Por que os engenheiros estruturais escolhem seções ocas?

Caminhe em praticamente qualquer canteiro de obras moderno-com estrutura de aço e você verá seções ocas realizando trabalhos que perfis abertos como vigas I-e canais simplesmente não conseguem fazer com tanta eficiência: posicionando-se como colunas delgadas expostas em um átrio de vidro, formando o reforço diagonal em uma estrutura sísmica ou carregando as cargas de torção em uma passarela curva. A preferência não é estética. Tudo se resume a um punhado de princípios de engenharia estrutural que a maioria das equipes de compras nunca vê discutidos, mas que determinam discretamente por que uma especificação exige SHS, RHS ou CHS em primeiro lugar.

Este artigo analisa os reais motivos de engenharia pelos quais as seções ocas superam os perfis abertos em casos de carga específicos - e, igualmente importante, onde uma viga I-ou canal ainda é a escolha mais eficiente e econômica. Compreender os dois lados dessa comparação é o que separa uma especificação genuinamente informada de um hábito padrão.

A maior vantagem estrutural de uma seção oca se resume a um número: o raio de giração.

Uma seção aberta como uma viga I-com flange largo tem dois raios de giração muito diferentes - um em torno de seu eixo forte, outro em torno de seu eixo fraco, muitas vezes diferindo por um fator de dois ou mais. Isso significa que uma coluna de seção I-é tão forte quanto sua direção de flambagem mais fraca, e se um membro for exposto à carga ou à pressão do vento de múltiplas direções, o engenheiro terá que projetar em torno do eixo mais fraco, independentemente de quão mais forte o outro eixo possa ser.

Uma seção oca quadrada ou circular, por outro lado, tem um raio de giração igual (ou muito próximo de igual) em todas as direções. Não existe um “eixo fraco”. Para uma coluna que precisa resistir à flambagem sob carga compressiva aplicada a partir de fontes imprevisíveis ou multi{2}}direcionais - que descreve uma grande parte de colunas de construção reais, especialmente em plantas baixas abertas sem contraventamento de paredes para definir uma direção de carga dominante - esta propriedade geométrica por si só muitas vezes torna uma seção oca mais leve do que uma seção aberta de capacidade -equivalente, porque nenhum material é "desperdiçado" fornecendo resistência em uma direção que a estrutura não precisa tanto.

É também por isso que as seções ocas dominam como membros de compressão em pórticos espaciais e treliças: cada membro diagonal e vertical em um sistema de treliça 3D sofre carga de uma orientação diferente, e uma seção com resistência uniforme em todas as direções é estruturalmente eficiente de uma forma que uma seção I- fundamentalmente não pode corresponder sem adição de material.

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Se o raio de giração é a vantagem sutil, a rigidez torcional é a dramática - e é sem dúvida a razão mais subestimada pela qual seções ocas são especificadas para certos membros.

As seções abertas resistem à torção principalmente por meio de empenamento e uma constante de torção de St. Venant relativamente fraca, porque uma forma aberta de parede-fina simplesmente não tem um caminho de carga contínuo em torno de seu perímetro para transportar o fluxo de cisalhamento com eficiência. Uma seção fechada - qualquer seção oca - resiste à torção através do fluxo de cisalhamento que corre continuamente ao redor do perímetro fechado, o que é um mecanismo dramaticamente mais rígido. Em termos práticos, uma secção oca fechada pode ter uma constante de torção uma ordem de grandeza superior à de uma secção aberta de tamanho e peso comparáveis.

Isso é importante diretamente em membros que apresentam carga de torção significativa: vigas curvas de pontes, vigas de pistas de guindaste sujeitas a cargas excêntricas nas rodas, vigas de tímpanos que suportam cargas excêntricas no piso ao longo do perímetro de um edifício e qualquer membro em uma estrutura onde a carga não é aplicada de forma limpa através do centro de cisalhamento. Especificar uma seção aberta para uma aplicação genuinamente crítica-de torção geralmente significa adicionar reforços, diafragmas ou superdimensionar o membro para compensar - custo extra de fabricação e material que uma seção oca muitas vezes evita apenas pela geometria.

 

PROCESSO DE PERFURAÇÃO

PROCESSAMENTO DE SEÇÃO OCA

Processamento de tubos de aço redondos

Nada disso significa que as seções ocas sejam incondicionalmente superiores, e é aqui que entra um ponto mais sutil e menos discutido: o comportamento de encurvadura local.

Os códigos de projeto - EN 1993-1-1 na Europa, AISC 360 nos EUA - classificam seções estruturais (abertas e fechadas) pela largura-a-espessura ou relação diâmetro-espessura de suas placas individuais ou elementos de parede, em classes que variam aproximadamente de "compacto" (capaz de atingir a capacidade total de momento plástico e sustentar a rotação para projeto plástico) até "esbelto" (onde a encurvadura local ocorre antes da secção atingir o escoamento e a capacidade de projeto tem de ser reduzida em conformidade).

Para seções ocas, essa classificação está diretamente vinculada à proporção de largura-para-espessura das faces planas (para SHS/RHS) ou à proporção de diâmetro-para-espessura (para CHS). Um CHS de parede-de grande-diâmetro ou um RHS de parede-larga e fina pode cair em uma classificação esbelta tão facilmente quanto uma seção aberta com-flange fino pode - o perfil fechado não isenta automaticamente uma seção de verificações de flambagem locais. Os engenheiros que especificam seções ocas com paredes-mais finas e maiores para aplicações arquitetônicas ou de{12}}grandes vãos precisam verificar explicitamente a classificação da seção, em vez de presumir que "oco" implica "compacto". Este é um dos descuidos mais comuns no dimensionamento preliminar, detectado apenas quando uma verificação detalhada é finalmente executada.

Uma vantagem genuinamente pouco discutida das seções ocas aparece na engenharia de incêndio, não na gravidade ou no projeto de carga lateral.

Os requisitos estruturais de proteção contra incêndio são determinados substancialmente pelo "fator de seção" de uma seção - a proporção entre o perímetro aquecido e a área-da seção transversal (geralmente escrita como Hp/A). Uma seção com uma relação Hp/A mais baixa aquece mais lentamente durante um incêndio, porque há proporcionalmente menos área de superfície exposta conduzindo calor para uma determinada massa de aço. Seções abertas como vigas I- expõem áreas de superfície em ambos os lados da alma e em ambos os flanges, todos aquecidos separadamente. Uma seção oca de capacidade de carga comparável geralmente tem uma relação Hp/A mais baixa simplesmente porque sua geometria concentra a mesma massa de aço atrás de uma superfície exposta contínua, mais compacta.

A consequência prática é que os membros de seção oca podem, às vezes, alcançar uma classificação de resistência ao fogo exigida com um revestimento intumescente mais fino ou menos material de proteção contra fogo do que uma seção aberta carregando a mesma carga de projeto - uma economia real de custo e peso que raramente aparece em material de marketing geral porque requer um cálculo específico da seção para demonstrar, e não uma afirmação geral que se aplica uniformemente a todos os tamanhos e aplicações.

Este é o ponto onde as seções ocas perdem algumas das vantagens que ganham em outros lugares, e isso merece mais atenção nas decisões de especificação do que normalmente recebe.

As seções abertas oferecem flanges e superfícies de alma planas e acessíveis que tornam as conexões aparafusadas simples - uma placa de conexão pode ser aparafusada diretamente a um flange com folgas e detalhes padrão. As seções ocas, por sua natureza fechada, não oferecem a mesma superfície acessível para uma conexão aparafusada convencional sem hardware adicional: o aparafusamento-requer acesso ao interior do tubo (muitas vezes impossível depois que a estrutura é montada), e conexões aparafusadas-montadas na superfície normalmente precisam de placas de flange, placas de tampa ou sistemas de parafusos-cegos projetados especificamente para seções fechadas.

As conexões soldadas carregam sua própria complexidade. Onde membros de seção oca se encontram em um nó de treliça - uma junta K, T, Y ou X na construção de viga treliçada - a conexão não é apenas uma questão de soldar dois tubos juntos. A face da corda na junta deve ser verificada quanto a punção e plastificação local sob a carga concentrada do membro de contraventamento de entrada, seguindo disposições de projeto como aquelas na EN 1993-1-8 Seção 7 ou os guias de projeto CIDECT desenvolvidos especificamente para projetos de juntas tubulares. Essas verificações são genuinamente mais complicadas do que um projeto de conexão de seção aberta padrão, e subestimar essa complexidade no estágio de projeto é uma das fontes mais comuns de redesenho em estágio final em projetos de treliças tubulares.

Nada disso torna as conexões de seção oca impraticáveis ​​- treliças tubulares são construídas com sucesso em todo o mundo - mas significa que o custo de fabricação e projeto de conexão deve ser ponderado em relação à eficiência do material obtida com a seção em si, em vez de assumir que a seção oca é um ganho de custo direto em todos os casos.

Considerando tudo acima, vale a pena ser direto sobre onde uma viga I{0}} ou canal continua sendo a melhor escolha: membros de flexão primários onde a carga é aplicada predominantemente em torno de um eixo, e onde esse eixo é conhecido e fixado pela geometria da estrutura - uma viga de piso típica que suporta uma laje, por exemplo, dobra em torno de apenas um eixo, e o material de uma seção I-, concentrada em flanges distantes do eixo neutro, é mais eficiente na flexão uniaxial pura do que o material de uma seção oca distribuídos em torno de um perímetro fechado.

As seções abertas também são geralmente mais baratas de conectar, conforme discutido acima, e estão mais amplamente disponíveis em uma ampla gama de tamanhos laminados padrão para membros muito grandes e profundos do que as seções ocas normalmente são. Para uma viga de piso simples, uma seção em I-geralmente continua sendo a especificação mais econômica; para uma coluna exposta a carga multi-direcional, um membro de contraventamento sob compressão e possível torção ou uma corda de treliça em uma estrutura espacial, uma seção oca normalmente ganha tanto na eficiência do material quanto, em muitos casos, no desempenho ao fogo.

 

 

 

 

A escolha entre seções ocas e abertas não é uma questão de ser categoricamente superior - é uma questão de combinar a geometria da seção com o caso de carga real que a barra experimenta. Um engenheiro estrutural que avalia esta decisão está realmente perguntando: este membro vê a carga de uma única direção previsível ou de múltiplas direções e possivelmente de torção? A classificação de encurvadura local irá reger o dimensionamento nas espessuras de parede em consideração? Quanto custa realmente o projeto da conexão quando as placas de flange, placas de cobertura ou verificações de juntas tubulares são levadas em consideração, em vez de apenas o preço por-tonelada do aço em si?

Acertar isso no estágio de especificação - em vez de adotar o hábito ou qualquer tipo de seção que um projeto anterior usou - é de onde vêm as economias reais de material e custos em um projeto de aço estrutural, e é uma decisão que vale a pena revisitar em cada nova estrutura, em vez de assumir que a escolha da seção do projeto anterior ainda se aplica.

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