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2026-08-12

Avaliação da Ductilidade de Ligações com Chapa de Topo Estendida com Ligações de Aço para RFEM

Quatro ligações viga-pilar com chapa de topo estendida (FS1–FS4, aço S355/S690) foram testadas experimentalmente e avaliadas com o módulo adicional Steel Joints para o RFEM 6 e com cálculo manual segundo a EN 1993-1-8 (Eurocódigo 3). O artigo compara a resistência ao momento e a rigidez de rotação inicial dos três métodos e apresenta as equações dos componentes T-stub subjacentes.

Este estudo avalia o projeto de ligações de aço para o RFEM, investigando as características de ductilidade e os modos de falha de ligações viga-pilar com chapa de extremidade estendida. O comportamento estrutural e a capacidade portante dessas ligações são analisados de acordo com as disposições de projeto especificadas no Eurocódigo 3 (EC3), e as previsões resultantes são subsequentemente validadas por meio de comparação com um modelo de elementos finitos desenvolvido com o Steel Joints para o RFEM, bem como com os correspondentes dados experimentais.

Modelo analítico

Este estudo adota os critérios de projeto especificados na EN 1993-1-8 para avaliar a resistência do parafuso (corte e tensão) e a resistência da chapa (apoio e punçoamento), utilizando as formulações de estado limite fornecidas na Tabela 3.4.

A resistência de projeto da peça em T equivalente é avaliada independentemente para os componentes da chapa de extremidade e do banzo do pilar. Para cada componente, a resistência de projeto governante, FT,Rd, é definida como o valor mínimo derivado de três mecanismos de falha potenciais.

FT, Rd=min(FT1,Rd, FT2,Rd, FT3, Rd)
Resistência de Cálculo da Peça em T (Valor Determinante de Três Modos de Falha)

A resistência individual para cada modo é calculada com base na capacidade de momento plástico do banzo (Mpl,1,Rd e Mpl,2,Rd) e na resistência à tensão do grupo de parafusos (∑Ft,Rd). Esses modos consideram a cedência completa do banzo (Modo 1), a falha do parafuso associada à cedência do banzo (Modo 2) e a fratura pura do parafuso (Modo 3).

Modos de falha:

FT,1,Rd=(8n-2ew)·Mpl,1,Rd2mn-ew(m+n)
Resistência da Peça em T – Modo de falha 1 (Escoamento completo da mesa)
FT,2,Rd=2·Mpl,2,Rd+n·(∑Ft,Rd)(m+n)
Resistência da peça em T – Modo de falha 2 (falha do parafuso com cedência do flange)
FT,3,Rd=∑Ft,Rd
Resistência do T-Stub – Modo de Falha 3 (Fratura do Parafuso)

Momentos de resistência plástica:

Mpl,1,Rd=0.25·∑leff,1·tf2·fyγM0
Resistência ao Momento Plástico do Banzo (Modo de Falha 1)
Mpl,2,Rd=0.25·∑leff,2·tf2·fyγM0
Resistência ao Momento Plástico do Banzo (Modo de Falha 2)
A rigidez inicial da ligação é dada pela fórmula:
Sj,ini=E·z2∑i=1n1ki
Rigidez rotacional inicial da ligação
Onde E é o módulo de Young, z é o braço de alavanca, Ki é o coeficiente de rigidez do i-ésimo componente e n é o número de componentes básicos da ligação.

Detalhes geométricos da ligação viga-pilar

Todos os membros de viga e pilar foram fabricados em aço S355 seguindo a prática de construção padrão. As chapas de extremidade foram fabricadas em aço S355 e S690. Os detalhes geométricos — incluindo as dimensões da chapa de extremidade e os layouts do grupo de parafusos — são apresentados na Imagem 2, enquanto a matriz de ensaios e as propriedades do material medidas são apresentadas na Tabela 1.

Os provetes FS1 a FS4 utilizaram uma secção de pilar HEM 340 emparelhada com uma secção de viga IPE 300. Esta configuração foi escolhida para examinar o comportamento de pilar fraco-viga forte. Nos quatro provetes, a secção da viga permaneceu constante em IPE 300, com espessuras de chapa de extremidade de 10, 15, 20 e 10 mm para FS1, FS2, FS3 e FS4, respetivamente.

Tabela 1: Detalhes geométricos e do material dos provetes ensaiados
Provetes Pilar Classe de aço Viga Classe de aço Espessura da chapa de extremidade, mm Classe de aço
FS1 HEM340 S355 IPE300 S235 10 S355
FS2 HEM340 S355 IPE300 S235 15 S355
FS3 HEM340 S355 IPE300 S235 20 S355
FS4 HEM340 S690 IPE300 S235 10 S690

Desenho técnico de uma ligação aparafusada típica viga-pilar mostrando uma viga IPE300 ligada a um pilar HE340M com dimensões detalhadas e espessuras das placas.
1 Ligação Aparafusada Típica de Viga-Pilar
Desenho técnico de uma ligação com placa de extremidade estendida, mostrando a disposição dos parafusos e a configuração dos reforços para análise de ligações metálicas.
2 a) Chapa de extremidade/Parafuso, b) Configuração de Reforço

Discussão

Solução Steel Joints para o RFEM

Com o módulo Steel Joints para o RFEM 6, o projeto de ligações foi totalmente integrado no modelo estrutural principal. Este estudo apresenta uma investigação experimental e numérica sobre o comportamento estrutural de quatro ligações viga-pilar com chapa de extremidade estendida, com particular ênfase na avaliação da ductilidade. A investigação foi complementada pela caracterização direcionada do componente peça em T e por análises de elementos finitos (EF) de alta fidelidade. Os modelos de EF desenvolvidos foram validados com base nas medições experimentais e verificados em relação ao quadro de projeto do Eurocódigo 3 (EC3), sendo depois utilizados para extrair informações detalhadas sobre o comportamento de deformação localizado. As Imagens 3 e 4, juntamente com as Tabelas 2 e 3, apresentam comparações da resistência ao momento e da rigidez à rotação entre os resultados experimentais, as previsões do Steel Joints para o RFEM 6 e as soluções analíticas do EC3.

Um gráfico de barras comparando a capacidade de momento de quatro modelos de ligação de aço com base em resultados experimentais, simulações no RFEM usando o módulo Steel Joints e cálculos de acordo com o Eurocódigo 3.
3 Comparação da Resistência ao Momento – Experimental vs. Ligações de Aço para RFEM e EC3
Gráfico de barras comparando a rigidez inicial para quatro casos de teste, mostrando os resultados de experiências, Ligações de aço para RFEM e cálculos EC3.
4 Comparação de Rigidez – Experimental vs. Ligações de Aço para RFEM e EC3
Tabela 2: Comparação da resistência ao momento – Experimental vs. Steel Joints para RFEM e EC-3-1-8 | Capacidade de momento (kNm)
Provetes Experimentos Steel Joints no RFEM EC3
FS1 107,45 107,53 77,52
FS2 167,93 122,51 132,09
FS3 182,46 126,09 187,29
FS4 164,56 118,46 124,44

Tabela 3: Comparação da rigidez – Experimental vs. Steel Joints para RFEM e EC-3-1-8 | Rigidez inicial Sj,ini (MNm/rad)
Provetes Experimentos Steel Joints para RFEM EC3
FS1 17,51 29,20 34,66
FS2 22,69 38,30 46,76
FS3 22,39 43,50 51,76
FS4 16,66 29,20 32,77

Resultados da análise de elementos finitos mostrando tensões equivalentes de von Mises e deformações plásticas equivalentes para um modelo de ligação de aço com 1 mm de espessura.
5 Tensões Equivalentes e Deformação Plástica do Modelo FS-1mm
Análise de elementos finitos de uma ligação de aço mostrando as tensões equivalentes de von Mises e as deformações plásticas sob carga. A visualização exibe a distribuição de tensões e a deformação na área da ligação.
6 Tensões equivalentes e deformação plástica do modelo FS-2mm
Análise de elementos finitos de uma ligação de aço mostrando tensões equivalentes de von Mises e deformações plásticas equivalentes sob condições de carga aplicadas.
7 Tensões Equivalentes e Deformação Plástica do Modelo FS-3mm
Resultados da análise de elementos finitos mostrando tensões equivalentes de von Mises e extensões plásticas equivalentes para um modelo de ligação de aço.
8 Tensões Equivalentes e Deformação Plástica do Modelo FS-4mm
Tabela mostrando rácios de verificação de cálculo para componentes de placa, parafuso e cordão de soldadura no estado limite último, juntamente com os valores calculados de rigidez à rotação para as barras ligadas.
9 Relação de cálculo e rigidez à rotação do modelo FS-1
Tabela mostrando os rácios de verificação de dimensionamento para chapas, parafusos e soldaduras, juntamente com os valores calculados da rigidez rotacional para uma ligação de aço.
10 Relação de cálculo e rigidez à rotação do modelo FS-2
Tabela exibindo rácios de verificação de cálculo para placas, parafusos e cordões de soldadura, juntamente com os valores calculados de rigidez à rotação para os elementos da ligação numa análise estrutural.
11 Relação de cálculo e rigidez rotacional do modelo FS-3
Tabela mostrando rácios de verificação de dimensionamento para chapas, parafusos e soldaduras, juntamente com valores de rigidez rotacional para membros de ligação numa análise estrutural.
12 Relação de cálculo e rigidez à rotação do modelo FS-4

Conclusões

A comparação entre as previsões experimentais, as baseadas em componentes do Steel Joints para o RFEM e as do EC-3-1-8 mostra que o modelo do RFEM proporciona uma boa concordância global com os resultados dos ensaios, tanto para a resistência ao momento como para a rigidez inicial, confirmando a sua fiabilidade para representar o comportamento real da ligação. As previsões do EC-3-1-8 para a resistência ao momento variam entre os provetes (razões de 0,72–1,49 em relação ao RFEM), refletindo a sensibilidade do método de componentes analítico a parâmetros geométricos específicos, como a espessura da chapa e o layout dos parafusos. Os resultados demonstram que o Steel Joints para o RFEM fornece uma previsão notavelmente mais precisa da rigidez inicial da ligação do que o método analítico do EC-3. Isto confirma que a abordagem baseada em elementos finitos do RFEM capta melhor o comportamento de rigidez real das ligações ensaiadas, tornando-o uma ferramenta mais fiável para o projeto e a análise prática em comparação com o método de componentes do EC3, conservador e frequentemente demasiado simplificado.

Referências
  1. Comité Europeu de Normalização (CEN). (1993). Eurocódigo 3. Projeto de estruturas de aço Parte 1–8: Projeto de ligações (EN 1993-1-8). Bruxelas, CEN.
  2. Girão Coelho, A. M., Bijlaard, F. S. K., & Simões da Silva, L. (2004). Avaliação experimental da ductilidade de ligações de chapa de extremidade estendida. Engineering Structures, 26(9), 1185–1206. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2000.09.001
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