Abstract:
Colunas de aço suportam grandes esforços, apesar da área de sua seção transversal ser relativamente pequena quando comparada ao seu comprimento, devido ao fato de apresentarem alta resistência mecânica nos diversos estados de tensão. Apesar disto, quando
estes elementos estruturais estão sujeitos à carga axial de compressão podem desenvolver um fenômeno chamado de flambagem, podendo ser elástica ou elasto-plástica. Em muitos projetos de engenharia é necessário que sejam feitas perfurações na alma das colunas. No entanto, estas perfurações podem influenciar, significativamente, tanto no valor da carga crítica de flambagem quanto no valor da carga última. Em vista disto, foi realizado um estudo numérico da capacidade de carga de colunas de aço do tipo U com perfurações elípticas, através do Método de Elementos Finitos (MEF) pelo software ANSYS®. Inicialmente, foi feita a verificação do modelo numérico para a carga crítica elástica com resultados de outros autores, e, após, a validação para a carga última elasto-plástica com resultados experimentais encontrados na literatura. Testes para perfurações elípticas foram feitos, levando em conta a retirada de frações do volume das perfurações (), que é a relação entre o volume dos furos e o volume total da coluna, de = 0,05; 0,10 e 0,15. Para cada fração de volume foi variada a relação entre as dimensões características das perfurações, ou seja, uma relação entre os eixos da elipse (H0/L0). Em cada fração de volume, , foi possível determinar, através do método de Constructal Design, um valor ótimo para as dimensões características das perfurações (H0/L0)o que conduz a um comportamento mecânico superior da coluna. As colunas apresentaram melhoria com relação às suas cargas de até 31,66% na análise linear e 74,55% na análise não linear, considerando a retirada de 15% do volume total do material, após a aplicação do método de Constructal Design.
Steel columns support high efforts, despite the area of their cross section being relatively small compared to its length, due to the fact that they have high mechanical strength in various states of tension. Despite this, when these structural elements are subject to compressive axial load they can develop a phenomenon called buckling, that can be elastic or elastoplastic. In many engineering projects it is necessary that drilling are made in the columns soul. However, these drillings may significantly influence both the value of the critical and last loads buckling. Because of this, we performed a numerical study of the steel column loading capacity of U type with elliptical drillings through the Finite Element Method (FEM) by ANSYS® software. Initially, it was made a verification of the numerical model for the elastic critical load with results of other authors, and after the validation for the elastoplastic last load with experimental results found in the literature. Tests for elliptical perforations were made, taking into account the withdrawal volume fractions of drillings (), which is the ratio between the holes volume and the column total volume, = 0,05; 0,10 and 0,15. For each volume fraction it was varied the ratio between the characteristic dimensions of the drillings, in other words, an aspect ratio of the ellipse (H0/L0). In each volume fraction, it was possible to determined by the method of Constructal Design, a optimum value for the characteristic dimensions of the perforations (H0/L0) which leads to a higher mechanical behavior of the column. The columns had improvement with respect to their loads up to 31,66% in the linear analysis and 74,55% in the non-linear analysis, considering the removal of 15% of the total volume of the material, after applying the method of Constructal Design.
