Verificação de componentes de ligação de aço (CSA)

CBFEM O método CBFEM combina as vantagens do Método dos Elementos Finitos geral e do método de componentes padrão. As tensões e forças internas calculadas no modelo CBFEM preciso são utilizadas nas verificações de todos os componentes.

Os componentes são dimensionados de acordo com a norma canadiana (Canadian Institute of Steel Construction, CISC) S16-14 Design of steel structures e CSA A23.3 Design of concrete structures.

Verificação normativa de chapas de aço segundo as normas canadianas

A tensão equivalente resultante (HMH, von Mises) e a deformação principal plástica são calculadas nas chapas. Quando a tensão de cedência (multiplicada pelo fator de resistência para aço estrutural ϕ = 0,9, editável na configuração de norma) é atingida no diagrama de material bilinear, é realizada a verificação da deformação plástica equivalente. O valor limite de 5 % é sugerido no Eurocode (EN1993-1-5 App. C, Par. C8, Nota 1); este valor pode ser modificado na configuração de norma, mas as verificações foram realizadas para o valor recomendado.

O elemento de chapa é dividido em cinco camadas, e o comportamento elástico/plástico é investigado em cada uma delas. O programa apresenta o pior resultado de todas elas. O método CBFEM pode fornecer tensões ligeiramente superiores à tensão de cedência. A razão é a ligeira inclinação do ramo plástico do diagrama tensão-deformação, utilizado na análise para melhorar a estabilidade do cálculo de interação. Isto não constitui um problema para o dimensionamento prático. A deformação plástica equivalente é excedida para tensões mais elevadas e a junta não satisfaz de qualquer forma.

Verificação normativa de soldaduras segundo as normas canadianas

As soldaduras de filete são verificadas de acordo com S16-14 - Capítulo 13. A resistência das soldaduras de chanfro CJP é assumida igual à do metal de base e não é verificada.

Soldaduras de filete

A resistência ao corte direto e ao corte induzido por tração ou compressão é calculada de acordo com S16-14 – 13.13.2.2. A redistribuição plástica no material de soldadura é aplicada na modelação por Método dos Elementos Finitos.

\[ V_r = 0.67 \phi_w A_w X_u (1+0.5 \sin^{1.5} \theta ) M_w \]

onde:

• ϕ_w = 0.67 – fator de resistência para o metal de soldadura, editável na configuração normativa
• A_w – área da garganta efetiva da soldadura
• X_u – resistência última classificada pelo número de classificação do elétrodo
• θ – ângulo do eixo do segmento de soldadura em relação à linha de ação da força aplicada (p. ex., 0° para uma soldadura longitudinal e 90° para uma soldadura transversal)
• \( M_w = \frac{0.85+\theta_1 / 600}{0.85+\theta_2 / 600} \) – fator de redução de resistência para soldaduras de filete com múltiplas orientações; igual a 1.0 no IDEA, sendo a resistência das soldaduras com múltiplas orientações determinada por FEA onde o elemento mais solicitado é avaliado
• θ₁ – orientação do segmento de soldadura em consideração
• θ₂ – orientação do segmento de soldadura na junta mais próxima de 90°

Capacidade do metal de base na face de fusão:

\[ V_r = 0.67 \phi_w A_m F_u \]

onde:

• A_m = z L – área da face de fusão
• z – dimensão do cateto da soldadura
• L – comprimento da soldadura
• F_u – resistência à tração especificada

Os diagramas de soldadura mostram a tensão de acordo com as seguintes fórmulas:

Se o metal de base estiver desativado (é utilizado elétrodo compatível):

\[ \sigma = \frac{\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 }}{1+0.5 \sin^{1.5}{\theta}} \]

Se o metal de base estiver ativado (não é utilizado elétrodo compatível):

\[ \sigma = \max \left \{  \frac{\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 }}{1+0.5 \sin^{1.5}{\theta}}, \, \frac{\sqrt{ \sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + \tau_{\parallel}^2 }}{\sqrt{2} F_u / X_u} \right \} \]

Soldaduras de chanfro CJP

A resistência das soldaduras de chanfro de Penetração Total da Junta (CJP) é assumida igual à do metal de base.

Verificação normativa de parafusos e parafusos pré-esforçados de acordo com as normas canadianas

As forças nos parafusos, incluindo as forças de alavanca, são determinadas por análise de elementos finitos. As resistências dos parafusos são verificadas pelo S16 – Capítulo 13.

Parafusos

Resistência à tração dos parafusos

A resistência à tração de um parafuso é avaliada de acordo com a Cláusula 13.12.1.3 e tomada como:

\[ T_r = 0.75 \phi_b A_b F_u \]

onde:

• ϕ_b = 0.8 – fator de resistência para parafusos, editável na configuração normativa
• A_b – área da secção transversal de um parafuso com base no seu diâmetro nominal
• F_u – resistência mínima especificada à tração para um parafuso

Quando as roscas do parafuso são intercetadas por um plano de corte, a resistência ao corte é tomada como 0.7 V_r.

Resistência ao corte dos parafusos

A resistência ao corte de um parafuso é avaliada de acordo com a Cláusula 13.12.1.2. Cada plano de corte de um parafuso é verificado separadamente. É tomada como:

\[ V_r=0.6 \phi_b A_b F_u \]

onde:

• ϕ_b = 0.8 – fator de resistência para parafusos, editável na configuração normativa
• A_b – área da secção transversal de um parafuso com base no seu diâmetro nominal
• F_u – resistência mínima especificada à tração para um parafuso

Quando as roscas do parafuso são intercetadas por um plano de corte, a resistência ao corte é tomada como 0.7 V_r.

Tração e corte combinados em ligação por apoio

A resistência de um parafuso solicitado por tração e corte combinados é avaliada de acordo com a Cláusula 13.12.1.4 e tomada como:

\[ \left ( \frac{V_f}{V_r} \right )^2 + \left ( \frac{T_f}{T_r} \right )^2 \le 1 \]

onde:

• V_f e T_f são, respetivamente, a força de corte de cálculo e a força de tração atuante no parafuso
• V_r e T_r são, respetivamente, a resistência ao corte de cálculo e a resistência à tração de cálculo do parafuso

Resistência ao esmagamento nos furos dos parafusos

A resistência desenvolvida no parafuso numa ligação aparafusada sujeita a esmagamento e corte é avaliada de acordo com a Cláusula 13.12.1.2 e tomada como

B_r = 3 ϕ_br t d F_u    para furos de parafuso regulares

B_r = 2.4 ϕ_br t d F_u    para furos oblongos carregados perpendicularmente a esses furos

onde:

• ϕ_br = 0.8 – fator de resistência ao esmagamento dos parafusos no aço
• t – espessura menor das chapas ligadas
• d – diâmetro do parafuso
• F_u – resistência à tração do material ligado

Rasgamento do furo de um parafuso

A resistência ao rasgamento do furo de um parafuso é verificada para parafusos individuais de acordo com a Cláusula 13.11 como:

\[ T_r = \phi_u 0.6 A_{gv} \frac{F_y+F_u}{2} \]

onde:

• ϕ_u = 0.75 – fator de resistência para aço estrutural
• A_gv = 2 ∙ l ∙ t – área bruta ao corte
• F_y – tensão de cedência do material ligado
• F_u – resistência à tração do material ligado
• l – distância da linha de centro do parafuso à extremidade na direção da força de corte
• t – espessura do material ligado

Para classes de aço com F_y > 460 MPa, (F_y + F_u) / 2 deve ser substituído por F_y na determinação de T_r.

Parafusos em ligações de deslizamento crítico

A resistência ao deslizamento de uma ligação aparafusada é avaliada de acordo com a Cláusula 13.12.2 como

V_s = 0.53 c_s k_s A_b F_u

onde:

• c_s – coeficiente determinado de acordo com k_s e a classe do parafuso:
• para k_s < 0.52     classe A    c_s = 1.00    (A325) ou 0.92 (A490) ou 0.78 (outros)
• para k_s ≥ 0.52    classe B    c_s = 1.04 (A325) ou 0.96 (A490) ou 0.81 (outros)
• k_s – coef. de atrito editável na configuração normativa, que deve ser definido de acordo com a Tabela 3 da S16-14; igual a 0.3 para a classe A ou 0.52 para a classe B
• A_b – área da secção transversal de um parafuso com base no seu diâmetro nominal
• F_u – resistência mínima especificada à tração para um parafuso

Quando são utilizados furos oblongos em ligações de deslizamento crítico, V_s = 0.75 ∙ 0.53 c_s k_s A_b F_u.

Um parafuso sujeito simultaneamente a tração e corte deve satisfazer a seguinte relação:

\[ \frac{V_f}{V_s}+1.9\frac{T}{A_b F_u} \]

onde:

• V_f e T_f são, respetivamente, a força de corte de cálculo e a força de tração atuante no parafuso

A Cláusula 13.12.2 estabelece que as resistências da ligação especificadas na Cláusula 13.12.1 devem ser verificadas. O utilizador deve, portanto, verificar o estado após a ocorrência do deslizamento, ou seja, alterar a transferência da força de corte dos parafusos de "Atrito" para "Apoio – interação tração e corte".

Pormenorização

Na pormenorização de ligações aparafusadas, o espaçamento mínimo e a distância mínima à extremidade são verificados de acordo com a S16-14 – 22.3. São verificados o espaçamento mínimo (2.7 d – editável na configuração normativa) e a distância mínima à extremidade (1.25 d).

Verificação normativa de bloco de betão segundo as normas canadianas

O betão abaixo da placa de base é simulado por um subsolo de Winkler com rigidez uniforme, que fornece as tensões de contacto. A tensão média na área carregada em contacto com a placa de base é utilizada para a verificação à compressão.

Betão à compressão

A resistência de cálculo do betão ao apoio por compressão é determinada de acordo com S16-14 – 25.3.1 e CSA A23.3 – 10.8. Quando a superfície de apoio do betão é maior do que a placa de base, a resistência de cálculo ao apoio é definida como

\[ f_{p,(max)} = 0.85 \phi_c f'_c \sqrt{\frac{A_2}{A_1}} \le 1.7 \phi_c f'_c \]

onde:

• ϕ_c=0,65 – fator de resistência do betão
• f'_c – resistência à compressão do betão
• A₁ – área da placa de base em contacto com a superfície de betão (área da superfície superior do tronco de pirâmide)
• A₂ – superfície de apoio do betão (área inferior geometricamente semelhante do tronco de pirâmide com inclinações de 1 vertical para 2 horizontal)

A verificação do betão ao apoio é a seguinte:

σ ≤ f_p(max)

onde:

• σ – tensão média de compressão sob a placa de base

Transferência de forças de corte

As cargas de corte podem ser transferidas através de uma das seguintes opções:

• Chaveta de corte,
• Atrito,
• Parafusos de ancoragem.

Chaveta de corte

As cargas de corte são consideradas transferidas apenas através da chaveta de corte. O apoio do betão não é verificado no software e deverá ser verificado pelo utilizador noutro local. A chaveta de corte e as soldaduras são verificadas utilizando o Método dos Elementos Finitos e componentes de soldadura.

Atrito

No caso de força de compressão, as cargas de corte podem ser transferidas por atrito entre uma almofada de betão e uma placa de base. O coeficiente de atrito é editável na configuração normativa.

Parafusos de ancoragem

Se a carga de corte for transferida apenas através de parafusos de ancoragem, a força de corte que atua em cada âncora é determinada por análise de elementos finitos e os parafusos de ancoragem são verificados de acordo com ACI 318-14, conforme descrito nos capítulos seguintes.

Classificação de juntas de aço de acordo com as normas canadianas

As juntas são classificadas de acordo com a rigidez da junta em:

• Rígida – juntas com variação insignificante dos ângulos originais entre elementos,
• Semi-rígida – juntas que se assume terem capacidade de fornecer um grau de restrição à flexão fiável e conhecido,
• Simples – juntas que não desenvolvem momentos fletores.

A norma canadiana S14-16, Cl. 8.2 não fornece limites exatos, pelo que as juntas são classificadas de acordo com o comentário em AISC 360-16, Cl. B3.4.

• Rígida – \( \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \ge 20 \)
• Semi-rígida – \( 2 < \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} < 20 \)
• Simples – \( \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \le 2 \)

onde:

• S_j,ini – rigidez inicial da junta; a rigidez da junta é assumida linear até 2/3 de M_j,Rd
• L_b – comprimento teórico do elemento analisado
• E – módulo de elasticidade de Young
• I_b – momento de inércia do elemento analisado
• M_j,Rd – resistência de cálculo ao momento da junta

Dimensionamento por capacidade de acordo com as normas canadianas

O dimensionamento por capacidade faz parte da verificação sísmica e garante que a ligação possui capacidade de deformação suficiente.

O objetivo do dimensionamento por capacidade é confirmar que um edifício apresenta um comportamento dúctil controlado, de modo a evitar o colapso perante um sismo de nível de projeto. Espera-se que a rótula plástica se forme no elemento dissipativo, e todos os elementos não dissipativos da ligação devem ser capazes de transferir com segurança as forças resultantes da cedência no elemento dissipativo. O elemento dissipativo é geralmente uma viga num pórtico resistente a momentos, mas pode também ser, por exemplo, uma placa de extremidade. O fator de resistência não é utilizado para os elementos dissipativos. Dois fatores são atribuídos ao elemento dissipativo:

• R_y = 1,1 – fator de sobrerresistência – S16-14, Cl. 27.1.7; editável nos materiais
• C_pr = 1,1 – fator de endurecimento por deformação – S16-14, Cl. 27.2.2; recomenda-se a sua aplicação para a viga como elemento dissipativo em pórtico resistente a momentos

O diagrama de material é modificado de acordo com a figura seguinte:

A resistência aumentada do elemento dissipativo permite a introdução de cargas que provocam a formação da rótula plástica no elemento dissipativo. No caso de pórtico resistente a momentos com a viga como elemento dissipativo, a viga deve ser carregada por M_y = C_prR_yF_yW_pl,y e pela força de corte correspondente V_z = –2 M_y,Ed / L_h, onde:

• F_y – tensão de cedência
• W_pl,y – módulo plástico de secção
• L_h – distância entre rótulas plásticas na viga

No caso de uma ligação assimétrica, a viga deve ser carregada tanto por momentos fletores positivos como negativos e pelas respetivas forças de corte correspondentes.

As chapas dos elementos dissipativos são excluídas da verificação normativa.