ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE LIGAÇÕES METÁLICAS PARAFUSADAS VIGA-PILAR COM CHAPA DE TOPO UTILIZANDO ELEMENTOS FINITOS - PDF
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Manuella Ávila Cunha
1 ISSN ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE LIGAÇÕES METÁLICAS PARAFUSADAS VIGA-PILAR COM CHAPA DE TOPO UTILIZANDO ELEMENTOS FINITOS Yuri Ivan Maggi 1 & Roberto Martins Gonçalves 2 Resumo Este trabalho apresenta uma análise numérica sobre o comportamento estrutural das ligações parafusadas viga-pilar com chapa de topo, em estruturas metálicas, como parte da Dissertação de Mestrado de MAGGI (2000) intitulada "Análise numérica, via M.E.F., do comportamento de ligações parafusadas viga-coluna com chapa de topo", onde são discutidos aspectos relativos à rigidez das ligações verificando-se a influência, sobre esse aspecto em particular, da variação da espessura da chapa de topo e diâmetro dos parafusos. Adicionalmente, apresenta a metodologia utilizada pelo EUROCODE-3 (1993) para o dimensionamento das ligações com chapa de topo, discutindo-a sob o ponto de vista dos resultados obtidos com a análise numérica. Para tanto, são apresentados modelos numéricos preparados com a utilização de elementos finitos, os quais são utilizados como ferramenta para o estudo da ligação com chapa de topo. A modelagem e processamento numéricos foram realizados integralmente com o software comercial ANSYS, analisando-se ainda a representatividade dos modelos numéricos. Palavras-chave: ligações parafusadas; ligações semi-rígidas; vigas; estruturas metálicas. 1 INTRODUÇÃO As estruturas metálicas em geral, se observadas cuidadosamente, revelam uma característica de essencial importância sob o aspecto de sua concepção, projeto e construção, traduzida na influência do desempenho de suas ligações entre vigas e pilares no comportamento global da estrutura. Tal influência é acentuada pela possibilidade de utilização de uma grande diversidade de configurações e dispositivos para as ligações, o que potencialmente introduzirá descontinuidades geométricas aliadas às 1 Doutor em Engenharia de Estruturas - EESC-USP 2 Professor do Departamento de Engenharia de Estruturas da EESC-USP,
2 22 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves descontinuidades mecânicas oriundas do material utilizado, que podem induzir a um comportamento global não linear da estrutura. Esses fatores evidenciam a impossibilidade de se obter ligações que possam ser idealizadas perfeitamente como rígidas ou flexíveis, como convencionalmente é pressuposto na análise estrutural. Segundo essa prática, considera-se as ligações como pontos nodais, sendo que os nós que mantêm a continuidade rotacional, não modificando o ângulo relativo entre os elementos após a atuação do carregamento na estrutura, são classificados como rígidos. Neste caso, há transmissão total do momento fletor. Por outro lado, classificam-se como flexíveis os nós onde não se deseja nenhuma transmissão de momento fletor, com consequente descontinuidade rotacional entre os elementos. As considerações realizadas acima permitem observar que é necessária a inclusão de um tipo intermediário para a classificação das ligações o qual denominaremos de "ligações semi-rígidas" 3, ou seja, aquelas com comportamento intermediário ao das ligações idealizadas como rígidas ou flexíveis, quanto à continuidade rotacional e à transmissão de momentos fletores. Assim, é visível a necessidade de incorporar o estudo das ligações semirígidas às etapas de análise e dimensionamento das estruturas metálicas, razão pela qual nas últimas três décadas um grande número de pesquisas têm sido desenvolvidas de modo a melhor representar o comportamento de diversos tipos de ligações, na determinação efetiva tanto de seus estados limites últimos quanto na sua influência para o comportamento global das estruturas de que fazem parte. Dentro desse contexto, são apresentados modelos numéricos discretizados com elementos finitos, os quais são utilizados como ferramenta para o estudo das ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo, esquematizada na figura 1, permitindo a análise do comportamento deste tipo de ligação e incluindo aspectos referentes ao comportamento da chapa de topo e dos parafusos que compõem a ligação, além de discussões em torno da metodologia de dimensionamento proposta pelo EUROCODE-3 (1993), apresentado a seguir. Figura 1 Ligação viga-pilar com chapa de topo 3 "semi-rígidas" é uma denominação corrente utilizada na área de estruturas metálicas
3 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo Considerando a grande quantidade de parâmetros envolvidos em tais ligações, a análise numérica é justificada à medida que evita extrapolações de resultados para situações que não puderam ser comprovadas experimentalmente, além de permitir a análise de resultados que não podem ser monitorados em um protótipo experimental, ou que não podem ser coletados por inacessibilidade da instrumentação. Além disso, sob o ponto de visto econômico, pesquisas experimentais podem tornar-se caras em demasia dependendo dos fatores a serem analisados. Comprovando-se a confiabilidade dos modelos numéricos, estes podem ser utilizados de maneira que se possa, satisfatoriamente, verificar o comportamento estrutural das ligações com chapa de topo incorporando parâmetros relativos à rigidez das ligações. Neste caso, inclue-se uma avaliação da influência da variação da espessura da chapa de topo e do diâmetro dos parafusos. 2 DIMENSIONAMENTO SEGUNDO O EUROCODE-3 (1993) O método de dimensionamento proposto pelo EUROCODE (1993) apresenta, em seu Anexo J, os procedimentos para dimensionamento de ligações viga-coluna resistentes ao momento fletor, com elementos constituídos por perfis laminados, ou soldados com dimensões similares, e solicitadas por carregamento predominantemente estático, incluindo-se as ligações viga-coluna com chapa de topo, denominadas "bolted connections with extended end-plates". Levando-se em consideração o princípio da divisão da ligação em seus componentes básicos (chapa de topo, parafusos, soldas, etc.), a metodologia empregada para o dimensionamento das ligações com chapa de topo, segundo o EUROCODE-3 (1993), requer verificações específicas de resistência para cada um dos componentes, em função dos esforços que os solicitam. Dessa maneira, o EC-3 4 propõe 15 verificações de acordo com as solicitações caracterizadas nos elementos básicos, as quais são resumidas na tabela 1. 4 Para simplificar o texto, a abreviação EC-3 será utilizada para denominar o EUROCODE-3 (1993).
4 24 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves Tabela 1 Verificações segundo o EUROCODE-3 (1993) Região Ref. Verificação a Tração nos parafusos b Flexão da chapa de topo c Flexão da mesa do pilar Tracionada d Tração na alma da viga e Tração na alma do pilar f Solda mesa/chapa de topo g Solda alma/chapa de topo Cisalhamento Cisalhamento no painel h Horizontal de alma do pilar i Mesa da viga j Solda mesa/chapa de topo Comprimida k Enrugamento da alma do pilar l Flambagem da alma do pilar m Solda alma/chapa de topo Cisalhamento n Cisalhamento nos parafusos Vertical o Pressão de contato (mesa ou chapa) De maneira geral, a filosofia adotada pelo Anexo J do EUROCODE-3 (1993), baseia-se na hipótese de que a transmissão do momento fletor é realizada, na ligação, por um binário de forças, cujo braço de alavanca z é determinado pela distância entre o plano médio da mesa comprimida e o ponto médio da distância entre as duas linhas de parafusos mais afastadas daquele plano, na região tracionada, como esquematizado na figura 2. Levando-se em consideração que as linhas de parafusos mais afastadas da mesa comprimida, intuitivamente, atrairão maior esforço, o método também considera que há uma distribuição plástica das forças de tração nos parafusos, abandonando a abordagem tradicional, que considera uma distribuição triangular em direção à região comprimida, como esquematizado na figura 3. Figura 2 Braço de alavanca (tração/compressão) Figura 3 Distribuição de forças A filosofia do método de dimensionamento proposto pelo EC-3 assume que a força total permitida para as linhas de parafusos é calculada com base na sua capacidade resistente, e não somente em função de seu braço de alavanca. Essa capacidade
5 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo resistente é função não só das características dos parafusos, mas também pela consideração de todos os elementos resistentes que interagem na região verificada. Assim, parafusos próximos a pontos de enrijecimento irão atrair uma parcela maior da força de tração. Essa hipótese pode ser visualizada na figura 3 para a distribuição plástica, onde é atribuída maior força aos parafusos da linha interna, entre as mesas da viga, numa região enrijecida também pela sua alma. Com relação à maneira como são empregadas as considerações feitas acima no dimensionamento das ligações com chapa de topo, é necessário se verificar a metodologia proposta pelo EC-3 na verificação da capacidade resistente dos elementos componentes da ligação. Analisando-se, primeiramente, a região tracionada da ligação, o primeiro passo para o dimensionamento é a verificação da capacidade resistente à tração de cada linha de parafusos pertencentes àquela região. Uma vez que o método inclui a contribuição dos componentes da ligação, a capacidade resistente de cada linha de parafusos é verificada, independentemente, para a flexão da chapa de topo, para a flexão da mesa do pilar, para a capacidade resistente da alma do pilar à tração e para a capacidade resistente, também à tração, da alma da viga, adotando-se o menor valor encontrado. De maneira geral, para cada estágio de verificação são necessárias duas considerações. A primeira trata da verificação de cada linha isoladamente. A segunda, é a consideração da linha fazendo parte de um grupo. Seguindo este processo, esquematizado na figura 4, a resistência da linha de parafusos mais afastada do centro de compressão (primeira linha) é calculada como se somente ela existisse. Para a verificação da segunda linha, obtém-se a resistência considerando-se sua atuação isolada e também a resistência das linhas 1 e 2, atuando como um grupo, cujo valor, para este caso, é diminuído da capacidade resistente já calculada para a ação isolada da primeira linha. Obtidas desta maneira, adota-se o menor valor para a capacidade resistente da segunda linha. As linhas subsequentes são verificadas seguindo a mesma metodologia de cálculo. Figura 4 Etapas da verificação da capacidade resistente das linhas de parafusos Especificamente quanto à verificação da flexão da chapa de topo e da mesa do pilar, a metodologia proposta pelo Anexo J do EUROCODE-3 (1993) adota a utilização de perfis "T" equivalentes (equivalent T-stubs) para a consideração do comportamento encontrado em torno dos parafusos pela formação de linhas de
6 26 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves escoamento das tensões. A caracterização dessas linhas é encontrada em diversas tabelas da publicação do SCI/BCSA (1996) para o cálculo dos perfis "T" equivalentes, considerando um comprimento efetivo como ilustrado na figura 5, para a linha de parafusos atuando isoladamente. A capacidade resistente à flexão da mesa do pilar ou da chapa de topo é calculada, então, verificando-se a resistência do perfil "T" equivalente, em função da força de tração atuante em uma linha ou grupo de linhas de parafusos. Figura 5 Perfil "T" equivalente para linha isolada de parafusos Neste caso, há três possíveis modos de colapso, apresentados esquematicamente na figura 6, sendo que na verificação à flexão, para cada linha de parafusos, deve-se adotar o menor valor obtido para a capacidade resistente, considerando: i. Modo 1 - Escoamento total da mesa do pilar ou da chapa de topo; ii. Modo 2 - Plastificação da mesa do pilar ou da chapa de topo, acompanhado da ruptura dos parafusos; iii. Modo 3 - Ruptura dos parafusos. Figura 6 - Modos de falha Flexão da mesa do pilar ou da chapa de topo e resistência dos parafusos Ressaltando-se as principais características da metodologia proposta pelo EUROCODE-3 (1993), pode-se destacar novamente que o método baseia-se na
7 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo consideração que a capacidade resistente da ligação é função do comportamento estrutural dos seus elementos básicos, incluindo os elementos que constituem o pilar. Desta forma, procura-se avaliar as possíveis influências no comportamento global da ligação e a contribuição de cada componente nos possíveis modos de colapso, ou seja, nos Estados Limites Últimos aplicáveis às ligações. O procedimento proposto pelo Anexo J do EUROCODE-3 (1993), da maneira com que foi elaborado, permite ainda a análise de qualquer combinação entre as vigas e os pilares, uma vez que apresenta as tabelas de capacidade resistente isoladamente para os pilares e para os conjuntos de chapas de topo e viga. Outro aspecto que deve ser lembrado, e talvez um dos mais importantes, refere-se ao conceito dos perfis "T" equivalentes para a substituição das diversas configurações de escoamento das tensões, de cujas características depende a determinação da capacidade resistente à flexão da chapa de topo e da mesa do pilar. Finalmente, é importante comentar que, apesar de levar em consideração os elementos do pilar mesa, alma, enrijecedores no cálculo da capacidade resistente dos componentes básicos, a metodologia empregada pelo EUROCODE-3 (1993) não faz menção às possíveis contribuições dadas pela flexibilidade do pilar nas considerações sobre a rigidez das ligações. 3 GEOMETRIA DAS LIGAÇÕES ANALISADAS As ligações com chapa de topo utilizadas como base para a preparação dos modelos numéricos foram escolhidas entre alguns dos protótipos ensaiados por RIBEIRO (1998), o qual justificou a realização de estudos com este tipo de ligação uma vez que raramente são utilizadas no Brasil em estruturas de andares múltiplo, principalmente pelo fato de que os métodos de dimensionamento existentes conduzem a chapas de topo com grande espessura, tornando as ligações com chapa de topo antieconômicas. A tabela 2 apresenta um resumo das características geométricas dos protótipos utilizados para a análise numérica, ressaltando-se que a nomenclatura utilizada para a identificação dos modelos numéricos é idêntica a dos protótipos. Tabela 2 Características geométricas dos protótipos/modelos numéricos analisados Protótipos Viga Coluna Chapa de topo t c (mm) Diâmetro parafusos d p (mm) Comprimento das vigas L v (m) CT1A-1 31,5 16 1,500 CT1A-2 VS CVS ,550 CT1B ,550 CT1A-4 X X 22,4 16 1,510 CT1B ,4 19 1,510 CT1B ,510 A figura 7 ilustra a seção transversal da viga, com suas respectivas dimensões. Todos os protótipos representados utilizaram vigas tipo VS 250x37. Para os
8 28 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves modelos numéricos o vão considerado para a viga em balanço foi L v = 1,50 m, embora haja algumas pequenas variações de vão para os protótipos, observadas na tabela II. Considerando que essa variação é muito pequena e levando em conta as dimensões do protótipo, adotou-se um comprimento único para os modelos numéricos. A = 46,7 cm 2 I z = 5185 cm 4 W z = 415 cm 3 Z z = 466 cm 3 Figura 7 Seção transversal da viga perfil VS 250x37 - Dimensões em mm Visto que a geometria da chapa de topo depende, basicamente, do diâmetro dos parafusos utilizados na ligação, as dimensões gerais das chapas estão ilustradas na figura 8 e são representadas duas chapas de topo para os parafusos de 16 mm e 19 mm, esquematizadas respectivamente nas figuras 9a e 9b. O pilar no qual está conectada a viga possui um perfil CVS 350x105, cujas dimensões pertinentes à representação no modelo numérico estão apresentadas na figura 10. Figura 8 Geometria esquemática das chapas de topo
9 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo (a) d p = 16 mm (b) d p = 19 mm Figura 9 Gabaritos das chapas de topo dimensões em mm Figura 10 Dimensões do pilar (mm) A viga, chapa de topo e pilar foram montados pela soldagem de chapas de diferentes espessuras. Mantendo as características dos materiais, a análise numérica adotou a tensão de escoamento nominal média de 30 kn/cm 2 para a chapa de topo e de 25 kn/cm 2 para a viga e pilar. A ligação entre a mesa do pilar e a chapa de topo foi realizada com parafusos de alta resistência ASTM-A325, aplicando-se uma protensão inicial ao parafuso antes do carregamento na viga. 4 DESCRIÇÃO DOS MODELOS NUMÉRICOS Observando-se a complexidade do comportamento estrutural do tipo de ligação em estudo e os resultados que se pretende obter, especificamente aspectos relativos à rigidez e ao comportamento da chapa de topo e parafusos, busca-se uma análise que represente da melhor forma o comportamento real da ligação. Assim, embora seja possível a representação da ligação num estado plano, como analisado por KRISHNAMURTHY (1975c) e SHERBOURNE & BAHAARI (1994 e 1996), optou-se pela utilização de modelos tridimensionais que podem, sem dúvida, gerar resultados com maior rigor numérico. Da mesma forma, uma vez que a ligação introduz, notoriamente, descontinuidades na estrutura, a análise é conduzida segundo critérios que estejam de acordo com as ligações representadas. Assim, os modelos numéricos incorporam materiais não lineares, utilizando diagramas bilineares para caracterizar o comportamento tensão-deformação do aço utilizado na viga, chapa de topo e parafusos.
10 30 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves Além disso, inclui-se as descontinuidades geométricas inerentes à ligação por meio de elementos finitos especiais com os quais é possível simular o contato entre parafusos, porcas, chapa de topo e mesa do pilar. Uma visão geral do modelo numérico utilizado para a análise está indicada na figura 11, onde é possível a identificação dos elementos que compõem a ligação estudada, juntamente com alguns detalhes da geometria e da malha de elementos finitos. Visando uma otimização do modelo numérico, aproveitou-se a simetria proveniente da geometria, segundo o plano médio da alma da viga. Figura 11 Modelos numéricos utilizados na análise Para a modelagem dos elementos geométricos da ligação foram utilizados elementos volumétricos hexaédricos denominados de SOLID45, os quais possuem 8 nós, cada nó com 3 graus de liberdade de translação nas direções X, Y e Z. A simulação das descontinuidades geométricas foi realizada com a utilização de elementos de contato nó-superfície, denominados de CONTAC49, os quais possuem rigidez à compressão e nenhuma rigidez à tração. Na ligação pode-se identificar os seguintes pares de contato entre as superfícies: 1. contato entre a superfície posterior da chapa de topo e a superfície anterior do apoio; 2. contato entre a superfície posterior da cabeça do parafuso com a superfície anterior da chapa de topo; 3. contato entre a superfície anterior da porca com a superfície posterior da mesa do pilar; 4. contato entre a superfície do fuste do parafuso com as superfícies exteriores dos furos na chapa de topo e mesa do pilar. As condições de contorno impostas ao modelos, além da simetria segundo o plano médio da alma da viga, está representada pelo impedimento de translação da mesa do pilar nas 3 direções. Uma vez que leva-se em consideração, nesta análise, a
11 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo flexibilidade da mesa do pilar, e pelo fato de haverem enrijecedores na parte interna do pilar dos protótipos experimentais de RIBEIRO (1998) na altura das mesas da viga, tal impedimento é posicionado de maneira a representar os enrijecedores e a alma do pilar não incluída na análise. Ressalta-se que, devido a esse procedimento, considera-se que não há movimentação horizontal do pilar. A configuração citada acima está esquematizada na figura 12. Figura 12 Posicionamento dos vínculos nos enrijecedores e alma do pilar É importante observar que a viga e a chapa de topo não possuem restrições quanto ao deslocamento. Tais restrições serão dadas pelo contato com os parafusos e com a mesa do pilar, visto a natureza dos carregamentos, que são divididos em duas fases. Na primeira fase é feita a protensão dos parafusos, realizada por meio de um carregamento auxiliar, aplicando-se uma variação negativa de temperatura nos elementos que compõem o fuste dos parafusos. Como os parafusos, pela aplicação desse carregamento, tendem a encurtar, sendo impedidos pela chapa de topo e pela mesa do pilar, simula-se o comportamento devido à protensão, ou seja, tensões positivas no fuste e aparecimento de pressões de contato entre a chapa de topo e a mesa do pilar. O valor da variação de temperatura a ser empregada foi escolhido de maneira a resultar uma força de protensão equivalente à 85 kn para os parafusos de 16 mm de diâmetro, e 125 kn para os de 19 mm, segundo as recomendações da NBR-8800 (1986). Terminada a fase de protensão, inicia-se o carregamento da viga, através da aplicação de forças na extremidade livre, distribuídas ao longo da largura da mesa superior da viga. Tal carregamento é aplicado de modo a gerar na ligação um momento fletor total de kncm, 30% superior ao momento de plastificação teórico da seção transversal da viga, igual à kn.cm, visando o acompanhamento da plastificação dos elementos que compõem a ligação. A preparação e o processamento dos modelos numéricos descritos acima foi realizada integralmente com o software comercial ANSYS, versão 5.5. Ressalta-se ainda que não foram consideradas, na ligação, as folgas existentes na região dos furos, tanto na chapa de topo quanto na mesa do pilar.
12 32 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves 5 RESULTADOS DA ANÁLISE NUMÉRICA As figuras que compõem a tabela III, apresentada abaixo, ilustram a deformada da chapa de topo para os seis modelos numéricos, para momento máximo, na ligação, de M = kncm. Os deslocamentos foram aumentados em 25 vezes, para melhor visualização. Para se quantificar o comportamento observado na tabela 3, algumas seções da chapa de topo, esquematizadas na mesma tabela, foram escolhidas como referência para representar os deslocamentos da chapa com relação à mesa do pilar. Vale salientar que estes resultados são importantes não só para visualização do comportamento da ligação, mas também como parâmetro para a definição de critérios de dimensionamento, podendo-se citar o EUROCODE-3 (1993) que define estes comportamentos. Tabela 3 Deformada da chapa de topo para os modelos numéricos e seções para verificação dos afastamentos chapa/pilar Espessura da chapa de topo (mm) 31,5 25,0 22,4 19,0 Seções na chapa Diâmetro do parafuso (mm) 19,0 16,0 Inicialmente, para o modelo CT1A-1 (t ch = 31,5 mm; d p = 16 mm), a figura 13 apresenta os deslocamentos relativos chapa/pilar para a seção AA' em diversos níveis de solicitação. Ressalta-se que, para o gráfico apresentado, são incluídos os resultados referentes à solicitação equivalente ao momento de plastificação nominal da seção transversal (M p = kncm), e para o momento total aplicado à ligação de todos os modelos, M = kncm.
13 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo Parafuso Altura da chapa de topo (cm) Parafuso Mesa inferior Mom. (kncm) Mesa superior Parafuso Deslocamento relativo chapa/pilar (cm) Figura 13 Afastamento chapa/pilar - seção AA' modelo CT1A-1 Com relação ao modelo CT1A-1, o primeiro aspecto verificado com relação ao seu comportamento refere-se ao descolamento da chapa de topo na região tracionada. Devido à sua espessura, a chapa possui grande rigidez à flexão, ou seja, as deformações da chapa são muito pequenas. Sob outro ponto de vista, os deslocamentos chapa/pilar são atribuídos à deformação dos parafusos. Dessa maneira, para a seção AA', há uma perda total de contato entre a região superior da chapa e a mesa do pilar para solicitações a partir de M p. Além disso, podese afirmar que não há simetria do afastamento chapa/pilar para os pontos situados nas linhas externa e interna de parafusos, com relação à mesa tracionada, exceto para níveis menores de solicitação. De forma semelhante, apresenta-se nas figuras 14 e 15 os gráficos referentes ao deslocamento relativo chapa/pilar para as seções DD' e FF', respectivamente, também para o modelo CT1A-1. Mom. (kncm) Deslocamento relativo chapa/pilar (cm) Semi-largura da chapa de topo (cm) Figura 14 - Afastamento chapa/pilar - seção DD' modelo CT1A-1
14 34 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves Mom. (kncm) Deslocamento relativo chapa/pilar (cm) Semi-largura da chapa de topo (cm) Figura 15 - Afastamento chapa/pilar - seção FF' modelo CT1A-1 Analisando-se os gráficos apresentados nas figuras 13 a 15, observa-se que a chapa de topo está sujeita à flexão segundo dois planos, com afastamentos máximos localizados no plano médio da alma da viga. Para possibilitar a avaliação da influência exercida pela variação da espessura da chapa de topo no comportamento da ligação, com relação aos deslocamentos relativos viga/pilar, apresenta-se uma comparação entre os resultados do modelo CT1A- 4 (t ch = 22,4 mm; d p = 16,0 mm) com os obtidos para o modelo CT1A-1 (t ch = 31,5 mm; d p = 16,0 mm), nas figuras 16 e 17, para as seções AA' e DD' respectivamente, em dois níveis de carregamento Parafuso Altura da chapa de topo (cm) Parafuso Mesa superior Parafuso Mom. (kncm) 2.5 Mesa inferior Deslocamento relativo chapa/pilar (cm) Figura 16 Afastamento chapa/pilar seção AA' - Variação da espessura da chapa de topo
15 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo Deslocamento relativo chapa/pilar (cm) Mom. (kncm) Semi-largura da chapa de topo (cm) Figura 17 Afastamento chapa/pilar seção DD' - Variação da espessura da chapa de topo A observação das figuras 16 e 17 permite constatar que a diminuição da espessura da chapa de topo modifica, significativamente, o aspecto geral da curva dos afastamentos chapa/pilar. Deste modo, há uma modificação no comportamento da ligação, que pode ser verificado analisando-se os deslocamentos da extremidade superior da chapa de topo, principalmente na região da borda. Ao contrário da chapa do modelo CT1A-1 (t ch = 31,5 mm), mesmo para a solicitação máxima de kncm, a chapa do modelo CT1A-4 (t ch = 22,4 mm) permanece em contato com a mesa do pilar. Ao mesmo tempo, observa-se que o afastamento chapa/pilar na altura da mesa superior sofre um acréscimo para o modelo de chapa mais fina, em ambos os níveis de solicitação considerados. A partir da constatação realizada acima, é possível afirmar que a diminuição da espessura da chapa de topo tem como conseqüência um aumento na flexão da chapa, aumentando os deslocamentos relativos chapa/pilar. Dessa forma, a flexão da chapa passa a interagir mais intensamente com a deformação dos parafusos. Além disso, a consideração do contato entre a extremidade superior da chapa de topo e a mesa do pilar, observado no modelo CT1A-4, torna-se importante na determinação dos esforços na região tracionada, uma vez que a mesa do pilar irá adicionar forças de reação à chapa. Tais forças são provenientes do chamado "efeito alavanca" ou "prying action". As considerações feitas acima também são válidas para o aumento do diâmetro dos parafusos. A figura 18 apresenta uma comparação entre os modelos CT1A-4 (t ch = 22,4 mm; d p = 16,0 mm) e CT1B-4 (t ch = 22,4 mm; d p = 19,0 mm ), para a seção DD', também para momentos fletores M = kncm ( M p ) e M = kncm.
16 36 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves Deslocamento relativo chapa/pilar (cm) Mom. (kncm) Semi-largura da chapa de topo (cm) Figura 18 Afastamento chapa/pilar seção DD' - Variação do diâmetro dos parafusos Para a seção DD', no modelo CT1B-4, observa-se que o contato entre a extremidade superior da chapa de topo com a mesa do pilar é mantido para toda a sua largura, inclusive para o momento máximo M = kncm. Além disso, devido ao aumento do diâmetro do parafuso, diminui-se os afastamentos chapa/pilar, de um modo geral. Os resultados apresentados permitem observar a mudança de comportamento da chapa de topo com a variação das características geométricas dos elementos que compõem a ligação. Em particular, é interessante analisar as forças originadas pelo contato entre a extremidade superior da chapa de topo e a mesa do pilar, principalmente para os modelos com chapas de menor espessura. Para auxiliar nesse observação, verificam-se as forças atuantes nos parafusos da região tracionada. Assim, apresenta-se, na figura 19, a variação das forças de tração nos parafusos das linhas externa e interna da região tracionada do modelo CT1A-1 (t ch = 31,5 mm; d p = 16,0 mm). A figura 19 também apresenta os valores da força F*, que representa a força de tração para cada parafuso proveniente da solicitação na viga, calculada pela consideração de transmissão do momento fletor por um binário atuando somente nas suas mesas (hipótese teórica) e distribuída igualmente para todos os parafusos da região tracionada da ligação. Os valores da força F* inferiores ao valor da força de protensão aplicada, estão tracejados por não representarem, teoricamente, nenhum acréscimo na força de tração de cada parafuso. 220 Força total de tração no parafuso (kn) Escoamento teórico do parafufo (127 kn) Momento na ligação (kncm) F = 85 kn Parafuso externo Parafuso interno Força F* Figura 19 Forças de tração nos parafusos modelo CT1A-1 - F = 85 kn Força de protensão
17 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo Para o modelo CT1A-1 pode-se observar que entre as linhas de parafusos (externa e interna), os esforços de tração não apresentam grandes variações. Na verdade, há algumas diferenças na região compreendida entre as solicitações de kncm e kncm. No entanto, para a solicitação total de kncm, tais diferenças tendem a desaparecer, o que reafirma o comportamento da chapa de topo desse modelo na região tracionada, ou seja, pouca flexão da chapa. Assim, a distribuição da força total de tração é feita com certa uniformidade para as duas linhas de parafusos. Essa uniformidade não é observada no modelo CT1A-4 (t ch = 22,4 mm; d p = 16,0 mm), cujas forças de tração para cada linha de parafusos estão apresentadas na figura 20. Neste caso, verifica-se que a linha interna de parafusos é mais solicitada que a linha externa, sendo que tais diferenças iniciam-se a partir de níveis baixos de solicitação, aproximadamente 4000 kncm. 220 Força total de tração no parafuso (kn) Escoamento teórico do parafufo (127 kn) 100 F = 85 kn Parafuso externo Parafuso interno 20 Força F* Momento na ligação (kncm) Figura 20 Forças de tração nos parafusos modelo CT1A-4 - F = 85 kn Força de protensão De certa forma, pode-se dizer que a diminuição da espessura da chapa de topo tem como conseqüência um aumento da solicitação nos parafusos da linha interna, com relação aos parafusos da linha externa, o que é coerente observando-se o comportamento da chapa de topo quando há uma variação da sua espessura. Assim como para o modelo CT1A-1, a solicitação nos parafusos do modelo CT1A-4 é função do comportamento da chapa de topo, que introduz forças adicionais de tração nos parafusos, como esquematizado na figura 21. Figura 21 Configuração das forças no modelo CT1A-4
18 38 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves O contato entre a chapa de topo e a mesa do pilar ocasiona, com o aumentou da solicitação, uma força de reação da mesa na chapa. Esse fenômeno, conhecido como "efeito alavanca", provoca um aumento nas forças de tração dos parafusos, o que pode ser observado, qualitativamente, na figura 21. Para a configuração do modelo CT1A-4, considerando-se o equilíbrio de forças, verifica-se um aumento na solicitação dos parafusos na linha interna às mesas da viga, uma vez que o braço de alavanca entre a linha interna e o apoio inferior, na altura da força Q i, é significativamente maior que a distância entre a linha externa e a extremidade superior da chapa, na altura da força Q s. Assim, pode-se observar que a força atuante no parafuso da linha interna, na figura 29, é quase 30% superior a força no parafuso da linha externa, para o momento total de kncm. Com relação aos dois modelos, CT1A-1 e CT1A-4, ainda é possível verificar que a variação da força de tração nos parafusos atinge um crescimento significativo apenas a partir do momento em que a força de tração atuante se iguala a força aplicada na fase de protensão 85 kn para d p = 16,0 mm e 125 kn para d p = 19,0 mm, comportamento típico de parafusos com protensão inicial. Além dos afastamentos chapa/pilar, verifica-se também a rigidez das ligações representadas nos modelos numéricos, utilizando a rotação da chapa de topo como parâmetro para a avaliação do comportamento da ligação em função da variação dos parâmetros estudados, relativos à espessura da chapa de topo e diâmetro dos parafusos. Inicialmente, cabe ressaltar que, convencionalmente, a rotação de uma ligação é calculada pela divisão do afastamento chapa/pilar medido na altura do plano médio da mesa tracionada pela distância entre os planos médios das mesas da viga, ou seja, (H t f ), onde H é a altura da viga e t f a espessura das mesas. Essa relação considera, basicamente, que a intersecção entre a chapa de topo e a mesa do pilar, na altura do plano médio da mesa comprimida, seja o eixo de rotação da chapa de topo. Para a comparação entre os modelos numéricos, a distância (H t f ) é utilizada como um parâmetro de referência, e está esquematizada na figura 22. Considerando-se que os afastamentos aumentam à medida em que o ponto considerado se aproxima do plano médio da alma, também há um acréscimo na rotação. No entanto, o comportamento momento-rotação para os pontos considerados é semelhante, a menos de pequenas diferenças em seus valores. Neste caso, adota-se a rotação da chapa de topo como sendo a média dos valores encontrados para os pontos ilustrados na figura 23. Figura 22 Distância teórica (H t f ) Figura 23 Pontos para medição do afastamento chapa/pilar
19 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo Analisando, inicialmente, a influência da variação da espessura da chapa, são apresentados, na figura 24, as curvas de rotação média teórica para os modelos CT1A-1 (t ch = 31,5 mm), CT1A-2 (t ch = 25,0 mm) e CT1A-4 (t ch = 22,4 mm), ambos com parafusos de 16,0 mm de diâmetro. Da mesma forma, apresenta-se na figura 25, as curvas para os modelos CT1B-2 (t ch = 25,0 mm), CT1B-4 (t ch = 22,4 mm) e CT1B-6 (t ch = 19,0 mm), para os quais foram utilizados parafusos maiores, de 19,0 mm de diâmetro Momento (kncm) M = kncm ( Mp) CT1A-1 CT1A-2 CT1A Rotação ( rad x 10 5 ) Figura 24 Curvas momento-rotação teóricas médias - Variação da espessura da chapa de topo d p = 16,0 mm Momento (kncm) M = kncm ( Mp) CT1B-2 CT1B-4 CT1B Rotação ( rad x 10 5 ) Figura 25 Curvas momento-rotação teóricas médias - Variação da espessura da chapa de topo d p = 19,0 mm É possível observar que a redução da espessura da chapa, mantendo-se constante o diâmetro do parafuso, traz como conseqüência um acréscimo nos valores de rotação, com exceção para solicitações muito baixas na ligação (M = 2000 kncm), mantendo-se constante a forma da curva para todos os modelos. Utilizando como parâmetro de referência o momento fletor, na ligação, igual à kncm ( M p ), para os modelos com parafusos de 16,0 mm de diâmetro, o decréscimo na espessura da chapa, de 31,5 mm para 25,0 mm (redução de 21% na espessura) resulta num acréscimo de 23% para os valores de rotação. Para a variação da
20 40 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves chapa de 25,0 mm para a chapa de 22,4 mm (redução de 10% na espessura), o acréscimo na rotação é de, aproximadamente, 12%. Quantitativamente, tais diferenças indicam que, para as curvas apresentadas na figura 24, há uma certa proporcionalidade entre a diminuição da espessura da chapa de topo e o aumento da sua rotação. A afirmação acima não é verificada para os modelos com parafuso de 19,0 mm, cujas curvas momento-rotação estão apresentadas na figura 25. Para a variação da espessura da chapa de 25,0 mm para 22,4 mm (redução de 10%), há um aumento de 16% na rotação. Variando-se a espessura da chapa de 22,4 mm para 19,0 mm (redução de 15%), esse aumento é de 33% 5. A não proporcionalidade observada para os modelos com parafusos de 19,0 mm pode ser atribuída a uma mudança no comportamento da chapa de topo, em virtude da variação da rigidez dos elementos componentes da ligação. Para ilustrar a consideração feita acima, a figura 26 apresenta a deformada da região da ligação para os modelos CT1A-4 (d p = 16,0 mm) e CT1B-4 (d p = 19,0 mm), ambos com chapa de 22,4 mm, para momento máximo na ligação de M = kncm. Figura 26 Deformadas da chapa de topo Para o modelo CT1A-4, observa-se que a flexão da chapa de topo contribui significativamente para o afastamento chapa/pilar. No entanto, há também uma contribuição da deformação dos parafusos. Pode-se dizer, então, que há uma interação entre a chapa de topo e os parafusos na consideração da capacidade resistente da ligação. Para o modelo CT1B-4, o aumento do diâmetro dos parafusos diminui a sua contribuição para os valores de afastamento chapa/pilar, ou seja, as deformações dos mesmos é menor, o que pode ser visualizado na figura 26 pela restrição imposta à chapa. Desta maneira, há uma concentração do afastamento chapa/pilar na região situada entre as linhas externa e interna de parafusos, com consequente acréscimo da flexão na chapa, que passa a ser, isoladamente, um possível modo de colapso para a ligação. Assim, pode-se dizer que o comportamento das ligações está intimamente ligado à "rigidez" relativa entre os elementos que as compõem. Outra comparação pertinente refere-se à variação do diâmetro do parafuso, mantendo-se constante a espessura da chapa de topo. A figura 27 apresenta as curvas momento-rotação comparando-se os modelos CT1A-2 (d p = 16,0 mm) e CT1B-2 (d p = 5 Os valores apresentados são obtidos para a solicitação de momento fletor igual à kncm, equivalente à M p.
21 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo ,0 mm), ambos com chapa de 25,0 mm de espessura, juntamente com os modelos CT1A-4 (d p = 16,0 mm) e CT1B-4 (d p = 19,0 mm), com chapa de 22,4 mm Momento (kncm) M = kncm ( Mp) CT1A-2 CT1B-2 CT1A-4 CT1B Rotação ( rad x 10 5 ) Figura 27 Curvas momento-rotação teóricas médias - Variação do diâmetro dos parafusos Devido ao acréscimo no diâmetro do parafuso, a rotação da chapa de topo para os modelos com parafusos de 19,0 mm diminui quando comparada com os modelos com parafusos de 16,0 mm. Uma característica interessante quanto ao comportamento da chapa de topo, a exemplo da variação da sua espessura, é a proporção do decréscimo dos valores da rotação para o aumento do diâmetro dos parafusos. Tomando-se, novamente, a solicitação de kncm como referência, para o modelo CT1B-2 a rotação da chapa é 35% inferior ao valor do modelo CT1A-2. Entre os modelos CT1B-4 e CT1A-4, essa redução é de 34%, bem próxima ao encontrado anteriormente. Assim, pode-se concluir que há uma interdependência entre a solicitação no parafuso e a espessura da chapa, salientando-se também que a capacidade última do parafuso é um estado limite a ser considerado. Passa a ser, então, essencial classificar e quantificar a influência da chapa de topo na solicitação dos parafusos que ocorre por meio de um maior ou menor efeito alavanca ("prying action"). 6 RESULTADOS NUMÉRICOS vs EUROCODE-3 (1993) O EC-3 prevê diversas verificações nos elementos básicos que compõem as ligações, incluindo considerações da maneira como esses elementos interagem na determinação dos possíveis modos de colapso, ou seja, na identificação dos estados últimos aplicáveis à ligação. Assim, é possível analisar o comportamento dos parafusos, da chapa de topo e do apoio neste caso, a mesa do pilar isoladamente ou em conjunto considerando a existência de três modos de falha: o primeiro devido à flexão da chapa de topo ou da mesa do pilar; o segundo pela falha conjunta da chapa de topo ou mesa do pilar e parafusos; e um terceiro relativo à ruptura dos parafusos.
22 42 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves Uma vez verificados os possíveis modos de colapso da ligação descritos acima, é possível determinar a capacidade resistente de cada linha de parafusos da região tracionada e, conseqüentemente, o momento fletor resistente da ligação. A fim de simplificar a apresentação dos resultados obtidos para a capacidade resistente, com a utilização do EC-3, para os modelos CT1A-1, CT1A-4, CT1B-4 e CT1B-6, e considerando a forma geral das ligações estudadas, ilustrada na figura 28, a linha de parafusos externa, situada na extensão da chapa de topo, receberá a denominação de "linha 1". A linha compreendida entre as mesas da viga receberá a denominação de "linha 2". Figura 28 Linhas de parafusos da região tracionada Para efeito de comparação entre o EC-3 e os resultados numéricos, só há sentido em se utilizar os valores de capacidade resistente referentes à flexão da chapa de topo, uma vez que o pilar pode ser considerado rígido o suficiente para não apresentar variações no seu comportamento. Fazendo-se um paralelo aos modelos numéricos, serão apresentados os deslocamentos da chapa de topo com relação à mesa do pilar, comparando-se, qualitativamente, os resultados dos modelos aos modos de falha citados acima. Assim, utiliza-se a seção transversal BB', na altura da viga, e as seções transversais EE' e GG', horizontais. As seções e a forma de apresentação das curvas estão ilustradas na figura 29. Figura 29 Seções na chapa de topo
23 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo Analisando-se, inicialmente, a variação da espessura da chapa de topo, apresenta-se na tabela V os valores da capacidade resistente (P r ) de cada linha de parafusos, calculados para os três modos de falha apresentados na figura 6, para os modelos CT1A-1 (t ch = 31,5 mm) e CT1A-4 (t ch = 22,4 mm), ambos com parafusos de 16,0 mm de diâmetro. Tabela 5 Capacidade resistente para a flexão da chapa de topo segundo o EC-3 - Modelos CT1A-1 e CT1A-4 Espessura Diâmetro Modos de Falha Pr (kn) Modelo chapa parafuso Linha (mm) (mm) CT1A-1 31,5 16, ,5 213,4 180, ,0 482,3 180,0 CT1A-4 22,4 16, ,9 145,8 180, ,0 281,8 180,0 Verificando-se os valores apresentados na tabela 5, observa-se que a capacidade resistente da ligação no modelo CT1A-1 (t ch = 31,5 mm; d p = 16,0 mm) é limitada pelo colapso do parafuso em ambas as linhas, representando o modo de falha 3 *. Para o modelo CT1A-4 (t ch = 22,4 mm; d p = 16,0 mm), os parafusos na linha 1 (externa) tem a capacidade resistente limitada pela interação do escoamento da chapa e da ruptura dos parafuso, ou seja, pelo modo de falha 2. Já a linha interna, continua sendo limitada pela ruptura dos parafusos (modo 3). No entanto, é interessante notar que a diminuição na espessura da chapa provoca, para a linha 2 (interna) uma redução significativa da capacidade resistente para os modos de falha 1 e 2, representando um aumento da flexão na chapa de topo. Com relação aos modelos numéricos, a figura 30 apresenta os deslocamentos relativos da chapa de topo para os modelos CT1A-1 e CT1A-4, na seção BB', tomandose como referência um momento fletor, na ligação, igual à kn.cm. Para todos os modelos numéricos, o valor de referência de kn.cm foi escolhido por representar o Estado Limite Último de dimensionamento da viga, ou seja, é um valor equivalente ao momento teórico de plastificação da seção transversal da viga. A chapa de topo do modelo CT1A-1, como já comentado anteriormente, apresenta pequenas deformações devido à flexão, descolando completamente da mesa do pilar na região tracionada. Com esse comportamento, é intuitivo observar que a deformação dos parafusos seja a maior responsável pelo deslocamento da chapa. Neste caso, a ruptura dos parafusos seria um fator limitante para a determinação da capacidade resistente, o que é indicado pelos valores obtidos com o EC-3. A figura 30 indica, para o modelo CT1A-1, o deslocamento da extremidade superior da chapa, o que reafirma as pequenas deformações da chapa de topo. *
24 44 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves Já para o modelo CT1A-4, há uma modificação do comportamento da chapa de topo, com conseqüente aparecimento do efeito alavanca e modificação das forças nos parafusos. As diferenças entre o comportamento da chapa de topo nos modelos CT1A-1 e CT1A-4, além da figura 30, podem ser visualizadas nas figuras 31 e 32, as quais apresentam, respectivamente, as seções EE' e GG', comparando os modelos para a solicitação de kncm Altura da chapa de topo (cm) CT1A CT1A Deslocamento relativo chapa/pilar (cm) Figura 30 Deslocamento relativo chapa/pilar seção BB' CT1A-1 (t ch = 31,5 mm) e CT1A-4 (t ch = 22,4 mm) Deslocamento relativo chapa/pilar (cm) CT1A-1 CT1A Semi-largura da chapa de topo (cm) Figura 31 Deslocamento relativo chapa/pilar seção EE' CT1A-1 (t ch = 31,5 mm) e CT1A-4 (t ch = 22,4 mm)
25 Análise do comportamento de ligações metálicas parafusadas viga-pilar com chapa de topo Deslocamento relativo chapa/pilar (cm) CT1A-1 CT1A Semi-largura da chapa de topo (cm) Figura 32 Deslocamento relativo chapa/pilar seção GG' CT1A-1 (t ch = 31,5 mm) e CT1A-4 (t ch = 22,4 mm) Para o modelo CT1A-4, os deslocamentos para as linhas 1 e 2 de parafusos são maiores, percebendo-se que há um acréscimo maior do afastamento chapa/pilar para o plano médio da alma com relação à região próxima ao parafuso. Sob outro ponto de vista, há um aumento da flexão da chapa de topo. As observações de RIBEIRO (1998), em sua análise experimental, indicam que para ambos os modelos CT1A-1 (t ch = 31,5 mm; d p = 16,0 mm) e CT1A-4 (t ch = 22,4 mm; d p = 16,0 mm) o colapso da ligação ocorreu pela ruptura de todos os parafusos da região tracionada. A ruptura para os parafusos do modelo CT1A-1 já era prevista pelo EC-3, visto as capacidades resistentes calculadas para ambas as linhas externa e interna. No entanto, para o modelo CT1A-4, a capacidade resistente da linha externa não é limitada somente pela ruptura dos parafusos, mas também pela flexão da chapa de topo. Considerando os valores calculados segundo o EC-3 e o comportamento observado na análise experimental de RIBEIRO (1998), a ruptura dos parafusos da linha externa do protótipo CT1A-4 chama a atenção para o caso em que há interação entre escoamento da chapa de topo e ruptura dos parafusos, devido à impossibilidade de definir, realmente, a contribuição de cada um desses elementos para o colapso da ligação. Fazendo-se a mesma análise para a variação da espessura da chapa nos modelos com parafusos de 19,0 mm, apresenta-se, na tabela 6, as capacidades resistentes para os modelos CT1B-4 (t ch = 22,4 mm) e CT1B-6 (t ch = 19,0 mm). Os modelos com parafusos de 19,0 mm apresentam o mesmo comportamento dos modelos com parafusos de 16,0 mm, ou seja, a diminuição da espessura da chapa de topo diminui a capacidade resistente da ligação.
26 46 Yuri Ivan Maggi & Roberto Martins Gonçalves Tabela 6 Capacidade resistente para a flexão da chapa de topo segundo o EC-3 - Modelos CT1B-4 e CT1B-6 Modelo Espessura Diâmetro Modos de Falha P r (kn) chapa parafuso Linha (mm) (mm) CT1B-4 22,4 19, ,0 195,5 254, ,4 309,1 254,0 CT1B-6 19,0 19, ,86 176,1 254, ,37 257,9 254,0 No entanto, nota-se que os valores calculados para o modo de falha que leva em consideração somente o escoamento da chapa de topo (modo 1 * ), se aproximam dos valores calculados para o modo 2 à medida em que decresce a espessura da chapa. Para os modelos CT1B-4 e CT1B-6, os afastamentos chapa/pilar das seções EE' e GG' estão ilustrados, respectivamente, nas figuras 33 e 34. Com relação à linha 1, para o modelo CT1B-6, observa-se um comportamento no qual há pouca deformação do parafuso, o qual impõe uma predominância da flexão da chapa de topo na determinação da capacidade resistente para a linha externa de parafusos. Para esse modelo numérico, o EC-3 prevê, segundo a tabela VI, menor valor da capacidade resistente para a linha 1 considerando a ação conjunta da flexão da chapa com o colapso do parafuso (modo 2), mas o valor de P r,2 = 176,1 kn é bem próximo do valor obtido considerando-se apenas a flexão da chapa de topo (modo 1), igual à P r,1 = 197,86. Isso quer dizer que, à medida em que a espessura da chapa de topo é diminuída ao mesmo tempo em que o diâmetro dos parafusos é aumentado, o modo de falha para a região dos parafusos é, como prevê o EC-3, regido pela flexão da chapa, aproximando-se do modo 1 *. *
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