Contribuição técnica nº 5 ESTUDO NUMÉRICO-EXPERIMENTAL DE LIGAÇÕES PARAFUSADAS COM CHAPA DE TOPO ENTRE VIGA METÁLICA DE SEÇÃO I E PILAR MISTO PREENCHIDO COM CONCRETO NUMÉRICOS DE SEÇÃO QUADRADA DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTOS DE ESTRUTURAS DE AÇO USANDO MÉTODOS Autoras: Autores: Marcela Ricardo Ficanha Novischi, Eng. Kataoka METASA S.A. Fábio kataoka@sc.usp.br A. Nardi, Eng. METASA S.A. Ana Lúcia Homce de Cresce El Debs analucia@sc.usp.br Zacarias M. Chamberlain Pravia, D.Sc. Universidade de Passo Fundo
DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTOS DE ESTRUTURAS DE AÇO USANDO MÉTODOS NUMÉRICOS O constante crescimento do setor de estruturas de aço requer métodos e meios que garantam a segurança para a estrutura com o menor consumo de aço possível; O implemento do dimensionamento de elementos de estruturas de aço usando métodos numéricos colabora para a melhoria dos projetos e processos de fabricação; 2
Situações específicas para o dimensionamento de seções quaisquer, não resguardadas pelos métodos tradicionais de dimensionamento, propõem o uso de modelos numéricos discretizados, para representação do seu comportamento e verificação da sua resistência; 3
A norma ABNT NBR8800:2008 apresenta o item 5.5.2.3, onde trata de seções quaisquer submetidas a momento de torção, força axial, momentos fletores e forças cortantes; As tensões resistentes para os estados-limites últimos devem ser iguais ou superiores as tensões solicitantes de cálculo; 4
a) Estados-limites de escoamento sob efeito de tensão normal: s Sd f g y a1 b) Estados-limites de escoamento sob efeito de tensão de cisalhamento: t Sd 0,6 f g a1 y c) Estados-limites de flambagem sob efeito de tensão normal: s Sd cf g y a1 d) Estados-limites de flambagem sob efeito de tensão de cisalhamento: t Sd 0,6cf g a1 y Onde, χ é o fator de redução associado à resistência à compressão, determinado de acordo com 5.3.3, tomando-se para tensões normais e para tensões de cisalhamento. Com σe igual à tensão crítica elástica normal e τe igual à tensão crítica elástica de cisalhamento, para o estado-limite de instabilidade ou flambagem em questão, levando-se em conta, quando necessário, a interação entre instabilidade global e flambagem local. 5
Análises Barra prismática submetida à força axial de tração, modelada e discretizada com todas as combinações de ações majoradas: Chapa com furos. Chapa prismática submetida à força axial de compressão modelada com todas as combinações, avaliar a necessidade de análise de segunda ordem (grandes deslocamentos), se não for necessário, realizar análise de estabilidade elástica (Autovalores e autovetores do problema de fambagem) e obter Ne, a partir disso determinar a tensão limite: Chapa AL (Apoiada/livre) verificada a compressão. 6
Caso I placa com furos submetida a tração pura Chapa com furos submetida à força axial de tração Escoamento da seção bruta (item 5.2.2.a), FRd = 548,8kN; Ruptura da seção líquida (item 5.2.2.b), FRd = 408,3kN; Colapso por rasgamento (item 6.5.6), FRd = 326,4kN; Pressão de contato (item 6.3.3.a), FRd = 245kN. Figura 1: Condições da verificação 7
Caso I placa com furos submetida a tração pura Chapa com furos submetida à força axial de tração Figura 2: Distribuição de tensões 8
Caso I placa com furos submetida a tração pura Uma nova análise foi desenvolvida, modelando além da placa os elementos de ligação que fazem a transmissão do esforço entre as peças ligadas, neste caso, os parafusos; Pode-se verificar a diferença entre as análises somente pela forma de elaboração do modelo, que se torna um ponto fundamental para a correta análise; 9
Caso I Chapa com furos sujeita a tração Figura 3: Carregamentos e resultados 10
Caso I Chapa com furos sujeita a tração Figura 4: Tensões com representação dos parafusos 11
Caso I Chapa com furos sujeita a tração Com as tensões encontradas, é feita a verificação segundo o item 5.5.2.3 a) Para os estados-limites de escoamento sob efeito de tensão normal: f y 345MPa s Sd = 313,6MPa = = 313, 6MPa g 1,1 a1 COM A CORRETA REPRESENTAÇÃO DOS ELEMENTOS PODE-SE CONCLUIR QUE A EQUAÇÃO APRESENTADA NO ÍTEM 5.5.2.3 a) FORNECE O ESTADO LIMITE QUE DELIMITA A CAPACIDADE DA CHAPA COM FUROS A SOLICITAÃO DE TRAÇÃO. 12
OBSERVAÇÕES: Modelagem o mais perto da realidade; Verificações simples com resistência de materias ou teoria da elasticidade; Figura 5: Tensões na chapa Observa-se que o estado limite no caso de barra prismática de referência foi: Pressão de contato (item 6.3.3.a), 245kN. 13
CASO II Chapa sujeita a compressão 150 500 12,5 Figura 6:Chapa sujeita a compressão 14
CASO II Chapa sujeita a compressão Elementos: AL Apoiado-Livre Grupo: 4 Descrição: Chapas projetadas de seções I, H, T soldadas ou laminadas Ł b t ł = 15cm 1,25cm = 12 Ł b t ł lim = E 20000kN / cm 0,56 = 0,56 2 f 34,5kgf / cm y 2 = 13,48 A VERIFICAÇÃO DA FLAMBAGEM LOCAL DEVE SER ATENDIDA!! 15
CASO II Chapa sujeita a compressão ANÁLISE ELÁSTICA DE FLAMBAGEM Fator de carga = 26,24 s e = 26, 2MPa Figura 7: Análise Elástica de Flambagem 16
CASO II Chapa sujeita a compressão ANÁLISE SEGUNDA ORDEM : Deslocamentos Figura 8: Análise de Segunda Ordem/Deslocamentos 17
CASO II Chapa sujeita a compressão ANÁLISE SEGUNDA ORDEM: Tensões: Máxima = 21,8MPa Figura 9: Análise de Segunda Ordem/Tensões 18
CASO II Chapa sujeita a compressão Índice de esbeltez reduzido: l f 345MPa 26,2MPa y 0 = = = s e 3,63 Fator associado a resistência a compressão: 0,877 0,877 l > 1,5 : c = = = c 2 2 l 3,63 0 = 0 0,07 Tensão limite: s cf g 0,07 345MPa 1,1 y Sd = = 21, 9 a1 MPa 19
Caso II Chapa sujeita a compressão Com as tensões encontradas, é feita a verificação segundo o item 5.5.2.3 c) Para os estados-limites de instabilidade ou flambagem sob efeito de tensão normal: cf y 0,07 345MPa s Sd = 21,8 MPA = = 21, 9MPa g 1,1 a1 COM A CORRETA REPRESENTAÇÃO DOS ELEMENTOS PODE-SE CONCLUIR QUE A EQUAÇÃO APRESENTADA NO ÍTEM 5.5.2.3 a) FORNECE O ESTADO LIMITE QUE DELIMITA A CAPACIDADE DA CHAPA COM FUROS A SOLICITAÃO DE TRAÇÃO. 20
Outras aplicações (reais): MEF: TOPO DE COLUNA COM CHAPA DE TOPO E ENRIJECEDORES. Figura 10: Carregamentos e resultados 21
Outras aplicações (reais): MEF: EMENDA DE COLUNA CAIXÃO, FORMADA POR TUBOS. Figura 11: Considerações e resultados 22
Outras aplicações (reais): MEF: BARRA DE IÇAMENTO E MOVIMENTAÇÃO DE CARGAS. Figura 12: Considerações e resultados 23
Outras aplicações (reais): MEF: VIGA DE ROLAMENTO COM PERFIS TUBULARES Figura 13: Viga de rolamento com perfis tubulares 24
Outras aplicações (reais): Figura 14: Análise de rigidez torcional 25
Outras aplicações (reais): Figura 15: Colunas diversificadas 26
Comentários e Observações : Escolha adequada do tipo de elemento e da discretização; Análise de flambagem elástica e de segunda ordem, ou ainda de não linearidade física; Avaliação da deslocabilidade da estrutura; Aplicações para elementos não prismáticos, conexões e outros tipos de elementos; Análises completas com não linearidades de material e consideração de grandes deslocamentos, fornecem tensões no estado limite! Continuação dos estudos numéricos e comprovação experimental. 27
Elementos que estão sendo estudados: Figura 16: Vigas de alma cheia Figura 17: Viga com aberturas retangulares na alma 28
Elementos que estão sendo estudados: Figura 18: Enrijecedores inclinados, em elemento não simétrico Figura 19: Enrijecedores horizontais e verticais 29
Agradecimentos: A empresa METASA S/A Indústria Metalúrgica pelo apoio ao desenvolvimento deste trabalho e por permitir usar a licença do software ANSYS; Ao Professor Zacarias pelas valiosas dicas e incentivo em buscar o conhecimento. 30