Resistência ao momento de ligações soldadas de aço de viga-a-coluna de secção aberta em torno do eixo forte

Este Relatório foi desenvolvido no âmbito de uma colaboração entre o ISISE (Instituto para a Sustentabilidade e Inovação em Engenharia Estrutural) na Universidade de Coimbra  e o IDEA StatiCa. Este projeto foi financiado conjuntamente por ambas as entidades e da autoria de:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

Sumário executivo

Este relatório apresenta uma análise aprofundada de ligações soldadas de viga-a-coluna em aço, com foco específico na componente da alma da coluna ao corte, utilizando modelos 3D-FEM de elevada qualidade e devidamente validados. O estudo abrange ligações soldadas de secção aberta de viga-a-coluna resistentes ao momento em torno do eixo forte, com e sem enrijecedores transversais, cobrindo ligações unilaterais e bilaterais localizadas num piso intermédio (interior) ou no último piso (cobertura) e, para ligações interiores, com diferentes níveis de carga axial na coluna. O estudo abrange uma vasta gama de situações em termos de esbelteza da coluna, relação de aspeto da ligação, configuração da ligação, enrijecedores, força axial e relação de momentos (para ligações bilaterais). Aspetos relevantes para a análise por elementos finitos, como o modelo de material, o tipo de análise, a densidade da malha, as imperfeições iniciais, etc., são também considerados.

Este estudo compreende um ano de trabalho nas seguintes áreas:

1. A lista de casos inclui situações com 30%, 50% e 70% de carga axial.
2. As classes de aço incluem S235, S275 e S355.
3. São analisadas colunas laminadas, colunas com soldaduras de filete e colunas com soldaduras de topo.
4. Foi incluído um estudo abrangente sobre as diferenças entre GMNA e MNA.
5. Foi incluído um estudo abrangente sobre a influência da lei constitutiva do material.
6. É estudada a influência das soldaduras de filete no comportamento da ligação.

Objetivos

O objetivo deste estudo é a avaliação da resistência ao momento fletor em torno do eixo forte de ligações soldadas em configurações de viga-a-coluna unilaterais e bilaterais com elementos de secção aberta (vigas e colunas), incluindo a influência de enrijecedores transversais, utilizando: i) regras de dimensionamento europeias, ii) análise por elementos finitos (elementos sólidos 3D) e iii) IDEA StatiCa; e a comparação dos resultados obtidos por cada método.

Metodologia

1. Avaliar a resistência de cálculo da componente do painel de alma para uma vasta gama de ligações soldadas de viga-a-coluna através de modelos 3D FEM de elevada qualidade, utilizados subsequentemente como casos de referência.
2. Comparar a resistência da ligação com modelos CBFE (IDEA StatiCa), baseados em elementos de casca.
3. Discutir a possibilidade de melhorar as funcionalidades e as opções predefinidas oferecidas pelo IDEA StatiCa, de forma a garantir que é obtido um valor de resistência realista e seguro.
4. Comparar a resistência da ligação com os resultados obtidos a partir das expressões de dimensionamento do Eurocódigo 3, nas versões atual e futura.
5. Avaliar as diferenças na resistência ao momento produzidas pelo critério de 5% de deformação plástica equivalente adotado pelo IDEA StatiCa para definir a "resistência de cálculo" na curva momento-rotação, em comparação com outros critérios comuns (como a redução da rigidez secante a 1/3 da rigidez inicial).

Questões abordadas

• Qual é a dispersão dos resultados?
• Qual é a influência dos diferentes parâmetros (esbelteza, relação de aspeto, relação de momentos fletores, enrijecedores transversais, força axial, etc.) nestes resultados?
• Qual é a influência das componentes da alma da coluna nestes resultados?

Exclusões

Não é realizada qualquer avaliação da fiabilidade dos resultados do programa, uma vez que está fora do âmbito deste estudo.

Síntese das conclusões

A análise dos resultados do Abaqus destacou as seguintes conclusões:

1. Relativamente ao critério de 5% de deformação plástica equivalente, foi demonstrado que, para este tipo de ligação, produz resultados de resistência semelhantes aos obtidos com o mesmo modelo numérico com uma redução da rigidez secante a 1/3 da rigidez inicial.
2. As imperfeições iniciais desempenham um papel menor no comportamento das ligações analisadas; contudo, a não linearidade geométrica (análise de 2.ª ordem) deve ser incluída, particularmente nos casos em que está presente carga axial.
3. A inclusão do endurecimento por deformação resulta num pequeno aumento médio de 4% na resistência; no entanto, tem um efeito significativo, cerca de 44% em média, na rotação da ligação.

Os seguintes comentários são relevantes para a implementação no IDEA StatiCa:

1. O IDEA StatiCa, com a malha predefinida do programa (versão 23.1) e MNA (análise materialmente não linear), fornece resistências superiores às obtidas com o Abaqus. Em média, 6% superiores para colunas laminadas com soldaduras de topo, e cerca de 11% para colunas soldadas com soldaduras de topo ou de filete. Para colunas laminadas com soldaduras de filete, os resultados são, em média, idênticos aos do Abaqus. Os desvios máximos observados para um caso individual são de 22% (colunas laminadas com soldaduras de topo) e 53% (colunas soldadas com soldaduras de topo).
   Comentário IDEA StatiCa: Esta situação é corrigida por duas alterações implementadas na versão 25.0:
   - Análise geometricamente não linear
   - Área de distribuição da soldadura – reduzida para soldaduras de topo, ou seja, a resistência de colunas com soldaduras de topo é diminuída
   
2. O IDEA StatiCa com uma malha refinada (reduzindo para metade o tamanho da malha predefinida) e GMNA (análise geometricamente e materialmente não linear) fornece resistências em boa concordância (dentro de ±5% em média) com os resultados do Abaqus. Os desvios máximos observados para um caso individual são de 15% (colunas laminadas com soldaduras de topo), 5% (colunas laminadas com soldaduras de filete), 27% (colunas soldadas com soldaduras de topo) e 14% (colunas soldadas com soldaduras de filete).
   Comentário IDEA StatiCa: A redução da malha para metade já não é necessária com as alterações mencionadas no ponto anterior.
   
3. A influência das imperfeições iniciais foi estudada para ligações interiores unilaterais e verificou-se ser negligenciável.
   Comentário IDEA StatiCa: Isto significa que a GMNA é suficiente e a GMNIA não é necessária para a gama de ligações investigada.
   
4. A análise puramente materialmente não linear sem efeitos de 2.^ª ordem conduz a resultados não conservativos no caso de força axial na coluna. Por conseguinte, recomenda-se que a análise geometricamente não linear seja ativada por defeito no programa.
   Comentário IDEA StatiCa: Na versão 25.0, a análise geometricamente não linear está disponível para todas as ligações. Na próxima atualização, será fornecido um aviso.
   
5. O tamanho da malha desempenha um papel essencial na precisão dos resultados. Uma abordagem potencial para estimar o valor convergido poderia basear-se num processo automatizado que reduz o tamanho da malha para metade e aplica a extrapolação de Richardson à resistência ao momento obtida com ambos os valores.
   Comentário IDEA StatiCa: A extrapolação de Richardson é possível na determinação das resistências à carga. No entanto, não é possível para verificações aprovadas/reprovadas. Com as alterações anteriormente mencionadas na versão 25.0, a malha predefinida já fornece resultados suficientemente precisos. 
6. O modelo de material implementado pelo IDEA StatiCa (com declive de endurecimento por deformação de E/1000) resulta num aumento médio de 3% na resistência ao momento em comparação com os resultados obtidos com material elástico perfeitamente plástico.

Leia o relatório completo em anexo.

Transferências Anexadas

• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10,7 MB)