A placa de base é suficientemente rígida?

Por que razão as fixações são tão importantes?

As fixações desempenham um papel crucial na integridade e segurança dos elementos estruturais e não estruturais. É por isso que foram desenvolvidas normas específicas, como a EN1992-4. Estas abordam os desafios das ligações aço-betão e fornecem um método de dimensionamento fiável que garante uma transmissão segura de cargas entre elementos de aço e de betão. A EN1992-4 abrange vários tipos de fixadores (fixadores moldados no local com cabeça, fixadores mecânicos pós-instalados e fixadores colados), bem como diferentes categorias de ações.

O dimensionamento de fixações para utilização em betão

O dimensionamento de fixações em betão, de acordo com a EN1992-4, para carregamento estático/quase-estático envolve múltiplas verificações normativas:

Fig. 1  Verificações normativas para fixadores à tração

Fig. 2 Verificações normativas para fixadores ao corte

Fig. 3 Verificações normativas para contabilizar a interação de cargas de tração e corte

O processo de dimensionamento, tal como descrito na Norma (Fig.  1 - Fig.  3), requer uma abordagem detalhada para garantir que todas as verificações normativas relevantes são satisfeitas. Cada tipo de fixador necessita de considerações específicas. Por exemplo, as âncoras mecânicas baseiam-se no encaixe mecânico, enquanto as âncoras coladas dependem das propriedades adesivas do material de colagem. O processo de dimensionamento deve ter em conta estas diferenças para garantir uma ligação fiável.

Vejamos mais de perto uma dessas verificações normativas. Tomaremos como exemplo a resistência característica do fixador, ou de um grupo de fixadores no caso de rotura do betão em cone (Fig.  4), o que demonstra a sofisticação do modelo de dimensionamento:

Fig.  4 A resistência característica do fixador, ou de um grupo de fixadores no caso de rotura do betão em cone

A equação inclui quatro fatores para contabilizar efeitos como o lascamento da superfície, a perturbação da distribuição de tensões, a presença de armadura complementar, entre outros. Isto revela que não só as propriedades dos materiais de construção (aço, betão), mas também outros fatores, como a geometria do bloco de betão, a grelha de âncoras, a profundidade de embebimento, a armadura complementar, etc., influenciam a resistência final, ou seja, o modo de rotura condicionante para a combinação de ações considerada. Isto demonstra que o dimensionamento de ligações aço-betão pode ser bastante moroso e complexo quando realizado manualmente, uma vez que envolve numerosos cálculos e iterações para otimizar o dimensionamento.

IDEA StatiCa Connection permite ao utilizador dimensionar ligações aço-betão utilizando fixadores mecânicos pós-instalados ou âncoras moldadas no local com placas de anilha. Dependendo do tipo de âncora, existem muitas verificações normativas a calcular. A maioria das verificações normativas listadas nas Fig.  1 - Fig.  3 é calculada no IDEA StatiCa Connection com base nos dados introduzidos pelo utilizador e nos parâmetros indicados na norma. Algumas delas não são fornecidas, pois requerem fatores específicos do produto, baseados em ensaios realizados com uma configuração normalizada e avaliados de acordo com as especificações técnicas harmonizadas aplicáveis. Estes fatores podem ser encontrados em aprovações técnicas como a Avaliação Técnica Europeia (ETA). Para além dos fatores necessários para o cálculo da resistência de cálculo, existem outras características importantes incluídas na aprovação, como a distância mínima à extremidade c_min, o espaçamento mínimo entre âncoras s_min, a altura mínima do bloco de betão h_min, os coeficientes de segurança, entre outros. A informação sobre as verificações normativas não fornecidas é descrita no separador de resultados, conforme mostrado na Fig.  5.

Fig.  5 Lista de verificações normativas que requerem características específicas do produto

A rigidez da placa de base de aço

Para além da lista de verificações normativas exigidas, a norma especifica regras adicionais que devem ser respeitadas. Entre elas encontram-se as regras para a determinação das forças que atuam nos fixadores. Quando um momento fletor e/ou uma força de tração atua numa peça de fixação, de forma semelhante a uma ligação aço-aço, podem surgir forças de alavanca. Estas forças devem ser consideradas no dimensionamento da placa de base, pois conduzem a forças de tração mais elevadas nas âncoras. Este requisito é descrito na Cláusula 6.1 (4) e ilustrado na Fig. 6.1 b da EN1992-4:

Fig.  6 Cláusula 6.1 (4) da EN1992-4

Fig.  7 Amplificação das forças de tração que atuam num fixador devido às forças de alavanca C_pr

A norma fornece orientações sobre como calcular as cargas de tração de cálculo que atuam num fixador, desde que a peça de fixação seja suficientemente rígida, o que significa que a hipótese de distribuição linear de deformações é válida (como na teoria de vigas). No entanto, se os requisitos estabelecidos na Cláusula 6.2.1 não forem satisfeitos, o comportamento de deformação elástica da placa de base de aço é tido em conta. Este efeito é considerado no IDEA StatiCa Connection, uma vez que o cálculo pelo método CBFEM permite capturar o comportamento à flexão da placa de base, incluindo a rigidez do perfil ligado, das soldaduras e do maciço de fundação (modelado utilizando o modelo de solo de Winkler). Na secção seguinte, analisaremos mais detalhadamente a influência da espessura da chapa nas forças de tração resultantes nas âncoras, nas tensões equivalentes no pilar e nas tensões de compressão no bloco de betão.

Alguns exemplos no IDEA StatiCa

Vejamos alguns exemplos que preparei utilizando o IDEA StatiCa

Aqui, a disposição das âncoras (duas filas com três âncoras), a profundidade de embebimento, as dimensões do bloco de betão, bem como as propriedades dos materiais, permanecem iguais para ambos os casos estudados. O que será ajustado é a espessura da placa de base (10, 20 e 30 mm) e os efeitos das ações aplicadas – para o caso n.º 1, trata-se de uma força de tração com N = 100 kN, e para o caso n.º 2, trata-se de uma força de compressão com N = -100 kN. Estas hipóteses permitir-nos-ão verificar facilmente a influência dos parâmetros nos resultados, ou seja, as forças axiais nos fixadores, a tensão equivalente no pilar e a tensão de compressão no betão. O modelo é apresentado na Fig. 8 abaixo.

Fig.  8 Modelo no IDEA StatiCa Connection

Comecemos pelo caso n.º 1; apresentam-se os resultados para os exemplos estudados:

Fig.  9 Caso n.º 1, espessura da placa de base = 10 mm, tensões equivalentes

Fig.  10 Caso n.º 1, espessura da placa de base = 10 mm, forças de tração nas âncoras

Fig.  11 Caso n.º 1, espessura da placa de base = 20 mm, tensões equivalentes

Fig.  12 Caso n.º 1, espessura da placa de base = 20 mm, forças de tração nas âncoras

Fig.  13 Caso n.º 1, espessura da placa de base = 30 mm, tensões equivalentes

Fig.  14 Caso n.º 1, espessura da placa de base = 30 mm, forças de tração nas âncoras

Tab. 1 Resumo dos resultados para o caso n.º 1 (N = 100 kN)

Como esperado, ao aumentar a espessura da chapa, as forças de alavanca diminuem; com t_fix = 30 mm, não existem forças de alavanca e a carga é distribuída uniformemente por todas as âncoras do grupo. Comparando as forças nas âncoras mais solicitadas do grupo, existe uma diferença de 67% entre uma placa de base elástica (t_fix = 10 mm, N_Ed,1 = 27,9 kN) e uma placa de base rígida (t_fix = 30 mm, N_Ed,1 = 16,7 kN). A consideração do comportamento à flexão da placa de base de aço afeta também a distribuição de tensões nas chapas ligadas, bem como nas soldaduras que unem os elementos. Isto demonstra a importância da verificação da rigidez da placa de base no processo de dimensionamento.

Os resultados do caso n.º 2 mostram a influência da espessura da chapa na distribuição da tensão de compressão no betão:

Caso n.º 2, espessura da placa de base = 10 mm, tensões equivalentes, tensão no betão

Fig.  16 Caso n.º 2, espessura da placa de base = 20 mm, tensões equivalentes, tensão no betão

Fig.  17 Caso n.º 2, espessura da placa de base = 30 mm, tensões equivalentes, tensão no betão

Tab. 2 Resumo dos resultados para o caso n.º 2 (N = -100 kN)

É possível observar que, com o aumento da espessura, a tensão distribui-se de forma mais uniforme, o que por sua vez reduz a tensão máxima de compressão no betão.

Conclusão

Com o IDEA StatiCa Connection, o utilizador pode modelar com precisão o comportamento à flexão da placa de base de aço e verificar o seu impacto na ligação modelada. O software utiliza o método CBFEM para simular a deformação da placa de base sob os efeitos das ações aplicadas. Isto permite aos engenheiros visualizar a distribuição de forças e identificar potenciais problemas relacionados com o comportamento elástico da placa de base de aço, ou confirmar a validade da hipótese de distribuição linear de deformações estabelecida na EN1992-4. Trata-se de uma parte crucial do processo de dimensionamento de ligações aço-betão, uma vez que mesmo placas de base relativamente espessas podem não satisfazer os requisitos de uma placa de base rígida, e omitir esta verificação pode conduzir a uma subestimação das forças de tração nas âncoras, como demonstrado nos exemplos acima.

…mais uma coisa

Na versão mais recente do nosso software, Versão 24.0, foi implementada uma versão beta de uma ligação direta entre o IDEA StatiCa Connection e o Detail. Isto permite a verificação de fundações em betão armado (ULS) utilizando o Detail 3D (baseado no método CSFM). No nosso centro de suporte, pode encontrar um tutorial passo a passo sobre como trocar dados entre ambos os programas, bem como sobre como executar o cálculo na nossa aplicação Detail.

Fig. 18 Ligação BIM entre o IDEA StatiCa Connection e o Detail (versão beta)

Mais recursos

Pode ler mais sobre o tema aqui:

Verificação normativa de âncoras (EN)

Importação de ancoragem do Connection para o Detail (BETA)

IDEA StatiCa Detail – Dimensionamento estrutural de descontinuidades 3D em betão | IDEA StatiCa

Se pretender saber mais sobre a versão mais recente, consulte as notas de versão para todos os detalhes. 

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