Por que é utilizado o limite de 5% de deformação plástica no diagrama de material para AISC?
Métodos comuns
Todo o engenheiro estrutural está habituado a utilizar a tensão de cedência como valor limite da verificação normativa, uma vez que praticamente todas as normas e códigos de dimensionamento se baseiam nesta abordagem.
No entanto, isto aplica-se ao comportamento puramente elástico do material. Esta abordagem pode conduzir a um dimensionamento conservador e, por vezes, a um sobredimensionamento desnecessário da estrutura, resultando num maior consumo de material.
Contudo, o comportamento real do aço é diferente, e é aceitável assumir o comportamento plástico do material após a tensão de cedência ter sido ultrapassada.
IDEA StatiCa e o método CBFEM
O Método dos Elementos Finitos Baseado em Componentes (CBFEM) é uma sinergia entre o Método das Componentes e a análise por Elementos Finitos.
A verificação normativa de uma junta pelo método padrão baseado em componentes e pelo CBFEM utilizado no IDEA StatiCa Connection baseia-se na verificação de todas as partes da junta – as componentes. As componentes podem ser parafusos, âncoras, soldaduras, chapas e betão na fundação.
O CBFEM divide a junta completa nas componentes separadas acima mencionadas. O modelo de análise é então criado automaticamente pelo software a partir de cada componente.
Todas as chapas de aço, como banzos ou almas de secções transversais, enrijecedores, nervuras, mísulas, etc., são modeladas por elementos finitos. O Método dos Elementos Finitos é amplamente aceite na engenharia estrutural e produz resultados muito bons e fiáveis.
O comportamento do material baseia-se no critério de cedência de von Mises. Assume-se comportamento elástico antes de atingir o valor de cálculo da tensão de cedência fyd.
O critério de estado limite último para regiões não suscetíveis a encurvadura consiste em atingir o valor limite da deformação principal de membrana. Recomenda-se um valor de 5% (por exemplo, EN 1993-1-5, Anexo C, Ponto C.8, Nota 1).
ANSI/AISC 360-16 utiliza uma abordagem diferente. No Capítulo B – Requisitos de dimensionamento, consta o seguinte artigo: "Resistência da ligação. A resistência de uma ligação é o momento máximo que esta é capaz de suportar, Mn, conforme ilustrado na Figura C-B3.2. A resistência de uma ligação pode ser determinada com base num modelo de estado limite último da ligação, ou a partir de ensaios físicos. Se a resposta momento-rotação não apresentar uma carga de pico, a resistência pode ser tomada como o momento correspondente a uma rotação de 0,02 rad (Hsieh e Deierlein, 1991; Leon et al., 1996)."
As figuras foram retiradas de ANSI/AISC 360-16, Comm. B3, pp. 332, 333.
Apresenta-se um exemplo de uma ligação soldada no IDEA StatiCa:
A resistência de cálculo ao momento fletor desta ligação, de acordo com este artigo da AISC 360, é determinada como o momento fletor correspondente a uma rotação de 20 mrad (MRd = 408,5 kip-in). Esta resistência é praticamente igual à resistência ao momento fletor determinada limitando a deformação plástica a 5%, conforme sugerido pela EN 1993-1-5 (MRd = 402,5 kip-in).
Um outro exemplo de uma ligação aparafusada apresenta resultados semelhantes:
Novamente, a resistência determinada pela rotação de 20 mrad (MRd = 372 kip-in) coincide de perto com a resistência determinada limitando a deformação plástica a 5% (MRd = 374,7 kip-in).
Conclusão
A ANSI/AISC 360 deixa a modelação por elementos finitos (ver Apêndice 1 – Dimensionamento por análise avançada e Capítulo B – Requisitos de dimensionamento – 4. Dimensionamento de ligações e apoios – Análise estrutural) ao critério do engenheiro. A utilização de um diagrama de material elasto-plástico bilinear para chapas de aço e a limitação da deformação plástica constitui uma abordagem simples e razoável que permite resolver todos os tipos de ligações com carregamento geral. Os resultados coincidem de perto com a abordagem sugerida especificamente pela ANSI/AISC 360.
O limite de deformação plástica pode ser editado na configuração normativa, embora os estudos de verificação tenham sido realizados com o valor recomendado de 5%. O valor tem geralmente um efeito reduzido na resistência da ligação. A diferença na resistência ao momento fletor entre um limite de deformação de 2% e um limite de 10% é de apenas 7% no segundo exemplo de ligação aparafusada.
Referências
ANSI/AISC 360-16 (2016), An American National Standard – Specification for Structural Steel Buildings, AISC, Chicago, 676 p.
EN1993-1-5 (2006), Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-5: General rules - Plated structural elements, CEN, Brussels, 53 p.
Hsieh, S.H. and Deierlein, G.G. (1991), "Nonlinear Analysis of Three-Dimensional Steel Frames with Semi-Rigid Connections," Computers and Structures, Elsevier, Vol. 41, No. 5, pp. 995–1,009.
Leon, R.T. (1994), "Composite Semi-Rigid Construction," Engineering Journal, AISC, Vol. 31. No. 2, pp. 57–67.