Home » BIM e cálculo estrutural » Ductilidade Estrutural

Ductilidade Estrutural

Ductilidade Estrutural

A capacidade de se deformar sem se romper permite que estruturas de aço sejam seguras mesmo em caso de terremotos. Saiba mais sobre a ductilidade estrutural

A ductilidade dos elementos estruturais que compõem construções civis e industriais comuns é um indicador fundamental, embora não único, para caracterizar a resistência dessas estruturas aos efeitos de um terremoto. Quando se trata da estrutura como um todo, esse índice é denominado ductilidade estrutural.

Em zonas de elevado risco sísmico, a ductilidade estrutural assume um papel de particular relevância, pois reflete a capacidade da estrutura de resistir, além dos limites elásticos, a terremotos de elevada intensidade. Vejamos como a gestão de todos esses aspectos, também com o auxílio de softwares específicos para cálculo estrutural, pode ajudar os projetistas a criar estruturas seguras mesmo em caso de eventos sísmicos relevantes.

O que é ductilidade estrutural

A ductilidade estrutural refere-se à capacidade de uma estrutura, ou de um material em geral, de se deformar sem se romper ou colapsar de forma catastrófica sob a ação de cargas ou solicitações. Em outras palavras, uma estrutura dúctil é capaz de sofrer deformações significativas sem perder sua integridade estrutural ou a capacidade de suportar cargas.

A ductilidade se manifesta em dois níveis distintos: a ductilidade estrutural local, que diz respeito à capacidade dos elementos individuais de uma estrutura de se deformarem, e a ductilidade estrutural global, que se refere à capacidade global da estrutura de absorver deformações plásticas.

Mais especificamente, a avaliação dos parâmetros de ductilidade deve ser feita em termos de deformação se referindo ao material, em termos de curvatura (ou rotação) se referindo à seção (ou ao elemento) e em termos de deslocamento se referindo à estrutura como um todo.

É importante notar que construções com elevados níveis de ductilidade dos elementos individuais não correspondem automaticamente a capacidades de dissipação igualmente elevadas para toda a estrutura. Essa capacidade é influenciada por vários fatores, incluindo detalhes construtivos, posição e número de articulações plásticas e a extensão da deformação plástica exigida em cada articulação.

Por fim, a ductilidade estrutural global, representada pela relação entre o deslocamento último permitido e o deslocamento no limite elástico, é essencial para a capacidade global de dissipação do edifício. O projeto estrutural correto, orientado para um mecanismo de plasticização conhecido como “Capacity Design“, visa alcançar um alto nível de ductilidade global, garantindo assim maior segurança e resistência às construções em caso de terremotos.

Materiais como aço e ligas de alumínio são frequentemente utilizados em estruturas que requerem ductilidade, como edifícios sujeitos a cargas sísmicas. Engenheiros estruturais projetam as estruturas levando em consideração a ductilidade para garantir que sejam capazes de suportar as solicitações e se comportar de forma segura mesmo em situações extremas.

Ductilidade e resistência das estruturas a eventos sísmicos

A capacidade de uma estrutura de resistir a um terremoto está intimamente relacionada à sua capacidade de dissipar energia sísmica. Esse processo ocorre apenas quando a estrutura entra em uma fase pós-elástica, gerando mecanismos que permitem dissipar a energia através de elevadas deformações plásticas permanentes concentradas em zonas críticas, conhecidas como articulações plásticas.

O princípio fundamental por trás do projeto estrutural em zonas sísmicas é que, para resistir sem colapsar a terremotos de alta intensidade, a estrutura deve considerar recursos além dos limites elásticos. Por outro lado, se a estrutura for projetada para resistir ao terremoto mantendo uma resposta na fase elástica, faltará capacidade de dissipação. Nesse caso, a energia sísmica absorvida durante o movimento do solo é acumulada como deformação elástica e devolvida integralmente durante a fase de descarga, sem deixar deformações residuais, fissuras ou fenômenos de degradação.

O projeto de elementos estruturais com rigidezes flexo-torsionais elevadas, necessárias para manter a estrutura na fase elástica, resultaria em estruturas superdimensionadas e não econômicas, especialmente para construções comuns. Portanto, a abordagem preferível é criar estruturas resistentes a terremotos capazes de ter uma capacidade suficiente de deformação plástica. Isso é alcançado explorando a ductilidade local das seções, permitindo que a estrutura absorva e dissipe a energia sísmica através de deformações plásticas concentradas em zonas críticas específicas.

Para projetar uma estrutura de acordo com as normas técnicas vigentes, realizar verificações de ductilidade, resistência, deformabilidade, hierarquia de resistências de barras e nós, etc., é possível utilizar um software de design de conexão de aço.

Modelo 3D estrutura em aço

Modelo 3D estrutura em aço

O uso de softwares específicos ajuda a evitar graves erros de projeto e a atender plenamente a todas as verificações das regulamentações vigentes. Além disso, é um suporte valioso para realizar análises rápidas de todos os aspectos do projeto e estudar em detalhes até mesmo estruturas complexas com treliças, contraventamentos, nós, etc.

Neste vídeo, mostro as potencialidades e o suporte que um software para cálculo estrutural de aço pode oferecer.

Ductilidade do concreto e do aço

A ductilidade do concreto e do aço é um conceito fundamental no projeto estrutural, especialmente em áreas sísmicas. Vamos examinar a ductilidade de ambos os materiais, ilustrando os gráficos tensão/deformação associados.

Concreto

O diagrama tensão-deformação do concreto geralmente é dividido em duas fases principais: elástica e plástica.

  • Fase Elástica
    • começa com uma fase elástica, onde o estresse (tensão) é proporcional à deformação
    • atingido o limite elástico, o concreto começa a se comportar de maneira plástica
  • Fase Plástica
    • o concreto continua a se deformar plasticamente com o aumento da carga
    • atinge-se o ponto de ruptura, onde o concreto cede e a deformação continua sem aumentar a carga.

A ductilidade do concreto é influenciada pela relação entre a deformação última e a deformação no limite elástico. Quanto maior essa relação, mais dúctil é o mesmo. O confinamento do concreto armado resulta em um efeito benéfico, aumentando as características mecânicas e a sua dutilidade.

Aço

O comportamento do aço é consideravelmente mais dúctil em comparação com o concreto. Seu gráfico tensão/deformação mostra:

  • Fase Elástica:
    • durante essa fase, o material sofre deformações elásticas reversíveis. Isso significa que, se a carga for removida, o material retorna à sua forma original sem deformações permanentes. A inclinação da curva nessa fase representa o módulo de Young, que mede a rigidez do material
    • atingido o limite elástico, o aço inicia a fase de escoamento plástico. É o ponto em que o material começa a se deformar plasticamente, ou seja, a deformação se torna permanente mesmo após a remoção da carga. A tensão neste ponto é chamada de “tensão de escoamento”
  • Fase Plástica
    • após o escoamento, o aço sofre deformações plásticas significativas sem um aumento significativo na tensão. A inclinação dessa fase é chamada de “módulo de fluxo” e está associada à deformação plástica
    • a deformação continua até que se atinja o ponto de ruptura, mas ao contrário do concreto, o aço oferece uma significativa capacidade de deformação plástica sem ruptura imediata. A tensão máxima atingida antes da ruptura é chamada de “tensão de ruptura”.
Gráfico tensão admissível do aço

Gráfico tensão admissível do aço

A ductilidade do aço é indicada pela relação entre a deformação última e a deformação no limite elástico. Graças a esse comportamento plástico, o aço oferece uma significativa capacidade de dissipar energia durante eventos sísmicos.

Resumidamente, a ductilidade do concreto e do aço é essencial para garantir que as estruturas possam suportar cargas sísmicas através de deformações plásticas sem falhar catastroficamente. O projeto sísmico visa explorar a ductilidade de ambos os materiais para maximizar a capacidade de absorver e dissipar energia sísmica.

O aço, portanto, não atinge a ruptura imediatamente, mas graças à sua ductilidade, consegue dissipar a energia sísmica através de sua capacidade de se deformar. No entanto, existem algumas situações extremas que levam o aço a assumir um comportamento “frágil”, vamos ver quais são.

Ruptura frágil

A ruptura frágil do aço é um tipo de falha que ocorre sem uma deformação plástica significativa anterior e o material passa do estado elástico para o estado de ruptura sem sinais evidentes de aviso. Esse comportamento é contrário à ruptura dúctil, na qual o material sofre deformações plásticas significativas antes da ruptura.

Aqui estão as principais causas associadas à ruptura frágil do aço:

Elevadas tensões de tração

A ruptura frágil está frequentemente associada a elevadas tensões de tração, especialmente na presença de fissuras ou defeitos microestruturais.

Baixas temperaturas

A ruptura frágil é mais provável em baixas temperaturas. Esse fenômeno é conhecido como ruptura frágil em baixa temperatura. Exposto a baixas temperaturas, a resiliência do aço pode diminuir, favorecendo a ruptura sem deformação plástica significativa.

Presença de defeitos estruturais

A presença de defeitos estruturais como inclusões, fissuras ou impurezas pode promover a ruptura frágil. Esses defeitos podem funcionar como pontos de início para a propagação de fraturas.

Alta velocidade de carga

Cargas aplicadas rapidamente ou de forma repentina podem favorecer a fratura frágil. Isso é conhecido como fratura frágil dinâmica.

A compreensão da fratura frágil é essencial para evitar falhas estruturais em situações em que esse modo de ruptura possa ser problemático, como em condições de baixa temperatura ou na presença de solicitações tensionais elevadas e repentinas.

 

 

edilus
edilus