Confiabilidade, quantificação de incerteza e análise das tensões em cantoneiras de aço formadas a frio parafusadas e sob efeito shear lag

Abstract

Nos perfis metálicos que não possuam todas as abas conectadas por parafusos ocorrem efeitos de concentrações de tensões desiguais ao longo da seção transversal. Esse efeito é denominado shear lag e vários pesquisadores têm explorado formulações matemáticas para representá-lo. Para considerar o shear lag, normas técnicas e trabalhos científicos conceituados na área de conexões em aço utilizam o coeficiente de redução de área líquida (Ct) expresso por equações obtidas através de regressão. Este trabalho avalia as incertezas das formulações apresentadas no EN 1993:2005 (2005a), apresentadas também por Paula, Bezerra e Matias (2008), ABNT NBR 14762:2010 (2010), AISI:2016 (2016) e por Pereira (2020). Tais formulações são escritas em termos das geometrias das conexões e da aleatoriedade de algumas outras variáveis. Para isso, foi contabilizada a dispersão das predições de ruptura por área líquida aplicando-se testes de aderência. Também foram realizadas análises de sensibilidade e experimentos estocásticos por LHS (ou HLS - Simulação por Hipercubo Latino). Dessa forma, foi possível estabelecer orientações para projetistas em relação a assertividade de cada predição considerando diferentes configurações geométricas das ligações parafusadas de cantoneiras formadas a frio. Também foi realizada a calibração das equações propostas para garantir a confiabilidade necessária para tornar a predição um valor de projeto, segundo recomendações do EN1990:2002. Em paralelo às análises citadas, 29 modelos numéricos foram discretizados e validados através do Método dos Elementos Finitos (MEF), por meio do programa Abaqus®, com o intuito de investigar a resposta estrutural da conexão sob tração e o contato entre parafusos e chapas conectadas até a ruptura da seção líquida. Para isto, foi considerado um modelo elasto-plástico para o aço, bem como as suas propriedades de comportamento ao dano dúctil e a plasticidade usando o modelo de Johnson-Cook. Com os resultados obtidos das análises, foi possível observar que não há uma variável única que controle o efeito de shear lag. Entretanto, foi possível concluir que o aumento do número de seções conectadas traz menor incerteza aos modelos. Ficou também estabelecido que para tornar os modelos matemáticos mais precisos, mais atenção deve ser dada às conexões com duas seções de conectores parafusados. Também se concluiu que a equação de Paula, Bezerra e Matias (2008) apresentou menor coeficiente para a calibração, demonstrando que ela possui boa representatividade matemática. Nota-se ainda que o EN 1993:2005 instrui um uso de coeficiente de minoração inferior ao encontrado com o conjunto de dados usados nesta pesquisa. Os resultados do modelo computacional pelo MEF tiveram êxito na consideração da teoria do dano dúctil de Johnson-Cook, com valores numéricos de força última e deslocamento na ruptura razoavelmente compatíveis com os resultados experimentais. As tensões e deformações numéricas apresentaram comportamento próximo para cantoneira de abas iguais e abas desiguais, com um decréscimo acentuado de valor de intensidade de tensão em pontos mais afastados do perímetro do furo do parafuso. Em todas as abas desconectadas (bd) houve um ponto de inflexão nos valores de tensão normal a uma distância de ¼ a ½ bd da borda livre, após se atingir a não linearidade física das tensões na aba conectada (bc). No caso de duas linhas de parafusos por seção transversal, toda a bc apresentou concentrações de tensão próximas.