Ligação de momento na cumeeira de pórtico soldado

Descrição

Neste capítulo, o método dos elementos finitos baseado em componentes (CBFEM) para uma ligação de momento na cumeeira de pórtico soldado é verificado pelo método das componentes (MC). Uma viga de secção aberta é soldada a um pilar de secção aberta. O pilar é enrijecido com dois enrijecedores horizontais opostos aos banzos da viga. As placas comprimidas, por exemplo, os enrijecedores horizontais do pilar, o painel da alma do pilar ao corte e o banzo comprimido da viga, são limitadas à classe 3 para evitar a encurvadura. A viga de cobertura é carregada por força de corte e momento fletor.

Modelo analítico

Cinco componentes são examinados no estudo, nomeadamente o painel da alma ao corte, a alma do pilar em compressão transversal, a alma do pilar em tração transversal, o banzo do pilar em flexão e o banzo da viga em compressão. Todos os componentes são dimensionados de acordo com EN 1993-1-8:2005. As soldaduras de filete são dimensionadas para não serem o componente mais fraco da junta. O estudo de verificação de uma soldadura de filete numa junta viga-pilar enrijecida encontra-se no capítulo 4.4.

Painel da alma ao corte

A espessura da alma do pilar é limitada pela esbelteza para evitar problemas de estabilidade; ver EN 1993‑1‑8:2005, Cl 6.2.6.1(1). Um painel da alma do pilar ao corte de classe 4 é estudado no capítulo 6.2. Duas contribuições para a capacidade de carga são consideradas: a resistência do painel do pilar ao corte e a contribuição do mecanismo de pórtico dos banzos do pilar e dos enrijecedores horizontais; ver EN 1993‑1‑8:2005, Cl. 6.2.6.1 (6.7 e 6.8).

Alma do pilar em compressão transversal

O efeito da interação da carga de corte é considerado; ver EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2, Tab. 6.3. A influência da tensão longitudinal no painel do pilar é considerada; ver EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2(2). Os enrijecedores horizontais são incluídos na capacidade de carga desta componente.

Alma do pilar em tração transversal

O efeito da interação da carga de corte é considerado; ver EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2, Tab. 6.3. Os enrijecedores horizontais são incluídos na capacidade de carga desta componente.

Banzo do pilar em flexão

Os enrijecedores horizontais travam o banzo do pilar; esta componente não é considerada.

Banzo da viga em compressão

A viga horizontal é dimensionada para ser de secção transversal de classe 3 ou superior para evitar a encurvadura.

A visão geral dos exemplos considerados e o material são apresentados na Tab. 9.1.1. A geometria da junta com dimensões é mostrada na Fig. 9.1.1. Os parâmetros considerados no estudo são a secção transversal da viga, a secção transversal do pilar e a espessura do painel da alma do pilar.

Tab. 9.1.1 Visão geral dos exemplos

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Geometria e dimensões da junta}}}\]

Modelo numérico

O estado do material elasto-plástico não linear é investigado em cada camada de um ponto de integração. A avaliação é baseada na deformação máxima definida de acordo com EN 1993-1-5:2006 pelo valor de 5%. 

Comportamento global

É apresentada a comparação do comportamento global de uma ligação de momento de pórtico, descrita pelo diagrama momento-rotação. As principais características do diagrama momento-rotação são a rigidez inicial, a resistência elástica e a resistência de cálculo. Uma viga de secção aberta IPE 330 é soldada a um pilar HEB 260 no exemplo. Uma ligação de momento de pórtico com enrijecedores horizontais no pilar é considerada de acordo com o método das componentes como uma junta rígida com S_j,ini = ∞. Por isso, é analisada uma junta sem enrijecedores horizontais no pilar. O diagrama momento-rotação é mostrado na Fig. 9.1.2, e os resultados são resumidos na Tab. 9.1.2. Os resultados mostram uma muito boa concordância na rigidez inicial e no comportamento global da junta.

Tab. 9.1.2 Rigidez rotacional de uma ligação de momento de pórtico em CBFEM e MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Diagrama momento-rotação para uma junta sem enrijecedores do pilar}}}\]

Verificação da resistência

Os resultados calculados pelo CBFEM são comparados com o MC. A comparação é focada na resistência de cálculo e na componente crítica. O estudo é realizado para três parâmetros diferentes: secção transversal da viga, secção transversal do pilar e espessura do painel da alma do pilar.

Um pilar de secção aberta HEB 260 é utilizado num exemplo em que o parâmetro é a secção transversal da viga. O pilar é enrijecido com dois enrijecedores horizontais do pilar com espessura de 10 mm opostos aos banzos da viga. A largura dos enrijecedores corresponde à largura do banzo da viga. As secções IPE da viga são selecionadas de IPE 140 a IPE 500. Os resultados são mostrados na Tab. 9.1.3. A influência da secção transversal da viga na resistência de cálculo de uma ligação de momento de pórtico soldado é mostrada na Fig. 9.1.4. As componentes críticas no CBFEM foram os banzos da viga, o banzo do pilar e a alma do pilar. A Fig. 9.1.3 mostra o modelo de um dos exemplos com a descrição dos banzos. 

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Modelo com descrição dos banzos}}}\]

Tab. 9.1.3 Resistências de cálculo e componentes críticas em CBFEM e MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Estudo de sensibilidade da dimensão da viga numa ligação de momento de pórtico}}}\]

Uma viga de secção aberta IPE330 é utilizada num exemplo em que o parâmetro é a secção transversal do pilar. O pilar é enrijecido com dois enrijecedores horizontais do pilar com espessura de 10 mm opostos aos banzos da viga. A largura dos enrijecedores corresponde à largura do banzo da viga. A largura combinada dos enrijecedores é de 160 mm. As secções do pilar são selecionadas de HEB 160 a HEB 500. Os resultados são mostrados na Tab. 9.1.4. A influência da secção transversal do pilar na resistência de cálculo de uma ligação de momento de pórtico soldado é mostrada na Fig. 9.1.5.

Tab. 9.1.4 Resistências de cálculo e componentes críticas de uma ligação de momento em CBFEM e MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Estudo de sensibilidade da dimensão do pilar numa ligação de momento de pórtico}}}\]

O terceiro exemplo apresenta uma ligação de momento de pórtico constituída por uma viga de secção aberta IPE 330 e um pilar HEA 320. O parâmetro é a espessura da alma do pilar. O pilar é enrijecido com dois enrijecedores horizontais do pilar com espessura de 10 mm e largura de 160 mm. A espessura da alma do pilar é escolhida de 4 a 16 mm. Os resultados são resumidos na Tab. 9.1.5. A influência da espessura da alma do pilar na resistência de cálculo de uma ligação de momento de pórtico soldado é mostrada na Fig. 9.1.6.

Tab. 9.1.5 Resistências de cálculo e componentes críticas de uma ligação de momento em CBFEM e MC

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Estudo de sensibilidade da espessura da alma do pilar}}}\]

Para ilustrar a precisão do modelo CBFEM, os resultados dos estudos paramétricos são resumidos num diagrama que compara as resistências do CBFEM e do método das componentes; ver Fig. 9.1.7. Os resultados mostram que a diferença entre os dois métodos de cálculo é inferior a 5%, o que é um valor geralmente aceitável. O estudo com o parâmetro espessura da alma do pilar fornece uma resistência superior para o modelo CBFEM em comparação com o método das componentes. Esta diferença é causada pela consideração de secções transversais soldadas. A transferência da carga de corte é considerada no método das componentes apenas na alma, sendo a contribuição dos banzos negligenciada.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verificação do CBFEM face ao MC}}}\]

Exemplo de referência

Dados de entrada

Pilar

• Aço S235
• HEB260

Viga

• Aço S235
• IPE330

Enrijecedores do pilar

• Espessura t_s = 19 mm
• Largura 80 mm
• Opostos aos banzos da viga

Soldadura

• Banzo da viga: espessura de garganta da soldadura de filete a_f  = 8 mm
• Alma da viga: espessura de garganta da soldadura de filete a_w  = 8 mm
• Soldadura de topo em torno dos enrijecedores

Resultados

• Resistência de cálculo à flexão M_Rd = 146 kNm
• Componente crítica: Banzo 1 da viga

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Exemplo de referência}}}\]