Comportamento não-linear dos contraventamentos e dimensionamento por capacidade resistente (capacity design)

Era prática corrente em códigos antigos dimensionar as estruturas CBF como sendo menos dúcteis que as estruturas MRF, dada a sua maior rigidez, conferindo um valor do coeficiente de comportamento a adotar nas CBF mais baixo do que para as MRF. Este facto correspondia à única prática exigida ao projeto sísmico para estruturas CBF.

Contudo as conclusões tiradas dos danos de sismos passados e de importantes campanhas de investigação levadas a cabo demonstraram que o dimensionamento única e exclusivamente segundo o critério anterior levava a um comportamento frágil da estrutura e a danos severos (Brandonisio et al. 2012). Segundo (Tremblay et al. 2003) as investigações referentes à resposta não linear cíclica de contraventamentos, em diagonais com rótulas na extremidade, expostos a uma ação cíclica resulta num comportamento histerético assimétrico (Figura 2.6) descrito por:

 Em fase de compressão, há redução da resistência de compressão quando a carga crítica é atingida devido à plastificação a meio vão. Nos ciclos seguintes a resistência de compressão decresce exponencialmente devido à deformação residual fora do plano originária de ciclos

 Revertendo o sentido do carregamento, nas fases de tração, uma recuperação elástica sucede seguida do aumento da resistência do elemento sob tração (endurecimento) ciclo após ciclo de carga com deterioração da rigidez, acompanhada de aumento e acumulação de deformação axial plástica, alongamento. O aumento de alongamento resulta numa maior deformação fora do plano. Como tal para um certo nível de alongamento a resistência à tração tende a decrescer.

Figura 2.6: Resposta histerética dos contraventamentos com rótulas na extremidade, (Mahmoudi & Zaree 2010)

Mahmoudi & Zaree (2010) definem resumidamente que as variáveis físicas presentes no comportamento cíclico não linear instável são a encurvadura em compressão, o decréscimo da resistência à compressão no pós-encurvadura, o aumento da tensão de cedência em tração, o decréscimo da rigidez axial, fadiga em zonas críticas e o efeito de Bauschinger. O efeito de Bauschinger caracteriza-se pelo aumento do valor da tensão à tração após atingida a tensão de cedência (strain hardening); no entanto quando o sentido da carga se inverte, o valor da tensão de cedência à compressão diminui.

O comportamento histerético, que corresponde à resposta cíclica a uma ação também ela cíclica que no caso de estruturas MRF caracteriza-se por uma resposta estável, enquanto nas estruturas CBF caracteriza-se por uma resposta instável.

Com a presença de todas as variáveis que definem este comportamento dinâmico (cíclico) não linear dos contraventamentos, surge o desafio em criar um modelo o mais realista e eficiente possível que simule eficazmente o comportamento não linear destes elementos estruturais. No capítulo da avaliação sísmica das estruturas em estudo na presente dissertação modela-se no programa de elementos finitos OpenSees um comportamento histerético instável dos contraventamentos de acordo com experiências passadas e avalia-se o comportamento global das estruturas porticadas contraventadas centradas.

A resposta lateral nas estruturas CBF é caracterizada pela resposta em regime não-linear dos elementos de contraventamento. É através do comportamento histerético (resposta cíclica) de pós encurvadura devido à ação cíclica que as diagonais plastificam e dissipam energia. A capacidade de dissipação de energia é quantificada pela área sob os ciclos histeréticos de carga e descarga. Outra

redução da esbelteza da diagonal. Segundo Tremblay (2000) para a mesma força lateral imposta, os drifts entre pisos e ductilidade das diagonais são inferiores se no dimensionamento sísmico forem escolhidas diagonais com maiores esbeltezas normalizadas.

Hoje em dia para garantir ductilidade e capacidade de dissipação na estrutura é prática corrente nos regulamentos, para além de atribuir um coeficiente de comportamento às estruturas CBF inferior do que o das MRF, incluir critérios de dimensionamento por capacidade resistente (capacity design).

A prática do EC8 relativa ao capacity design nas estruturas metálicas com pórticos contraventados centrados consiste em forçar que a plastificação ocorra nos elementos diagonais enquanto que vigas e colunas e ligações se mantenham em regime linear. Como a energia dissipada é limitada pela encurvadura não linear das diagonais, é importante controlar a encurvadura estes elementos de forma a obter um comportamento histerético o mais estável possível, grande ductilidade e grande capacidade de dissipação de energia. Dado que na resposta à ação lateral, também as colunas e as vigas estão sujeitos a esforço axial, é importante garantir que tais elementos tenham resistência suficiente para se manterem em regime linear enquanto ocorre a resposta não linear nos contraventamentos.

Pelas razões enunciadas acima surge no EC8 como critério de capacity design, a limitação do intervalo da esbelteza normalizada nos elementos dissipativos (cujo intervalo de valores se encontra definido no subcapítulo 4.3.7.1.) e a exigência de certos níveis de sobre-resistência nos elementos não-dissipativos.

Da aplicação dos critérios de capacity design é espectável que se previna a formação de um mecanismo de soft-storey, ou seja, impede-se que a estrutura forme um mecanismo plástico de rotura global instável que prematuramente não tire proveito da resistência global disponível. A diferença entre um mecanismo plástico global espectável e um mecanismo soft-storey na estruturas em estudo está representada na Figura 2.7

Figura 2.7: Pórticos contraventados centrados em X: (a) Mecanismo plástico global expectável. (b) Mecanismo Soft-

Storey (ArcelorMittal 2009)

(a )

Figura 2.8: Pórtico de ligações rígidas: (a) Comportamento plástico uniforme. (b) Mecanismo Soft-Storey (Lopes 2008)

A título comparativo com estruturas MRF, um mecanismo de soft-storey neste tipo de estruturas consiste na plastificação das colunas antes das vigas como se representa na Figura 2.8 (b).Para impedir a formação de um mecanismo global do tipo soft-storey em estruturas MRF é aplicado o princípio viga fraca-pilar forte em que se impõe a plastificação das vigas antes das colunas.

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Dimensionamento para cargas verticais