Coluna base – Coluna de secção aberta em flexão em torno do eixo forte

Descrição

O objeto deste capítulo é a verificação do método dos elementos finitos baseado em componentes (CBFEM) da base de coluna de secção aberta de aço sujeita a compressão e flexão em torno do eixo forte, pelo método das componentes (MC). O estudo é preparado para a dimensão da coluna, geometria e espessura da placa de base. No estudo, são examinadas cinco componentes: banzo e alma da coluna à compressão, betão à compressão incluindo argamassa de nivelamento, placa de base à flexão, âncoras à tração e soldaduras. Todas as componentes são dimensionadas de acordo com EN 1993-1-8:2005, EN 1992‑1‑1:2005 e EN 1992‑4.

Verificação da resistência

Um exemplo de dimensionamento pelo método das componentes é apresentado para a ancoragem de um perfil de aço HEB 240:

O bloco de betão tem dimensões a' = 1000 mm, b' = 1500 mm,  h = 900 mm e classe C20/25. As dimensões da placa de base são a = 330 mm, b = 440 mm, t = 20 mm e o aço é da classe S235. Os parafusos de ancoragem são 4 × M20, A_s = 245 mm², comprimento 300 mm, com diâmetro da cabeça a = 60 mm e aço da classe 8.8. A espessura da argamassa de nivelamento é 30 mm.

Os resultados da solução analítica podem ser apresentados num diagrama de interação com pontos significativos distintos. O ponto −1 representa o carregamento em tração pura e o ponto 4 representa a resistência ao esforço de compressão. A descrição detalhada dos pontos 0, 1, 2 e 3 é apresentada na Fig. 8.2.1; ver (Wald, 1995) e (Wald et al. 2008).

Fig. 8.2.1 Pontos significativos no diagrama de interação

A distribuição de tensões para os pontos 0 e 3 obtida pelo CBFEM é apresentada nas Fig. 8.2.2 e 8.2.3. 

Fig. 8.2.2 Tensão no betão e forças nas âncoras para o ponto 0 obtidas pelo CBFEM (escala de deformação 10)

Fig. 8.2.3 Tensão no betão e forças nas âncoras para o ponto 3 obtidas pelo CBFEM
(escala de deformação 10)

Fig. 8.2.4 Comparação de modelos no diagrama de interação

A comparação do diagrama de interação obtido pelo CBFEM com o diagrama de interação calculado pelo MC é apresentada na Fig. 8.2.4 e no Quadro 8.2.1.

Quadro 8.2.1 Comparação dos resultados do diagrama de interação para HEB 240 pela solução analítica e pelo CBFEM

Estudo de sensibilidade

Os resultados do CBFEM foram comparados com os resultados do método das componentes. A comparação foi efetuada com base na resistência ao momento fletor para o nível de esforço normal correspondente a cada ponto do diagrama de interação.

No estudo de sensibilidade, foram variados a dimensão da coluna, as dimensões da placa de base e as dimensões do bloco de betão. As secções transversais de coluna selecionadas foram HEB 200, HEB 300 e HEB 400. A largura e o comprimento da placa de base foram escolhidos 100 mm, 150 mm e 200 mm maiores do que a secção da coluna; a espessura da placa de base foi de 15 mm, 20 mm e 25 mm. O bloco de betão era da classe C25/30. A altura do bloco de betão foi de 900 mm em todos os casos, e a largura e o comprimento foram 200 mm maiores do que as dimensões da placa de base. Os parafusos de ancoragem eram M20 da classe 8.8 com profundidade de embebimento de 300 mm. Os parâmetros estão resumidos no Quadro 8.2.2. As soldaduras eram iguais em todo o perímetro da secção da coluna, com espessura de garganta suficiente para não constituírem a componente crítica. Um parâmetro foi alterado enquanto os restantes foram mantidos no valor intermédio.

Quadro 8.2.2 Parâmetros selecionados

Na Fig. 8.2.5 são apresentados os resultados para variações na secção transversal da coluna. Nas Fig. 8.2.6 e Fig. 8.2.7, são variados o avanço da placa de base e a espessura da placa de base, respetivamente.

Fig. 8.2.5 Variação da secção da coluna

Fig. 8.2.6 Variação do avanço da placa de base – 100, 200 e 300 mm

Fig. 8.2.7 Variação da espessura da placa de base – 15, 20 e 25 mm

Caso de referência

Dados de entrada

Secção transversal da coluna

• HEB 240
• Aço S235

Placa de base

• Espessura 20 mm
• Avanços: topo 100 mm, esquerda 45 mm
• Aço S235

Parafuso de ancoragem

• M20 8.8
• Comprimento de ancoragem 300 mm
• Tipo de âncora: Placa de anilha - circular; dimensão 40 mm
• Avanços das fiadas: topo 50 mm, esquerda −10 mm
• Plano de corte na rosca
• Soldaduras ambas 8 mm

Bloco de fundação

• Betão C20/25
• Avanço 335 mm e 530 mm
• Profundidade 900 mm
• Transferência de força de corte por atrito
• Espessura da argamassa de nivelamento 30 mm

Carregamento

• Força axial N = −853 kN
• Momento fletor M_y = 100 kNm

Resultados

• Parafusos de ancoragem 42,2 % (N_Ed,g = 51,7 kN ≤ N_Rdc = 122,4 kN - rotura do betão por arrancamento do grupo de âncoras A1 e A2)
• Bloco de betão 99,5 % (σ = 26,7 MPa ≤ f_jd = 26,8 MPa)

Referências

EN 1992-1-1, Eurocode 2, Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings, CEN, Brussels, 2005.

EN 1992-4:2018, Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels, 2018.

EN 1993-1-8, Eurocode 3, Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints, CEN, Brussels, 2005.

Wald F. Column Bases, CTU Publishing House, Prague, 1995.

Wald F., Sokol Z., Steenhuis M., Jaspart, J.P. Component method for steel column bases, Heron, 53, 2008, 3-20.