O método de dimensionamento por seções parciais (SPM) é um método inovador para o cálculo da capacidade de carga plástica de seções transversais de componentes. Desenvolvido na Universidade Ruhr-Bochum, baseado nos trabalhos de Rolf Kindmann e Jörg Frickel, esse método se provou extremamente valioso para a construção metálica moderna. Ele oferece uma alternativa mais precisa e econômica aos métodos de verificação tradicionais, dividindo as áreas da seção transversal em pequenas subseções e avaliando-as de forma individual. Desta forma, cenários de carga complexos e formatos de seções transversais podem ser calculados de maneira eficiente e precisa.
Este artigo oferece uma visão detalhada do SPM, explica sua aplicação e demonstra como o método está integrado no software RFEM 6 e utilizado para obter resultados ainda mais precisos. O procedimento é analisado tanto com quanto sem redistribuição, e fazemos uma análise das vantagens e desvantagens de ambas as variantes.
O que é o método de dimensionamento por seções parciais (SPM)?
O método de dimensionamento por seções parciais (SPM) permite o cálculo preciso da capacidade de carga plástica de seções transversais de componentes na construção metálica. Em vez de considerar a seção transversal como um todo, ela é dividida em várias seções transversais retangulares. Essas subseções são então avaliadas individualmente segundo os princípios da teoria da elasticidade e da teoria da plasticidade. Essa abordagem detalhada garante um dimensionamento mais preciso e eficiente de componentes que apresentam uma distribuição de cargas não uniforme.
O procedimento foi desenvolvido por Rolf Kindmann e Jörg Frickel na Universidade Ruhr-Bochum e é reconhecido em círculos acadêmicos como um método importante. Mais esclarecimentos e fundamentos matemáticos podem ser encontrados na literatura especializada, especialmente na publicação "Capacidade de carga elástica e plástica de seções transversais – Fundamentos, métodos, processos de cálculo, exemplos".
Admissibilidade do SPM
O método de dimensionamento por seções parciais cumpre todos os requisitos da EN 1993-1-1 (Eurocódigo 3). É até mencionado no comentário do Eurocódigo como um complemento valioso aos métodos de verificação clássicos. Além disso, a FAQ 5709 destaca explicitamente que o SPM pode ser aplicado na prática sem restrições.
Passos para a aplicação do método de dimensionamento por seções parciais
A aplicação do SPM é dividida em duas variantes: com redistribuição e sem redistribuição. Ambas as variantes permitem uma consideração detalhada e cálculo da capacidade de carga plástica, embora com diferentes pressupostos e passos de cálculo. A seguir, os respectivos procedimentos são explicados em mais detalhes.
1. SPM sem redistribuição
Na variante sem redistribuição, o cálculo das seções parciais é inicialmente feito segundo a teoria da elasticidade. Em seguida, a capacidade de carga de cada subseção é determinada segundo a teoria da plasticidade. O fluxo deste cálculo compreende quatro passos fundamentais:
- Cálculo das tensões na seção transversal total: Primeiro, as tensões na seção transversal total são calculadas de acordo com a teoria da elasticidade.
- Integração das tensões nas subseções: As tensões calculadas são então convertidas para as subseções específicas.
- Verificação das tensões de cisalhamento: Em seguida, ocorre a verificação das tensões de cisalhamento para as subseções.
- Verificação das tensões normais: Finalmente, a verificação das tensões normais é realizada usando um limite de escoamento reduzido, influenciado pelas tensões de cisalhamento calculadas anteriormente.
2. SPM com redistribuição
A variante com redistribuição vai um passo além e inclui uma transformação adicional de momentos fletores. Nesse caso, os momentos fletores são transformados de um sistema de coordenadas original (u-v) para um novo sistema de referência (u’-v’). O ponto de referência está localizado no meio da alma da seção transversal. O fluxo do procedimento com redistribuição consiste em vários passos precisos:
- Transformação dos momentos fletores: Os primeiros cálculos compreendem a transformação dos momentos fletores para um novo sistema de coordenadas, a fim de determinar os momentos fletores relevantes no novo sistema de referência.
- Verificação das tensões de cisalhamento: Após a transformação, ocorre a verificação das tensões de cisalhamento na subseção, com os componentes de tensão de cisalhamento relevantes resultando da força cortante Vy/Vz, momento de torção primário Mxp e momento de torção secundário Mxs.
- Verificação das tensões normais: Semelhante à variante sem redistribuição, a verificação das tensões normais nas subseções é conduzida, porém com um limite de escoamento reduzido baseado nas tensões de cisalhamento. Componentes de tensão normal relevantes resultam do momento fletor Mz e do momento de torção Mw.
- Interação entre força normal e momento fletor: Finalmente ocorre uma interação entre força normal N e momento fletor Mz. Como não existe uma solução analítica fechada para essa interação, é utilizada uma fórmula de interação que permite um cálculo preciso da combinação de força normal e momento fletor.
Quando vale a pena o método de dimensionamento por seções parciais (SPM)?
O método de dimensionamento por seções parciais é especialmente útil quando certas reservas plásticas na seção transversal estão disponíveis, mas não são totalmente utilizadas na verificação elástica clássica. É particularmente vantajoso nas seguintes situações:
1. Distribuições de tensão não uniforme: O SPM é especialmente benéfico quando um componente está sujeito a uma carga complexa, como uma combinação de força normal e momento fletor. Nesse caso, diferentes áreas da seção transversal podem ser solicitadas de maneira diferente, destacando a necessidade do uso de reservas plásticas na seção transversal.
2. Ação simultânea de vários componentes de momentos fletores: A verificação plástica das seções transversais é regulamentada, dependendo da norma aplicável, apenas para certas combinações de momentos fletores. Em contraste, o método de dimensionamento por seções parciais permite a verificação plástica da seção transversal sob a ação simultânea de todos os momentos fletores, incluindo torção primária, secundária e momento de torção.
3. Otimização econômica: O SPM pode levar a soluções mais econômicas, já que permite um uso mais preciso das reservas da seção transversal. Isso é especialmente vantajoso quando as utilizações máximas no campo elástico são muito altas e o potencial para deformações plásticas ainda não foi totalmente explorado.
4. Formas complexas de seções transversais: O método também é adequado para formas de seções transversais mais complexas como perfis I ou perfis L, onde a divisão em subseções menores permite obter resultados mais detalhados. Em tais casos, a aplicação do SPM leva a uma melhor determinação da capacidade de carga real e a uma melhor adaptação às cargas reais.
5.Construção metálica com componentes de parede fina: O SPM é especialmente vantajoso em seções transversais de parede fina, pois essas frequentemente oferecem reservas plásticas que não são sempre totalmente exploradas pelos métodos de verificação clássicos. O método de dimensionamento por seções parciais ajuda a aproveitar melhor essas reservas e a aumentar a segurança e a economia.
Resumidamente, o SPM vale a pena particularmente quando as reservas plásticas da seção transversal podem ser utilizadas para alcançar um dimensionamento mais econômico e preciso. Isso é especialmente verdade em casos de carga complexos, distribuições de tensão não uniformes e seções transversais de parede fina.
Limites de aplicação do SPM
O método de dimensionamento por seções parciais não é adequado para todos os tipos de seções transversais. Os limites de aplicabilidade dependem se o método é executado com ou sem redistribuição:
- Com redistribuição: Esta variante é adequada para seções transversais que consistem em 2-3 chapas e onde as chapas estão orientadas ortogonalmente entre si. Além disso, RHS (Rectangular Hollow Sections) e CHS (Circular Hollow Sections) podem ser utilizados. É também necessário que sejam seções de parede fina laminadas a quente ou soldadas.
- Sem redistribuição: Esta variante pode ser utilizada para todas as seções transversais de parede fina, incluindo seções laminadas a quente, soldadas e formadas a frio.
Exemplo prático no RFEM 6
Para ilustrar o método de dimensionamento por seções parciais na prática, consideramos um exemplo no software RFEM 6, que oferece uma implementação completa do método de dimensionamento por seções parciais. Dentro do software, os usuários podem configurar o método tanto com quanto sem redistribuição.
Exemplo: Cálculo de uma viga com um perfil Z que está sujeita a uma força normal e um momento de torção. A tarefa é dimensionar a seção transversal usando o método de dimensionamento por seções parciais em ambas as variantes e comparar as diferenças na capacidade de carga.
- Ativação do SPM: Nas configurações de capacidade de carga, o método de dimensionamento por seções parciais é ativado. O usuário pode escolher entre a variante com ou sem redistribuição.
- Cálculo da carga e comparação de resultados: Durante o cálculo, verifica-se que o método com redistribuição permite uma capacidade de carga 1,53 vezes maior antes que a seção transversal esteja totalmente utilizada. Comparativamente, o método sem redistribuição atinge a utilização máxima em um valor menor. O método com redistribuição leva a uma solução mais econômica, já que pode utilizar melhor as reservas plásticas da seção transversal.
Conclusão e recomendações
O método de dimensionamento por seções parciais (SPM) oferece uma alternativa eficaz e econômica para o dimensionamento plástico de componentes de construção metálica. Ele permite um uso mais preciso das reservas da seção transversal, especialmente em cenários de carga complexos. Embora o método seja vantajoso particularmente em distribuições de tensão nãouniformes, ele pode ser menos vantajoso quando a tensão é uniformemente alta, já que as reservas plásticas então são pequenas.
No entanto, é importante continuar considerando as verificações de estabilidade, mesmo quando o SPM é utilizado para a capacidade de carga da seção transversal. O software RFEM 6 oferece uma plataforma detalhada e fácil de usar para a aplicação do SPM. No geral, o SPM representa um método poderoso para aumentar a eficiência e a precisão no dimensionamento em construção metálica.