Caracterização Experimental de Elementos em Aço com Secção Variável

Abstract

O aço estrutural possui uma elevada capacidade resistente para uma baixa quantidade de material, graças às suas propriedades reológicas. Além disso, quando se opta por soluções com elementos em aço de secção variável, a eficiência estrutural aumenta já que a utilização de cada secção é otimizada, resultando numa poupança significativa do material. Apesar da norma NP EN 1993-1-1 apresentar metodologias à verificação da estabilidade de elementos e pórticos metálicos, estas limitam-se a elementos de secção transversal constante. Na análise de elementos não uniformes (seja por inércia variável, eixo não reto ou distribuição irregular de contraventamentos) surgem diversas dificuldades, tais como: escolha da curva de encurvadura, secção utilizada para o dimensionamento, análise do efeito de torção, efeito das imperfeições (geométricas e tensões residuais) e o fato das condições reais de carregamento não serem corretamente consideradas no dimensionamento. Recentemente, têm vindo a ser desenvolvidas metodologias de cálculo simplificadas inseridas em projetos de investigação de modo a contemplar os parâmetros referidos anteriormente, colmatando as incoerências da norma NP EN 1993-1-1 quanto à análise da estabilidade de elementos não uniformes. No entanto, estes estudos baseiam-se na análise de modelos numéricos e fórmulas analíticas, o que não permite o esclarecimento do comportamento e condições de apoio reais para este tipo de elementos. A presente dissertação dá continuidade aos estudos desenvolvidos através de ensaios experimentais. Estes focam três tipos de elementos de secção variável: vigas, colunas e uma viga-coluna, de diferentes rácios na variação da altura da secção. Os elementos estudados foram obtidos por dois processos de fabrico: soldados e laminados, e permitiram avaliar: (i) imperfeições geométricas; (ii) tensões residuais; (iii) curva carga-deslocamento (carga última). A comparação dos resultados experimentais com os modelos numéricos permite a calibração desses modelos e o desenvolvimento de regras de dimensionamento compatíveis com a norma. O estudo experimental insere-se na Task 3 do projeto de investigação nacional TaperSteel – Stability design of non-uniform steel members, referência: PTDC/ECM-EST/1970/2012.

Due to its rheological properties, structural steel has a high load carrying capacity for a low amount of material. Furthermore, when one chooses optimal solutions with tapered steel members, structural efficiency increases since the use of each section is optimized, resulting in a significant saving of material. Although the NP EN 1993-1-1 present methodologies to verify the stability of elements and steel frames, these are limited to uniform cross section members. In non-uniform elements (either by variable moment of inertia, non-linear axis, asymmetrical distribution of braces, etc.) there are several difficulties, such as: choice of the buckling curve, choice of the design cross section, the analysis of torsion effect, imperfections (geometric and residual stresses) and the fact that the actual loading conditions are not properly considered in the analysis. Recently, several research projects seek to obtain simplified methodologies focusing on the previously mentioned parameters, correcting these inconsistencies in NP EN 1993-1-1 regarding the stability analysis of non-uniform elements. However, most studies are based on the analysis of numerical and analytical models which do not allow the complete elucidation of the actual behavior and support of tapered members. The objective of the present dissertation is to follow up the studies developed through experimental tests. These focus on three types of variable section elements: beams, columns and one beam-column, with different tapered ratios. The elements were obtained by two manufacturing processes: welded and hot-rolled, and assessed de evaluation of: (i) geometric imperfections; (ii) residual stresses; (iii) load vs displacement curve (ultimate load). The comparison of the experimental results with the numerical models allows a further calibration of the models and the development of design rules compatible with the NP EN 1993-1-1. The experimental study is performed on the scope of Portuguese Project TaperSteel – Stability design of non-uniform steel members, with reference PTDC/ECM-EST/1970/2012.