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ESTRUTURAS METÁLICAS EM PERFIS LAMINADOS E SOLDADOS - DIMENSIONAMENTO Professora: Robertta Dantas Rezende E-mail: robertta.rezende@hotmail.com Notas de aula fornecidas pela Mestre em Ciências Tauana de Oliveira Batista 7.1.1 Flexão de vigas Quando uma barra horizontal, apoiada em seus extremos, é solicitada por cargas transversais ao seu eixo, ocorre uma deformação na mesma, onde suas seções transversais giram em torno do seu eixo horizontal, tendendo a escorregar umas em relação às outras. O giro das seções é provocado por um binário de forças internas, chamado momento fletor. A tendência de escorregamento entre as seções é provocada por uma força vertical interna, denominada força cortante. Portanto, o eixo da viga, antes horizontal reto, deforma-se verticalmente. Aos deslocamentos verticais do eixo de uma viga dá-se o nome de flecha. 7.1 Introdução 7.1.2 Vigas de aço Na maioria das aplicações, as vigas de aço são perfis I fletidos em torno do eixo de maior inércia (perpendicular à alma). Uma viga de aço pode ser conectada a um pilar ou a outras vigas por meio de uma ligação rotulada ou engastada. Nas ligações rotuladas, as mesas do perfil são soltas, somente a alma fica conectada, o que permite a rotação relativa entre os elementos conectados, havendo então transferência somente de esforço cortante. Exemplos de ligações flexíveis. Adaptada de Martins (2011) 7.1 Introdução 7.1.2 Vigas de aço Nas ligações engastadas, tanto as mesas quanto a alma são conectadas, o que praticamente não permite rotação relativa entre os elementos conectados, havendo então transferência de momento fletor e esforço cortante. 7.1 Introdução Plastificação da seção (rótula plástica) Passarela em Carolina do Norte (EUA) 2000 Estados limites últimos relacionados ao momento fletor: ✓ Plastificação total da seção transversal; ✓ Flambagem global da viga (chamada de Flambagem lateral por torção); Flambagem lateral por torção 7.2 Estados limites para vigas ✓ Flambagem local de um ou mais componentes comprimidos da seção transversal. Estados limites últimos relacionados ao momento fletor: ✓ Plastificação total da seção transversal; ✓ Flambagem global da viga (chamada de Flambagem lateral por torção); ✓ Flambagem local de um ou mais componentes comprimidos da seção transversal. Flambagem Local da Mesa (FLM) Flambagem Local da Alma (FLA) 7.2 Estados limites para vigas 7.2 Estados limites para vigas Estados limites últimos relacionados ao momento fletor: ✓ Plastificação total da seção transversal; ✓ Flambagem global da viga (chamada de Flambagem lateral por torção); ✓ Flambagem local de um ou mais componentes comprimidos da seção transversal. Estados limites últimos relacionados ao esforço cortante: ✓ Escoamento; ✓ Flambagem dos elementos resistentes a esse esforço. Estados limites de serviço: ✓ Flecha excessiva; ✓ Vibração. Seja a viga bi-rotulada de vão L, com seção transversal duplamente simétrica I, submetida a um carregamento qualquer e fletida em relação ao eixo central de inércia x. Interessa-nos examinar em detalhes o comportamento da seção de momento máximo (seção C), na medida que se aumenta progressivamente o carregamento. Para isso, será adotado o diagrama tensão-deformação teórico, formado por um trecho elástico e outro plástico, na tração e na compressão. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) Analisando o comportamento da viga na seção de momento máximo, na medida que o carregamento vai aumentando, tem-se: (a) O carregamento ainda é relativamente pequeno, a viga encontra-se em regime elástico, com a tensão variando linearmente na altura da seção transversal. As tensões são menores que fy. O eixo de tensão nula, em regime elástico, passa pelo centro geométrico da seção transversal e é chamado de Linha Neutra Elástica, LNE. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) O momento fletor nessa fase é elástico (Me), portanto, as tensões de compressão e tração são dadas: 𝜎𝑐 = 𝑀𝑒 𝑊𝑐 𝜎𝑡 = 𝑀𝑒 𝑊𝑡 Módulo de resistência elástico relacionado a fibra comprimida: 𝑊𝑐 = 𝐼𝑥 𝑦𝑐 Módulo de resistência elástico relacionado a fibra tracionada: 𝑊𝑡 = 𝐼𝑥 𝑦𝑡 (b) Aumento o carregamento, a máxima tensão nas fibras extremas atinge o valor da resistência ao escoamento do aço. O momento fletor nessa condição é chamado de momento fletor correspondente ao início do escoamento, Mr, e é dado por: Mr = W fy onde W é o módulo resistente elástico. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) (c) Continuando a aumentar o carregamento, o escoamento se espalha das fibras extremas para o interior da seção transversal. As partes mais externas da seção encontram-se plastificadas, submetidas à tensão constante fy, e a parte interna encontra-se ainda elástica, com diagrama linear. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) (d) Elevando ainda mais o carregamento, toda a seção transversal de momento máximo se plastifica. A parte da seção acima do eixo de tensão nula fica submetida a tensão constante de compressão igual à tensão de escoamento, e a parte situada abaixo deste eixo à tensão constante de tração, também igual à tensão de escoamento. As deformações crescem sem qualquer aumento do momento fletor. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) Com a parte acima do eixo de tensão nula plastificada por compressão e a parte abaixo do eixo plastificada por tração, a seção torna-se uma rótula, uma vez que as deformações aumentam indefinidamente. Essa rótula recebe o nome de rótula plástica, e o momento fletor que provoca a sua formação é chamado de momento de plastificação, representado por Mpl. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) A figura abaixo mostra a sequência da formação de uma rótula plástica na seção central de uma viga bi-apoiada, submetida a uma força transversal localizada nesta mesma seção. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) A rigor, pelo fato das vigas reais possuírem tensões residuais, o comportamento somente permanece completamente elástico até que a máxima tensão atinja um valor igual à resistência ao escoamento subtraída da máxima tensão residual sr. Logo, o momento fletor de início de escoamento, representado por Mr, é igual a: Mr = W (fy - sr) A formação da rótula plástica em uma viga bi-apoiada provoca o seu colapso, pois a viga isostática torna-se hipostática. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) A figura abaixo mostra a distribuição de tensões em uma seção transversal I duplamente simétrica totalmente plastificada. O equilíbrio horizontal da seção faz com que: C = T onde C é a força de compressão da parte situada acima do eixo de tensão nula e T é a força de tração da parte situada abaixo do referido eixo. Esta equação pode ser reescrita como: Ac fy = At fy onde Ac e At são as áreas da seção acima e abaixo, respectivamente, do eixo de tensão nula. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) Conclui-se então que: Ac = At O eixo de tensão nula divide a seção transversal em duas partes de áreas iguais, quando a seção encontra-se totalmente plastificada. Em regime elástico, o eixo de tensão nula é chamado de linha neutra elástica (LNE) e, na seção totalmente plastificada, linha neutra plástica (LNP). No caso do eixo de flexão ser um eixo de simetria, a LNE coincide com a LNP. O momento de plastificação é o momento devido a atuação das forças C e T. Mpl = C y onde y é o braço de alavanca. Pode-se escrever também que: Mpl = Ac fy y1 + At fy y2 = (Ac y1 + At y2 ) fy onde y1 e y2 são respectivamente as distâncias de C e T à LNP. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) Mpl = Ac fy y1 + At fy y2 = (Ac y1 + At y2 ) fy Nota-se que o momento de plastificação é sempre igual à resistência ao escoamento do aço multiplicada por uma expressão que depende apenas da geometria da seção transversal. Essa expressão é chamada de módulo resistente plástico, Z. Portanto: Mpl = Z fy onde Z = Ac y1 +At y2. A relação entre o módulo plástico Z e o módulo elástico W recebe o nome de fator de forma b. Então: b = Z/W Esse fator indica o acréscimo de momento fletor que a barra pode suportar do início do escoamento, sem levar em conta as tensões residuais, até a plastificação total da seção transversal. 7.3 Plastificação da seção (rótula plástica) 7.4 Flambagem Lateral com Torção Tipo de estado limite que pode ocorrer em vigas, em decorrência do momento fletor, que se manifesta na flambagem da viga como um todo Seja, por exemplo, uma viga de perfil I, na qual a parte da seção situada acima do eixo x está submetida a tensão normal de compressão e a parte situada abaixo do eixo x, a tensão de tração. A mesa comprimida tende a flambar, entretanto, como está ligada à alma, esta exerce um efeito estabilizador fazendo com que a flambagem seja caracterizada por um deslocamento lateral acrescida de uma torção na viga. 7.4.1 Contenção lateral Quando uma seção é impedida, por travamentos externos, de sofrer flambagem lateral com torção, recebe o nome de seção contida lateralmente.Como a flambagem é constituída por dois deslocamentos, translação lateral e torção, o impedimento da ocorrência de apenas um deles é suficiente para tornar a seção contida. Muitas vezes é difícil caracterizar se um travamento externo é adequado para tornar uma seção contida lateralmente. Admite-se então, que se a mesa comprimida do perfil tiver a translação lateral impedida, a seção onde esse impedimento ocorre fica contida lateralmente. Tipos de contenção lateral 7.4 Flambagem Lateral com Torção 7.4.1 Contenção lateral Cuidado! A simples interceptação de uma viga por outra, pode não fornecer contenção lateral. Na figura abaixo à esquerda, a viga AB pode se movimentar lateralmente, uma vez que as vigas que a interceptam na sua seção central não estão fixadas em nenhuma posição. Para tornar a viga AB contida na seção central é necessário fixar as vigas que a interceptam em um sistema de contraventamento, figura abaixo à direita. 7.4 Flambagem Lateral com Torção 7.4.1 Contenção lateral O comprimento situado entre duas seções contidas lateralmente é chamado de comprimento destravado, e tem como símbolo Lb. Se a contenção é contínua, o comprimento destravado é nulo. A contenção contínua ocorre quando um diafragma rígido (laje de concreto armado ou elemento em aço de grande inércia, como as fôrmas de aço incorporada) é fixado mecanicamente na mesa comprimida da viga. Quanto maior o comprimento destravado Lb, menor o momento fletor resistente à flambagem lateral com torção 7.4 Flambagem Lateral com Torção 7.5 Momento fletor resistente nominal Para uma viga em perfil I duplamente simétrico, fletido em relação ao eixo perpendicular à alma, pode-se demonstrar que o valor do momento fletor resistente nominal à Flambagem Lateral por Torção (FLT), chamado de momento crítico elástico e representado por Mcr, em um determinado comprimento destravado Lb, é dado por: Onde Iy é a inércia em relação ao eixo y, J é a constante de torção, Cw é a constante de empenamento. - Quanto maior Iy, mais difícil é a ocorrência de translação lateral (um dos deslocamentos que compõem a FLT); - Quanto maior J (constante de torção) e Cw, (constante de empenamento) mais difícil é a ocorrência da torção (outro deslocamento que compõe a flambagem); - Quanto menor Lb, maior é o Mcr (o que é óbvio). Para relembrar... 7.5 Momento fletor resistente nominal Para uma viga em perfil I duplamente simétrico, fletido em relação ao eixo perpendicular à alma, pode-se demonstrar que o valor do momento fletor resistente nominal à Flambagem Lateral por Torção (FLT), chamado de momento crítico elástico e representado por Mcr, em um determinado comprimento destravado Lb, é dado por: Para uma viga em perfil I duplamente simétrico, fletido em relação ao eixo perpendicular à alma, pode-se demonstrar que o valor do momento fletor resistente nominal à FLT, chamado de momento crítico elástico e representado por Mcr, em um determinado comprimento destravado Lb, é dado por: Cb é um coeficiente que leva em consideração diagramas de momento não uniformes. O valor de Cb é: 𝐶𝑏 = 12,5𝑀𝑚𝑎𝑥 2,5𝑀𝑚𝑎𝑥 + 3𝑀𝐴 + 4𝑀𝐵 + 3𝑀𝐶 ≤ 3,0 Momento máximo, em módulo, no comprimento destravado USADO NA VERIFICAÇÃO DA FLT Momento, em módulo, situado a ¼ do comprimento destravado Momento, em módulo, situado na seção central do comprimento destravado Momento, em módulo, situado a ¾ do comprimento destravado 7.5 Momento fletor resistente nominal Para uma viga em perfil I duplamente simétrico, fletido em relação ao eixo perpendicular à alma, pode-se demonstrar que o valor do momento fletor resistente nominal à FLT, chamado de momento crítico elástico e representado por Mcr, em um determinado comprimento destravado Lb, é dado por: Alguns casos práticos do valor de Cb: Vigas com carga distribuída Vigas com carga concentrada no meio do vão Em vigas em balanço, Cb pode ser adotado conservadoramente, igual a 1,0. 7.5 Momento fletor resistente nominal A FLT somente ocorre em regime elástico se Mcr for inferior ao momento correspondente ao início do escoamento, ou seja: < Mr = W (fy – sr) Igualando os dois termos dessa equação, pode-se obter o valor de Lb acima do qual a flambagem ocorre em regime elástico. Chamando esse valor de Lr e dividindo-o pelo raio de giração em relação ao eixo y, ry, obtém-se uma expressão para lr que é igual a Lr, / ry A FLT ocorrerá em regime elástico se a esbeltez da viga l (Lb/ry) for superior a lr (esbeltez correspondente ao início do escoamento) 7.5 Momento fletor resistente nominal É possível demonstrar que não ocorre FLT, com o colapso se dando por plastificação total da seção (formação de rótula plástica) se o parâmetro de esbeltez da viga l for bastante reduzido, ou seja, se esse parâmetro for inferior ou igual a lp, denominado parâmetro de esbeltez correspondente à plastificação. 𝜆 ≤ 𝜆𝑝 = 1,76 𝐸 𝑓𝑦 Neste caso, MRk = Mpl. Para o intervalo de lp < l < lr, a flambagem ocorrerá em regime inelástico, e o valor do momento fletor resistente nominal é dado simplificadamente por uma reta de transição. 7.5 Momento fletor resistente nominal FLT em regime inelástico para 𝜆 = 𝐿𝑏/𝑟𝑦 intermediário (𝜆𝑝 < 𝜆 ≤ 𝜆𝑟) FLT em regime elástico para 𝜆 = 𝐿𝑏/𝑟𝑦 elevado (𝜆 > 𝜆𝑟) FLT não ocorre para 𝜆 = 𝐿𝑏/𝑟𝑦 reduzido (𝜆 ≤ 𝜆𝑝). O colapso se dá por rótula plástica (Mpl) (momento correspondente à rótula plástica) (momento correspondente ao final do regime elástico 7.5 Momento fletor resistente nominal Adotar sr = 0,3 fy Em perfis compactos, não há possibilidade de flambagem local. Portanto, os seguintes estados limites últimos relativos ao momento fletor, foram apresentados: plastificação total da seção transversal e flambagem lateral com torção. 7.5.1 Momento fletor resistente de projeto 7.5 Momento fletor resistente nominal 7.6 Estados limites para vigas Estados limites últimos relacionados ao esforço cortante: ✓ Escoamento; ✓ Flambagem dos elementos resistentes a esse esforço. Flambagem lateral por esforço cortante EXERCÍCIO Um Perfil VS 400x49 foi selecionado para uma viga contínua de quatro vãos, de 8 m, conforme ilustra a figura. A viga é de Aço MR250 e só possui contenção lateral nos apoios. Calcular a carga máxima P a ser aplicada nos vãos da viga, utilizando o critério de projeto da NBR 8800. Admite-se que o carregamento seja aplicado pela alma ou pela mesa inferior. Tabela de consulta Roteiro a) Cálculo da constante de empenamento Cw b) Quanto à Flambagem local, este perfil é classificado como seção compacta, portanto deve-se verificar a classificação quanto à flambagem lateral -λp -λr c)Momento resistente de projeto Mrd=Mcr/(γa1=1,3) c.1) Momento crítico elástico - Cb d) Definindo a carga P máxima: - Mmáx=0,170PL=0,170.800.P=136P kNcm - Md = Mmáx.1,3 - Md=Mcr – encontrarP Exercício – parte 2 Para o mesmo perfil, admitir que as cargas P sejam aplicadas por vigas transversais apoiadas nos centros dos vãos, calcular o momento fletor resistente na região do momento máximo solicitante. Admite-se a existência de contraventamento no plano das vigas de modo a fornecer contenção lateral. (Ou seja, agora Lb = 400cm) Roteiro a) Lb=400cm b) Cálculo de Cb, levando em consideração somente o trecho de 1-B a) Quanto à Flambagem local, este perfil é classificado como seção compacta, portanto deve-se verificar a classificação quanto à flambagem lateral -Lb – 400cm -Lr – Já sabemos = 622,7cm, então Lr>Lb, por isso é necessário encontrar Lp, para definir se a viga é curta ou intermediária -Lp ? d) Cálculo do Momento resistente -Mr -Mp -Mn 7.7 Colapso sob força cortante Seja a viga bi-rotulada em perfil mostrado abaixo, com uma força concentrada atuando na seção central e o correspondente diagrama de esforço cortante. A alma é o elemento mais solicitado pelo esforço cortante, pois fica submetida a tensões de cisalhamento maiores que às das mesas. As tensões de cisalhamento na alma provocam tensões de compressão e tração nas direções principais desse elemento. . A compressão em uma das direções principais pode causar ondulações na alma ao longo de cada metade do vão da viga, caracterizando o estado limite último chamado de Flambagem por Cisalhamento. A Figura abaixo mostra um ensaio em que o colapso ocorreu devido à Flambagem por Cisalhamento em um perfil de aço formado a frio, com seção transversal em U e mesas tubulares. Extraído de: Keerthan & Mahendran (2010), http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2010.06.012 7.7 Colapso sob força cortante A colocação de enrijecedores transversais (espaçados de a) aumenta a capacidade resistente da alma à flambagem por cisalhamento, uma vez que a mesma fica subdivida em painéis de menores comprimentos e, portanto, mais rígidos. Os enrijecedores transversais são constituídos por chapas dispostas dos dois lados da alma e devem ser soldados à alma e às mesas do perfil. ] Opcionalmente podem ser interrompidos do lado da mesa tracionada, a uma distância de aproximadamente 4 vezes a espessura da alma. 7.7 Colapso sob força cortante Se a alma com ou sem enrijecedores possuir resistência suficiente para não flambar, essa alma atinge a força cortante de plastificação e o colapso se dá por deformação excessiva. Na realidade, o deslizamento teórico não ocorre pois, após o escoamento da alma, as mesas passam a trabalhar como dois elementos isolados, fornecendo ao perfil uma capacidade resistente adicional. Extraído de: Coelho et. al. (2009), http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2009.02.023 Teórico Real 7.7 Colapso sob força cortante 7.7.1 Força cortante resistente de projeto Para o cálculo da força cortante resistente de projeto, é necessário inicialmente calcular os seguintes parâmetros de esbeltez: Considera as condições de contorno da placa Distância entre enrijecedores intermediários 7.7 Colapso sob força cortante 7.7.1 Força cortante resistente de projeto A força cortante resistente será dada por: Aw é a área efetiva de cisalhamento, igual ao produto da altura total da seção pela espessura da alma: Aw = hw tw Para vigas sem enrijecedores: 69,6 – MR250 e 58,8 - AR350 Para vigas sem enrijecedores: 86,6 – MR250 e 58,8 - AR350 7.7 Colapso sob força cortante 7.7.2 Enrugamento da alma Em trechos não enrijecidos de almas de vigas, sujeitas a cargas concentradas produzindo compressão transversal, a resistência ao enrugamento da alma com flambagem localizada é dada, de acordo com a Norma Brasileira por: 𝑅𝑑 𝑟𝑒𝑠 = 0,825 𝛾𝑎1 ∙ 𝑅𝑛 𝑅𝑛 = 𝐾𝑡0² 1 + 3 𝑎′ ℎ 𝑡0 𝑡𝑓 1,5 𝐸𝑓𝑦 𝑡𝑓 𝑡0 𝐾 =0,8 para cargas intermediárias quando aplicadas a uma distância da extremidade da viga maior que h/2 𝐾 =0,4 para cargas de extremidade, quando aplicadas a uma distância menor que h/2 do extremo da viga Para cargas de extremidade a equação de Rn é válida somente para a’/h ≤ 0,2. Contrário, utiliza-se a expressão: 𝑅𝑛 = 0,4040𝑡0² 1 + 4 𝑎′ ℎ − 0,2 𝑡0 𝑡𝑓 1,5 𝐸𝑓𝑦 𝑡𝑓 𝑡0 7.7 Colapso sob força cortante 7.7.3 Escoamento local da alma Nos pontos de aplicação de cargas concentradas, em seções sem enrijecedores, verifica-se a compressão ou tração transversal da alma, que pode provocar o escoamento da mesma. De acordo com a NBR 8800, a resistência é dada por: 𝑅𝑑 𝑟𝑒𝑠 = 1,10 𝛾𝑎1 ∙ 𝑅𝑛 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑙 > ℎ 𝑅𝑛 = (5𝑐 + 𝑎 ′)𝑓𝑦𝑡0 𝑎′ = 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑜𝑖𝑜 𝑑𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 c = espessura da mesa carregada mais o lado do filete em perfis soldados e a espessura da mesa mais o raio de concordância com a alma, no caso de perfis laminados. 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑒𝑚𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑙 < ℎ 𝑅𝑛 = (2,5𝑐 + 𝑎 ′)𝑓𝑦𝑡0 Se a resistência necessária exceder Rd,res deve-se prover um par de enrijecedores transversais no ponto de aplicação da carga. Esses enrijecedores devem se estender, pelo menos até a metade da altura da alma e ter ajuste para contato perfeito com a mesa carregada ou a ela devem ser soldados. 7.7 Colapso sob força cortante Resistência a escoamento local da alma sem enrijecedores de apoio 7.7 Colapso sob força cortante 7.7.3 Escoamento local da alma As flechas máximas devem ser limitadas para evitar danos nos elementos que as vigas suportam, aspecto desagradável, empoçamento, vibrações excessivas Dmax ≤ d No dimensionamento de barras fletidas deve ser atendido o critério de RIGIDEZ relativo ao estado limite de serviço de deslocamento excessivo. Para isso: 7.7 Colapso sob força cortante 7.8.1 Flechas máximas admitidas pela NBR 8800 7.8 Estado limite de serviço de flecha excessiva 7.8.2 Contra-flecha Quando o perfil de uma viga somente não atende o estado limite de flecha excessiva, pode-se aplicar uma pequena contra-curvatura (contra-flecha), para compensar as deformações permanentes, propiciando uma importante redução de massa linear e consequentemente economia de material. 7.8 Estado limite de serviço de flecha excessiva Exercício Dado um perfil W530x92,0, determinar qual a carga distribuída máxima que o perfil suporta para um vão livre de 5,0m. Supor a viga apoiada lateralmente, portanto, sem efeito de flambagem lateral. Material: Aço MR250. Tabela de consulta Roteiro a) Cárga máxima de projeto: a.1) classificação da seção a.2) Momento resistente de projeto – Md=Zx.fy/1,1 a.3) Carga máxima de projeto – qd=8Md/L² b) Resistência ao esforço cortante: b.1) Esforço cortante solicitante no apoio – Vd=qd.L/2 b.2) Esforço cortante resistente – verificar a alma! FIM!