Ligações de contraventamento e IDEA StatiCa

Este é o artigo de seguimento ao artigo sobre treliças escrito pelo meu colega – Ralph Pullinger. Em primeiro lugar, a questão fundamental é – qual é a diferença entre contraventamento e treliça? Há alguma sobreposição entre estes temas, como se pode imaginar. 

Essencialmente, uma escora é um único elemento que suporta, reforça ou consolida algo, enquanto uma treliça é geralmente uma parte completa da estrutura e é formada por vários elementos. Por outras palavras, o contraventamento pode ser parte de uma estrutura em treliça. Naturalmente, alguns sistemas de treliça requerem necessariamente escoras para ficarem completos – especialmente no mercado habitacional. Até mesmo elementos dentro de algumas treliças funcionam como escoras.

Mas onde são encontrados, e o sistema de contraventamento é utilizado apenas em estruturas de aço? De modo algum. Encontramo-los habitualmente em edifícios de aço e em edifícios com estrutura de madeira. Menos frequentemente numa estrutura de betão, salvo razões específicas, como uma reabilitação ou reforço estrutural.

Sistemas de contraventamento utilizados em estruturas de aço

Nos sistemas estruturais de aço, uma escora é geralmente definida como suportando apenas carga axial (quer de compressão quer de tração). Se uma escora tivesse de suportar um momento, então deveria ser definida como uma viga ou pilar. As escoras não estão limitadas ao eixo horizontal ou vertical. São também utilizadas em planos inclinados (como um plano de cobertura). As escoras transferem invariavelmente ações. Predominantemente, têm como objetivo transferir cargas horizontais, como o vento, para um mecanismo de suporte – geralmente as fundações.

As escoras podem assumir a forma de cabos, tiras, cantoneiras, varões, secções ocas e até perfis em I. Tradicionalmente, eram sempre concebidas para ficarem ocultas, mas existem também vários exemplos em que são expostas e valorizadas.

Um belo exemplo de simbiose entre arquitetura e engenharia estrutural, revelando os contraventamentos e os detalhes das suas ligações na fachada, pode ser encontrado em Espanha no edifício atualmente conhecido como o Hotel Arts Barcelona. Aqui, as ligações de aço estrutural estão quase ao alcance da mão e são observáveis pelos hóspedes do hotel. Veja como realizámos este cálculo de dimensionamento de contraventamento num dos nossos webinars.

Nos tempos antigos do 2D (tanto analógico como digital) e, devido ao plano em que operam, os contraventamentos eram também frequentemente esquecidos até serem detetados a passar em frente a uma janela (involuntariamente) ou a bloquear o acesso a uma porta. Quantos se lembram dessas situações?

Agora, com o advento do BIM, estes problemas de coordenação praticamente desapareceram (esperemos). A adoção do Método dos Elementos Finitos também permitiu uma utilização mais eficiente do material, e métodos de análise mais rigorosos permitem aos engenheiros posicionar os sistemas de contraventamento onde funcionarão melhor.

Na sua forma mais simples, uma escora é um elemento que vai de um ponto a outro. Pode ser uma escora simples ou fazer parte de um sistema de contraventamento mais amplo formando um padrão. Naturalmente, existe uma grande variedade de sistemas de contraventamento utilizados em estruturas, desde os típicos contraventamentos em X até sistemas avançados que respeitam requisitos arquitetónicos.

A formação e experiência de um engenheiro guiam-no geralmente para encontrar posições e formas adequadas de contraventamento. Isto pode ser refinado com análise. É durante esta análise que efeitos adicionais, como excentricidades, são assumidos como desprezáveis. Como sempre defendo – um engenheiro gosta de manter as coisas simples.

Na análise estrutural global (pórticos 2D ou 3D), veremos vigas, pilares e contraventamentos a encontrarem-se num único nó. Na realidade, tal não pode acontecer, pois existe sempre alguma excentricidade envolvida. Isto também pode ser modelado no Método dos Elementos Finitos e em BIM para que estes efeitos sejam considerados – geralmente, um pequeno ajuste para cima/baixo ou esquerda/direita será suficiente.

Leia mais no artigo de Jan Kubicek sobre excentricidades estruturais e os seus problemas – E se não for na direção certa?

Tipos de ligações de contraventamento em estruturas de aço

Agora, temos uma série de escoras que podem suportar a carga de cálculo – como as ligamos à estrutura principal? É aqui que entra a arte dos projetistas e o seu conhecimento. Quais são as limitações aqui? Simplificando, quantos tipos de ligações em estruturas de aço o projetista tem armazenados no seu hipocampo, claro, a sua criatividade, mas também quais são as limitações das ferramentas de software utilizadas?

Existem muitos exemplos de disposições típicas que realizam esta tarefa. A maioria não se destaca, mas algumas sim. O exemplo abaixo é retirado do caso de estudo e webinar Ligações de fachada no Hospital Midland Metropolitan.

O cliente quis destacar o sistema de contraventamento e utilizou o IDEA StatiCa para criar uma ligação funcional e apelativa.

Este seria um excelente exemplo de como o IDEA StatiCa poderia utilizar tanto um modelo geométrico (BIM) de, por exemplo, Tekla Structures para obter o posicionamento dos elementos e as formas das várias chapas, utilizando os efeitos das ações via Método dos Elementos Finitos de, por exemplo, SCIA Engineer (outras soluções CAD e de Método dos Elementos Finitos estão disponíveis😊). Mas, isto é realmente possível!

Detalhes de ligações de contraventamento no IDEA StatiCa

A aplicação para dimensionamento e verificação normativa de ligações IDEA StatiCa Connection é, naturalmente, totalmente capaz de fornecer qualquer tipo de geometria e carregamento, começando com ligações simples como as do sistema típico de contraventamento em V. O ponto forte aqui, em comparação com, por exemplo, folhas de cálculo Excel, é a geração rápida da forma do detalhe, a possibilidade de otimização rápida, controlo visual completo e, não menos importante, a análise de encurvadura!

Leia mais sobre encurvadura não só para ligações de contraventamento no artigo A encurvadura requer pensamento crítico! da autora Jana Kaderova.

Para além das ligações padrão, a nossa aplicação demonstrou as suas capacidades também em ligações de nível avançado. Aqui, entra em jogo a situação em que o arquiteto concretiza os seus sonhos mais ambiciosos e o engenheiro estrutural enfrenta um pesadelo. Tais anéis centrais de contraventamento em X são utilizados em muitas variantes, desde os normalizados, fabricados e testados, até aos absolutamente personalizados que necessitam de ser totalmente analisados e sujeitos a verificação normativa.

No âmbito das escoras, vemos também uma das razões frequentes para as mensagens ao nosso helpdesk. Os exemplos acima mostram também uma ligação de parafuso único da escora à estrutura. Como tal, este elemento não pode suportar qualquer momento, mas apenas uma força normal e forças de corte.

No software de ligações de aço IDEA StatiCa Connection, o parâmetro do elemento de contraventamento denominado Tipo de modelo deve ser alterado do valor predefinido N-Vy-Vz-Mx-My-Mz para N-Vy-Vz (sem momentos). Caso contrário, ocorrerá uma singularidade devido ao mecanismo formado em torno do parafuso.

Solução amplamente verificada

Há alguns dias, no âmbito das minhas funções no helpdesk, estava a resolver um problema com uma ligação que era standard/não-standard. Depende do ponto de vista. O modelo de ligação era uma junta K de secções ocas retangulares (RHS) totalmente soldadas, e o cliente discutia a menor capacidade resistente desta ligação de contraventamento calculada na aplicação Connection em comparação com os cálculos manuais.

Nesta parte da história, é importante salientar que a solução baseada em CBFEM no software está totalmente verificada em múltiplos níveis, incluindo ensaios laboratoriais e muitos exemplos utilizados. Não obstante, reagimos com uma inspeção minuciosa do problema e fornecendo um modelo de elementos finitos independente composto por elementos sólidos 3D com comportamento elastoplástico geometricamente não linear no software midas FEA NX.

Os pressupostos para ambos os modelos:

• Aço S355 – diagrama bilinear com endurecimento
• Análise não linear geométrica e material

Em geral, os cálculos manuais fornecidos pela norma tendem a ser bastante conservadores. Neste caso específico, é o inverso, e a solução de elementos finitos duplamente verificada, que fornece um modelo preciso, apresenta simplesmente uma capacidade inferior em cerca de 20% em ambos os modelos numéricos em comparação com os cálculos manuais. Em conclusão, isto deve-se às deformações espaciais e à punçoamento da viga principal.

Para além disto, no nosso Centro de suporte, entre a lista de artigos de verificação e investigação, existem também artigos que tratam exclusivamente de contraventamentos.

Um deles, Secções ocas retangulares, inclui também o próprio exemplo da junta K soldada dimensionada segundo o Eurocódigo. O trabalho apresenta os resultados de investigação da comparação dos resultados da aplicação Connection com o método tradicional, ou seja, a resistência determinada pelo CBFEM em relação ao FMM para a junta K uniplanar em SHS.

Para a norma americana AISC, existem alguns exemplos de verificação preparados por Mahamid Mustafa num projeto conjunto entre a Universidade de Illinois em Chicago e o IDEA StatiCa. O texto Ligação de contraventamento Chevron num pórtico contraventado (AISC), bem como os restantes, revela muito bem o conceito seguro e eficiente do método CBFEM.

O fim?

Obrigado por ter dedicado o seu tempo a ler este artigo, e esperamos vê-lo novamente em breve no nosso blog do IDEA StatiCa!

PS: Um quiz bónus 😊. Tente contar quantos contraventamentos de aço consegue encontrar na nossa galeria de projetos de exemplo!

3,2,1,...

... muito bem, aqui está a lista filtrada completa para download, consulta e utilização gratuita.