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APLICAÇÃO DOS MODELOS DE PERFIS “T” PARA A VERIFICAÇÃO

3.3 APLICAÇÃO DOS MODELOS DE PERFIS “T” PARA A VERIFICAÇÃO

Figura 3.16 - Deformações na mesa do pilar e na mesa do perfil “T”

Figura 3.17 - Forças de alavanca – mesa do perfil “T” mais rígida em relação à mesa do pilar

Figura 3.18 - Forças de alavanca – mesa do perfil “T” menos rígida em relação à mesa do pilar

Figura 3.19 - Distribuição ótima

A solução apresentada, como já comentado anteriormente, é o cálculo da força máxima de tração para cada elemento separadamente, adotando-se a capacidade da ligação como o menor valor calculado.

Segundo Zoetemeijer (1974), testes com ligações de perfis “T”

parafusados à mesa de perfis “I” permitem verificar a ocorrência de mecanismos de colapso muito semelhantes aos modos de falha 1 e 2 previstos para as ligações duplo “T”, denominados respectivamente de modos A e B.

A partir das configurações plásticas de tensão observadas nos ensaios, Zoetemeijer (1974) analisa os mecanismos de colapso A e B fazendo a equivalência da mesa do pilar a um comprimento efetivo da mesa de um perfil “T” sem enrijecimento, capaz de transmitir o mesmo esforço de tração.

Essas considerações permitiram o desenvolvimento de expressões analíticas com as quais é possível a determinação da capacidade resistente à tração para a mesa do pilar e, com analogia, para a chapa de topo, como é indicado nos métodos de cálculo propostos pelo Eurocode 3 (1993). Os modelos analíticos para os modos A e B são esquematizados nas figuras 3.20 e 3.21, respectivamente.

Figura 3.20 - Modelo analítico para o mecanismo de colapso A (modo 1)

Figura 3.21 - Modelo analítico para o mecanismo de colapso B (modo 2)

Para os modelos apresentados nas figuras 3.20 e 3.21 e considerando a existência de charneiras plásticas e a formação de linhas de plastificação (indicadas pelas linhas azuis nas figuras acima), a solução do problema consiste em determinar o valor das variáveis α e β que conduzem à menor capacidade de tração para os dois modos de colapso, A e B.

Romano (2001) indica que Zoetemeijer (1974) obteve a capacidade resistente à tração da mesa do pilar partindo do princípio da igualdade entre a energia interna de deformação (∆E) e o trabalho efetuado pela força externa (∆T), ou seja, utilizando o Princípio dos Trabalhos Virtuais.

Para a determinação da energia de deformação total (∑∆Ei), considera-se que a energia de deformação para cada linha de plastificação (“yield line”) é determinada pela multiplicação do momento de plastificação na linha por sua respectiva rotação, sendo o momento de plastificação para cada linha determinado pelo produto entre seu comprimento e o momento de plastificação linear mp, tomado por unidade de comprimento.

Para demonstrar, resumidamente, esse desenvolvimento, a equação 3.24 representa a energia de deformação total para o modo de colapso A considerando as 6 linhas de plastificação e a equação 3.25 fornece o trabalho efetuado pela força externa Ft.

( )

( )

p 6

1

i i m

cos cos

g sen cot tg

cos sen

cos m

' n m m

a 2

E ⋅∆δ⋅









α

− β

⋅ α + β β +

α +

α +

− β

⋅ β

⋅ α + +

=

=

(3.24)

δ

=

∆ 2

T Ft (3.25)

Assim, considerando-se ∆E=∆T obtém-se:

( )

( )

p

t m

cos cos

g sen cot tg

cos sen

cos m

' n m m

a 2 2

F ⋅∆δ⋅









α

− β

⋅ α + β β + α +

α

− β

⋅ β

⋅ α + +

= δ

⋅ (3.26)

Segundo a equação 3.26, minimizar Ft implica em minimizar a parcela à direita da igualdade. Sendo tal parcela função de α e β, para se determinar o valor mínimo de Ft, deve-se minimizar a expressão em função das variáveis α e β, segundo as condições dadas por:

0

6 E

1

i i

α =

∂∑

= e (3.27)

0

6 E

1

i i

β =

∂∑

= (3.28)

O desenvolvimento algébrico dessas condições conduz a um sistema de equações, apresentado por Romano (2001), que fornece as seguintes expressões:

m ' n 2 m

cos 1

⋅ +

=

β (3.29)

) ' n m ( 4 1 m

senβ= − ⋅ + (3.30)

' n 2 m 2

m ' mn 4 m cos 4

2 2

+

= +

α (3.31)

' n 2 m 2

m ' n 4 ' mn sen 4

2 2

+ +

= +

α (3.32)

A substituição das expressões 3.29 a 3.32 na equação 3.26 fornece

p

t m

m ' n 3 4

' n 8 m a 6 4 m

F ⋅









+ + +

=

⋅ (3.33)

lembrando que m representa uma dimensão geométrica e mp é o momento de plastificação por unidade de comprimento.

Segundo Zoetemeijer (1974), para valores práticos de m e n’ a equação 3.33 pode ser considerada, aproximadamente, como:

p

t m 4 (a 4m 1,25n') m

F ⋅ = ⋅ + + ⋅ (3.34)

Para o mecanismo de colapso B, obtém-se, de forma similar:

' n m

F n m ) ' n 4 m 5 , 5 a (

Ft 2 p p

+

⋅ +

⋅ + +

= ⋅ ∑

(3.35)

Observando-se as expressões 3.34 e 3.35, os fatores que multiplicam mp (momento de plastificação por unidade de comprimento) podem ser definidos como os comprimentos efetivos para os modos de colapso A e B.

De fato, comparando-se as equações 3.3 e 3.34 e as equações 3.6 e 3.35, conclui-se que:

Mp = (a + 4m + 1,25n’)mp e que (3.36) Mp = (a + 5,5m + 4n’).mp (3.37) representando, respectivamente, os momentos de plastificação para os modos de colapso A e B.

Para efeitos de dimensionamento, o valor do comprimento efetivo deve ser observado também em função do valor da força de alavanca Q, sendo portanto necessário determinar a sua contribuição.

A influência da força de alavanca máxima (Qmáx) no momento de plastificação para o modo A, equação 3.36, pode ser avaliada pela análise do equilíbrio de uma parte da mesa do pilar, considerando-se as linhas de escoamento 1 e 5 e o bordo livre e desconsiderando-se a transmissão de esforços de torção e forças cortantes, como esquematizado na figura 3.22.

Além disso, é possível reescrever a equação 3.3, que descreve o modo de falha 1, para considerar uma parcela de momento referente à força de alavanca Qmáx, denominada de Mp’, conforme a seguinte expressão:

m ) M M ( F 2

' p p t

= + (3.38)

sendo:

n Q M

' p

máx = (3.39)

Figura 3.22 - Equilíbrio de momentos na mesa do pilar - simetria

O momento de plastificação total para o modo A, com base na equação 3.36, fica expresso por:

Mp + Mp’ = 2(a + 4m + 1,25n’)mp (3.40)

O equilíbrio de momentos, da figura 3.22, requer que:

b m 2 a m n

Qmáx⋅ = p⋅ + p⋅ (3.41)

onde:

β + + α

= sen

' n tan m

m

b (3.42)

Substituindo-se as relações de seno e cosseno para α e β em 3.42 tem-se:

' mn 4 m 3

' mn m

) ' n m ( 2 ' mn 2 b m

2

2 2

+

+

⋅ +

⋅ +

= + (3.43)

O valor de Qmax é obtido substituindo-se a 3.43 em 3.41, obtendo-se:

2 p

2 2

máx m

' mn 4 m 3

' mn m

) ' n m ( 2 ' mn 2 2 m

a n

Q ⋅



+

+

⋅ +

⋅ +

⋅ + +

=

⋅ (3.44)

Segundo Zoetemeijer (1974), para valores práticos de m e n’, a equação 3.44 pode ser adotada como:

( )

p

máx n a 4m 2,5n' m

Q ⋅ = + + ⋅ (3.45)

Considerando-se a equação 3.40, para o mecanismo de colapso A tem-se a seguinte expressão para Mp:

Mp = (a + 4m)mp (3.46)

Com os valores obtidos para os momentos de plastificação e os comprimentos efetivos correspondentes, podem-se fazer duas afirmações:

i. Considerar Mp = (a + 5,5m + 4n’)mp (comprimento efetivo igual à a+ 5,5m+ 4n’) implica em admitir um pequeno fator de segurança contra a ruptura dos parafusos;

ii. Considerar Mp = (a + 4m)mp (comprimento efetivo = a + 4m) implica em admitir um grande fator de segurança contra a ruptura dos parafusos.

Assim, para propósitos de dimensionamento, Zoetemeijer (1974) recomenda a consideração do comprimento efetivo igual à (a + 4m + 1,25n’), afirmando que este valor tem conduzido a resultados satisfatórios quando comparado a resultados experimentais.

As demonstrações apresentadas para os modos de colapso A e B, como referência para o trabalho de Zoetemeijer (1974), foram indicadas como exemplo na determinação dos comprimentos equivalentes que permitem, teoricamente, a aplicação dos modos de falha de perfis “T” com base nas charneiras plásticas observadas na mesa do pilar e na chapa de topo.

Os conceitos apresentados neste item podem ser estendidos para a determinação de perfis “T” equivalentes com base em diferentes configurações de plastificação nesses dois componentes.

O desenvolvimento dos procedimentos apresentados anteriormente, com mais detalhes, pode ser encontrado no trabalho de Romano (2001).