Ancoragens em treliça - dicas e truques

Sobre as estruturas em treliça

O modelo global é predominantemente constituído por elementos de treliça que cobrem apenas tração/compressão. Isto significa que a flexão e o corte nos elementos são completamente suprimidos. Do ponto de vista do MEF, a matriz de rigidez é dominada por termos axiais, eliminando os graus de liberdade de flexão e corte (Graus de liberdade).

•  Converter flexão em forças axiais
•  Maximizar a utilização do material
•  Proporcionar caminhos de carga claros
•  Permitir grandes vãos
•  Simplificar a avaliação da estabilidade

Modelo global 

O sistema de treliça em consola está fixo à coluna de betão pré-fabricada. A estrutura em treliça está acoplada a uma viga através de um par de ligações articuladas. Todas as forças são transferidas através de âncoras à tração e ao corte, e betão sob compressão.

01) Modelo global de treliça e caminho de carga claro

Checkbot 

Este tipo de estruturas é importado para o Checkbot com nós emparelhados ou múltiplos que, pela sua natureza, não podem ser exportados para o IDEA StatiCa Connection em conjunto. No primeiro passo, o nó da corda superior será eliminado. O elemento da corda superior ficará sem relação com qualquer nó existente e deverá ser ligado ao nó da corda inferior, que une os elementos diagonais e da corda inferior. Após a conclusão do processo, todos os elementos serão unificados sob um único nó principal. Isto abre caminho para um controlo mais eficaz de mais elementos com a montagem por desvio.

02) Modelo Checkbot + fusão de elementos num único nó

IDEA StatiCa Connection

O modelo construído é composto por uma sequência de perfis duplos em L. As cordas superior e inferior da treliça estão ligadas à coluna pré-fabricada através de placas de anilha moldadas no local, complementadas por uma placa de base e uma chapa de ligação pré-soldada para facilitar a montagem eficiente no estaleiro de construção.

03) Descrição do modelo de ancoragem projetado

Na análise global, as forças axiais assumem-se tipicamente a atuar através do centróide da secção transversal. No entanto, se o grupo de parafusos na ligação real não estiver alinhado com o centro de gravidade da secção, é introduzida uma excentricidade. Esta excentricidade gera momentos fletores secundários nos elementos ligados.

Tais efeitos não são captados num modelo global de MEF padrão, a menos que a geometria da ligação e a introdução de cargas sejam modeladas explicitamente. Na prática, o momento adicional resultante da excentricidade da força axial manifesta-se como um aumento da tensão de flexão, que subsequentemente contribui para a avaliação final da tensão de von Mises na verificação detalhada da ligação.

Para a configuração de treliça investigada, a restrição N–Vy–Vz fornece uma representação mais realista da transferência de forças. Esta afirmação não pretende ser uma recomendação universal para todos os sistemas de treliça, mas sim uma conclusão específica para esta disposição estrutural.

Estas restrições suprimem a deformação rotacional na junta, resultando em momentos de reação residuais. Além disso, a diagonal vertical restringe a flexão da corda, reforçando o pressuposto de que a restrição N–Vy–Vz reflete melhor o comportamento real da ligação neste caso.

Do ponto de vista da mecânica da ligação, esta condição de fronteira é, portanto, considerada mais próxima da realidade física.

04) Cordas e diagonais com restrições

O modelo de arame ilustra as trajetórias das cargas e as linhas de centro de gravidade de cada secção.

05) Modelo de arame e caminho de carga claro

A forma deformada e as visualizações de tensão fornecem informação e uma verificação de coerência sobre se as cargas estão corretamente aplicadas. A tração na corda superior e a compressão na corda inferior indicam que o modelo substituto funciona bem.

06) Verificações normativas e forma deformada

A interação de forças não é contabilizada no bloco de betão devido a pressupostos simplificados que são válidos para o meio de betão na aplicação Connection. A utilização é de apenas 38%, e a verificação das âncoras falha. Porquê?

Para informação:

Grupos de âncoras em placas de base separadas interagem entre si num único bloco de betão. Isto está fora do âmbito das normas de dimensionamento de ancoragens. O arrancamento do betão à tração e o arrancamento por alavanca do betão não são verificados. A rotura do betão por bordo não é verificada. (CEB-FIB: Bulletin 58 - Design of anchorages in concrete (2011) – Chapter 1.2: Figure 1.2-8 and Figure 1.2-9) . 

Isto encaminha o utilizador para a verificação normativa do Detail 3D, uma vez que a norma é insuficiente para a configuração mencionada.

07) Porquê falha nas âncoras?

A encurvadura deve ser sempre verificada quando a ligação é analisada. A forma modal e o fator de encurvadura são fornecidos como indicadores da margem de segurança, e o modo com maior probabilidade de se tornar instável primeiro pode ser identificado. 

Isto está relacionado com a análise linear de encurvadura, na qual o contacto entre a chapa de ligação e as paredes dos perfis duplos em L é aberto.

Contacto aberto (folga):

Se as chapas estiverem separadas no estado de equilíbrio:

• O contacto está inativo
• Nenhuma contribuição de rigidez é adicionada
• As superfícies movem-se independentemente no modo de encurvadura

Consequências nas ligações de aço práticas:

Em muitas ligações de aço:

• chapas de ligação
• cantoneiras
• furos para parafusos
• anilhas

Os contactos estão apenas parcialmente ativos no estado de equilíbrio.

Por conseguinte, na análise linear de encurvadura:

• Apenas as zonas atualmente comprimidas contribuem para a rigidez
• Os contactos futuros potenciais são ignorados

Isto pode conduzir a:

• penetração local nos modos próprios
• modos de encurvadura excessivamente flexíveis
• padrões de deformação irrealistas.

Isto não é um erro — é uma limitação fundamental da análise de encurvadura por valores próprios com contacto.

08) Modos de encurvadura linear e fator crítico

IDEA StatiCa 3D Detail

Para fechar o ciclo de dimensionamento e obter uma solução satisfatória para todos os componentes — incluindo a coluna de betão pré-fabricada — é essencial ter em conta a disposição da armadura existente e avaliar o sistema considerando a interação entre as âncoras e as barras de armadura.

O mecanismo de transferência de carga não termina na placa de base. As forças nas âncoras devem ser redistribuídas para o elemento de betão armado através de aderência, confinamento e ação de escora-e-tirante. Por conseguinte, a armadura deve ser explicitamente incluída no modelo de verificação.

Utilizando a ligação BIM do IDEA StatiCa Connection, a transferência de dados é direta e eficiente. As seguintes informações podem ser importadas diretamente:

• Geometria da coluna de betão
• Configuração da placa de base e das âncoras
• Forças resultantes nas âncoras e nas soldaduras

Isto acelera significativamente o caminho para a verificação normativa final.

No entanto, para obter uma avaliação fisicamente consistente, os componentes obrigatórios — em particular a disposição da armadura e as condições de fronteira realistas — devem ser definidos no modelo Detail 3D (CSFM). Só então o comportamento composto do betão e da armadura pode ser avaliado corretamente, e os modos de rotura frágil (por exemplo, arrancamento do betão) podem ser avaliados no contexto de um sistema armado.

O sistema de campo de vetores de força predefinido, derivado da aplicação Connection, garante a redistribuição significativa das tensões sob a placa de base. 

09) Armaduras, condições de fronteira + distribuição de forças

É necessário realizar uma verificação de coerência e uma inspeção visual para garantir que o modelo se comporta conforme esperado. O fluxo de tensões de compressão exibe o comportamento esperado, e a tensão na armadura garante a segurança do projeto. 

10) Verificação resumida, fluxo de tensões

A forma deformada deve ser o primeiro resultado, utilizado para verificar a correção das condições de fronteira. A forma deformada delineia o comportamento esperado.

11) Estado de tensão das âncoras, forma deformada

Conclusão e principais conclusões

Modelo de treliça = idealização axial
Eficiente para o fluxo global de forças (apenas tração/compressão), mas os efeitos de flexão e corte são suprimidos e devem ser tratados ao nível da ligação.

O pressuposto centroidal é crítico
O desalinhamento entre o grupo de parafusos e o centro de gravidade da secção introduz flexão secundária não captada no MEF global. Isto deve ser verificado num dimensionamento detalhado da ligação.

As condições de fronteira determinam a realidade
Para este caso, a restrição N–Vy–Vz reflete melhor o comportamento da junta. A restrição rotacional e a ação diagonal influenciam significativamente a resposta da corda.

As verificações de âncoras em betão simples são conservadoras
Os pressupostos normativos simplificados podem indicar rotura. A capacidade real depende da interação com a armadura e da redistribuição de forças no elemento de betão.

A armadura fecha o ciclo
O caminho de carga continua para além da placa de base. Apenas um modelo Detail 3D (CSFM) com armadura e condições de fronteira realistas capta o comportamento composto e previne modos de rotura frágil.

Verificar sempre a forma deformada
Se a deformação corresponder à intuição estrutural, o modelo provavelmente reflete o comportamento físico.