Treliça de ponte de serviço permanente, Aeroporto de Heathrow, Reino Unido
O projeto da estrutura principal foi realizado pela Mott MacDonald como empresa de consultoria original. O empreiteiro responsável pela construção foi a DHD Engineering, que atribuiu ao nosso cliente, Ellis & Moore Consulting Engineers, o dimensionamento das ligações.
Neste artigo, explicaremos as partes mais desafiantes deste dimensionamento de ligação em particular e como foram resolvidas com sucesso com o IDEA StatiCa Connection, ao mesmo tempo que avaliaremos a utilização do método das componentes original implementado no Eurocódigo e demonstraremos que a sua aplicação é praticamente impossível neste caso específico.
Classificação da junta para dimensionamento manual
Em primeiro lugar, tentaremos explicar o procedimento quando uma ligação complexa necessita de ser dimensionada manualmente. Utilizaremos como exemplo a junta em N apresentada na imagem à direita, que é uma junta multiplanar. Para efetuar um cálculo adequado recorrendo ao método das componentes, é necessário identificar a configuração relevante na Figura 7.1 do Eurocódigo (clique na imagem abaixo).
A partir da geometria da ligação, podemos verificar que ao longo da direção longitudinal assinalada com o retângulo azul claro não existiam problemas. Pode ser claramente classificada como uma junta N. Os problemas surgem no plano inclinado! Assim, temos afinal duas juntas "N" coexistentes com uma junta "Y".
Nesta direção, o problema pode ser facilmente visualizado através da captura de ecrã em vista 3D realista retirada do modelo final do IDEA StatiCa Connection (ver abaixo). Para esta configuração específica, não existe orientação clara na norma e/ou os limites exigidos pelos parágrafos relevantes para sobreposições, etc., não são necessariamente respeitados. Neste caso, seria necessário recorrer a aconselhamento especializado e a um julgamento de engenharia adequado caso se pretendesse utilizar o método das componentes. Além disso, uma vez que as capturas de ecrã foram retiradas da ligação finalizada, podemos verificar que foram utilizadas diversas chapas de ligação de reforço para reforçar a ligação e atingir a resistência necessária. A simples existência destas chapas de ligação torna a ligação impossível de dimensionar com a aplicação do método das componentes.
Dimensionamento bem-sucedido com o método CBFEM
Estas limitações do método das componentes não se aplicam ao CBFEM e ao IDEA StatiCa Connection, simplesmente porque a junta é modelada exatamente como é na realidade e é analisada como um elemento unificador em todas as direções, com elementos finitos. Assim, após a aplicação de todas as forças, o modelo pode ser resolvido, todas as forças internas que interagem no modelo são calculadas e obtemos imediatamente uma visão geral rápida de todas as verificações normativas do Eurocódigo que demonstra um dimensionamento seguro.
O que também é importante em comparação com o método das componentes é que este fluxo de trabalho é comum a todos os tipos de ligação. Assim, se, por exemplo, os perfis retangulares fossem alterados por algum motivo para perfis circulares ou do tipo I, não seria necessário ter em conta nenhuma consideração especial. Tal não acontece com o método das componentes, que possui regras específicas para cada tipo de secção transversal.
Uma nota sobre o dimensionamento de ligações no Reino Unido
Podemos afirmar com segurança que, no que diz respeito ao dimensionamento de ligações de aço, os engenheiros estruturais seguem um determinado procedimento que parece ser prática comum no Reino Unido. Para dimensionar as ligações, os engenheiros responsáveis pelo dimensionamento de base da estrutura fornecem marcações como a da imagem à direita. Para que a informação seja legível, as ligações são agrupadas. Em seguida, para cada grupo, é criado um envelope de forças atuantes. Este procedimento confere uma sobrerresistência à ligação que conduz a um dimensionamento seguro, mas também facilita o fluxo de informação entre as duas partes. O problema desta abordagem é que a sobrerresistência necessária (pelo menos neste caso específico) é tão elevada que, sem as chapas de ligação de reforço fornecidas, os elementos soldados seriam incapazes de resistir às forças indicadas.
Isto significa que o projetista da ligação se encontra por vezes perante um impasse, uma vez que alterar a dimensão do elemento não é uma prática aceitável e, caso aconteça, deve ser devidamente justificada. Neste caso específico, a utilização do IDEA StatiCa Connection foi a única forma de o cliente alcançar o dimensionamento necessário sem recorrer a análises complexas pelo Método dos Elementos Finitos e aos inconvenientes que acompanham a sua aplicação.
Dimensionamento mais económico com o IDEA StatiCa Connection
Esta prática comum descrita anteriormente foi também utilizada inicialmente neste projeto. Em consequência, as forças de dimensionamento em envelope fornecidas pelos engenheiros de consultoria originais resultaram num dimensionamento muito pouco económico das juntas primárias das treliças. Como se pode ver na imagem abaixo, o dimensionamento preliminar/de viabilidade originou uma ligação muito pesada para uma junta com 8 elementos, localizada a meio vão.
Após comunicação intermédia com os engenheiros de consultoria principais, as forças foram corrigidas para produzir combinações mais realistas e dimensionamentos viáveis. Estas forças foram utilizadas no IDEA StatiCa Connection, obtendo-se assim um dimensionamento mais económico, com menos chapas adicionais. O resultado desta nova abordagem e da comunicação entre as duas partes é ilustrado abaixo:
Embora tenha sido o primeiro projeto de grande dimensão em que utilizámos o IDEA StatiCa Connection, a filosofia geral e as práticas do software ajudaram-nos a trabalhar rapidamente com ligações tão complexas, que normalmente teríamos dimensionado manualmente. No IDEA StatiCa Connection, todas estas ligações tornaram-se resolúveis e, ainda melhor, não há nenhuma consideração especial a ter em conta. O fluxo de trabalho é comum independentemente da geometria.
Outro aspeto importante foi que os detalhes de ligação razoáveis conduziram a uma redução dos custos de fabrico, e a montagem das treliças foi relativamente fácil.
Assim, o projeto foi considerado um sucesso para todas as partes… e a fase seguinte do trabalho é realizada pela mesma equipa... com desafios semelhantes para os projetistas de pormenor.
Alexander Bezas
Eur Ing, BEng Hons / MSc Engenheiro Civil
Engenheiro Estrutural Sénior na Ellis and Moore Consulting Engineer
