65ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 3. Engenharia Civil

ANÁLISE DE BASES DE COLUNAS DE AÇO VIA MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

Euler de Oliveira Guerra - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Carla Pereira Carvalho - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Gabriel Rhein Signorelli - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Leandro Lopes da Silva - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

INTRODUÇÃO:

O projeto de estruturas de aço de edifícios industriais, comerciais e residenciais requer o dimensionamento das bases das colunas dessas edificações. Estas bases podem ser concebidas como rotuladas ou engastadas. Neste trabalho modelou-se, via método dos elementos finitos, todos os componentes das bases de colunas de aço utilizando o programa SAP2000. A necessidade de verificações mais confiáveis usando métodos mais precisos como o método dos elementos finitos é uma preocupação constante dos profissionais da área de estruturas.

OBJETIVO DO TRABALHO:

Determinação de tensões nos diversos componentes da base para fins de dimensionamento dos mesmos. Utilizou-se elementos de barra, de mola, de casca e análise estática não linear tendo em vista que alguns componentes só funcionam à tração ou à compressão. Outro aspecto importante é análise e interpretação dos resultados para fins de comparação com métodos analíticos simplificados disponíveis.

MÉTODOS:

A teoria necessária para o dimensionamento dos diversos componentes está disponível em bibliografia apropriada. As limitações de tensões e resistências dos diversos componentes estão contempladas na norma ABNT – NBR8800: 2008 “Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios”. Os componentes da seção transversal da coluna, assim como a chapa de base e barra de cisalhamento foram modelados usando elementos de casca. Os chumbadores foram modelados com elementos de barra com resistência apenas à tração. O concreto do bloco de fundação foi simulado usando molas, com rigidez apenas à compressão, cuja magnitude é definida pela relação entre o módulo de elasticidade do concreto e a altura do bloco de fundação. A força axial e momento fletor foram transformados em forças nodais equivalentes aplicadas nos nós da extremidade da coluna. A força horizontal foi aplicada distribuída na superfície dos elementos de casca da barra de cisalhamento. Devido à presença de componentes com resistência apenas à compressão ou à tração foi usada a análise estática não linear para o processamento das várias hipóteses de combinações dos esforços solicitantes normal, cortante e momento fletor.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

Ao se analisar a tração nos chumbadores verificou-se que aqueles mais próximos da alma do perfil da coluna são os mais solicitados. As tensões geradas pela flexão na placa de base são maiores na região dos flanges. Para fins de definição da espessura necessária para a placa de base devem-se analisar as tensões de Von Mises desprezando-se os pontos de forte concentração de tensão na região dos chumbadores e da ligação flange com alma. As formulações analíticas baseadas em teorias simplificadas de DeWolf e Richer (1990) e Blodgett (1966) conduzem a valores significativamente diferentes daqueles encontrados na análise via MEF. Uma possível explicação para estas diferenças está na distribuição das tensões de contato entre a placa de base e o bloco de concreto. De acordo com as teorias simplificadas esta distribuição ocorre uniforme ao longo da largura da placa e varia linearmente ao longo do comprimento atingindo o máximo quando se caminha para a extremidade. A análise numérica mostrou uma distribuição diferente com uma máxima tensão sob os flanges comprimidos com uma distribuição parabólica.

CONCLUSÕES:

A magnitude da rigidez das molas que representam o concreto da base afeta sensivelmente os resultados, portanto merece uma avaliação precisa do seu valor. A avaliação das tensões para fins de dimensionamento da espessura da placa de base deve ser baseada no critério de ruptura de Von Mises, afetando-se a tensão de escoamento do aço por um coeficiente de segurança de 1.25. A análise do equilíbrio global do modelo é fundamental no processo de modelagem, verificando-se se a soma das forças de compressão nas molas se iguala à tração nos chumbadores somada à força axial aplicada na coluna. O refinamento da malha a ser usada na discretização conduz a resultados que devem convergir para uma solução analítica ou um resultado esperado. A velocidade da convergência define o tamanho da malha ideal, ou seja, existe um limite de refinamento para o qual a precisão dos resultados não cresce proporcionalmente. A rigidez da mola que representa o concreto é fator mais preponderante na precisão dos resultados de tensões e esforços e não o refinamento da malha.

Palavras-chave: Estruturas, Bases de coluna, Aço.