Comparação DSTV com a solução do módulo Ligações de aço: Ligações viga-pilar resistentes a momento com chapas de extremidade

Introdução

Soluções de ligações tradicionais são amplamente utilizadas na construção metálica, com a norma EN 1993-1-8 prescrevendo o método dos componentes para o dimensionamento. Este método pode ser desafiador, especialmente para dimensionamentos complexos, mas recursos como Standardized Joints in Steel Structures to DIN EN 1993-1-8 providenciam geometrias de ligações predefinidas com valores de resistência e rigidez, simplificando o processo.

Este artigo compara os resultados dos métodos de dimensionamento convencionais com aqueles gerados pela abordagem avançada CBFEM no módulo de Ligações de aço para o RFEM 6, utilizando duas configurações de ligações representativas para destacar as diferenças.

A ligação analisada é uma ligação resistente a momento para vigas com seções transversais em I ou H e placas de extremidade, montada com fileiras verticais de parafusos de alta resistência para uma resistência de carga confiável.

As ligações de placas de extremidade têm várias variantes de configuração. Este artigo cobre duas opções: a placa de extremidade alongada, que se estende acima da viga e é unida ao pilar, e a placa de extremidade alinhada, que cobre apenas a área da seção transversal da viga e é unida ao pilar.
A geometria da placa de extremidade alongada, Tipo A, é retirada das tabelas para ligações resistentes ao momento tipo IH [1], enquanto a geometria da placa de extremidade alinhada, Tipo B, é derivada das tabelas para ligações resistentes ao momento tipo IM [3].

As geometrias das ligações selecionadas são apresentadas na tabela abaixo, juntamente com suas configurações.

Configuração de geometria para ligações de tipo A e tipo B

¹ r. - reforços

Abordagem analítica

As tabelas de resistência fornecidas em Standardized Joints in Steel Structures to DIN EN 1993-1-8 [1] e Estruturas de Aço de acordo com DIN EN 1993-1-8, Volume complementar 2018 [3] são válidas sob as seguintes condições: os procedimentos de verificação são elástico-elástico ou elástico-plástico; carregamento predominantemente estático; pilar contínuo; alturas e posições de vigas iguais para configurações da ligação viga-pilar em ambos os lados; pilar, vigas e placas de extremidade em S 235 ou S 355 de acordo com DIN EN 1993 parte 1.1; seções transversais de vigas e pilares HEB, HEA, HEM, IPE são seções laminadas conforme DIN 1025 parte 2, 3, 4 e 5 e normas Euronorm anteriores EU 53-62 (série HE) e EU 19-57 (IPE) respectivamente.

Os modos de rotura e os componentes principais influenciam a resistência ao momento e rigidez considerados para as ligações Tipo A e Tipo B incluem (ver [2] 6.2.6.1 a 6.2.6.8) a alma do pilar ao corte (CWS), alma do pilar em compressão (CWC), banzo e alma da viga em compressão (BFC), alma do pilar em tração (CWT), banzo do piar em flexão (CFB), alma da viga em tração (BWT), placa de extremidade em flexão (EPB) e parafusos em tração (BT).

A resistência ao momento e a rigidez rotacional inicial de ligações viga-pilar com placas de extremidade alongadas ou alinhadas foram retiradas das tabelas de resistência fornecidas em [1] e [3].

As configurações das ligações são apresentadas no início deste artigo, enquanto os valores de resistência ao momento e rigidez rotacional são resumidos na tabela comparativa abaixo.

Análise de EF baseada em componentes

O dimensionamento da ligação foi realizado utilizando o módulo de ligações de aço para o RFEM 6.
O módulo de ligações de aço permite a análise das ligações com base num modelo EF. Tanto a entrada quanto a avaliação dos resultados estão totalmente integradas na interface do utilizador do RFEM, tornando o processo de dimensionamento intuitivo e eficiente.

1. Ligações resistentes ao momento com chapas de extremidade alongadas

Entrada do módulo de ligações de aço
As configurações das ligações são apresentadas no início deste artigo.

Resultados do módulo de ligações de aço
O módulo de ligações de aço para RFEM 6 aumenta as capacidades do software ao permitir que os engenheiros analisem as ligações de aço com a precisão de um modelo de elemento finito (FE). Esta ferramenta avançada facilita a visualização detalhada de todos os resultados chave diretamente no modelo de EF, oferecendo uma visão clara e abrangente do desempenho da ligação quando sujeito a várias cargas e condições. Consequentemente, o RFEM oferece um entendimento mais profundo do comportamento das ligações e ajuda a otimizar os dimensionamentos para segurança e eficiência.

A representação detalhada dos resultados é dada apenas para a junta Tipo A.1.

Resistência ao momento
A resistência ao momento para a ligação do Tipo A.1 é 163,43 kNm.

Tensões Equivalentes
As tensões equivalentes representam a distribuição geral de tensões na conexão e ajudam a identificar possíveis pontos de falha causados por concentrações de tensão. Elas são essenciais para avaliar a capacidade de carga da conexão.

Tipo A.1: Tensões equivalentes apresentadas na geometria da união

A distribuição de tensões na ligação é influenciada pelos mecanismos de transferência de carga e geometria da ligação. A configuração simétrica ajuda a distribuir as forças de maneira uniforme, embora ocorram concentrações localizadas de tensões. Os banzos das vigas e as placas de extremidade experimentam as tensões mais altas, particularmente perto da placa de extremidade onde está ligada aos banzos das vigas e parafusada ao pilar. A área a vermelho escuro indica tensões na tensão de cedência do aço. As faces dos pilares adjacentes à ligação também experimentam tensões significativas.

Deformação plástica
As placas na conexão são projetadas plasticamente e envolve a comparação da deformação plástica calculada com uma deformação plástica permitida. A deformação plástica limite é de 5%, de acordo com EN 1993‑1‑5, Anexo C. Este valor é adotado como padrão no complemento Conexões Metálicas.

Tipo A.1: Deformação plástica mostrada na geometria da ligação

O padrão de deformação na ligação segue de perto a distribuição de tensões. A placa de extremidade mostra padrões de deformação não uniformes devido à transferência de carga excêntrica, com concentrações de deformação ao redor dos furos dos parafusos onde ocorrem tensões máximas.
Globalmente, a distribuição de deformação é não uniforme, com deformações plásticas mais altas em áreas de concentração de tensões, chegando a 0,5% em locais críticos.

Relações de dimensionamento no módulo de ligações de aço
Um resumo das relações de dimensionamento é apresentado na tabela a seguir.

Tipo A.1: Relações de cálculo em ligações de aço

Rigidez à rotação
Um resumo dos valores de rigidez à rotação é apresentado na tabela a seguir.

Tipo A.1: Rigidez de rotação

A ligação exibe dois valores para rigidez à rotação devido à sua natureza assimétrica. Os momentos que atuam nas direções ascendentes e descendentes produzem respostas de rigidez diferentes. Como resultado, a rigidez à rotação varia dependendo da direção do momento aplicado, refletindo o comportamento não-simétrico da ligação.

2. Ligações resistentes ao momento com chapas de extremidade alinhadas

Entrada do módulo de ligações de aço
As configurações das ligações são apresentadas no início deste artigo.
O dimensionamento da ligação foi realizado utilizando o módulo de ligações de aço para o RFEM 6.

Resultados do módulo de ligações de aço
A representação detalhada dos resultados é fornecida apenas para a ligação do Tipo B.1.

Resistência ao momento
A resistência a momento para a ligação do Tipo B.1 é 94,09 kNm.

Tipo B.1: Tensões equivalentes apresentadas na geometria da ligação

Tipo B.1: Deformação plástica apresentada na geometria da ligação

Relações de dimensionamento e rigidez à rotação
É apresentado um resumo das relações de dimensionamento e da rigidez à rotação da junta nas tabelas a seguir.

Tipo B.1: relações de cálculo no módulo Ligações de aço

Tipo B.1: Rigidez de rotação

Discussão

Alguns cálculos foram realizados para a análise: um para a ligação com perfil de viga HEA e outro com perfil de viga IPE. Estas geometrias foram modeladas utilizando o módulo de ligações de aço. Os resultados dos cálculos - tanto analíticos quanto baseados no método CBFEM - são apresentados abaixo.

A comparação entre o método analítico e a abordagem moderna CBFEM revela geralmente uma boa concordância.
Para as ligações do Tipo A, a diferença na resistência ao momento varia de 5,96% a 7,25%, com o módulo de ligações de aço a fornecer valores ligeiramente maiores devido a uma estimativa mais detalhada da resistência ao momento da ligação.
Para as ligações do Tipo B, as diferenças na resistência ao momento são menores, variando de 0,53% a 0,65%, indicando excelente concordância entre os dois métodos.

A rigidez rotacional mostra uma variação maior entre as ligações. Para as ligações Tipo A, a diferença em rigidez varia de 3,96% a 20,6%. A diferença maior sugere que a abordagem CBFEM fornece uma representação mais refinada e precisa do comportamento rotacional, capturando interações mais complexas na ligação.
Para as ligações do Tipo B, as diferenças são ainda mais significativas, com variações de 22,34% e 23,7%. Estas diferenças maiores indicam que o módulo de ligações de aço considera aspectos mais complexos do comportamento da ligação, como distribuição de carga e deformações, que o método analítico simplificado não capta totalmente.

Quando a capacidade de momento é atingida em ligações do tipo A, a análise EF mostra que as chapas de extremidade sofrem deformações plásticas enquanto os parafusos atingem a sua resistência. Isso corresponde aos modos de rotura da literatura de referência. As soldaduras também estão no limite da sua capacidade.
Quanto às ligações do Tipo B, a resistência ao momento atingida na FEA em todas as partes avaliadas é utilizada de maneira uniforme, ou seja, parafusos, chapas de extremidade e soldaduras. Isso significa que a ligação é bem dimensionada. A elevada deformação plástica nas chapas de extremidade é evidente.

Em conclusão, o módulo de ligações de aço fornece uma abordagem precisa e detalhada, particularmente para as configurações de ligações complexas.

Referências

[1] Juntas Padronizadas em Estruturas de Aço de acordo com DIN EN 1993-1-8, Edição Completa 2013
[2] DIN EN 1993-1-8:201.0-12 Eurocódigo 3: Dimensionamento de estruturas de aço Parte 1-8: Dimensionamento de ligações. Versão alemã EN 1993-1-8:2005 + AC:2009
[3] Juntas Padronizadas em Estruturas de Aço de acordo com DIN EN 1993-1-8, Volume Complementar 2018. Juntas resistentes a momento lM