Estruturas de cabos em Advance Design

23 November 2023Advance Design

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As estruturas de cabos distinguem-se pela sua notável capacidade de resistir a tensões de tração significativas. Esta vantagem permite aos arquitectos e engenheiros conceberem estruturas que não só são resistentes, mas também leves, económicas e visualmente apelativas. Além disso, devido ao seu peso reduzido, a montagem dos elementos de cabo é simples e sem esforço. As estruturas que envolvem cabos têm uma história rica, abrangendo vários tipos. Exemplos notáveis incluem pontes suspensas, pontes estaiadas e pontes pedonais, bem como estruturas de mastro, sistemas de telhado suspenso, estruturas de rede de cabos e estruturas de tensegridade.

Puente atirantado Shutterstock
Ponte estaiada Shutterstock

Os elementos estruturais por cabo são geometricamente não-lineares e, por isso, é necessário um programa de cálculo não-linear para analisar este tipo de estruturas. O Advance Design é o software de cálculo estrutural da Graitec que inclui um solucionador não linear. Isto permite aos engenheiros incorporar facilmente os cabos nos seus projetos.

Toldo suspendido por cable Shutterstock
Toldo suspenso por cabo Shutterstock

Neste artigo, veremos como modelar uma estrutura de cabos no Advance Design, incluindo análise e os resultados do MEF.

1. Exemplo de uma estrutura de cabos

O nosso exemplo de trabalho é inspirado na estrutura apresentada na figura abaixo, que é uma lona para estacionamento de automóveis em consola.

Estructura de lona en voladizo para estacionamiento de vehículos
Estrutura de lona em consola para estacionamento de veículos

Nesta estrutura, podemos observar que a viga em consola transporta uma cobertura leve com, naturalmente, o seu próprio peso: a cobertura pode ser sujeita a cargas de vento e neve. Uma ideia brilhante seria a utilização de vabos a ligar os pilares e as vigas em consola. Estes cabos são de tração e desempenham um papel importante no suporte da viga em consola.

2. Modelação no Advance Design

Para simplificar o estudo, considera-se apenas um pórtico, que inclui um pilar encastrado na extremidade inferior, uma viga em consola maior, uma viga em consola menor e três cabos. A estrutura é modelada no Advance Design. Na figura seguinte, é apresentada uma ilustração da estrutura, as suas dimensões e secções transversais. Podemos observar que utilizamos vigas W (duplo T) de altura variável. Esta escolha é feita para minimizar o peso próprio das vigas em ambas as extremidades e para tornar o projeto esteticamente mais agradável.

Figura 4: Ejemplo de estructura de pórtico en voladizo para aparcamiento
Figura 4: Exemplo de uma estrutura de pórtico em consola para um parque de estacionamento

Depois de modelar a estrutura, podemos aplicar diferentes cargas, mas para este exemplo vamos considerar apenas o peso próprio e uma carga permanente linear uniforme de 0,5 kN/m aplicada na viga maior (ver figura 5). Esta carga é uma estimativa da carga permanente da cobertura.

Figura 5: Carga lineal aplicada en la viga en voladizo
Figura 5: Carga linear aplicada numa viga em consola

Uma vez aplicada a carga, é possível gerar uma combinação de cargas de acordo com um código específico. Para este exemplo, é selecionado o código canadiano CNB 2015 (ver figura 6).

Figura 6: Creación de combinaciones
Figura 6: Criação de combinações

Tal como referido na introdução, os cabos são estruturas não lineares, pelo que é necessário ativar a análise não linear no projeto avançado. Para o fazer, é necessário clicar com o botão direito do rato em configuração e clicar em estática não linear.

Figura 7: Activar el análisis no lineal
Figura 7: Ativar a análise não linear

Para mais informações sobre a análise não linear geométrica no projeto avançado, consulte este blogue: Geometrical Non-linear Analysis In Advance Design | GRAITEC CANADA.

De seguida, clicamos no NL que criámos. Primeiro, activamos os grandes deslocamentos e depois clicamos no ícone marcado com a seta na figura seguinte.

Figura 8: Configuración de parámetros no lineales
Figura 8: Configuração dos parâmetros não lineares

Em seguida, temos de selecionar uma carga ou uma combinação de cargas, clicando em Adicionar/Remover análise no canto inferior esquerdo da janela. Neste exemplo, seleccionamos a combinação 1,4 D1+1,4 D2.

Figura 9: Adición de una combinación para el análisis no lineal
Figura 9: Adicionar uma combinação para a análise não linear

Uma vez feito isto, podemos manter os seguintes parâmetros predefinidos e executar a análise de EF.

Figura 10: Parámetros de análisis no lineal
Figura 10: Parâmetros da análise não linear

3. Análise e resultados

Depois de iniciar a análise, estão disponíveis vários resultados, por exemplo, o deslocamento da estrutura sujeita à carga aplicada (figura 11).

Figura 11: Desplazamiento de la estructura analizada
Figura 11: Deslocamento da estrutura analisada

O que é importante verificar é também a esfoço axial da estrutura. No projeto avançado, a força normal Fx é positiva em caso de tração e negativa em caso de compressão, independentemente da orientação x local. Como se mostra abaixo (figura 12), os três cabos estão sujeitos a forças de tração, a força de tração máxima é Fx = 15,8 kN e ocorre no cabo inferior que liga a base do pilar à viga pequena.

Figura 12: Visualización de las fuerzas axiales
Figura 12: Visualização das forças axiais.

Conclusão:

Em resumo, as estruturas estaiadas oferecem uma notável resistência à tração, permitindo aos arquitectos e engenheiros criar projectos estruturais leves, económicos e visualmente apelativos. O software Advance Design da Graitec, com o seu cálculo não linear, é um software perfeito para a análise de estruturas de cabos. Utilizando um exemplo simples, abordámos o processo de modelação, a aplicação de cargas e a ativação da análise não linear. Os resultados evidenciaram o papel crucial dos cabos no suporte da estrutura devido à sua elevada resistência à tração.

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