As ligações analisadas no módulo Ligações de aço utilizam para o dimensionamento o chamado modelo de EF de substituição da ligação de aço ( submodelo ). Este modelo é criado de acordo com um modelo topológico de uma ligação de aço. Os componentes individuais do dimensionamento, tais como chapas, cordões de soldadura ou parafusos, são representados neste modelo por objetos de EF básicos – superfícies ou barras – que são complementados por objetos especiais, tais como contactos de superfícies ou ligações rígidas. Esta abordagem torna possível comparar o comportamento destes elementos básicos com as fórmulas analíticas disponíveis nas normas de dimensionamento. Utilizando o submodelo , a resistência e a encurvadura, bem como a rigidez e a capacidade de deformação da ligação de aço podem ser analisadas.
As dimensões do submodelo são determinadas proporcionalmente ao tamanho da secção das barras ligadas. As barras modeladas com superfícies 2D são aumentadas na direção a partir da interseção das linhas centrais com um comprimento que, por defeito, corresponde a 1,5 vezes a maior dimensão da secção da barra. Esta distância é medida a partir do componente mais distante utilizado.
No submodelo, a extremidade da barra ligada é suportada por um apoio rígido ou carregada por uma carga de substituição calculada no modelo da estrutura global, dependendo das configurações do utilizador. A carga nas extremidades das barras é ajustada para que o seu efeito corresponda aos esforços internos na barra relevante no nó ao qual a ligação está atribuída. As extremidades da barra são reforçadas com uma chapa rígida para evitar o empenamento da secção e para evitar a concentração de tensões no nó carregado ou apoiado.
Por defeito, o modelo de EF do submodelo utiliza uma análise geometricamente linear em conjunto com um modelo de material não linear para calcular a resistência última. Para analisar as não linearidades do modelo é aplicado o método iterativo de Newton-Raphson. A análise não linear de segunda ordem (P-Δ) é utilizada como configuração padrão para a análise estrutural no caso de avaliação da encurvadura, enquanto que o método linear de valores próprios é utilizado para a análise de estabilidade. Para mais informação, consulte o Capítulo {%}#/en-US/downloads-and-information/documents/online-manuals/rfem-6/000255#analysis-type Configurações de análise estática]] do manual do RFEM.
Modelo de material
As superfícies que representam as chapas de barra e as chapas inseridas no "submodelo" têm uma espessura uniforme com o modelo de material plástico isotrópico atribuído. A hipótese de rotura de tensão é baseada no critério de cedência de von Mises. É utilizado um diagrama bilinear. O material é elástico até ser atingida a tensão de cedência. O módulo de elasticidade corresponde ao aço; na fase plástica subsequente, o módulo plástico corresponde a 1/1000 do módulo elástico.
O critério para determinar o limite de resistência último corresponde a 5% de deformação plástica equivalente de von Mises. Este valor é recomendado, mas pode ser alterado pelo utilizador. A resistência última determinada pelo limite da deformação plástica torna possível utilizar o comportamento plástico do aço e a redistribuição das forças internas na ligação. Isto corresponde bem ao comportamento real da ligação de aço.
Barras e chapas
Para a modelação de placas de barra planas e placas inseridas, são utilizados o tipo de geometria "Plano" e o tipo de rigidez "Padrão". As superfícies têm uma espessura uniforme com um modelo de material plástico isotrópico atribuído, que é descrito na secção Modelo de material. A superfície é um objeto 2D que está localizado no plano central da placa. Se as placas individuais que representam a barra não podem ser ligadas diretamente através das suas linhas de fronteira, é criada uma ligação através de {%>
As barras ou as suas partes a partir de superfícies não planas, tais como secções ocas circulares ou secções ocas retangulares arredondadas, são modeladas através da segmentação da secção curvada em superfícies planas mais pequenas. Estas superfícies tem as mesmas propriedades das superfícies utilizadas para as placas planas. O nível de segmentação pode ser alterado pelo utilizador.
Malha
A configuração da malha para todas as superfícies tem a forma de elementos finitos definida como triângulos e quadrângulos com a opção aplicada "Os mesmos quadrados onde for possível".
As placas de cada barra têm o mesmo tamanho de elemento de malha. O tamanho mínimo e máximo do elemento estão definidos por defeito. O tamanho do elemento de malha é derivado do tamanho da secção da barra. Por defeito, a borda maior da secção está dividida em oito partes. A configuração da malha das placas inseridas é tratada separadamente: O tamanho do elemento de malha é derivado da borda mais comprida da chapa. Para uma placa sem parafusos, é criada uma predefinição de oito elementos na borda mais comprida; para uma chapa aparafusada, a predefinição é 16 elementos.
Para parafusos, é aplicado um refinamento de malha de nós circulares apenas nas superfícies para chapas aparafusadas. Para este refinamento de nó circular, é possível definir o raio como um múltiplo do raio do furo, bem como definir o número de elementos na borda do furo.
Para a superfície de substituição do cordão de soldadura, é possível especificar o número máximo de elementos ao longo do comprimento da soldadura e os tamanhos mínimo e máximo dos elementos.
Os nós de malha estão ligados a linhas ou superfícies através de {%>contactos de superfícies. Isto tem um impacto na malha da superfície ligada, de modo que a sua discretização não seja completamente independente.
Parafusos
O modelo do parafuso consiste num sistema de barras, superfícies e contactos de superfícies que representam as partes individuais do parafuso, da espiga, da cabeça e da porca. Para cada parafuso, é preparado um buraco nas chapas aparafusadas.
O orifício na placa é preenchido com barras dispostas de forma radial, as chamadas "raios". Estas barras, do tipo "Viga", são utilizadas para transferir o corte entre a espiga do parafuso e a chapa. O número dessas barras é afetado pela configuração da malha que corresponde ao número de elementos na borda do furo. A secção destas barras é um "Retângulo maciço" e as suas dimensões são afetadas pelo número de barras e pelas dimensões das chapas aparafusadas e correspondem à área do parafuso.
É atribuída uma articulação de barra ao nó onde as barras estão ligadas à laje. A articulação está definida de maneira que as barras não reforçam o orifício na chapa e apenas transmitem o corte entre a chapa e o parafuso.
As barras dos raios têm uma não linearidade "Rotura por tração" para permitir que apenas a parte comprimida do parafuso atue. A estas é atribuído um material elástico linear isotrópico correspondente ao aço no estado elástico.
O modelo da cabeça do parafuso e da porca também utiliza um conjunto de barras radiais ("raios"), uma vez que é aplicado ao furo da chapa aparafusada. Estas barras diferem nas dimensões da secção, contudo, de forma que representam a altura da cabeça do parafuso ou da porca. Além do mais, não são atribuídas nem articulações nas extremidades da barra nem qualquer rotura não linear. Esse conjunto de barras é prolongado por uma superfície em forma de anel que se liga aos raios dispostos de forma radial. Para a superfície, é utilizado o tipo de geometria "Plano" e o tipo de rigidez "Padrão" com uma espessura uniforme que corresponde à altura da cabeça do parafuso ou da porca.
Os centros do sistema radial de barras que representam a cabeça do parafuso, o parafuso no furo e a porca do parafuso estão unidos por uma barra que representa a espiga do parafuso e a rosca. À barra é atribuído o tipo de barra "Viga" e é designada de espiga. A espiga de barra tem uma secção circular cuja área corresponde à área de rosca do parafuso. O material da secção é isotrópico linear elástico.
Na secção entre as chapas aparafusadas é utilizado o tipo de barra "Rigidez definível". A matriz de rigidez corresponde à barra utilizada entre a cabeça do parafuso (porca) e a chapa aparafusada; a única diferença é a rigidez à flexão, que é aumentada significativamente. Se a rigidez não fosse ajustada, ocorreria uma flexão fisicamente irreal do parafuso no ponto onde as forças são realmente transmitidas exclusivamente por corte. O comportamento plástico desta parte da espiga do parafuso é representado por uma articulação de barra na interface das chapas aparafusadas. As condições de articulação são fixas em todos os graus de liberdade, exceto para a rotação axial e a direção axial, que são atribuídas através do tipo de não linearidade "Diagrama". Esta não linearidade é equivalente ao comportamento plástico bilinear do material da espiga do parafuso.
As forças de compressão que surgem no contacto das chapas aparafusadas e entre estas chapas e a cabeça do parafuso ou da porca são transmitidas por {%}#/pt/download-e-informacao/documentos/manuais-online/rfem-6/000081 contactos de superfícies]]. Os espaçamentos são definidos entre a superfície do anel da cabeça do parafuso e a superfície que representa a primeira chapa aparafusada, entre as chapas aparafusadas individuais que estão em contacto (podem haver mais chapas no caso de ligações de corte múltiplas) e entre a superfície que representa a última chapa aparafusada e o anel de porca. O tipo de contacto da superfície está definido como "Rotura sob tração" na direção perpendicular às superfícies e "Atrito rígido" no contacto paralelo às superfícies. Aqui, o coeficiente de atrito é definido para um valor próximo de zero. Estes contactos permitem que a força de tração correta seja gerada na espiga do parafuso.
A força de tração e a força de corte de cálculo surgem na espiga entre as chapas aparafusadas como resultado das forças de corte internas nas direções y e z utilizadas para as verificações.
Os números na figura acima representam os seguintes componentes:
| 1 | Espiga de parafuso – viga de rigidez definível |
| 2 | Orifício para parafusos – raios |
| 3 | Porca – anel de superfície |
| 4 | Porca – raios |
| 5 | Espiga de parafuso |
| 6 | Porca – contacto de superfícies |
| 7 | Cabeça do parafuso - contacto de superfície |
| 8 | Cabeça de parafuso – raios |
| 9 | Cabeça de parafuso – anel de superfície |
Soldaduras
No modelo das soldaduras de topo totalmente penetradas utiliza uma ligação direta entre as chapas soldadas. É representada por {%>
O modelo de cordões de soldadura utiliza também um sistema de ligações rígidas (ver ➁ no gráfico abaixo) com superfícies de substituição (ver ➀ no gráfico abaixo) para a ligação.
O tipo de ligação rígida é "Linha com linha" com as opções "Distribuição definida pelo utilizador" e "Ignorar posição relativa" aplicadas, ligando a borda da chapa de ligação à borda da superfície de soldadura de substituição e a segunda borda da superfície de substituição à placa de referência. A superfície de substituição está localizada a metade da altura da secção triangular do cordão de soldadura. Esta altura é conhecida como "espessura da garganta" do cordão de soldadura. A superfície de substituição do cordão de soldadura tem o tipo de rigidez "Padrão" e uma espessura uniforme com dimensões que correspondem à espessura da garganta da soldadura. Está a ser aplicado o modelo de material ortotrópico plástico.
O modelo de material está definido para corresponder ao comportamento de soldadura considerado nas normas. Isto significa que apenas as tensões que correspondem aos componentes de tensão de soldadura σ⊥, τ⊥ e τ||surgem na superfície de substituição. Nas restantes direções de tensão, a rigidez da superfície de substituição é próxima de zero.
Análise de encurvadura
A abordagem do modelo de EF de ligação de aço de substituição também é adequada para avaliar a encurvadura da chapa de aço utilizando uma análise de EF do modelo de casca. Para este efeito, o modelo utilizado para a análise estática é adaptado de determinada forma para que o modelo de EF de substituição para a encurvadura da ligação de aço ( submodelo de encurvadura ) seja finalmente aplicado.
A configuração alterada do submodelo de encurvadura é a seguinte:
- Todos os materiais utilizados são definidos como elásticos (material de barra e placa, todas as partes do modelo de parafuso, superfície de substituição de soldadura).
- As extremidades do modelo são carregadas por {%}#/pt/download-e-informacao/documentos/manuais-online/rfem-6/000282 Deformações nodais impostas]] em vez das forças da estrutura global modelo. Essas deformações são equivalentes às cargas nodais, mas a sua utilização assegura que as extremidades livres da barra não afetam negativamente os resultados da verificação de estabilidade.
- Por defeito, o submodelo de encurvadura utiliza para a análise estática o tipo de análise "Segunda ordem (P-Δ)" e o "Método dos valores próprios (linear)" com os quatro valores próprios mais baixos para a análise de estabilidade.
Após o cálculo, o modelo providencia o número necessário de valores próprios com cada fator de carga crítica. Cabe ao utilizador avaliar se a estabilidade da ligação de aço é suficiente.
Análise de rigidez
Para determinar a rigidez da ligação, são utilizados dois submodelos. Estes são o modelo principal de EF de rigidez da ligação de aço ( submodelo de rigidez ) – um modelo de casca detalhado que é, exceto para o carregamento e os apoios, idêntico ao submodelo utilizado para a análise estática – e o modelo de EF de resistência auxiliar da ligação de aço de substituição ( Submodelo de rigidez auxiliar ) que é utilizado para refinar os resultados de rigidez da ligação considerando o efeito das deformações das barras ligadas.
Os parâmetros de dimensionamento do submodelo de rigidez são geridos em "Configuração de análise de rigidez". Esta configuração permite selecionar o "Tipo de análise" (geometricamente linear ou P-Δ de segunda ordem) e definir o "Número máximo de iterações" e o "Número de incrementos de carga". O tamanho do modelo e as configurações da malha também podem ser controlados de forma semelhante à configuração do ELU para a análise tensão-deformação da ligação. Outros parâmetros do modelo também são retirados da configuração do ELU.
Os carregamentos nos dois submodelos (submodelo de rigidez e submodelo de rigidez auxiliar) correspondem à rigidez da ligação sob investigação. A rigidez é analisada separadamente para cada barra na ligação. A barra analisada é carregada no final com uma força unitária correspondente ao tipo e direção da rigidez investigada S (SN+, SN-, SMy +, S My , SMz+, SMz - ). As outras barras na ligação têm apoios rígidos nas suas extremidades. O valor da carga unitária para determinar a "Rigidez inicial" depende da dimensão de cada barra ligada.
Uma vez que o cálculo é realizado, o submodelo de rigidez é utilizado para obter a deformação (rotação ou deslocamento) no final de cada barra analisada. A deformação obtida a partir do submodelo de rigidez auxiliar é subtraída desta deformação para considerar a rigidez das barras anexadas. O resultado é a rigidez da ligação calculada a partir da carga e da deformação. Com base nesta rigidez, as ligações podem ser classificadas como "articuladas", "semi rígidas" ou "rígidas".