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Centro de SuporteExemplos de verificaçãoLigação de placa de extremidade em eixo fraco
Ligação de placa de extremidade em eixo fraco
SteelConnection designVerificationsEN (Eurocode)CBFEM

Ligação de placa de extremidade em eixo fraco

Este artigo também está disponível em
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
Traduzido por IA do inglês

Este é um capítulo selecionado do livro Component-based finite element design of steel connections de prof. Wald et al. O capítulo é dedicado à verificação da placa de extremidade.

Descrição

O modelo CBFEM (Método dos Elementos Finitos baseado em componentes) da ligação viga-coluna é verificado pelo Método das Componentes (MC). A placa de extremidade estendida com três filas de parafusos é ligada à alma da coluna e carregada por momento fletor; ver Fig. 5.3.1.

Fig. 5.3.1 Joint geometry - all dimensions in mm\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.1 Joint geometry - all dimensions in mm}}}Fig. 5.3.1 Joint geometry - all dimensions in mm

Modelo analítico

As três componentes que governam o comportamento são a placa de extremidade à flexão, o banzo da viga à tração e à compressão, e a alma da coluna à flexão. A placa de extremidade e o banzo da viga à tração e à compressão são dimensionados de acordo com EN 1993-1-8:2005. O comportamento da alma da coluna à flexão é previsto de acordo com (Steenhuis et al. 1998). Os resultados de ensaios experimentais de ligações viga-coluna em eixo fraco, por exemplo (Lima et al. 2009), mostram uma boa previsão deste tipo de ligação carregada no plano da viga ligada.

Fig. 5.3.2 Definition of the tension zone\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.2 Definition of the tension zone}}}Fig. 5.3.2 Definition of the tension zone

Flocal.Rd=min⁡(Fpunch.Rd;Fcomb.Rd)F_\mathrm{{local.Rd }}=\min \left(F_\mathrm{{punch.Rd }} ; F_\mathrm{{comb.Rd }}\right)Flocal.Rd​=min(Fpunch.Rd​;Fcomb.Rd​)

Fpunch.Rd =n⋅π⋅dm ⋅twc⋅fy/(3⋅γM0)bolted end plate F_\mathrm{ {punch.Rd }}  = n \cdot \pi\cdot d_\mathrm{m}  \cdot t_\mathrm{w c} \cdot f_\mathrm{y} /\left(\sqrt{3} \cdot \gamma_\mathrm{M 0}\right) \quad \text{bolted end plate }Fpunch.Rd​ =n⋅π⋅dm​ ⋅twc​⋅fy​/(3​⋅γM0​)bolted end plate  

b=b0+0.9⋅dmb = b_0 + 0.9 \cdot d_\mathrm{m}b=b0​+0.9⋅dm​

c=c0+0.9⋅dmc = c_0 + 0.9 \cdot d_\mathrm{m}c=c0​+0.9⋅dm​

a=L−ba = L - ba=L−b

k=1 if (b+c)/L>0.5k= 1 \quad \text{ if }\quad(b+c) / L>0.5k=1 if (b+c)/L>0.5

k=0.7+0.6(b+c)/L if (b+c)/L≤0.5k=0.7+0.6(b+c) / L \quad \text{ if }\quad(b+c) / L \leq 0.5k=0.7+0.6(b+c)/L if (b+c)/L≤0.5

bm=L[1−0.82twc2c2(1+1+2.8c2twcL)2], but bm≥0b_\mathrm{m}=L\left[1-0.82 \frac{t_\mathrm{w c}^2}{c^2}\left(1+\sqrt{1+2.8 \frac{c^2}{t_\mathrm{w c} L}}\right)^2\right], \quad \text{ but } \quad b_\mathrm{m} \geq 0bm​=L​1−0.82c2twc2​​​1+1+2.8twc​Lc2​​​2​, but bm​≥0

x0=L⋅[(twcL)23+0.23cL(twcL)13]⋅(b−bmL−bm)x_0=L\cdot\left[\left(\frac{t_\mathrm{w c}}{L}\right)^{\frac{2}{3}}+0.23 \frac{c}{L}\left(\frac{t_\mathrm{w c}}{L}\right)^{\frac{1}{3}}\right] \cdot\left(\frac{b-b_\mathrm{m}}{L-b_\mathrm{m}}\right)x0​=L⋅[(Ltwc​​)32​+0.23Lc​(Ltwc​​)31​]⋅(L−bm​b−bm​​)

x=0b≤bmx = 0 \quad b \leq b_\mathrm{m}x=0b≤bm​

x=−a+a2−1.5ac+32twc[πL(a+x0)+4c] if b>bmx=-a+\sqrt{a^2-1.5 a c+\frac{\sqrt{3}}{2} t_\mathrm{w c}\left[\pi \sqrt{L\left(a+x_0\right)}+4 c\right]} \quad \text{ if }\quad b>b_\mathrm{m}x=−a+a2−1.5ac+23​​twc​[πL(a+x0​)​+4c]​ if b>bm​

Fcomb.Rd=k⋅twc2⋅fy[πL(a+x)+2ca+x+1.5cx+x23twc(a+x)]/γM0F_\mathrm{c o m b . R d}=k\cdot t_\mathrm{w c}^2 \cdot f_\mathrm{y}\left[\frac{\pi \sqrt{L(a+x)}+2 c}{a+x}+\frac{1.5 c x+x^2}{\sqrt{3} t_\mathrm{w c}(a+x)}\right] / \gamma_\mathrm{M 0}Fcomb.Rd​=k⋅twc2​⋅fy​[a+xπL(a+x)​+2c​+3​twc​(a+x)1.5cx+x2​]/γM0​

ρ=1 if z/(L−b)≤1\rho = 1 \quad \text{ if }\quad z / (L-b) \leq 1ρ=1 if z/(L−b)≤1
ρ=z/(L−b) if 1<z/(L−b)≤10\rho = z / (L-b) \quad \text{ if }\quad 1<z / (L-b) \leq 10ρ=z/(L−b) if 1<z/(L−b)≤10

Fglobal.Rd=Fcomb.Rd2+twc2fy4(2bz+π+2ρ)/γM0F_\mathrm{g l o b a l . R d}=\frac{F_\mathrm{c o m b . R d}}{2}+\frac{t_\mathrm{w c}^2 f_\mathrm{y}}{4}\left(\frac{2 b}{z}+\pi+2 \rho\right) / \gamma_\mathrm{M 0}Fglobal.Rd​=2Fcomb.Rd​​+4twc2​fy​​(z2b​+π+2ρ)/γM0​

FRd=min⁡(Flocal.Rd;Fglobal.Rd)F_\mathrm{Rd} = \min \left(F_\mathrm{{local.Rd }} ; F_\mathrm{g l o b a l . R d}\right)FRd​=min(Flocal.Rd​;Fglobal.Rd​)

MRd=z⋅FRdM_\mathrm{Rd} = z \cdot F_\mathrm{Rd}MRd​=z⋅FRd​

Onde:

  • twct_\mathrm{w c} \quadtwc​ é a espessura da alma da coluna
  • fyf_\mathrm{y} \quadfy​ é a tensão de cedência da alma da coluna
  • γM0\gamma_{\mathrm{M} 0}γM0​ é o coeficiente parcial de segurança do aço
  • γM0\gamma_{\mathrm{M} 0}γM0​ é o coeficiente parcial de segurança do aço
  • nnn número de filas de parafusos à tração
  • dmd_\mathrm{m}dm​ diâmetro diagonal da cabeça do parafuso
  • b0b_0b0​ distância horizontal entre parafusos 
  • c0c_0c0​ distância vertical entre parafusos
  • zzz braço de alavanca da ligação
  • Fpunch.RdF_\mathrm{ {punch.Rd }} \quadFpunch.Rd​ é a resistência ao punçoamento
  • Fcomb.RdF_\mathrm{ {comb.Rd }} \quadFcomb.Rd​ é a resistência à combinação de punçoamento, corte e flexão

Modelo numérico

A avaliação baseia-se na deformação máxima definida de acordo com EN 1993-1-5:2006 pelo valor de 5 %. Informação detalhada sobre o modelo CBFEM encontra-se resumida no Capítulo 3.

Verificação da resistência

O estudo de sensibilidade da resistência da ligação foi preparado para secções transversais de colunas. A geometria da ligação é apresentada na Fig. 5.3.1. No Quadro 5.3.1 e na Fig. 5.3.3 estão resumidos os resultados dos cálculos no caso de ampliação da placa de extremidade P18 relativamente à secção da coluna.

Quadro 5.3.1 Resultados da previsão da ligação de placa de extremidade em eixo fraco para diferentes vigas de cobertura

Fig. 5.3.3 Comparison resistance of end plate minor axis connection predicted by CBFEM and CM\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.3 Comparison resistance of end plate minor axis connection predicted by CBFEM and CM}}}Fig. 5.3.3 Comparison resistance of end plate minor axis connection predicted by CBFEM and CM

Comportamento global

O comportamento global é apresentado na curva força-deformação. A viga IPE 240 é ligada à coluna HEB 300 com seis parafusos M16 8.8. A geometria da placa de extremidade é apresentada na Fig. 5.3.1 e no Quadro 5.3.1. A comparação dos resultados de ambos os métodos é apresentada na Fig. 5.3.4 e no Quadro 5.3.2. Ambos os métodos preveem resistências de cálculo semelhantes. O CBFEM fornece geralmente uma rigidez inicial inferior comparativamente ao MC. 

Fig. 5.3.4 Prediction of behavior of end plate minor axis connection on moment rotational curve CBFEM\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.4 Prediction of behavior of end plate minor axis connection on moment rotational curve CBFEM}}}Fig. 5.3.4 Prediction of behavior of end plate minor axis connection on moment rotational curve CBFEM

Quadro 5.3.2 Principais características do comportamento global



MCCBFEMMC/CBFEM
Rigidez inicial[kNm/rad]1613022327,23
Resistência de cálculo[kNm]31301,03

Os resultados dos estudos estão resumidos no gráfico que compara as resistências pelo CBFEM e pelo método das componentes; ver Fig. 5.3.5. Os resultados mostram que a diferença entre os métodos é de até 14 %. O CBFEM prevê em todos os casos uma resistência inferior comparativamente ao MC, o qual se baseia nas simplificações de (Steenhuis et al. 1998). Resultados semelhantes podem ser observados no trabalho de (Wang e Wang, 2012).

Fig. 5.3.5 Summary of verification of CBFEM to CM for the end plate minor axis connection\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.3.5 Summary of verification of CBFEM to CM for the end plate minor axis connection}}}Fig. 5.3.5 Summary of verification of CBFEM to CM for the end plate minor axis connection

Exemplo de referência

O caso de referência é preparado para a ligação de placa de extremidade em eixo fraco de acordo com a Fig. 5.3.1 com geometria modificada conforme resumido abaixo.

Dados de entrada

  • Aço S235
  • Coluna HEB 300
  • Viga IPE 240
  • Parafusos 6×M16 8.8
  • Espessura das soldaduras 5 mm
  • Espessura da placa de extremidade tp = 18 mm

Resultados

  • Resistência de cálculo à flexão MRd = 30 kNm
  • Componente condicionante – alma da coluna à flexão
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Referências

EN 1993-1-5, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-5: Plated Structural Elements, CEN, Brussels, 2005.

Steenhuis M., Jaspart J. P., Gomes F., Leino T. Application of the component method to steel joints, in Control of the Semi-rigid Behaviour of Civil Engineering Structural Connections Conference, COST C1, Liege, Belgium, 1998, 125-143.

Wang Z., Wang T. Experiment and finite element analysis for the end plate minor axis connection of semi-rigid steel frames, Tumu Gongcheng Xuebao/China Civil Engineering Journal, 45 (8), 2012, 83-89.