Ligações Tubulares Ligações Tubulares ... - FEN/UERJ · Faculdade de Engenharia – FEN/UERJ Disciplina: Tópicos Especiais em Estruturas (Chapa Dobrada) Professor: Luciano Rodrigues

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P d Pó G d ã E h i Ci il

Ligações Tubulares Ligações Tubulares –– EC3EC3

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil

PGECIV - Mestrado Acadêmico

Faculdade de Engenharia – FEN/UERJ

Disciplina: Tópicos Especiais em Estruturas (Chapa Dobrada)

Professor: Luciano Rodrigues Ornelas de Lima

1. 1. GeneralitiesGeneralities Perfis Perfis tubularestubulares são largamente utilizados na são largamente utilizados na Europa, Sudeste Europa, Sudeste

Asiático, EUA e na AustráliaAsiático, EUA e na AustráliaPaíses como Canadá Inglaterra Alemanha e Holanda fa em Países como Canadá Inglaterra Alemanha e Holanda fa em Países como Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda fazem Países como Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda fazem uso intensivouso intensivo de estruturas tubulares e contam com uma de estruturas tubulares e contam com uma produção corrente, industrializada e contínuaprodução corrente, industrializada e contínua com alto grau de com alto grau de desenvolvimento desenvolvimento tecnológicotecnológico

AA situaçãosituação dodo mercadomercado brasileirobrasileiro,, nono entanto,entanto, começacomeça aa sesealteraralterar emem razãorazão dada ofertaoferta dede perfisperfis tubularestubulares estruturaisestruturais(Vallourec(Vallourec && Mannesmann)Mannesmann)

FrenteFrente aa estaesta novanova tecnologiatecnologia,, impõeimpõe--sese aa necessidadenecessidade dededivulgaçãodivulgação ee implementaçãoimplementação dodo usouso dessedesse tipotipo dede perfilperfil ememprojetosprojetos dede arquiteturaarquitetura ee engenhariaengenharia,, ee incrementarincrementar oo númeronúmero dedetrabalhostrabalhos dede pesquisapesquisa nestanesta áreaárea

2

1. 1. GeneralitiesGeneralities

1. 1. GeneralitiesGeneralities LigaçãoLigação soldadasoldada dede perfisperfis tubularestubulares →→ cargacarga dede ruínaruína dada faceface dodo

perfilperfil →→ flexão,flexão, cisalhamento,cisalhamento, punçãopunção ee efeitoefeito dede membranamembrana

AsAs normasnormas dede projetoprojeto dede ligaçõesligações dede perfisperfis tubularestubulares emem açoaço sãosãonormalmentenormalmente baseadasbaseadas emem:: análiseanálise plásticaplástica (formação(formação dede linhaslinhas dede rupturaruptura –– charneirascharneiras plásticas)plásticas)→→ bb elevadoelevado (P(P →→ irreal)irreal)

critérioscritérios dede deformaçõesdeformações limiteslimites →→ ((11,,22*t)*t) ouou 00,,33*b*b00 →→ acréscimoacréscimo dedeçç (( ,, )) ,, 00

resistênciaresistência →→ efeitoefeito dede membranamembrana

MelhoresMelhores resultadosresultados →→ métodosmétodos analíticosanalíticos →→ análiseanálise plásticaplástica ++punçãopunção ++ fenômenosfenômenos dede instabilidadeinstabilidade

3



4



5



6



7

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 For hot finished hollow sections and cold formed hollow sections: the nominal yield strength < 460 N/mm2

the nominal yield strength > 355 N/mm2→ design resistances →reduced by a factor 0,9

The nominal wall thickness ≥ 2,5 mm

The nominal wall thickness < 25 mm

Campo de Aplicação: Th i l t f th b h ld ti f th The compression elements of the members should satisfy the

requirements for Class 1 or Class 2

The angles θi between the chords and the brace members ≥ 30º

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Campo de Aplicação: In gap type joints, in order to ensure that the clearance is adequate for

f i ti f t ld th b t th b b h ld forming satisfactory welds, the gap between the brace members should not be less than ( t1 + t2 )

8

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Campo de Aplicação: In overlap type joints, the overlap should be large enough to ensure that

th i t ti f th b b i ffi i t f d t the interconnection of the brace members is sufficient for adequate shear transfer from one brace to the other. In any case the overlap should be at least 25%.

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Exemplos de Ligações Tubulares

9

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Exemplos de Ligações Tubulares

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Modos de Ruína Chord face failure (plastic failure of the chord face) or chord

l tifi ti ( l ti f il f th h d ti )plastification (plastic failure of the chord cross-section);

axial loadingaxial loading bending momentbending moment

10

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Modos de Ruína Chord side wall failure (or chord web failure) by yielding, crushing or

i t bilit ( i li b kli f th h d id ll h d b) instability (crippling or buckling of the chord side wall or chord web) under the compression brace member;


2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Modos de Ruína Chord shear failure


11

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Modos de Ruína Punching shear failure of a hollow section chord wall (crack initiation

l di t t f th b b f th h d b )leading to rupture of the brace members from the chord member);


2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Modos de Ruína Brace failure with reduced effective width (cracking in the welds or in

th b b )the brace members);


12

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Modos de Ruína Local buckling failure of a brace member or of a hollow section chord

b t th j i t l timember at the joint location.


2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Welded joints between CHS members

13

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Welded joints between CHS members – Axial Loading


14



15

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Welded joints between CHS members – Bending Moment


16


2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Welded joints between CHS members – Special Types

17

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Welded joints between CHS members – Reduction Factors

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3 Welded joints between CHS members – Reduction Factors

18

Welded joints between CHS members – Reduction Factors

2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3

Welded joints → CHS or RHS members and RHS chord members2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3

19


0

1

b

b

1

11 t

b

0

00 t

b

0

0

2t

b


20

Welded joints → CHS or RHS members and RHS chord members

Axial loadingAxial loading



Axial loadingAxial loading


21


Axia

l loa

ding

Axia

l loa

ding


Axial loading Axial loading →→ T, X and Y joints between RHS or CHS braces and RHS chordsT, X and Y joints between RHS or CHS braces and RHS chords


22







23


n n 2. Design 2. Design AccordingAccording to EC3to EC3

ed K

and

N jo

ints

bet

wee

ned

K a

nd N

join

ts b

etw

een

nd R

HS

chor

dsnd

RH

S ch

ords

Axia

l loa

ding

Ax

ial l

oadi

ng →→

wel

dew

elde

RH

S or

CH

S br

aces

aR

HS

or C

HS

brac

es a




24




Welded joints → RHS members and RHS chord members

Bending momentBending moment


25







26

3. Examples3. Examples RHS members and RHS chord members

(EC3) 8508750bb

0

1 ,,

300b0

260b1 RHS260x260x8


Verificações da Norma"T" Joint

beta = b1 / b0 = 260 = 0.867 > 0.85 não OK300

b0 / t0 = 300 = 37.500 > 10 OK8

b1 / t1 = 260 = 32.500 < 35 OK8

h1 / t1 = 260 = 32.500 < 35 OK8

h0 / b0 = 300 = 1.000 > 0.5 OK300

h1 / b1 = 260 = 1.000 > 0.5 OK

chord: perfil

brace: perfil

b1 h1 t1 fy1260 260 8 275

h1 / b1 260 1.000 0.5 OK260

c0 / t0 = 284 = 35.500 > 30,36 OK8

c1 / t1 = 244 = 30.500 > 30,36 OK8

teta 1 = 90 º

b0 h0 t0 fy0300 300 8 275

27


5M

200yn

Rd1 142

1

tfkN

/, 5M

11Rd1 sensen 1

,

kn (tração) = 1.00 ; n = 1.00 kn (comp) = 0.838

N1,Rd (t) = 1.00 * 275 * ( 8 )^2 *

( 1 - 0.867 ) * sen 90

2 * 0.867 + 4 * RAIZ ( 1 - 0.867 )sen 90

N1,Rd (t) = 421.60 kN

N1,Rd (c) = 0.84 * 275 * ( 8 )^2 *

( 1 - 0.867 ) * sen 90

2 * 0.867 + 4 * RAIZ ( 1 - 0.867 )sen 90

N1,Rd (c) = 353.49 kNVale ressaltar que NVale ressaltar que N1,Rd1,Rd representa a carga a ser aplicada representa a carga a ser aplicada no braço que provoca a plastificação da face da corda.no braço que provoca a plastificação da face da corda.

400

500


0

100

200

300

0 20 40 60 80 100

deslocamento (mm)

carg

a (k

N)

= 0,875= 0,875

400

500

400

500

0

100

200

300

400

0 20 40 60 80 100

deslocamento (mm)

carg

a (k

N)

= 0,833= 0,8330

100

200

300

400

0 20 40 60 80 100

deslocamento (mm)

carg

a (k

N)

= 0,733= 0,733

28


350

400

150

200

250

300

350

Ca

rga

(k

N)

300 x 260 x 8 300 x 250 x 8

300 x 220 x 8 300 x 200 x 8

300 x 180 x 8 300 x 160 x 8

0

50

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Deslocamento (mm)

300 x 150 x 8 300 x 140 x 8

300 x 130 x 8 300 x 120 x 8

300 x 110 x 8


0 000 000,000,00

8,808,80

17,717,7

26,526,5

35,435,4

44,344,3

x

y

z

44,344,3

53,253,2

62,062,0

70,970,9

79,779,7Ligação RHS 300x300x8 com RHS200x200x8

Deslocamentos UY (em mm)

29


x

y

z

--274,8274,8

--212,6212,6

--150,5150,5

--88,488,4

--26,226,2

35 935 9

Ligação RHS 300x300x8 com RHS200x200x8

Tensões na direção X (em MPa)

35,935,9

98,098,0

160,15160,15

222,3222,3

284,4284,4


--236,4236,4

x

y

z

,,

--176,0176,0

--115,7115,7

--55,355,3

5,05,0

65,365,3


Tensões na direção Y (em MPa)

125,7125,7

186,0186,0

246,3246,3

306,7306,7

30


86 386 3

x

y

z

--86,386,3

--42,242,2

1,91,9

46,046,0

90,190,1

134,2134,2


Tensões na direção Z (em MPa)

178,3178,3

222,3222,3

266,4266,4

310,5310,5


x

y

z

19,219,2

47,647,6

76,076,0

104,4104,4

132,9132,9

161 3161 3


Tensões de Von Mises (em MPa)

161,3161,3

189,7189,7

218,2218,2

246,6246,6

275,0275,0

31


500

200

300

400

Car

ga

(kN

)

EC3

limite - modo de ruína (a)

0

100

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

3. Examples3. Examples “KT” Joint - RHS members and RHS chord members

For the “KT” joint, the Eurocode 3 j ,provisions consider these types of joints as a “K” joint, of a gap or overlap type, depending on the joint geometry. Since , and the overlap ratio, is 19 %, the current joint is again slightly out of

5370 ,

ov

XY

Z

cu e t jo t s aga s g t y out othe Eurocode rules range of validity that assume and .350 %25ov

70

364

32


41,464,2191,8

LOAD CASE = 1

Loadcase 1

RESULTS FILE = 0

TOP STRESS

CONTOURS OF SE

0 325801

0,30253

0,279258

0,255987

0,232715

0,209444

0,186172

0,162901

0,139629

0,116358

0,093086

0,0698145

0,046543

0,0232715

0

64,2191,8

566,7314,7

X

Y

Z

0,349073

0,325801

Max 0.3736 at Node 44

Min 0.1281E-02 at Node 5107

XY

Z

deformed meshdeformed mesh

Von Mises (Von Mises (in GPa)in GPa)


300

100

150

200

250

nto

mai

s de

sfav

oráv

el (

MP

a

No K S275

umvo

nM

ises

stre

ss

0

50

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Factor multiplicativo da carga não majorada

Ten

são

po

Max

imu

Total load factor

33


-0,0279914

-0,0139957

0

0,0279914

0,041987

0,0139957

0,0699784

0,0839741

0,111965

0,0979697

0,0559827

0,139957

0,153952

0 181944

0,167948

TOP STRESS

RESULTS FILE = 0

LOAD CASE = 1

Loadcase 1

CONTOURS OF SX

0,125961

LOAD CASE = 1

Loadcase 1

RESULTS FILE = 0

TOP STRESS

CONTOURS OF SZ

0,217272

0,19752

0,177768

0,158016

0,138264

0,118512

0,0987602

0,0790082

0,0592561

0,0395041

0,019752

0

-0,019752

-0,0395041

-0,0592561

-0,0790082

Stresses in direction X Stresses in direction X (chord axis)(chord axis)

Stresses in direction Z Stresses in direction Z (middle brace axis)(middle brace axis)

Min -0.3709E-01 at Node 4070


0,181944

X

Y

Z


Min -0.9796E-01 at Node 2966

X

Y

Z


3,5

1

1,5

2

2,5

3

otal

load

fac

tor

Displac. Res. node 2008

41,4

64,2

64,2

191,8

191,8

0

0,5

1

0 1 2 3 4 5 6

Brace axial displacement

To

566,7314,7

34

1200


41,4

64,2

64,2

191,8

191,8

400

600

800

1000

otal

load

(kN

)

Displac. Res. node 2008E rocode 3

,

566,7314,7brace failure mechanism

0

200

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Brace axial displacement

To Eurocode 3

Eurocode 3 overlap=25%


The EC 3 failure load → brace failure mechanism, ,represented by the full horizontal line This force is the resultant axial force in the most loaded

brace member (770kN). The application of EC3 is out of its validity rangethe overlap ratio is 19% < the minimum of 25%the overlap ratio, is 19% < the minimum of 25%

The same exercise - minimum EC3 value of →maximum load of 910kN, represented by the horizontal dotted line maximum load obtained is 841kN

ov

%25ov

35

4. Important References4. Important References

Cao, J.J., Packer, J.A., Young, G.J., 1998. Yield Cao, J.J., Packer, J.A., Young, G.J., 1998. Yield li l i f RHS ti ith i l l d li l i f RHS ti ith i l l d J J line analysis of RHS connections with axial loads, line analysis of RHS connections with axial loads, J. J. Constructional Steel Research, Constructional Steel Research, vol. 48, nº 1, pp 1vol. 48, nº 1, pp 1--25.25.

Eurocode 3, prEN 1993Eurocode 3, prEN 1993--1.8, 2003. 1.8, 2003. Design of steel Design of steel structures structures –– Part 1.8: Design of jointsPart 1.8: Design of joints (“final draft”), (“final draft”), structures structures Part 1.8: Design of jointsPart 1.8: Design of joints ( final draft ), ( final draft ), CEN, European Committee for Standardisation, CEN, European Committee for Standardisation, Brussels.Brussels.


Kosteski, N., Packer, J.A., Puthli, R.S., 2003. A Kosteski, N., Packer, J.A., Puthli, R.S., 2003. A fi it l t th d b d i ld l d fi it l t th d b d i ld l d finite element method based yield load finite element method based yield load determination procedure for hollow structural determination procedure for hollow structural section connections, section connections, J. Constructional Steel J. Constructional Steel Research, vol. 59, nº 4Research, vol. 59, nº 4, pp. 427, pp. 427--559.559.

Vallourec & Mannesmann do Brasil, 2004. Catálogo Vallourec & Mannesmann do Brasil, 2004. Catálogo Vallourec & Mannesmann do Brasil, 2004. Catálogo Vallourec & Mannesmann do Brasil, 2004. Catálogo de Produtos: Tubos Estruturais de Seções de Produtos: Tubos Estruturais de Seções Circulares, Quadradas e Retangulares, 8 pp.Circulares, Quadradas e Retangulares, 8 pp.

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Neves,Neves, LL..FF.. CC..,, Lima,Lima, LL.. RR.. OO.. de,de, Jordão,Jordão, SS.. andandSilSil JJ GG SS dd 20052005 St t lSt t l A l iA l i ff “T”“T”Silva,Silva, JJ.. GG.. SS.. da,da, 20052005.. StructuralStructural AnalysisAnalysis ofof “T”“T”andand “KT”“KT” JointsJoints ofof aa SteelSteel TrussTruss StructureStructure UsingUsing thetheFiniteFinite ElementElement MethodMethod.. ProceedingsProceedings ofof thethe TenthTenthInternationalInternational ConferenceConference onon Civil,Civil, StructuralStructural andandEnvironmentalEnvironmental EngineeringEngineering Computing,Computing, CivilCivil--CompCompPress,Press, Stirling,Stirling, Scotland,Scotland, pppp.. 11--1515..

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