perfis de alma senoidal

305 Pages·2008·8.11 MB·Portuguese

PERFIS DE ALMA SENOIDAL: PROPOSIÇÃO DE MÉTODOS DE
CÁLCULO E ANÁLISE DE CONFIABILIDADE ESTRUTURAL
Roberval José Pimenta
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
ESCOLA DE ENGENHARIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS

"PERFIS DE ALMA SENOIDAL: PROPOSIÇÃO DE MÉTODOS DE CÁLCULO
E ANÁLISE DE CONFIABILIDADE ESTRUTURAL"

Roberval José Pimenta

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia da
Universidade Federal de Minas Gerais, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do título de
"Doutor em Engenharia de Estruturas".

Comissão Examinadora:

____________________________________
Prof. Dr. Gilson Queiroz
DEES-UFMG - (Orientador)

____________________________________
Profa. Dra. Sofia Maria Carrato Diniz
DEES - UFMG

____________________________________
Prof. Dr. Ricardo Hallal Fakury
DEES - UFMG

____________________________________
Prof. Dr. Francisco Carlos Rodrigues
DEES - UFMG

____________________________________
Prof. Dr. Marcilio Sousa da Rocha Freitas
UFOP

____________________________________
Prof. Dr. Julio Fruchtengarten
EPUSP

Belo Horizonte, 11 de dezembro de 2008
À CODEME e à METFORM, razão de ser deste trabalho,
aos meus pais Vicente e Donana, exemplos de vida e dignidade,
às minhas filhas Mariana, Izabella e Ludmila, razão de viver, e
a Maristela, esposa e companheira, muito amada,
dedico este trabalho.
À memória de Luis Tomé de Rezende, exemplo
de garra, de companheirismo e dedicação.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Gilson Queiroz, pela orientação firme e eficiente, pela confiança depositada,
pela competência e gentileza em me ensinar. E sobretudo pela amizade demonstrada ao
longo desses anos.

À Prof. Sofia Maria Carrato Diniz, pela competência e gentileza em co-orientar este
trabalho e por me introduzir no “mundo” da Confiabilidade Estrutural.

Aos professores do Departamento de Estruturas da Escola de Engenharia da UFMG,
pela amizade e acolhida. E principalmente pela qualidade do ensino. Em especial, ao
Prof. Ricardo Hallal Fakury, meu “orientador permanente”, e ao Prof. Francisco Carlos
Rodrigues, pela disponibilidade e colaboração na realização desta pesquisa e sobretudo
pela amizade durante todos esses anos.

Aos funcionários do DEES e do LAEES, a Inês em especial, pela prestimosidade e
celeridade na ajuda, sempre que solicitada.

Ao engenheiro Wagner Plais, pela inestimável colaboração ao elaborar os programas
computacionais de análise de confiabilidade e pela execução dos programas de pré e
pós-processamento das análises numéricas, sem os quais não seria possível a realização
deste trabalho.

Aos colegas desta pesquisa, os engenheiros Heinz Hackbarth Júnior, Daniel Gordilho
Souza, Adenilcia Fernanda Grobério Calenzani, Lourdiane Gontijo das Mercês
Gonzaga, Eduardo Lourenço Pinto – em caráter especial ao companheiro de trabalho
Alexander Galvão, pela compreensão, amizade e inesitante ajuda na elaboração deste
trabalho.

Aos professores Walter Siokola (Áustria) e Josep Machacek (República Tcheca) pela
cessão de dados e literatura técnica.

À diretoria da Codeme e demais colaboradores, pela oportunidade.

À minha família e amigos, pela compreensão e paciência.

Ao povo brasileiro.
ÍNDICE
SUMÁRIO
RESUMO...........................................................................................................................i
ABSTRACT.....................................................................................................................ii
NOTAÇÕES...................................................................................................................iii
1. INTRODUÇÃO.........................................................................................................1
1.1. Perfis de alma senoidal.........................................................................................2
1.2. Dimensões e materiais dos perfis de alma senoidal.............................................7
1.3. Sistemas construtivos com perfis de alma senoidal e suas aplicações.................9
1.3.1. Pontes e passarelas.......................................................................................9
1.3.2. Galpões e coberturas..................................................................................12
1.3.3. Sistemas de pisos........................................................................................13
1.4. Objetivos deste trabalho.....................................................................................15
1.4.1. Objetivo geral.............................................................................................15
1.4.2. Objetivos específicos.................................................................................16
1.5. Escopo deste trabalho.........................................................................................17
2. COMPORTAMENTO ESTRUTURAL – ESTADO DA ARTE........................18
2.1. Introdução...........................................................................................................18
2.2. Resistência a tensões de cisalhamento – flambagem de alma............................19
2.3. Resistência a tensões normais............................................................................29
2.4. Flambagem lateral com torção e com distorção.................................................34
2.5. Vigas mistas.......................................................................................................37
3. CONFIABILIDADE ESTRUTURAL...................................................................44
3.1. Generalidades.....................................................................................................44
ÍNDICE
3.2. Segurança estrutural – normas de cálculo e projeto de estruturas......................46
3.3. Fundamentos da confiabilidade estrutural..........................................................52
3.3.1. Problema básico.........................................................................................52
3.3.2. Métodos de confiabilidade de primeira ordem...........................................55
3.3.3. Simulação de Monte Carlo.........................................................................66
4. ANÁLISE EXPERIMENTAL...............................................................................71
4.1. Ensaios de FLT...................................................................................................72
4.1.1. Descrição dos protótipos e do aparato dos ensaios....................................72
4.1.2. Resultados obtidos.....................................................................................78
4.2. Ensaios de FLD..................................................................................................82
4.2.1. Descrição dos protótipos e do aparato dos ensaios....................................82
4.2.2. Resultados obtidos.....................................................................................89
4.3. Ensaios de ligações mistas.................................................................................92
4.3.1. Descrição dos protótipos e do aparato dos ensaios....................................93
4.3.2. Resultados obtidos.....................................................................................97
5. ANÁLISE DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS..............................................104
5.1. Ensaios de FLT.................................................................................................104
5.2. Ensaios de FLD................................................................................................110
5.3. Ensaios de ligações mistas...............................................................................115
5.4. Ensaios de Machacek e Motak.........................................................................126
6. PROPOSIÇÃO DE MÉTODOS DE CÁLCULO..............................................130
6.1. Introdução.........................................................................................................130
6.2. Flambagem lateral com torção.........................................................................131
6.3. Flambagem local da mesa................................................................................139
ÍNDICE
6.4. Flambagem lateral com distorção.....................................................................143
6.5. Resistência da ligação mista.............................................................................151
6.6. Plastificação da viga mista...............................................................................155
6.7. Capacidade de rotação......................................................................................157
7. DESCRIÇÃO ESTATÍSTICA DAS VARIÁVEIS BÁSICAS..........................163
7.1. Introdução.........................................................................................................163
7.2. Resistência ao escoamento do aço....................................................................165
7.3. Módulo de elasticidade.....................................................................................169
7.4. Variáveis geométricas......................................................................................171
7.5. Tensões residuais..............................................................................................179
7.6. Variáveis relativas ao concreto armado............................................................183
7.6.1. Concreto...................................................................................................183
7.6.2. Aço da armadura......................................................................................185
7.7. Coeficiente profissional....................................................................................186
7.8. Coeficiente de discretização.............................................................................191
7.9. Rigidez rotacional da viga mista......................................................................193
7.10. Ações................................................................................................................195
7.11. Verificação da não-correlação entre as variáveis.............................................197
8. ANÁLISE DA SEGURANÇA..............................................................................201
8.1. Introdução.........................................................................................................201
8.2. Funções de desempenho...................................................................................203
8.2.1. Flambagem lateral com torção.................................................................203
8.2.2. Flambagem local da mesa........................................................................204
8.2.3. Flambagem lateral com distorção............................................................204
ÍNDICE
8.2.4. Plastificação da viga mista.......................................................................206
8.3. Apresentação dos resultados............................................................................206
8.3.1. Flambagem lateral com torção.................................................................207
8.3.2. Flambagem local da mesa........................................................................211
8.3.3. Flambagem lateral com distorção............................................................213
8.3.4. Plastificação da viga mista.......................................................................216
8.4. Análise comparativa.........................................................................................217
9. CONCLUSÕES.....................................................................................................225
9.1. Avaliação dos resultados..................................................................................226
9.2. Considerações finais.........................................................................................230
9.3. Sugestão para trabalhos posteriores.................................................................234
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................236
ANEXOS
Anexo 1..........................................................................................................................I
Anexo2...................................................................................................................XVII
Anexo 3..............................................................................................................XXXIV
RESUMO i
RESUMO
O uso de perfis de alma senoidal na construção civil tem crescido nos últimos anos.
Apesar das vantagens que esse tipo de componente estrutural oferece, as normas e
regulamentos internacionais, em especial a norma brasileira ABNT NBR 8800:2008,
ainda não prevêm procedimentos para cálculo e projeto que tratem de todos os
fenômenos envolvidos em seu comportamento estrutural. Isso se deve provavelmente ao
fato de esses perfis terem sido comercialmente introduzidos somente há poucos anos no
mercado da construção civil e ainda pela falta de pesquisas consistentes sobre alguns
fenômenos. Torna-se necessário, portanto, desenvolver recomendações para cálculo e
projeto de estruturas com esse tipo de perfil que possam representar adequadamente seu
comportamento sob os diversos estados limites, a partir dos conceitos e métodos da
Confiabilidade Estrutural. Dentro desse contexto, nesta tese são propostos modelos de
cálculo de vigas de alma senoidal sujeitas aos estados limites de flambagem lateral com
torção (FLT) e flambagem local da mesa (FLM), de vigas mistas de alma senoidal
biapoiadas e semicontínuas sujeitas ao estado limite de plastificação da seção e de
ligações mistas de resistência parcial. No caso de vigas semicontínuas, considera-se
também o estado limite de flambagem lateral com distorção (FLD) na região de
momento negativo. Com esse objetivo, foram realizados estudos teóricos, ensaios
experimentais e análises numéricas. Os modelos propostos baseiam-se numa adaptação
da norma ABNT NBR 8800:2008 e, em alguns casos, da norma estadunidense
ANSI/AISC 360-05, em que se despreza a alma senoidal no cálculo das propriedades
geométricas. Adicionalmente, é abordada a avaliação da segurança das vigas projetadas
conforme um procedimento que incorpora os modelos de cálculo propostos e os
coeficientes de ponderação das resistências e das ações das normas brasileira e
estadunidense. Para isso, são apresentados: (i) os métodos de confiabilidade utilizados;
(ii) as funções de desempenho; (iii) as estatísticas das variáveis básicas; (iv) os índices
de confiabilidade implícitos no procedimento. Com base nos resultados obtidos, mostra-
se que o procedimento proposto conduz a níveis de confiabilidade comparáveis àqueles
dos perfis de alma plana.