Comportamento Tridimensional de Juntas Viga I - Pilar SHS com Parafusos Hollo-bolt Sujeitas a Acções Monotónicas

Palavras-chave: diagramas força–deslocamento,momento–rotação,momento–tensão equivalente-principal,momento–extensão,junta viga-pilar (com placa de extremidade rasa ou estendida),modelos de elementos finitos,momento plástico,nó externo, de canto e interno,parafuso hollo-bolt,perfil tubular em aço laminado,rigidez rotacional inicial,secção I/SHS,beam-column joint (with flush or extended endplate connection),external, corner and internal joint,finite elements models,force–displacement,moment–rotation,moment-equivalent or principal stress,moment-strain diagrams,hollo-bolt,I/SHS section,plastic moment,rotational stiffness,tubular column

No contexto das estruturas porticadas de edifícios ou similares vêm sendo investigados elementos com secção tubular bem como dispositivos mecânicos de ligação entre vigas e pilares adaptados a tal tipo de secção no sentido da validação de regras para controlo do respectivo comportamento estrutural, atendendo à problemática subjacente à necessidade de implementação de regulamentação apropriada por instituições e organismos oficiais. Nesta Tese apresenta-se um estudo com base em experimentação, análise numérica e teórica para caracterização da resposta estrutural de juntas viga I – pilar SHS com ligações utilizando o parafuso do tipo hollo-bolt como sistema de fixação ao perfil tubular adoptado nos pilares, enquanto exemplo representativo dos diversos blind-bolt-systems. A primeira parte do programa experimental, realizado no Laboratório de Mecânica Estrutural do DEC da FCTUC, incluiu oito ensaios de arrancamento de parafusos hollo-bolt, considerando diferentes valores para o aperto e dois diâmetros comercialmente disponíveis. Com os diagramas força-deslocamento foi avaliada a rigidez axial para cada uma das situações consideradas e identificada a capacidade resistente à tracção para os referidos parafusos ensaiados directamente nos perfis tubulares através de um esquema tipo T-Stub. A segunda parte da investigação incluiu 14 ensaios correspondentes ao tipo de juntas inicialmente indicado em nós externos, de canto e internos, considerando-se protótipos à escala real sob o efeito de carga estática monotónica na(s) viga(s). Foram realizados ensaios uni- e multiplanares, tendo sido elaborados diagramas momento-rotação e determinadas as propriedades estruturais como a rigidez rotacional inicial, o momento plástico resistente e a rigidez pós-elástica para as tipologias com placa rasa e estendida, contempladas na Parte 1-8 da actual versão do Eurocódigo 3. É apresentada, também, a classificação das juntas ensaiadas quanto à rigidez e quanto à resistência à flexão no âmbito das regras estabelecidas no citado Eurocódigo. Complementarmente, foram processados três modelos de elementos finitos no software ANSYS® representando as correspondentes juntas e ligações anteriormente testadas, os quais foram elaborados e calibrados segundo as geometrias reais das secções transversais adoptadas nos protótipos ensaiados e respeitando as propriedades mecânicas referentes aos aços efectivamente utilizados nas diversas componentes das ligações em questão. As principais conclusões experimentais evidenciaram a tendência para um certo comportamento do tipo membrana para a parede do pilar tubular no caso de pequenos rácios espessura/largura, a influência dos hollo-bolts nas áreas dos furos mais traccionados do perfil tubular, a rotura das patilhas associadas ao cilindro daquele parafuso e consequente arrancamento sob esforços de tracção e corte, bem como a plastificação da face solicitada da secção SHS (tanto mais notória quanto menor a espessura), para além da flexão plástica das placas de extremidade estendidas quando inseridas em juntas com pilares de maior espessura, reflectindo, neste caso, uma relação tp/tc de 1,7. Os modelos numéricos conseguiram reproduzir as várias deformabilidades encontradas nos protótipos testados verificando-se, para muitos pontos homólogos das juntas modeladas, uma similitude de resultados comparativamente ao que havia sido registado e determinado a nível experimental, designadamente no que diz respeito a deslocamentos (verticais e horizontais) mas também em relação a tensões equivalentes/principais e ainda a extensões. O estudo teórico igualmente apresentado culminou com a proposta de dois modelos analíticos para o momento resistente plástico das referidas juntas no contexto das referências de suporte à temática das forças resistentes, bem como das normas estipuladas pelo Eurocódigo 3 e pelo CIDECT. Para o caso da rigidez rotacional inicial, foi também aplicada uma dimensão alternativa na zona traccionada do pilar para o cálculo do respectivo coeficiente de rigidez da componente proposta, cuja fórmula original de cálculo havia sido anteriormente avançada por aquela mesma associação internacional. Uma comparação entre resultados teóricos e experimentais foi, ainda, realizada através dos respectivos rácios. Tendo sido observado um efeito tridimensional em nós de canto ou internos sujeitos a carga no mesmo sentido, foi também apresentada uma proposta de correcção do momento resistente e da própria rigidez em juntas localizadas na face ortogonal à face 1 do pilar bi-articulado.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias