Considerações finais

Esta dissertação teve como principal objetivo o estudo do comportamento de perfis metálicos enformados a frio com uma configuração inovadora, caracterizada pela existência de aberturas na alma com bordo reentrante ao nível do seu perímetro. O estudo realizado focou particularmente o comportamento destes elementos metálicos submetidos a tensões de compressão. Foram escolhidas três vias de análise, com diferentes graus de aplicabilidade prática e detalhes relativos ao objeto de análise, nomeadamente analítica, experimental e numérica. De modo a avaliar a influência das aberturas na resposta dos perfis, para todos os métodos considerados, analisaram-se sempre elementos com a mesma geometria mas sem aberturas na alma, permitindo assim uma comparação direta dos resultados e consequentemente dos efeitos das aberturas.

O primeiro dos métodos utilizados foi analítico. Neste caso, foi melhorada e complementada uma ferramenta de cálculo previamente desenvolvida, introduzindo um novo módulo que fornece dados relativos às características mecânicas das secções quando submetidas a flexão simples segundo o eixo de menor inércia. A ferramenta foi desenvolvida com base nas expressões da parte 1-3 da EN 1993 [23] e, para além das duas secções já referidas – sem abertura e com abertura e bordo reentrante, foi analisada uma terceira configuração com aberturas na alma, mas em que cada abertura não possui reforço no seu perímetro, o que permite estabelecer conclusões sobre os benefícios ou desvantagens relativos à presença do bordo de reforço nos domínios da abertura.

No caso de elementos submetidos a flexão segundo o eixo de menor inércia, com a alma submetida a esforços de tração, verificou-se em todos os casos estudados que a área e a inércia da secção transversal é totalmente efetiva, independentemente da presença ou não de aberturas. Relativamente à capacidade resistente da secção, constata-se um melhor desempenho da secção sem aberturas, sendo o respetivo momento resistente superior

Conclusões e desenvolvimentos futuros

relativamente ao das secções com abertura. Quando existe a presença da furação, a secção que apresenta um bordo reentrante possui um momento resistente superior.

No caso de elementos submetidos a flexão segundo o eixo de menor inércia, com a alma submetida a esforços de compressão, verifica-se uma redução das propriedades efetivas das secções sem abertura e com abertura, sendo que para a secção com abertura e bordo reentrante esta diminuição não se verifica. Nesta situação, a secção com abertura e bordo reentrante apresenta momento resistente superior, seguida da secção sem abertura e da secção com abertura mas sem reforço no seu perímetro.

Considerando os resultados obtidos pela via analítica, verifica-se que, perante a aplicação de flexão simples nas duas situações apresentadas, consoante a disposição do perfil, a secção que apresenta momento resistente superior varia. Ainda assim, é possível concluir sobre os benefícios inerentes à introdução do reforço no perímetro da abertura já que, para os dois casos considerados, existe uma capacidade de carga superior. Esta conclusão é extensível a outras situações de aplicação de carga – compressão simples e flexão simples segundo o eixo de maior inércia, que foram objeto de estudo no trabalho desenvolvido por Martins [27].

No intuito de complementar a ferramenta de cálculo, procurou-se desenvolver a capacidade de determinar as características mecânicas de secções em Z, seguindo os mesmos pressupostos que foram adotados na análise das secções em C. A secção em Z não possui nenhum eixo de simetria, o que faz com que seja necessário determinar a orientação dos eixos principais de inércia que são rodados em relação ao referencial yz definido pelos eixos paralelo e perpendicular aos banzos. Esta situação não ocorre na secção em C, porque nesta, o referencial de eixos principais coincide com o referencial yz. Tanto para as secções C com para as secções Z, constata-se uma capacidade resistente superior das secções com abertura e bordo reentrante, relativamente às outras duas tipologias de secção estudadas, que é garantida por uma área totalmente efetiva.

A determinação das características mecânicas da secção quando sujeitas a esforços de flexão é mais complexa pois como já foi referido, os eixos principais de inércia estão rodados. Assim, foram desenvolvidos dois novos módulos referentes à flexão segundo os eixos de maior e menor inércia, seguindo os procedimentos apresentados na norma já

referida. Verifica-se que a secção com abertura e bordo reentrante possui um momento resistente superior, seguida da secção sem abertura e depois a secção com abertura mas sem bordo de reforço. Apenas no caso da secção com reforço ao nível da abertura é que as secções consideradas têm propriedades efetivas iguais às brutas.

A ferramenta de cálculo permite a determinação da capacidade resistente para esforços de corte, sendo a metodologia para as secções em Z igual à do módulo já criado para a secção em C uma vez que a formulação utilizada recorre apenas às características da alma para definir a capacidade resistente. A ferramenta é válida apenas para secções de alma cheia.

A realização da campanha experimental foi a segunda metodologia de análise escolhida para estudar o efeito das aberturas no comportamento do perfil. Neste caso, pretendeu-se avaliar o comportamento das secções em estudo para esforços de compressão. Para que o comportamento à compressão dos perfis fosse influenciado pela existência das aberturas, recorreu-se a elementos de reduzida dimensão, evitando que a instabilidade condicionante tivesse origem global, o que condicionava a análise do efeito das aberturas. A campanha experimental foi compostas por duas gamas de perfis - uma 90 mm de altura da alma e outra com 150 mm, sendo efetuados ensaios de compressão centrada em perfis sem abertura e com abertura e bordo reentrante.

Na execução dos ensaios recorreu-se à colocação de transdutores de deslocamento e extensómetros. Alguns dos resultados dos extensómetros foram condicionados pela existência de perturbações que não representam adequadamente o comportamento dos perfis, podendo talvez ser justificados pela existência de equipamentos do laboratório em funcionamento simultâneo com a realização dos ensaios. Relativamente aos resultados dos transdutores, os fenómenos de distorção inerentes ao modo de instabilidade provocaram algumas dificuldades na interpretação das medições registadas.

Na generalidade dos ensaios, o modo de instabilidade condicionante passou pelo aparecimento de instabilidade local de placa à qual se associou, em parte significativa dos provetes, a distorção dos reforços de extremidade. Destaque apenas para um dos provetes dos perfis 90x1.5_N_Liso e 90x1.5_N_Furos, em que os modos de instabilidade foram condicionados pela deformação da chapa de topo na qual se impos o carregamento com controlo de deformação. A espessura desta chapa deveria ter sido um pouco superior à que

Conclusões e desenvolvimentos futuros

foi colocada, mas esta foi uma dimensão que foi condicionada pela disponibilidade de material da empresa que produziu os provetes de ensaio.

Analisando os resultados obtidos para os perfis com alma de 90 mm de altura, verificou-se que os perfis sem abertura apresentaram uma capacidade de carga cerca de 10% superior à dos perfis com aberturas e bordo reentrante. Relativamente aos níveis de deformação, os perfis com abertura e bordo reentrante apresentam deformações superiores, tendência esperada devido à diminuição da respetiva rigidez. Relativamente aos perfis com 150 mm de alma, os resultados são mais curiosos já que os perfis com aberturas apresentam uma carga máxima superior à dos perfis sem abertura, apesar da diferença entre estas ser muito pequena, o que permite obter uma solução com a mesma capacidade resistente e maior versatilidade. Os níveis de deformação são superiores nos perfis com aberturas.

O terceiro método utilizado na análise dos perfis foi a simulação numérica, tendo sido efetuada com o software de cálculo Abaqus, cuja base é o método de elementos finitos. Os modelos numéricos criados procuram traduzir o melhor possível as características geométricas dos perfis testados e as condições de fronteira impostas nos ensaios realizados. Na análise foi considerada a não linearidade do material sendo que, as tensões residuais e as imperfeiçoes geométricas não foram introduzidas.

O modelo numérico do perfil 90x1.5_N_Liso apresenta algumas diferenças no módulo de instabilidade comparativamente aos modelos experimentais. Tal como em todos os provetes ensaiados em laboratório, no modelo numérico surge uma instabilidade local na alma contudo, no modelo numérico ocorrem fenómenos de distorção que levam ao afastamento dos reforços de extremidade. Esta distorção surge em dois dos provetes mas apresenta uma tendência oposta à verificada na vertente numérica, onde ocorre a aproximação dos reforços de extremidade.

Para o modelo relativo ao perfil 90x1.5_N_Furos os resultados numéricos, ao nível da instabilidade condicionante, são coincidentes com os resultados obtidos nos provetes testados, caracterizando-se pelo aparecimento de instabilidade local de placa e distorcional. Esta conclusão não é válida apenas para o provete P4, no qual se verificou a deformação da chapa em que foi aplicado o carregamento.

Nos perfis da gama 150x1.5_N_Liso os resultados numéricos e experimentais revelam uma coincidência no módulo de instabilidade condicionante que inclui instabilidade local de placa e distorção. No provete P4 os fenómenos de distorção não são visíveis de forma tão clara como nos restantes.

No modelo numérico dos perfis 150x1.5_N_Furos surgiram fenómenos de instabilidade associados à deformação localizada da alma e à distorção dos reforços de extremidade, o que está em consonância com os resultados obtidos experimentalmente nos provetes P2 e P4. Nos restantes ensaios (P1 e P3) os fenómenos de distorção não são visíveis.

A capacidade de carga máxima obtida pelas três vias de análise fornece informações relevantes para se poder compreender o comportamento deste tipo de elemento estrutural. Nos perfis sem aberturas os resultados são praticamente ideais, isto é, a ferramenta analítica desenvolvida fornece valores de capacidade resistente que são conservativos, mas não demasiadamente o que permite considerar que esta abordagem é economicamente adequada. A simulação numérica conduz também a resultados conservativos mas com um rigor superior relativamente à carga experimental. No que respeita aos níveis de deformação, existe uma tendência de maior rigidez de todos os modelos numéricos comparativamente aos modelos experimentais.

Relativamente aos perfis com aberturas, as variações entre a capacidade de carga obtida pelas três vias de análise são bastante reduzidas. No entanto, os resultados não seguem a tendência verificada nos provetes sem abertura, uma vez que os valores da capacidade resistente obtidos por via analítica e numérica são um pouco superiores ao correspondente valor experimental, sendo a diferença mais significativa no cálculo com base nas metodologias analíticas. O desenvolvimento da ferramenta de cálculo envolveu a realização de algumas considerações, baseadas nos regulamentos aplicáveis [23], [29] que poderão ter sobrevalorizado a capacidade resistente desta gama de perfis. Ao nível das deformações, e como já referido, o modelo numérico apresenta sempre valores inferiores aos correspondentes valores medidos na campanha experimental.

Conclusões e desenvolvimentos futuros