Juntas pré-qualificadas para aplicações sísmicas

12.1 Projeto EQUALJOINTS

O projeto de investigação europeu EQUALJOINTS fornece critérios de pré-qualificação de juntas de aço para a próxima versão da EN 1998-1. A atividade de investigação abrangeu a normalização dos procedimentos de projeto e fabrico para um conjunto de tipos de juntas aparafusadas e uma secção de viga reduzida soldada com perfis pesados, concebidos para satisfazer diferentes níveis de desempenho. Foi também desenvolvido um novo protocolo de carregamento para pré-qualificação europeia, representativo da exigência sísmica europeia. A campanha experimental dedicada à caracterização cíclica tanto do aço carbono macio europeu como dos parafusos de alta resistência atingiu o comportamento requerido para quatro tipos de juntas pré-qualificadas: juntas aparafusadas com mísula, juntas aparafusadas com placa de extremidade estendida não enrijecida, juntas aparafusadas com placa de extremidade estendida enrijecida e juntas de secção de viga reduzida soldada; ver Fig. 12.1.1. Os resultados obtidos experimentalmente no âmbito do projeto EQUALJOINTS estão resumidos em (Stratan et al. 2017) e (Tartaglia and D'Aniello, 2017).

Fig. 12.1.1 Juntas estruturais pré-qualificadas no projeto EQUALJOINTS

12.2 Juntas com placa de extremidade

As ligações aparafusadas com placa de extremidade estendida enrijecida são as mais comuns entre as indústrias europeias de fabricação de estruturas de aço e são amplamente utilizadas na prática europeia como juntas resistentes ao momento em pórticos de aço de baixa e média altura, graças à simplicidade e economia de fabrico e montagem. Os critérios de projeto e os requisitos relacionados para juntas aparafusadas com placa de extremidade estendida enrijecida viga-coluna são profundamente investigados e criticamente discutidos, e atualmente codificados na EN 1998-1:2005, com base num estudo paramétrico baseado em análises por elementos finitos. Infelizmente, o procedimento de dimensionamento por capacidade foi desenvolvido apenas no âmbito do método das componentes. Este também tem em conta a presença de nervuras e é capaz de controlar a resposta da junta para diferentes níveis de desempenho.

As juntas com placa de extremidade estendida não enrijecida são comummente utilizadas na construção em aço para ligar vigas de perfil I ou H a colunas de perfil I ou H nos casos em que momentos fletores significativos têm de ser transferidos. Esta configuração permite uma montagem fácil por aparafusamento, enquanto a soldadura da placa de extremidade à viga é automatizada em oficina. A resistência à flexão da ligação é geralmente inferior à resistência à flexão dos elementos ligados. Por conseguinte, tais juntas são consideradas de resistência parcial. Atingir uma situação de resistência igual, em que a resistência plástica da junta é aproximadamente igual à resistência plástica da secção da viga, pode ser alcançado através de um projeto adequado. A sua ductilidade à flexão depende fortemente dos pormenores das juntas, que influenciam o modo de rotura (Jaspart, 1997). Se a componente da junta que governa a rotura for dúctil e se a resistência das componentes ativas frágeis for significativamente superior, pode ser alcançada uma resposta dúctil da junta. No caso contrário, não se deve contar com a capacidade da junta para formar rótulas plásticas e redistribuir esforços internos para absorver energia numa zona sísmica.

Para as ligações resistentes ao momento com secção de viga reduzida soldada, também designadas por dog-bone, foram adotadas duas estratégias principais: o reforço da ligação ou o enfraquecimento da viga. Entre estas duas opções para o perfil de redução de secção, o corte em raio tende a exibir um comportamento relativamente mais dúctil, retardando a fratura última (Jones et al. 2002). No entanto, o trabalho demonstrou que os elementos com secção de viga reduzida são mais suscetíveis à encurvadura lateral-torcional devido à diminuição da área dos seus banzos. Investigação experimental e analítica adicional centrada na aplicação de colunas de grande altura (Zhang and Ricles, 2006) indicou que a presença de uma laje de piso mista pode reduzir significativamente a quantidade de torção que se desenvolve na coluna, uma vez que oferece contraventamento à viga e reduz o deslocamento lateral do banzo inferior.

De acordo com o procedimento de projeto desenvolvido no âmbito do projeto EQUALJOINTS, a junta compreende três macro-componentes: o painel da alma da coluna, a zona de ligação e a zona da viga; ver Fig. 12.2.1. Cada macro-componente é individualmente projetado de acordo com pressupostos específicos, sendo depois aplicados critérios de dimensionamento por capacidade de modo a obter três objetivos de projeto distintos para avaliar a junta: juntas de resistência total, de resistência igual e de resistência parcial. As juntas de resistência total são projetadas para garantir a formação de todas as deformações plásticas na viga, o que é consistente com as regras de dimensionamento por capacidade coluna forte – viga fraca da EN 1998-1:2005. As juntas de resistência igual são teoricamente caracterizadas pela cedência simultânea de todos os macro-componentes, ou seja, ligação, painel de alma e viga. As juntas de resistência parcial são projetadas para desenvolver a deformação plástica apenas na ligação ou no painel da alma da coluna. De acordo com a resistência dos macro-componentes de ligação e painel da alma da coluna, tanto para juntas de resistência igual como de resistência parcial, pode ser introduzida uma classificação adicional. Para painel de alma forte, a exigência plástica concentra-se na ligação para junta de resistência parcial ou na ligação e na viga para junta de resistência igual. Para painel de alma equilibrado, a exigência plástica distribui-se entre a ligação e o painel da alma da coluna para junta de resistência parcial, e na ligação, painel de alma e viga para junta de resistência igual. Para painel de alma fraco, a exigência plástica concentra-se no painel da alma da coluna para junta de resistência parcial ou no painel de alma e na viga para junta de resistência igual.

Fig. 12.2.1 Divisão da junta em macro-componentes

A ductilidade da junta depende do tipo de modo de rotura e da correspondente capacidade de deformação plástica da componente ativada. A capacidade de deformação pode ser aproximadamente prevista satisfazendo os critérios desenvolvidos para o MC ou calculada com maior precisão pelo CBFEM. Os exemplos de projeto de duas configurações de juntas pré-qualificadas descritas nos materiais do projeto EQUALJOINTS e na norma ANSI/AISC358-16 são apresentados abaixo, considerando o comportamento dos macro-componentes separadamente.

12.2.1 Validação

Os modelos CBFEM de rigidez, capacidade resistente e capacidade de deformação de juntas pré-qualificadas foram validados por Montenegro (2017) num conjunto de ensaios disponíveis do projeto EQUALJOINTS. Os exemplos de soluções estruturais encontram-se na Fig. 12.2.2. Os resultados da validação do modo de rotura são apresentados na Fig. 12.2.3. O resumo da validação da resistência e da capacidade de deformação para 15 % de deformação é apresentado nas Figs. 12.2.4 e 12.2.5.

Fig 12.2.2 Juntas utilizadas para validação e verificação a) EH2-TS-35-M e EH2-TS-45-M, b) ES1-TS-F-M e ES3-TS-F-M, c) E1-TS-E-M e E2-TS-E-M

Fig. 12.2.3 Validação do modo de rotura do CBFEM nas juntas com placa de extremidade estendida com mísula E1-TS-F-C2 (Tartaglia and D'Aniello, 2017)

Fig.12.2.4 Validação da resistência do CBFEM em ensaios do projeto EQUALJOINTS

Fig. 12.2.5 Validação da capacidade de rotação do CBFEM em ensaios do projeto EQUALJOINTS

12.2.2 Verificação

O modelo CBFEM foi verificado relativamente ao MC de acordo com o Cap. 6 da EN 1993-1-8:2006. A seleção de resultados é apresentada no Quadro 12.2.1 e na Fig. 12.2.6. Os resultados mostram a perda de precisão do MC para juntas de maior dimensão, onde a aproximação grosseira do braço do momento condiciona a precisão.

Quadro 12.2.1 Verificação do CBFEM relativamente ao MC

Fig. 12.2.6 Verificação da resistência do CBFEM relativamente ao MC

Três juntas com mísula unilateral são descritas com maior detalhe em (Landolfo et al. 2017) e (Equaljoints application). As juntas são carregadas por momentos fletores positivos e negativos e pela correspondente carga de corte. As almas das colunas são reforçadas por chapas de reforço, pelo que as componentes condicionantes são os perfis em T da placa de extremidade ou do banzo da coluna. Os eixos de rotação são assumidos no centro do banzo superior da viga para momento fletor positivo e no meio da mísula para momento fletor negativo. A posição da rótula plástica é assumida na face da chapa de enrijecimento na extremidade da mísula. O momento fletor na face da coluna utilizado para a verificação normativa da ligação é aumentado pela correspondente carga de corte; ver Fig. 12.2.7.

Fig. 12.2.7 Posição da rótula plástica, diagrama do momento fletor na junta com mísula

Quadro 12.2.2 Resistência das componentes pelo MC para juntas com mísula

O fator de endurecimento por deformação foi escolhido como 1,2, conforme sugerido pela EN 1993-1-8:2006 e pelo relatório final do projeto Equaljoints (a EN 1998-1:2005 sugere o valor 1,1). O fator de sobrerresistência foi assumido como 1,25 (Landolfo et al. 2017). Todo o aço era de grau S355. As resistências das componentes individuais estão resumidas no Quadro 12.2.2. As verificações a negrito são as que não satisfazem os requisitos. Note-se que a resistência da mísula é a resistência plástica da secção da viga com a mísula na placa de extremidade. A resistência da viga é assumida como aumentada pelo fator de sobrerresistência na localização da rótula plástica, mas não na placa de extremidade. Se o fator de sobrerresistência fosse também utilizado na placa de extremidade, esta resistência seria superior. Por conseguinte, a resistência seguinte mais baixa, o perfil em T – placa de extremidade, foi assumida como condicionante da resistência da junta n.º 267. Nenhuma das juntas investigadas satisfaz o requisito para junta de resistência total. No entanto, a resistência é muito próxima e as juntas são de resistência igual. O painel da alma da coluna é forte em todos os casos.

O modo de rotura condicionante pelo CBFEM é a rotura dos parafusos com cedência das chapas, principalmente a placa de extremidade, o banzo da coluna e a mísula. De acordo com o CBFEM, as juntas n.º 4.2 e n.º 264 são de resistência total e a junta n.º 267 é de resistência igual. Os painéis da alma da coluna são fortes em todos os casos.

Fig. 12.2.8 As deformações na resistência para a) a junta completa, b) apenas o macro-componente ligação aparafusada com placa de extremidade, c) apenas o macro-componente painel da alma da coluna ao corte com chapas de reforço, d) apenas o macro-componente viga

12.2.3 Juntas com placa de extremidade estendida não enrijecida

Para o estudo de sensibilidade, foi selecionada uma junta pré-qualificada com placa de extremidade estendida não enrijecida. A viga IPE 450 é ligada à coluna HEB 300 por uma placa de extremidade estendida com 25 mm de espessura e doze parafusos M30 10.9, com e sem chapa de reforço de alma de 10 mm de espessura. O aço de grau S 355 foi utilizado em todas as chapas. Para determinar a contribuição de cada macro-componente separadamente, o diagrama de material do macro-componente selecionado era elastoplástico, enquanto o restante da junta tinha apenas diagrama de material elástico. As deformações na resistência da junta completa, do painel da alma da coluna ao corte apenas com chapas de reforço e da ligação aparafusada com placa de extremidade são comparadas com o macro-componente viga apenas na Fig. 12.2.8. A influência de cada macro-componente no comportamento da junta é apresentada na Fig. 12.2.9, onde o painel da alma da coluna com e sem chapas de reforço é mostrado. O comportamento da junta evidencia uma resistência superior do macro-componente ligação.

Fig. 12.2.9 Influência dos macro-componentes, o painel da alma da coluna com chapas de reforço ao corte,
a ligação aparafusada com placa de extremidade e a viga no comportamento da junta completa

12.2.4 Localização do centro de compressão

Para juntas com placa de extremidade, a EN 1993-1-8:2006 especifica que o centro de compressão se localiza no meio da espessura do banzo da viga, ou na extremidade da mísula no caso de juntas com mísula. Os resultados experimentais e numéricos mostraram que a localização do centro de compressão depende tanto do tipo de junta como da exigência de rotação, devido à formação de modos plásticos com diferente mobilização de cada componente da junta (Landolfo et al. 2017). De acordo com o procedimento de projeto pelo MC proposto e com base nos resultados experimentais e numéricos, é esperado contacto aproximadamente no centroide da secção formada pelo banzo da viga e pelos enrijecedores de nervura, para as juntas com placa de extremidade enrijecida, ou a cerca de 0,5 da altura da mísula no caso de juntas com mísula. Esta aproximação grosseira é precisada pelo procedimento CBFEM, que fornece valores corretos durante o carregamento e a cedência inicial das partes de uma junta.

Os resultados apresentados mostram a boa precisão do CBFEM verificado relativamente ao ROFEM e validado em relação aos ensaios EQUALJOINTS e ao MC. Isto traz a possibilidade de considerar o comportamento dos macro-componentes separadamente e a posição dos eixos neutros com precisão de acordo com o carregamento/plastificação.

12.3 Junta de secção de viga reduzida soldada

Foi selecionada para este estudo uma junta pré-qualificada de secção de viga reduzida soldada de acordo com a ANSI/AISC 358-16. A viga IPE 450 é ligada à coluna HEB 300 por soldaduras de topo nos banzos e chapa de alma de 12 mm de espessura com três parafusos pré-esforçados M30 10.9, com e sem chapa de reforço de alma de 10 mm de espessura; ver Fig. 12.3.1. Todo o aço utilizado é de grau S355.

As deformações na resistência última da junta completa e do macro-componente painel da alma da coluna ao corte apenas com chapas de reforço são apresentadas na Fig. 12.3.2. A influência de cada macro-componente no comportamento da junta é apresentada na Fig. 12.3.3, onde o painel da alma da coluna com e sem chapas de reforço é mostrado. A junta evidencia que as resistências dos macro-componentes da junta estão bem otimizadas.

Fig. 12.3.1 Junta de secção de viga reduzida, a) viga com secção reduzida, b) o painel da alma da coluna com chapas de reforço ao corte, a ligação aparafusada com placa de extremidade,

Fig. 12.3.2 As deformações na resistência para a) a junta completa e b) apenas o macro-componente painel da alma da coluna com chapas de reforço ao corte 

Fig. 12.3.3 Influência dos macro-componentes no comportamento da junta completa no diagrama M-φ

Referências

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.

Jones S.L., Fry GT., Engelhardt M.D. Experimental evaluation of cyclically loaded reduced beam section moment connections. Journal of Structural Engineering. 128 (4), 441–451, 2002.

Landolfo R. et al. Design of Steel Structures for Buildings in Seismic Areas, ECCS Eurocode Design Manual. Wiley, 2017.

Stratan A., Maris C, Dubina D, and Neagu C. Experimental prequalification of bolted extended end plate beam to column connections with haunches. ce/papers, 1(2–3), 414–423, 2017.

Tartaglia R, D'Aniello M. Nonlinear performance of extended stiffened end-plate bolted beam-to-column joints subjected to column removal. The Open Civil Engineering Journal Vol 11, Issue Suppl-1, 369–383, 2017.

Zhang X., Ricles J.M. Experimental evaluation of reduced beam section connections to deep columns. Journal of Structural Engineering. 132 (3), 346-357, 2006.