Ligação de momento na cumeeira de pórtico aparafusado

Descrição

O objetivo deste estudo é a verificação da ligação de momento na cumeeira de pórtico aparafusado, conforme mostrado na Fig. 9.2.1. A viga inclinada é aparafusada através de placa de extremidade na aba do pilar. O pilar é reforçado com dois enrijecedores horizontais ao nível das abas da viga. As placas comprimidas, como os enrijecedores horizontais do pilar, o painel da alma ao corte ou à compressão, e a aba comprimida da viga, são dimensionadas como secção transversal de classe 3. A viga horizontal tem 6 m de comprimento e é carregada por uma carga contínua em todo o comprimento.

Fig. 9.2.1 Ligação de momento na cumeeira de pórtico aparafusado

Modelo analítico

São examinados oito componentes: soldadura de filete, painel da alma ao corte, alma do pilar à compressão transversal, alma do pilar à tração transversal, aba da viga à compressão e tração, aba do pilar à flexão, placa de extremidade à flexão e parafusos. Todos os componentes são dimensionados de acordo com EN 1993-1-8:2005. As ações de cálculo nos componentes dependem da posição. O painel da alma ao corte é carregado pelas ações de cálculo no eixo vertical do pilar. Os restantes componentes são carregados pelas ações de cálculo reduzidas na aba do pilar à qual a viga horizontal está ligada.

Soldadura de filete

A soldadura é contínua em torno de toda a secção transversal da viga. A espessura da soldadura nas abas pode diferir da espessura da soldadura na alma. A força de corte vertical é transferida apenas pelas soldaduras na alma, considerando-se uma distribuição plástica de tensões. O momento fletor é transferido por toda a forma da soldadura, considerando-se uma distribuição elástica de tensões. É considerada a largura efetiva da soldadura em função da rigidez horizontal do pilar (devido à flexão da aba não reforçada do pilar). O dimensionamento da soldadura é realizado de acordo com EN 1993-1-8:2005, Cl. 4.5.3.2(6). A verificação é efetuada em dois pontos principais: na aresta superior ou inferior da aba (tensão máxima de flexão) e na interseção da aba com a alma (combinação de tensões de corte e de momento fletor).

Painel da alma ao corte

A espessura da alma do pilar é dimensionada para ser no máximo de classe 3; ver EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.1(1). São consideradas duas contribuições para a capacidade de carga: a resistência da parede do pilar ao corte e a contribuição do comportamento de pórtico das abas do pilar e dos enrijecedores horizontais; ver EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.1 (6.7 e 6.8).

Alma do pilar à compressão ou tração transversal

É considerado o efeito da interação com a carga de corte; ver EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2 e Tab. 6.3. É considerada a influência da tensão longitudinal na parede do pilar; ver EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2(2). Os enrijecedores horizontais impedem a encurvadura e são incluídos na capacidade de carga deste componente com a área efetiva.

Aba da viga à compressão

A viga horizontal é dimensionada para ser no máximo de classe 3.

Aba do pilar ou placa de extremidade à flexão

Os comprimentos efetivos para roturas circulares e não circulares são considerados de acordo com EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6. São considerados três modos de colapso de acordo com EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.4.1.

Parafusos

Os parafusos são dimensionados de acordo com EN 1993-1-8:2005, Cl. 3.6.1. A resistência de cálculo considera a resistência ao punçoamento e a rotura do parafuso.

Modelo numérico de dimensionamento

O T-stub é modelado por elementos de casca de 4 nós, conforme descrito no Capítulo 3 e resumido a seguir. Cada nó tem 6 graus de liberdade. As deformações do elemento consistem em contribuições de membrana e de flexão. O estado do material elasto-plástico não linear é investigado em cada camada do ponto de integração. A verificação baseia-se na deformação máxima definida de acordo com EN 1993-1-5:2006 pelo valor de 5 %. Os parafusos são divididos em três subcomponentes. O primeiro é o fuste do parafuso, modelado como uma mola não linear que suporta apenas tração. O segundo subcomponente transmite a força de tração para as abas. O terceiro subcomponente resolve a transmissão de corte.

Comportamento global

Foi realizada uma comparação do comportamento global da junta, descrito por diagramas momento-rotação para ambos os procedimentos de dimensionamento mencionados acima. A atenção foi focada nas principais características do diagrama momento-rotação: rigidez inicial, resistência de cálculo e capacidade de deformação. A viga IPE 330 está ligada ao pilar HEB 300 através de placa de extremidade estendida com 5 filas de parafusos M24 8.8. Os resultados de ambos os procedimentos de dimensionamento são apresentados no gráfico da Fig. 9.2.2 e na Tab. 9.2.1. O método das componentes (CM) fornece geralmente uma rigidez inicial mais elevada em comparação com o CBFEM. O CBFEM fornece uma resistência de cálculo ligeiramente superior ao CM em todos os casos, conforme mostrado no Capítulo 9.2.5. A diferença é de até 10%. A capacidade de deformação também é comparada. A capacidade de deformação foi calculada de acordo com (Beg et al. 2004) porque o EC3 fornece uma base limitada para a capacidade de deformação de juntas com placa de extremidade.

Fig. 9.2.2 Diagrama momento-rotação

Tab. 9.2.1 Resumo do comportamento global

Verificação da resistência

A resistência de cálculo calculada pelo CBFEM foi comparada com os resultados do método das componentes na etapa seguinte. A comparação incidiu sobre a resistência e também sobre o componente crítico. O estudo foi realizado para o parâmetro da secção transversal do pilar. A viga IPE 330 está ligada ao pilar através de placa de extremidade estendida com 5 filas de parafusos. São utilizados parafusos M24 8.8. As dimensões da placa de extremidade P15 com distâncias às extremidades e espaçamentos dos parafusos em milímetros são: altura 450 (50-103-75-75-75-73) e largura 200 (50-100-50). A aresta exterior da aba superior fica a 91 mm da extremidade da placa de extremidade. As abas da viga estão ligadas à placa de extremidade com soldaduras de espessura de garganta de 8 mm. A alma da viga está ligada com espessura de garganta de soldadura de 5 mm. O pilar é reforçado com enrijecedores horizontais opostos às abas da viga. Os enrijecedores têm 15 mm de espessura e a sua largura corresponde à largura do pilar. A espessura do enrijecedor da placa de extremidade é de 10 mm e a sua largura é de 90 mm. Os resultados são apresentados na Tab. 9.2.2 e na Fig. 9.2.3.

Tab. 9.2.2 Resistência de cálculo para o parâmetro – perfil do pilar

Fig. 9.2.3 Resistência de cálculo em função da secção transversal do pilar

Para ilustrar a precisão do modelo CBFEM, os resultados dos estudos paramétricos são resumidos no gráfico que compara as resistências previstas pelo CBFEM e pelo CM; ver Fig. 9.2.4. Os resultados mostram que o CBFEM fornece uma resistência de cálculo ligeiramente superior ao CM em quase todos os casos. A diferença entre ambos os métodos é de até 10%.

Fig. 9.2.4 Verificação do CBFEM face ao CM

Exemplo de referência

Dados de entrada

• Aço S235
• Viga IPE 330
• Pilar HEB 300
• Altura da placa de extremidade h_p = 450 (50-103-75-75-75-73) mm
• Largura da placa de extremidade b_p = 200 (50-100-50) mm
• Placa de extremidade P15
• Enrijecedores do pilar com 15 mm de espessura e 300 mm de largura
• Enrijecedor da placa de extremidade com 10 mm de espessura, 90 mm de largura e altura, chanfros de 20 mm 
• Espessura de garganta da soldadura da aba a_f = 8 mm
• Espessura de garganta da soldadura da alma e do enrijecedor da placa de extremidade a_w = 5 mm
• Parafusos M24 8.8

Resultados

• Resistência de cálculo à flexão M_Rd = 206 kNm
• Força de corte vertical correspondente V_Ed= –206 kN
• Modo de colapso: cedência do enrijecedor da viga na aba superior
• Utilização dos parafusos 90,2 %
• Utilização das soldaduras 99,0 %