MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Civil Curso de Graduação em Engenharia Civil Guilherme Cássio Elias Análise Numérico - Experimental de Resistência a Flexão em Ligações Tubulares Flangeadas Ouro Preto 2016 GUILHERME CÁSSIO ELIAS Análise Numérico - Experimental de Resistência a Flexão em LigaçõesTubulares Flangeadas Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civilda Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro Civil. Orientadora: Profª. Drª. Arlene Maria Cunha Sarmanho – DECIV / UFOP Co-orientador: Caio Orsi Vieira Ramos Pereira – PROPEC / DECIV / UFOP Ouro Preto 2016 Dedico este trabalho aos meus pais, Arlindo e Elza, que não mediram esforços para tornar possível esta graduação. Agradeço aos meus familiares e amigos pelo apoio. E agradeço em especial à professora Arlene, pelas oportunidades e experiências compartilhadas. RESUMO A implementação de sistemas estruturais metálicos em aço vem aumentando a cada dia mais em várias partes do mundo. Este fato se justifica pelas vantagens proporcionadas por esta tipologia e à boa performance construtiva em diversos tipos de edificações. Os perfis tubulares de seção circular é um dos tipos mais utilizados devido à sua eficiência, que agrega características geométricas que muito interessam para o uso estrutural, com uso mínimo de material, o que torna seu uso adequado em estruturas reticuladas, treliças planas ou espaciais. Diante disso, este trabalho foi desenvolvido para avaliar a flexão em ligações do tipo flangeada entre tubos de seção circular. Os estudos foram executados no Laboratório de Estruturas da UFOP. Um modelo numérico foi desenvolvido e ajustado utilizando APDL para viabilizar o estudo paramétrico. As análises numéricas em elementos finitos foram realizadas utilizando o software comercial ANSYS. A metodologia utilizada foi a aplicação de cargas de tração nos tubos que estão conectados por uma ligação flangeada, avaliando os limites entre o valor desta carga e a espessura da placa do flange. As relações avaliadas entre os dois parâmetros vão desde o momento onde não ocorre o efeito alavanca (prying), até onde ocorre o escoamento do flange, variando a espessura do flange na ligação. Na ligação flangeada, a força de tração aplicada no tubo é distribuída uniformemente ao longo da sua seção, que é transferida para a solda e transmitida para a placa do flange, podendo ocasionar a sua flexão. Em seguida, foi analisada a tração nos parafusos que compõem a ligação, considerando os mesmos parâmetros de composição da ligação flangeada. E finalmente foram preparados os protótipos no Laboratório de Estruturas para a realização de ensaios experimentais. Os ensaios foram realizados com os equipamentos do próprio laboratório e os resultados foram comparados com as análises numéricas anteriores e com a análise teórica prévia ao início dos estudos. Palavras Chaves: Estrutura Metálica. Perfis Tubulares. Ansys. Ligações.LigaçãoFlangeada. ABSTRACT Currently the implementation of metal structural systems for steel is increasing every day more in various parts of the world. This fact is justified by the benefits you offer for this type constructive and good performance in various types of buildings. The circular section tubular profiles is one of the most used types because of its efficiency, which adds geometric characteristics that much interest for structural use, with minimal use of material, which makes proper use of cross-linked structures, flat or space trusses. Thus, this study was conducted to evaluate the bending of the flange type connections between circular section tubes. The studies were performed in the Structures Laboratory UFOP. A numerical model has been developed and adjusted using APDL to enable the study parametric. The finite element numerical analyzes were performed using the commercial software ANSYS. The methodology used was the application of tensile loads in the tubes that are connected by a flange connection, assessing the limits of the value of this charge and the thickness of the flange plate. The relationship between the two parameters measured since the moment will not occur lever effect (prying), to which flange the flow occurs by varying the thickness of the flange at the connection. In the flange connection, the tensile force applied to the tube is evenly distributed throughout its section, which is transferred to the solder and transmitted to the flange plate, causing the bending. Then traction was analyzed on bolts that make the connection, considering the same composition parameters of the flange connection. And they were finally ready prototypes in the Structures Laboratory for conducting experimental tests. The assays were performed with laboratory equipment itself and the results were compared with the prior numerical analysis and theoretical analysis prior to the start of the studies. Keywords: Metallic Structure. Tubular profiles. Ansys. Connections. Flanged Connection. SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 7 1.1. Estruturas Tubulares e Ligações ....................................................................... 7 1.2. A Ligação Flangeada ....................................................................................... 10 2. OBJETIVOS ....................................................................................................... 11 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 12 4. METODOLOGIA ................................................................................................. 13 5. MODELO NUMÉRICO ........................................................................................ 14 5.1. Características dos Materiais .......................................................................... 18 5.2. Resultados Análise Numérica.......................................................................... 18 6. ENSAIOS EXPERIMENTAIS ............................................................................. 19 6.1. Resultados dos Ensaios Experimentais .......................................................... 25 7. COMPARAÇÃO DE RESULTADOS – NUMÉRICO E EXPERIMENTAL .......... 27 8. CONCLUSÕES .................................................................................................. 31 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 32 7 1 INTRODUÇÃO A utilização de sistemas de estruturas metálicas em aço vem sendo implementada em grande escala, em diversos países do mundo. Esta tipologia estrutural apresenta indicadores de utilização em escala industrial a partir da última década do século XVIII e no Brasil se apresenta no início do século XX, porém o grande avanço na fabricação de perfis em larga escala ocorreu com a implantação de grandes siderúrgicas nacionais. Com o avanço da indústria e do estudo de novos materiais e compósitos foi verificado que o aço (composto basicamente por ferro e carbono), apresenta grandes vantagens em relação a outras ligas quando aplicadas na construção civil, além da boa performance construtiva comparada a outras tipologias. Dentre as principais características positivas do aço utilizado em estruturas, pode-se destacar a alta resistência a esforços normais e cisalhantes, além da redução do peso próprio da estrutura, por apresentar resistência semelhante a outros materiais, porém com seção transversal reduzida. Também a sua estética agradável, que introduz arrojo e modernidade às estruturas. Diferindo do concreto armado que é moldado em função das formas disponíveis, o aço estrutural é solicitado com exatidão do projeto. Este fato traz para a edificação agilidade na sua execução. 1.1 Estruturas Tubulares e Ligações As seções de aço em perfis tubulares mais comuns são as circulares, quadradas e retangulares. Estes tipos de seções são mais econômicas comparadas às de seções abertas, quando usadas para resistir a esforços normais aplicados em treliças e colunas. Tal fato pode ser explicado devido ao momento de inércia variar pouco ou quase nada nas direções ao longo da seção, no caso das seções circulares. A norma brasileira direcionada para perfis tubulares, NBR 16239:2013 (Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edificações com perfis tubulares) ainda é pouco conhecida, pelo fato de ser uma norma elaborada recentemente. 8 As ligações são partes da estrutura destinadas a conectar duas ou mais peças, transmitindo seus carregamentos até que se chegue ao solo, onde finalmente os esforços são descarregados. As ligações existem para que a execução da obra seja possível mesmo longe do local de fabricação de sua estrutura, facilitando o transporte e reduzindo a dimensão das peças a serem montadas no canteiro de obras. As ligações mais comuns em estruturas metálicas tubulares (mais especificamente em treliças) são ligações soldadas do tipo K, T, KT, e as ligações flangeadas, que são ligações que conectam tubos através do parafusamento de flanges. A Figura 1.1 a seguir exemplifica as ligações dos tipos K, T e KT e a Figura 1.2 a ligação do tipo flangeada. FIGURA 1.1: Esquema das ligações dos tipos K, T e KT