65ª Reunião Anual da SBPC

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

UTILIZAÇÃO DO MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS NA ANÁLISE DE LIGAÇÕES DE DUPLA CANTONEIRA EM ESTRUTURAS DE AÇO

Jéser de Souza Medeiros - Engenharia Civil - UFSM João Kaminski Junior - Prof. Dr./ Orientador - DECC - UFSM

INTRODUÇÃO:

A análise estrutural convencional pressupõe a estrutura como um conjunto de barras unidimensionais, unidas por ligações nodais. Estas são idealizadas, quanto à rotação relativa e a transferência de momento, como rígidas ou rotuladas. A primeira quando não permite a rotação relativa entre os elementos, transmitindo integralmente o momento a que é submetida, e a segunda o oposto desta. No entanto, praticamente todas estas ligações não são nem rígidas nem rotuladas, possuindo comportamento intermediário, denominado semi-rígido e caracterizado pelo coeficiente de rigidez à rotação. A análise da rigidez à rotação de ligações em estruturas de aço é um tema ainda pouco explorado pelos pesquisadores e projetistas no Brasil, resultando que não se encontra equações para a determinação do coeficiente de rigidez à rotação adaptadas às ligações e perfis adotados no país. A alternativa para esta determinação que adotada neste trabalho é o uso do método dos Elementos Finitos, cujos resultados serão comparados com modelos matemáticos disponíveis na literatura para perfis e ligações estrangeiros.

OBJETIVO DO TRABALHO:

Neste trabalho, deve ser analisada a rigidez rotacional de ligações para estruturas de aço do tipo viga-pilar com cantoneira soldada-parafusada (LCSP), consideradas flexíveis na análise estrutural usual. A caracterização da ligação quanto à rigidez rotacional se dá pela relação entre o momento aplicado na ligação e a rotação relativa entre os elementos estruturais principais.

MÉTODOS:

Feita uma breve revisão bibliográfica sobre ligações em estruturas de aço e seu comportamento semi-rígido, bem como determinação do coeficiente de rigidez à rotação (kz), optou-se por três métodos para efetuar esta determinação: 1º) modelagem computacional e análise numérica através do método dos elementos finitos (M.E.F.), utilizando o programa ANSYS v.11; 2º) através do modelo polinomial de Frye & Morris. 3º) através do modelo potencial de Ang & Morris. Para a criação do modelo computacional tridimensional foi utilizado o programa ANSYS, e adotado o elemento volumétrico SOLID 45, que possui 8 nós com graus de liberdade nas direções X, Y e Z. Para representar o contato superfície-superfície foram utilizados pares de contato com os elementos TARGE170 e CONTA174, cada um associado a uma das superfícies em contato. Já a tensão de protensão nos parafusos foi aplicada induzindo uma redução de temperatura entre o fuste de cada parafuso e o restante da estrutura (cantoneiras, viga e pilar).

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

A partir dos valores gerados pela modelagem e análise numérica no programa ANSYS, foram traçadas curvas momento x rotação relativa para duas ligações viga-pilar do tipo LCSP (ligação com cantoneira soldada-parafusada), típicas em estruturas de aço no Brasil. A partir das curvas momento x rotação é possível determinar o coeficiente de rigidez à rotação de cada ligação. Para a análise via Método dos Elementos Finitos (M.E.F.), utilizando o programa ANSYS, foram propostas duas formas de modelagem: i) a primeira restringindo o movimento das cantoneiras nas direções X, Y e Z nas posições dos furos, substituindo os parafusos na função de solidarização das cantoneiras com a chapa representativa do pilar, sendo necessário a utilização de elementos de contato apenas entre as cantoneiras e a viga e entre as cantoneiras e o pilar; ii) a segunda utilizando parafusos com protensão, aplicada por variação de temperatura entre os parafusos e o o restante da estrutura (cantoneiras, viga e pilar), para unir as cantoneiras à chapa representativa do pilar. Os gráficos momento x rotação relativa gerados a partir da análise via M.E.F. são muito próximos dos resultados encontrados através dos modelos analíticos de Ang & Morris (modelo potencial) e de Frye & Morris (modelo polinomial).

CONCLUSÕES:

A utilização do Método dos Elementos Finitos para a determinação do coeficiente de rigidez à rotação de ligações semi-rigidas em estruturas de aço mostrou-se uma boa alternativa para os casos estudados, com resultados bastante próximos aos modelos analíticos encontrados na literatura. Cabe salientar que na análise numérica empregada no programa Ansys foi adotado um comportamento linear para o material. Portanto, a comparação com os modelos analíticos só é valida para a região inicial das curvas momento x rotação relativa, onde a ligação apresenta um comportamento próximo do linear.

Palavras-chave: Ligações, Estruturas, Elementos finitos.