Ligações de Aço Pré-qualificadas (AISC) - Resumo, Conclusão e Recomendações

A série de exemplos de verificação foi preparada num projeto conjunto entre a Ohio State University e o IDEA StatiCa. Os autores são listados abaixo:

• Baris Kasapoglu, estudante de doutoramento
• Ali Nassiri, Ph.D.
• Halil Sezen, Ph.D.

Ligação de momento com secção de viga reduzida (RBS)

Uma ligação de momento RBS testada foi selecionada a partir de um estudo experimental (Uang et al., 2000) e foram criadas cinco variações adicionais. As capacidades de resistência ao momento de seis espécimes com modos de rotura foram estimadas seguindo o procedimento AISC e utilizando o IDEA StatiCa. As diferenças entre as capacidades calculadas (1 - capacidade de momento pelo IDEA StatiCa/capacidade de momento calculada pelo procedimento AISC) variam de -3% a +7%, sendo a diferença média de aproximadamente 4% (Tabela 6.1). Além disso, a relação momento-rotação calculada pelo IDEA StatiCa através da análise de rigidez foi comparada com a fornecida no relatório de ensaio (Figura 6.1). Pode verificar-se que o IDEA StatiCa é capaz de identificar o modo de rotura, calcular a capacidade de resistência ao momento e a curva momento-rotação de ligações de momento RBS.

Tabela 6.1: Resistência ao momento fletor de ligações de momento RBS calculada pelo IDEA StatiCa e pelo procedimento AISC (em relação à face do pilar)

Figura 6.1: Comparação da rotação plástica do momento (em relação ao eixo do pilar) da ligação de momento RBS (modelo baseline)

Leia o artigo completo do exemplo de verificação sobre a Secção de Viga Reduzida

Ligação de momento com placa de extremidade (EPM)

Seis ligações EPM testadas foram avaliadas seguindo o procedimento de dimensionamento AISC e utilizando o IDEA StatiCa. As suas capacidades de momento e modos de rotura foram calculados e comparados com as observações do ensaio experimental (Sumner et al., 2000). As diferenças entre os resultados variam de -7% a +11%, sendo a diferença média de aproximadamente 2% (Tabela 6.2). Deve notar-se que a cedência da placa de extremidade é o estado limite condicionante para a variação 3, onde é calculada uma diferença de 11%, enquanto a resistência insuficiente da soldadura entre a placa de extremidade e a alma da viga é o modo de rotura observado na análise do IDEA StatiCa. Quando a soldadura atinge o seu limite de resistência, é calculada uma deformação plástica de 1,9% na placa de extremidade, que é inferior ao limite de deformação plástica de 5% para chapas. A partir deste exemplo, pode interpretar-se que o procedimento descrito no AISC 358 para o estado limite de cedência da placa de extremidade fornece um resultado mais conservador do que o IDEA StatiCa. Para o modelo baseline, a curva momento-rotação obtida com o IDEA StatiCa foi comparada com a medida experimentalmente. O IDEA StatiCa demonstra a sua capacidade de estimar a capacidade de rotura dos parafusos, incluindo os efeitos da força de alavanca na capacidade resistente dos parafusos e a contribuição do enrijecedor da placa de extremidade na resistência à flexão dos espécimes EPM. A diferença entre os declives após a cedência e o intervalo entre os valores de pico de momento atingidos podem ser atribuídos, respetivamente, à degradação de rigidez que o espécime de ensaio sofreu e ao modelo de material bilinear utilizado pelo IDEA StatiCa.

Figura 6.2: Comparação da rotação plástica do momento (em relação ao eixo do pilar) da ligação EPM (modelo baseline)

Tabela 6.2: Resistência ao momento fletor de ligações EPM calculada pelo IDEA StatiCa e pelo procedimento AISC (em relação à face do pilar)

Leia o artigo completo do exemplo de verificação sobre a ligação de momento com placa de extremidade (EPM)

Ligação de momento com banzos soldados não reforçados e alma soldada (WUF-W) 

As capacidades de momento e os modos de rotura de seis espécimes WUF-W testados foram calculados utilizando o IDEA StatiCa e seguindo o procedimento de dimensionamento AISC, e as observações foram comparadas com os resultados dos ensaios realizados por Ricles et al. (2000). Os modos de rotura obtidos das três fontes são semelhantes em todas as ligações, enquanto as capacidades de momento calculadas com o IDEA StatiCa são aproximadamente 8% superiores às obtidas pelo procedimento de dimensionamento AISC, exceto para o modelo baseline (Tabela 6.3). A razão pela qual o IDEA StatiCa calcula capacidades de momento superiores às do procedimento AISC para as variações pode estar associada à hipótese de localização da rótula plástica. O AISC 358 recomenda que esta seja considerada na face do pilar para ligações de momento WUF-W, o que conduz a um momento adicional menor devido à força de corte na localização da rótula plástica, em comparação com o caso em que esta ocorre a uma distância da face do pilar. Para o modelo baseline, a análise com o IDEA StatiCa mostra que o espécime atinge a sua capacidade quando a soldadura entre a face do pilar e a chapa de alma falha. De forma semelhante, os cálculos manuais realizados seguindo o procedimento de dimensionamento AISC indicam que a soldadura não satisfaz o limite de resistência requerido. No entanto, o AISC não define nenhum procedimento para calcular a capacidade de momento deste tipo de ligações controladas pela soldadura entre o pilar e a viga ou a chapa de alma. Deve notar-se que a capacidade de momento calculada seguindo o procedimento AISC se baseia na resistência ao momento plástico da viga, embora esta ligação não seja permitida de ser dimensionada pelo AISC uma vez que o requisito de resistência para a soldadura não é satisfeito. Em geral, a diferença média entre as capacidades de momento calculadas pelo IDEA StatiCa e pelo procedimento AISC é de aproximadamente 5%. Adicionalmente, foi realizada uma análise de rotação de momento utilizando o IDEA StatiCa e o ABAQUS para o modelo baseline e os resultados foram comparados. A curva de rotação plástica de momento calculada pelo IDEA StatiCa foi comparada com a medida fornecida pelos investigadores do ensaio (Figura 6.3). A diferença entre os declives das curvas pode ser atribuída à degradação de rigidez que o espécime ensaiado sofreu durante o carregamento cíclico. Outro comentário que pode ser feito é que, uma vez que o IDEA StatiCa utiliza um modelo de material bilinear, o comportamento de endurecimento por deformação não pôde ser completamente capturado.

Tabela 6.3: Resistência ao momento fletor de ligações de momento WUF-W calculada pelo IDEA StatiCa e pelo procedimento AISC (em relação à face do pilar)

Figura 6.3: Comparação da rotação plástica do momento (em relação ao eixo do pilar) da ligação de momento WUF-W (modelo baseline)

Leia o artigo completo do exemplo de verificação sobre a ligação de momento com banzos soldados não reforçados e alma soldada (WUF-W)

Ligação de momento com banzos soldados não reforçados e alma aparafusada (WUF-B)

O comportamento à flexão de cinco espécimes WUF-B testados (Lee et al., 1999) foi investigado com um total de oito modelos utilizando dois tipos diferentes de parafusos: 1) atrito, 2) apoio. As capacidades de momento fletor dos espécimes foram calculadas utilizando o IDEA StatiCa e seguindo o procedimento de dimensionamento AISC e comparadas (Tabela 6.4). Uma vez que os parafusos de deslizamento crítico podem ser dimensionados como parafusos de apoio pré-tensionados se o coeficiente de deslizamento da superfície de contacto for igual ou superior a 0,30 de acordo com o AISC 341 (2016), os espécimes com parafusos de deslizamento crítico (p. ex., baseline.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) podem ser ignorados na comparação da resistência ao momento entre o IDEA StatiCa e o procedimento AISC. Para as restantes ligações, as diferenças entre as capacidades de momento calculadas pelo IDEA StatiCa e pelo AISC variam de -18% a -6%, sendo a diferença média de aproximadamente 13%. A razão pela qual o IDEA StatiCa calcula uma resistência ao momento mais conservadora do que o procedimento AISC pode estar associada à fraca aderência entre a alma da viga e o banzo do pilar. Uma análise mais aprofundada pode ser realizada substituindo a chapa de alma por uma soldadura de topo ao longo da alma da viga, obtendo uma melhoria significativa na capacidade de momento seguindo o mesmo procedimento no IDEA StatiCa.

Para o modelo baseline, a rotação plástica de momento foi obtida a partir da análise do IDEA StatiCa e comparada com a medida experimentalmente (Figura 6.4). Deve notar-se que os parafusos de atrito (deslizamento crítico) são utilizados para a análise de rotação de momento, enquanto os parafusos de apoio são utilizados para a análise da capacidade de momento. A diferença entre as curvas pode estar associada ao processo de extração de dados. Uma vez que a curva momento-rotação medida foi extraída da figura fornecida no relatório de ensaio, pequenos erros são inevitáveis. A diferença no comportamento pós-cedência pode ser explicada pelo modelo de material bilinear utilizado pelo software.

Figura 6.4: Comparação da rotação plástica do momento (em relação ao eixo do pilar) da ligação de momento WUF-B (modelo baseline)

Tabela 6.4: Resistência ao momento fletor de ligações de momento WUF-B calculada pelo IDEA StatiCa e pelo procedimento AISC (em relação à face do pilar)

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Ligação de momento em duplo T

Seis ligações em duplo T testadas foram examinadas seguindo o procedimento de dimensionamento AISC e utilizando o IDEA StatiCa. As suas capacidades de momento foram calculadas e os resultados foram comparados.

As diferenças entre os resultados variam de -9% a +7%, sendo a diferença média de aproximadamente 3% (Tabela 6.5). Além disso, os modos de rotura foram estimados de forma razoavelmente precisa. A análise de rotação de momento foi realizada através do IDEA StatiCa e do ABAQUS utilizando dois tipos diferentes de parafusos (p. ex., apoio, atrito), uma vez que o tipo de parafuso de controlo de tração não está disponível no IDEA StatiCa. As curvas foram comparadas com a obtida experimentalmente por Leon (1999) para o modelo baseline (Figura 6.5). Observa-se que a curva de rotação plástica de momento do espécime de ensaio se situa entre as calculadas pelas análises do IDEA StatiCa para parafusos de atrito e de apoio, como esperado. Adicionalmente, foram realizadas verificações de pré-qualificação descritas no AISC 358 para os espécimes. Para o modelo baseline, foi realizada uma análise de dimensionamento por capacidade no IDEA StatiCa e comparada com a obtida seguindo o procedimento AISC. Pode concluir-se que o IDEA StatiCa é muito capaz de calcular a capacidade de momento e determinar o modo de rotura de ligações de momento em duplo T. Além disso, pode acrescentar-se que a análise de capacidade (p. ex., CD) é capaz de determinar se a ligação tem capacidade resistente suficiente quando ocorre uma rótula plástica em ambas as vigas, conforme exigido pelo AISC 358 para ligações sísmicas.

Tabela 6.5: Resistência ao momento fletor de ligações de momento em duplo T calculada pelo IDEA StatiCa e pelo procedimento AISC (em relação à face do pilar)

Figura 6.5: Comparação da rotação plástica do momento (em relação ao eixo do pilar) da ligação de momento em duplo T (modelo baseline)

Em geral, existe uma boa concordância entre as capacidades de momento e os modos de rotura obtidos a partir dos ensaios, da análise do IDEA StatiCa e do procedimento de dimensionamento AISC. As recomendações para melhorar ainda mais o software são listadas abaixo:

• Um novo tipo de parafuso para parafusos de controlo de tração/pré-tensionados pode ser desenvolvido e disponibilizado aos utilizadores, em adição aos tipos de parafusos de apoio e de atrito.
• As forças a aplicar com a opção "as cargas estão em equilíbrio" podem ser calculadas pelo IDEA StatiCa para diferentes comprimentos de elementos e condições de fronteira de acordo com as preferências do utilizador. Desta forma, pode ser realizada uma análise para a condição desejada sem necessidade de outro software ou cálculo manual adicional. Com a versão atual do IDEA StatiCa (i.e., v22), para calcular a capacidade de momento dos espécimes de ensaio, as forças na ligação foram calculadas utilizando o SAP2000, representando as condições de configuração do ensaio (p. ex., comprimentos dos elementos, condições de fronteira), sendo depois essas forças calculadas aplicadas no IDEA StatiCa utilizando a opção "as cargas estão em equilíbrio".
• O carregamento incremental pode ser aplicado de forma automática e sistemática pelo IDEA StatiCa e a capacidade de momento pode ser fornecida sem necessidade de ajustar as cargas e executar novamente a análise.
• As verificações de pré-qualificação podem ser realizadas pelo IDEA StatiCa.
• Uma ferramenta de geração de malha melhorada pode ser adaptada ao software.
• A representação da curva momento-rotação pode ser melhorada/enriquecida fornecendo aos utilizadores ferramentas para ajustar o tipo de letra, a cor e o tamanho do gráfico.
• Alguns símbolos precisam de ser corrigidos/ajustados para os utilizadores americanos (p. ex., θ em vez de ϕ para a rotação de acordo com o AISC).

Leia o artigo completo do exemplo de verificação sobre a ligação de momento em duplo T

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