Módulo de Aprendizagem 6: Verificação
O dimensionamento de ligações pode ser difícil de ensinar, dada a natureza detalhada do tema e o comportamento fundamentalmente tridimensional da maioria das ligações. No entanto, as ligações são de importância crítica, e as lições aprendidas no estudo do dimensionamento de ligações, incluindo o percurso de carga e a identificação e avaliação dos modos de rotura, são gerais e aplicáveis ao dimensionamento estrutural em sentido lato. O IDEA StatiCa utiliza um modelo de análise não linear rigoroso e dispõe de uma interface de fácil utilização com visualização tridimensional dos resultados (por exemplo, forma deformada, tensão, deformação plástica), sendo, por isso, particularmente adequado para a exploração do comportamento de ligações de aço estrutural. Com base nestes pontos fortes, foi desenvolvido um conjunto de exercícios guiados que utilizam o IDEA StatiCa como laboratório virtual para ajudar os estudantes a aprender conceitos sobre o comportamento e dimensionamento de ligações de aço estrutural. Estes módulos de aprendizagem foram direcionados principalmente a estudantes avançados de licenciatura e pós-graduação, mas foram também adaptados para engenheiros em exercício de funções. Os módulos de aprendizagem foram desenvolvidos pelo Professor Associado Mark D. Denavit da Universidade do Tennessee, Knoxville.
Objetivo de Aprendizagem
Após a realização deste exercício, o utilizador deverá ser capaz de comparar os resultados do IDEA StatiCa com os métodos tradicionais baseados na Especificação AISC.
Enquadramento
A utilização de ferramentas de software desenvolvidas por terceiros é uma necessidade prática na engenharia. No entanto, ao assinar um conjunto de peças desenhadas, o engenheiro assume responsabilidade pessoal pelo dimensionamento. Mesmo na situação ideal em que o engenheiro utiliza o software para informar, e não substituir, o seu julgamento, o engenheiro deve confiar nessas ferramentas de software para produzir resultados informativos. Para simulações computacionais, a verificação e a validação são os principais métodos para construir e quantificar essa confiança (Oberkampf et al. 2002).
A verificação refere-se ao processo de determinar que a implementação de um modelo representa com precisão a descrição conceptual do modelo pelo seu desenvolvedor e a solução do modelo. A validação refere-se ao processo de determinar o grau em que um modelo é uma representação precisa do mundo real, na perspetiva dos usos pretendidos do modelo.
Relações entre a realidade, um modelo conceptual e um modelo computacional (SCS Technical Committee on Model Credibility 1979)
Para o IDEA StatiCa, o uso pretendido do modelo de elementos finitos baseado em componentes (CBFEM) é o de um cálculo de dimensionamento numérico para determinar se uma ligação está em conformidade com as normas e é segura, não necessariamente para produzir resultados o mais próximos possível do comportamento esperado da ligação. Os coeficientes de segurança estão incorporados e o conservadorismo é tolerado. Dado que as hipóteses de dimensionamento que formam o modelo conceptual do IDEA StatiCa se baseiam em normas de dimensionamento como a Especificação AISC (AISC 2022), a verificação do IDEA StatiCa inclui comparações com a Especificação AISC. A verificação inclui também outras comparações para garantir que o modelo de elementos finitos exibe corretamente a mecânica assumida das ligações. A validação do IDEA StatiCa inclui a comparação com resultados de ensaios físicos.
Dado que o IDEA StatiCa e a Especificação AISC têm o mesmo objetivo, pode ser feita uma comparação direta examinando as cargas máximas que cada método permite aplicar a uma determinada ligação. Nesta comparação, a determinação das cargas aplicadas máximas deve ser feita utilizando os procedimentos e definições que seriam utilizados por um engenheiro na prática. A comparação do IDEA StatiCa com resultados experimentais para validação é menos direta e envolve tipicamente a remoção dos coeficientes de segurança e a utilização de propriedades materiais e geométricas medidas no IDEA StatiCa.
Enquanto empresa de software, o IDEA StatiCa realiza uma verificação e validação extensivas do seu software, conforme documentado no seu website e em livros (Wald et al. 2020, Denavit et al. 2024). No entanto, o utilizador também pode realizar verificação e validação. Fazê-lo ajuda a construir confiança no software, conhecimento sobre o CBFEM, e pode aprofundar a compreensão da resistência e do comportamento das ligações.
O processo de verificação é análogo à execução do método científico, com a hipótese de que o modelo produz resultados corretos e a necessidade de testar essa hipótese através de um experimento (virtual). Como em qualquer experimento, o desenho da investigação é crítico para tornar o experimento o mais conclusivo possível. Devem ser avaliados casos desafiantes, mas é frequentemente melhor começar com casos mais simples.
Este exercício guia o utilizador através da verificação do IDEA StatiCa em comparação com a Especificação AISC para ligações que têm parafusos em combinação com soldaduras. Os requisitos para parafusos em combinação com soldaduras são dados na Secção J1.8 da Especificação AISC. Esta secção inclui um requisito geral: "Os parafusos não devem ser considerados como partilhando a carga em combinação com soldaduras, exceto no dimensionamento de ligações ao corte numa superfície de contacto comum onde a compatibilidade de deformações entre os parafusos e as soldaduras é considerada." A secção inclui também um método admissível para considerar a compatibilidade de deformações para uma classe específica de ligações e a declaração "Em juntas com parafusos combinados e soldaduras longitudinais, a resistência da ligação não precisa de ser considerada inferior à resistência dos parafusos isoladamente ou à resistência das soldaduras isoladamente."
Conforme descrito no comentário à Especificação AISC, a complicação de combinar parafusos e soldaduras reside no facto de não atingirem a sua resistência última ao mesmo nível de deformação.
Características representativas de carga vs. deformação (Kulak e Grondin 2003)
A pré-tensão dos parafusos aumenta a rigidez da ligação, permitindo uma partilha de carga mais eficaz entre os parafusos e as soldaduras. É por isso que o método admissível descrito na Secção J1.8 da Especificação AISC se aplica apenas a ligações com parafusos pré-tensionados.
As verificações normativas de parafusos e soldaduras são independentes no IDEA StatiCa, sem tratamento especial para quando parafusos e soldaduras partilham carga. Dado o modelo explícito da rigidez de parafusos, soldaduras, elementos e elementos de ligação, a compatibilidade de deformações é sempre considerada no IDEA StatiCa. Quando parafusos e soldaduras partilham carga, a resistência requerida de cada um baseia-se na sua rigidez relativa e a resistência disponível é calculada como habitualmente. A validade desta abordagem pode ser estabelecida através de comparação.
Ligação
A ligação examinada neste exercício emenda dois elementos de tração em chapa. Parafusos pré-tensionados e soldaduras são utilizados em combinação em todas as superfícies de contacto. São examinados vários comprimentos de soldadura. Por simplicidade, o comprimento da soldadura é ajustado apenas no lado direito da ligação de emenda. A ligação foi dimensionada de forma a que a resistência dos parafusos e das soldaduras seja condicionante relativamente à do elemento e dos elementos de ligação.
Procedimento
O procedimento para este exercício pressupõe que o utilizador tem um conhecimento funcional de como utilizar o IDEA StatiCa (por exemplo, como navegar no software, definir e editar operações, realizar análises e consultar resultados). Orientações sobre como desenvolver esse conhecimento estão disponíveis no centro de suporte do IDEA StatiCa.
Antes de iniciar o exercício, é útil rever a Secção J1.8 da Especificação AISC e o respetivo comentário, bem como a descrição de como o IDEA StatiCa trata parafusos em combinação com soldaduras nesta entrada do catálogo.
Obtenha o ficheiro IDEA StatiCa para a ligação de exemplo fornecida com este exercício. Abra o ficheiro no IDEA StatiCa Connection. Para realizar o exercício, siga a narrativa, complete as tarefas e responda às questões.
Examine a ligação apenas com parafusos.
Examine a ligação apenas com soldaduras (L = 6 in.).
Examine a ligação com parafusos e soldaduras (L = 6 in.).
A verificação deve ser realizada ao longo de um intervalo de parâmetros. A resistência relativa de parafusos e soldaduras é um parâmetro importante para o método de combinação das resistências de parafusos e soldaduras na Especificação AISC. A resistência relativa pode ser variada ajustando o comprimento das soldaduras. Examine a ligação com uma variedade de comprimentos de soldadura.
Para além das comparações, a verificação inclui a análise dos dados para retirar conclusões e identificar direções de investigação futura.
Referências
AISC. (2022). Specification for Structural Steel Buildings. American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
AWS. (2020). Structural Welding Code—Steel. American Welding Society. Doral, Florida.
Denavit, M. D., Nassiri, A., Mahamid, M., Vild, M., Wald, F., and Sezen, H. (2024). Steel Connection Design by Inelastic Analysis. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
Kulak, G. L., and Grondin, G. Y. (2003). "Strength of Joints that Combine Bolts and Welds." AISC Engineering Journal, 40(2), 89–98.
Oberkampf, W. L., Trucano, T. G., and Hirsch, C. (2002). "Verification, Validation and Predictive Capability in Computational Engineering and Physics." Proceedings of the Foundations for Verification and Validation on the 21st Century Workshop, Laurel, Maryland, 1–74.
SCS Technical Committee on Model Credibility. (1979). "Terminology for model credibility." Simulation, SAGE Publications Ltd STM, 32(3), 103–104.
Wald, F., Šabatka, L., Bajer, M., Jehlička, P., Kabeláč, J., Kožich, M., Kuříková, M., and Vild, M. (2020). Component–Based Finite Element Design of Steel Connections. Czech Technical University in Prague.