Coluna de base – Coluna de secção aberta à compressão

Descrição

Neste capítulo, o Método dos Elementos Finitos baseado em componentes (CBFEM) da base de coluna sob uma coluna de secção aberta de aço sujeita a compressão pura é verificado pelo método das componentes (MC). O estudo é preparado para a secção transversal da coluna, dimensões da placa de base, classe do betão e dimensões do bloco de betão.

Método das componentes

São consideradas três componentes: banzo e alma da coluna à compressão, betão à compressão incluindo argamassa de nivelamento, soldaduras. A componente banzo e alma da coluna à compressão é descrita na EN 1993-1-8:2005 Cl. 6.2.6.7. O betão à compressão incluindo argamassa de nivelamento é modelado de acordo com a EN 1993-1-8:2005 Cl. 6.2.6.9 e EN 1992-1-1:2005 Cl. 6.7. São utilizadas duas iterações da área efetiva para determinar a resistência.

A soldadura é projetada em torno da secção transversal da coluna; ver EN 1993-1-8:2005 Cl. 4.5.3.2(6). A espessura da soldadura nos banzos é selecionada igual à espessura da soldadura na alma. A força de corte é transferida apenas pelas soldaduras na alma, sendo considerada a distribuição plástica de tensões.

Placa de base sob HEB 240

Este estudo centra-se na componente betão à compressão incluindo argamassa de nivelamento. Um exemplo de cálculo é apresentado abaixo para o bloco de betão com dimensões a' = 1000 mm, b' = 1500 mm, h = 800 mm de betão da classe C20/25 com placa de base com dimensões a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm de aço da classe S235; ver Fig. 8.1.2.

 A resistência da junta do betão é calculada sob a área efetiva à compressão em torno da secção transversal; ver Fig. 8.1.1, iterando em dois passos.

Para o 1.º^st passo é:

\[ f_{jd} = \frac{\beta_j k_j f_{ck}}{\gamma_c} = \frac{0.67 \cdot 2.908 \cdot 20}{1.5} = 26 \textrm{ MPa} \]

\[ c = t \sqrt{\frac{f_y}{3f_{jd} \gamma_{M0}}} = 20 \sqrt{\frac{235}{3 \cdot 26 \cdot 1.0}} = 35 \textrm{ mm} \]

 \[ l_{eff} = b+2c = 240+2\cdot35=310 \textrm{ mm} \]

 \[ b_{eff} = t_f+2c = 17+2\cdot35=87\textrm{ mm} \]

e para o 2.º^nd passo é:

\[ f_{jd} = \frac{\beta_j k_j f_{ck}}{\gamma_c} = \frac{0.67 \cdot 3 \cdot 20}{1.5} = 27 \textrm{ MPa} \]

\[ c = t \sqrt{\frac{f_y}{3f_{jd} \gamma_{M0}}} = 20 \sqrt{\frac{235}{3 \cdot 27 \cdot 1.0}} = 34 \textrm{ mm} \]

 \[ l_{eff} = b+2c = 240+2\cdot35=308 \textrm{ mm} \]

 \[ b_{eff} = t_f+2c = 17+2\cdot35=85\textrm{ mm} \]

\[A_{eff} = 63463 \textrm{ mm}^2\]

Fig. 8.1.1 Área efetiva sob a placa de base

A resistência à força normal da placa de base pelo MC é

\[N_{Rd} = A_{eff} \cdot f_{jd} = 63436 \cdot 27 = 1701 \textrm{ kN} \]

As tensões calculadas pelo CBFEM são apresentadas na Fig. 8.1.2. A resistência à força normal de compressão da placa de base pelo CBFEM é 1683 kN.

Fig. 8.1.2 Geometria do bloco de betão e tensões normais sob a placa de base carregada apenas por força normal

Estudo de sensibilidade

Os resultados do software CBFEM foram comparados com os resultados do método das componentes. A comparação incidiu sobre a resistência e a componente crítica. Os parâmetros estudados são o tamanho da coluna, as dimensões da placa de base, a classe do betão e as dimensões do bloco de betão. As secções transversais da coluna são HEB 200, HEB 300 e HEB 400. A largura e o comprimento da placa de base são escolhidos como 100 mm, 150 mm e 200 mm maiores do que a secção da coluna, a espessura da placa de base 15 mm, 20 mm e 25 mm. O bloco de betão das classes C16/20, C25/30 e C35/45 com altura de 800 mm, com largura e comprimento superiores às dimensões da placa de base em 200 mm, 300 mm e 400 mm. Os parâmetros de entrada estão resumidos no Quadro 8.1.1. As soldaduras de filete em torno da secção transversal da coluna têm espessura de garganta a = 8 mm.

Quadro 8.1.1 Parâmetros selecionados

As resistências determinadas pelo MC estão no Quadro 8.1.2. Um parâmetro foi alterado e os restantes foram mantidos constantes no valor intermédio. N_Rd é a resistência da componente betão à compressão incluindo argamassa de nivelamento, F_c,fc,Rd é a resistência da componente banzo e alma da coluna à compressão e F_c,weld é a resistência das soldaduras considerando distribuição uniforme de tensões. Foi utilizado o coeficiente de junta β_j = 0,67.

Quadro 8.1.2 Resultados do método das componentes

O modelo em CBFEM foi carregado pela força de compressão até o bloco de betão estar muito próximo de 100 %. A mesma abordagem foi utilizada para obter a resistência das soldaduras F_c,weld.

Quadro 8.1.3 Resultados do CBFEM

Resumo

A verificação do CBFEM em relação ao MC para a placa de base carregada à compressão é apresentada na Fig. 8.1.3. As linhas a tracejado correspondem aos valores de 110 % e 90 % da resistência. A diferença é de até 14 % devido a uma avaliação mais precisa da resistência de cálculo ao apoio da junta  e da área efetiva  no CBFEM.

Fig. 8.1.3 Verificação do CBFEM em relação ao MC para a placa de base carregada à compressão

Caso de referência

Dados de entrada

Secção transversal da coluna

• HEB 240
• Aço S235

Placa de base

• Espessura 20 mm
• Desvios topo 100 mm, esquerda 45 mm
• Aço S235

Bloco de betão de fundação

• Betão C20/25
• Desvio 335 mm, 530 mm
• Profundidade 800 mm
• Espessura da argamassa de nivelamento 30 mm

Parafuso de ancoragem

• M20 8.8

Resultados

• Resistência à força axial N_j.Rd = −1683 kN