Quando os engenheiros competem - 6 formas de projetar uma ligação de aço

As equipas eram compostas por engenheiros estruturais de empresas de engenharia e fabricantes de aço, e cada uma foi orientada por um projetista de ligações experiente. Após os grupos apresentarem os seus projetos, nós da IDEA StatiCa tivemos a oportunidade de modelar as ligações com a aplicação Connection. Desta forma, pudemos analisar os resultados imediatamente e discuti-los em conjunto.

Explicamos os projetos e resultados com mais detalhe abaixo. O artigo está dividido em duas partes, uma para cada desafio de projeto de ligação de aço.

1 - Projetar uma ligação complexa coluna-viga com vigas de bordo

No primeiro desafio de projeto, focámo-nos numa junta que liga quatro elementos. As forças internas e os perfis tornaram esta uma tarefa de projeto exigente, como demonstra a variedade de soluções: cada uma das seis equipas adotou uma abordagem diferente. É precisamente isto que torna esta profissão tão fascinante: nunca existe uma única solução correta.

O maior desafio surgiu com a ligação das vigas de bordo. Duas secções ocas retangulares (180/180/6) tinham de ser ligadas a uma coluna (HEA160) ou à viga principal (IPE400). Combinado com as cargas impostas, isto criou uma situação de projeto difícil.

Abaixo apresenta-se uma visão geral das ligações, esboços e modelos desenvolvidos no software de ligações de aço IDEA StatiCa. De seguida, discutimos cada ligação e destacamos os principais pontos das discussões e resultados.

Grupo A

O Grupo A optou por prolongar a coluna e ligar a viga principal (IPE400) com uma placa de extremidade. O desafio residia principalmente na ligação das vigas de bordo em SHS à coluna HEA160. Para isso, foi proposta uma ligação com chapa de ligação e dois parafusos M36. Ao modelar em IDEA StatiCa, porém, tornou-se rapidamente evidente que não havia espaço suficiente para este tamanho de parafuso. Como os especialistas durante o workshop sublinharam, é essencial desenhar à escala para compreender a fabricabilidade de uma ligação.

Em vez de uma ligação soldada direta, o grupo optou por prolongar a chapa de ligação através de uma ranhura na alma da coluna para melhor transferir as forças e reduzir as tensões na alma da coluna.

Ao calcular a ligação em IDEA StatiCa, surgem grandes deformações plásticas na ligação das vigas de bordo. Devido à elevada força axial de compressão de 400 kN nas vigas de bordo e a uma excentricidade na chapa de ligação, ocorre um momento fletor na ligação. Utilizando uma ferramenta de análise por Método dos Elementos Finitos como o IDEA StatiCa, isto torna-se rapidamente visível através das deformações que ocorrem.

Ao aumentar as espessuras das chapas, a ligação pode satisfazer os requisitos. Com uma chapa contínua de 35 mm e 2x parafusos M33 8.8, obtém-se resistência e rigidez suficientes.

Embora a solução seja satisfatória, vale a pena considerar a eliminação da excentricidade, sendo provavelmente mais eficiente do ponto de vista estrutural.

Grupo B

O Grupo B tinha uma ligação semelhante, mas aqui a viga principal foi prolongada. A escolha de uma ligação simétrica das vigas em secção oca quadrada (SHS) evita o momento fletor adicional. Com as espessuras de chapa prescritas, a deformação plástica fica ligeiramente abaixo do limite de 5%.

Ao aumentar a espessura das chapas e garantir soldaduras suficientes, a combinação de compressão axial e corte horizontal pode ser resistida, mantendo a deformação plástica abaixo de 5%.

Apenas os parafusos ainda não são satisfatórios quando se utilizam 4x M24 8.8. No entanto, simplesmente reforçar os parafusos não resolve o problema porque a verificação normativa é limitada pela resistência ao esmagamento. Uma solução alternativa é aumentar a classe do aço das chapas de ligação para S355. Isto permite obter resultados ótimos com apenas aumentos mínimos na espessura das chapas e no tamanho dos parafusos.

Grupo C

O Grupo C tem uma ligação semelhante, mas ao contrário dos grupos A e B, é mais adequada para carregamento horizontal porque a chapa de ligação está rodada um quarto de volta. Estamos novamente perante uma excentricidade e encontramos os mesmos problemas que no Grupo A. A utilização de quatro parafusos em vez de dois torna a junta mais rígida, mas continuamos a observar elevadas deformações plásticas e deformações. Soldar a chapa de ligação ao enrijecedor e aumentar as espessuras das chapas ajuda a tornar a junta mais rígida, mas a excentricidade estará sempre presente.

Ao aumentar as espessuras das chapas de 15 mm para 30 mm, a junta pode satisfazer os requisitos de projeto com 4x parafusos M24 8.8.

Este tipo de junta funciona de forma mais segura sem excentricidades. Se uma excentricidade for inevitável por razões práticas, a ligação será especialmente adequada para transferir uma força transversal numa direção, na direção em que a ligação é mais rígida. A combinação de uma excentricidade com uma grande força normal de compressão e uma força transversal na direção fraca da ligação fará com que o elemento flita para fora e corra o risco de encurvadura.

Análise de encurvadura

Para avaliar corretamente este risco, faz sentido realizar uma análise de encurvadura adicional. Com o IDEA StatiCa, pode ser realizada uma análise linear de encurvadura, que mostra que para chapas com espessura insuficiente pode ocorrer um modo de encurvadura semelhante à encurvadura global. Com base no fator de encurvadura correspondente, isto pode ser interpretado como uma rotura por encurvadura.

Mais informações sobre este tema e sobre como o IDEA StatiCa realiza a análise linear de encurvadura podem ser encontradas no seguinte artigo Encurvadura global vs. encurvadura local. O que significa?

Grupo D

O Grupo D adota uma abordagem diferente e os problemas observados nos primeiros três grupos são diretamente evitados ao prolongar as vigas de bordo. O IPE400 é ligado à coluna parcialmente contínua com uma placa de extremidade e à viga de bordo com uma pequena chapa de aba. Os resultados mostram que a ligação tem um bom desempenho construtivo e as forças são transmitidas de forma eficiente.

Uma vez que se trata de uma ligação de corte, o grupo recomenda a utilização de um furo oblongo na chapa de alma para evitar que uma força excessiva seja transmitida através do parafuso durante a rotação da viga. Isto evita tensões elevadas na chapa de aba e na parede da secção oca retangular. Esta consideração de projeto afeta também a rigidez rotacional da junta.

Análise de rigidez

Para determinar a rigidez exata da junta, pode ser realizada uma análise de rigidez com o IDEA StatiCa. O diagrama momento-rotação é gerado e, com base no Eurocódigo, a junta pode ser classificada como totalmente rígida, semi-rígida ou articulada.

Ao analisar a ligação da viga de cobertura do Grupo D, o IDEA StatiCa fornece uma rigidez rotacional considerada Semi-rígida. Esta rigidez pode ser representada no modelo estrutural global utilizando uma rigidez de mola rotacional.

No entanto, se for necessária uma ligação simples, o detalhe deve ser modificado de modo a que a ligação seja efetivamente classificada como Articulada. Como mostrado na figura abaixo, na situação (2) foi realizada uma rótula ao baixar a fila superior de parafusos. 

Grupo E

O Grupo E prolongou a viga de cobertura e colocou-a no topo da coluna. As vigas de bordo foram ligadas à viga de cobertura com placas de extremidade, garantindo que as forças são devidamente transmitidas na junta.

Para permitir a montagem dos parafusos, o grupo propôs um recorte na parede da secção oca. Uma solução ponderada, uma vez que a praticabilidade é uma preocupação importante. O corte cria uma distribuição de tensões diferente no entalhe, mas ao aplicar um recorte circular, as concentrações de tensão permanecem limitadas.

Grupo F

Como vimos, a ligação das vigas de bordo cria desafios de projeto. O Grupo F resolve-os substituindo as vigas de bordo por secções HEA160. Isto facilita a ligação das vigas à coluna e proporciona espaço suficiente para a montagem dos parafusos. A ligação tem bom desempenho sob compressão, e as placas de extremidade canalizam eficientemente as forças através da coluna.

No entanto, as vigas de bordo também podem estar sujeitas a uma força de tração de 400 kN. Neste caso de carga, a ligação não é satisfatória. Ao aumentar a espessura das placas de extremidade de 15 mm para 20 mm, os requisitos de resistência são satisfeitos e a ligação torna-se adequada para cargas de tração e compressão.

Connection Library

Não sabe como modelar uma junta de aço específica? A Connection Library no IDEA StatiCa dá-lhe acesso imediato a dezenas de exemplos práticos, ajudando-o a encontrar a solução certa mais rapidamente. É um recurso valioso que muitos engenheiros estruturais utilizam como inspiração ao projetar ligações de aço.

2 - Projetar uma ligação de placa de base de coluna com contraventamento

O segundo desafio de projeto envolve uma ligação de placa de base de coluna. O contraventamento diagonal pode ser realizado em três perfis diferentes e está carregado com uma força de compressão de 500 kN. A própria coluna está sujeita a uma força de compressão significativa de 2000 kN.

O foco está na ligação entre o diagonal e a coluna, bem como no projeto da placa de base, incluindo âncoras e a fundação. Com base nos esboços e apresentações submetidos, as ligações foram modeladas e analisadas no IDEA StatiCa. Mais uma vez, este projeto demonstra que são possíveis múltiplas soluções de ligação: não existe uma única resposta correta. Abaixo, apresentamos uma visão geral dos diferentes projetos, incluindo os resultados do IDEA StatiCa. De seguida, discutimos as principais considerações de projeto, abordando os grupos coletivamente em vez de individualmente.

Ligação do contraventamento à coluna

Para a ligação do contraventamento, três grupos (A, C, E) escolheram uma ligação com placa de extremidade e troço curto, e os outros três grupos (B, D, F) escolheram uma ligação com chapa de ligação e parafusos.

O projeto de ligação com troço curto proporciona transferência direta da força de compressão sem complicações na ligação. Ao optar por um perfil HEA, a montagem dos parafusos é facilmente viável e a alma do elemento diagonal fica alinhada com a alma da coluna. Como resultado, as tensões são bem transmitidas para a coluna, como se observa nas soluções dos grupos A, C e E (ver figura).

Em contraste, os Grupos B, D e F escolheram uma ligação com chapa de ligação. Esta considerou rodar a coluna um quarto de volta para que o contraventamento possa ser ligado no interior da coluna sem ocupar demasiado espaço. No entanto, nesse caso, a chapa de ligação é ligada diretamente, mas transversalmente, à alma da coluna, e devido às elevadas forças de compressão, podem ocorrer tensões de pico na alma da coluna. Os cálculos no IDEA StatiCa mostram que o projeto está dentro dos limites aceitáveis, mas o engenheiro estrutural deve manter-se cauteloso. Se a alma começar a deformar-se plasticamente, é aconselhável rodar a coluna, aumentar a espessura da alma ou adicionar enrijecedores.

Nos projetos com ligação por chapa de ligação, é vantajoso tornar a ligação simétrica e não deixar as chapas sobressair demasiado, pelas mesmas razões discutidas no primeiro desafio de projeto. A ligação B apresenta uma disposição assimétrica, mas a chapa de 20 mm de espessura e a utilização de seis parafusos resistem eficazmente ao momento resultante, mantendo as tensões dentro de limites aceitáveis.

Projeto da placa de base da coluna

Existem também considerações importantes no projeto da placa de base e da fundação em betão. Devido às elevadas forças de compressão, é fundamental que as tensões sejam bem distribuídas através da placa de base para o betão. Isto pode ser conseguido escolhendo uma chapa mais espessa e tornando-a mais larga do que o perfil da coluna, de modo a que as tensões sejam melhor distribuídas.

A figura abaixo compara as tensões na placa de base e as tensões de contacto no betão para uma placa de base de 40 mm e 10 mm de espessura. Se a placa de base for demasiado fina, as tensões concentram-se em torno do perfil da coluna em vez de serem eficazmente distribuídas. Como resultado, a área de contacto efetiva no betão torna-se demasiado pequena, conduzindo a tensões de compressão que excedem o limite admissível.

Fundação da coluna

Observamos diferentes soluções de fundação, com ou sem junta de argamassa, e âncoras com ou sem placas de anilha. As âncoras utilizadas variam de M20 a M30.

Os cálculos no IDEA StatiCa mostram que nenhuma das ligações é satisfatória para a verificação normativa das âncoras. Por defeito, as forças de corte são definidas para serem transmitidas através das âncoras. As âncoras M20 revelam-se insuficientemente resistentes e não conseguem suportar as forças de corte. Em contraste, as âncoras M30 8.8, em combinação com uma placa de anilha, são suficientemente resistentes para transferir as forças de corte. No entanto, a verificação normativa ainda não é satisfatória, porque o problema já não está no aço, mas na rotura do betão.

As forças de corte nas âncoras causam rotura de bordo do betão, com as âncoras a arrancarem do betão. O IDEA StatiCa Connection calcula com betão simples, pelo que a rotura do betão a forças mais elevadas é inevitável.

Se as forças não puderem ser reduzidas, restam quatro soluções possíveis.

1. Otimizar a transferência da força de corte adicionando uma chaveta de corte. Desta forma, todo o corte é transferido pela chaveta e evita-se a rotura das âncoras e o arrancamento do betão.
2. Transferir as forças de corte por atrito em vez de através das âncoras. A elevada força de compressão na coluna proporciona resistência friccional suficiente. 
3. Modificar o bloco de betão. Ao aumentar a distância ao bordo ou a classe do betão, a probabilidade de arrancamento do betão é menor.
4. Projetar armadura complementar no bloco de betão. Desta forma, a armadura de aço resiste às forças de tração e evita o arrancamento do betão. Esta solução pode ser modelada e analisada utilizando o IDEA StatiCa 3D Detail.

Como mostrado nos esboços dos projetistas, apenas o Grupo E incluiu armadura no seu projeto. Ao adicionar armadura de aço ao elemento de betão, podem ser evitados mecanismos de rotura como o arrancamento em cone de betão e a rotura de bordo do betão.

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Palavra final

As ligações de aço foram projetadas por 6 grupos, modeladas no IDEA StatiCa e discutidas com engenheiros estruturais experientes. Utilizando o IDEA StatiCa, pudemos analisar os resultados em detalhe e identificar e discutir considerações importantes de projeto. Este workshop demonstra que muitas ligações podem ser projetadas de um número infinito de formas e que nunca existe uma única solução correta. Experienciámos a importância de desenhar à escala e de seguir o caminho das forças na ligação. Analisar as rigidezes e visualizar como a junta se irá deformar é um bom exercício mental para compreender como uma junta se irá comportar.

"A imaginação é mais importante do que o conhecimento", disse um homem chamado Albert Einstein. E isso certamente se aplica também ao projeto de ligações de aço. Quem consegue imaginar como é uma junta, como será executada, se as proporções estão corretas, como fluirão as forças e como a ligação se irá deformar, já está um passo mais perto de se tornar o melhor projetista de ligações de aço.