O pacote de software da RISA é um dos principais escritórios de engenharia estrutural em todo o mundo, valorizado pela sua flexibilidade na modelagem de comportamentos complexos. Uma das suas capacidades mais poderosas e frequentemente subutilizadas é a característica de propriedades de materiais personalizados. Fora da caixa, a RISA inclui bibliotecas para materiais estruturais comuns, tais como aço A36, betão psi 4000 e madeira de píer Douglas. Mas os projetos do mundo real raramente se encaixam perfeitamente em categorias pré-definidas. Os engenheiros trabalham cada vez mais com ligas de alta resistência, polímeros reforçados com fibras (FRP), ligas de memória de forma, madeira laminada ou concreto com misturas otimizadas. Para capturar a verdadeira resposta estrutural destes materiais, você precisa definir propriedades personalizadas. Este artigo fornece um guia abrangente para usar as propriedades personalizadas do material da RISA, desde definições básicas até parâmetros não lineares avançados, garantindo que seus modelos reflitam o comportamento preciso e pronto para a produção.

Por que os materiais personalizados importam

As bibliotecas de materiais padrão são construídas em torno de valores de código mínimos e definições de grau típico. Quando você empurra além desses limites, especificando um aço com uma resistência de rendimento de 65 ksi em vez de 50 ksi, ou modelando um envoltório FRP com rigidez ortotrópica, o software precisa de entrada explícita. Sem propriedades personalizadas, os resultados de análise podem ser não conservativos (usando materiais excessivamente macios) ou desnecessariamente caros (desenhando com modulis padrão). Propriedades de materiais personalizadas permitem que você insira valores exatos para o módulo de elasticidade, razão de Poisson, módulo de cisalhamento, densidade, coeficiente de expansão térmica e amortecimento. Para análises não lineares, você também pode definir curvas de tensão- esforço, inclinações de tensão, enrijeição de tensão ou modelos de danos. Este nível de controle é essencial para otimizar projetos, reduzir custos de material e atender aos requisitos de desempenho avançados, tais como as em estruturas aeropolíticas sísmicas ou leves.

Fluxo de trabalho: Definindo um material personalizado em RISA

RISA oferece duas ferramentas relacionadas para definição de material: o padrão Editor de Materiais (disponível em RISA-2D, RISA-3D e RISAFloor) e o mais avançado Definição de Material Personalizado] dentro dos módulos de propriedade da seção. As seguintes etapas aplicam-se à abordagem mais comum:

  1. [[ FLT: 0]] Abra o Editor de Materiais. [[ FLT: 1]] No menu principal, selecione [[ FLT: 2] Propriedades & gt; Editor de Materiais[[ FLT: 3]] ou clique no botão Materiais na barra de ferramentas. Isto abre uma janela onde você poderá ver todos os materiais predefinidos.
  2. Criar um novo material. Clique em Adicionarou Duplicar[] um material existente semelhante (por exemplo, aço A36 duplicado e renomear para “A572 Gr65”). Duplicar carrega sobre o tipo de material (aço, concreto, madeira, etc.), que define o comportamento padrão para verificação de código e design.
  3. Propriedades isotrópicas padrão de entrada. Para a maioria dos materiais, você especificará:
    • Modulo de Elasticidade (E) – muitas vezes em ksi ou psi.
    • Razão de Poisson (ν).
    • Shear Modulus (G) - auto-calculado de E e / v, mas você pode substituir para casos ortotrópicos.
    • Densidade (peso por volume unitário) – crítica para massa sísmica e peso próprio.
    • Coeficiente de expansão térmica (α) – necessário para combinações de carga térmica.
  4. Introduzem parâmetros de resistência e de projecto.] Estes valores regem os controlos de projecto baseados em códigos (AISC, ACI, NDS, etc.):
    • Tensão de rendimento (Fy) para o aço, ou resistência à compressão (f’c) para o betão.
    • Resistência à tração final (Fu) para aço.
    • Valores de tensão permitidos para madeira ou alumínio.
    • Módulo de ruptura para betão.
  5. Access custom / advanced properties. No mesmo editor, procure tabulações ou botões marcados Avançado[, Nonlinear[, ou Custom[[. Aqui você pode definir:
    • ]Curvas multilineares de tensão (para análise plástica).
    • Módulo de endurecimento de tensão ou módulo tangente.
    • Degradação dependente da temperatura (creep, relaxamento).
    • Valores de rigidez ortotrópica ou anisotrópica (por exemplo, para compósitos).
    • Razões de redução para análise dinâmica.
  6. Salvar e atribuir. Depois de inserir todos os dados, clique em OK ou Salvar[. O material agora aparece na sua árvore de projeto. Para usá-lo, selecione os membros ou placas e atribua o material personalizado através da aba Propriedades[].

Para membros que requerem orientação específica de material (como laminados compostos com diferentes ângulos de ply), você pode precisar definir um Seção Cruzada Personalizada ou usar o Construtor de Seção Composite em RISA-3D, que permite a formação de camadas de materiais com propriedades individuais. O mesmo material personalizado pode ser atribuído a diferentes orientações dentro desse construtor.

Diferenças-chave entre tipos de materiais

A RISA classifica os materiais por comportamento estrutural: isotrópico, ortotrópico e anisotrópico. A maioria do aço e concreto são tratados como isotrópicos (propriedades iguais em todas as direções). Madeira, PFR e compósitos modernos são ortotrópicos (diferente rigidez ao longo das direções grão/ply). Quando você seleciona “Madeira” ou “FRP” como o tipo de material no editor, campos adicionais para E paralelo e perpendicular ao grão, aparecem valores G e razões de tensão permissíveis. Para o comportamento anisotrópico verdadeiro (por exemplo, monocristais ou algum preenchimento impresso 3D), você pode definir uma matriz de rigidez 6x6 completa através da aba avançada personalizada. Use isso apenas quando for suportado por testes rigorosos; a maioria das aplicações estruturais são adequadamente cobertas por modelos ortotrópicos.

Propriedades Personalizadas Avançadas para Análise Não-linear

A análise elástica linear é o padrão na RISA, mas para o design sísmico, análise de pushover ou detalhamento de conexão, você precisa de definições de material não linear. O editor de material personalizado fornece vários modelos não lineares:

  • plástico elástico-perfectly:] modelo não linear mais simples. Defina tensão de rendimento e manter a rigidez pós-colheita zero. Comum para vigas de aço sob dobra.
  • Endurecimento da tensão: Define uma curva bilinear ou trilinear com rigidez de endurecimento especificada (frequentemente 1–2% de E). Melhora a precisão para os quadros de aço submetidos a grandes deformações.
  • Danos de concreto Plasticidade ou Tensão Estifremento: Para o concreto, insira a curva de tensão-deformação compressiva (Hognestad, Kent-Park, ou definido pelo usuário) e um fator de enrijecimento de tensão para capturar o comportamento pós-cracking.
  • Rendimento de Dependente de Temperatura: Usado para análise de incêndios. RISA permite definir fatores de redução de resistência à produção em pontos de temperatura discretos.
  • Dâmbio Histerético: Para análise dinâmica não linear, você pode atribuir uma relação de amortecimento de material que varia com a amplitude de deformação.

Ao introduzir curvas não lineares, use pontos suficientes para capturar a forma, mas evite saltos bruscos que causam problemas de convergência. Recomenda- se um mínimo de 5–7 pontos para o ramo compressivo e um ramo de suavização para tensão. Faça sempre uma análise preliminar sobre um único elemento para verificar a resposta (por exemplo, aplique uma carga monotônica e plote tensão vs. tensão).

Validando Materiais Personalizados Não- lineares

Uma etapa crucial que muitos engenheiros skip está validando o material personalizado contra um teste conhecido ou cálculo manual. Crie um modelo pequeno em RISA - um elemento de trussa ou uma coluna curta - e aplique uma carga que irá empurrar o rendimento passado do material. Compare a curva de deslocamento de força com cálculos manuais ou dados publicados. Esta verificação captura erros em unidades de entrada (por exemplo, digitando ksi quando o modelo usa psi) ou suavização não intencional.

Resultados > Lista de materiais > Deformação material e Restrição material ] podem ser exportados para verificar o estado de cada ponto de integração. Se usar um modelo de concreto personalizado, certifique-se de que a resistência à compressão atinge o f’c especificado na deformação correta (normalmente 0,002–0,003). Se usar um modelo de endurecimento de aço, verifique se o estresse final corresponde ao Fu na deformação desejada. A documentação desta validação deve ser mantida no seu pacote de cálculo do projeto.

Aplicações Práticas: Materiais Especializados

Propriedades personalizadas de materiais brilham em projetos que exigem desempenho além dos códigos típicos. Aqui estão três cenários comuns com orientação passo a passo.

1. Polimer reforçado com fibra (FRP)

O PRF é utilizado para o reforço do revestimento de colunas, retrofits de lajes e armadura de cisalhamento de vigas. O PRF é ortotrópico: alta resistência e rigidez ao longo da direção da fibra, baixa em toda ela. Na RISA, definir o material como “Outro” ou “PRF” e definir:

  • E1 (longitudinal): 20.000-30.000 ksi (fibra de carbono).
  • E2 (transverso): 1.500–2.000 ksi.
  • G12: 800–1.000 ksi.
  • Razão de Poisson/312: 0.2-0.3.
  • Tensão de tração máxima na direção da fibra: 350-550 ksi.
  • Deformação de falha de tensão: 1–2%.

Como o PFR é quase linear elástico à falha, não é necessária plasticidade. No entanto, para retrofit sísmico, você pode querer atribuir uma pequena relação de amortecimento (1–2%). Atribuir o material aos elementos de concha ou a uma seção envolto usando o Construtor de Seções Compósitas. Certifique-se de que a orientação de fibra se alinha com o eixo local do elemento (tipicamente 1-2 eixos locais).

2. Aço de alta resistência com endurecimento de tensão

Aços como o A572 Grau 65, A913 Grau 65, ou ASTM A1085 para as secções HSS requerem Fy e Fu personalizados. Para o design baseado no desempenho (por exemplo, FEMA P-695), você também precisará da resistência de rendimento esperada (Ry*Fy) e resistência à tração esperada (Rt*Fu). Em RISA, crie uma duplicata de aço A992 e mude o rendimento para 65 ksi e último para 80 ksi. Na aba não linear, defina uma curva bilinear com uma inclinação de endurecimento de E/100 (típico para o aço). O declive de endurecimento deve começar com uma deformação de Fy/E + 0,001 (para contabilizar o platô de rendimento) ou diretamente em Fy/E se não houver platô. Este material personalizado permite a análise para capturar com precisão a deriva e a demanda de ductilidade em um quadro de momento de aço.

3. Madeira laminada cruzada (CLT) com propriedades ortotrópicas

CLT é um composto de madeira com camadas ortogonais. Na RISA, selecione o tipo de material “Madeira” e, em seguida, mude as propriedades dependentes da orientação:

  • E paralelo ao grão (E0): 1.800.000 psi para SPF típico.
  • E perpendicular ao grão (E90): 85 000 psi.
  • Módulo de shear G: 120 mil psi.
  • Tensão de flexão admissível (Fb) com base nos ajustes NDS.

Como o CLT é frequentemente modelado usando elementos de shell, você deve definir uma shell em camadas ou usar o Construtor de Seção Compósito onde cada camada pode ter sua própria orientação de material. RISA 3D permite que você atribua um ângulo de material local por ply usando o parâmetro "Ply Angle" na definição de seção laminada. Propriedades do material personalizado para CLT também deve incluir o módulo de cisalhamento de rolamento, que é aproximadamente um décimo do módulo de cisalhamento in-plane.

Melhores práticas para resultados confiáveis

Usando materiais personalizados introduz responsabilidade adicional. Siga estas diretrizes para evitar erros:

  • Dados de origem de referências de confiança. Utilizar fichas de dados do fabricante, resultados de ensaios publicados ou valores de código reconhecidos (por exemplo, AISC 360, ACI 318, NDS). Para materiais compostos, consultar relatórios de avaliação ASCE 41 ou ICC-ES.
  • Mantenha um arquivo de biblioteca de material. RISA permite exportar a biblioteca de material atual para um arquivo .xml. Salve este arquivo como um padrão da empresa para que os mesmos materiais personalizados sejam usados em projetos. Isso garante consistência e reduz a reentrada.
  • Use unidades consistentes. RISA funciona em unidades habituais ou métricas dos EUA. Verifique duplamente se os valores que você introduz correspondem ao sistema de unidades do seu modelo. Um erro comum é inserir E em psi quando o modelo é configurado para ksi (desligado por um fator de 1000).
  • Teste em um submodelo. Antes de executar uma análise completa do edifício com 10.000 elementos, aplique o material personalizado em uma simples moldura de dois compartimentos ou uma única coluna. Aplique gravidade e cargas laterais e inspecione deflexões e tensões. Compare com cálculos manuais ou disposições de código.
  • Documento todos os parâmetros personalizados. Mantenha uma nota de design separada (ou uma folha dentro do modelo RISA) que lista cada material personalizado com sua fonte e data. Isto é inestimável durante a revisão por pares e quando revisita o modelo meses depois.
  • Atualizar propriedades com novos dados. As propriedades do material podem mudar ao longo do tempo devido a variações de lote ou padrões revistos. Revisite sua biblioteca personalizada pelo menos anualmente e ajuste conforme necessário.

Pistas comuns e como evitá - las

Até engenheiros experientes podem tropeçar ao definir materiais personalizados. Aqui estão erros e correções frequentes:

  • Curvas não lineares não coincidem com dados experimentais. Muitos usuários introduzem uma curva trilinear com uma queda súbita após a última, causando instabilidade numérica.Em vez disso, use um ramo descendente suave ou adicione uma grande capacidade de deformação plástica (por exemplo, 5% para o concreto) para melhorar a convergência.
  • Ignorando o módulo de cisalhamento para materiais ortotrópicos. Se você definir diferentes valores E, mas deixar G como padrão (computado a partir de fórmula isotrópica), a análise irá subestimar deformações de cisalhamento. Sempre insira G explicitamente para materiais ortotrópicos.
  • Usando materiais personalizados em verificações de código incorretas. Os módulos de projeto da RISA (por exemplo, design de aço por AISC) usam os valores de resistência do material atribuídos. Se você definir Fy para 65 ksi, mas o membro é uma seção W que está listada apenas como A992 na base de dados de seção, RISA pode ainda usar Fy nominal da seção (50 ksi) para certos estados limite. Certifique-se de que as propriedades da seção também são personalizadas se necessário, ou use a “Definição de Seção” para criar uma nova seção definida pelo usuário com o material correto.
  • Sobrescrever materiais existentes. Em vez de modificar um material incorporado (por exemplo, “A992 Gr50”), duplicá-lo e renomeá-lo. Isto preserva o padrão original e evita alterações acidentais para outros modelos que possam usar esse nome de material.

Expandindo suas capacidades com fluxos de trabalho integrados

As propriedades personalizadas do material RISA podem ser ainda mais aproveitadas quando combinadas com outras ferramentas de software. Por exemplo, você pode exportar definições de material para RISAconnection[] para o projeto de conexão com a mesma resistência de aço, ou importar dados de material de MATLAB[] ou Python[[] através da API RISA. Para modelos avançados de pesquisa, você pode definir propriedades customizadas dependentes da temperatura e executar acoplamento térmico-estrutural. A API permite que você escreva scripts que geram uma família de materiais personalizados com base em estudos paramétricos – ideais para otimização ou análise de sensibilidade.

Os recursos externos para outras orientações incluem:

Conclusão

As propriedades personalizadas de materiais na RISA não são apenas uma característica de nicho – elas são essenciais para a engenharia estrutural moderna, onde bibliotecas padrão são insuficientes. Ao dominar o fluxo de trabalho desde entradas básicas até definições não lineares avançadas, você pode modelar tudo, desde aço de alta resistência a compósitos ortotrópicos com confiança. A chave é validação rigorosa, documentação consistente e aprendizagem contínua. Implemente essas práticas em seu próximo projeto e você verá melhorias tanto na precisão de design quanto na eficiência. A flexibilidade da RISA, combinada com seu conhecimento material, torna impossível na análise estrutural.