Ligações de Aço Inoxidável com o módulo de Ligações de Aço para o RFEM

Modelo Analítico

Este estudo adota os critérios de dimensionamento especificados na EN 1993-1-8:2006 (2) para avaliar a resistência dos parafusos (corte e tração) e a resistência das placas (esmagamento e punçoamento), utilizando as formulações de estados limites fornecidas na Tabela 3.4. A resistência de cálculo do T-stub equivalente é avaliada independentemente para os componentes da placa de extremidade e da mesa do pilar. Para cada componente, a resistência de cálculo governante, F_T,Rd, é definida como o valor mínimo derivado de três mecanismos de rotura potenciais.

A resistência individual para cada modo é calculada com base na capacidade de momento plástico da mesa (M_pl,1Rd e M_pl,2,Rd) e na resistência à tração do grupo de parafusos (∑F_t,Rd). Estes modos consideram a cedência completa da mesa (Modo 1), a rotura do parafuso associada à cedência da mesa (Modo 2) e a fratura pura do parafuso (Modo 3).

• Modos de Rotura:

• Momentos Resistentes Plásticos:

1 Modos de falha de elementos em T

A introdução do Eurocódigo 3 (2) marcou um avanço significativo na engenharia estrutural, estabelecendo o primeiro quadro regulamentar abrangente especificamente dedicado ao dimensionamento de ligações. Frequentemente citado como a referência seminal para os códigos modernos de dimensionamento de aço em estados limites, as suas disposições — especificamente as anteriormente detalhadas no Anexo J (agora integradas na EN 1993-1-8) — fornecem metodologias analíticas (2) para ligações em pórticos de edifícios sob carregamento predominantemente estático, com foco na configuração viga-pilar.

A metodologia é centrada no método das componentes, uma abordagem de modelação mecânica que idealiza a ligação como uma montagem de componentes funcionais individuais. Cada componente é caracterizado por uma mola elástica equivalente definida pela sua rigidez translacional única e resistência de cálculo (3). Ao agrupar estrategicamente estas molas em série e em paralelo com base na topologia da ligação, a rigidez rotacional global e a capacidade resistente ao momento da ligação podem ser derivadas com precisão.

2 Exemplo de modelo do Anexo J do EC3 para ligações de laje de extremidade e vigas de pavimento e cobertura

3 Extensão do Anexo J do EC3 para Ligações com Cantoneiras de Topo e de Alma

• A rigidez inicial da ligação é dada pela fórmula:

Para garantir uma capacidade de rotação plástica adequada, as espessuras da placa de extremidade e das cantoneiras foram determinadas de acordo com o intervalo de limite superior prescrito pela EN 1993-1-8 (2). Esta seleção garante que o comportamento da ligação permanece suficientemente dúctil para a análise estrutural pretendida.

Detalhes Geométricos da Ligação Viga-Pilar

Este estudo utilizou secções I soldadas em aço inoxidável — especificamente, I 240 x 120 x 12 x 10 — para os membros de viga e pilar. As dimensões da secção transversal consistiam numa altura exterior (h) de 240 mm, uma largura de mesa (b) de 120 mm, uma espessura de mesa (t_f) de 12 mm e uma espessura de alma (t_w) de 10 mm. Para avaliar o comportamento estrutural típico, foram investigadas quatro configurações de ligação comummente utilizadas: ligações com placa de extremidade estendida (EEP), ligações com placa de extremidade rasa (FEP), ligações com cantoneiras de topo e assento (TSAC) e ligações com cantoneiras de topo, assento e dupla cantoneira de alma (TSWAC).

As configurações geométricas dos quatro tipos de ligação investigados são ilustradas na Imagem [4] e na Tabela 1. Em todos os provetes, os ligadores consistiam em parafusos de aço inoxidável M16 Grau A4-80 totalmente roscados (equivalentes ao aço-carbono Grau 8.8), instalados em furos de folga de 18 mm de diâmetro. Para as configurações TSAC e TSWAC, as cantoneiras de topo e assento eram idênticas em geometria, incluindo a distribuição espacial dos furos dos parafusos.

• Tabela 1: Configuração Geométrica dos Provetes Ensaiados (2)

• Tabela 2: Propriedades dos Materiais (1)

4 Detalhes de ligações de amostras testadas

Discussão

Ligações de Aço para Solução RFEM

Utilizando o módulo adicional Steel Joints baseado em EF para o RFEM 6, o processo de dimensionamento da ligação foi totalmente integrado no modelo estrutural principal. Ao unificar os parâmetros de entrada e a análise de resultados no ambiente RFEM, o fluxo de trabalho alcançou ganhos significativos tanto em transparência como em eficiência de dimensionamento.

Em todos os provetes investigados, a resistência última e a capacidade de rotação das ligações foram determinadas pela fratura dos parafusos. Devido à alta ductilidade e às características pronunciadas de endurecimento por deformação inerentes aos componentes de aço inoxidável, a resistência ao momento exibiu um ramo ascendente contínuo com o aumento da deformação até que o limite de tração ou corte dos ligadores fosse atingido. Notavelmente, embora a rotura do parafuso em si fosse inerentemente frágil, a resposta sistémica das ligações permaneceu predominantemente dúctil. Este comportamento é atribuído ao facto de a rotura do parafuso ter sido precedida por extensa deformação inelástica e cedência nos outros elementos da ligação, especificamente nas placas de extremidade e nas cantoneiras de mesa/alma. As Imagens 5 e 6 e as Tabelas 3 e 4 ilustram a comparação da resistência ao momento e da rigidez – Experimental, ROFEM, Steel Joints no RFEM com o EC 3. A Tabela 5 ilustra os modos de rotura.

5 Comparação da resistência ao momento – Experimental, ROFEM, Ligações de aço no RFEM e EC 3

6 Comparação de rigidez – experimental, Rofem, ligações de aço no RFEM e EC-3

• Tabela 3: Comparação da Resistência ao Momento – Experimental, ROFEM, Steel Joints no RFEM e EC3

• Tabela 4: Comparação da Rigidez – Experimental, ROFEM, Steel Joints no RFEM e EC3

• Tabela 5: Modos de Rotura

7 Tensões Equivalentes e Deformação Plástica da Chapa de Extremidade Nivelada (FEP)

8 Tensões equivalentes e deformação plástica da chapa de extremidade nivelada (FEP) | 2

9 Tensões Equivalentes e Deformação Plástica da Chapa de Extremidade Estendida (EEP)

10 Tensões Equivalentes e Deformação Plástica da Chapa de Extremidade Estendida (EEP) | 2

11 Tensões Equivalentes e Deformação Plástica da Ligação de Cantoneira de Ligação Superior e de Assento (TSAC)

12 Tensões Equivalentes e Deformação Plástica da Ligação de Cantoneira de Assento e Superior (TSAC) | 2

13 Tensões equivalentes e deformação plástica da ligação de assento superior e chapa de alma dupla (TSWAC)

14 Tensões equivalentes e deformação plástica da ligação Top Seat and Double Web Cleat (TSWAC) | 2

15 Rácios de dimensionamento e rigidez rotacional da chapa de extremidade embutida (FEP)

16 Relações de Projeto e Rigidez Rotacional da Chapa de Extremidade Estendida (EEP)

17 Tensões Equivalentes e Deformação Plástica da Ligação com Cantoneira de Topo e de Assento (TSAC)

18 Relações de dimensionamento e rigidez rotacional de assento superior e cantoneira dupla de alma (TSWAC)

Conclusão

Com base em dados experimentais preliminares, foi avaliada a aplicabilidade das disposições da EN 1993-1-8 ao módulo adicional Steel Joints. Consistente com observações anteriores das contrapartes em aço-carbono, o modelo de rigidez do Eurocódigo tendeu a sobrestimar a rigidez rotacional inicial, com as previsões exibindo uma dispersão significativa.

Os modelos analíticos de resistência (TSWAC-10) exibiram um rácio superior a 1,0 em relação à resistência ao momento plástico tanto dos provetes experimentais como das simulações CBFEM. Foi observada uma discrepância crítica em relação ao modo de rotura governante: a fratura foi invariavelmente desencadeada pela rotura do parafuso, mesmo em configurações onde o Eurocódigo previa uma rotura dúctil do T-stub (Modo 1 ou 2), caracterizada pela formação de rótulas plásticas. Embora os T-stubs tenham desenvolvido as deformações plásticas antecipadas, o pronunciado endurecimento por deformação do aço inoxidável permitiu um aumento contínuo da tensão nas regiões cedidas.