Verificação dos cálculos do IDEA StatiCa para o dimensionamento de ligações de aço (AISC)

Autores:

• Baris Kasapoglu, estudante de doutoramento (Departamento de Engenharia Civil, Ambiental e Geodésica)
• Rafael Arthur Giorjao, Ph.D. (Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais)
• Ali Nassiri, Ph.D. (Departamento de Engenharia de Sistemas Integrados)
• Halil Sezen, Ph.D. (Departamento de Engenharia Civil, Ambiental e Geodésica)

Junho de 2021

Introdução

No domínio da engenharia estrutural e civil, compreender o comportamento estrutural e a integridade do edifício é fundamental para garantir a segurança dos seus ocupantes. No entanto, constitui um desafio analisar e determinar o comportamento de uma estrutura complexa quando sujeita a diversas condições de carregamento utilizando métodos analíticos convencionais. Por conseguinte, a Análise por Método dos Elementos Finitos (FEA) é uma ferramenta valiosa para a modelação numérica de estruturas físicas demasiado complexas para soluções analíticas. O objetivo principal deste relatório é avaliar os resultados de FEA obtidos pelo pacote de software IDEA StatiCa para três grupos de ligações de aço correntes utilizadas nos Estados Unidos (ou seja, ligações simples, semi-rígidas e rígidas), e compará-los com dados experimentais disponíveis e com os resultados calculados por outro software de FEA, o ABAQUS. A resposta da junta viga-pilar obtida pelo software IDEA StatiCa é então comparada com os cálculos de dimensionamento realizados de acordo com os requisitos do AISC 360, Specification for Structural Steel Building (2016), e do AISC Steel Construction Manual (2017).

Este relatório inclui quatro capítulos. Nos Capítulos 1 a 3, foi selecionada da literatura uma ligação validada experimentalmente para cada tipo de ligação como modelo de base. As verificações normativas e os cálculos de dimensionamento foram realizados de acordo com os códigos de construção dos EUA para cada modelo de base e as suas dez variações. Os resultados foram então comparados com as previsões do IDEA StatiCa. Adicionalmente, os resultados de FEA do IDEA StatiCa foram comparados com os do ABAQUS. Todas as etapas necessárias e os detalhes de todas as verificações geométricas e de dimensionamento de acordo com os códigos de projeto AISC estão incluídos em apêndices. O último capítulo contém a avaliação global do software IDEA StatiCa em termos de precisão e compatibilidade com os requisitos dos códigos de construção dos EUA para ligações de aço.

1 LIGAÇÕES SIMPLES

Neste estudo, as capacidades resistentes de dimensionamento de dez espécimes de ligação articulada foram calculadas de acordo com os requisitos do AISC 360 (2016) e do AISC Construction Manual (2017). Quatro espécimes de ensaio foram selecionados do estudo experimental realizado por McMullin e Astaneh (1988) no Departamento de Engenharia Civil da Universidade da Califórnia, Berkeley. Seis modelos adicionais foram desenvolvidos para fins de verificação, modificando os parâmetros com base nos espécimes de ensaio disponíveis. O modelo de base foi então analisado com o ABAQUS (2020) e o IDEA StatiCa (Versão 20.1.3471.1) e os resultados foram comparados.

Estudo Experimental

Sete espécimes de ligação viga-pilar de aço em escala real foram ensaiados e os resultados foram apresentados em McMullin e Astaneh (1988). Cada espécime de ligação foi aparafusado à viga e soldado ao pilar com secções de cantoneira dupla. O principal objetivo destes ensaios é aplicar apenas força de corte na ligação com momento fletor muito reduzido. Para atingir este objetivo, o atuador próximo da ligação aplica a força de corte. O atuador próximo da extremidade da consola tem como objetivo manter a viga horizontal e limitar a rotação (flexão) da ligação. 

Diagrama da instrumentação utilizada durante o ensaio (McMullin e Astaneh, 1988)

Cálculos de Dimensionamento Normativo e Comparações

As capacidades resistentes de dimensionamento (\(\phi\)R_n) das ligações foram calculadas de acordo com os requisitos do AISC Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2016) e do AISC Steel Construction Manual (AISC Manual, 2017). A resistência nominal, R_n, e o fator de resistência correspondente, \(\phi\), para cada estado limite de dimensionamento da ligação para o dimensionamento por fatores de carga e resistência (LRFD) são fornecidos no Capítulo J do AISC 360. As seguintes 13 verificações normativas foram realizadas de acordo com as equações de dimensionamento LRFD incluídas no AISC 360 ou no AISC Manual.

• Verificação de Corte em Parafusos                                                       (Eq. J3-1, AISC 360-16)
• Verificação de Tração em Parafusos                                                     (Eq. J3-1, AISC 360-16)
• Esmagamento de Parafuso na Viga                                                (AISC 360-16, Eq. J3-6a)
• Rasgamento de Parafuso na Viga                                                (AISC 360-16, Eq. J3-6c)
• Esmagamento de Parafuso nas Cantoneiras                                    (AISC 360-16, Eq. J3-6a)
• Rasgamento de Parafuso nas Cantoneiras                                     (AISC 360-16, Eq. J3-6c)
• Rotura por Corte nas Cantoneiras (Lado da Viga)                      (AISC 360-16, Eq. J4-4)
• Rotura por Bloco de Corte nas Cantoneiras (Lado da Viga)              (AISC 360-16, Eq. J4-5)
• Cedência ao Corte nas Cantoneiras                                           (AISC 360-16, Eq. J4-3)
• Cedência ao Corte na Viga                                             (AISC 360-16, Eq. J4-3)
• Rotura de Soldaduras nas Cantoneiras (Lado do Apoio)                  (Página 9-5, AISC Manual)
• Capacidade de Soldadura                                                             (Página 10–11, AISC Manual)
• Capacidade de Soldadura (sem excentricidade)                                 (AISC 360-16, Eq. J4-2)

Análise com IDEA StatiCa

O IDEA StatiCa verifica quatro cenários de rotura diferentes para este tipo de ligação de aço: (1) rotura da chapa, (2) rotura do parafuso, (3) rotura da soldadura e (4) encurvadura. Os quatro espécimes de ensaio selecionados (Tabela 1.4) e os seis modelos adicionais (Tabela 1.6) foram modelados no IDEA StatiCa e analisados sob uma força de corte, conforme ilustrado na Figura 1.9. No software, a localização da força de corte pode ser selecionada arbitrariamente. Foram investigadas duas localizações da força de corte: (1) nos parafusos e (2) na face do pilar.

Comparação das capacidades ao corte: Quatro espécimes ensaiados

Comparação das capacidades ao corte: seis modelos adicionais 

Resumo e Comparação de Resultados

Foram calculadas duas capacidades de soldadura diferentes para cada espécime de ensaio de acordo com os requisitos de dimensionamento LRFD do AISC. Para os mesmos quatro espécimes de ensaio, foram calculadas duas capacidades de soldadura diferentes a partir dos modelos do IDEA StatiCa, aplicando a força de corte em diferentes localizações. Em todos os cenários de carregamento, verificou-se que o componente mais fraco das ligações era a soldadura. As resistências de controlo ou mínimas calculadas correspondentes às capacidades de soldadura são apresentadas e comparadas com a capacidade última ao corte da soldadura medida durante o ensaio.

As capacidades de soldadura dos espécimes de ensaio foram calculadas de duas formas diferentes, seguindo os requisitos normativos LRFD do AISC (AISC 360-16 e AISC Manual, 2017). Para o Ensaio N.º 4, se for seguida a Equação J2.4 do AISC 360-16, a capacidade resistente de dimensionamento da soldadura do espécime é calculada como 228,3 kips. Nesta solução, não é considerada qualquer excentricidade. Para comparar esta abordagem com a análise do IDEA StatiCa, a força de corte vertical foi aplicada na soldadura (paralela à linha de soldadura) e a capacidade de soldadura deste espécime foi calculada como 216,6 kips, valor muito próximo do calculado pela Equação J2.4 do AISC 360-16 (228,3 kips).

Quando a força de corte é aplicada nos parafusos (força vertical externa paralela à linha de parafusos) no modelo do IDEA StatiCa, a capacidade da ligação foi calculada como 130,2 kips. Se a capacidade de soldadura for calculada seguindo a equação de resistência de soldadura LRFD (Página 10-11 do AISC Construction Manual, 2017), que considera a excentricidade do carregamento no lado do apoio, a capacidade de soldadura do espécime é calculada como 186,8 kips. No entanto, de forma conservadora, esta equação LRFD do AISC não considera a excentricidade resultante do afastamento entre os parafusos e a soldadura. Acredita-se que este pressuposto é a razão para a diferença entre os resultados calculados pelo IDEA StatiCa e a equação de resistência LRFD do AISC Manual (2017).

Comparação dos Resultados do IDEA StatiCa e do ABAQUS

Em geral, verificou-se uma boa concordância entre os resultados dos dois pacotes de software. No caso 1, em que a carga foi aplicada no centróide do grupo de parafusos, observou-se maior deformação nas cantoneiras duplas no modelo ABAQUS. Além disso, a tensão máxima prevista na viga, no pilar e nas linhas de soldadura foi ligeiramente superior no modelo ABAQUS. Adicionalmente, observou-se uma distribuição de tensões ligeiramente diferente na viga no modelo ABAQUS. Embora a aplicação da carga no grupo de parafusos não seja comum em software de elementos finitos tradicional, tal discrepância pode estar associada a diferentes formulações de contacto ou tipos de elementos (ou seja, elemento sólido no ABAQUS versus elemento de casca no IDEA StatiCa). Além disso, devido à natureza da restrição de ligação rígida, foram obtidas tensões maiores no pilar no modelo ABAQUS. No caso 2, em que a carga foi aplicada nas linhas de soldadura, observou-se uma concordância muito melhor entre os dois modelos. Em ambos os modelos, verificou-se que o componente mais fraco das ligações eram as linhas de soldadura. Isto é também consistente com as verificações normativas de dimensionamento LRFD. 

Tensão de von Mises prevista entre os modelos do IDEA StatiCa e do ABAQUS; caso 1 (linha superior): carga de corte aplicada no centróide do grupo de parafusos, e caso 2 (linha inferior): carga de corte aplicada nas linhas de soldadura

2 LIGAÇÕES SEMI-RÍGIDAS

Neste capítulo, as capacidades resistentes de dimensionamento de dez espécimes de ligação semi-rígida foram calculadas de acordo com os requisitos do AISC 360 (2016) e do AISC Construction Manual (2017). Estes espécimes foram selecionados do estudo experimental realizado por Azizinamini et al. (1985) no Departamento de Engenharia Civil da Universidade da Carolina do Sul. Todos os espécimes foram analisados com o IDEA StatiCa, enquanto um deles foi analisado com o ABAQUS (2020). Os resultados foram então comparados.

Estudo Experimental sobre Ligações Semi-Rígidas

Várias ligações semi-rígidas compostas por cantoneiras duplas e banzos de viga superiores e inferiores foram sujeitas a carregamentos estáticos e cíclicos para investigar o seu comportamento momento-rotação. Um par de espécimes foi ensaiado simultaneamente, conforme ilustrado na Figura 2.1. Um lado das secções de viga foi aparafusado ao pilar e o outro lado foi apoiado em apoios do tipo rolete. O movimento vertical do troço curto de pilar foi permitido por guias de rolete fixadas na parte superior e inferior do pilar. O atuador hidráulico foi utilizado para aplicar a carga no pilar e a ligação transferiu a carga para as vigas.

Configuração de ensaio utilizada por Azizinamini et al. (1985)

Cálculos de Dimensionamento Normativo e Comparações

As capacidades resistentes de dimensionamento (\(\phi\)R_n) das ligações foram calculadas de acordo com os requisitos do AISC 360 (2016) e do AISC Manual (2017). A resistência nominal, R_n, e o fator de resistência correspondente, \(\phi\) para cada estado limite LRFD de dimensionamento da ligação são fornecidos no Capítulo J do AISC 360. Assume-se que as cantoneiras superiores e de assento proporcionam resistência ao momento, e que a cantoneira dupla de alma é utilizada para resistência ao corte na ligação, de forma conservadora.

Capacidade resistente de dimensionamento das cantoneiras duplas de alma

As seguintes 14 verificações normativas foram realizadas de acordo com as equações de dimensionamento LRFD incluídas no AISC 360 ou no AISC Manual para a capacidade resistente de dimensionamento das cantoneiras duplas de alma.

• Cantoneira (lado da viga)
  • Corte em parafusos                                                                 Eq. J3-1, AISC 360-16
  • Esmagamento e rasgamento de parafusos                                            Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Cedência ao corte                                                             Eq. J4-3, AISC 360-16
  • Rotura ao corte                                                              Eq. J4-4, AISC 360-16          
  • Rotura por bloco de corte                                                                 Eq. J4-5, AISC 360-16          
• Cantoneira (lado do pilar)
  • Corte em parafusos                                                                   Eq. J3-1, AISC 360-16            
  • Esmagamento e rasgamento de parafusos                                           Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Cedência ao corte                                                            Eq. J4-3, AISC 360-16          
  • Rotura ao corte                                                             Eq. J4-4, AISC 360-16          
  • Rotura por bloco de corte                                                                Eq. J4-5, AISC 360-16          
  • Capacidade de tração resultante devido à força de alavanca         Parte 9, AISC Manual
• Viga
  • Esmagamento e rasgamento de parafusos                                           Eq. J3-6, AISC 360-16
  • Cedência ao corte                                                            Eq. J4-3, AISC 360-16
• Pilar
  • Esmagamento e rasgamento de parafusos                                            Eq. J3-6, AISC 360-16

A capacidade resistente de dimensionamento das duas cantoneiras duplas de alma (nos espécimes 14S1 e 14S2) foi condicionada pela rotura por bloco de corte dos parafusos na cantoneira ligada à viga, enquanto o esmagamento e rasgamento dos parafusos na viga condicionou as capacidades resistentes ao corte dos outros oito espécimes.

Capacidade resistente de dimensionamento das cantoneiras superiores e de assento inferiores

As seguintes 16 verificações normativas foram realizadas de acordo com as equações LRFD incluídas no AISC 360 ou no AISC Manual para a capacidade resistente de dimensionamento das cantoneiras superiores e de assento.

• Cantoneira Superior e de Assento (Lado da Viga)
  • Cedência à tração                                                         Eq. J4-1, AISC 360-16
  • Rotura à tração                                                           Eq. J4-2, AISC 360-16
  • Compressão                                                               Sec. J4.4, AISC 360-16         
  • Corte em parafusos                                                                  Eq. J3-1, AISC 360-16          
  • Esmagamento e rasgamento de parafusos                                            Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Rotura por bloco de corte                                                     Eq. J4-5, AISC 360-16          
• Cantoneira Superior e de Assento (Lado do Pilar)
  • Cedência ao corte                                                             Eq. J4-3, AISC 360-16          
  • Rotura ao corte                                                              Eq. J4-4, AISC 360-16          
  • Capacidade de tração devido à força de alavanca                           Página 9-10, AISC Manual       
• Viga
  • Esmagamento e rasgamento de parafusos                                            Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Resistência à flexão                                                        Sec. F13.1, AISC 360-16
  • Rotura por bloco de corte                                                     Eq. J4-5, AISC 360-16          
• Pilar
  • Corte na alma do painel                                                         Eq. J10-9, AISC 360-16        
  • Flexão local do banzo                                                  Eq. J10-1, AISC 360-16        
  • Cedência local da alma                                                       Eq. J10-2, AISC 360-16        
  • Enrugamento local da alma                                                     Eq. J10-4, AISC 360-16        

As capacidades resistentes de dimensionamento de todas as cantoneiras superiores e de assento foram condicionadas pela capacidade de tração devido à força de alavanca nos parafusos da cantoneira ligada ao pilar. A capacidade resistente de dimensionamento de todas as cantoneiras superiores e de assento foi condicionada pela capacidade de tração devido à força de alavanca.

Análise com IDEA StatiCa

Os dez espécimes de ensaio foram modelados no IDEA StatiCa e analisados sob uma força de corte aplicada a uma determinada distância do pilar. A distância foi selecionada de forma a ser igual à existente entre o eixo do pilar e o apoio da viga. O apoio da viga é assumido a 120 pol. do eixo do pilar para os primeiros quatro espécimes, enquanto para os outros seis espécimes era de 72 pol. Todos os espécimes entram em rotura porque as cantoneiras superiores ligadas ao pilar excedem o limite de deformação plástica, definido como 5% pelo software. 

Os diagramas momento-rotação juntamente com as resistências determinadas pelo cálculo tradicional AISC (azul) e pelo IDEA StatiCa (laranja) são apresentados nas figuras seguintes.

Relação momento-rotação do Ensaio N.º: 14S1 (esquerda) e 14S2 (direita)

Relação momento-rotação do Ensaio N.º: 14S3 (esquerda) e 14S4 (direita)

Relação momento-rotação do Ensaio N.º: 8S1 (esquerda) e 8S2 (direita)

Relação momento-rotação do Ensaio N.º: 8S3 (esquerda) e 8S4 (direita)

Relação momento-rotação do Ensaio N.º: 8S5 (esquerda) e 8S6 (direita)

Análise com ABAQUS

Nesta secção, os resultados do IDEA StatiCa foram comparados com os do pacote de software ABAQUS (2020). Neste estudo, o espécime do Ensaio N.º 14S1 foi escolhido como modelo de base. Simulações numéricas com condições quase idênticas (ou seja, em termos de propriedades dos materiais, condições de fronteira e carregamento) foram realizadas utilizando tanto o IDEA StatiCa como o ABAQUS. O modelo foi inicialmente concebido no IDEA StatiCa e, em seguida, o conjunto (incluindo viga, pilar, cantoneiras de alma e cantoneiras superiores e de assento) foi importado para o ABAQUS utilizando a plataforma de visualização do IDEA StatiCa. Posteriormente, um modelo simplificado para o parafuso foi concebido e adicionado ao modelo ABAQUS.

Configuração do modelo de ligação semi-rígida no ABAQUS

No ABAQUS, o tipo de elemento utilizado foi C3D8R (tensão 3D, elemento hexaédrico linear de 8 nós, integração reduzida), tendo sido gerados um total de 562 377 elementos no modelo. 

Densidades de malha do modelo ABAQUS

As simulações numéricas foram realizadas em quatro processadores (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20 GHz) e cada simulação demorou aproximadamente 535 minutos a concluir. 

Comparação da tensão de von Mises prevista entre o IDEA StatiCa e o ABAQUS

Comparação em vista lateral entre o IDEA StatiCa e o ABAQUS com fator de escala de deformação de dez 

Em geral, verificou-se uma boa concordância entre os resultados dos dois pacotes de software. No entanto, foram capturadas maiores deformações nas cantoneiras de alma, banzos superiores e inferiores no modelo do IDEA StatiCa. Além disso, as distribuições de tensão nas cantoneiras de alma foram ligeiramente diferentes entre os dois modelos. Tal deve-se muito provavelmente ao facto de no modelo ABAQUS terem sido utilizados elementos sólidos com integração reduzida. Em ambos os modelos, verificou-se que o componente mais fraco do conjunto era o banzo superior em tração sob a força de corte aplicada para baixo, que introduz tração no banzo superior. 

3 LIGAÇÕES RÍGIDAS

Neste capítulo, as capacidades resistentes de dimensionamento de dez espécimes de ligação rígida foram calculadas de acordo com os requisitos do AISC 360 (2016) e do AISC Construction Manual (2017). O espécime de base foi selecionado do estudo experimental realizado por Sato et al. (2007) no Departamento de Engenharia Estrutural da Universidade da Califórnia, San Diego. O espécime de base e nove modelos de variação adicionais foram analisados com o IDEA StatiCa, enquanto o espécime de base foi também analisado com o ABAQUS (2020). 

Estudo Experimental sobre Ligações Rígidas

Três ligações de momento com chapa de banzo aparafusada (BFP) em escala real foram sujeitas a ensaios cíclicos na Universidade da Califórnia, San Diego. Todos os espécimes satisfizeram os requisitos das AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings para as ligações viga-pilar de pórticos de momento especial. A distância de travamento lateral para os espécimes foi determinada de acordo com esta disposição. Os deslocamentos verticais foram aplicados por um atuador hidráulico na extremidade da viga.

Cálculos de Dimensionamento Normativo e Comparações

As capacidades resistentes de dimensionamento (\(\phi\)R_n) de dez ligações rígidas foram calculadas de acordo com os requisitos do AISC Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360, 2016) e do AISC Steel Construction Manual (AISC Manual, 2017). A resistência nominal, R_n, e o fator de resistência correspondente, \(\phi\), para cada estado limite de dimensionamento da ligação para o dimensionamento por fatores de carga e resistência (LRFD) são fornecidos no Capítulo J do AISC 360.

Capacidade resistente de dimensionamento das chapas simples de alma

As seguintes oito verificações normativas foram realizadas de acordo com as equações de dimensionamento LRFD incluídas no AISC 360 ou no AISC Manual para as capacidades resistentes de dimensionamento da chapa simples de alma.

• Chapa de Alma
  • Corte em parafusos                                                                 Eq. J3-1, AISC 360-16
  • Esmagamento e rasgamento de parafusos                                           Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Cedência ao corte                                                            Eq. J4-3, AISC 360-16
  • Rotura ao corte                                                             Eq. J4-4, AISC 360-16          
  • Rotura por bloco de corte                                                                 Eq. J4-5, AISC 360-16
  • Corte na soldadura                                                                  Eq. 8-2, AISC Manual
• Viga
  • Corte em parafusos                                                                  Eq. J3-1, AISC 360-16
  • Esmagamento e rasgamento de parafusos                                            Eq. J3-6, AISC 360-16

Das capacidades resistentes de dimensionamento calculadas para os dez espécimes de ensaio, a capacidade resistente do modelo 2 foi condicionada pela rotura ao corte, enquanto o corte em parafusos conduziu à rotura nos outros oito espécimes.

Capacidade resistente de dimensionamento das chapas de banzo

As seguintes 13 verificações normativas foram realizadas de acordo com as equações de dimensionamento LRFD incluídas no AISC 360 ou no AISC Manual para as capacidades resistentes de dimensionamento das chapas de banzo.

• Chapa de Banzo
  • Corte em parafusos                                                                 Eq. J3-1, AISC 360-16
  • Esmagamento e rasgamento de parafusos                                             Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Cedência à tração                                                          Eq. J4-3, AISC 360-16          
  • Rotura à tração                                                            Eq. J4-4, AISC 360-16          
  • Rotura por bloco de corte                                                     Eq. J4-5, AISC 360-16          
  • Compressão                                                               Sec. J4-4, AISC 360-16         
• Viga
  • Esmagamento e rasgamento de parafusos                                     Eq. J3-6, AISC 360-16          
  • Flexão                                                                       Sec. F13.1, AISC 360-16
  • Rotura por bloco de corte                                                     Eq. J4-5, AISC 360-16          
• Pilar
  • Corte na alma do painel                                                          Eq. J10-9, AISC 360-16        
  • Flexão local do banzo                                                   Eq. J10-1, AISC 360-16        
  • Cedência local da alma                                                      Eq. J10-2, AISC 360-16        
  • Enrugamento local da alma                                                     Eq. J10-4, AISC 360-16        

Das capacidades resistentes de dimensionamento calculadas para os dez espécimes de ensaio, a capacidade resistente de sete espécimes foi condicionada pelo corte na zona do painel de alma, dois espécimes foram condicionados pelo corte em parafusos e um espécime foi condicionado pela rotura por bloco de corte. As capacidades ao momento dos espécimes foram calculadas multiplicando a capacidade resistente de dimensionamento condicionante pelo braço do momento, conforme indicado na Tabela 3.5. O braço do momento é igual à altura da viga para o corte em parafusos, enquanto é igual à soma da altura da viga e da espessura da chapa para as resistências ao corte na zona do painel de alma e à rotura por bloco de corte (BFP, modelos 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 8). 

Análise com IDEA StatiCa

Os dez espécimes de ligação de aço rígida foram modelados no IDEA StatiCa e analisados sob uma força de corte aplicada a 177,5 pol. do eixo do pilar, tal como no relatório de ensaio. A força de corte foi aumentada incrementalmente até as ligações atingirem as suas capacidades no IDEA StatiCa. 

Análise com ABAQUS

Nesta secção, os resultados do IDEA StatiCa foram comparados com o pacote de software ABAQUS (versão 2020). O ensaio BFP foi escolhido como modelo de base. Simulações numéricas com condições quase idênticas (ou seja, em termos de propriedades dos materiais, condições de fronteira e carregamento) foram realizadas utilizando tanto o IDEA StatiCa como o ABAQUS. O modelo foi inicialmente concebido no IDEA StatiCa e, em seguida, o conjunto (incluindo viga, pilar e chapas) foi importado para o ABAQUS utilizando a plataforma de visualização do IDEA StatiCa. Posteriormente, um modelo simplificado para o parafuso foi concebido e adicionado ao modelo ABAQUS.

Configuração do modelo no ABAQUS

No ABAQUS, o tipo de elemento utilizado foi C3D8R (tensão 3D, elemento hexaédrico linear de 8 nós, integração reduzida), tendo sido gerados um total de 681 016 elementos no modelo. As simulações numéricas foram realizadas em oito processadores (Intel Xenon (R) CPU E5-2698 v4 @ 2,20 GHz) e a simulação demorou aproximadamente 685 minutos. 

Verificou-se uma boa concordância entre os resultados dos dois pacotes de software. As distribuições de tensão na viga e no pilar foram muito próximas. No entanto, tensões ligeiramente superiores foram previstas no pilar, na chapa 1 e nos enrijecedores no modelo ABAQUS, o que se deve muito provavelmente à natureza da restrição de ligação rígida. As cargas previstas nos parafusos e nos grupos de soldadura foram também muito próximas entre os dois softwares. 

4 RESUMO E CONCLUSÕES

O IDEA StatiCa é um pacote de software de análise por elementos finitos (FEA) baseado em componentes para o dimensionamento de ligações de aço. Pode ser utilizado para a avaliação estrutural ou dimensionamento de uma variedade de ligações estruturais de aço soldadas e aparafusadas e placas de base. O principal objetivo deste relatório foi verificar os resultados de FEA obtidos pelo pacote de software IDEA StatiCa para três tipos de ligações de aço correntemente utilizadas nos Estados Unidos (ou seja, simples, semi-rígidas e rígidas) de acordo com os códigos de construção dos EUA. A resposta experimental medida estava disponível para os espécimes de ligação selecionados para fins de verificação neste estudo. Para cada tipo de ligação e dez variações do mesmo, foram primeiramente realizadas as verificações normativas e os cálculos de acordo com os requisitos do AISC 360, Specification for Structural Steel Building (2016), e do AISC Steel Construction Manual (2017). Os resultados foram então comparados com as previsões do IDEA StatiCa. Adicionalmente, os resultados do IDEA StatiCa foram comparados com o ABAQUS, que é outro código de FEA robusto disponível no mercado. As respostas medidas dos espécimes de ensaio foram também utilizadas para comparar e compreender melhor o comportamento global e o modo de rotura dos modelos de ligação.

Em geral, verificou-se uma boa concordância entre os resultados do IDEA StatiCa, as verificações normativas de acordo com os códigos dos EUA e os resultados do ABAQUS. Os resultados calculados diferem dos obtidos com o IDEA StatiCa possivelmente porque o AISC é um código de dimensionamento e pode ser conservador, enquanto o software tem como objetivo capturar o comportamento real, que se espera ser mais preciso.

Embora existam muitos pacotes de software de FEA no mercado capazes de prever a resposta estrutural global a diversas condições de carregamento, existe uma lacuna em ferramentas de FEA especializadas com foco no dimensionamento de ligações. Em comparação com outros pacotes de software de FEA disponíveis no mercado, o software IDEA StatiCa apresenta muitas vantagens. Para além da facilidade de utilização, a característica mais importante do IDEA StatiCa verificou-se ser o tempo de cálculo, no qual os resultados podem ser obtidos numa fração do tempo em comparação com os códigos de FEA convencionais, como o ABAQUS. Isto ajudará os engenheiros a avaliar e modificar o seu dimensionamento preliminar de ligações de forma mais rápida e eficiente, caso sejam necessárias alterações. Além disso, nos pacotes de software de FEA comuns, as cargas e capacidades dos componentes da ligação (ou seja, parafusos, soldaduras, chapas) devem ser extraídas do modelo durante a fase de pós-processamento, o que é uma tarefa morosa e trabalhosa. No entanto, no IDEA StatiCa, os resultados são calculados e reportados diretamente. Também no IDEA StatiCa, a carga pode ser aplicada diretamente em qualquer localização/componente da ligação, enquanto nos códigos de FEA típicos isto deve ser feito através da definição de um ponto de referência e do seu acoplamento com a ligação, o que constitui um passo adicional.

Foi encontrada, no entanto, uma discrepância menor nos contactos definidos entre as chapas e as faces do pilar/viga, embora tenha sido realizado o mesmo tipo de análise, ou seja, pequenas deformações. Tal pode dever-se às diferenças entre elementos sólidos e elementos de casca ou ao(s) algoritmo(s) de contacto utilizados nos dois softwares. Além disso, a forma como o código do IDEA StatiCa calcula e utiliza o tamanho ótimo do elemento não foi clara. Adicionalmente, devido ao limite de deformação plástica recomendado de 5% pelo Eurocódigo (EN1993-1-5 ap. C par. C8 nota 1), definido como valor predefinido no software IDEA StatiCa, foram observados diferentes modos de rotura. 

Devido às capacidades de modelação e análise de ligações rápidas e fáceis do IDEA StatiCa, a modelação não linear complexa e a análise dinâmica morosa de grandes estruturas de aço podem ser realizadas de forma relativamente rápida. As propriedades das ligações em estruturas de pórtico viga-pilar podem ser definidas com base nas análises e verificações normativas realizadas no IDEA StatiCa. O modelo de ligação pode então ser revisto e reanalisado, se necessário, após a conclusão da análise do pórtico utilizando um software de análise estrutural, por exemplo, SAP2000. As ligações podem ser tornadas mais fracas ou mais resistentes no IDEA StatiCa, dependendo do desempenho ótimo desejado do modelo de pórtico estrutural. Uma abordagem fácil e mais robusta para desenvolver a resposta momento-rotação das ligações no IDEA StatiCa será muito útil, uma vez que em programas como o SAP2000 a resposta momento-rotação das ligações precisa de ser definida como parte da modelação de estruturas de pórtico.

O software IDEA StatiCa é tão bom quanto a sua Interface Gráfica de Utilizador. Se a GUI não for bem executada, os utilizadores terão dificuldades em utilizar a aplicação ou o software. O IDEA StatiCa concebeu-a bem. Juntamente com uma boa GUI, a qualidade do software é também observada. Seguir um conjunto de convenções ou normas garante consistência e facilita a navegação dos utilizadores no software. Uma linguagem normalizada e consistente garante que os utilizadores compreenderão os termos quando os encontrarem. Os modelos são facilmente modificados, permitindo uma exploração rápida de variáveis e verificação.

O software é atualizado de forma consistente, incluindo tempos de carregamento mais rápidos e correções de erros para melhorar a experiência geral do utilizador.

Referências

[1] AISC (2016). "Specification for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 360-16, Chicago, Illinois.

[2] AISC (2017). "Steel Construction Manual," 15^th edição, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

[3] McMullin, K. M., & Astaneh-Asl, A. (1988). Analytical and experimental studies of double-angle framing connections. Structural Engineering, Mechanics, and Materials, Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley.

[4] ABAQUS 2020, Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, RI, USA.

[5] IDEA StatiCa s.r.o., Sumavska 519/35, Brno, 602 00 Czech Republic; https://www.ideastatica.com/support-center/general-theoretical-background

[6] Azizinamini, A., Bradburn, J. H., and Radziminski, J. B. (1985). Static and cyclic behavior of semi-rigid steel beam-column connections. University of South Carolina.

[7] Sato, A., Newell, J., and Uang, C. M. (2007). Cyclic testing of bolted flange plate steel moment connections for special moment frames. Final Repor to American Institute of Steel Construction.

A versão completa do relatório pode ser descarregada no link abaixo: 

Transferências Anexadas

• Final Report_OSU.pdf (PDF, 7,2 MB)