ESTRUTURAS TUBULARES E FLAMBAGEM DE COLUNAS P R O F. L U C I A N O R. O R N E L A S D E L I M A l u c i a n o l i m a u e r j @ g m a i l. c o m SUMÁRIO 2 Introdução Características Geométricas Processos de Fabricação Ensaios em Laboratório Perspectivas para o Futuro Ferramentas Computacionais Conclusões 1
INTRODUÇÃO Durante muitos anos perfis em aço foram desenvolvidos para a máxima eficiência Seções I foram geradas de forma que elementos comprimidos e tracionados fossem alocados apenas onde necessário Vigas I laminadas a quente Vigas I soldadas Resistência a compressão muito maior em um determinado eixo pouca eficácia para colunas 3 INTRODUÇÃO Para resistências semelhantes em relação aos dois eixos principais da seção colunas e componentes comprimidos de treliças de grandes vãos Seções ideais tubulares 4 ovais elípticas circulares quadradas retangulres 2
INTRODUÇÃO Tubos excelentes propriedades mecânicas e estruturais Produção industrial somente foi iniciada no início dos anos 6 na Inglaterra Alguns exemplos na natureza evidenciam as excelentes propriedades geométricas destes perfis como elemento resistente à compressão, tração, flexão e, principalmente, torção 5 INTRODUÇÃO 6 3
INTRODUÇÃO Além do seu excelente comportamento estrutural, suas formas tornam este tipo de concepção bastante atrativa do ponto de vista arquitetônico e visual 7 Estação Metrô Cidade Nova INTRODUÇÃO 8 Vila Nova de Gaia, Portugal Ripshorster Bridge, Alemanha 4
INTRODUÇÃO 9 Allianz Arena - Alemanha INTRODUÇÃO 1 Brasília Fortaleza 5
INTRODUÇÃO 11 INTRODUÇÃO 12 6
INTRODUÇÃO 13 Bangcok INTRODUÇÃO 14 Santos Dumont 7
INTRODUÇÃO Offshore 15 Habitações INTRODUÇÃO 16 Shopping Bosque dos Ipês Mato Grosso do Sul 8
INTRODUÇÃO 17 Torres Eólicas http://www.renewableuk.com/ CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS 18 Curvas tensão versus massa Elevada resistência e baixo peso próprio Soluções leves maior resistência torção, cargas axiais e efeitos combinados maior economia 9
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS Além disso, a maior resistência a flambagem das barras possibilita o uso de maiores vãos livres com significativa redução do número de pilares e contraventamentos 19 CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS Maiores vãos livres 2 1
CARACTERÍSTICAS GEOMÉTRICAS Tubo x Seção Aberta Seções tubulares menor área superficial menores custos de pintura e proteção contra o fogo Facilitando os serviços de manutenção Menor coeficiente de arrasto quando exposto à ação do vento e da água 21 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO Em 1886 os irmãos Mannesmann desenvolveram uma técnica de fabricação de seções tubulares espessas sem costura Esta técnica, aliada ao processo desenvolvido por Pilger anos mais tarde, tornou possível a obtenção de seções tubulares de paredes finas sem costura 22 11
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO Laminação Contínua (sem costura) Aquecimento de um lingote de aço bruto Laminador perfurador para ser moldada na forma tubular mandril perfurador é inserido no centro do lingote através do seu eixo longitudinal 23 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 24 12
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO Solda indução a alta frequência A corrente de alta frequência é induzida para o tubo com a costura aberta através de uma bobina de indução localizada a frente do ponto de solda formando um V aberto, cujo vértice está à frente deste ponto, não havendo contato entre a bobina e o tubo A bobina age como o primário de um transformador de alta frequência e o tubo com a costura aberta como um secundário de uma volta Os rolos de soldagem forçam a união das bordas completando a soldagem 25 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO 26 13
Height (mm) Load (kn) 1/3/216 ENSAIOS DE COLUNAS EM LABORATÓRIO Estruturas em Aço Carbono y x 27 11x8x6,3mm 12 159kN 1 936kN 8 839kN 6 4 TR3 2 TR2 TR6 5 1 15 2 Displacement (mm) y x Flambagem global Mostrar vídeo Coluna_Longa.mov 28 1 (in kn) 1.26 9 13.34 2.25 8 3.14 4.75 7 5.34 6.69 6 699.34 8.87 5 962.34 937.54 4 912.51 887.28 3 862.85 837.76 2 812.78 787.9 1 747.97 75.52 5 1 15 2 25 3 Lateral Displacement (mm) ENSAIOS DE COLUNAS EM LABORATÓRIO Estruturas em Aço Carbono 14
Load (kn) 1/3/216 ENSAIOS DE COLUNAS EM LABORATÓRIO Estruturas em Aço Carbono 14 29 12 1 8 6 TR9_A 4 TR7_A TR8_A_C 2 TR1_A_C TR11_A_C_B TR12_A_C_B y x y x 1 2 3 4 5 Displacement (mm) Flambagem local Mostrar vídeo Coluna_Curta.mov ENSAIOS DE COLUNAS EM LABORATÓRIO Estruturas em Aço Carbono 3 15
Load (kn) Load (kn) Load (kn) Load (kn) 1/3/216 ENSAIOS DE COLUNAS EM LABORATÓRIO Estruturas em Aço Carbono 12 31 12 1 1 8 8 6 6 4 4 Strain-2 Strain-1 Strain-4 2 Strain-3 2-13 -11-9 -7-5 -3-1 1 Strain ( ) -3-2 -1 1 Strain ( ) ENSAIOS DE COLUNAS EM LABORATÓRIO Estruturas em Aço Carbono 12 32 12 1 1 8 8 6 6 4 4 Strain-1 Strain-2 Strain-3 2 Strain-4 2-25 -15-5 5 Strain ( ) -25-15 -5 5 Strain ( ) 16
DIMENSIONAMENTO Estruturas em Aço Carbono 1.2 1.8 c.6 N b = ( c x A g x f y ) / a1 Eurocode 3 - curva a Eurocode 3 - curva c NBR88 NBR88 com ga1=1,1 NBR16239 NBR16239 com ga1=1,1 33.4.2.5 1 1.5 2 2.5 l Curvas de flambagem DIMENSIONAMENTO Estruturas em Aço Carbono N b = ( c x A g x f y ) / a1 34 17
PERSPECTIVAS PARA O FUTURO Estruturas em Aço Inoxidável Colunas Mistas Resultados Experimentais Resultados Numéricos Análise Paramétrica 35 PERSPECTIVAS PARA O FUTURO Estruturas em Aço Inoxidável Colunas Mistas 36 18
Carga [kn] 1/3/216 PERSPECTIVAS PARA O FUTURO y 37 Estruturas em Aço Inoxidável Colunas em cantoneiras L 64x64x6,4mm x 3 25 2 15 1 5 L_1 L_5 2 4 6 8 Deslocamento [mm] PERSPECTIVAS PARA O FUTURO 38 Estruturas em Aço Inoxidável Flambagem local Colunas em cantoneiras L 64x64x6,4mm Flambagem global 19
PERSPECTIVAS PARA O FUTURO Estruturas Flambagem Aço Inoxidável local Colunas em cantoneiras L 64x64x6,4mm 39 PERSPECTIVAS PARA O FUTURO Flambagem global Estruturas em Aço Inoxidável Colunas em cantoneiras L 64x64x6,4mm 4 2
Nef [kn] 1/3/216 PERSPECTIVAS PARA O FUTURO 41 Estruturas em Aço Inoxidável Colunas em tubos 5x5x2mm 14 12 1 8 6 4 EC3 ANSYS 5 mm 7 mm 1 mm 15 mm 18 mm 2.5 1 1.5 2 Esbeltez Normalizada λ DIMENSIONAMENTO 42 Modelos Estruturais 21
DIMENSIONAMENTO 43 Cooperação com Prof. A. Bussbaumer e L. Borges - Lausanne (Experimental + Numérico) Ensaios Experimentais DIMENSIONAMENTO 44 Modelos Numéricos 22
DIMENSIONAMENTO 45 Modos de Falha - Ligações DIMENSIONAMENTO Cooperação com Prof. Choo - Singapore (Experimental + Numérico) 46 Modos de Falha - Ligações 23
DIMENSIONAMENTO 47 Tipos de Ligações DIMENSIONAMENTO 48 Modos de Falha - Ligações 24
DIMENSIONAMENTO 49 Local buckling in compression brace Modos de Falha - Ligações DIMENSIONAMENTO 3 9 5 d d 1,2 1, 1 5 t d di 1 i 5 t i Local buckling in compression brace d 2t 25 Parâmetros de Geometria 25
DIMENSIONAMENTO 51 Local buckling in compression brace Resistência das Ligações DIMENSIONAMENTO 52 Local buckling in compression brace Resistência das Ligações 26
Load (kn) 1/3/216 PESQUISA Ligações Tubulares Avanços Norma Brasileira NBR16369 Análises Numéricas calibradas com resultados experimentais Critério de Deformação Limite Análises Paramétricas 14 12 1 53 8 6 4 2 T1 - Lie et al. [1] T1RA4Nx2MATWELDSOLID T1RA4Nx2MATWELDOUT T1RA4Nx2MATWELDSHELL EC3 Deformation limit 5 1 15 2 25 3 35 Displacement (mm) Cooperação com Prof. Luis Neves Coimbra PESQUISA 54 27
PESQUISA Ligações RHS x CHS K Ligações RHS x CHS KT 55 Cooperação com Profa. Arlene UFOP PESQUISA Ligações RHS x CHS K 56 28
Load (kn) 1/3/216 PESQUISA Ligações CHS x CHS T 57 PESQUISA Ligações CHS x CHS K 58 2 16 N s = 155kN N u = 165kN 12 8 EC3 ultimate load 4 Lu et al - ultimate strength 5 1 15 2 25 3 Axial displacement (mm) 1 - right diagonal (compression) 2 - left diagonal (tension) 29
Força (kn) 1/3/216 PESQUISA 59 Ligações CHS x Perfil I 2.5 C b,ip/s j,ini 2 1.5 1.5 Cb,ip/Sj,ini C*b,ip/Sj,ini 2 4 6 8 1 Modelos PERSPECTIVAS PARA O FUTURO 6 Estruturas c/ Aço Inoxidável Colunas Resultados numéricos Análise paramétrica 225 2 175 15 125 21kN RS1J5 1 75 5 25 7kN RT1L65 2 4 6 8 1 Deslocamento (mm) Coluna Curta com Enrijecedor Coluna Curta sem Enrijecedor 3
Carga [kn] 1/3/216 PERSPECTIVAS PARA O FUTURO Ligações Tubulares Aço Inox Aço Inoxidável Cooperação com Prof. Ben Young - Hong Kong (Experimental) Avanços Desenvolvimento de Norma Brasileira Análises Numéicas calibradas com resultados experimentais Critério de Deformação Limite Análises Paramétricas Ligações T RHS x RHS 12 1 8 6 61 4 Numérico 2 Experimental 5 1 15 2 25 3 35 4 Deslocamento [mm] PERSPECTIVAS PARA O FUTURO 62 Testes in loco, em Laboratório e Simulações MEF 31
PRODUÇÃO BRASILEIRA DE AÇO POR SETOR 63 FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS - SMARTHPONES 64 32
FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS - COMPUTADORES 65 CONCLUSÕES Tubos Natureza Seções ideais colunas e componentes comprimidos de treliças de grandes vãos Resistentes a compressão, tração, flexão e, principalmente, torção Normas relativamente recentes Muitas aplicações mais variados tipos de estruturas Ligações tubulares soldadas cuidados especiais dimensionamento e fabricação 66 Arquiteto Siegbert Zanettini 33
OBRIGADO!!!!!! P R O F. L U C I A N O R O D R I G U E S O R N E L A S D E L I M A l u c i a n o l i m a u e r j @ g m a i l. c o m 34