Durante este workshop prático, 36 engenheiros, divididos em 6 equipes, enfrentaram dois desafios complexos de projeto de ligações. Cada equipe foi encarregada de modelar uma ligação em aço, com foco no desempenho estrutural e na viabilidade prática.
As equipes consistiam em engenheiros estruturais de empresas de engenharia e fabricantes de aço, cada uma orientada por um calculisa experiente em ligações. Após as apresentações dos projetos, nós da IDEA StatiCa tivemos a oportunidade de modelar as ligações com o aplicativo IDEA StatiCa Connection. Dessa forma, pudemos analisar os resultados imediatamente e discuti-los em conjunto.
Abaixo explicamos os projetos e resultados detalhadamente. O artigo está dividido em duas partes, uma para cada desafio de projeto de ligação em aço.
1 – Modelar uma ligação complexa viga-pilar com vigas de borda
No primeiro desafio de projeto, focamos em uma junta conectando quatro elementos. As forças internas e os perfis tornaram essa tarefa desafiadora, como mostrado pela variedade de soluções: cada uma das seis equipes adotou uma abordagem diferente. Isto é exatamente o que torna esta profissão tão fascinante: nunca há uma única solução correta.
O maior desafio surgiu com a ligação das vigas de borda. Duas seções tubulares retangulares (180/180/6) tinham que ser conectadas a um pilar (HEA160) ou viga principal (IPE400). Combinado com os carregamentos impostos, o que criou uma situação de modelagem difícil.
Abaixo está uma visão geral das ligações, esboços e modelos elaborados no software de ligações em aço IDEA StatiCa. Em seguida, discutimos cada ligação e destacamos insights-chave das discussões e resultados.
Grupo A
O Grupo A escolheu estender o pilar e conectar a viga principal (IPE400) com uma chapa de extremidade. O desafio estava principalmente em conectar as vigas RHS de borda ao pilar HEA160. Para isso, foi proposta uma ligação com chapa gusset com dois parafusos M36. No entanto, ao modelar no IDEA StatiCa, rapidamente ficou claro que não havia espaço suficiente para este tamanho de parafuso. Como os especialistas durante o workshop enfatizaram, é essencial desenhar em escala para entender a exequibilidade de uma ligação.
Ao invés de uma ligação soldada direta, o grupo escolheu estender a chapa de ligação através de um recorte na alma do pilar para melhor transferir forças e reduzir tensões na alma do pilar.
Ao calcular a ligação no IDEA StatiCa, grandes deformações plásticas surgem na ligação das vigas de borda. Devido à alta força axial de compressão de 400 kN nas vigas de borda e uma excentricidade na chapa Gusset, ocorre um momento fletor na ligação. Usando uma ferramenta de análise de elementos finitos como o IDEA StatiCa, isso rapidamente se torna visível através das deformações que ocorrem.
Ao aumentar as espessuras das chapas, a ligação pode atender aos requisitos. Com uma chapa contínua de 35 mm e 2x M33 8.8 parafusos, é alcançada resistência e rigidez suficientes.
Embora a solução seja satisfatória, vale a pena considerar evitar a excentricidade, o que provavelmente seria inclusive mais eficiente estruturalmente.
Grupo B
O Grupo B tinha uma ligação similar, mas aqui a viga principal foi estendida. Escolher uma ligação simétrica das vigas de seção tubular quadrada (SHS) evita o momento fletor adicional. Com as espessuras de chapa prescritas, a deformação plástica fica logo abaixo do limite de 5%.
Ao aumentar as espessuras das chapas e fornecer soldas suficientes, a ligação resiste à combinação de compressão axial e cisalhamento horizontal, mantendo a deformação plástica abaixo de 5%.
Apenas a verificação de parafusos não era satisfeita usando 4x M24 8.8. No entanto, simplesmente reforçar os parafusos não resolve o problema porque a verificação é limitada pela resistência ao esmagamento. Uma solução alternativa é aumentar o grau do aço das chapas de ligação para S355. Isso permite alcançar resultados ótimos com apenas aumentos mínimos na espessura da chapa e tamanho do parafuso.
Grupo C
O Grupo C também tem uma ligação similar, mas ao contrário dos grupos A e B, é mais adequada para carregamento horizontal porque a chapa gusset é girada em um quarto de volta. Estamos novamente lidando com uma excentricidade e encontramos os mesmos problemas do Grupo A. O uso de quatro parafusos em vez de dois torna a junta mais rígida, mas ainda vemos alta deformação plástica e deformação. Soldar a chapa gusset ao enrijecedor e aumentar as espessuras das chapas ajudam a tornar a junta mais rígida, mas a excentricidade sempre estará presente.
Ao aumentar as espessuras das chapas de 15 mm para 30 mm, a junta passa a atender aos requisitos de projeto com 4x M24 8.8 parafusos.
Este tipo de junta funciona com mais segurança sem excentricidades. Se uma excentricidade for inevitável por razões práticas, a ligação será especialmente adequada para transferir uma força transversal em uma direção, na direção onde a ligação é mais rígida. A combinação de uma excentricidade com grande força normal de compressão e uma força transversal na direção de menor inércia da conexão fará com que o elemento dobre e corra risco de flambagem.
Análise de flambagem
Para avaliar adequadamente este risco, faz sentido realizar uma análise de flambagem adicional. Com o IDEA StatiCa, uma análise de flambagem linear pode ser realizada, o que mostra que para chapas com espessura insuficiente, pode ocorrer uma forma de flambagem semelhante à flambagem global. Com base no fator de flambagem correspondente, isso pode ser interpretado como uma falha por flambagem.
Mais informações sobre isso e como o IDEA StatiCa realiza a análise de flambagem linear podem ser encontradas no seguinte artigo Flambagem global vs. flambagem local. O que isso significa?
Grupo D
O Grupo D adota uma abordagem diferente e os problemas vistos nos três primeiros grupos são evitados com a continuidade das vigas de borda. O IPE400 é conectado ao pilar parcialmente contínuo com uma chapa de extremidade e à viga de borda com uma pequena chapa de borda. Os resultados mostram que a ligação desempenha construtivamente bem e as forças são eficientemente transmitidas.
Como é uma ligação de cisalhamento, o grupo recomenda usar um furo alongado na chapa de borda para evitar que força excessiva seja transmitida através do parafuso durante a rotação da viga. Isso evita altas tensões na chapa de borda e parede da seção tubular retangular. Esta consideração de projeto também afeta a rigidez rotacional da junta.
Análise de rigidez
Para determinar a rigidez exata da ligação, a análise de rigidez pode ser realizada com o IDEA StatiCa. O diagrama momento-rotação é gerado e com base no Eurocode, a junta pode ser classificada como totalmente rígida, semi-rígida ou rotulada.
Analisando a ligação da viga de cobertura para o Grupo D, o IDEA StatiCa fornece uma rigidez rotacional que é considerada Semi-rígida. Esta rigidez pode ser representada no modelo estrutural global usando uma rigidez de mola rotacional.
No entanto, se uma ligação simples for necessária, o detalhe deve ser modificado para que a ligação seja realmente classificada como Articulada. Como mostrado na figura abaixo, na situação (2) uma rótula foi realizada movendo para baixo a fileira superior de parafusos.
Grupo E
O Grupo E estendeu a viga de cobertura e a colocou no topo do pilar. As vigas de borda foram fixadas à viga de cobertura com chapas de extremidade, garantindo que as forças sejam adequadamente transmitidas na junta.
Para permitir a montagem dos parafusos, o grupo propôs um recorte na parede da seção tubular. Uma solução bem pensada, já que a praticidade é uma grande preocupação. O recorte cria uma distribuição de tensão diferente no entalhe, mas ao aplicar um recorte redondo, as concentrações de tensão permanecem limitadas.
Grupo F
Como vimos, a ligação das vigas de borda cria desafios de projeto. O Grupo F resolve estes substituindo as vigas de borda por seções HEA160. Isso facilita a ligação das vigas ao pilar e fornece espaço suficiente para montar os parafusos. A ligação funciona bem sob compressão, e as chapas de extremidade canalizam eficientemente as forças através do pilar.
No entanto, as vigas de borda também podem estar sob uma carga de tração de 400 kN. Neste caso de carga, a ligação não é satisfatória. Ao aumentar a espessura das chapas de extremidade de 15 mm para 20 mm, os requisitos de resistência são atendidos e a ligação é adequada para cargas de tração e compressão.
Biblioteca de Ligações
Não tem certeza de como modelar uma ligação de aço específica? A Biblioteca de Ligações no IDEA StatiCa dá acesso instantâneo a dezenas de exemplos práticos, ajudando a encontrar a solução certa mais rapidamente. É um recurso valioso que muitos engenheiros estruturais usam como inspiração ao calcular ligações em aço.
2 – calcular uma ligação de placa de base com contraventamento
O segundo desafio de projeto envolve uma ligação de placa de base. O contraventamento diagonal pode ser feito em três perfis diferentes e é carregado com uma força de compressão de 500 kN. O próprio pilar enfrenta uma força de compressão significativa de 2000 kN.
O foco está na ligação entre a diagonal e o pilar, bem como no projeto da placa de base, incluindo chumbadores e fundação. Com base nos esboços e apresentações submetidos, as ligações foram modeladas e analisadas no IDEA StatiCa. Mais uma vez, este projeto mostra que múltiplas soluções de ligação são possíveis: não há uma única resposta correta. Abaixo, apresentamos uma visão geral dos diferentes projetos, incluindo os resultados do IDEA StatiCa. Em seguida, discutimos as principais considerações de projeto, abordando os grupos coletivamente em vez de individualmente.
Ligação do contraventamento ao pilar
Para a ligação do contraventamento, três grupos (A, C, E) escolheram uma chapa de extremidade com ligação stub, e os outros três grupos (B, D, F) escolheram uma chapa gusset com ligação parafusada.
O projeto de ligação stub fornece transferência direta de força de compressão sem complicações na ligação. Optando por um perfil HEA, a montagem dos parafusos é facilmente viável e a alma do elemento diagonal está alinhada com a alma do pilar. Como resultado, as tensões são bem transmitidas para o pilar, como visto nas soluções dos grupos A, C e E (ver figura).
Em contraste, os Grupos B, D e F escolheram uma ligação com chapa gusset. Eles consideraram girar o pilar em um quarto de volta para que o contraventamento possa ser conectado dentro do pilar sem ocupar muito espaço. No entanto, neste caso, a chapa gusset é conectada diretamente, mas transversalmente, à alma do pilar, e devido às altas forças de compressão, picos de tensão podem ocorrer na alma do pilar. Os cálculos no IDEA StatiCa mostram que o projeto está dentro dos limites aceitáveis, mas o engenheiro estrutural deve permanecer cauteloso. Se a alma começar a se deformar plasticamente, é aconselhável girar o pilar, aumentar a espessura da alma ou adicionar enrijecedores.
Nos projetos com a ligação de chapa gusset, é vantajoso tornar a ligação simétrica e não deixar as chapas se projetarem muito, pelas mesmas razões que discutimos no primeiro desafio de projeto. A ligação B apresenta um layout assimétrico, mas a chapa de 20 mm de espessura e o uso de seis parafusos resistem efetivamente ao momento resultante, mantendo as tensões dentro dos limites aceitáveis.
Projeto da placa de base do pilar
Há também considerações importantes no projeto da placa de base e fundação de concreto. Devido às altas forças de compressão, é crucial que as tensões sejam bem distribuídas através da placa de base para o concreto. Isso pode ser alcançado escolhendo uma placa mais espessa e tornando-a mais larga que o perfil do pilar para que as tensões sejam melhor distribuídas.
A figura abaixo compara as tensões na placa de base e as tensões de contato no concreto para uma placa de base com 40 mm e 10 mm de espessura. Se a placa de base for muito fina, as tensões se concentram ao redor do perfil do pilar em vez de serem efetivamente distribuídas. Como resultado, a área de contato efetiva no concreto se torna muito pequena, levando a tensões de compressão que excedem o limite permitido.
Fundação do pilar
Vemos diferentes soluções de fundação, com ou sem junta de argamassa, e chumbadores com ou sem chapas de arruela. Os chumbadores usados variam de M20 a M30.
Os cálculos no IDEA StatiCa mostram que nenhuma das ligações é satisfatória para verificar os chumbadores. Por padrão, as forças de cisalhamento são definidas para serem transmitidas através dos chumbadores. Chumbadores M20 são considerados insuficientemente resistentes e não podem suportar as forças de cisalhamento. Em contraste, chumbadores M30 8.8, em combinação com uma chapa de arruela, são suficientemente resistentes para transferir as forças de cisalhamento. No entanto, a verificação ainda não é satisfatória, porque o problema agora não está no aço, mas na falha do concreto.
As forças de cisalhamento nos chumbadores causam falha de borda do concreto, com os chumbadores sendo arrancados do concreto. O IDEA StatiCa Connection calcula com concreto simples, então a falha do concreto em forças mais altas é inevitável.
Se as forças não puderem ser reduzidas, quatro possíveis soluções permanecem.
- Otimizar a transferência de força de cisalhamento adicionando uma barra de cisalhamento. Desta forma, todo o cisalhamento é transferido pela barra e a falha dos chumbadores e arrancamento do concreto é evitada.
- Transferir forças de cisalhamento por atrito em vez de através dos chumbadores. A alta força de compressão no pilar fornece resistência ao atrito suficiente.
- Modificar o bloco de concreto. Aumentando a distância da borda ou a classe do concreto, o concreto tem menos probabilidade romper.
- Projetar Armadura Adicional no bloco de concreto. Desta forma, a armadura de aço resiste às forças de tração e evita o arrancamento do concreto. Esta solução pode ser modelada e analisada usando o IDEA StatiCa 3D Detail.
Como mostrado nos esboços dos projetistas, apenas o Grupo E incluiu armadura em seu projeto. Ao adicionar armadura de aço ao elemento de concreto, mecanismos de falha como arrancamento do cone de concreto e falha de borda do concreto podem ser evitados.
- Curioso como economizar tempo no projeto de armadura sem comprometer a segurança?
Assista a este webinar sobre Utilização de Armadura no Projeto de Chumbadores - Ou confira este tutorial do IDEA StatiCa sobre Ancoragem excêntrica em Detail.
Consideração final
As ligações em aço foram projetadas por 6 grupos, modeladas no IDEA StatiCa e discutidas com engenheiros estruturais experientes. Usando o IDEA StatiCa, pudemos analisar os resultados em detalhes e identificar e discutir considerações importantes de projeto. Este workshop mostra que muitas ligações podem ser projetadas de infinitas maneiras e que nunca há uma única solução correta. Vivenciamos a importância de desenhar em escala e seguir o caminho das forças na ligação. Analisar a rigidez e visualizar como a junta irá se deformar é um bom experimento mental para entender como uma ligação irá se comportar.
“A imaginação é mais importante que o conhecimento“, disse Albert Einstein. E isso certamente se aplica ao projeto de ligações em aço também. Qualquer um que possa imaginar como uma junta se parece, como será feita, se as proporções estão corretas, como as forças fluirão e como a ligação irá se deformar já está um passo mais perto de se tornar o melhor calculista de ligações em aço.
