-
*autoracorrespondente 167
Anlisedeligaesmetlicassoldadasentrepilar
deseoRHSevigadeseoI
TaseCorraNunes1,ArleneMariaSarmanhoFreitas2*,GeraldoDonizettidePaula3eMarclioS.R.Freitas4
1Mestre,ProgramadePsGraduaoemEngenhariaCivilPROPEC
DECIV/EM/UFOP,[email protected],DepartamentodeEngenhariaCivilPROPEC
DECIV/EM/UFOP,[email protected],DepartamentodeEngenhariaCivilPROPEC
DECIV/EM/UFOP,[email protected],DepartamentodeEngenhariaCivilPROPEC
DECIV/EM/UFOP,[email protected]
Analysisofsteelweldedconnectionsbetweenrectangularhollow
sectionandibeamResumoEste trabalho apresenta um estudo de ligaes
soldadas formadas por pilar tubular comcostura de seo transversal
quadrada e viga em ao de seo transversal I. Foi
realizadainicialmenteumaanlisetericabaseadaemprescriesnormativasetrabalhosdepesquisae,emseguida,umaanlisenumricadas
ligaespropostas.AanlisenumricaconsideroumodelosemT(umavigaacopladaapilareumnicoplanodeflexo)emodeloscruciformes(duasvigasacopladasapilaredoisplanosdeflexo).Apartirdosresultadosnumricosforamobtidososmomentosresistentesdasligaes.Palavraschave:estruturasmetlicas,seestubulares,ligaes.AbstractThis
work presents a study of welded connections between structural
rectangular hollowsection columns and "I" section beams. A
theoretical analysis was carried out from
codeprescriptionsandresearchesworksandthenanumericalparametricanalysisoftheproposedconnectionswasdone.Numericalanalysis
representsemTmodels (onebeamconnected
tothecolumnandasingleplanebending)andcruciformemodels(twobeamsconnectedtothecolumn
and bending in twoplanes). From thenumerical results the
connections
resistancemomentswereobtained.Keywords:steelstructures,hollowsections,connections.
Volume1.Nmero3(dezembro/2012).p.167180 ISSN22389377
-
168
168
1
IntroduoApesardocrescimentoedisseminaodousodasestruturastubularesnoBrasil,aindah
uma carncia em pesquisas que forneam ferramentas capazes de prever
ocomportamento desses elementos estruturais. A Norma Brasileira
ABNT NBR8800:2008 no traz claras referncias sobre as ligaes entre
pilares tubulares e asvigas I, sendo necessrio recorrer s normas
internacionais. Este fato leva a umagrande necessidade de pesquisas
para futuras incluses em normas nacionais.Destacase que est em
anlise o Projeto de Norma Brasileira PN02125.03004/Projeto de
estruturas de ao e de estruturas mistas de ao e concreto
deedificaescomperfistubulares/2011.Estetrabalhoteveporobjetivoavaliartericaenumericamenteocomportamentodeligaessoldadasentrepilaresemperfiltubulardeseotransversalquadrada(RHSRectangularHollow
Sections) comespessurasprximasde6mme vigasemperfil
Ilaminado.Foramanalisadosarranjoscompilardeextremidadeprimeiramenteligadaaumanicaviga(ligaesemTflexoemumnicoplano)eposteriormente
ligadaaduasvigas(ligaescruciformesflexoemdoisplanos).Estudoanteriorenvolvendopilares
de perfis de seo circular e vigas de perfis I foi apresentado
emReis et al(2012).As anlises simularam diversas variaes das
dimenses do pilar e da viga, sendopossvel quantificar a
interferncia de cada parmetro na resistncia a flexo
daligaoapsaaplicaodoscarregamentos(Nunes(2012)).2
FormulaoTericaOsmodosdefalhaprevistosparaligaesentrepilarRHSevigaIsoapresentadosnaFigura1.Paraasligaesemestudo,Lu(1997)desenvolveuestudosquesosimilaresaos
trabalhos deWinkel (1998) que estudou ligaes entre pilar CHS e viga
I. AsformulaessegundooguiaCIDECT (Comit
InternacionalparaoDesenvolvimentoeEstudodeConstrues
Tubulares)descritosemWardenieret al (2010), Lu
(1997)eABNT(PN02125.03004/Projetodeestruturasdeaoedeestruturasmistasdeaoeconcreto
de edificaes com perfis tubulares,2011) sero descritas a seguir
para o
-
169
169
modo de falha de plastificao da face frontal do pilar, objeto
deste trabalho.
NaFigura2estorelacionadososparmetrosgeomtricosenvolvidosnasanlises.
MODOS DE FALHA CARACTERIZAO
Plastificao da face frontal do pilar
Puncionamento da face frontal do pilar
Plastificao local da face lateral do pilar
Cisalhamento do pilar
Figura1:ModosdefalhadaligaoentrepilartubulardeseoquadradaevigaI
Figura2:LigaoentrepilarquadradaevigaIParmetrosgeomtricos
-
170
170
AsequaesdomomentoresistentedeclculodeligaessoldadasentrevigaIepilarRHS
semoefeitodacargaaxial soapresentadasa seguir.Aequao
(1)previstapelo CIDECT(Wardenier et al, 2010) e a equao (2)
referese proposio de
Lu(1997).Omododefalhaconsideradoaplastificaodafacefrontaldopilar,sendoestemododefalhanoprevistonaPN02125.03004.
M1,Rd fy0t02 41 h1 t1 1
M1,Rd fy0t02h1 t10,5 0,7 41 0,9 2
onde:M1,Rdomomentofletorresistentedeclculofy0aresistnciaaoescoamentodoaodopilar
Para pilares com carregamento axial, no prevista no CIDECT, segundo
Lu (1997)
omomentoresistentedaligaoobtidoaosemultiplicaromomentoresistentesemaconsiderao
do carregamento axial no pilar pelo fator de reduo f(n) dado
pelasequaes3e4.paracargaaxialdecompresso:fn 1 0,01620,9n
0,3720,260,312 n2 1 3paracargaaxialdetrao:fn 1 4n N0N0,pl 5
N0,pl A0fy0 6 N0 N0p 2f 7Paraas ligaescomcarregamentos
iguaisentreasvigas,omomentoresistenteparaas ligaes em T
aproximadamente igual ao momento resistente de
ligaescruciformesdeacordocomostrabalhosdeLu(1997).
-
171
171
Considerando carregamentos diferentes entre as vigas num modelo
cruciforme,
omomentoresistenteresultantedevesermultiplicadopelafunof(J)querelacionaosvaloresdoscarregamentosnasvigas.fJ
1 J 0,662 para J 0 8 fJ 1 para J 0 9J F2F1 10
ondeF1ocarregamentoverticalemTaplicadovigaF2ocarregamentoverticalcruciformeaplicadoviga3
DescriodosmodelosnumricosO estudo numrico foi executado segundo uma
sequncia de operaes bsicas,comum a todos os modelos. Contouse com o
auxlio de arquivos de comandosparametrizados, o que garante maior
produtividade ao se alterar as variveisenvolvidas. As principais
etapas necessrias construo e anlise dos
modelosnumricosconsistemem:
Definiodageometria:Escolhadosperfis,modelosemTecruciforme;
Escolhadoselementosfinitosutilizados:Shell281(pilar,vigaesolda);
Definiodosmodelosconstitutivosdosmateriaisenvolvidos:aoA572,grau
50; Preparaodamalhadeelementosfinitos;
Definiodascondiesdecontorno;
Aplicaodoscarregamentosnopilarenaviga.
Arepresentaodosmodelosconstitutivosfoifeitapormeiodediagramasbilinearesda
relao tenso x deformao, utilizandomaterial inelstico. Foram
utilizadas asseguintespropriedadesdosmateriais:
Mdulodeelasticidadedoao,E=200GPa;
Resistnciaaoescoamentodoao,fy=345MPa; CoeficientedePoisson,=0,3;
Resistncialtimadoao,fu=450MPa.
-
172
172
Ocomprimentoutilizadoparaasvigaseparaospilaresfoide1000mmeasdimensesdosperfisutilizadosestoapresentadasnaTabela1.
Tabela1:Dimensesdosperfisquecompemosmodelosestudados
Pilar
Viga
ModelosemTesecruciformeessemecomcargaaxialnopilar
Dimenses(mm) Parmetrosadimensionaisb0 t0 b1 h1 t1 tw 2
120x120W200x15,0 120 6,3 100 200 5,2 4,3 0,83 19,05
2,53W250x17,9 120 6,3 101 251 5,3 4,8 0,83 19,05 2,09W310x21,0 120
6,3 101 303 5,7 5,1 0,83 19,05 1,67
130x130W200x15,0 130 6,3 100 200 5,2 4,3 0,77 20,63
2,33W250x17,9 130 6,3 101 251 5,3 4,8 0,77 20,63 1,93W310x21,0 130
6,3 101 303 5,7 5,1 0,77 20,63 1,54
140x140W200x15,0 140 6,3 100 200 5,2 4,3 0,71 22,22
2,16W250x17,9 140 6,3 101 251 5,3 4,8 0,71 22,22 1,79W310x21,0 140
6,3 101 303 5,7 5,1 0,71 22,22 1,43
160x160W200x15,0 160 6,3 100 200 5,2 4,3 0,63 25,40
1,89W250x17,9 160 6,3 101 251 5,3 4,8 0,63 25,40 1,57W310x21,0 160
6,3 101 303 5,7 5,1 0,63 25,40 1,25
175x175W200x15,0 175 6,3 100 200 5,2 4,3 0,57 27,78
1,73W250x17,9 175 6,3 101 251 5,3 4,8 0,57 27,78 1,43W310x21,0 175
6,3 101 303 5,7 5,1 0,57 27,78 1,14
Paraosmodelossemcarregamentoaxialdecompressonopilar,
foramrestringidostodos os graus de liberdade dos ns situados nas
sees inferior e superior daextremidadedopilar,
impedindoassimosdeslocamentoseas
rotaesnasdireesdoseixosx,yez.Jnosmodeloscomcarregamentoaxialnopilarforamrestringidostodos
os graus de liberdade dos ns situados na seo inferior e os ns da
seosuperiorforamliberadosparadeslocaremrelaoaoeixoverticaly.Aaplicaodo
carregamento foi realizadaemduasetapas.Naprimeira foiaplicadauma
carga axial no pilar. A solicitao adotada neste trabalho
proporcional capacidade resistente do pilar compresso,
correspondendo a 50% do valor daresistncia ao
escoamentodomaterialdamesma.Na segunda etapa foi aplicado o
-
173
173
carregamento da viga em pequenos passos de carga at que fossem
atingidos osestadoslimitesltimosdaligaosobreflexo.
4 ApresentaoeDiscussodosResultadosOdeslocamento
limite()dosmodelosfoideterminadaearotaoreferenteaesta() obtida
conforme a equao (11), considerando que o deslocamento
namesasuperiorenamesainferiordavigasoiguais
(11)onde,ehm/2estorepresentadosnaFigura3(a)e(b).
(a) (b) (c) (d)
Figura3:Movimentaodafacedopilar:(a)Deslocamentolimite:(b)Cortelongitudinalaopilar;(c)Modelodeformado;(d)Malhadeelementosdeformada
Deacordo comosestudosde Lu (1997),a resistnciadas ligaesdeve ser
tomadaquandoodeslocamentoatingir3%da larguradopilar
(b0).Estedeslocamento limiteocorrena interseodamesa inferiordaviga
comopilar (efeitode compressonafacedopilar).A seguinte considerao
tambmdeve
serobservadaparaadefiniodomomentoresistentenumricodasligaes(Luetal.,1994):
Quando a relao entre omomento resistente numrico correspondente
aodeslocamentode3%b0eomomento resistentenumricocorrespondenteao
-
174
174
deslocamentode 1%b0 formenor que 1,5, omomento resistenteda
ligaodever sero correspondenteaodeslocamentode3%b0que
consideradooestado limite ltimo da ligao e em caso contrrio temse o
momentoresistentea1%b0.
AFigura
aseguirapresentaadistribuiodastensesdevonMisesapsaaplicaodos
carregamentos.Omodode falhaocorrido foi aplastificaoda face
frontaldopilar (paredeonde soldada a
viga),poisomomentodeplastificaoda viga
eosmomentosparaosdemaismodosdefalhadopilarnoforamalcanadospornenhumdosmodelosanalisados.
Figura4:Plastificaodopilar(emMPa)
Osvaloresdosmomentos
resistentesobtidosdaanlisenumrica,daprescriodoProjeto da Norma
Brasileira (PN 02 125.03004), do CIDECT e estudos
realizados(Lu(1997)), considerando ligaes em T sem carregamento
axial do pilar, soapresentados na Tabela 2. Destacase que o Projeto
da Norma Brasileira (PN
02125.03004)noprevomododefalhadeplastificaodafacefrontaldopilar.
Observasequequantomaiorovalordoparmetro,maioromomentoresistenteda
ligao. Este fato pode ser explicado pelo aumento da proximidade
entre
asparedesdotubofazendoqueacontribuiodasparedeslateraisnaresistnciadopilarseja
mais significativa. Na medida em que a largura aumenta a contribuio
das
-
175
175
paredes laterais vai diminuindo, havendo assimmaior concentrao
de tenses naparedefrontal.
Inversamente ao comportamento de , quantomaior o parmetro
2,menor
omomentoresistentedaligao.Ospilaresdemaiorlarguragerammaioresvaloresde2,formandoligaesmenosresistentes.
Tabela2Momentoresistente:ModelosemTsemcargaaxialnopilar
Pilar Viga W200x15 ,
(kN.m) ,(kN.m)
% (kN.m)
(A)
% (kN.m)
(B)
, (kN.m)*
%,
%,
120x6,3 =0,83
2=19,05
W200x15,0 23,1 26,1 35,8 27,6 1,3 29,3 1,5 1,4 W250x17,9 29,8
33,8 45,9 34,3 1,3 37,4 1,5 1,4 W310x21,0 36,0 40,9 57,0 44,5 1,3
45,5 1,6 1,4
130x6,3 =0,77
2=20,63
W200x15,0 19,9 22,2 27,9 22,0 1,3 27,3 1,4 1,3 W250x17,9 25,6
28,5 35,5 27,5 1,3 34,8 1,4 1,2 W310x21,0 31,0 34,5 44,0 34,0 1,3
42,4 1,4 1,3
140x6,3 =0,71
2=22,22
W200x15,0 17,9 20,0 22,5 18,5 1,2 25,5 1,3 1,1 W250x17,9 22,8
25,5 29,0 23,0 1,3 32,5 1,3 1,1 W310x21,0 27,6 30,9 35,6 28,3 1,3
39,7 1,3 1,2
160x6,3 =0,63
2=25,40
W200x15,0 15,1 17,4 17,0 14,2 1,2 22,6 1,1 1,0 W250x17,9 19,3
22,2 22,0 16,5 1,3 28,9 1,1 1,0 W310x21,0 23,3 26,8 27,0 22,2 1,2
35,3 1,2 1,0
175x6,3 =0,57
2=27,78
W200x15,0 13,8 16,3 14,8 12,2 1,2 20,9 1,1 0,9 W250x17,9 17,6
20,7 19,2 15,5 1,2 26,7 1,1 0,9 W310x21,0 21,2 25,0 23,6 17,0 1,4
32,6 1,1 0,9
*Modo de falha: Puncionamento da face da coluna. , - Momento
resistente segundo Lu (1997) , - Momento resistente segundo o guia
CIDECT (2010) % - Momento numrico resistente para =1%b0 % - Momento
numrico resistente para =3%b0 , - Momento resistente segundo a
ABNT/PN 02 125.03-004 (2011)
NaFigura5Erro!Fontedereferncianoencontrada.temseacomparaoentreosresultadosnumricosparaosmomentosresistentesapresentadosnaTabela2(sendotambm
representado a linha de tendncia (LT)) que consideraram que
odeslocamento
limitesejade3%b0eomododefalhadeplastificaodafacedopilarversus as
prescries apresentadas anteriormente. Como a PN 02 125.03004 noprev
o modo de falha citado, os resultados obtidos de suas formulaes
foramapresentadosnas tabelas,pormestesno
foramcomparadosgraficamentecomosresultadosdeLu(1997)edoCIDECT.
-
176
176
Figura5Comparaoentreosresultadosnumricoseosresultadostericosparaomododefalha
deplastificaodafacedopilar Observasequeas formulaes so
conservadorasdiantedos
resultadosnumricos,sendoobservadamaiordispersodosresultadosdosmodeloscommaioresvaloresdeemenores
valoresde2 (pilaresde130e120mmde
largura).DeveseportantomanteroslimitesprestabelecidosporLu(1997):0,20,8;0,32,0;15237,5.Foramcomparadasasduasgeometriaspropostas,modelosemTes(apenasumavigasoldadaaopilar)ecruciformes(duasvigassoldadasaopilarformandoumngulode90o)efoiobservadoqueaalteraodageometrianoinfluenciasignificativamenteocomportamento,sendoqueosmodeloscruciformesalcanaramvalores
ligeiramentemaioresparaomomentoresistenteemrelaoaosmodelosemTes.Destacasequeasanlisessoparamodelossimtricosquantoageometriaecarregamento.Foi
observado que houve a reduo domomento resistente medida em que
foiincrementadaasolicitaoaxialnopilar,comoobservadonaTabela3.Essainflunciaestassociadaplastificaoiniciadanaparededotubo,eainda,aodesenvolvimentodedeformaeslocalizadas.
Tabela3Momentoresistente:ModelosemTescomcargaaxialnopilar
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
1 1,5 2 2,5
M1,
Rd
(kN
.m)
Numrico
Terico | CIDECTTerico | Lu
Limite Lu
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
1 1,5 2 2,5
M1,
Rd
(kN
.m)
Numrico
Terico | CIDECTTerico | Lu
maiores e 2 menores maiores e 2 menores
-
177
177
Os valores dosmomentos resistentes dosmodelos commaiores valores
de queconsideraram o carregamento axial se mostraram conservadores
em relao
aosresultadosdosmodeloscommenoresvaloresde.OsmodeloscruciformescomaconsideraodocarregamentoaxialsecomportaramdemaneirasimilaraosmodelosemTcomcarregamentoaxial,sendoqueosvaloresdosmomentosresistentesdosmodeloscommaioresvaloresdequeconsideraramocarregamento
axial se mostraram conservadores em relao aos resultados
dosmodeloscommenoresvaloresde.Para sintetizar o comportamento das
ligaes, na Figura 6 so apresentadas
asdistribuiesdastensesparaosmodelosqueutilizaramopilar140x140x6,3mmeavigaW200x15compilarsemecomcarregamentoaxial,econsiderandoaalteraodageometria(modelosemTemodeloscruciformes).
Coluna Viga W200x15 ,
(kN.m)
% (kN.m)
(A)
% (kN.m)
(B)
, (kN.m)*
%,
120x6,3 =0,83
2=19,05
W200x15,0 18,4 32,5 25,8 1,3 19,1 1,8
W250x17,9 23,6 45,0 33,9 1,3 24,3 1,9
W310x21,0 28,6 56,0 40,0 1,4 29,6 2,0
130x6,3 =0,77
2=20,63
W200x15,0 15,6 26,0 20,5 1,3 17,7 1,7
W250x17,9 20,0 35,0 27,0 1,3 22,6 1,8
W310x21,0 24,2 43,0 32,5 1,3 27,5 1,8
140x6,3 =0,71
2=22,22
W200x15,0 13,7 21,2 17,0 1,2 16,6 1,5
W250x17,9 17,6 28,4 22,5 1,3 21,1 1,6
W310x21,0 21,2 34,5 26,6 1,3 25,8 1,6
160x6,3 =0,63
2=25,40
W200x15,0 11,3 16,1 13,0 1,2 14,7 1,4
W250x17,9 14,4 21,3 16,7 1,3 18,8 1,5
W310x21,0 17,4 26,2 20,0 1,3 22,9 1,5
175x6,3 =0,57
2=27,78
W200x15,0 10,1 13,9 11,0 1,3 13,6 1,4
W250x17,9 12,9 18,3 14,0 1,3 17,4 1,4
W310x21,0 15,6 23,0 16,9 1,4 21,2 1,5 *Modo de falha:
Puncionamento da face da coluna. , - Momento resistente segundo Lu
(1997) , - Momento resistente segundo o guia CIDECT (2010) % -
Momento numrico para =1%b0 % - Momento numrico para =3%b0 , -
Momento resistente segundo a ABNT/PN 02 125.03-004 (2011)
-
178
178
Em T sem carga axial
Em T com carga axial
Cruciforme sem carga
axial
Cruciforme com carga
axial
Nvel de tenso
Figura6:DistribuiodastensesdevonMises(MPa)
Podeserobservadaaconcentraodetensesnasreasprximasdoencontroentreavigaeopilar,sendoestaaregiomaissolicitadaduranteatransmissodosesforos.Amesasuperiortracionaa
facedopilarenquantoamesa inferiorcomprimea
facedopilar,sendonestasinterseesondeocorreaplastificaodosmodelos.
-
179
179
5 ConsideraesFinais
Apsasanlisesnumricasrealizadas
foipossvelverificarqueosresultadosobtidosapresentaram boa correlao
com os resultados tericos. O modo de falha queocorreu em todos os
modelos numricos e atravs da verificao terica foi aplastificaoda
face frontaldopilar, sendoqueodeslocamentoltimo controlou
aresistncia da ligao. Os modelos com maiores valores de se
mostraramconservadoresquandocomparadoscommodeloscommenoresvalores,devendoservalidadoscommodelosexperimentais.
Observouse que omomento resistente da ligao aumentou com o
acrscimo daalturada seo transversalda vigaao
seutilizarummesmopilar;
jaumentandoalarguradopilarhouveareduoaoseutilizarumamesmaviga.Estareduopodeserexplicadapelamaiorflexibilidadedaparededotubofrentessolicitaestransversais.
Osmodelosdegeometriacruciformeapresentaramrigidezeresistncia
ligeiramentesuperiores aos modelos de geometria em T, podendose
considerar que foramaproximadamenteiguais.
As ligaes em T e cruciformes que simularam o efeito da carga
axial nos pilarestiveramreduodomomentoresistente.Esteefeito
foimaisexpressivonas ligaesqueutilizaramavigademenor
inrcia,considerandoummesmopilarenas
ligaesqueutilizaramopilardemenorlargura,considerandoumamesmaviga.
6 AgradecimentosOs autores agradecem a FAPEMIG (Fundao de Amparo
a Pesquisa do Estado deMinas Gerais), CNPq (Conselho Nacional de
Pesquisa), CAPES (Coordenao
deAperfeioamentodePessoaldeNvelSuperior).
-
180
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7
RefernciasbibliogrficasABNTNBR:8800.AssociaoBrasileiradeNormasTcnicas.Projetodeestruturadeaoedeestruturamistadeaoeconcretodeedifcios.Segundaedio.RiodeJaneiro,2008.
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