados experimentais devido à redução da tensão de escoamento se comparada aos valores medidos do aço. Montante EM Redução Área Fy Pn Pn /1,1 (mm2) (MPa) (kn) (kn) com furo 0, EM com furo 0, EM com furo 0, EM com furo 1,

27 Discussão dos Resultados resistência a compressão dos montantes em função do comprimento livre L. 27

28 Agenda Objetivo Introdução Abordagem Teórica Abordagem Experimental Discussão dos Resultados Conclusões 28

29 Conclusões A análise experimental de perfis formados a frio submetidos a ações de compressão é indispensável quando as seções não são previstas nas normas utilizadas para verificação estrutural. A tensão de escoamento fixada por norma para aços não estruturais pode conduzir a importante discordância entre os resultados teóricos e experimentais. E ainda, a limitação da tensão de escoamento para aços não estruturais provoca ganho na segurança, pois as resistências calculadas são bem inferiores às reais, em detrimento da perda de economia. O uso de ensaios para comprovar a resistência superior de aços não estruturais, também acarretaria em perda de economia, pois seriam necessários ensaios de caracterização do material para cada bobina de aço que chegasse a fábrica, dada a imprevisibilidade das suas características. No caso estudado, a presença de furos foi julgada relevante na consideração de perda de resistência à compressão centrada de perfis formados frio. 29

30 Obrigado! FIM 30